蒸発（沈着）

蒸発は薄膜堆積の一般的な方法です。原料は真空中で蒸発します。真空により、蒸気粒子はターゲット オブジェクト (基板) に直接移動し、そこで固体状態に戻ります。蒸発は、微細加工や、金属化プラスチック フィルム などのマクロ スケールの製品の製造に使用されます。

蒸着は、19世紀後半に白熱電球で初めて観察されました。電球の黒化の問題は、長寿命の電球を製造する上での主な障害の1つであり、トーマス・エジソンと彼のゼネラル・エレクトリック社、および独自の電球に取り組んでいた他の多くの人々によって徹底的に研究されました。この現象は、1912年にポールとプリンシャイムによって初めて真空蒸着法に採用されました。しかし、1930年代に人々が望遠鏡で使用するためにアルミニウムでコーティングされたミラーを作成する方法の実験を開始するまで、ほとんど使用されませんでした。アルミニウムは、化学的湿式堆積法や電気メッキ法で使用するには反応性が高すぎました。ジョン・D・ストロングは、 1930年代に蒸着法を使用して最初のアルミニウム製望遠鏡ミラーの製造に成功しました。この方法は、結晶質ではなく非晶質（ガラス質）のコーティングを高い均一性と厚さの精密制御で生成するため、その後、金属と非金属（誘電体）の両方のさまざまな材料から薄膜光学コーティングを製造するための一般的なプロセスとなり、プラスチック製のおもちゃや自動車部品のコーティング、半導体やマイクロチップの製造、コンデンサから宇宙船の熱制御に至るまでの用途を持つマイラーフィルムなど、他の多くの用途に採用されています。^[1]

蒸発には、2 つの基本的なプロセスがあります。高温の源が物質を蒸発させ、その物質が融点以下の低温の基質上で凝縮します。これは、沸騰した鍋の蓋の上に液体の水が現れるというよく知られたプロセスに似ています。ただし、気体環境と熱源 (以下の「機器」を参照) は異なります。水などの液体は、原子や分子をまとめるためにある程度の外部圧力を必要とするため、真空中では存在できません。真空中では、物質は昇華(蒸発) し、外側に膨張し、表面と接触すると、液体状態を経ることなく再び固体 (沈殿物) に凝縮します。したがって、水と比較すると、このプロセスは窓に 霜が付くようなものです。

蒸発は真空中で行われます。つまり、原料以外の蒸気は、プロセスが始まる前にほぼ完全に除去されます。高真空（長い平均自由行程）では、蒸発した粒子はバックグラウンドガスと衝突することなく、直接堆積ターゲットまで移動できます。（対照的に、沸騰した鍋の例では、水蒸気は蓋に到達する前に鍋から空気を押し出します。）一般的な圧力 10 ⁻⁴ Pa では、0.4 nm の粒子の平均自由行程は 60 m です。加熱フィラメントなど、蒸発チャンバー内の高温の物体は、真空の品質を制限する不要な蒸気を生成します。

蒸発した原子が異物と衝突すると、異物と反応する可能性があります。たとえば、アルミニウムを酸素の存在下で蒸着すると、酸化アルミニウムが形成されます。また、基板に到達する蒸気の量も減少するため、厚さの制御が難しくなります。

基板の表面が粗い場合 (集積回路の場合によくあることですが)、蒸発した材料は不均一に堆積します。蒸発した材料は基板を主に一方向から攻撃するため、突起によって蒸発した材料が一部の領域からブロックされます。この現象は「シャドウイング」または「ステップ カバレッジ」と呼ばれます。

真空度が低い状態や大気圧に近い状態で蒸発を行うと、通常、堆積物は不均一になり、連続した滑らかな膜にはなりません。むしろ、堆積物はぼやけて見えます。

あらゆる蒸発システムには真空ポンプが含まれます。また、堆積する材料を蒸発させるエネルギー源も含まれます。さまざまなエネルギー源が存在します。

• 熱法では、金属材料（ワイヤ、ペレット、ショットの形）が、その形状から「ボート」と呼ばれる加熱された半金属（セラミック）蒸発器に供給されます。ボートの空洞に溶けた金属のプールが形成され、ソースの上の雲に蒸発します。または、ソース材料をるつぼに入れ、電気フィラメントによって放射加熱するか、ソース材料をフィラメント自体から吊るすこともできます（フィラメント蒸発）。
  • 分子線エピタキシーは熱蒸発法の高度な形式です。
• 電子ビーム法では、最大 15 keVのエネルギーを持つ電子ビームによって源が加熱されます。
• フラッシュ蒸発では、原料の細いワイヤまたは粉末が熱いセラミックまたは金属の棒の上に連続的に供給され、接触すると蒸発します。
• 抵抗蒸発は、堆積する材料を含む抵抗ワイヤまたは箔に大電流を流すことで実現されます。加熱要素は、しばしば「蒸発源」と呼ばれます。ワイヤタイプの蒸発源はタングステンワイヤで作られ、フィラメント、バスケット、ヒーター、またはループ形状の点源に形成できます。ボートタイプの蒸発源は、高温に耐えられるタングステン、タンタル、モリブデン、またはセラミックタイプの材料で作られています。
• 誘導加熱蒸発法では、誘導加熱装置を用いて原料を加熱する。^[3]

一部のシステムでは、基板を平面外の遊星機構に取り付けます。この機構は、影を減らすために、基板を 2 つの軸の周りで同時に回転させます。

• 堆積されたフィルムの純度は、真空の品質と原料の純度に依存します。
• 特定の真空圧では、堆積速度が速いほどガス状不純物の混入の相対速度が最小限に抑えられるため、膜の純度が高くなります。
• フィルムの厚さは蒸発室の形状によって変化します。残留ガスとの衝突により厚さの不均一性が悪化します。
• 蒸着用のワイヤーフィラメントでは、フィラメントのサイズによって蒸着できる材料の量が制限されるため、厚いフィルムを蒸着できません。蒸着ボートとるつぼは、厚いコーティングに適した容量を提供します。熱蒸着は、スパッタリングよりも蒸発速度が速くなります。フラッシュ蒸着やるつぼを使用するその他の方法では、厚いフィルムを蒸着できます。
• 材料を蒸着するには、蒸着システムでその材料を気化できなければなりません。そのため、電子ビーム加熱を使用しない方法では、タングステンなどの耐火材料を蒸着するのは困難です。
• 電子ビーム蒸着では、蒸着速度を厳密に制御できます。したがって、複数のビームと複数のソースを備えた電子ビーム システムでは、既知の組成の化合物または複合材料を蒸着できます。
• ステップカバレッジ

蒸発プロセスの重要な例としては、ロールツーロール ウェブ システムでアルミニウム処理された PET フィルム包装フィルムを製造することが挙げられます。多くの場合、この材料のアルミニウム層は、厚い層よりも薄い層の方が安価に堆積できるため、完全に不透明になるほど厚くありません。アルミニウムの主な目的は、光、酸素、または水蒸気 の通過に対する障壁を作り、製品を外部環境から隔離することです。

蒸発は、微細加工において金属膜を堆積するためによく使用されます。

• スパッタリングや化学蒸着などの蒸着法の代替手段は、段差被覆性に優れています。これは、望ましい結果に応じて、利点にも欠点にもなり得ます。
• スパッタリングは蒸発よりもゆっくりと材料を堆積する傾向があります。
• スパッタリングではプラズマが使用され、多数の高速原子が生成されます。この高速原子は基板に衝突して基板を損傷する可能性があります。蒸発した原子はマクスウェル分布のエネルギーを持ち、これはソースの温度によって決まり、高速原子の数は減少します。ただし、電子ビームは X 線 (制動放射線) と迷走電子を生成する傾向があり、これらも基板を損傷する可能性があります。

• Jaeger, Richard C. (2002)。「フィルム堆積」。マイクロエレクトロニクス製造入門(第 2 版)。アッパー サドル リバー: Prentice Hall。ISBN 0-201-44494-1。
• SM Sze 著『半導体デバイス: 物理と技術』( ISBN 0-471-33372-7 ) には、蒸発による膜堆積に関する詳細な説明があります。 
• RD Mathis Company 蒸発源カタログ、RD Mathis Company 発行、1 ページから 7 ページおよび 12 ページ、1992 年。

• 薄膜蒸発リファレンス - 一般的な材料の特性
• 真空コーティング協会のウェブページ（真空コーティング協会）
• 蒸発源の例