スパッタリング

スパッタ蒸着法は、スパッタリング現象を利用して薄膜を蒸着する物理蒸着法（PVD）です。この方法では、ソースである「ターゲット」からシリコンウェーハなどの「基板」上に材料を噴射します。

再スパッタリングとは、イオンや原子の衝撃によって堆積プロセス中に堆積した物質が再放出されることである。^{[1] [2]}

ターゲットから放出されたスパッタ原子は、通常、最大数十eV (100,000 K ) の広いエネルギー分布を持ちます。スパッタイオン (通常、放出された粒子のごく一部のみがイオン化されます— 約 1 %) は、ターゲットから弾道的に直線的に飛び、基板または真空チャンバーに激しく衝突します (再スパッタリングの原因となります)。または、ガス圧が高い場合、イオンは減速材として機能するガス原子と衝突して拡散し、基板または真空チャンバーの壁に到達してランダムウォークを経た後に凝縮します。高エネルギーの弾道衝突から低エネルギーの熱化運動までの全範囲は、バックグラウンドガス圧を変更することでアクセスできます。

スパッタリングガスは、多くの場合、アルゴンなどの不活性ガスです。効率的な運動量伝達のためには、スパッタリングガスの原子量はターゲットの原子量に近い必要があります。そのため、軽元素のスパッタリングにはネオンが適しており、重元素のスパッタリングにはクリプトンまたはキセノンが使用されます。^[3]反応性ガスを使用して化合物をスパッタリングすることもできます。

プロセスパラメータに応じて、化合物はターゲット表面、飛行中、または基板上に形成されます。スパッタ堆積を制御するパラメータが多数あるため、プロセスは複雑になりますが、専門家は膜の成長と微細構造を高度に制御できます。

スパッタ堆積の最も初期の広範な商業的用途の 1 つであり、現在でも最も重要な用途の 1 つであるのは、コンピューターのハードディスクの製造です。スパッタリングは、集積回路処理でさまざまな材料の薄膜を堆積するために半導体業界で広く使用されています。光学用途のガラスへの薄い反射防止コーティングも、スパッタリングによって堆積されます。使用される基板温度が低いため、スパッタリングは薄膜トランジスタの接点金属を堆積する理想的な方法です。スパッタリングのもう 1 つのよく知られた用途は、二重窓アセンブリに使用されるガラスへの低放射率コーティングです。このコーティングは、銀と、酸化亜鉛、酸化スズ、または二酸化チタンなどの金属酸化物を含む多層構造です。チタン窒化物などのスパッタ窒化物を使用したツールビットコーティングを中心に大規模な産業が発展し、おなじみの金色のハードコートが作成されています。スパッタリングは、CD や DVD の製造中に金属 (アルミニウムなど) 層を堆積するプロセスとしても使用されます。

ハードディスクの表面には、スパッタリングされたCrO _{xやその他のスパッタリング材料が使用されています。スパッタリングは光導}波路を製造する主なプロセスの1つであり、効率的な太陽光発電や薄膜太陽電池を製造するためのもう1つの方法です。 ^{[4] [5]}

2022年にIMECの研究者らは、スパッタリング堆積やサブトラクティブエッチングなどのCMOS互換の製造技術を使用して、コヒーレンス 時間が100μsを超え、平均単一量子ビットゲート忠実度が99.94%の実験室用超伝導量子ビットを構築した。^[6]

走査型電子顕微鏡におけるスパッタコーティングは、^試料を導電性材料（通常は金/パラジウム（Au/Pd）合金などの金属^）の薄い層で覆うスパッタ堆積プロセスです。導電性コーティングは、従来の^SEMモード（高真空、高電圧）で電子ビームによる試料の帯電を防ぐために必要です。金属コーティングは信号対雑音比を高めるのにも役立ちますが（重金属は優れた二次電子放出源です）、X線分光法を使用する場合は品質が劣ります。このため、X線分光法を使用する場合は、カーボンコーティングが推奨されます。^[7]

スパッタ蒸着の重要な利点は、融点が非常に高い材料でも簡単にスパッタできるのに対し、抵抗蒸発器やクヌーセンセルではこれらの材料の蒸発が困難または不可能なことです。スパッタ蒸着されたフィルムの組成は、ソース材料の組成に近いです。違いは、異なる元素の質量が異なるために広がり方が異なるためです (軽い元素はガスによって簡単に偏向します) が、この違いは一定です。スパッタフィルムは通常、蒸発フィルムよりも基板への密着性が高くなっています。ターゲットには大量の材料が含まれており、メンテナンスが不要なため、この手法は超高真空アプリケーションに適しています。スパッタリング ソースには高温部分がなく (加熱を避けるために通常は水冷されます)、酸素などの反応性ガスと互換性があります。スパッタリングはトップダウンで実行できますが、蒸発はボトムアップで実行する必要があります。エピタキシャル成長などの高度なプロセスが可能です。

スパッタリングプロセスの欠点は、フィルム構造化のためのリフトオフと組み合わせるのが難しいことです。これは、スパッタリングの特徴である拡散輸送により、完全な影が不可能になるためです。したがって、原子が移動する場所を完全に制限することができず、汚染の問題につながる可能性があります。また、層ごとの成長の能動的な制御は、パルスレーザー堆積法と比較して難しく、不活性スパッタリングガスが不純物として成長するフィルムに組み込まれます。パルスレーザー堆積法は、レーザービームをスパッタリングに使用するスパッタ堆積法の変形です。パルスレーザー堆積プロセス中に、スパッタされたイオンと再スパッタされたイオン、およびバックグラウンドガスの役割は完全に調査されています。^{[8] [9]}

スパッタリング源では、強力な電界と磁界を利用して帯電プラズマ粒子をスパッタリング ターゲットの表面近くに閉じ込めるマグネトロンがよく使用されます。磁界内では、電子は磁力線の周りを螺旋状に進み、ターゲット表面近くでガス状中性粒子とのイオン化衝突が通常よりも多く発生します (ターゲット材料が枯渇すると、ターゲット表面に「レーストラック」状の侵食プロファイルが現れる場合があります)。スパッタリング ガスは通常、アルゴンなどの不活性ガスです。これらの衝突の結果として生成される余分なアルゴン イオンによって、堆積速度が速くなります。この方法により、プラズマを低圧で維持することもできます。スパッタリングされた原子は中性電荷を帯びているため、磁気トラップの影響を受けません。絶縁ターゲット上の電荷蓄積は、アノード - カソード バイアスの符号が高速 (通常13.56 MHz ) で変化するRF スパッタリングを使用することで回避できます。^[10] RFスパッタリングは高絶縁性の酸化膜を生成するのに効果的ですが、RF電源とインピーダンス整合ネットワークの費用が余計にかかります。強磁性ターゲットから漏れる漂遊磁場もスパッタリングプロセスを妨害します。これを補うために、異常に強力な永久磁石を備えた特別に設計されたスパッタガンを使用する必要があることがよくあります。

イオンビームスパッタリング (IBS) は、ターゲットがイオン源の外部にある方法です。熱フィラメントイオン化ゲージのように、ソースは磁場なしで動作できます。カウフマンソースでは、マグネトロンのように磁場によって閉じ込められた電子との衝突によってイオンが生成されます。 次に、グリッドからターゲットに向かって放射される電界によって加速されます。 イオンがソースを離れると、2 番目の外部フィラメントからの電子によって中和されます。 IBS の利点は、イオンのエネルギーとフラックスを個別に制御できることです。 ターゲットに当たるフラックスは中性原子で構成されているため、絶縁ターゲットまたは導電性ターゲットのどちらもスパッタできます。 IBS は、ディスクドライブの薄膜ヘッドの製造に使用されています。 イオン源とサンプルチャンバー間の圧力勾配は、ソースにガス入口を配置し、チューブを介してサンプルチャンバーに噴射することによって生成されます。 これにより、ガスが節約され、UHVアプリケーションでの汚染が軽減されます。 IBSの主な欠点は、イオン源を稼働させ続けるために大量のメンテナンスが必要となることである。^[11]

反応性スパッタリングでは、ターゲット材料からスパッタされた粒子が化学反応を起こし、特定の基板上に異なる組成の膜を堆積します。粒子が起こす化学反応は、スパッタリングチャンバーに導入された酸素や窒素などの反応性ガスと反応し、それぞれ酸化物膜と窒化物膜の生成を可能にします。^[12]プロセスへの追加要素、つまり反応性ガスの導入は、目的の堆積に大きな影響を与え、理想的な作業点を見つけることをより困難にします。同様に、反応性スパッタリングプロセスの大部分はヒステリシスのような動作を特徴とするため、それを弱めるには、作業ガス（または不活性ガス）と反応性ガスの分圧など、関連するパラメータを適切に制御する必要があります。^[13] Bergらは、スパッタリングプロセスへの反応性ガスの添加による影響を推定するための重要なモデル、つまりBergモデルを提案しました。一般に、反応性ガスの相対圧力と流量の影響は、ターゲットの浸食と目的の基板上の膜の堆積速度に応じて推定されました。^[14]膜の組成は、不活性ガスと反応性ガスの相対圧力を変えることによって制御できます。膜の化学量論は、SiN _{xの応力やSiO x}の屈折率などの機能特性を最適化するための重要なパラメータです。

イオンアシスト堆積 (IAD) では、基板はスパッタガンよりも低い出力で動作する二次イオンビームにさらされます。通常、IBS で使用されるようなカウフマン ソースが二次ビームを供給します。IAD は、基板上にダイヤモンドのような形状の炭素を堆積するために使用できます。基板上に着地した炭素原子がダイヤモンド結晶格子に適切に結合しなかった場合は、二次ビームによって叩き落とされます。NASAは、 1980 年代にこの技術を使用して、タービンブレード上にダイヤモンド フィルムを堆積する実験を行いました。IAD は、ハード ディスクプラッター上の四面体アモルファス カーボン表面コーティングや、医療用インプラント上の硬質遷移金属窒化物コーティング の作成など、他の重要な産業用途にも使用されています。

スパッタリングは、高密度プラズマをリモート生成することによっても実行できます。プラズマは、ターゲットとコーティングする基板を含むメイン プロセス チャンバーに通じるサイド チャンバーで生成されます。プラズマはリモートで生成され、ターゲット自体から生成されるわけではないため (従来のマグネトロンスパッタリングのように)、ターゲットへのイオン電流はターゲットに印加される電圧とは無関係です。

HiPIMS は、マグネトロン スパッタ蒸着法に基づく薄膜の物理蒸着法です。HiPIMS は、10% 未満の低デューティ サイクルで、数十マイクロ秒の短いパルス (インパルス) で kW/cm ²オーダーの極めて高い電力密度を活用します。

ガスフロースパッタリングは、ホローカソード効果を利用しています。これは、ホローカソードランプが動作するのと同じ効果です。ガスフロースパッタリングでは、アルゴンなどの作動ガスが、負の電位にさらされた金属の開口部に導かれます。[ ^{15] [16]}チャンバー内の圧力pとホローカソードの特性寸法Lがパッシェンの法則0.5 Pa·m < p · L < 5 Pa·mに従う場合、ホローカソードでプラズマ密度が増加します。これにより、周囲の表面に高いイオン流束が発生し、大きなスパッタ効果が発生します。したがって、ホローカソードベースのガスフロースパッタリングは、最大で数 μm/分という大きな堆積速度と関連している可能性があります。^[17]

1974 年、JA Thornton は薄膜形態の記述のための構造ゾーン モデルをスパッタ堆積に適用しました。DC スパッタリングによって作成された金属層の研究において、^[18]彼は Movchan と Demchishin が最初に蒸着膜に導入した構造ゾーンの概念を拡張しました。^[19] Thornton は、低アルゴン圧で観察され、密集した繊維状粒子を特徴とするさらなる構造ゾーン T を導入しました。この拡張の最も重要な点は、圧力p を決定的なプロセス パラメータとして強調したことです。特に、スパッタリングなどの超熱技術をソース原子の昇華に使用する場合、圧力は平均自由行程を介して、成長する膜の表面に原子が衝突する際のエネルギー分布を決定します。したがって、堆積プロセスを検討するときは、堆積温度T _dの次に、チャンバー圧力または平均自由行程を常に指定する必要があります。

スパッタ堆積はプラズマ支援プロセスのグループに属するため、中性原子の他に荷電種（アルゴンイオンなど）も成長中の膜の表面に衝突し、この要素が大きな影響を及ぼす可能性があります。到達するイオンと原子のフラックスをJ _iとJ _aで表すと、 J _i /J _a比の大きさが膜の微細構造と形態に決定的な役割を果たすことがわかりました。 ^[20]イオン衝撃の影響は、結晶子またはテクスチャの優先配向などの構造パラメータと残留応力の状態から定量的に導き出すことができます。最近、 ^{[21]ガスフロースパッタリングされた Ti 層では、}ショットピーニングによる激しい塑性変形を受けたマクロな Ti ワークピースで得られるものと同等のテクスチャと残留応力が生じる可能性があることが示されています。

• コーティング

• D. Mattox 著「真空コーティング技術の基礎」
• ウィリアム・D・ウェストウッド (2003)。『スパッタ堆積』、AVS 教育委員会書籍シリーズ。第 2 巻。ISBN 978-0-7354-0105-1。
• 和佐清隆・早川茂 (1992)。スパッタ堆積技術の原理、技術、応用ハンドブック。Noyes Publications。ISBN 0815512805。

ウィキメディア・コモンズには、スパッタコーティングに関連するメディアがあります。

• 薄膜蒸着ガイド
• スパッタアニメーション
• マグネトロンスパッタリングアニメーション