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スパッタ成膜は、スパッタリング現象を利用して薄膜を成膜する物理蒸着（PVD）法の一種です。これは、シリコンウェハなどの「基板」上に、ソースとなる「ターゲット」から材料を噴射するプロセスです。
再スパッタリングとは、イオンまたは原子の衝撃によって堆積プロセス中に堆積された材料が再放出される現象である。[ 1 ] [ 2 ]
ターゲットから放出されるスパッタリング原子は、通常数十eV（100,000K ）までの幅広いエネルギー分布を持つ。スパッタリングされたイオン（放出粒子のうちイオン化されるのは通常わずか1%程度）は、ターゲットから直線的に弾道的に飛び出し、基板や真空チャンバーに高エネルギーで衝突して再スパッタリングを引き起こす。あるいは、ガス圧が高い場合、イオンは減速材として作用するガス原子と衝突し、拡散的に移動し、ランダムウォークを経て基板や真空チャンバーの壁に到達して凝縮する。高エネルギーの弾道衝突から低エネルギーの熱平衡運動まで、背景ガス圧を変化させることで、あらゆるエネルギー範囲を実現できる。
スパッタリングガスは、アルゴンなどの不活性ガスであることが多い。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がターゲットの原子量に近い必要があるため、軽元素のスパッタリングにはネオンが好ましいが、重元素にはクリプトンまたはキセノンが使用される。[ 3 ]化合物のスパッタリングには反応性ガスも使用できる。
プロセスパラメータに応じて、化合物はターゲット表面上、飛行中、または基板上に形成される。スパッタ成膜を制御するパラメータが多数存在するため、プロセスは複雑になるが、同時に専門家は膜の成長と微細構造を高度に制御できる。
スパッタ成膜の最も初期の広く普及した商業用途の一つであり、現在でも最も重要な用途の一つであるのが、コンピュータのハードディスクの製造です。スパッタリングは、集積回路製造プロセスにおいて、さまざまな材料の薄膜を成膜するために半導体産業で広く使用されています。光学用途のガラス上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成膜されます。スパッタリングは、使用する基板温度が低いため、薄膜トランジスタのコンタクト金属を成膜するのに理想的な方法です。スパッタリングのもう一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上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、二酸化チタンなどの金属酸化物を含む多層構造です。窒化チタンなどのスパッタリング窒化物を使用した工具ビットコーティングを中心に大きな産業が発展しており、おなじみの金色のハードコートが作られています。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）層を成膜するプロセスとしても使用されています。
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された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要なプロセスの1つであり、効率的な光起電力セルや薄膜太陽電池を作るもう1つの方法です。 [ 4 ] [ 5 ]
2022年、IMECの研究者たちは、スパッタリング成膜や減算エッチングなどのCMOS互換の製造技術を用いて、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、スパッタ蒸着法を用いて試料を導電性材料（通常は金/パラジウム（Au/Pd）合金などの金属）の薄膜で覆うプロセスです。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の向上にも役立ちますが（重金属は二次電子放出性に優れています）、X線分光法を用いる場合には品質が劣ります。そのため、X線分光法を用いる場合は炭素コーティングが好まれます。[ 7 ]
スパッタ成膜の重要な利点は、融点が非常に高い材料でも容易にスパッタリングできるのに対し、抵抗蒸着装置やクヌーセンセルではこれらの材料の蒸着が困難または不可能である点です。スパッタ成膜された膜は、原料材料と組成が近いものとなります。組成の違いは、元素の質量の違い（軽い元素はガスによってより容易に偏向される）により、元素の拡散の仕方が異なるためですが、この違いは一定です。スパッタ成膜された膜は、蒸着膜よりも基板への密着性が一般的に優れています。ターゲットには大量の材料が含まれており、メンテナンスフリーであるため、この技術は超高真空用途に適しています。スパッタリング源には高温部がなく（加熱を避けるため、通常は水冷式）、酸素などの反応性ガスにも対応しています。スパッタリングはトップダウン方式で行うことができますが、蒸着はボトムアップ方式で行う必要があります。エピタキシャル成長などの高度なプロセスも可能です。
スパッタリングプロセスの欠点としては、膜の構造化のためのリフトオフとの組み合わせが難しいことが挙げられます。これは、スパッタリングの特徴である拡散輸送により、完全なシャドウが不可能になるためです。そのため、原子の移動先を完全に制御することができず、汚染問題が発生する可能性があります。また、パルスレーザー堆積と比較して、層ごとの成長の能動制御が難しく、不活性スパッタリングガスが不純物として成長中の膜に組み込まれます。パルスレーザー堆積は、レーザービームを使用してスパッタリングを行うスパッタリング堆積技術の変種です。パルスレーザー堆積プロセスでは、スパッタされたイオンと再スパッタされたイオン、および背景ガスの役割が十分に調査されています。[ 8 ] [ 9 ]
スパッタリング源では、強力な電場と磁場を利用して荷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用いられます。磁場中では、電子は磁力線に沿ってらせん状の軌道を描き、ターゲット表面付近で通常よりも多くのイオン化衝突を起こします。（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ことがあります。）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。これらの衝突によって生成される余分なアルゴンイオンにより、成膜速度が向上します。また、この方法でプラズマを低圧で維持することも可能です。スパッタリングされた原子は中性であるため、磁気トラップの影響を受けません。アノード・カソードバイアスの符号を高速（一般的には13.56 MHz ）で変化させるRFスパッタリングを用いることで、絶縁ターゲットへの電荷蓄積を回避できます。[ 10 ] RF スパッタリングは、高絶縁性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追加コストがかかります。強磁性ターゲットから漏れる迷走磁場もスパッタリングプロセスを妨害します。補償のために、非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。イオン源は、ホットフィラメント電離ゲージのように磁場なしで動作できます。カウフマンイオン源では、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。生成されたイオンは、グリッドからターゲットに向かって放射される電場によって加速されます。イオンがイオン源から出ると、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独立して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、絶縁体または導電性のターゲットのどちらでもスパッタリングできます。IBSは、ディスクドライブの薄膜ヘッドの製造に応用されています。イオン源とサンプルチャンバーの間に圧力勾配を生成するには、ガス入口をイオン源に配置し、チューブを通してサンプルチャンバーにガスを噴射します。これにより、超高真空アプリケーションでガスを節約し、汚染を低減できます。 IBSの主な欠点は、イオン源を稼働させ続けるために必要なメンテナンスの量が多いことである。[ 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させます。粒子が受ける化学反応は、酸素や窒素などのスパッタリングチャンバーに導入された反応性ガスとの反応であり、それぞれ酸化物膜と窒化物膜の生成を可能にします。[ 12 ]プロセスに反応性ガスという追加の要素を導入すると、目的の堆積に大きな影響を与え、理想的な動作点を見つけることがより困難になります。そのため、反応性ベースの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挙動を特徴としており、それを軽減するために、動作ガス（または不活性ガス）と反応性ガスの部分圧などの関連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に反応性ガスを追加した場合の影響を推定するための重要なモデル、すなわち Berg モデルを提案しました。一般的に、反応性ガスの相対圧力と流量の影響は、ターゲットの侵食と目的の基板上の膜の堆積速度に応じて推定されます。[ 14 ]フィルムの組成は、不活性ガスと反応性ガスの相対圧力を変化させることによって制御できます。フィルムの化学量論は、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。
イオンアシスト蒸着（IAD）では、基板はスパッタリングガンよりも低出力の二次イオンビームに曝されます。通常、IBSで使用されるようなカウフマン源が二次ビームを供給します。IADは、基板上にダイヤモンド状の炭素を蒸着するために使用できます。基板上に付着した炭素原子のうち、ダイヤモンド結晶格子内で適切に結合しなかったものは、二次ビームによって叩き落とされます。NASAは1980年代に、この技術を用いてタービンブレードにダイヤモンド膜を蒸着する実験を行いました。IADは、ハードディスクプラッタに四面体状のアモルファス炭素表面コーティングを施したり、医療用インプラントに硬質の遷移金属窒化物コーティングを施したりするなど、その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、高密度プラズマを遠隔で生成することによっても行うことができる。プラズマは、ターゲットとコーティング対象基板を収容するメインプロセスチャンバーに通じる側室で生成される。プラズマはターゲット自体からではなく（従来のマグネトロンスパッタリングのように）、遠隔で生成されるため、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に依存しない。
HiPIMSは、マグネトロンスパッタリング法をベースとした薄膜の物理蒸着法です。HiPIMSは、10%未満の低い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）中に、kW/cm²オーダーの極めて高い電力密度を利用します。
ガスフロー スパッタリングは、中空陰極ランプの動作原理と同じ中空陰極効果を利用します。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、負の電位が印加された金属の開口部を通って流れます。[ 15 ] [ 16 ]チャンバー内の圧力pと中空陰極の特性寸法Lがパッシェンの法則0.5 Pa·m < p · L < 5 Pa·m に従う場合、中空陰極内でプラズマ密度が増大します。これにより、周囲の表面にイオンが大量に流れ込み、大きなスパッタリング効果が生じます。したがって、中空陰極を用いたガスフロー スパッタリングは、数 μm/min までの高い成膜速度と関連付けられる可能性があります。[ 17 ]
1974年、JA Thorntonは薄膜形態の記述に構造ゾーンモデルをスパッタ成膜に適用した。DCスパッタリングで作製した金属層に関する研究[ 18 ]において、彼はMovchanとDemchishinが蒸着膜用に最初に導入した構造ゾーンの概念を拡張した[ 19 ]。Thorntonはさらに構造ゾーンTを導入し、これは低アルゴン圧力で観察され、密に詰まった繊維状粒子によって特徴付けられる。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することであった。特に、スパッタリングなどのハイパーサーマル技術を原料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、成長中の膜の表面に衝突するエネルギー分布を支配する。したがって、成膜プロセスを検討する際には、成膜温度Tdに加えて、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る。
スパッタ成膜はプラズマ支援プロセスの一種であるため、中性原子に加えて、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、この成分が大きな影響を及ぼす可能性がある。到着するイオンと原子のフラックスをそれぞれJ iとJ aとすると、 J i /J a比の大きさが、膜で得られる微細構造と形態に決定的な役割を果たすことがわかった。 [ 20 ]イオン衝撃の影響は、結晶粒の優先配向やテクスチャなどの構造パラメータや残留応力の状態から定量的に導き出すことができる。最近[ 21 ] 、ガスフロー スパッタリング 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巨視的な Tiワークピースで得られるテクスチャや残留応力に匹敵するテクスチャや残留応力が発生する可能性があることが示されている。