スパッタリング法による薄膜作製の原理と特徴

2024-04-12

スパッタリング技術は物理的気相成長法 (PVD)一種の、絶縁体、金属や他の薄膜の調製に使用することができ、複合膜も調製することができ、理論は、固体ターゲット金属、合金、高分子化合物、セラミック材料などを作るために十分なほぼすべてのスパッタリングすることができ、薄膜の調製、高速、低温、フィルムへの小さな損傷;薄膜層の均一性、内部無孔質、高密度、基板との良好な接着性によって調製された薄膜の調製は、フィルムは高品質である。マグネトロンスパッタリング技術提案されたスパッタリング速度とターゲットの利用率は大幅に改善され、科学研究や工業生産に広く利用されている。

ガスグロー放電

スパッタプロセスは、ガスグロー放電に基づいて確立され、グロー放電は、ガス放電の一種であり、スパッタチャンバーに起因する安定した自立放電を維持するために二次電子を生成するためにイオン砲撃カソードの一種であるまだイオンと電子の数が少ないので、ちょうど負の電圧を追加し、まだグロー放電を生成していない、この時点で電流が小さく、電流はほとんど変化していない、電荷の数の動きに参加するために決定する。電流の強さは、この時間は暗放電のために呼ばれています。電圧が上昇すると、スパッタ室内の電子や荷電イオンのエネルギーが徐々に増加し、電界中で加速された電子や荷電イオンが電極や帯電ガス原子に絶えず衝突し、荷電粒子の数が連続的に増加し、電流が増加します。その後、荷電粒子数の増加とともに電流も徐々に上昇し、電圧は変化せず、この放電領域を「トムソン放電領域」と呼ぶ。最後に、"なだれ "の開発は、正極ターゲット表面から離れて二次電子を砲撃し続け、ガス衝突の二次電子とスパッタチャンバーのリリースは、より多くの正イオンの形成、正イオンは、二次電子によって生成されたターゲットの砲撃に続いて、ガス原子と衝突し、より多くの正イオンを形成する。この過程で、システムの放電プロセスが自立に達すると、ガスが光り始め、電圧が低下し、その後、電流が突然上昇し、通常、「正常放電帯」の領域と呼ばれる。その後、電力を上げると両極間の電流・電圧密度が上昇し、その時点でグロー放電が安定し、この領域は「異常グロー放電領域」と呼ばれ、スパッタリング技術で実際に使用されている領域である。これに続くのが「アーク放電領域」で、異常グロー放電領域の後に極間の電圧が非常に低いレベルまで低下する領域である。

DCマグネトロンスパッタリング

低電圧の直流グロー放電では、プロセスは陰極ゾーン、負グローゾーン、ファラデー暗ゾーン、正カラムゾーン、陽極ゾーンの5つのゾーンに分けられる。これらのゾーンの1つである異常グロー放電は、堆積膜のスパッタリングに実際に使用されるものである。スパッタリングでは、基板が陽極として働き、通常は負のグロー領域に置かれ、ターゲットが陰極として働く。電子のエネルギーと速度はイオンのそれよりもはるかに高いため、グロー放電中にプラズマシース層が形成され、シース電位の存在により、電極の印加電圧の大部分がカソードのシース電位によって占められる。プラズマシース電位の確立により、カソードに到達したイオンはそれに応じて加速され、エネルギーを得る。そのため、イオンはグロー放電のプラズマ領域を通って陰極表面に到達する際に高いエネルギーを持ち、陰極表面にボンバードメント効果をもたらすため、陰極材料の分子や原子がスパッタリングされ、スパッタリング現象が発生する。これらの分子や原子は一定の運動エネルギーを持ち、被加工物の表面に向かって一定方向に発射され、薄膜を形成する。

スパッタリングは複雑なプロセスであり、スパッタリングにはイオンボンバードメントの様々な現象が伴う。薄膜成膜の基本条件は、入射粒子の高速衝突下で固体表面から飛び出す粒子のほとんどが中性原子または分子であることである。これに加えて、放射される二次電子はスパッタリングにおけるグロー放電を支える素粒子であり、そのエネルギーはターゲットの電位に等しい。

ダイオードスパッタリングは、技術的応用を達成するための最も初期のスパッタリング法である。ダイオードスパッタリングのスパッタリング装置は、カソードとアノードの2つの電極から構成されるため、カソードスパッタリングまたは直流（DC）スパッタリングとも呼ばれる。

ダイポーラースパッタリングは、ガス解離率が低い（0.3 %～0.5%）ため、成膜速度が遅く、ターゲット材料の利用率が低い、電子によって基板温度が上昇するなどの欠点があり、当初はあまり普及しなかったが、1970年代にこれらの欠点を補うためにマグネトロンスパッタリング技術が開発された。マグネトロンスパッタリング技術は、二次電子が基板に衝突する際の熱による膜へのダメージを減衰させ、ダイポーラスパッタリングのスパッタリングレートを向上させる。そのため、マグネトロンスパッタリング技術は、導入されるやいなや急速に発展し、広く応用されるようになり、現在では材料の表面コーティングの主流技術の一つとなっている。

磁石はターゲットの背面に配置され、ターゲットの外側を貫通する磁力線の表面は電界に垂直な構造を形成し、最終的にターゲット表面に戻る。ターゲット表面の二次電子に対する磁場の結合効果は、ターゲット表面近傍のプラズマ濃度を著しく増加させるため、通常のダイポールスパッタリングの成膜速度が低いという問題を効果的に解決する。電界と磁界中の電子は、軌道が基板電子とガス原子の衝突に飛ぶ過程で、曲がっているので、ガス分子は陽イオンと電子、陽極への電子をイオン化し、陽イオンは、ターゲットへの電界の作用下で加速され、ターゲットの表面の高エネルギー砲撃は、ターゲットのスパッタリングは、膜形成の基板堆積中の中性ターゲット原子（または分子）からスパッタリングされるように。

反応性スパッタリング

作製する膜が化合物の場合、(1)化合物のターゲット物質を直接スパッタリングする方法と、(2)反応性スパッタリングで作製する方法がある。前者の化合物は、スパッタリングされた後、プラズマ雰囲気中で電子の衝突により分子が分解し、最終的に得られる膜がターゲット物質と同じ化学組成にならないことがあるため、反応性スパッタリングによって膜を作製することがある。反応性スパッタリングは通常、酸化物や窒化物などの化合物膜（窒化タンタル、窒化シリコン、超伝導膜、ITO透明導電膜など）のスパッタリングに用いられる。実験中、適切な量の反応性ガス（窒素、酸素など）がスパッタリングガスに混合され、窒素または酸素はスパッタリングチャンバー内でマイナスイオンに変化し、ターゲット材料の被爆原子または原子団と反応して化合物を形成する。反応性スパッタリングの利点は、スパッタリング時のプロセスパラメータを調整することにより、膜の化学組成を制御し、膜の成分を調整し、膜成分の精密な制御を実現できることである。遷移モード、金属モード、酸化物モード：反応スパッタリングの堆積速度に応じて3つのカテゴリに分けることができます。

RFスパッタリング

高周波スパッタリングとも呼ばれる高周波スパッタリングは、絶縁体材料のスパッタリングのために発明された。ダイオードスパッタリングやマグネトロンスパッタリングでは、金属や半導体はスパッタリングできるが、絶縁体はスパッタリングできない。これは、絶縁体のターゲットにイオンが衝突すると、ターゲットが帯電し、ターゲットの電位が徐々に上昇すると、イオン加速電界がスパッタリングが停止するまで小さくなり、グロー放電が停止してスパッタリングが継続できなくなるためで、ダイオードスパッタリングやマグネトロンスパッタリングでは、導体や半導体しかスパッタリングできず、絶縁体の薄膜はスパッタリングできない。これが、ダイオードスパッタリングやマグネトロンスパッタリングが導体や半導体のみをスパッタリングでき、絶縁体の薄膜をスパッタリングできない理由であり、RFスパッタリング技術の発展につながった。
高周波スパッタリングの原理は、ターゲットに高周波電圧を印加した場合、正弦波を正半周期でターゲットに印加すると、電子の質量はイオンの質量より小さいため、電子は正イオンより移動しやすく、移動度が高いため、電子は非常に短時間でターゲットに飛来し、ターゲット表面に蓄積された正電荷を中和し、大量の電子をターゲット表面に堆積させることができるため、ターゲットは負電位を示し、正イオンを引き寄せる。ターゲット表面にスパッタリングを浴びせ続けることで、正負の半サイクル、スパッタリング現象が発生し続ける。高周波交流（HFAC）電界は、ターゲット材料にイオンと電子を交互に衝突させ、高周波電界中の電子の衝撃はイオン化確率を増加させるため、RFスパッタリングのスパッタリング率は双極子スパッタリングよりも高い。RFスパッタリングは絶縁体だけでなく、導体もスパッタリングすることができる。

上記のスパッタリング法の他に、イオンスパッタリング法、バイアススパッタリング法、ECRスパッタリング法などがある。

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