スパッタ法(スパッタリング法)の概要 - スパッタターゲットを用いて成膜

※本資料は個人の学習用として制作されたものであって、内容の信憑性については保証しません。


■ イオン衝突にともなう諸現象

・ターゲット材の中性原子、分子の放出(スパッタ)
・ターゲット材のイオンの放出
・電子放出
・気体の放出
・気体の分解、放出
・スパッタされた粒子の逆戻り
・放射線発生
・衝突イオンの跳ね返り
・衝突イオンの中性化、反射
・加熱
・ターゲット材の結晶変化
・ターゲット材への衝突イオン拡散(インプランテーション)


■ スパッタのしきいエネルギー

15電子ボルト(eV)以下になると、スパッタされなくなる。これをしきいエネルギーと言う。

※電子ボルト
電気素量eの電荷をもつ粒子が真空中で電位差1Vの2点間で加速されるときに得るエネルギー。素粒子,原子核,原子,分子などのエネルギーを表わす単位。記号はeV.1eV=1.602×10-19J(ジュール)=1.602×10-12erg(エルグ)。
アルゴン雰囲気化で、100eV程度までは急激なスパッタレートの上昇が見られる。それ以上はエネルギー上昇につれて、徐々にスパッタレートが上がる感じ。


■ スパッタされた原子の飛ぶ方向

歪みはあるものの、CosineLawに従って飛んでいく。加速エネルギーを高めると、円周の範囲が大きくなる。


■ スパッタ率の違い

・原則として希ガスの場合には、ヘリウム、アルゴン、クリプトン、と原子番号が高くなるほど、スパッタ率が高くなる。
・同一周期の右の元素ほどスパッタ率が高い。
例:400eV、アルゴンの場合のスパッタ率[atoms/ion]
Mo:0.7程度、W:0.5程度、Ag:2.7程度
※高融点金属ほどスパッタレートが低い傾向がある。


■ スパッタされた粒子の速度

最大秒速3.6km(時速11000km/hr)にも達する。


■ スパッタの主な方式

・2極スパッタ:仕組みが簡素。ただし、放電を得るために真空圧力が高め(1x10−2Pa)。
・3極または4極スパッタ:2極スパッタよりも真空度が一桁高い。熱電子放電を利用する。
・マグネトロンスパッタ:放電電圧は低くてよく、真空度が高くてよい。スパッタ方式の主流。
・ECRスパッタ:圧力は低くできるが、面積は大きくできない。
・高周波スパッタ:スパッタ用電源に高周波を用いる。金属以外のスパッタも可能。
・リアクティブスパッタ:スパッタ空間に酸素や窒素などの活性ガスを適量混ぜて、ターゲット材の化合物膜を作る場合に用いる。
・バイアススパッタ:基板にも電圧をかける方式。残留ガスによる薄膜の酸化を防ぐ目的で使う。


■ マグネトロンスパッタ

磁場のトンネルに沿った、ドーナッツ状の放電が見られる。
マグネトロンスパッタは、同じ電圧で他のスパッタ方式の10〜100倍の電流密度が得られる。電流密度が高いほど、スパッタ速度も速くなる。
ターゲット下のマグネットを動かすことによって、固定した場合の2〜3倍の利用率が得られ、ターゲット材の2/3程度使用することができる。


■ アルミニウム合金のスパッタ

150℃以上で行われる。
・硬度が50以下で安定する。(エレクトロマイグレーションの断線がなくなる)
・抵抗値が低い状態で安定する。(150℃以下だと、抵抗率が高くなる)
真空は良い程、鏡面反射が良い。鏡面反射が良いものは、ボンディングもエッチングも良好。


■ タンタルのスパッタ

融点が高く、スパッタ以外の薄膜生成は不可能。
窒素ガスを若干混入することにより、抵抗値が長期安定した薄膜を作ることができる。


■ ITOのスパッタ

ターゲット表面でO-(酸素)イオンが発生し、ターゲットに対して正電位である薄膜にひきつけられて、薄膜をスパッタしてしまう。
エロージョンセンター付近の薄膜が酸素イオンによってスパッタされ、薄くなってしまい、抵抗値が上がってしまう。
対策としては、低電圧でスパッタする、基板をターゲットに対して縦に置くなど。


■ 超微細孔のスパッタ

アルゴン注入を途中でやめてしまう。しかし、スパッタは持続。
スパッタ粒子が途中プラズマ化して、ターゲット材に衝突、スパッタ粒子がまっすぐに超微細孔に向かう。(セルフスパッタ)
アルゴンがあると、スパッタ粒子がアルゴンとぶつかって角度を変えてしまい、うまく超微細孔にはいっていかない。



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