スパッタリング装置とは
スパッタリング装置はごく薄い膜を対象物の表面に均一に作製するスパッタリングを行う装置です。
スパッタリングとは、真空蒸着やイオンプレーティングと同じく物理気相成長法 (PVD法) の一つです。主に半導体や液晶の成膜をはじめとしたさまざまな分野で活用いられています。また、対象物の表面を清浄化する際に用いられることもあります。
スパッタリング装置の使用用途
スパッタリング装置は、半導体、液晶、プラズマディスプレイなどの薄膜作製に利用されています。また、他のPVD法の蒸着装置と比較して、スパッタリング装置は高融点の金属や合金の成膜が可能であるため、用途が広い特徴があります。
最近では、プラスチックやガラス、フィルムの表面に金属を成膜して導電性を持たせ、透明電極やタッチパネルの配線としても利用されており、スパッタリング装置の用途の幅はさらに広がっています。
他に、光触媒作用のある酸化チタンを表面にコーティングし、抗菌作用を持たせた医療器具や雑貨等も販売されています。また、走査型電子顕微鏡 (SEM) の試料調製など分析用途でも利用されています。
スパッタリング装置の構造
図1. スパッタリング装置の構造
スパッタリング装置は、主に下記のもので構成されています。
真空チャンバー内に基板を保持する試料台とスパッタ材料を供給するスパッタターゲットがあり、真空ポンプとガスの供給系がチャンバーにつながっています。
スパッタリング装置の原理
図2. スパッタリングの原理
スパッタリング装置の原理は、真空下で高電圧をかけ、膜材料の原子をはじきとばして対象物表面に成膜するものです。まず、ポンプによってチャンバー内を十分な減圧状態にした後、アルゴンなどの不活性ガスを一定圧力で装置内に充填します。
薄膜の材料となるターゲットに高い陰電圧をかけグロー放電を起こすと、あらかじめ装置内に充填されていたアルゴンがプラズマ化され、陰極上のターゲットに衝突し、ターゲット上の原子や分子がはじき出されます。はじき出されたターゲット原子が、陽電圧をかけた対象物の表面に堆積し、薄膜を作製することができます。
スパッタリング装置の種類
スパッタリングの方式には、様々な種類があります。
図3. 主なスパッタリング装置の種類
1. DC方式
直流電圧を電極間にかける方法です。構造が単純などの様々な利点がありますが、試料が高温のプラズマによる損傷を受ける可能性があり、スパッタリングターゲットが絶縁体の場合、製膜が正常に行えないなどの欠点があります。
2. RF方式
高周波の交流電圧電極間にかける方法です。DC方式では製膜できないようなセラミックスやシリカなどの酸化物や金属酸化物、窒化物などの物質でも製膜することができます。
3. マグネトロン方式
ターゲット側に磁石で磁界をつくり、プラズマをターゲット付近にとどめる方法です。試料のプラズマによる損傷が減少するだけでなく、プラズマの生成速度が向上するため、製膜速度が速くなります。直流、交流、高周波交流など様々な電源方式で利用できます。一方で、ターゲットの減り方にムラができ、利用効率が低い傾向にあります。
4. イオンビーム方式
イオンをターゲットや試料と別の場所でつくり、ターゲットに加速してあてる方法です。チャンバー内で放電を行わない方法なので、試料への影響が最小限で済むだけでなく、不純物の付着やターゲットの導電性などを考慮する必要がありません。
上記以外にも電子サイクロトロン (ECR) など様々な種類のスパッタリング装置があり、用途や予算に応じて適切に選択する必要があります。
スパッタリング装置のその他情報
スパッタリング装置の特徴
スパッタリング装置による成膜は、膜厚を均一にすることができ、かつ電気的性質を利用しているので、膜の強度を高くすることができます。他のPVD法では難しい、高融点金属や合金材料の膜が作製できます。また、アルゴンなどの不活性ガスの代わりに酸素を充填し、酸化物の成膜を行う方法もあります。
一方で、成膜にかかる時間が他のPVD法と比較して長いことや、発生したプラズマによるスパッタ対象を損傷するリスクなどのデメリットもあります。
参考文献
https://www.oike-kogyo.co.jp/research/column/sputtering/
http://www.sanyu-electron.co.jp/c/index.php?cID=172
https://plastics-japan.com/archives/2015