反応性マグネトロンスパッタリングのメカニズムと特性

- Jun 12, 2018-


様々な複合フィルムは、近代的なエンジニアリング技術の開発にますます使用されており、複合フィルムは、すべてのフィルム材料の約70%を占める。 化合物膜は、様々な化学蒸着法または物理蒸着法によって作製することができる。 これまで、大部分の化合物膜はCVD法により製造されていた。 CVD技術は、プラズマ強化CVDおよび金属有機化合物CVDなどの新しいプロセスを開発している。 しかしながら、CVD法で要求される高温のために、材料の供給源は限られており、それらのうちのいくつかは有毒で腐食性であり環境を汚染し、ある程度化合物膜の生産を制限する。

 

PVD法を用いて誘電体薄膜及び化合物薄膜を作製する場合には、高周波スパッタリング法に加えて反応性スパッタリング法を用いてもよい。 すなわち、スパッタコーティングプロセスでは、いくつかの活性反応性ガスが人工的に導入され、スパッタリングされたターゲット物質と反応し、次いで基板上に堆積して、異なるターゲット物質中の膜を得る。 例えば、O2中でスパッタリングにより酸化物を得、N2またはNH3中で窒化物を得、O2 + N2の混合ガス中で酸窒化物を得、C2H2またはCH4中で炭化物を得、シリサイドをシラン中で得、フッ化物は、HFまたはCF4などで得られる。現時点では、産業規模での化合物薄膜の大量生産の要求から、反応性マグネトロンスパッタリング堆積技術は明白な利点を有する。

 

1.反応性スパッタリングのメカニズム

 

スパッタリングプロセス中、反応プロセスは基板上またはカソード上で行うことができる(反応後に、それは反応ガスの圧力に応じて化合物として基板上に移動する)。 反応ガスの圧力が高い場合には、陰極スパッタリングターゲット上で反応させた後、化合物として基板上に移動させて成膜することができる。 通常の状況下では、反応性スパッタリングの圧力は比較的低いので、気相反応は重要ではなく、主に基板の表面上の固相反応として行われる。 通常、プラズマ中を流れる高い電流は、反応ガス分子の分解、励起およびイオン化を効果的に促進することができる。 反応性スパッタリングプロセスの間に、自由エネルギーを含む原子からなる粒子の強い流れが生成され、基板上の薄膜拡散成長の活性化閾値エネルギーを克服して、スパッタされたターゲット原子をカソードターゲットから基板に流れる化合物フィルムを製造する。

 

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図1.反応性スパッタの原理図

 

2.反応性スパッタの特性

 

反応性マグネトロンスパッタリングとは、スパッタリング中に反応ガスを供給してスパッタ粒子と反応して化合物薄膜を形成することをいう。 これは、反応性ガスと反応することができ、一方、化合物ターゲット スパッタリングされる 金属または合金のターゲットをスパッタリングして所定の化学組成を有する化合物を生成する間、反応ガスと反応することもできる。 化合物薄膜の反応性マグネトロンスパッタリングは、

 

◆反応性マグネトロンスパッタリングに使用されるターゲット材料(単元素ターゲットまたは多元素ターゲット)や反応性ガスから容易に高純度を得ることができ、高純度化合物薄膜の製造に有利です。

 

反応性マグネトロンスパッタリングでは、成膜プロセスパラメータを調整することにより、化学量論または非化学量論比の化合物膜を作製することができ、膜の組成を調整して膜特性を調整することができます。

 

反応性マグネトロンスパッタリング成膜中、基板温度は一般的にあまり高くありません。 さらに、膜形成プロセスは、通常、基板の非常に高い温度の加熱を必要としないので、基板材料の制約が少ない。

 

反応性マグネトロンスパッタリングは、大面積均一薄膜の製造に適しており、年間100万平方メートルのコーティングを施した単一の機械の工業生産を達成することができます。