スパッタリング成膜技術

- Jan 11, 2019-

スパッタリング成膜技術


IKS PVD、スパッタリング蒸着コーティング機、今私達と連絡、

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定義

スパッタリングコーティングは、真空チャンバ内でターゲット材料の表面を荷電粒子で衝撃し、粒子運動量移動によってターゲット材料中の原子および他の粒子を衝突させ、それらを基板上に沈殿させて膜を形成する技術を指す。 スパッタリングコーティング技術は、大面積急速堆積、フィルムとマトリックス間の良好な接着性、高いスパッタリング密度、少数のピンホール、良好なフィルム制御性と再現性などの利点を有し、あらゆる物質がスパッタリング可能であり、急速に開発され広く普及している。近年使用されています。

 

スパッタリング機構

入射イオンがターゲット表面に衝突すると、そのエネルギーの一部が表面の格子原子に伝達され、ターゲット内の原子を移動させます。 いくつかの原子はエネルギーを得て格子からシフトし、直接スパッタリングに対する表面障壁を克服する。 あるものは格子から離れることができず、その場で振動することしかできず周囲の原子に影響を及ぼすことができ、これは目標温度上昇の結果である。 いくつかの原子は反跳を生み出すのに十分なエネルギーを獲得し、それは隣接する原子の衝突をシフトさせ、反跳は高次の反跳を生み出し続けますが、これはカスケード衝突と呼ばれるプロセスです。 カスケード衝突の結果、いくつかの原子が表面に到達し、逃げる障壁を乗り越え、それがカスケードスパッタリングを形成し、これがスパッタリングメカニズムです。 反跳原子密度がカスケード衝突の範囲内で高くない場合、動的反跳原子衝突は無視できます。これを線形カスケード衝突と呼びます。

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ダイオードスパッタリング

 

ダイオードスパッタリングは、最も初期の最も単純な基本的なスパッタリング方法です。 直流ダイオードスパッタリング装置は陽極と陰極からなる。 フィルム材料(導体)でできたターゲットはカソードとして使用され、メッキ部分の上に置かれたワークフレームはアノード(グランド)として使用されます。 2つの極の間の間隔は一般にセンチメートルから約10センチメートルまでである。 真空チャンバ内で電界強度がある値に達すると、電極間で異常グロー放電が発生する。 プラズマ中のAr +イオンは、カソードターゲット上で加速されかつ衝突され、そしてターゲット原子が基板上に堆積されて薄膜を形成する。

 

三極スパッタリング

ダイオードスパッタリング法は簡単ですが、放電が不安定で堆積速度が遅くなります。 スパッタリング速度を高め、膜質を改善するために、ダイオードスパッタリング装置に基づいて加熱カソードを追加することによって三極スパッタリング装置を製造した。

三極スパッタリングでは、電子放出電流と加速電圧を変えることによってプラズマ密度を制御することができる。 ターゲット材料上のイオンの衝撃エネルギーはターゲット電圧によって制御することができ、ターゲット電圧、ターゲット電流およびスパッタリング中の圧力の間の矛盾は解決される。

三極スパッタリングの不利な点は、不安定な放電と不均一なプラズマ密度によって引き起こされる不均一な膜厚である。 このために、四重極スパッタリングを形成するために三極スパッタリングの上に補助陽極を追加した。

 

マグネトロンスパッタリング

マグネトロンスパッタリングは高速低温スパッタリングとも呼ばれる。 ターゲットカソード電界の加速下で磁場および増強の下でプラズマ中の作動ガスイオン(Ar +など)がカソード材料に衝突し、材料表面上の原子または分子がターゲット表面から飛翔する。そしてプラズマ領域を通過した後、それらは基板表面上に堆積され、移動しそして最後にフィルムを形成する。

ダイオードスパッタリングと比較して、マグネトロンスパッタリングの堆積速度は速く、基板温度は低く、膜質は良好であり、再現性は良好であり、それは工業生産に便利である。 その開発はフィルム製造技術に大きな革命をもたらしました。

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マグネトロンスパッタリング源は、構造において2つの基本条件を持たなければならない。

(1)電場に対して垂直な磁場を確立する。

(2)磁場の方向が陰極の表面と平行であり、環状の磁場が形成される。

平面マグネトロンターゲット構造の概略図から、マグネトロンスパッタリング源は実際にはダイオードスパッタリングのカソードターゲットの後ろに配置された磁石であり、磁石はターゲット表面上に水平磁場を発生させることが分かる。 イオンがターゲットに衝突すると、二次電子が放出されます。 これらの電子は長い運動経路を持ち、ターゲット表面近くのプラズマ領域内の電磁場によって束縛され、滑走路を一周する。 この領域では、頻繁な衝突により大量のAr +がイオン化してターゲットに衝突するため、高速スパッタリングが可能となる。 数回の衝突の後、電子のエネルギーは徐々に減少し、それらはターゲット表面から徐々に離れていき、最終的に非常に低いエネルギーでアノード基板に飛ぶため、基板の温度上昇も低くなります。 電子に対する直交電磁場の結合効果の増加により、放電電圧(500〜600V)と空気圧(10〜1 Pa)はDCダイオードスパッタリングよりはるかに低くなります。

 

反応性マグネトロンスパッタリング

ターゲットカソードとして金属、合金、低原子価金属化合物または半導体材料を取り上げると、それらはガス粒子と反応して、スパッタリングのプロセスまたは反応性マグネトロンスパッタリングである基板表面上にフィルムを堆積するプロセスにおいて化合物フィルムを生成する。 反応性マグネトロンスパッタリングは、化合物膜の大量生産において広く使用されている。

(1)反応性マグネトロンスパッタリングに使用される高純度のターゲット材料(単一元素ターゲットまたは多元素ターゲット)および反応ガス(酸素、窒素、炭化水素など)は、高純度化合物フィルムの製造に役立つ。

(2)反応性マグネトロンスパッタリングにおけるプロセスパラメータを調整することによって、化学的または非化学的比率を有する化合物フィルムを調製することができ、それらの特性はフィルムの組成を調整することによって調整することができる。

(3)反応性マグネトロンスパッタ成膜法では、基板の発熱が少なく、製膜工程において基板を高温に加熱する必要がないため、基板材料の制約が少ない。

(4)反応性マグネトロンスパッタリングは、大面積の均一フィルムの製造に適しており、数百万平方メートルのコーティング工業生産の単一機械年間生産量を達成することができる。

 

UBMS

不平衡マグネトロンスパッタリング

1985年に、Window等。 最初に、非平衡マグネトロンスパッタリングの概念を紹介し、そして非平衡マグネトロンスパッタリング平面ターゲットの原理設計を与えた。 マグネトロンスパッタリングターゲットの場合、外側リングの磁界強度は中心磁極の磁界強度に等しいかまたはそれに近く、これは「平衡マグネトロンスパッタリングターゲット」と呼ばれる。 非平衡マグネトロンスパッタリングターゲットは、一方の磁極の磁界が反対極性の一部に対して増加または減少するときに形成される。 非平衡マグネトロンスパッタリングによって、カソードターゲット表面上のプラズマは、追加の磁場によってスパッタリングターゲットの前に200mmから300mmの範囲に案内され、基板はプラズマに浸される。 このようにして、一方ではスパッタされた粒子は基板の表面上に堆積されて膜を形成し、他方ではプラズマは基板を衝撃してイオンアシストの役割を果たすので、その品質を大幅に向上させる。膜。 高いスパッタリング速度に加えて、非平衡マグネトロンスパッタリングはより多くのイオンをコーティング領域に出力することができ、イオン濃度はスパッタリングターゲットの放電電流に比例する。 現在、この技術は様々な硬質フィルムの製造に広く使用されています。 非平衡マグネトロンスパッタリングの磁場は、閉磁場と非閉磁場に分けられる。 閉磁場は、電子が磁場内でのみ磁力線に沿って移動するように制御することができ、真空チャンバ壁での電子の損失を回避する。

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