薄膜作製 - PVD

これまで、物理的な方法としては、蒸着やスパッタリングがよく使われてきました。どちらも気相法で、原料をその場で1つずつ基板に移していく方法です。これらはしばしば物理的気相成長法(Physical Vapour Deposition: PVD)と呼ばれる。 PVDは通常、周囲のガス種との干渉を最小限に抑えるため、高真空チャンバー内で行われる。

エバポレーション

蒸発には大きく分けて2つのタイプがあります。この2つの方式は、ソースに電力を供給する方法が異なります。一つは、ペレット状のソースを金属製の蒸発器⾈に⼊れ、100A程度の⼤電流で加熱する⽅法で、抵抗加熱蒸発と呼ばれています。この手法の利点は、大電流(低電圧)の直流電源だけで済むという簡便さである。欠点は加熱効率の悪さと汚染である。加熱回路のすべての部分がソース粒子よりも高温であるため、それらもある程度蒸発し、汚染や脱ガスの原因になります。

2つ目の方法は、電子ビーム加熱です。これは、加熱したフィラメントから放出される電子を10kV程度の高電圧で加速し、ソース粒子上の小さな点に集中させる手法である。この工程は真空中で行われるため、電子はガス基板に衝突することなく、磁場によって容易に加速・操作することができる。この方法は、他の固定装置の加熱を最小限に抑えながら、エネルギーをソース粒子に正確に伝えることができるため、効率的です。その結果、コンタミネーションを最小限に抑えることができます。この方法の欠点は、電源が複雑であることです。高電圧電源の設計は、低電圧大電流電源よりも複雑である。また、DC10kVは致死量となるため、安全性の確保も重要な課題である。とはいえ、電子ビーム蒸発法は、今でも薄膜開発で最もよく使われる蒸発法の一つである。

蒸発材料の物理的な軌跡と高真空環境のため、蒸発によって作られた膜は配向性があり、非整形的である傾向があります。これは、剥離リソグラフィーなど、多くのアプリケーションで利点となり得ます。また、蒸発フラックスの高い指向性は、ナノ構造膜と呼ばれる特殊な膜にも利用されています。これらのフィルムは、ランダムに積層された等方性構造を含まず、むしろナノメートルの柱やナノメートルのマニュアル構造を含み、これらのフィルムの電気的および光学的特性を設計するために使用することができる。シャドウマスクリソグラフィーと呼ばれるパターニングの一種も、視線方向の蒸着に依存しており、蒸着は適していない。

スパッタリング

スパッタリング蒸着は、真空システム内で電気的に励起されたガスアイソトロピーを使用します。プラズマ中のイオンはカソードに向かって加速され、ボンバードメントの際にカソード表面から中性プロトンが放出される。放出されたプロトンは、基板表面を含むあらゆる表面に蓄積される。したがって、カソードは蒸着材料と同じソース材料で構成されていなければならない。蒸発とは異なり、ここではソース材料はフロー冷却によって水の背後で低温に保たれる。ソース(ここではデスティネーションと呼ぶ)からの原子の放出は、熱ではなく運動量移動によるものである。これがスパッタリングと蒸発の根本的な違いである。その勢いのため、蒸発に比べ、得られる膜は緻密なものとなります。また、ターゲット温度が低いため、酸化物や窒化物など、蒸発時に発生する高温で分解してしまうような特定の化合物を成膜することができます。しかし、複雑な化合物については、スパッタリングよりもパルスレーザー蒸着を第一に選択すべきです。

スパッタリングは蒸着よりも汎用性が高く、ターゲットやアイソトープを様々なコーティング構成に合わせて様々な形状に構成できるため、工業プロセスでより広く使用されています。丸型、長方形、円筒形、その他特殊な形状で、特定のニーズに対応することができます。

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