DC スパッタリングとは? RF スパッタリングとは?
DCスパッタリングとRFスパッタリングの違いは？
序章
スパッタリングは、ターゲット材料の薄膜を基板上に堆積させるために使用されるメカニズムです。このプロセスでは、ガス状イオンをソース材料に放出し、ガス原子、イオン、および分子をターゲット表面からスパッタリングします。これらの放出された粒子には特定の運動エネルギーが含まれており、金属イオンが表面の移動性を高めることができます。
以下のこのガイドでは、DC スパッタリング、RF スパッタリング、DC スパッタリングと RF スパッタリングの違いの包括的な概要を説明します。これらのスパッタリングの仕組みなど...
DCスパッタリングとは
DC スパッタリング (または DC スパッタリング) は、電源として直流電流を使用する薄膜物理蒸着コーティング技術です。 DC スパッタリングは、金属堆積に多くの利点をもたらします。メタライズされた包装用プラスチックの作成や、時計やジュエリーの金属コーティングなど、多くの製造プロセスで人気があります。
DC または直流スパッタリングは、薄膜物理蒸着 (PVD) コーティング技術であり、コーティングとして使用されるターゲット材料にイオン化ガス分子が衝突し、原子がプラズマに「スパッタリング」されます。これらの気化した原子は、コーティングされる基板上に薄膜として凝縮するときに堆積します。
直流 (DC) スパッタリングは、イオン化されたガス分子を使用してターゲット材料から分子を気化 (スパッタリング) してプラズマにする薄膜堆積技術です。 DC スパッタリングは、低コストでグローバルな制御レベルが高いため、導電性ターゲット材料に適した手法です。
直流スパッタリングとは
DC マグネトロン スパッタリング プロセスには、ターゲット基板と平行なターゲット材料を含む真空チャンバーが含まれます。真空チャンバーには、アルゴンなどの高純度の不活性ガスが含まれており、パルス DC 電流にさらされると帯電します。
金属ターゲット材料は負のノード (陰極) として機能し、基板は正の極 (陽極) として機能します。 DC 電流がシステムを通過すると、アルゴンガスがイオン化され、イオンが負に帯電したソース金属と強力に衝突します。
これらの衝突は、金属イオンをターゲットの表面からプラズマ (イオン化されたガス イオンと電子の混合物) にノックオフします。正に帯電した基板は、負に帯電したプラズマを引き付け、基板の表面に凝縮し、中性源の薄膜コーティングを形成します。
DC スパッタリングは導電性金属の一般的なプロセスですが、誘電体ターゲット材料には適していません。これらのターゲット原子は電荷を帯びる可能性があり、アークやその他の電子密度の乱れを引き起こし、不均一な堆積速度をもたらします。これらの陽イオンが蓄積すると、スパッタリング経路全体が機能しなくなり、リセットが必要になることさえあります。
DCスパッタリングプロセス
DC スパッタリングは、PVD 金属蒸着および導電性ターゲット コーティング材料向けの最も基本的で安価なタイプのスパッタリングです。このプロセスの電源としての DC の 2 つの主な利点は、制御が容易であり、コーティング用の金属蒸着を行う場合に低コストのオプションであることです。
DC スパッタリングは、分子レベルでマイクロチップ回路を作成する半導体業界で広く使用されています。ジュエリー、時計、その他の装飾仕上げのゴールド スパッタ コーティング、ガラスや光学部品の無反射コーティング、金属化されたパッケージング プラスチックに使用されます。
DC スパッタリング コーティング システムの基本的な構成は、コーティングとして使用されるターゲット材料が、コーティングされる基板と平行に真空チャンバー内に配置されることです。
真空チャンバーは、H2O、空気、H2、Ar を除去するベース圧力まで排気され、その後、高純度の不活性プロセス ガス (通常はアルゴン) で埋め戻されます。これは、その相対質量と、高エネルギー分子衝突中の衝突時に運動エネルギーを伝達する能力によるものです。スパッタ薄膜堆積の主な推進力であるガスイオンを生成するプラズマ。典型的なスパッタ圧力は、0.5mTorr から 100mTorr の範囲です。
次に、負バイアスとして知られる電子がシステムに入るカソードまたはポイントであるターゲット コーティング材料に DC 電流が適用されます。正電荷は、陽極となるコーティングされる基板にも適用されます。
電気的に中性のアルゴンガス原子は、これらのガス原子が負に帯電したターゲットの表面に強力に衝突した結果、最初にイオン化され、原子がプラズマに放出されます。目に見えるプラズマの輝きを放つ電子。
次に、イオン化されたアルゴンガス原子は、アノードまたは正帯電バイアスである基板に駆動され、イオン化されたガスイオン、電子、および蒸着されたターゲットコーティング原子を引き付けます。 DC マグネトロン スパッタリングでは、マイナス カソードの背後にある磁石を使用して、マイナスに帯電したターゲット材料上に電子をトラップするため、自由に基板に衝突できないため、以前よりも速い堆積速度が可能になります。
磁場は境界「トンネル」を形成し、ターゲットの表面近くで電子をトラップし、ガスイオン形成の効率を向上させます。 DC マグネトロン スパッタリングは、より高い薄膜堆積速度を実現する、より低いガス圧でより高い電流を可能にします。
DC スパッタリングは、多くの種類の金属コーティングに選択できる経済的なソリューションですが、その主な制限は、非導電性誘電体絶縁材料が時間の経過とともに帯電し、アーク放電やターゲット材料の被毒などの品質問題を引き起こす可能性があることです。スパッタリングを完全に停止させることができる電荷。
DC スパッタリングのこれらの制限を克服するために、RF または無線周波数スパッタリング、および HIPIMS または高出力インパルス マグネトロン スパッタリングなど、いくつかのより複雑な技術が開発されています。 RF スパッタリングは、ターゲットまたはコーティング材料に電荷が蓄積するのを防ぐために、無線周波数で電荷を交互に変化させます。 HIPIMS は、ターゲット コーティング材料に焦点を合わせた非常に高電圧で短時間のエネルギー バーストを利用して、プラズマ内のコーティング材料の高度なイオン化をもたらす高密度プラズマを生成します。
DC スパッタリングは比較的単純ですが、プラズマ密度が低く、ガス密度が高いため、より複雑な HIPIMS に比べて堆積速度が遅くなります。
ただし、はるかに複雑な構成、ケーブル配線、およびより高いエネルギー コストを必要とする RF または HIPMIS 電源と比較して、DC 電源は比較的単純であるため、DC スパッタリングは、金のスパッタリングや他の導電性コーティング。
DC スパッタリングのしくみ
あらゆるタイプのスパッタリング蒸着効果と同様に、DC マグネトロン スパッタリングには真空チャンバーが必要です。また、DC 電源、正に帯電したスパッタリング ガス原子、ターゲット材料、および基板も必要です。
これは、DC マグネトロン スパッタリング システムが金属コーティング材料を基板に堆積させるために使用するプロセスです。
１、薄膜として使用されるターゲットまたはコーティング材料は、真空チャンバ内に配置される。
２、真空チャンバは、所望の基板に対して平行に配置される。
3. 真空チャンバーは、1 ～ 100 mTorr のチャンバー圧力で水、空気、水素、およびアルゴンを除去します。
４、次いでチャンバは、アルゴンイオンなどの不活性プロセスガスイオンで満たされる。
5、システムは DC 電圧をターゲット表面に適用します。
6、ターゲットコーティング材料はカソードになり、基板はアノードになります。
7、中性のアルゴン原子は、負に帯電したターゲットと衝突するとイオン化し、中和によって生成された高密度プラズマに放出されます。
8、イオン化されたガスイオンは真空中に残り、ターゲット原子を壊します。
9、イオン化されたガス分子が基板に打ち込まれます。
10、正イオンが凝縮し、基板上に薄膜を形成します。
磁場はスパッタリング ターゲット上で電子をトラップし、イオン衝撃を防ぎ、堆積速度を高めます。
全体として、DC マグネトロン スパッタリングは、堆積速度が速い比較的単純な手法であり、メーカーは大量の表面材料を基板上に迅速、経済的、かつ効果的に堆積できます。このプロセスは、ガラス基板上に ZnO の膜を堆積するなど、さまざまな商業用途に不可欠です。
RFスパッタリングとは
RFまたは無線周波数スパッタリングは、真空環境内の電流の電位を無線周波数で交互に変化させて、特定のタイプのスパッタリングターゲット材料に蓄積する電荷を回避する技術であり、時間の経過とともに噴出するプラズマにアークが発生する可能性があります。液滴が薄膜の品質管理に問題を引き起こし、原子のスパッタリングが完全に停止してプロセスが終了することさえあります。
従来の DC スパッタリングは、金のような導電体である金属ターゲット コーティングを適用する費用対効果の高い方法です。ただし、DC スパッタリングは、誘電体ターゲット材料 (分極電荷を帯びる可能性のある非導電性絶縁材料であるコーティング) に関しては制限があります。半導体産業で使用される一般的な誘電体コーティング材料の例には、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、および酸化タンタルが含まれます。
RF マグネトロン スパッタリングでは、マイナス カソードの背後にある磁石を使用して、マイナスに帯電したターゲット材料上に電子をトラップするため、電子は自由に基板に衝突できず、より速い堆積速度が可能になります。
時間の経過とともに、正イオンが生成され、ターゲット面の表面に蓄積して正電荷を与えます。ある時点で、この電荷が蓄積し、コーティングのために放出されるスパッタリング原子の完全な分離につながる可能性があります。
RF スパッタリングを使用して電位を交互に変化させることにより、ターゲット材料の表面は、サイクルごとに蓄積された電荷を「クリーニング」することができます。正のサイクルでは、電子がターゲット材料またはカソードに引き寄せられ、負のバイアスがかかります。 RF 電源装置に国際的に使用されている 13.56 MHz の無線周波数で発生しているサイクルの負の部分では、スパッタされるターゲットのイオン衝撃が続きます。
RF スパッタリングには、特定のアプリケーションに応じていくつかの利点があります。 RF プラズマは、DC スパッタリングのようにカソードまたはターゲット材料の周囲に集中するのではなく、チャンバー全体に分散する傾向があります。
RF スパッタリングは、低圧 (1 ～ 15 mTorr) でチャンバー全体にプラズマを維持できます。その結果、電離ガスの衝突が少なくなり、コーティング材料のラインオブサイト堆積がより効率的になります。
RF スパッタリングでは、電荷を蓄積するサイクルごとにターゲット材料が「クリーニング」されるため、アーク放電の低減に役立ちます。アーク放電は、ターゲット材料またはカソードからプラズマへの集中的かつ局所的な放電が発生し、液滴が生成され、不均一な膜堆積の問題が発生する場所です。 RF スパッタリングは、多くの品質管理の問題を引き起こすアークを発生させる火花につながる、ターゲット材料の表面の特定の場所での電荷の蓄積を大幅に削減します。
RF スパッタリングは、ターゲット材料の表面での「レース トラック浸食」の生成も減らします。マグネトロン スパッタリングでは、マグネトロンの円形磁場が荷電プラズマ粒子をスパッタ ターゲットの表面近くに集束させた結果、円形パターンがターゲット材料の表面にエッチングされます。円形パターンの直径は磁場の結果です。
RF スパッタリングを使用すると、RF 放電の AC 特性により電子が磁場によって閉じ込められにくくなるため、レース トラックの幅と深さははるかに小さくなります。プラズマはさらに広がり、より大きく、より広く、より浅い競馬場を生み出します。これにより、「レーストラック侵食」の深いエッチングなしで、ターゲットコーティング材料のより優れた、より均一で効率的な利用が可能になります。
RF スパッタリングのもう 1 つの利点は、DC スパッタリングのように、コーティングする基板が絶縁されて電荷を獲得する際に、陽極効果が消失しないことです。すべての表面は、サイズと運動エネルギーが小さいためにイオンよりもはるかに速く移動する電子の結果として、プラズマ内で電荷を発生させます。
ただし、無線周波数での電力の AC 変調の結果として、RF スパッタリングでコーティングされる材料は、半サイクルごとに放電されて絶縁されるため、それほど大きな電荷蓄積を獲得しません。薄膜堆積の停止に。 RF マグネトロン スパッタリングでは、磁場が境界「トンネル」を形成し、ターゲットの表面近くで電子をトラップして、ガス イオン形成の効率を改善し、プラズマの放電を抑制します。このように、RF マグネトロン スパッタリングは、より高い堆積速度を達成するより低いガス圧でより高い電流を可能にします。
高周波スパッタリングとは
RF スパッタリングは、コーティングする材料の種類に応じて多くの非常に魅力的な利点を提供しますが、考慮しなければならない重要なコストがいくつかあります。 RF スパッタリングは DC 電流の代わりに電波を使用するため、RF スパッタリングでは堆積速度がかなり遅くなり、非常に高い電圧が必要になります。
電波は、直流と同じ成膜結果を得るためにはるかに高い電圧を必要とするため、過熱が問題になります。 RF 電力の適用は複雑で、高価な高電圧電源が必要です。追加の過熱の問題を引き起こす可能性がある高度な回路が必要です。
もう 1 つの問題は、RF 電流が導体を通過せず、導体の「皮膚」または表面を伝わることです。これは、特別なケーブル/コネクタが重要であることを意味します。
RF スパッタリング レートで考慮する必要があるもう 1 つの主要な考慮事項は、ガス イオン化のための従来のマグネトロン スパッタリングのように、ターゲット上にトラップされる二次電子が不足することによる堆積レートの低下です。すべてのタイプのスパッタリングで、プラズマはアルゴンなどの不活性ガスの分解とイオン化によって維持されます。アルゴンは、他の不活性ガスであるヘリウムやネオンに比べて質量が大きいため、最も広く使用されています。
高い無線周波数で電流を交流させることにより、プラズマ内で十分な距離にわたって電子を加速および反転させることによって生じる運動エネルギーにより、プラズマをはるかに低い圧力で維持することができます。イオン化されたガス粒子と電子の間の質量の違いにより、従来のマグネトロン スパッタリングのようにターゲット材料上の二次イオンのトラップに依存することなく、プラズマを維持することができます。
ただし、ターゲット上に二次電子がないため、DC スパッタリングに比べて堆積速度が遅くなります。 RF スパッタリングの成膜速度は DC スパッタリング速度よりも遅く、電力コストがはるかに高いため、実用的なレベルでは、RF スパッタリングは通常、コーティングされる小さな基板に使用されます。
RF スパッタリングは、ほとんどの種類の薄膜堆積コーティングに使用できますが、多くの種類の誘電体コーティング (分極電荷を持つ可能性のある非導電性の絶縁コーティング) に最適な薄膜堆積技術になっています。 RF スパッタリングは、半導体産業の心臓部であり、酸化アルミニウム、酸化シリコン、酸化タンタルなどのマイクロチップ回路の薄膜層間に絶縁性の高い酸化膜を生成します。
そのため、今見てわかるように、絶縁材料のスパッタ成膜は DC 電源では実行できません。酸化物、窒化物、セラミックなどの材料は非常に大きな DC インピーダンスを持ち、プラズマを点火して維持するには法外に高い電圧が必要です。幸いなことに、これらの材料のインピーダンスは、適用される電力の周波数によって変化します。無線周波数 (RF) で供給される電力と自動インピーダンス マッチング ネットワークを使用して、回路の総インピーダンスを 50 Ω に調整できます。これは、典型的なスパッタリング環境でのプラズマ点火に適しています。
高周波 (RF) スパッタリング プロセスは、一部のスパッタリング ターゲット材料で発生する不要な電荷の蓄積に対処することを目的とした DC スパッタリングの進化形です。この電荷の蓄積は非常に破壊的であり、フィルム形成中に品質管理の問題を引き起こす可能性があります。
RF スパッタリングは、高電圧 RF ソースを使用して、真空環境で電流の電位を交互に変化させます。この交流電流は、荷電プラズマ粒子の蓄積とガスのイオン化を回避し、基本的に各サイクルの後に蓄積された電荷を「クリーンアップ」します。最初のサイクルが負に帯電したターゲット材料を使用する場合、イオン化されたガス イオンは、サイクルの最後にアノードに残ります。
次のサイクルでは、逆分極を使用してターゲットと基板の電荷を変更し、負に帯電した基板に向かって移動する正に帯電したスパッタリング ガス原子を生成します。
パルス DC スパッタリングと比較した RF スパッタリングの主な欠点は、堆積速度が大幅に低く、電力要件がはるかに高いことです。堆積速度は、帯電したプラズマ放電を金属ターゲット表面により近く保つために、電源に沿った強力な磁場で改善可能です。また、この技術は多くの電力を消費するため、ほとんどの RF 電源は最大 1,000V まで供給して正しい信号を生成できます。
もう 1 つの欠点は、どの RF スパッタリング ソースでも、真空チャンバーと RF 電源装置の間にインピーダンス マッチング ネットワークが必要なことです。このネットワークは、全体的なスパッタリング レートを低下させる可能性がある RF 放電からの干渉を防ぎます。
DC 対 RF スパッタリング
直流スパッタリングは、いくつかあるマグネトロン スパッタリング法の 1 つです。もう 1 つは、高周波スパッタリングまたは RF スパッタリングです。
これら 2 つのプロセスの主な違いは、アプリケーションにあります。 DCスパッタリングは、導電性材料や磁性材料に適しています。ただし、RF スパッタリングでは、酸化膜などの導電性材料と非導電性材料を堆積させることができます。
また、DC 電力は RF 電力とは異なり、スパッタされた原子の背後の電圧に影響を与えます。 DC スパッタリングは直接の帯電電圧を使用しますが、RF スパッタリングは交互に帯電するため、より複雑で高価な製造プロセスが必要になります。
DC および RF スパッタリングはどちらもスパッタリング成膜技術ですが、これらのプロセスはスパッタリング ターゲットの材料形態に異なる影響を与えます。
DC と RF スパッタリングの主な違いの 1 つは、電源です。 DCスパッタリングは、その名の通り直流を電源として使用します。一方、RF スパッタリングは、電荷がターゲット材料に蓄積するのを防ぐために電荷を交互に切り替えます。
RF スパッタリングは、RF 電源内の電流が交流であるため、AC スパッタリングとして知られることもあります。
また、DC スパッタリングは、RF スパッタリングよりも堆積速度が高くなります。 DC スパッタリングは大きな基板に大量に堆積するのに適していますが、小さな基板では RF の方が効果的です。
DC および RF スパッタリングでは、さまざまな種類のターゲット材料を堆積できます。 DC スパッタリングは導電性のターゲット材料を堆積できますが、RF スパッタリング法は、導電性および非導電性材料を含むさまざまなスパッタリング ターゲットに適しています。
最後に、DC および RF スパッタリングは、複雑さと価格が異なります。 DC スパッタリングは、特殊化されていないプロセスを使用するため、全体的に手頃な価格です。 RF スパッタリングはより複雑なプロセスを伴いますが、その多用途性と優れたキャンペーン期間により、価格が高くなります。
DCスパッタリングレビュー
• 電源は直流 (DC) タイプです。
• チャンバーの圧力は通常 1 ～ 100 mTorr です。
• DC 電源は、効果的で経済的なため、通常、導電性のターゲット材料に適しています。純金属スパッタリング ターゲット、鉄 (Fe)、銅 (Cu)、ニッケル (Ni) など。
• 大量の大型基板を処理する場合の簡単な手法です。
• 一部の純金属スパッタリング ターゲットでは、蒸着率が高くなります。
• DC スパッタリングでは、正に帯電したスパッタリング ガスがターゲットに向かって加速され、原子の放出が基板上に堆積します。
RFスパッタリング R見る
• 電源は AC (交流) です。電源は、多くの場合 13.56 MHz に固定された高電圧 RF ソースです。
• RF ピーク ツー ピーク電圧は 1000 V で、チャンバー圧力は 0.5 ～ 10 mTorr です。
• RF スパッタリングは適用範囲が広く、導電性および非導電性材料のすべての材料に適しています。ただし、誘電体スパッタリング ターゲット材料の堆積に最もよく使用されます。
• DC スパッタリングに比べて成膜速度が遅い
• コストが高いため、より小さい基板サイズに使用されます。
• RF スパッタリングには 2 つのプロセスがあります。最初のサイクルでは、ターゲット材料は負に帯電しています。これにより、原子の分極が生じ、スパッタリング ガスの原子がソースに引き付けられ、ソースの原子をノックアウトします。
分極により、ソース原子とイオン化されたガス イオンがターゲット表面に残ります。
• 2 番目のサイクルでは、ターゲットは正に帯電します。逆分極により、ガスイオンとソース原子が放出されます。これらのイオンと原子が基板に向かって加速され、堆積物が形成されます。
