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スパッタリングの原理・応用(その1)

1.スパッタリング技術とは

 スパッタリング(スパッタ)は、図1のように、コーティング技術の分類では薄膜形成に用いられる物理的気相成長法(PVD)の一種で、真空中でプラズマを用いて成膜します。『材料選択の多さ、高い密着性、制御のしやすさ』が特徴で、工具等のコーティングや、半導体や液晶、光学素子等の機能膜形成に広く用いられています。特に近年では、プラスチック表面の装飾等の用途にも広がりつつあります。今回、スパッタリングの基本原理と装置、コーティングとしての特徴に触れ、プラスチックへの成膜を含めた応用分野と、技術導入の注意点について2回に分けて解説します。
 
      
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                                                   図1.コーティング技術の分類
 

 2.技術的な原理

 スパッタリング現象とは、物質にイオン等を高速で衝突させることにより、分子が叩き出される現象のことです。この現象を利用して、対象物にコーティングや表面改質を行う技術をスパッタリングと呼びます。この現象の身近な例では、図2のように蛍光灯を使用しているとガラス管の端がしだいに黒くなってくる現象があります。これは蛍光灯のフィラメントが放電によって少しずつ弾き飛ばされ、ガラス管に付着していくためにおきます。1)
 
           
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                                       図2.蛍光灯とスパッタリング現象の事例
 
 コーティング技術としてのスパッタリング法について図3により説明します。まず、コーティングを施したい対象物と、ターゲット(コーティング材料)を真空チャンバー内に配置し、真空ポンプで排気して真空にします。そしてアルゴン等のガスを少し入れて、真空チャンバー側を陽極とし、ターゲット側を陰極として、数百ボルトの電圧を印可します。すると、アルゴンが放電してプラスイオンとなり、陰極であるターゲットに急激に引き寄せられてターゲットに激突します。それによってターゲット表面が分子レベルの塊で弾き飛ばされ、ターゲットに向かい合っている対象物に付着するのです。このようにして対象物がコーティングされます。真空中で処理を行うのは、アルゴンをイオン化し、スパッタリングで飛ばしたターゲット分子を対象物に届かせ、不純物の少ない膜を生成するためです。
 
            
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                            図3.DCマグネトロン方式のスパッタ装置概略図
【出典】飯島徹穂著「よくわかる最新真空の基本と仕組み」秀和システム(167頁内の図を参考に作成)
 
 ターゲット電極は、マグネトロン方式が主流となっています。マグネトロンを電極に配置し、荷電粒子(電子やアルゴンイオン)をターゲット近傍に捕捉しつつ加速することで、成膜速度の向上や対象物のダメージ抑制の効果があります。電源は、図においては直流電源(DC)方式を示していますが、DCのパルス方式、交流電源(RF)方式やそれらの複合方式などもあります。DCは大電流・高速化が容易、RFは導電性の悪いターゲット材料も使用可能などの特徴があり、それぞれ出来上がる膜の物性も異なります。それぞれ用途に合った方式が選択されます。対象物のハンドリングは、バッチ方式を基本として、自動搬送機構を備えた方式や、対象物を連続的に搬送しながら成膜するインライン方式など、自動化、生産性向上の必要性に合わせた機構が採用されます。
 
 スパッタリングの制御には、表1のように多くのパラメータがあります。ターゲット材料の種類、対象物の温度、対象物とターゲットの配置、投入電力、アルゴンガスの圧力、反応性ガスなどが主なパラメータです。また、対象物の表面状態や、不純物ガスも、膜の物性(膜質)を決める重要なファクターです。プロセスが決まると、膜質は再現性よくコントロールされ、成膜の速度は基本的に投入電力で決まるため、膜厚は投入電力と処理時間で制御することが可能です。
 
                                表1.スパッタリングプロセスの主なパラメータ
          
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【 参考文献】
1) 飯島徹穂 『よくわかる最新真空の基本と仕組み』(秀和システム)
 

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(おおぞの けんご) / 専門家B / そめい技術士事務所

技術士の中でも数少ない「薄膜の専門家」として、スパッタ・コーティング等の表面技術を得意とします。「ものづくりはひとづくりから」の精神で、組織のモチベーションを高めて創造性を引き出します。


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