PVDとは?――材料を物理的に飛ばして薄膜を作る
PVDの基本原理、スパッタと真空蒸着の違い、真空・飛翔粒子・膜質・Step Coverageを解説する。
客観的事実この記事のタイプ:事実・解説
まず結論
PVD(Physical Vapor Deposition)は、固体材料を蒸発・衝突などの物理的手段で気相へ出し、基板上へ堆積させる成膜技術群です。
代表的なのがVacuum EvaporationとSputteringです。
真空蒸着
材料を加熱し、蒸発した原子・分子を真空中で基板へ飛ばします。真空にする大きな理由の一つは、飛翔粒子が気体分子と頻繁に衝突せず基板へ到達できるようにすることです。
Sputtering
ArなどのPlasmaを作り、IonをTargetへ衝突させます。Target表面から叩き出された原子が基板へ到達し膜になります。
「Plasmaが基板を削るEtching」と似た言葉が出ますが、Sputtering成膜では主目的がTarget材料を飛ばして基板へ積むことです。
| 比較 | 真空蒸着 | Sputtering |
|---|---|---|
| 材料を飛ばす力 | 熱で蒸発させる | Ar Ionの衝突で叩き出す |
| 主な雰囲気 | 高真空 | Arなどを導入した低圧Plasma |
| 飛翔粒子 | 比較的低Energy | 蒸着より高Energyになりやすい |
| 特徴 | 構成が比較的単純、高い成膜速度を得やすい | 密着性・膜厚制御・合金や化合物への適用性 |
| 主な管理点 | 蒸発速度、Source温度、材料飛散 | Target Power、圧力、Erosion、Particle |
どちらも、飛んできた粒子が基板表面へ付着して膜を作ります。CVDのように「基板表面で原料Gasを化学反応させること」が成膜の中心ではありません。ただし、Reactive SputteringのようにO₂やN₂を導入し、飛翔材料と反応させて酸化膜・窒化膜を作る方式もあります。
なぜ金属膜で使われる?
Al、Ti、Cu系、Barrier/Seedなど多くの材料を形成できます。Target材料を利用でき、膜厚制御や量産性とのバランスがよいため広く使われます。
Line-of-Sightの問題
PVDでは粒子の飛翔方向が比較的強く影響するため、深いHoleや高Aspect Ratio構造の側壁・底部へ均一に届きにくい場合があります。
これがCVD/ALDとの大きな違いの一つです。
装置パラメータ
- Base Pressure
- Process Pressure
- Ar Flow
- Target Power
- DC / RF
- Target-Substrate Distance
- Substrate Temperature
- Magnetic Field
- Deposition Time
SputterではTarget ErosionやParticleも量産上の重要課題です。
今後扱うテーマ
- Sputteringとは?
- 真空とは?