スパッタリング技術のまとめ

スパッタリング(PDV)技術についての資料です。
リアクティブスパッタ、セルフスパッタについても触れます。

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3)反跳アルゴンについて

2017-03-06 18:48:04 | 技術情報
2017/03/06 初回投稿


3)反跳アルゴンについて

ターゲット電圧は、スパッタリングを特徴つける重要なパラメータの一つです。
希望する膜を得るためには、他のパラメータ(ガス圧力、磁場の強さ、磁場回路の形状、シールドの形状)で最適な電圧にする必要が有ります。

アルゴンイオン(Ar+)は、ターゲットの電圧に引かれてターゲットに向かって移動します。Arイオンは、ターゲットに衝突する直前にターゲットから飛び出してきた電子と結合し中性化します。この時光を放出します。
(光の波長は、ガスの種類と電子のエネルギーによって変ります。電子のエネルギーは、ターゲット材料と放電電圧によって変りますが、主にガスの種類に依存します。)

少し寄り道します。

AlとArの組み合わせでは、赤紫~紫色です。これは、Alから飛び出してきた電子がArの3p軌道入る時の余分なエネルギーに相当します。

TiとN2の組み合わせでは赤っぽい色の場合と、青白い色の場合があります。

ターゲットの表面がTiMの場合(電子が出にくい)は赤っぽい色で、Tiの場合(電子が出やすい)は青白い色になります。

これは、TiNの成膜でヒステリシスが生じる時にターゲット表面で起きている現象です。
同じガス組成でもターゲット表面状態で、放電電圧が変わります。
条件を振ると、目視で色が変る事が確認できます。

戻ります。

ターゲット中性化したArは、材料と運動量を交換、ターゲット原子を飛び出させます。但し、一定の割合で、ターゲットと弾性衝突し基板側に跳ね返ってきます。

このArを反跳Arと呼びます。反跳Arのエネルギーは、ターゲット材料の原子量に強く依存し、ターゲット材料の原子量が大きいほど高エネルギーのArが基板に跳ね返ってきます。
この時の最大エネルギーは、放電電圧の1/2~1/3程度といわれています。(概算として。)
(エネルギー保存の法則と運動量保存の法則から計算できますね)。

実際には100%弾性衝突とは限らない事から実際にはこれよりも小さなエネルギーを持つ粒子も存在します。
また、ターゲットから垂直に戻ってくるArほど大きなエネルギーを持っており、斜めに基板に戻ってくるArはより小さなエネルギーを持っています。

また、このエネルギーは、被スパッタ粒子よりもかなり大きなエネルギーを持っている事にも注意が必要です。

例えば、放電電圧が600Vの場合、200~300eVのエネルギーを持つ粒子が存在します。

結晶の結合をきる事のできる最低エネルギーは10~15eV 程度(オーダーのみ。)
ですので、このArは用意に基板原子の格子結合を切る事ができ、基板に進入します。

このエネルギーは最終的に熱になり、基板温度を上昇させます。

また、高エネルギーArは基板の結晶中に進入します。(インプラント効果)
基板がSiの場合、Siの表面は結晶がみだれアモルファス化します。
もし、基板結晶の格子の乱れを極端に嫌う用途では、このArのエネルギーをコントロールする必要が有ります。
結局、ターゲットの放電電圧やArガス圧力を所望の膜がえられる様にプロセスパラメータを設定する必要が有ります。


TiNやWのような材料では、成膜中に表面のTiやWを膜中に叩き込み、格子間原子を発生させます。これにより、膜には圧縮応力が発生します。
ただし、基板と成膜した膜の熱膨張係数の差により、室温で測定した膜応力は変化します。

Alの様な融点が比較的低い材料では、Alの格子間原子は成膜中に移動したり、再結晶時に解消されます。

余談ですが、AlとSi基板の組み合わせでは、Alの熱膨張係数はSiにくらべて非常に大きいので、室温では圧縮応力ではなく引っ張り応力が残ります。強い引っ張り応力はストレスマイグレーションの原因にもなるので、成膜温度を高くしすぎるとリスク要因になります。

4)膜中に取り込まれるArガスについて。

(以下次回)
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