薄膜を作るには

真空蒸着とは

真空蒸着とは、真空中で金属や金属酸化物などの成膜材料を加熱して、溶融・蒸発または昇華させて、基材や基板の表面に蒸発、昇華した粒子(原子・分子)を付着・堆積させて薄膜を形成する技術です。
真空蒸着装置概略図

水を入れて熱した鍋にフタをすると、内側には湯気が付着して水滴ができます。
水を加熱すると水蒸気となって蒸発します。その上にたとえば板を置くと水蒸気が付着して水の膜ができ、やがて水滴となります。その水滴になるまでの、水の膜ができる状態。この原理が、蒸着と同じです。
蒸着では、水ではなく、金属や金属酸化物などを加熱して蒸発気化させ、基材や基板に表面処理や薄膜を形成します。水は100℃で沸騰しますが、金属などは溶かすだけで数百℃以上、気化させるには数千℃の温度が必要です。
そこで、減圧して気体分子も減少させた真空状態が必要です。
真空中ですと、金属などの蒸気圧の温度を下げることができ、千℃前後の加熱で金属などを気化させることが可能となります。また、残留の気体分子も減少していますから、障害が少なく平均自由行程が大きく、金属などの気体粒子が飛びやすくなり、不純物も極めて少ない薄膜形成が可能となり、金属などで表面処理や薄膜を形成できます。
これが判り易くしたご説明、真空蒸着の原理です。

真空蒸着の原理

真空蒸着の加熱方法

真空蒸着で、成膜材料の加熱には、代表的な3種類の方法があります。

(1)抵 抗 加 熱 … 低融点の成膜材料に適す。
W、Mo、Bなどの抵抗体に電流を流し発熱させ、発熱した抵抗体に成膜材料を供給して、成膜材料を加熱・蒸発させて薄膜を形成する方法。
(2)高周波誘導加熱 … 低融点の成膜材料に適す。
カーボンなどのルツボ内に収納した成膜材料を、高周波誘導加熱により加熱・蒸発させて薄膜を形成する方法。
(3)電子ビーム加熱 … 高融点の成膜材料に対応が可能。
耐火物などのルツボに収納した成膜材料に、電子ビームを照射することにより、成膜材料を加熱・蒸発させて薄膜を形成する方法。

加熱方法図

真空蒸着で成膜の材料物質(代表例)

◇金 属:Al,Ag,Au,Ti,Ni,Cu,Cr,Sn,In,etc.
◇酸化物:Al2O3,SiO2,etc.

真空蒸着の特徴

◇比較的に装置の構造が簡単
◇金属から有機物までの成膜が可能
◇成膜材料の大量蒸発が得られ、成膜速度が速い
◇高真空での成膜で高純度
◇蒸着エネルギーが熱のみのため付着力はやや弱い
◇抵抗加熱では低融点の成膜材料に適す
◇電子ビーム加熱では高融点の材料も成膜が可能

特殊な真空蒸着の種類と特徴

◇DC・RFイオンプレーティング(DC,AC Ion plating)

○DC,RFの放電により蒸発物質をイオン化、高エネルギー化
○膜の密着力UP、結晶性良
○反応性の促進、P-CVDとの混合膜
○膜厚分布に問題、有機物質のコンタミネーション

イオンプレーティング装置の概略図

◇活性化反応性蒸着
(ARE: Activated Reactive Evaporation)

○ルツボと電極の間に電圧を加え、2次電子により
プラズマを発生
○イオン化したガスと蒸発金属を反応させる
○プラズマの制御性が良く、膜の組成制御も良い
○蒸発源と基材はプラズマの影響を受けず、高速の
成膜可能
真空蒸着装置概略図

◇中空陰極法
(HCD: Hollow Cathode Discharge)

○LaB6陰極のアーク放電、低電圧・大電流プラズマを発生
○プラズマで加熱、活性化、
○高密度プラズマの雰囲気、高エネルギー
(密着性・反応性良)
○陰極プラズマガンの寿命が短く、膜の制御性に乏しい
真空蒸着装置概略図

○その他
 ◇レーザアブレーション(Laser Ablation, PLD: Pulsed Laser Deposition)
 ◇分子線エピタキシ(MBE: Molecular Beam Epitaxy)
 ◇クラスターイオンビーム(ICB: Ionized Cluster Beam)