今回のテーマは、
「PVDでは、どうやって固体の金属を、ウェハの上の薄い膜にするのか」
答え：真空の中で材料を蒸気にして飛ばし、ウェハの上で固体に戻します。飛ばし方は、加熱して蒸発させる蒸着と、イオンをぶつけてたたき出すスパッタの2つが代表です。
この記事でわかること
- ① PVDの基本の流れ
- ② なぜ真空が必要か
- ③ 蒸着（加熱して飛ばす）
- ④ スパッタ（ぶつけて飛ばす）
- ⑤ スパッタの工夫と使いどころ
※各節の「くわしく見る」は、計算で確かめたい人向けです。
① PVDは、「出す・飛ばす・付ける」の3ステップ
大事なポイント：PVDは、固体の材料から原子を出し、真空の中を飛ばして、ウェハの上で固体に戻す方法です。
前の講で、PVDは「固体の材料を蒸気にして、ウェハの上で固体に戻す方法」だと学びました。流れを、手順にして確かめましょう。
- 出す：材料のかたまり（ソース、またはターゲット）から、原子を飛び出させます。
- 飛ばす：空気を抜いた容器の中を、原子がウェハへ向かって飛びます。
- 付ける：ウェハの表面に原子が付いて、固まり、膜になります。
ステップ①の「出し方」で、方法が分かれます。熱して蒸発させるのが蒸着、イオンをぶつけてたたき出すのがスパッタです。この2つが、PVDの代表です。
PVDは、化学反応を使うCVDなどに比べて、低い温度でできる方法がある、という特徴があります。このため、熱に弱い部分があるときにも使いやすい方法です。
確認クイズ：PVDで、原子の「出し方」にあたる2つの代表的な方法は何でしょう？
答え：蒸着（熱して蒸発させる）と、スパッタ（イオンをぶつけてたたき出す）です。
② なぜ真空が必要か：原子がぶつからずに飛べるように
大事なポイント：空気が多いと、飛ぶ原子が空気の分子にぶつかります。空気を抜いて、ウェハまで届くようにします。
ふだんの空気の中は、窒素や酸素の分子でいっぱいです。この中で原子を飛ばしても、すぐ分子にぶつかって、ウェハに届きません。そこで、容器の空気をポンプで抜き、真空にします。
ぶつからずに飛べる距離の平均を、平均自由行程といいます。蒸着の説明では、圧力が10−4 Pa（パスカル。大気圧の約10億分の1）のとき、0.4nmの粒の平均自由行程は約60mとされています。装置の容器が1m前後なら、その60倍ですから、途中でぶつかることはほとんどありません。
空気が多いと、困ることがほかにもあります。たとえば、アルミニウムを酸素のあるところで飛ばすと、酸化アルミニウムになってしまいます。また、ぶつかるとウェハに届く量が減るため、厚さの調整もむずかしくなります。
確認クイズ：原子が、ぶつからずに飛べる距離の平均を何というでしょう？
答え：平均自由行程です。
くわしく見る：圧力を上げると、距離はどう変わるか（目安の計算）
平均自由行程は、おおよそ圧力に反比例する、と考えられます（粒の種類と温度が同じ場合の目安で、厳密ではありません）。10−4 Paで約60mとすると、
10−2 Pa（圧力が100倍）：60 m ÷ 100 ＝ 0.6 m
1 Pa（圧力が10,000倍）：60 m ÷ 10,000 ＝ 0.006 m ＝ 6 mm
となります。圧力が高いと、飛べる距離が、装置のサイズより短くなり、原子がぶつかりながら進むことになります。なお、本文で出典があるのは「10−4 Paで約60m」の部分だけです。
③ 蒸着：材料を熱して、蒸発させる
大事なポイント：蒸着は、材料を熱して蒸発させ、その蒸気をウェハの上で固めます。蒸気はほぼ一方向から来るため、段差の陰には付きにくくなります。
蒸着では、材料を熱します。熱し方は、おもに2つです。
- 抵抗加熱：電気を流して熱くした容器（ボート）の中で、金属をとかして蒸発させます。
- 電子ビーム：電子を高いエネルギーで材料に当てて、熱します。
蒸発した材料は、ほとんどまっすぐ飛び、冷たいウェハの上で固まります。ここで、1つ注意があります。蒸気が1つの方向から来るため、ウェハに高い段差があると、その陰には蒸気が届きにくくなります。この現象を「影になる（シャドウイング）」、または「段差の付き回りが悪い」といいます。ウェハを2つの軸で回して、影を減らす装置もあります。
確認クイズ：蒸着で、段差の陰に膜が付きにくいのは、なぜでしょう？
答え：蒸気が、ほぼ一方向から来るためです。
くわしく見る：影の長さを見積もる（目安の計算）
高さ h の段差に、蒸気が真上から角度θ（シータ）だけ傾いて来るとします。陰の長さ L は、図形の関係から、
L ＝ h × tanθ
と表せます。段差の高さ100nmのとき、θ＝45°（tan45° ＝ 1）なら L ＝ 100 nm、θ＝60°（tan60° ≈ 1.73）なら L ≈ 173 nm です。傾きが大きいほど、陰が長くなります。
実際の装置の角度や、段差の形はもっと複雑です。ここでは、考え方をつかむための簡単な計算です。
④ スパッタ：イオンをぶつけて、たたき出す
大事なポイント：スパッタは、プラズマの中のアルゴンイオンを材料の板（ターゲット）にぶつけて、原子をたたき出す方法です。
スパッタの手順は、次のとおりです。
- 容器を真空にしてから、アルゴンというガスを少しだけ入れます。アルゴンは、他の物質と反応しにくい気体（不活性ガス）です。
- ターゲット（材料の板）に、マイナスの電圧をかけます。すると、ガスの一部が、＋の電気をもつ粒（イオン）と電子に分かれた状態になります。これがプラズマです。
- アルゴンの＋イオンは、−のターゲットに引き寄せられて、勢いよくぶつかります。
- ぶつかった勢いで、ターゲットの原子がたたき出されます。
- たたき出された原子が飛んで、ウェハに付き、膜になります。
ビリヤードで、手球が玉に当たって玉が飛び出すのと似た考え方です。
スパッタには、次の特徴があります。
- 融点がとても高い材料でも、膜にできます（熱でとかす蒸着では、むずかしい材料です）。
- 膜の成分が、ターゲットの成分に近くなります。
- 蒸着の膜より、ウェハへの付着（密着）が良いのが普通です。
- 弱点として、アルゴンが、膜の中に不純物として少し入ることがあります。
確認クイズ：スパッタで、ターゲットにぶつけるのは何でしょう？
答え：アルゴンのイオン（＋の電気をもつ粒）です。
⑤ 磁石でスパッタを速くする（マグネトロン）と、使いどころ
大事なポイント：磁石で電子をターゲットのそばに閉じこめると、イオンが増えて、速く付きます。配線に使う金属の膜によく使われます。
ふつうのスパッタは、付く速さがあまり速くありません。そこで、ターゲットの裏に磁石を置くマグネトロンスパッタが広く使われます。磁石の力で、電子がターゲットの表面近くを、ぐるぐる回るように動きます。電子がガスのアルゴンに何度もぶつかるので、アルゴンイオンが増え、そのぶん、たたき出される原子も増えて、付く速さが上がります。また、圧力が低くても、プラズマを保てます。
スパッタは、半導体の工程で、金属の膜を付けるのに、広く使われています。たとえば、銅の配線では、めっきで銅を埋める前に、薄い銅の下地（シード層）をPVDで付けます。
スパッタの弱点も確認しておきます。原子はまっすぐ飛ぶだけでなく、まわりにも広がって飛ぶので、蒸着のようなくっきりした影はできにくく、段差への付き回りは蒸着より良くなります。ただし、深く細い穴の底まで均一に付けるのは、次の講以降で学ぶCVDやALDのほうが得意です。
確認クイズ：マグネトロンスパッタで、ターゲットの裏に磁石を置くと、付く速さはどうなるでしょう？
答え：上がります（電子がターゲットのそばに閉じこめられ、イオンが増えるため）。
くわしく見る：付ける時間を見積もる（仮の数字）
毎分30nm付く条件があるとします（これは仮の数字です。実際の速さは、材料、電力、圧力などで大きく変わります）。100nmの膜に必要な時間は、
100 nm ÷ 30 nm/分 ≈ 3.3分（約3分20秒）
です。第1講の考え方（厚さ ÷ 速さ）と同じです。
この講のまとめ
PVDは、「出す・飛ばす・付ける」の3ステップで、材料を蒸気にしてウェハで固める方法です。
空気が多いと原子がぶつかるため、真空にします。蒸着は熱して飛ばし、スパッタはアルゴンイオンをぶつけて飛ばします。
どちらもほぼ一方向から付くので、段差の陰には付きにくく、深い穴の底への付き回りには、限りがあります。
次の講では、ガスの化学反応で膜をつくるCVDが、この付き回りの弱点をどう補うのかを見ていきます。
ことばのおさらい
- 蒸着：材料を熱して蒸発させ、ウェハの上で固めるPVDの方法です。
- スパッタ：イオンをぶつけて、ターゲットの原子をたたき出すPVDの方法です。
- ターゲット：スパッタで、原子をたたき出される材料の板です。
- 平均自由行程：粒が、ぶつからずに飛べる距離の平均です。
- プラズマ：ガスの一部が、＋のイオンと電子に分かれた状態です。
- マグネトロンスパッタ：磁石を使って、付く速さを上げたスパッタです。
よくある誤解
Q. 真空にするのは、きれいにするためだけですか？
いいえ。原子がぶつからずにウェハへ届くようにし、空気との反応を防ぐためでもあります。
Q. スパッタは、材料を熱してとかす方法ですか？
いいえ。熱でとかすのは蒸着です。スパッタは、イオンをぶつけてたたき出します。
参考にした公式情報
- Wikipedia「Physical vapor deposition」（PVDの定義、蒸着とスパッタ、低温で行えること）
- Wikipedia「Evaporation (deposition)」（真空が必要な理由、平均自由行程の例、加熱の方法、影（段差の付き回り））
- Wikipedia「Sputter deposition」（スパッタのしくみ、アルゴン、マグネトロン、特徴と弱点、半導体での利用）
- Wikipedia「Copper interconnects」（銅のシード層をPVDで付けること）
圧力と平均自由行程の比例関係、影の長さの式、付く速さの数字（毎分30nm）は、一般的な知識または仮の数字による目安です。「CVDやALDのほうが穴の底に付けやすい」は、一般的な知識で、次の講以降で出典つきで説明します。図は、記事用に描いた簡易の図です。
