スパッタ成膜速度分布のガス圧力およびターゲットー基板配置への依存性
薄膜・表面物性研究室
山崎 遼
M136134 Ryo Yamazaki
背景と目的に減少した。両対数プロットの傾きは高圧の方がスパッタリングによる成膜では、放電ガス圧力やターゲット基板間の距離（T-S 距離）により、スパッタされた粒子が基板に到達するまでの輸送過程が複雑に変化する。低圧下では、スパッタ粒子は放電ガスとあまり衝突せず、高速のまま基板に到達する。圧力が上がると放電ガスと粒子との衝突回数が増えて、方向変化や減速・熱化が起こる。
この現象により拡散的な輸送が支配的となり、容器壁面の影響をより強く受けるようになる。このため、高圧になるほど成膜速度は減少する。
本研究では、原子質量の異なる金属をターゲットとして DC スパッタリングを種々の条件で行い、成膜速度を計測した。これよりスパッタ粒子の輸送過程で、ガス分子との衝突がもたらす影響について考察した。

急で、また成膜速度そのものも小さくなった。このグラフを𝑅 ∝ 𝑑 −𝑛 (R：成膜速度、d：T-S 距離)
でフィッティングし、傾きを示す指数 n を求めた。
図 3 は圧力と指数 n との関係である。圧力が高いほど指数 n が大きくなった。指数 n が大きく変化するのはスパッタ粒子の輸送過程が弾道的なものから拡散的なものに移行して、ターゲット近傍の装置壁面が吸収境界として作用した結果と考えられる。元素により指数 n に変化の生じる圧力が違
うのは、Ar 原子との衝突に伴うエネルギー伝達や運動量交換の程度が違うからである。ターゲット元素の質量が大きい方が減速や方向変化をしにくく、拡散的な移動になりにくい。Edge での成膜速度は Center 部より小さいが、圧力が高いほどCenter 部に対しての低下が激しかった。指数 n は

実験方法
成膜速度 (nm/s)(a)

図 1 のスパッタ装置で、Al (27), Ti (47.9), Cu (63.5),
Mo (96)をターゲットに用いて DC マグネトロンスパッタリングを行った

110.5

0.5

0.1

0.05

40（括弧内の数字は原子量）。放電ガス Ar 10 sccm

5060

T-S距離 (mm)70Al
TiCuMo(b)405060

T-S距離 (mm)70

図 2. Center 成膜速度の T-S 距離依存性を流入させ、容器内ガス
圧力 0.5～20 Pa、DC 放電

0.10.5 Pa

10 Pa3.0

図 1. スパッタ装置

mm の間で 5 mm 毎に変え、基板ホルダの中心(Center) と端 (Edge) に設置した水晶振動子膜厚モニタ(QCM)を用いて、成膜速度を測定した。

exponent n

電力 50 W, 100 W で放電した。T-S 距離は 40～70

2.53Al
Ti
Cu
MoAl
TiCu
Mo22.0

実験結果と考察
図 2 は Center で測定した成膜速度の T-S 距離依存性を両対数グラフで示したものである。成膜速度は T-S 距離の増加に対し、ほぼべき乗関数的

1.50.515 10Arガス圧力 [Pa]図 3. 指数 n の圧力依存性

10.51Arガス圧力

Center 部よりも値が小さく、拡散的輸送への変化

サイン分布（𝐽 = cos 𝜃 (1 + 𝛽 cos2 𝜃）を仮定したが早く起きていると考えられる。

また、
スパッタ実験後に実測したエロージョンの形

以上までの成果は[1]の論文として報告した。こ状を考慮した。の結果は我々の研究室で行われたシミュレーショ計算結果と考察

50Center 成膜速度10であり、放電電力による違いを示した。100Wの成膜速度[Å/s]

1

計算で得た

図4は膜厚均一性(Edge/Center)のT-S距離依存性5( 𝑅 ) のT-S距離とき、同じ圧力、距離での成膜速度が大きかった。

( 𝑑 )依存性は、𝑑1
電力50 Wと100 Wの条件で実験測定した成膜速0.5の大きい領域で度Edge/Center 比の T-S 距離依存性を図4で比較し

β=-0.7-0.3
n=31.20.5

成膜速度[arb.]

ンの結果[2]とも整合していた。

0.10.05

𝑅 ∝ 𝑑 −2 となり、0.1
た結果、Alを除けば違いはほとんど見られなかった。
0.010.05
4050 低圧での実験結
6070
Alについて測定結果が異なるのはスパッタ粒子のT-S距離[mm]放出角度分布が影響していると考えられる。
50W
Al
Ti
Cu
Mo
100W
Al
Ti
Cu
Mo0.9
Edge/Center0.005

する結果となっ10.80.74060 80 100
T-S距離[mm]図 5. 成膜速度の T-S 距離依存性（計算結果）た。また 𝑑 の小さい領域も含め、実験の結果と比較的良い一致を示した。
図 6 に、角度分布の効果がより顕著に現れると考えられる Edge/Center 比について、実測、計算結果をそれぞれ示した。放電電圧 500 V では、Al は0.60.5

果図 2 (a)に対応

オーバーコサイン、Ti, Mo はアンダーコサイン、

405060

T-S距離[mm]70

図 4. 成膜速度 E/C 比の T-S 距離依存性における放電電力 50 W と 100 W の比較

膜厚分布のシミュレーション
実験の結果、熱化の前後で成膜速度や膜厚分布

Cu は両者の中間の放出角度分布を示す、という結果が得られていたが[3]、我々の結果では全ての実験結果はアンダーコサインを示唆する傾向となっている。実験を行った装置形状ではマイナスの値を持つが減少し、スパッタ粒子の横への放出割合が広がるほど膜の均一性が良くなっている。の T-S 距離依存性が変化すること、熱化は軽い金

110.80.8ただし、実際に膜厚分布を予測するには、ターゲットからのスパッタ粒子の放出角度分布の情報が不可欠である。実際に放出角度分布は、ターゲット金属の種類や放電電圧によって顕著に変化することが実験によって示されている [3]。そこで、低圧領域での成膜速度や膜厚分布の実験結果を簡単な無衝突近似の計算結果と比較して、スパッタターゲットからの放出分布について考察した。
図 1 の装置に対応する境界条件で、分割したターゲットの各領域をQCMから見込む立体角を幾何学的に求め、積算することで成膜速度を計算した。
放出角度分布としては、[3] で用いられていたオーバーコサイン分布（𝐽 = cos 𝑛 𝜃）およびアンダーコ

Edge/Center属元素ほど低い圧力で生じることなどがわかった。
0.60.40.5Pa
AlTiCuMo0.2

測定 50W040 50 60 70
T-S距離[mm]β=-0.7β=-0.6β=-0.5β=-0.3n = 1.5
n= 30.60.40.20計算
40 50 60 70
T-S距離[mm]図6. 膜厚均一性のT-S 依存性における実験（左）と計算（右）の比較[1] T. Nakano, R.Yamazaki and S.Baba: J. Vac. Soc. Jpn.
57 (2014) 152[2] T. Nakano and S. Baba: JJAP 53 (2014) 038002[3] T. Yamazaki, et al.: J. Vac. Soc. Jpn. 56 (2013) 382

β-0-0-020PACMT