薄膜を形成するには、いくつかの種類が存在します。
今回はその中の一つ、「CVD（化学気相成長法）」の原理や種類について説明します。
薄膜の種類「CVD（化学気相成長法）」
薄膜を形成するには下図のようにいくつか種類があります。
| 薄膜の 作り方 | 詳細 |
|---|---|
| 蒸着法 | 真空にした容器の中で、金属や酸化物などの成膜材料を蒸発させて、対向した基板表面に凝着させて薄膜を形成する手法です。 参考※1.2.3.4 |
| イオンプレーディング(IP)法 | 原理的には蒸着法とほぼ同じですが、蒸着粒子をプラズマ中を通過させることで蒸着材をイオン化させます。成膜させる基板にマイナスの電圧をかけ、イオン化させた蒸着材を加速させながら基板に衝突させることで薄膜を形成させます。イオン化、加速を行うことにより密着性の高い膜を作ることができます。 参考※1.5 |
| スパッタリング法 | 放電によるプラズマ中にできたイオン(通常Ａｒ+イオン)を成膜材料の板（ターゲット）にぶつけて材料をはね飛ばします｡はね飛ばされた成膜材料が基板へ飛んでいき薄膜を形成する手法です。スパッタリング法では、高融点金属や合金など、蒸着法では困難な材料でも、成膜が可能で、広範囲な成膜材料に対応できます。 参考※1.5.6 |
| 化学気相成長（CVD）法 | 成膜したい元素を含む気体を基板表面に送り、化学反応、分解を通して成膜する方法。CVDの中にも基板を加熱させる熱CVD、反応管内を減圧し、プラズマを発生させるプラズマCVDなどの種類がある。 参考※1.7.8 |
| 原子層堆積(ALD)法 | CVDの１種と言われますが、2種類以上の原料気体（プリカーサー,前駆体）を交互に導入・排気を繰り返し，成膜表面に吸着した原料分子を反応させて膜化する方法を原子層堆積(ALD)といいます。 参考※8.9 |
数種類のうちの一つ、「CVD（化学的気相成長法）」について解説。
CVDとは、薄膜の原料を気体の形で堆積室に供給し、これを熱またはプラズマのエネルギーなどで分解し、金属薄膜あるいは化合物薄膜として基材の表面に堆積する方法。
CVDほど多用途に使われている薄膜作製技術はありません。
電子デバイス、装飾用コーティング、ハードコーティング、フィルムコーティングまで広い範囲で用いられています。
CVDの原理
CVD法は、供給される原料ガスの蒸気圧と原料ガスの分解により生成された物質の蒸気圧との違いを利用した薄膜形成法です。
原料として供給されるガスは高い蒸気圧を持っており、基板上に到達しても原料ガスのまま薄膜として堆積することはありません。
原料ガスが分解され、蒸気圧の低い金属となると基板上から再蒸発しにくくなり、薄膜として堆積していくことになります。
CVDの原理を上図を参考にもう少し詳しく説明してみます。
- 原料ガスの供給
- 原料ガスの基板表面への輸送
- 原料ガスの基板表面における拡散と分解
- 核形成と揮発性反応生成物の蒸発
- 反応生成物の除去
CVD法において膜質を決める要因は、以下の点がポイントです。
- どのような原料ガスの組み合わせを使うか
- どれくらいの流量のガスを流すか
- どのくらいの圧力を使うのか
- どのくらいのエネルギーで原料ガスを分解し薄膜を成長させるか
CVD法の種類3つ紹介
CVD法は原料ガスの分解方法により以下のように分類されます。
1.熱CVD法
熱CVD法は、原料ガスの分解を熱により行う方法です。基板の温度が原料ガス
の解離を行うために必要とされる温度となる。
金属薄膜を堆積する場合は、500-700℃、金属窒化物薄膜や炭化物薄膜を堆積する場合には、700-1000℃とかなり高温。
したがって、基板に耐熱性がない場合は熱CVD法は使えない。
2.プラズマCVD法
プラズマCVD法とは、原料ガスの分解にプラズマを用いる方法。熱CVD法に比べ基板温度を低くできます。
膜圧や膜質の均一性を得にくいために、大面積を持つ基板に対しては実用的ではありません。
3.MOCVD
MOCVD法は、原料ガスに有機金属化合物を用いるCVD法です。有機金属化合物とは、金属が炭化水素基と結びついて形成された化合物のことである。
MOCVD法により作製されたデバイスは意外と多く使われています。
家電製品リモコン用の光源の赤外発光ダイオード、青色をだす発光ダイオートは交通信号に使われています。
また、半導体レーザーの作製プロセスに多用され、CDやDVDの信号の読み取りにレーザーダイオードが使われています。
さらに、音楽を聞くことも、DVDをみることもこの技術のおかげです。
まとめ
薄膜を形成する時には、用途や物質によって様々な方法や装置が使われます。
今回は、薄膜形成の一つ「CVD（化学的気相成長法）」について解説しました。
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