粉体×成膜技術「PowderGenic」

菅製作所が取り組む技術の大きな特徴の一つが、粉体技術と成膜技術の融合です。
私たちは、この融合から生まれる技術・製品群を「PowderGenic（パウダージェニック）」と名付けています。
PVDスパッタリングやALD（原子層堆積）によって粉体表面に薄膜を形成し、粉体材料に新たな機能を付加する。
それが、私たちが考える「PowderGenic」です。

導入事例

国立研究開発法人物質・材料研究機構(NIMS)と東京大学の共同研究チームによる熱電変換材料の研究において、YIG(イットリウム鉄ガーネット)粉末表面へのPt(白金)コーティング工程にSSP1500Bがご使用いただきました。本研究では、粉体表面をナノスケールで均一にスパッタコーティングする技術を活かし、絶縁体中のスピン流を利用した新しい熱電変換構造(トランススケール・スピンゼーベック効果)の実証に貢献しています。

研究成果は2026年7月21日、Nature Communications誌に掲載されました。
詳細はNIMSプレスリリース(https://www.nims.go.jp/press/2026/07/202607210.html)および論文(DOI: 10.1038/s41467-026-75232-0)(https://www.nature.com/articles/s41467-026-75232-0)をご参照ください。

概要・用途

SSP1500Bは、高性能、高品質の粉体専用の小型スパッタリングシステムです。
試料シャーレ内の粉体を回転・振動させながら成膜し、粉体表面への成膜を実現します。
また、RF電源を装備していますので金属ターゲットのみならず、絶縁ターゲットの成膜も可能です。

特徴

特徴1：多様性

・独自のシャーレ、傾斜回転機構、振動機構にて多様な試料への対応が可能です。
・オプションのカソードマグネット交換により磁性ターゲットにも対応可能です。

特徴2：性能

・カソードシャッター付き、非磁性ターゲット用の２インチカソードを装備しています。
・パルス機構付ＲＦ電源を標準採用しているため、異常放電を起こす絶縁ターゲットも成膜可能です。

特徴3：使い易さ

・小型な装置となっていますので卓上設置が可能です。
・排気操作は全自動です。
・チャンバー内部防着シールド板と覗き窓（シャッター、シールドガラス付き）を装備しています。

SSP1500B仕様表

SSP1500B外観図

テクノロジー

菅製作所のスパッタ装置

スパッタ装置は、真空薄膜形成のカテゴリの中では物理蒸着法（PVD）に分類されるスパッタリング法を用いた成膜装置です。スパッタ装置により生成される薄膜は、基板への優れた密着性、繰返し成膜する時の高い再現性、高融点材料や合金も作れる特徴を有しており、半導体や電子デバイスをはじめ機能性材料に欠かせない金属膜、絶縁膜はもちろん、酸化膜、窒化膜を製作することも可能です。
菅製作所は長年に渡り大手真空装置メーカーの協力会社として培ってきた技術と厳しい品質基準を自社ブランドの装置にも適用し、お客様のニーズを反映させた扱いやすく、壊れにくい高品質なスパッタ装置を設計、製造しております。

スパッタリング法の特徴

• 基板に衝突する材料の衝突エネルギーが強いため、付着力の大きな薄膜ができる。
• 材料はおよそ一定方向に直線的に飛ぶため、他の成膜方法と比較し基板以外への 膜の付着が少ない。但し、凹凸部の側壁面に対しては膜が付きにくい。
• 電源パワーや成膜時間等の各種条件の調節により膜厚の制御がしやすい。
• 広い面積に均一な厚みの膜をつくることができる。
• 高融点材料や絶縁膜の成膜も可能。
• 合金をつくる時、材料を高温で溶融する蒸着装置と比べ、材料の組成変化が起きにくい。
• 窒素、酸素、水素などを組み合わせた反応性スパッタでは化合物の成膜も可能。
• 基板ホルダーへ高圧を印加すれば基板の成膜面をプラズマクリーニング（逆スパッタ）もすることも可能。
• 蒸着法に比べると成膜スピード（成膜レート）は遅い。

スパッタ装置の構造と成膜の原理

スパッタ装置の構造と原理を説明します。

01.成膜室の構造

真空容器の中にターゲット材料を取り付けるカソード（電極）と基板（ウェハ）が対向するように配置されています。お互いの距離は数十mmから離れても数百mm程度です。
図では成膜方向が下から上に向かうスパッタアップ（フェイスダウン）を例にします。スパッタアップ方式は基板表面に異物が付着しにくい点と、水冷機構を備えたカソード側のメンテナンス性が良いという2つの利点を持っています。
固定ができない被成膜物に対しては機構を上下逆にしたスパッタダウン（フェイスアップ）方式の装置を用います。
実際の装置ではカソードと基板の間にはスライド式のシャッター板が配置され、成膜のタイミングを制御できるようにしていますが、本資料では割愛しております。

02.カソードの構造

菅製作所のカソードはPMC（Planar Magnetron Cathode）の方式です。日本語で理解するとしたら、「平板形で磁石を搭載した電極」という意味合いです。図の緑色の点線部分を一括してカソードと呼びます。

成膜材料となるスパッタターゲットの裏には無酸素銅製の裏板（バッキングプレート）が配置されます。メタル系材料のターゲットの多くは裏板に乗せて使用すれば正常に成膜できる事例が多いのですが、化合物のターゲットの場合は、冷却効率を上げ材料のクラックや破損を防止するために裏板と接着する「ボンディング処理」が推奨します。
弊社では、ターゲットの手配とボンディング処理までの一連のサービスも行っております。

裏板の下側には水冷された永久磁石が配置されています。図では磁石が3つ並んでいるように表現していますが、実際はリング状の磁石と円柱の磁石が円盤の土台（ヨーク）に固定されたものです。ターゲットの上には磁石による磁界と、電圧の印可によって発生する電界が直交するサークル状のトンネルができ、この領域に高密度のプラズマ放電が発生します。

03.真空排気とアルゴンガス

プラズマ放電を発生させるには、まず真空容器（成膜室）を真空排気します。プラズマを発生させるだけであれば一般的に0.2～10Paまで減圧すれば圧力条件として成立しますが、高品位な薄膜を製造する目的においては、成膜室内に存在する水に代表される残留ガス成分と、真空下において装置の内壁や構造物から放出するガス成分（アウトガス）をできる限り減らすことが望ましいです。

そのため、高真空領域まで減圧できるターボ分子ポンプを搭載した排気系で真空引きを行います。装置やポンプの仕様にもよりますが、10の－5乗Pa台の低い圧力や更にそれ以下の圧力を望むのであれば、ある程度の排気時間を要します。

これ以上は低くならない、到達真空度まで減圧した後は、高純度のアルゴンガスを導入し、真空排気を継続しながらプラズマ励起後0.5Pa程度（装置や目的によりおよそ0.2～10Paの間）の圧力を保つようにします。
スパッタ装置でアルゴンガスを用いる理由は、スパッタ率が優れており不活性ガスであるため他の材料との化学反応が起こりにくく、かつ万が一漏洩しても危険性が低いためです。また、アルゴンは高純度ガスが普及し調達コストも安価です。
アルゴン以外のガスでも、反応性スパッタ等を行う場合はN2、O2を、その他目的に応じてHe、Ne、Kr、Xeなどの希ガスを用いる場合もあります。

04.プラズマ放電

RFスパッタ電源を操作し、カソードに電圧が加わると、ターゲット表面から放出した電子が浮遊しているアルゴン分子と衝突します。衝突によりアルゴン分子から電子が叩き出されAr＋イオンが発生します。電子は導電性の装置本体に流れ込む性質がありますがプラズマ下のターゲット近辺では逃げ場がなく長く漂います。結果としてターゲットの上部の磁界付近はプラズマの密度が高くなり、Ar＋イオンが効率的に発生します。

プラズマ下で電界による加速をうけたAr＋イオンは秒速数千kmとも呼ばれるスピードでカソード表面に向け高速で飛行し衝突します。Ar＋イオンがターゲット原子を弾き飛ばす現象をスパッタリングと言います。

カソード表面の材料原子はArイオンとの衝突でスパッタされ、時速約1万kmとも言ばれるスピードで対向する基板側に高速で激突します。ターゲット材料の原子の繰り返しの衝突により基板の表面は次第に薄膜が形成されます。基板表面は原子が強い運動エネルギーで衝突するため、スパッタ装置で形成される薄膜は密着性が優れています。

05.RF電源

菅製作所がカタログに掲載しているスパッタ装置ではRF電源を搭載したものが基本になります。RFスパッタは13.56MHzの高周波交流電源（RF電源）を搭載しマッチングボックス内でマッチング（整合）を行い、陽極と陰極を高速で入れ替えながら放電します。

絶縁物のターゲット材料をスパッタで成膜しようとする場合、直流電源（DC）電源のスパッタ装置では放電が持続しないため、安定的にプラズマを維持できるRF電源を搭載したスパッタ装置の方が様々な材料を成膜する目的に適しています。またパルス機能付RF電源を標準採用している為、異常放電の起きやすい絶縁ターゲットも対応可能です。

13.56MHzのRF電源を搭載した装置を導入する場合、日本国内では電波法に基づき各地域の総合通信局に高周波利用設備の申請書を届け出る必要があります。弊社では、フォーマットへの必要事項の記載方法の説明など装置の導入に関わるサポートも行っております。

弊社のスパッタ装置に関して、ご不明な点がございましたらお気軽にお問い合わせください。

修理・改造

弊社装置に関わる保守サービスは、北海道の本社及び静岡県の拠点から技術者を派遣して対応致します。また、改造・保守に関わる事前お打合せについては北海道と関東地区に駐在している営業担当者にて対応致します。
装置の導入後も安心して装置をご使用頂けるよう体制を整えております。

装置の御納入後の定められた保証期間内は、弊社が定める一定の条件(天災や誤った使用方法に起因する故障)に含まれない初期不良等の不具合に対しては無償による修理対応を行います。
詳細はお問い合わせください。

修理メンテナンスメニュー例

• 装置の定期メンテナンス、不具合時のサービス対応。
• 装置の改造や機能追加、それらに伴うプログラムソフトの変更。
• 装置の移設、レイアウト変更。
• オペレーショントレーニング。(ユーザー様の運用担当者の交代時など)
• 消耗品の購入。
• シールド部品に付着した膜の洗浄及び再ブラスト処理。
• メール、お電話等で解決するご質問。

改造

装置の導入後でも、実験内容や使用条件の変更に伴う改造に関する業務を承ります。

【改造事例】

• トランスファーユニットを介した別装置との複合化（Plusシリーズ）
• 各種の機能追加変更や部品交換。
• 特殊形状用サンプルホルダーの製作。
• プログラムの改良、アップデート。
• ガス導入系の追加。
• ロータリーポンプからドライポンプへの置き換え。
• 補助ポンプの大型化。
• 冷却水循環装置（チラー）の追加。
• その他、ご要望に応じた改造、現地サービス。