ALD装置とは：特徴・原理・装置を紹介。

ナノの世界を自在に操る、ALD装置。半導体デバイスがますます高性能化していく中、より微細な構造が求められています。ALD装置は、そんなニーズに応えるべく誕生しました。原子1層ずつ丁寧に膜を成長させることで、従来の技術では不可能だった高密度かつ均一な膜を実現。最先端技術を支える重要な装置です。

この記事では、ALD装置をニーズにあわせてカスタマイズする菅製作所が、ALD装置の基本的な解説と、実際に取り扱っている装置をご紹介します。

1 ALD（原子層堆積）装置の特徴
2 ALD（原子層堆積）の原理
- 2.1 ALD、CVD、スパッタリングの違い
3 菅製作所のALD装置
4 まとめ

ALD（原子層堆積）装置の特徴

ALD（原子層堆積）は、基板上に原子1層ずつ膜を成長させる高度な薄膜形成技術です。原料ガスを交互に供給し、表面反応によって自己完結的に1層の膜が形成されることを繰り返すことで、極めて均一で緻密な膜を得ることができます。この「Layer by layer」と呼ばれる成膜方式は、従来の成膜法では実現が難しかった原子レベルでの精密な膜厚制御を可能にします。

半導体デバイスの高性能化に伴い、ナノスケールでの精密な膜形成が求められるようになっています。ALDは、このようなニーズに応える革新的な技術として注目されており、特に酸化膜や窒化膜といった絶縁膜の形成に広く利用されています。

ALD（原子層堆積）の原理

ALDは、その自己限定的な成長特性により、従来の成膜法では実現できなかった高精度かつ高品質な薄膜形成を可能にします。半導体デバイス、ディスプレイ、太陽電池など、様々な分野でその応用が期待されています。

ALDは、以下の4つのステップを繰り返すことで膜を成長させます。

第1前駆体導入：基板に第1の前駆体ガスを導入し、基板表面に吸着させます。
パージ：導入された余分なガスを不活性ガスで洗い流し、反応場を清浄にします。
第2前駆体導入：第2の前駆体ガスを導入し、基板表面に吸着した第1前駆体と反応させ、1層の膜を形成します。
パージ：導入された余分なガスを不活性ガスで洗い流し、次のサイクルの準備を行います。

ALD、CVD、スパッタリングの違い

成膜には、スパッタリングやCVD（化学的気相法）など多彩な装置・手法があります。同じ物質を成膜にする上でも、手法によって特性が変わる場合もあります。以下に、よく比較される3つの方法を整理しました。

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。
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。
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。

菅製作所のALD装置

大学の研究所でも導入実績のあるALD装置をご紹介します。弊社では部品が壊れたらすぐに対応するのはもちろんのこと、研究開発の目的に応じて装置をカスタマイズすることも可能です。お気軽にご相談ください。

SAL1000

ALD装置のエントリーモデルです。手軽に1原子層ずつの薄膜をつくれます。

【POINT】

使いやすさを重視した小型のALD
1種類の膜種を成膜する最低限の構成仕様
デモ機によるテスト成膜が可能

【本体寸法】

W450mm×D450mm×H410mm

プリカーサ	2個
膜厚分布	≦±3％
基板加熱	350℃
複合化	×

SAL1000は研究開発用のALD装置（原子層堆積装置）です。

ALD装置は1原子層毎の精密な堆積制御を実現し、均一で凹凸部に対しても段差被覆性に優れた薄膜成形成を可能にする原子層堆積装置(ALD=Atomic Layer Deposition)です。

前駆体と呼ばれるプリカーサボトルに入れた原料を成膜材料として、水やオゾンとの表面化学反応により酸化膜(AL2O3、HfO2、SiO2、TiO2)の成膜をすることができます。

SAL1000はプリカーサを2系統搭載し、1種類の膜種の成膜に必要な基本機能を備えたエントリーモデルのデスクトップ型ALDです。

※例に挙げている膜種に関しては、弊社では実証できていないものが含まれております。

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SAL1000B

粉体への全周囲成膜を可能にしたALD。卓上型の研究開発用成膜装置です。

【POINT】

傾斜＋回転＋振動で粉体へ成膜可能
傾斜角度は水平から45°まで調節可能
実は4インチの基板も成膜もできる

【本体寸法】

W582mm×D450mm×H410mm

プリカーサ	2個
膜厚分布	≦±3％
基板加熱	350℃
複合化	×

研究開発用の粉体成膜に特化したALD装置（原子層堆積装置）です。

SAL1000Bはプリカーサを2系統搭載した、粉体成膜用途のデスクトップ型ALDです。

粉体への全周囲成膜を可能としたことにより、粉体や粒状の材料に関わる分野で新素材の開発などに活躍します。

※例に挙げている膜種に関しては、弊社では実証できていないものが含まれております。

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SAL1000G

ウエハーまたは粉体への成膜が可能。機能と性能を兼ね備えた卓上型ALDです。

【POINT】

真空置換対応のグローブボックス搭載
嫌気性のサンプルや材料に対応
オプションで粉体への成膜が可能

【本体寸法】

W690mm×D590mm×H760mm

プリカーサ	2個
膜厚分布	≦±3％
基板加熱	350℃
複合化	×

研究開発用の卓上型ALD装置（原子層堆積装置）です。

SAL1000Gは、卓上型ALDにグローブボックスを装備し、酸化や大気と反応する嫌気性の材料を用いた成膜ニーズに対応するモデルです。

また、オプションの粉体成膜用振動機構及び傾斜フレームを装備することで、粉体への全周囲成膜も可能としました。

※例に挙げている膜種に関しては、弊社では実証できていないものが含まれております。

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SAL1100

従来モデルSAL1000Bの最大5ccから32倍に容量UP！1バッチ160ccのペレットや粉体に成膜可能。ドラム型の研究開発用ALD成膜装置です。

【POINT】

斜め回転ドラム式アルミ製試料ホルダーを装備、ペレットや粉体を攪拌しながら成膜
試料ホルダーは最大50rpmまで回転数を可変可能
成膜レシピの記憶/読み込みが可能

【本体寸法】

W1000mm×D1000mm×H1500mm（メンテナンスエリア含む）

プリカーサ	2個
膜厚分布	規定なし
基板加熱	Max400℃
複合化	×

研究開発用の粉体成膜に特化したALD装置（原子層堆積装置）です。

SAL1100はプリカーサを2系統搭載した、粉体成膜用途のドラム型ALDです。

粉体への全周囲成膜を可能としたことにより、粉体や粒状の材料に関わる分野で新素材の開発などに活躍します。

※例に挙げている膜種に関しては、弊社では実証できていないものが含まれております。

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SAL3000

小型で機能充実のALDです。

【POINT】

SAL3000標準型から横幅が4割小型化
成膜方向はデポアップかダウンを選択
デモ機によるテスト成膜が可能

【本体寸法】

W835mm×D700mm×H1644mm

プリカーサ	4個（最大6個）
膜厚分布	≦±3％
基板加熱	350℃（800℃）
複合化	×

研究開発用のALD装置（原子層堆積装置）です。

SAL3000は従来からあるデポダウン方式の仕様に加え、基板へのパーティクル付着をより低減できる「デポアップ」タイプをご用意しております。更に目的に合わせ自動基板搬送用ロードロック室や真空置換グローブボックスを選択できるようになっています。

※例に挙げている膜種に関しては、弊社では実証できていないものが含まれております。

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SAL3000Plus

小型で機能充実のALD。他装置との複合化で幅広い実験に対応可能です。

【POINT】

SAL3000標準型から横幅が4割小型化
成膜方向がデポアップとダウンから選択
Plusシリーズの別装置と連結可能

【本体寸法】

W835mm×D700mm×H1644mm

プリカーサ	4個（最大6個）
膜厚分布	≦±3％
基板加熱	350℃（800℃）
複合化	〇（SAL3000+U）

研究開発用のALD装置（原子層堆積装置）です。

SAL3000PlusはSAL3000の成膜性能を維持したまま本体の大幅な小型化に成功し、加えて他の装置との複合化も実現による幅広い成膜プロセスに対応した高性能ALD装置です。

SAL3000Plusは、本体側面に拡張用ポートを備えており、トランスファーユニットSTR2000と連結することで、ロードロック機能が備わります。

Plusシリーズのスパッタ装置、アニール装置、蒸着装置、そして同じALDのSAL3000Plusと複合化が可能で、基板を大気に曝さず多様な成膜プロセスが可能です（※複合化で組み合わせる装置によっては、接続用のポート位置を左右反転させた構造にする必要があります）。

上記はアニール装置との複合化例です。

※例に挙げている膜種に関しては、弊社では実証できていないものが含まれております。

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まとめ

ALD装置は、原子1層ずつ膜を成長させることで、高精度かつ均一な薄膜を形成する革新的な装置です。半導体デバイスの高性能化に伴い、ナノスケールの精密な制御が求められる中、ALDは、その自己限定的な成長特性により、従来の成膜法では実現できなかった高品質な薄膜を提供します。様々な分野で応用が期待され、今後もその重要性はますます高まっていくでしょう。菅製作所では、お客様のニーズに合わせてALD装置をカスタマイズしています。お気軽にご相談ください。

【参考】

ALDの解説

OXFORD PLASMA TECHNOLOGY『原子層堆積（ALD）』

菅製作所『成膜の種類と特徴を紹介！ALD・CVD・スパッタリングの違いを解説』