３分でわかる技術の超キホン成膜技術”PVD”とは？ CVDとの違いは？

スパッタリング

当連載の「ALD(原子層堆積法)とは？」との回で、「CVD」（化学気相成長、化学気相堆積）についてご説明しました。
真空等を利用した成膜技術（蒸着技術）として、「CVD」の他に「PVD」と呼ばれる方法があります。

「PVD」（Physical Vapor Deposition）とは、「物理気相成長」または「物理蒸着」と呼ばれ、真空環境下で物理的な方法を利用して材料（固体か液体）を蒸発させる、またはスパッタリングによって、気相を形成し基板の表面に薄膜堆積する蒸着技術です。

今回のコラムでは、PVD技術の原理や分類（種類）を説明したうえで、CVDとの違いについて整理します。

１．PVDの原理（基本的なプロセス）
２．PVDの主な分類
３．PVDとCVDの違い（特徴比較）

１．PVDの原理（基本的なプロセス）

PVD技術（物理蒸着技術）のプロセスは主に以下の3ステップに分けられます。

(1) コーティング材のガス化：コーティング材が、蒸発・昇華あるいはスパッタリングによってガスまたはイオンになる。
(2) コーティング材の原子、分子、イオンの拡散：そのコーティング材から供給される原子、分子、イオンが基板表面に拡散する。この過程で粒子同士が衝突すると、様々な反応が起こる。（あまり衝突しない方法もある）
(3)原子、分子またはイオンが基板上に堆積される。

２．PVDの主な分類

PVDの成膜方式は主に真空蒸着、スパッタリングとイオンプレーティングがあります。

【図1　PVDコーティングのイメージ図】

（1）真空蒸着

真空蒸着とは、コーティング対象の材料を真空条件下で加熱して、蒸発させることによって、原子や分子などの粒子が材料表面の束縛から解放され、最終的に基板表面に蒸着する技術です。ガス状の原子や分子は真空中であまり衝突せず、そのまま基板に拡散し、表面に堆積して成膜します。

蒸着方法としては、抵抗加熱、電子ビーム、レーザービーム、イオンビームなどの高エネルギーをめっき材料に加える方法などが挙げられます。対応可能な対象材料の幅が広い方法です。

［※関連記事：真空蒸着の基礎知識はこちら］

（2）スパッタリングコーティング法

スパッタリングとは、真空条件下で、コーティング対象材料の表面にイオン化した希ガス（Arなど）や窒素粒子と衝突させて、材料表面の原子を勢いよく弾き飛ばすことで、基板上に膜形成するプロセスです。

スパッタリング粒子が基板に向かう際に、真空チャンバー内のガス分子と激しく衝突する結果、蒸着膜が均一になりやすくなります。
また、素材を液体や高温気体にさらすことなく処理できるので、環境にやさしい手法です。特に、蒸着が難しい合金などに向いています。

［※関連記事：スパッタリング薄膜についての解説はこちら］

（3）イオンプレーティング

イオンプレーティングは、真空条件下で何らかのプラズマイオン化技術を用いてターゲット材料の原子をイオン化し、同時に高エネルギーの中性原子を多数発生させて、基板に負のバイアス電圧を印加することにより、ターゲットイオンが基板表面に堆積されて薄膜が形成されます。
イオンプレーティングには良好な密着性、低い温度、膜の均一性などのメリットがあります。

【図2　PVDとCVD成膜方法の分類（青字は化学反応を使用した成膜方法）】

図2において青字で記載した反応性蒸着法、分子線エピタキシ（MBE）法、反応性スパッタ法などの方法では化学反応を利用していますが、一般的にPVDに分類されますのでご注意ください。

３．PVDとCVDの違い（特徴比較）

ここまでPVDの基本を紹介してきましたが、PVDとCVDの違いについても整理してみましょう。

【表1　PVDとCVDの技術比較】

	目的材料	膜材料の種類	温度	成膜速度	環境への配慮
PVD	固体	幅広い	低温	遅い	環境にやさしい
CVD	ガスor液体	制限される	高温	速い	ガス汚染の可能性

PVDのターゲット材料は固体で供給しますが、CVDはガスか液体です。
材料の状態や反応性などの制約により、CVDに比べるとPVDの方が幅広い膜の種類に対応できます。
また、CVDは1000℃ぐらいの高温で処理する必要があるのに対し、PVDは相対的に低温（500℃程度）で処理できるため、基板への影響が少ないです。プラズマCVDの場合は低温で対応できますが、膜の密着力に関してはPVDの方が高いようです。
さらに、ガスの化学反応を利用するCVDに比べ、PVDの方が環境へのリスクが少ない点もメリットです。

ただし、PVDには次のようなデメリットもあります。