スパッタリングとは

THEME 02 パターン形成 · 成膜（CVD / ALD / PVD）Sputtering

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スパッタリングとは、真空中でアルゴンなどの不活性ガスをイオン化して加速し、ターゲット材料へ衝突させて原子を叩き出し、基板へ積もらせる成膜方法です。 PVDの中で半導体前工程の主力を占め、金属配線や電極の成膜で使われます。

固体から原子を弾き飛ばすので、ターゲットの組成がほぼそのまま膜へ移る

スパッタリングの中心にあるのは、固体から原子を直接弾き飛ばすという操作です。薄膜成膜装置の一種であるスパッタリング装置は、反応室を真空に引いて外部環境の影響を断ち¹、高速に加速した不活性物質（アルゴンなど）を金属やセラミックのターゲット材料へ衝突させます。弾き飛ばされたターゲット分子は、基板へ直接、または反応室へ導入した他の気体材料と化学反応したのちに堆積します。

弾き飛ばすという操作の性質は、そのまま膜の組成に反映されます。ターゲットの組成がほぼそのまま膜へ移るため、合金組成の再現性が要る金属配線に向きます。多元素の膜を狙う場面では、まず狙う組成のターゲットを用意するという設計になります。

不活性ガスを使う理由も、この組成の話に関わります。弾き飛ばす役目のガスがターゲットや膜と反応すると、狙った組成とずれます。アルゴンを使うのは、弾き飛ばすエネルギーだけを与えて組成をそのまま保つためです。反応性スパッタリングでは、この上で別のガスを意図的に導入し、窒化物や酸化物の膜を作ります。

弾き飛ばす役目のガスは、不活性な方が向きます

弾き飛ばす役目のガスがターゲットや膜と反応すると、膜は狙った組成とずれます。アルゴンなどの不活性ガスは弾き飛ばすエネルギーだけを与えるため、ターゲットの組成がほぼそのまま膜へ移ります。

スパッタリングの成膜経路 ─ 直接堆積と反応性スパッタ

叩き出されたターゲット原子は、そのまま基板へ堆積するか、反応室へ導入した窒素や酸素と反応してから堆積します。前者では金属膜、後者では窒化物や酸化物の膜になります。どちらの経路でも、ターゲットの組成が膜の出発点になります。

超高真空まで排気してから、1Pa程度のアルゴンを入れる

スパッタリングの装置は、二段階の圧力を使います。キヤノンアネルバが常用する超高真空領域は10のマイナス7乗Pa以下で²、同社のスパッタリング装置は、原子・分子・イオンの動きを妨げる気体を排気した状態で成膜します。低真空域のドライポンプ、高真空域のターボ分子ポンプ、超高真空域のイオンポンプを圧力域ごとに使い分けます。

そのうえでアルゴンを入れます。陰極と対向した陽極との間に1Pa程度のアルゴンガスと高電圧を印加し³、発生したグロー放電で生成されたイオンにより陰極材料（ターゲット）がスパッタされ、基板上に薄膜が堆積します。排気で下げた圧力と、成膜のときにアルゴンで作る圧力のあいだには、7桁ほどの開きがあります。前者は邪魔な気体を減らすための圧力、後者は放電を保つための圧力で、装置は前者の圧力まで排気してから、後者の圧力までアルゴンを入れます。

電子が電離を繰り返すあいだ、放電が続く

グロー放電が続く仕組みは、電子の側にあります。電場で加速された電子がガス分子と衝突して電離を起こし⁴、新たな電子が放たれます。放たれた電子もまた電場で加速されて別のガス分子と衝突し、電離と電子の放出を繰り返します。電場による加速と衝突が続くあいだ、イオンと電子が共存するプラズマの状態が保たれます。プラズマは、固体・液体・気体に続く第四の状態です。

この連鎖で生まれたアルゴンイオンが、高電圧をかけた陰極（ターゲット）へ引かれて衝突します。スパッタリングは、アルゴンなどのイオン衝撃により陰極（金属や化合物）の表面から原子や分子が飛散する現象を利用した成膜法です。アルゴンの役目は二つあり、電離してターゲットを打つイオンになる役目と、その電離の連鎖を続ける相手の気体でいる役目です。真空へ引いたうえで1Pa程度まで気体を入れ直すのは、後者の役目のためです。

磁場で電子をターゲットの手前に集めるマグネトロン方式が広く使われる

スパッタの方式には、DC、RF、多極、ECRなどがあります。その中で、電極近傍の電場と直交する磁場を発生させるためマグネットや電磁石を設置し、電子密度の高い空間を作ることで、低温・高速成膜が可能なマグネトロン方式が広く用いられています³。この方法はDC、AC、RF放電でも使えます。

磁場を足す意味は、前の節の電離の連鎖にあります。電離は電子とガス分子の衝突で進むため、電子が多く集まる場所ほど連鎖が速く回ります。マグネットで電極の近くに磁場を作ると、電子はターゲットの手前に集まります。その結果、同じ電力でもターゲットを打つアルゴンイオンが増え、成膜が速く進みます。低温という語は、基板の温度が低いままでも膜が積もるという意味で、熱に弱い下地の上へ膜を積む場面でこの性質が生きます。

磁場を足すと、電子はターゲットの手前に集まります

電場だけの放電では、電子が広い範囲へ散るため、ターゲット手前の電子密度が低くなります。マグネットで電場と直交する磁場を加えると、電子はターゲットの手前に集まり、電子密度の高い空間が生まれます。これが低温・高速成膜が可能なマグネトロン方式です。

真空蒸着は熱で飛ばし、イオンプレーティングは飛ぶ原子をイオンにする

同じ真空中の成膜でも、原子を飛ばす手段が違います。真空蒸着は、10のマイナス2乗Paより低い圧力の真空容器へ蒸発源と基板を入れ⁵、蒸発源を加熱して材料（金属や化合物）を蒸発させ、蒸発した原子や分子を基板上に直進させて凝縮・堆積させます。熱で飛ばす方法です。スパッタリングは、加熱の代わりにイオンの衝撃で原子を飛散させます。キヤノンアネルバは、スパッタリングが蒸着のような他のPVD手法と比べて、より緻密で制御しやすい膜を作る点を特徴としています⁶。

イオンプレーティングは、基板を陰極側としてグロー放電を起こし⁷、蒸発源から蒸発したメッキ原子をイオン化または励起して純物質の膜を作るか、反応性ガスを導入して化合物の膜を得ます。蒸発源を加熱する点は真空蒸着と同じで、飛んでいく原子の側をイオンにする点が違います。スパッタリングでイオンになるのは、ターゲットを打つアルゴンの側です。

同じ「スパッタ」という語は、削る側でも使われます。反応性スパッタエッチングは、反応性ガス雰囲気のグロー放電の中へ試料を入れ⁸、活性化原子（ラジカル）との化学反応や、数eVから数百eVの高速イオンによるスパッタリング反応で試料を加工する方法で、リアクティブイオンエッチング（RIE）法とも呼ばれます。どちらを指すかは、そのイオンが打つ相手がターゲットか試料かで見分けがつきます。

膜の応力は、ウェーハの反りとパターンの倒壊として表に出る

厚さと組成が合っていても、膜は応力を抱えます。メタルハードマスク（MHM）の材料には高硬度なTiN（窒化チタン）を用います。従来は膜の密度（硬さ）を保つ条件で成膜すると、内側へ縮もうとする強い圧縮応力を持つ膜になり⁹、応力が大きい場合にウェーハの反りや微細パターンの倒壊が発生していました。アルバックは、装置設計とプロセスパラメータの最適化を繰り返し、TiNの結晶配向をナノレベルで制御することで、密度を保ったまま応力を操る技術を確立したとしています。

スパッタリングの結果を測る先は、膜厚とシート抵抗のほかに膜応力が加わります。応力はウェーハの反りの量として測れ、もう一つの症状が微細なパターンの倒壊です。組成と厚さが合っている膜でも、応力の側から不良になることがあります。

ターゲットを替えれば膜種が替わり、深い溝はCVDやALDへ渡す

キヤノンアネルバは、スパッタリングが膜厚の均一性、密着性、材料の幅広さに優れ、半導体デバイス、光学部品、磁気記憶媒体（ハードディスクドライブ）のように精密な薄膜形成を要する分野で広く使われるとしています⁶。薄膜形成そのものの用途には、太陽電池やセンサーもあります。

半導体の前工程では、ターゲットの材料を替えることで、バリアメタル、シード層、電極、メタルハードマスクといった役目の異なる膜を、同じ原理で積みます。ターゲットの組成がほぼそのまま膜へ移るため、材料を替える作業が、そのまま膜種を替える作業になります。一方で、深い溝やビアの内側を覆う場面では段差被覆性の限界があるため、CVDやALDへ渡します。

装置はキヤノンアネルバや芝浦メカトロニクスが出している

キヤノンアネルバにはスパッタリング装置EC7800があり¹⁰、芝浦メカトロニクスもSWN-5000およびBM-1400W¹¹をスパッタリング装置として出しています。装置カタログDBでは、これらを含む製品familyを工程横断で引けます。

この用語に対応する装置と製造メーカー

装置カタログDBから、この用語に一致する製品familyを持つメーカー 5社／5family を引いています。各行は各社の公式製品ページを出典とします。 DBからの生成日: 2026-08-21

キヤノン株式会社
- Canon ANELVA sputtering systemsPVD（物理気相成長）・スパッタ
scia Systems
- scia Coat / Multi / Magna sputtering systemsPVD（物理気相成長）・スパッタ
Shibaura Mechatronics
- SWN-5000 / BM-1400W sputtering equipmentスパッタ
アルバック
- ENTRON sputtering systemsPVD（物理気相成長）・スパッタ
Veeco
- SPECTOR ion beam deposition systemsPVD（物理気相成長）・スパッタ

出典は各社の公式製品ページです。装置カタログDB では、同じ製品familyを工程・メーカー横断で検索できます。

よくある質問（FAQ）

スパッタリングとは何ですか？

スパッタリングは、真空中でアルゴンなどの不活性ガスをイオン化して加速し、ターゲット材料へ衝突させて原子を叩き出し、基板へ積もらせる成膜方法です。加速した不活性物質がターゲットへ衝突し、叩き出されたターゲット分子が基板へ堆積します。

スパッタリングはPVDですか？

スパッタリングはPVD（Physical Vapor Deposition、物理気相成長）に属します。半導体前工程のPVDでは、スパッタリングが主力を占めます。CVDが化学反応で膜を作るのに対し、スパッタリングは粒子の運動が膜を作ります。

なぜアルゴンを使うのですか？

アルゴンが不活性ガスだからです。ターゲットや膜と化学反応を起こす気体を使うと膜の組成が崩れるため、高速に加速してターゲットへ衝突させ、弾き飛ばす役目には不活性ガスが向きます。

反応性スパッタリングとは何ですか？

叩き出した原子を、反応室へ導入した別のガスと反応させてから基板へ堆積させる方式です。ターゲット分子が基板へ直接堆積する経路に対し、他の気体材料と化学反応したのちに堆積する経路で、窒化物や酸化物の膜を作るときに使います。

スパッタリングの段差被覆性はどうですか？

限界があります。ターゲットから飛来する粒子の方向が偏るため、深い溝やビアでは入口の角が先に厚くなり、側壁と底が薄いままです。アスペクト比が高くなるほどこの差が広がるため、深い構造の被覆にはCVDやALDを使います。

マグネトロンスパッタリングとは何ですか？

電極の近くに、電場と直交する磁場を作るスパッタリング方式です。マグネットや電磁石で電子密度の高い空間を作るため低温・高速成膜が可能で、広く用いられています。DC、AC、RF放電のいずれでも使えます。

スパッタリングと真空蒸着はどこが違いますか？

原子を飛ばす手段が違います。真空蒸着は10のマイナス2乗Paより低い圧力の真空容器で蒸発源を加熱し、蒸発した原子や分子を基板上に直進させて凝縮・堆積させます。スパッタリングは加熱の代わりにイオンの衝撃を使い、キヤノンアネルバは蒸着などと比べてより緻密で制御しやすい膜を作る点を特徴としています。

スパッタリングの圧力はどのくらいですか？

二段階の圧力を使います。キヤノンアネルバが常用する超高真空領域は10のマイナス7乗Pa以下で、成膜時には陰極と陽極の間へ1Pa程度のアルゴンガスと高電圧を印加してグロー放電を起こします。排気で下げる圧力と、放電のために作る圧力のあいだには7桁ほどの開きがあります。

スパッタリングの方式にはどんな種類がありますか？

DC、RF、多極、ECRなどがあり、低温・高速成膜が可能なマグネトロン方式が広く用いられ、DC、AC、RF放電のいずれでも使えます。アルゴンに活性ガスを添加し、ガスとターゲット原子の混合物・化合物薄膜を得るリアクティブスパッタ法もあります。

スパッタリングで作った膜がウェーハを反らせることはありますか？

あります。メタルハードマスクに使うTiN膜は、従来は膜の密度（硬さ）を保つ条件で成膜すると内側へ縮もうとする強い圧縮応力を持ち、応力が大きいとウェーハの反りや微細パターンの倒壊が発生しました。アルバックは、TiNの結晶配向をナノレベルで制御して密度を保ったまま応力を操る技術を確立したとしています。

スパッタリングはどんな製品で使われていますか？

キヤノンアネルバによると、半導体デバイス、光学部品、磁気記憶媒体（ハードディスクドライブ）のように精密な薄膜形成を要する分野で広く使われます。薄膜形成そのものの用途には、太陽電池やセンサーもあります。

スパッタリング装置のメーカーはどこですか？

当サイトの装置カタログDBでは、スパッタリングに一致する製品familyを持つメーカーを公式製品ページ単位で引けます。キヤノンアネルバ、アルバック、Applied Materials、Evatec、芝浦メカトロニクス、scia Systemsなどが該当します。

比較・違いを学ぶ

CVDとPVDの違い（成膜プロセス比較）── 成膜原理、段差被覆性、成膜温度、代表装置メーカー
酸化・成膜工程の全体像── 成膜工程が前後の工程とどう並ぶか

出典

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1
東京エレクトロン：用語集 Sputtering Equipmenttel.com ↩
2
キヤノンアネルバ：Vacuumanelva.canon ↩
3
アルバックテクノ：真空技術辞典スパッタリング（またはスパッタ）ulvac-techno.co.jp a b
4
キヤノンアネルバ：Plasmaanelva.canon ↩
5
アルバックテクノ：真空技術辞典真空蒸着ulvac-techno.co.jp ↩
6
キヤノンアネルバ：Deposition (sputtering)anelva.canon a b
7
アルバックテクノ：真空技術辞典イオンプレーティングulvac-techno.co.jp ↩
8
アルバックテクノ：真空技術辞典反応性スパッタエッチングulvac-techno.co.jp ↩
9
アルバック Vacuum Magazine：半導体の微細化を支える「メタルハードマスク」成膜技術とはulvac.co.jp ↩
10
キヤノンアネルバ：Sputtering Equipment EC7800anelva.canon ↩
11
芝浦メカトロニクス：SWN-5000 / BM-1400Wshibaura.co.jp ↩