スパッタリングレートを上げるには？イオンエネルギー、プラズマ、材料特性の最適化

スパッタリングレートを向上させるには、イオンエネルギー、プラズマのイオン化度、ターゲット材料の特性、チャンバー圧力や電源の種類などのシステムパラメータなど、スパッタリングプロセスに影響を与えるいくつかの要因を最適化する必要があります。スパッタリング収率（入射イオン1個当たりに放出される原子の数）を高め、プラズマのイオン化度を高めることで、より高いスパッタリングレートを達成することができる。これには、イオンエネルギー、ターゲット材料の質量、表面結合エネルギーなどのパラメーターを調整すること、およびプラズマのイオン化を改善するために二次電子を効果的に利用することが必要です。さらに、適切な電源（DCまたはRF）を選択し、システム条件を正確に制御することで、スパッタリング速度をさらに向上させることができる。

キーポイントの説明

イオンエネルギーを増やす:
- スパッタリング収率（入射イオン1個当たりに放出される原子の数）は、入射イオンのエネルギーに直接影響される。イオンのエネルギーが高いほど、ターゲット原子が放出される可能性が高くなります。
- これを達成するには、スパッタリングシステムに供給する電圧や電力を上げれば、イオンをより大きな運動エネルギーでターゲットに向かって加速させることができます。
- しかし、過剰なイオンエネルギーはターゲットや基板を損傷させる可能性があるため、最適なバランスを見つけることが重要である。
プラズマイオン化の最適化:
- プラズマの電離度が高いほど、ターゲットに照射できるイオンが多くなり、スパッタリング速度が向上する。
- 磁場（マグネトロンスパッタリングなど）を利用して電子をトラップし、プラズマ密度を高めることにより、二次電子を有効に利用する。
- イオンの過度の散乱を避けながら、安定したプラズマを維持するためにチャンバー圧力を調整する。
適切なターゲット材料の選択:
- スパッタリング収率は、ターゲット原子の質量とその結合エネルギーに依存する。一般に、結合エネルギーが低く原子質量の大きい材料ほど、スパッタリング収率が高くなる。
- たとえば、金や銀のような重金属は、アルミニウムのような軽量材料と比較して、一般的にスパッタリング収率が高い。
コントロールチャンバー圧力:
- チャンバー圧力はイオンの平均自由行程とプラズマ密度に影響する。圧力が低いとイオンのエネルギーが増加し、散乱が減少しますが、圧力が低すぎるとプラズマ密度が減少する可能性があります。
- 最適な圧力は、安定したプラズマを維持しながら、効率的なイオンボンバードメントを保証します。
適切な電源を使用する:
- DCスパッタリングは導電性材料に適し、高い成膜レートが得られるが、RFスパッタリングは絶縁性材料に適している。
- ターゲット材料と希望するスパッタリング速度に基づいて電源を選択する。RFスパッタリングでも、場合によってはイオン化を向上させることができる。
二次電子利用の促進:
- スパッタリング中に発生する二次電子は、より多くのガス原子をイオン化し、プラズマ密度を高めることができる。
- マグネトロンスパッタリングなどの技術では、磁場を利用して電子を閉じ込め、イオン化とスパッタリング効率を向上させる。
入射角の調整:
- イオンがターゲットに衝突する角度はスパッタリング収率に影響する。通常と異なる角度の場合、運動量移動が増加するため、歩留まりが高くなることがよくあります。
- さまざまな角度を試して、ターゲット材料に最適な構成を見つけましょう。
イオン電流密度のモニター:
- スパッタリング速度はイオン電流密度(j)に比例する。電流密度を増加させれば（例えば、出力やプラズマ密度を増加させれば）、スパッタリング速度を直接的に向上させることができる。
- システムがダメージや不安定性を起こさずに、より高い電流密度に対応できることを確認する。
目標の結晶化度を考慮する:
- ターゲット材料が結晶構造を持っている場合、その結晶の表面に対する結晶軸の方向が、スパッタリング収率に影響を与えることがある。
- ターゲットの結晶構造に基づいて、スパッタリング効率が最大になるようアライメントします。
スパッタリングレート方程式:
- スパッタリング率は、以下の式で計算できる：
  スパッタリングレート = (MSj)/(pNAe) ,
  ここで
  - M = ターゲットのモル重量、
  - S = スパッタ収率
  - j = イオン電流密度
  - p = 材料密度、
  - NA = アボガドロ数、
  - e = 電子電荷。
- これらの変数を最適化することで、スパッターレートを系統的に向上させることができる。

これらの要因を注意深く調整し、その相互作用を理解することで、成膜品質を維持しながらスパッタリングレートを大幅に向上させることができます。

総括表：

ファクター	キー最適化
イオンエネルギー	高い運動エネルギーを得るために電圧または電力を上げる。
プラズマ電離	磁場（マグネトロンスパッタリングなど）を利用してプラズマ密度を高める。
ターゲット材料	結合エネルギーが低く、原子質量の大きい材料を選ぶ（例：金、銀）。
チャンバー圧力	効率的なイオンボンバードメントと安定したプラズマのために最適な圧力を維持します。
電源	導電性材料には直流を、絶縁性材料には高周波を使用する。
二次電子	磁場で電子を閉じ込め、イオン化を高める。
入射角度	より高いスパッタリング収率を得るために、通常とは異なる角度で実験してください。
イオン電流密度	電流密度(j)を上げてスパッタリング速度を上げる。
ターゲットの結晶化度	ターゲットの結晶構造を整列させ、効率を最大化します。
スパッタリングレート方程式	使用法：スパッタリングレート = (MSj)/(pNAe) 変数を最適化する。