スパッタリングは、材料の薄膜を基板上に堆積させるために使用される汎用性の高い物理蒸着（PVD）技術である。スパッタリングは、高エネルギーイオンによる固体ターゲット材料からの原子の放出に関与しており、通常は真空環境下で行われる。このプロセスは、イオンの発生方法、電源の性質、特定の用途に基づいていくつかのタイプに分類することができる。これらのタイプには、DCダイオードスパッタリング、RFスパッタリング、マグネトロンスパッタリング、イオンビームスパッタリング、反応性スパッタリングなどがある。スパッタリングには、DCダイオードスパッタ、RFスパッタ、マグネトロンスパッタ、イオンビームスパッタ、反応性スパッタなどがあり、それぞれ独自の特性、利点、欠点があるため、半導体、光学、コーティングなどの産業におけるさまざまな用途に適している。
要点の説明
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DCダイオードスパッタリング
- 直流ダイオードスパッタリングは、最も単純で初期のスパッタリングの形態の一つである。
- 直流（DC）電圧（通常500～1000V）を用いて、ターゲット（カソード）と基板（アノード）の間にアルゴン低圧プラズマを点火する。
- 陽性のアルゴンイオンがターゲットに衝突して原子を放出し、その原子が基板に移動して凝縮して薄膜になる。
- 利点:セットアップが簡単で、費用対効果が高く、導電性材料に適している。
- デメリット:導電性ターゲットに限定され、成膜速度が低く、基板加熱の可能性がある。
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RFスパッタリング
- RFスパッタリングは、直流電界の代わりに高周波交番電界（通常13.56 MHz）を使用する。
- この方法では、ターゲットへの電荷の蓄積を防ぐことで、絶縁材料（セラミックや半導体など）のスパッタリングが可能になる。
- 利点:絶縁材料の成膜、基板加熱の低減、低圧での高いスパッタリングレートが可能。
- デメリット:DCスパッタに比べ、装置が複雑でコストが高い。
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マグネトロンスパッタリング
- マグネトロンスパッタリングは、スパッタリングガスのイオン化を促進し、成膜速度を向上させるために磁場を組み込んだものである。
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種類は以下の通り：
- DCマグネトロンスパッタリング:DC電源を使用し、導電性材料に適しています。
- パルスDCデュアルマグネトロンスパッタリング:ターゲットの極性を交互に変えることでアーク放電を防ぎ、反応性スパッタリングに最適です。
- 回転マグネットまたは回転ターゲットDCマグネトロンスパッタリング:ターゲットの利用率と成膜の均一性を向上させます。
- 利点:成膜速度が速く、材料利用率が向上し、膜の均一性が向上する。
- デメリット:磁場を正確に制御する必要があり、コストが高くなる。
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イオンビームスパッタリング (IBS)
- イオンビームスパッタリングは、ターゲットから材料をスパッタリングするために集束イオンビームを使用します。
- このプロセスは指向性が高く、膜厚や組成を正確に制御することができます。
- 利点:高精度、優れた膜質、最小限の基板損傷。
- デメリット:成膜速度の低下と設備コストの上昇
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反応性スパッタリング
- 反応性スパッタリングでは、スパッタチャンバー内に反応性ガス（酸素や窒素など）を導入し、基板上に化合物膜（酸化物や窒化物など）を形成する。
- 一般的にDCスパッタリングまたはRFスパッタリングと組み合わせて使用される。
- 利点:特性を調整した複合材料の成膜が可能。
- デメリット:ガス流量を正確に制御する必要があり、ターゲットの被毒が起こりやすい。
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中周波（MF）スパッタリングとパルスDCスパッタリング
- MFスパッタリングは10～100 kHzの周波数で作動し、パルスDCスパッタリングはアーク放電を防ぐためにターゲットの極性を交互に変える。
- これらの方法は、反応性スパッタリングや絶縁材料の成膜に特に有効である。
- 利点:アーク放電の減少、フィルム品質の向上、絶縁ターゲットとの互換性。
- デメリット:より複雑な電源とより高いコスト。
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高出力インパルスマグネトロンスパッタリング (HiPIMS)
- HiPIMSは、スパッタされた材料の高イオン化を達成するために、短い高出力パルスを使用します。
- その結果、密着性に優れた緻密で高品質な膜が得られます。
- 利点:優れた膜質、高いイオン化率、接着性の向上。
- デメリット:成膜速度の低下と装置の複雑化
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平面ダイオードRFスパッタリング
- ターゲットと基板が平面状に配置されたRFスパッタリングのバリエーション。
- 利点:均一な蒸着と絶縁材料との相溶性。
- デメリット:マグネトロンスパッタリングに比べ、小規模な用途に限られ、成膜速度も低い。
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ガスフロースパッタリング
- ガスフロースパッタリングは、スパッタされた材料を基板に運ぶために流れるガスを使用する。
- 利点:融点の低い材料の成膜や、複雑な形状への均一なコーティングに適しています。
- デメリット:ガス流を正確に制御する必要があり、高融点材料では効率が低下することがある。
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イオンアシストスパッタリング
- スパッタリングと基板へのイオンボンバードメントを組み合わせ、膜密度と密着性を向上させる。
- 利点:フィルム特性が向上し、接着性が向上する。
- デメリット:複雑化とコスト高。
要約すると、スパッタリング技術は、電源（DC、RF、MF、パルスDC、HiPIMS）、イオン発生方法（マグネトロン、イオンビーム）、反応性ガスの有無（反応性スパッタリング）に基づいて大別できる。各 種 類 に は 特 定 の 応 用 と ト レ ー ド オ フ が あ る た め 、望 ま れ る 膜 特 性 、タ ー ゲ ッ ト 材 料 、基 板 の 要 件 に 基 づ い て 、正 し い ス パッタリング法を選択することが不可欠である。
総括表：
| スパッタリングの種類 | 主な特徴 | メリット | デメリット |
|---|---|---|---|
| DCダイオードスパッタリング | 簡単なセットアップ、直流電圧（500～1000 V）を使用 | コストパフォーマンスが高く、導電性材料に最適 | 導電性ターゲットに限定、成膜速度低下、基板加熱 |
| RFスパッタリング | 高周波交流磁場 (13.56 MHz) | 絶縁材料の析出、加熱の低減、低圧での高いレート | 複雑な装置、高コスト |
| マグネトロンスパッタリング | 磁場によるイオン化と成膜速度の向上 | 高い成膜速度、優れた膜の均一性 | 精密な磁場制御が必要、コスト高 |
| イオンビームスパッタリング(IBS) | 集束イオンビームによる精密制御 | 高精度、優れた膜質、最小限の基板損傷 | 成膜速度の低下、設備コストの上昇 |
| 反応性スパッタリング | 反応性ガス（酸素、窒素など）を導入 | カスタマイズされた特性を持つ化合物材料を蒸着 | 精密なガス制御が必要で、ターゲットが被毒しやすい |
| HiPIMS | 高イオン化のための短時間高出力パルス | 優れた膜質、高密着性、緻密な膜 | 低い成膜速度、複雑な装置 |
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