Dcスパッタリングに必要な圧力とは？成膜プロセスの最適化

DCスパッタリングでは、必要な圧力は通常 1～15mTorr（ミリトル） (ミリトール) であり、特定の用途、ターゲット材料、所望の膜特性に依存する。圧力は、スパッタされた原子のエネルギー分布、プラズマ密度、および成膜全体の品質を決定する上で重要な役割を果たす。圧力が低いと高エネルギーの弾道衝突が促進され、圧力が高いとスパッタ原子の拡散運動と熱化が促進される。最適な圧力は、所望の膜の均一性、密度、および密着性を達成するために、これらの効果のバランスをとる必要があります。

キーポイントの説明

DCスパッタリングにおける圧力範囲:
- DCスパッタリングの典型的な動作圧力は 1～15 mTorr .
- より低い圧力(1-5mTorr)は、高エネルギーの弾道衝撃を可能にする。 高エネルギー弾道衝突 スパッタされた原子が衝突を最小限に抑えながら基板に直接移動する。
- より高い圧力（5-15 mTorr）は 拡散運動 スパッタリングされた原子がガス原子と何度も衝突することで、よりランダムな熱蒸着が起こる。
スパッタリングにおける圧力の役割:
- 平均自由行程:圧力はスパッタされた原子の平均自由行程を決定する。圧力が低いと平均自由行程は長くなり、高エネルギー蒸着が可能になる。圧力が高くなると、平均自由行程は短くなり、熱化運動につながる。
- プラズマ密度:圧力はプラズマ密度に影響し、スパッタされた原子のイオン化レベルとエネルギーに影響する。プラズマ密度は次式で計算できる：
- [ n_e = ｟left(｟frac{1}{lambda_{De}^2}right) ｟times ｟left(｟frac{omega^2 m_e｟epsilon_0}{e^2}right)
] ここで、(n_e)はプラズマ密度、(˶‾λ_{De})はデバイ長、(˶‾omega)は角周波数、(m_e)は電子質量、(˶‾epsilon_0)は自由空間の誘電率、(e)は素電荷である。
- フィルムの質:圧力の最適化は、均一性、密度、密着性など、所望のフィルム特性を達成するために極めて重要です。
- 圧力選択に影響を与える要因:
- 対象素材:材料によって、最適なスパッタリング収率を達成するために必要な圧力は異なる。たとえば、十分なエネルギー伝達を実現するためには、ターゲット原子が重いほど高い圧力が有効です。
基板の条件:所望の膜特性（密度、均一性など）は、圧力の選択に影響します。低圧での高エネルギー衝撃は緻密な膜に理想的であり、高圧での熱蒸着は複雑な形状の被覆性を向上させます。
- パワーソース
- :DCスパッタリングは通常、プラズマ生成とイオン化効率の違いにより、RFスパッタリングよりも低い圧力で作動する。
- スパッタリング収率に対する圧力の影響
: 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ターゲット原子の数）は、イオンのエネルギー、ターゲット原子の質量、入射角度に依存する。
- 低圧では、イオンのエネルギーが高いほどスパッタリング収率は高くなるが、過剰なエネルギーは基板の損傷につながる可能性がある。 高い圧力では、衝突によるエネルギー損失のためにスパッタリング収率が低下する可能性があるが、熱化運動によって膜の均一性が向上する。
- 圧力制御に関する実用的考察:
- チャンバーデザイン:真空システムは、希望する圧力範囲を安定して維持できるものでなければならない。
ガス流量:スパッタリングガス（アルゴンなど）の流量を最適化し、所望の圧力とプラズマ条件を達成する必要がある。
- プロセスのモニタリング:圧力とプラズマパラメーターのリアルタイムモニタリングにより、安定した膜質とプロセスの再現性を保証します。
- 圧力選択におけるトレードオフ:

低圧

:利点としては、高エネルギー蒸着、緻密な膜、より速い蒸着速度が挙げられる。不利な点としては、基板が損傷する可能性があること、複雑な形状への適用範囲が狭いことなどが挙げられる。

高圧	:長所としては、膜の均一性が向上し、複雑な基板上でもカバーしやすくなる。デメリットとしては、成膜速度の低下と潜在的な膜ポロシティが挙げられる。	DCスパッタリングにおける圧力を注意深く選択・制御することにより、メーカーは成膜プロセスを最適化し、特定の用途に望ましい膜特性を達成することができる。
総括表：	側面	低圧 (1-5 mTorr)
高圧 (5-15 mTorr)	エネルギー分布	高エネルギーの弾道衝撃
拡散性、熱化運動	フィルムの均一性	低い（直接衝突）
高い（無作為化沈着）	蒸着速度	速い
遅い	基板カバー率	複雑な形状では劣る
複雑な形状では良好	フィルム密度	高密度