スパッタリング収率は、入射イオンのエネルギー、イオンとターゲット原子の質量、固体中の原子の結合エネルギー、ターゲット出力密度、スパッタ電流、電圧、圧力、ターゲットから試料までの距離などのさまざまなスパッタリングパラメータを含むいくつかの要因に影響される。
入射イオンのエネルギー： タ ー ゲ ッ ト 材 料 に 衝 突 す る イ オ ン の エ ネ ル ギ ー は 、出 射 す る 材 料 の 量 を 決 め る 上 で 極 め て 重 要 で あ る 。エネル ギーの高いイオンは、ターゲット原子をより効果的に変位させることができ、スパッタリング収率の向上につながります。このエネルギーは通常プラズマによって供給され、イオン密度などのプラズマ条件を操作することでスパッタリングプロセスを最適化することができる。
イオンとターゲット原子の質量： ターゲット原子の質量に対する入射イオンの質量も重要な役割を果たす。入射イオンがターゲット原子よりはるかに重ければ、衝突時に多くのエネルギーを伝達することができ、高い収率につながる。逆にターゲット原子が重ければ、原子を移動させることが難しくなり、収率が低下する。
固体内の原子の結合エネルギー： ターゲット物質内の原子の結合エネルギーは、原子の排出のしやすさに影響する。原 子 の 結 合 エ ネ ル ギ ー が 高 い と 、原 子 を 排 出 す る の に よ り 多 く の エ ネ ル ギ ー が 必 要 と な り 、スパッタリング収率が低下する。こ れ は 、原 子 の 結 合 が 強 い 材 料 に 特 に 関 連 し ま す 。
スパッタリングパラメーター： スパッタリングプロセスを最適化するために、さまざまなパラメータを調整することができます。その一例として以下が挙げられます：
- ターゲットのパワー密度： 単位面積当たりにターゲットに印加される電力量で、スパッタリングの速度と質に影響する。
- スパッタ電流と電圧： ターゲットに衝突するイオンのエネルギーと数を制御する。
- 試料室内の圧力（真空度）： スパッタリングガスの圧力は、スパッタされる原子の平均自由行程とプラズマ密度に影響する。
- ターゲットから試料までの距離： 距離は、スパッタされた原子が基板に到達するまでの移動時間とエネルギーに影響する。
- スパッタガス： 使用するガスの種類は、イオンのイオン化とエネルギーに影響する。
- ターゲットの厚さと材質： ターゲットが厚いとスパッタリング時間が長くなり、材質が異なるとスパッタリング収率も異なる。
理論計算： スパッタリング速度は、イオン束密度、単位体積あたりのターゲット原子数、原子量、ターゲットと基板間の距離、イオン化の度合いなどの要素を考慮した計算式を用いて理論的に算出することができる。こ れ ら の 計 算 は 、特 定 の 用 途 に 合 わ せ た ス パッタリングプロセスの最適化に役立つ。
要約すると、スパッタリング収率は、入射イオンのエネルギーと質量、ターゲット材料の特性、およびスパッタリングシステムの操作パラメータの複雑な関数である。これらの要因を注意深く制御することで、所望の特性を備えた高品質の薄膜成膜を実現することができる。
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