入射イオン1個当たりにターゲット材料から放出される原子の平均数として定義されるスパッタリング収率は、いくつかの重要な要因に影響される。これには、入射イオンのエネルギーと質量、ターゲット原子の質量と結合エネルギー、イオンが表面に衝突する角度、結晶材料の場合は表面に対する結晶軸の配向などが含まれる。これらの要因を理解することは、特に歩留まりが成膜速度と材料効率に直接影響する薄膜蒸着などの用途において、スパッタリングプロセスを最適化する上で極めて重要である。
キーポイントの説明
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入射イオンのエネルギー:
- 入射イオンのエネルギーは、スパッタリング収率に影響する主な要因である。10～5000 eVのエネルギー範囲では、一般にイオンのエネルギーが高いほど歩留まりは向上する。高エネルギーのイオンは、ターゲット原子により多くの運動量を与え、表面から原子を放出する可能性を高めます。しかし、あるエネルギー閾値を超えると、イオンのターゲットへの侵入が深くなり、表面相互作用が減少するため、収量は頭打ちになるか、あるいは減少する可能性があります。
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入射イオンとターゲット原子の質量:
- 入射イオンとターゲット原子の質量が重要な役割を果たします。より重いイオンはより多くの運動量をターゲット原子に伝達し、スパッタリング収率を増加させる。同様に、軽いターゲット原子は、結合エネルギーを克服するのに必要なエネルギーが少ないため、より容易に放出される。イオンとターゲット原子の質量比も運動量移動の効率に影響します。
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表面結合エネルギー:
- ターゲット材料中の原子の結合エネルギーは、表面から原子を放出するのに必要なエネルギー量を決定する。原 子 の 結 合 エ ネ ル ギ ー が 低 い 材 料 は 、原 子 を 排 出 す る の に 必 要 な エ ネ ル ギ ー が 少 な い た め 、スパッタリング収率が高くなる。このため、金（結合エネルギーが比較的低い）のような材料は、タングステン（結合エネルギーが高い）のような材料に比べて歩留まりが高くなります。
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イオン入射角:
- イオンがターゲット表面に入射する角度は、スパッタリング収率に影響する。垂直入射（90度）では、イオンがターゲットの奥深くまで侵入するため、歩留まりは通常低くなる。角度がより斜めになるにつれて、イオンが表面原子とより多く相互作用し、運動量伝達が促進されるため、収率は増加する。しかし、角度が非常に浅くなると、イオンが十分なエネルギーを伝達せずに表面をかすめるため、収率が再び低下する可能性がある。
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結晶構造と配向:
- 結晶ターゲットの場合、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する。特定の結晶方位は、結合エネルギーが低いか、構造が開いているため原子が放出されやすい。この異方性は、結晶方位によって収率が大きく変わることを意味する。
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目標材料特性:
- 密 度 、原 子 配 列 、化 学 組 成 と い っ た タ ー ゲ ッ ト 材 料 固 有 の 特 性 も 、ス パ ッ タ 成 功 率 に 影 響 を 与 え る 。た と え ば 、 結 晶 方 向 に よ っ て 歩 留 ま り が 変 化 す る 結 晶 材 料 に 比 べ て 、 非 結 晶 材 料 の 歩 留 ま り は 一様である場合がある。
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スパッタリングのエネルギー範囲:
- スパッタリングは通常10～5000eVのエネルギー範囲で起こる。この範囲では、収率はイオンのエネルギーと質量の両方に比例して増加する。この範囲を下回ると、イオンは原子を放出するのに十分なエネルギーを持たない可能性があり、上回ると、イオンの浸透が深くなりエネルギーが散逸するため、歩留まりが比例して増加しない可能性がある。
こ れ ら の 要 因 を 理 解 し 、コ ン ト ロ ー ル す る こ と に よ り 、当 業 者 は 、特 定 の 用 途 に 合 わ せ て ス パッタリングプロセ スを最適化し、効率的な材料使用と所望の成膜速度を確保することができる。
総括表：
| 因子 | スパッタリング収率への影響 |
|---|---|
| 入射イオンのエネルギー | 5000eVを超えると、収量はプラトーまたは減少する。 |
| イオンとターゲットの質量 | より重いイオンとより軽いターゲット原子は、効率的な運動量移動により収率を増加させる。 |
| 表面結合エネルギー | 低結合エネルギー物質（金など）は、高エネルギー物質（タングステンなど）よりも収率が高い。 |
| イオン入射角度 | 斜めの角度は歩留まりを向上させ、非常に浅い角度は歩留まりを低下させる。 |
| 結晶方位 | 結晶方位によって収率が異なる。異方性は放出効率に影響する。 |
| 材料特性 | アモルファス材料は均一な収率を持つが、結晶材料は配向性によって異なる。 |
| エネルギー範囲 | 最適な歩留まりは10-5000eVの間で生じ、この範囲外では歩留まりが低下する。 |
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