DCスパッタリングは、金属コーティングを施すための費用対効果が高く効率的な方法である。しかし、特に非導電性材料を扱う場合や、ターゲットの利用率やプラズマの安定性に関する問題など、いくつかの制約がある。
7つの主要課題
1.非導電性材料での限界
DCスパッタリングでは、非導電性または誘電性の材料が問題となる。これらの材料は、時間の経過とともに電荷を蓄積する可能性がある。この電荷の蓄積は、アーク放電やターゲット材料の被毒といった品質の問題を引き起こす可能性がある。アーク放電はスパッタプロセスを中断させ、電源装置を損傷させることさえある。ターゲットの被毒はスパッタリングの停止につながる。この問題は、直流スパッタリングが直流電流に依存しており、電荷蓄積を起こさずに非導電性材料を通過できないために生じる。
2.ターゲットの利用
マグネトロンスパッタリングでは、リング磁場を使用して電子をトラップするため、特定の領域でプラズマ密度が高くなる。これにより、ターゲット上に不均一な浸食パターンが形成される。このパターンはリング状の溝を形成する。これがターゲットを貫通すると、ターゲット全体が使用できなくなる。その結果、ターゲットの利用率は40％を下回ることが多く、材料の無駄が大きいことがわかる。
3.プラズマの不安定性と温度制限
マグネトロンスパッタリングもプラズマの不安定性に悩まされる。これは成膜の安定性と品質に影響を与える。さらに、強磁性材料の低温での高速スパッタリングは困難である。磁束がターゲットを通過できないことが多く、ターゲット表面付近に外部強化磁場を加えることができない。
4.誘電体の成膜速度
DCスパッタリングでは、誘電体の成膜速度は低い。成膜速度は通常1～10 Å/sである。この遅い成膜速度は、高い成膜速度が要求される材料を扱う場合には大きな欠点となる。
5.システムコストと複雑さ
DCスパッタリングに関わる技術は、コスト高で複雑な場合がある。これは、すべての用途や産業で実現可能とは限らない。また、高エネルギーのターゲット材料は基板加熱を引き起こす可能性があり、特定の用途では望ましくない場合がある。
6.代替ソリューション
非導電性材料でのDCスパッタリングの限界を克服するために、RF（高周波）マグネトロンスパッタリングがよく使用される。RFスパッタリングでは交流電流を使用するため、電荷の蓄積の問題なしに導電性材料と非導電性材料の両方を扱うことができる。この方法では、低導電性材料や絶縁体を効率的にスパッタリングすることができる。
7.まとめ
直流スパッタリングは金属皮膜を成膜するための貴重な技法であるが、非導電性材料、ターゲットの利用率、プラズマの安定性、誘電体の成膜速度に限界があるため、特定の用途には適していない。RFスパッタリングのような代替方法は、これらの制限の一部を解決するソリューションを提供します。
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