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、ターゲット材料の結晶構造（該当する場合）などが含まれる。さ ら に 、チ ャ ン バ ー の 圧 力 や 電 源 の 種 類（ 直流または高周波）などの外的要因も、スパッタリングプロセスに間接的な影響を及ぼす可能性がある。スパッタリングの歩留まりは成膜速度と膜質に直接影響するため、これらの依存関係を理解することは、スパッタ成膜プロセスを最適化する上で極めて重要である。
要点の説明
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入射イオンのエネルギー:
- スパッタリング収率は入射イオンのエネルギーとともに増加するが、それはある点までである。10～5000 eVのエネルギー範囲では、イオンのエネルギーが増加するにつれて収率は上昇する。しかし、非常に高いエネルギーでは、イオンのターゲット物質への侵入が深くなり、表面放出効率が低下するため、収量は頭打ちになるか、あるいは低下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。重いイオンはターゲット原子に多くの運動量を与え、放出される可能性を高める。同様に、軽いターゲット原子は結合エネルギーと質量が小さいため、重いターゲット原子よりもスパッタされやすい。
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ターゲット原子の表面結合エネルギー:
- タ ー ゲ ッ ト 材 料 に 含 ま れ る 原 子 の 結 合 エ ネ ル ギ ー に よ っ て 、原 子 の 放 出 し や す さ が 決 ま る 。表面の結合エネルギーが低い材料は、表面から原子を離脱させ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。
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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。斜めの角度（通常約60度）では、運動量移動がより効率的に行われるため、歩留まりは最大になる。しかし、非常に浅い角度や垂直な角度では、収率は低下する。
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ターゲットの結晶構造:
- 結晶材料では、表面に対する結晶軸の向きがスパッタリング収率に影響する。結晶方位によっては、特定の結晶面に沿って原子が放出されやすくなり、歩留まりにばらつきが生じることがあります。
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チャンバー圧力:
- スパッタリングの歩留まりには直接関係しないが、チャンバー圧力は粒子の平均自由行程を変化させ、被覆の均一性を向上させることにより、プロセスに影響を与える可能性がある。圧力が高ければ、入射イオンのエネルギーが低下し、間接的に歩留まりに影響を与える可能性がある。
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電源の種類:
- 電源（DCまたはRF）の選択はスパッタリングプロセスに影響を与える。RFスパッタリングは絶縁材料によく用いられ、DCスパッタリングは導電性ターゲットに好まれる。電源は成膜速度、材料適合性、プロセス全体の効率に影響する。
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放出粒子の運動エネルギー:
- スパッタ粒子の運動エネルギーは、その方向と基板上への堆積を決定する。運動エネルギーが高いほど、表面移動度と密着性が高まり、膜質が向上する。
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金属イオンの過剰エネルギー:
- 金属イオンからの過剰なエネルギーは、成膜中の表面移動度を高め、膜の均一性の向上と欠陥の減少につながる。こ れ は 、プ ロ セ ス 全 体 の 効 率 に 影 響 を 及 ぼ す こ と で 、間接的にスパッタリング収率に影響を及ぼす。
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装置および消耗品購入者への実際的な影響:
- これらの要因を理解することは、適切なターゲット材料、イオン源、および電源を選択するために不可欠です。例えば、結合エネルギーの低いターゲット材料を選択したり、イオン入射角を最適化したりすることで、蒸着速度と膜質を大幅に改善することができます。さらに、適切な電源とチャンバー圧力を選択することで、プロセス効率を高め、コストを削減することができる。
こ れ ら の 要 素 を 考 慮 す る こ と に よ り 、装 置 お よ び 消 耗 品 の 購 入 者 は 、そ れ ぞ れ の 特 定 の 用 途 に 合 わ せ て ス パッタリングプロセ スを最適化するための十分な情報に基づいた決定を下すことができる。
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 | 非常に高いエネルギーは効率を低下させる可能性がある。 |
| イオンとターゲット原子の質量 | イオンが重く、ターゲット原子が軽いほど収率が向上する。 |
| 表面結合エネルギー | 結合エネルギーが低い＝収率が高い |
| イオン入射角度 | 60°で最大収量；浅い角度や垂直な角度では減少する。 |
| 結晶構造 | 結晶方位は歩留まりに影響し、ある面は排出しやすい。 |
| チャンバー圧力 | イオンエネルギーとカバレッジの均一性を変化させることにより、歩留まりに間接的に影響する。 |
| 電源 (DC/RF) | 材料適合性とプロセス効率に影響。 |
| 粒子の運動エネルギー | エネルギーが高いほど、密着性と移動度が向上し、膜質が向上する。 |
| 金属イオンの過剰エネルギー | 表面移動度を高め、膜の均一性を向上させ、欠陥を低減します。 |
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