イオンスパッタリングとは、イオン化され加速された原子や分子が固体表面に衝突し、原子が固体表面から放出されるプロセスである。
この現象は、固体表面への薄膜形成、試料のコーティング、イオンエッチングなど、さまざまな用途で一般的に使用されています。
イオンスパッタリングとは？理解すべき7つのポイント
1.イオンスパッタリングのプロセス
このプロセスでは、イオン化した原子または分子のビームをカソードとも呼ばれるターゲット材料に集束させます。
ターゲット材料は、不活性ガス原子で満たされた真空チャンバー内に置かれる。
ターゲット材料はマイナスに帯電し、陰極に変換され、そこから自由電子が流れ出す。
これらの自由電子は、ガス原子を取り囲む電子と衝突し、電子を追い払い、正電荷を帯びた高エネルギーのイオンに変換する。
2.プラスに帯電したイオンの役割
プラスに帯電したイオンは、次に陰極に引き寄せられる。
イオンが高速でターゲット物質に衝突すると、原子サイズの粒子がカソード表面から切り離される。
スパッタされた粒子は真空チャンバーを横切って基板上に着地し、放出されたターゲットイオンの薄膜を形成する。
3.イオンスパッタリングの利点
イオンスパッタリングの利点の一つは、イオンの方向性とエネルギーが等しいため、高い膜密度と品質が得られることである。
このプロセスは、様々な用途の高品質薄膜の製造に一般的に使用されています。
4.物理プロセスとしてのスパッタリング
スパッタリングは物理的プロセスであり、高エネルギーのイオン、典型的には希ガスイオンを材料に衝突させることにより、固体状態のターゲット材料から気相中に原子を放出させる。
スパッタ蒸着として知られる高真空環境での蒸着技術として一般的に使用されている。
さらにスパッタリングは、高純度表面を作製するためのクリーニング法や、表面の化学組成を分析するための分析技術としても用いられている。
5.スパッタリングにおけるプラズマの役割
スパッタリングプロセスでは、部分的に電離した気体であるプラズマのエネルギーを利用して、ターゲット材料またはカソードの表面に衝突させる。
プラズマ中のイオンは電界によってターゲットに向かって加速され、イオンとターゲット材料との間で一連の運動量移動プロセスを引き起こす。
これらのプロセスにより、ターゲット材料からコーティングチャンバーの気相に原子が放出される。
6.スパッタリングのメカニズム
低圧チャンバー内では、放出されたターゲット粒子は、視線によって飛翔するか、イオン化され、電気的な力によって基板に向かって加速される。
基板に到達すると吸着され、成長する薄膜の一部となる。
スパッタリングは、衝突によるターゲット材料中のイオンと原子の運動量交換によって大きく駆動される。
イオンがターゲット材料中の原子クラスターに衝突すると、その後の原子間の衝突によって表面原子の一部がクラスターから放出される。
入射イオン1個当たりに表面から放出される原子の数であるスパッタ収率は、スパッタリングプロセスの効率を示す重要な指標である。
7.スパッタリングプロセスの種類
スパッタリングプロセスには、イオンビーム、ダイオード、マグネトロンスパッタリングなどの種類がある。
マグネトロンスパッタリングでは、低圧ガス（通常はアルゴン）に高電圧を印加し、高エネルギーのプラズマを生成する。
プラズマは電子とガスイオンで構成される。
プラズマ中の高エネルギーイオンは、目的のコーティング材料で構成されたターゲットに衝突し、ターゲットから原子が放出され、基材の原子と結合します。
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