スパッタリングは、高エネルギー粒子の衝突によって原子が材料表面から放出されるプロセスである。このプロセスのエネルギー範囲は、一般的に約10～100電子ボルト（eV）のしきい値から始まり、数百eVに及ぶこともある。平均エネルギーは、表面の結合エネルギーより1桁高いことが多い。
スパッタリングのエネルギー範囲とは？(5つのポイントを解説）
1.スパッタリングの閾値エネルギー
スパッタリングは、イオンがターゲット原子に十分なエネルギーを与え、表面での結合エネルギーを克服したときに起こる。この閾値は通常10～100eVである。この範囲を下回ると、ターゲット材料から原子を放出するにはエネルギー移動が不十分となる。
2.スパッタされた原子のエネルギー
スパッタされた原子の運動エネルギーは大きく異なるが、一般に数十電子ボルト以上であり、600eV前後であることが多い。この高エネルギーは、イオン-原子衝突時の運動量交換によるものである。表面に衝突したイオンの約1%が再スパッタリングを引き起こし、原子が基板に放出される。
3.スパッタ収率とエネルギー依存性
入射イオン1個あたりに放出される原子の平均数であるスパッタ収率は、イオン入射角度、イオンエネルギー、原子重量、結合エネルギー、プラズマ条件など、いくつかの要因に依存する。スパッタされた原子のエネルギー分布は、表面結合エネルギーの約半分でピークに達するが、平均エネルギーはしばしば閾値を大きく上回り、より高いエネルギーまで広がる。
4.スパッタリングの種類とエネルギー準位
- DCダイオードスパッタリング： 500～1000Vの直流電圧を使用し、この範囲内のエネルギーでアルゴンイオンがターゲット原子にエネルギーを伝達する。
- イオンビームスパッタリング： 平均スパッタエネルギーは10eVで、熱エネルギーよりもはるかに高く、真空蒸着に典型的である。
- 電子スパッタリング： 非常に高いエネルギーまたは高電荷の重イオンを使用することができ、特に絶縁体において高いスパッタリング収率をもたらす。
5.用途と必要エネルギー
スパッタリングは、スパッタされた原子の高い運動エネルギーが高品質で密着性の高い膜の形成に役立つ薄膜蒸着など、さまざまな用途に使用されている。このプロセスでは通常、熱エネルギーよりもはるかに高い運動エネルギーが必要であり、多くの場合、3～5 kVのDC電圧または14 MHz前後のRF周波数を使用して達成されます。
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