重要なことに、スパッタリングには単一の圧力があるわけではなく、プロセスに不可欠な2つの異なる圧力領域があります。すなわち、清浄度を確保するための非常に低い基準圧力と、スパッタリング自体を可能にするためのより高い作動圧力です。作動圧力、つまりほとんどの人が言及する圧力は、通常1～100ミリトル（mTorr）の範囲にあり、多くの一般的なプロセスは1～10 mTorrで作動します。
スパッタリングにおける中心的な課題は、最適な作動圧力を見つけることです。これは、ターゲット材料をスパッタリングするのに十分な安定したプラズマを維持するのに十分な高さであると同時に、スパッタされた原子が十分なエネルギーを持って基板に到達できるようにするのに十分低い必要があります。これにより、高品質の膜が保証されます。
スパッタリングの2つの真空状態
スパッタリング圧力を理解するには、それを2段階のプロセスとして考える必要があります。各ステップには異なる目標と、大きく異なる圧力要件があります。
ステップ1：クリーンな状態の達成（基準圧力）
スパッタリングプロセスを開始する前に、真空チャンバーを基準圧力として知られる非常に低い圧力まで排気する必要があります。
これは通常、高真空（HV）または超高真空（UHV）の範囲であり、10⁻⁶から10⁻⁹ Torrです。
低い基準圧力を達成する唯一の目的は、汚染物質を除去することです。酸素、水蒸気、窒素などの分子は、除去されないと成膜される膜の純度と完全性を損ないます。
ステップ2：プロセスの開始（作動圧力）
クリーンな環境が確立されたら、高純度の不活性ガス、ほとんどの場合アルゴン（Ar）をチャンバーに導入します。
これにより、スパッタリングが実際に発生する作動圧力まで意図的に圧力が上昇します。これは通常、基準圧力よりも桁違いに高いミリトル範囲です。
アルゴンガスは、ターゲット材料を爆撃するために使用されるイオン化されたガス原子（Ar+）を含む物質の状態であるプラズマを生成するための燃料として機能します。
圧力が膜の品質を決定する方法
作動圧力は単なる数値ではなく、成膜される薄膜の最終的な特性を決定する最も重要なパラメーターであると言えます。
平均自由行程と原子エネルギー
理解すべき重要な物理的概念は、平均自由行程（MFP）です。これは、衝突する前に粒子（スパッタされた原子など）が移動できる平均距離（別の粒子、つまりアルゴンガス原子など）です。
作動圧力が低い場合、平均自由行程は長くなります。スパッタされた原子は、衝突がほとんどまたはまったくない状態でターゲットから基板へ移動し、高い運動エネルギーを持って到達します。
作動圧力が高い場合、平均自由行程は短くなります。スパッタされた原子はアルゴン原子と多くの衝突を起こし、エネルギーを失い、基板に到達する前に方向を変えます。
膜構造への影響
原子が基板に到達するときのエネルギーは、膜の微細構造に直接影響します。
高エネルギー原子（低圧スパッタリングによる）は、表面上での移動性が高くなります。これらは、高密度で密に充填された構造に配列することができます。その結果、密着性が高く、密度が高く、電気抵抗が低い膜が得られます。
低エネルギー原子（高圧スパッタリングによる）は、「着地した場所に留まる」傾向があります。これにより、より多孔質で密度の低い膜構造が生成され、しばしば内部応力が高く、密着性が低下します。
トレードオフの理解
適切な作動圧力の選択は、バランスを取る作業です。どちらの方向にも最適な範囲から外れると、プロセスと最終結果の両方が低下します。
圧力が低すぎる場合の問題点
作動圧力が低すぎると、チャンバー内のアルゴン原子が単純に不足します。
これにより、安定したプラズマを点火して維持することが困難または不可能になります。イオン電流が低すぎてターゲットを効果的にスパッタできず、堆積速度が非常に遅くなるか、まったくない状態になります。
圧力が高すぎる場合の問題点
これはより一般的で微妙な問題です。圧力が高すぎると、過剰なアルゴンガスの「霧」が発生します。
これにより、スパッタされた材料のガス散乱が過剰になります。最終的に基板に到達する原子はエネルギーがほとんどなくなり、前述のような不良で多孔質な膜品質になります。原子が基板から散乱されるため、堆積速度が低下することもあります。
目標に応じた適切な選択
理想的な圧力は、薄膜に望ましい特性によって決まります。
- 高密度、高純度の膜（例：光学用または電子部品用）を主な目的とする場合： 原子エネルギーを最大化するために、作動圧力範囲の下限（通常1～5 mTorr）で作動させる必要があります。
- 複雑な3D形状のコーティングを主な目的とする場合： 散乱が増加することで、ターゲットの直接視線上にない表面にも材料を「投射」するのに役立つため、わずかに高い圧力が有利になる場合があります。
- 安定したプロセスと妥当な速度を達成することを主な目的とする場合： 中間範囲（例：5～10 mTorr）から開始し、膜特性評価に基づいて最適化します。
結局のところ、スパッタリングを習得することは、個々の原子の旅を理解し制御することであり、圧力はその旅を決定するための主要なツールとなります。
要約表：
| スパッタリング圧力の種類 | 一般的な範囲 | 目的 |
|---|---|---|
| 基準圧力 | 10⁻⁶～10⁻⁹ Torr | 成膜前にチャンバーから汚染物質を除去する。 |
| 作動圧力 | 1～100 mTorr | プラズマを維持し、ターゲット材料を基板上にスパッタする。 |
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