スパッタリングプロセスでは主に不活性ガスが使用されるが、アルゴンが最も一般的である。その理由は、入手しやすく、コスト効率が高く、運動量の効率的な移動に適した原子量であるためである。特定の用途では、ネオン、クリプトン、キセノンなどの不活性ガスが、ターゲット材料の原子量に応じて使用される。酸素、窒素、アセチレンなどの反応性ガスも、酸化物、窒化物、炭化物などの化合物の薄膜を成膜する反応性スパッタリングに使用される。ガスの選択は、所望の膜特性とターゲット材料の特性によって決まる。
要点の説明
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不活性ガスの主な用途:
- アルゴン（Ar）:不活性であること、入手しやすいこと、費用対効果が高いことから、スパッタリングで最も一般的に使用されるガスである。その原子量（40）は、多くのターゲット材料との効率的な運動量移動に適している。
- ネオン (Ne):原子量が低く（20）、軽いターゲット材料とよくマッチするため、軽元素のスパッタリングに使用される。
- クリプトン（Kr）とキセノン（Xe）:原子量が84と131と大きいため、重いターゲット材への運動量伝達がよく、重元素のスパッタリングに使用される。
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スパッタリングにおける反応性ガス:
- 酸素（O）:酸化膜を成膜するために反応性スパッタリングで使用される。酸素はスパッタされた材料と反応して基板上に酸化物を形成する。
- 窒素（N）:窒化膜を形成するために利用される。窒素は成膜プロセス中にターゲット材料と反応して窒化物を形成する。
- アセチレン（C₂H₂）。:炭化物膜の成膜に利用される。アセチレンの炭素がターゲット材料と反応して炭化物を形成する。
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ガス選択に影響を与える要因:
- 原子量マッチング:効率的な運動量移動のためには、スパッタリングガスの原子量がターゲット材料の原子量に近い必要がある。これにより、ターゲット原子の効果的なスパッタリングが保証される。
- 化学反応性:アルゴンのような不活性ガスは、ターゲット材料との不要な化学反応を防ぐため、非反応性のものが選ばれる。一方、反応性ガスは、基板上の特定の化合物（酸化物、窒化物など）の形成を促進するために選択される。
- プロセスパラメーター:ガスの選択は、圧力、温度、所望の膜特性などのプロセスパラメーターにも依存する。
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反応性スパッタリングの応用:
- 酸化膜:酸素を使用する反応性スパッタリングは、透明導電膜、誘電体層、光学コーティングなどの用途に不可欠な酸化物の薄膜を成膜するために使用されます。
- 窒化膜:硬質コーティング、耐摩耗層、半導体用途に重要な窒化物薄膜を成膜するために窒素を使用します。
- カーバイド膜:アセチレンは炭化物膜の成膜に使用され、硬度や耐摩耗性が評価され、工具コーティングや保護層に使用される。
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不活性ガス使用の利点:
- 化学的安定性:不活性ガスはターゲット材料と反応しないため、純粋な蒸着プロセスが保証されます。
- 制御された蒸着:不活性ガスの使用により、蒸着プロセスを正確に制御することができ、安定した膜質を実現します。
- 多様性:不活性ガスはさまざまなターゲット材料に使用できるため、さまざまな用途に適しています。
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反応性スパッタリングの利点:
- 化合物形成:反応性スパッタリングでは、純粋な不活性ガスでは困難な化合物膜（酸化物、窒化物など）を直接成膜することができます。
- オーダーメイドの膜特性:適切な反応性ガスを選択することで、成膜された膜の特性（電気的、光学的、機械的など）を特定のアプリケーション要件に合わせて調整することができます。
- 密着性の向上:反応性スパッタリングは、成膜された膜の基板への密着性を向上させることができる。
まとめると、スパッタリングにおけるプロセスガスの選択は、ターゲット材料、所望の膜特性、特定の用途によって決まる。アルゴンのような不活性ガスは、その安定性と効率性から標準的な選択となるが、反応性ガスは化合物膜が必要な場合に使用される。こ れ ら の ガ ス の 役 割 を 理 解 す る こ と は 、さ ま ざ ま な 産 業 ・ 研 究 用 途 に お け る ス パッタリングプロセ スの 最 適 化 に 役 立 つ 。
総括表：
| ガスの種類 | 一般的なガス | 主な用途 |
|---|---|---|
| 不活性ガス | アルゴン（Ar）、ネオン（Ne）、クリプトン（Kr）、キセノン（Xe） | 効率的な運動量移動、安定した蒸着、様々なターゲット材料への汎用性。 |
| 反応性ガス | 酸素(O₂)、窒素(N₂)、アセチレン(C₂H₂) | 酸化膜、窒化膜、炭化膜を成膜し、膜特性を調整。 |
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