スパッタリングは物理的気相成長法（PVD法）の一つで、基板上に薄膜材料を堆積させるために用いられる。通常アルゴンなどの不活性ガスから発生する高エネルギーイオンをターゲット材料に照射し、ターゲット表面から原子や分子を放出させる。放出された粒子は基板上に堆積し、薄膜を形成する。スパッタリングの範囲、すなわちスパッタされた粒子が移動する距離は、入射イオンのエネルギー、ターゲット原子の質量、入射角度、チャンバー内の真空条件などの要因に依存する。プロセスの効率を定量化するスパッタリング収率は、これらのパラメータに影響され、材料や条件によって異なる。
キーポイントの説明
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スパッタリング・レンジの定義:
- スパッタリングの範囲とは、スパッタされた粒子がターゲット材料から基板まで移動する距離を指す。こ の 距 離 は 、入 射 イ オ ン の エ ネ ル ギ ー 、タ ー ゲ ッ ト 材 料 の 特 性 、真空環境の影響を受ける。
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スパッタリング距離に影響を与える要因:
- 入射イオンエネルギー:エネルギーが高いイオンは、ターゲット原子をより大きな運動エネルギーで放出することができ、基板上に堆積するまでの移動距離が長くなる。
- イオンとターゲット原子の質量:より重いイオンとターゲット原子は、より高い運動量伝達をもたらし、スパッタリング収率とスパッタされた粒子の範囲を増加させることができます。
- 入射角:イオンがターゲットに衝突する角度は、放出粒子の軌道とエネルギー分布に影響を与え、その移動距離に影響を与える。
- 真空条件:スパッタリングでは、スパッタ粒子と残留ガス分子との衝突を最小化するために高真空が必要であり、平均自由行程が長く、成膜範囲が広くなる。
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スパッタリング収率:
- スパッタリング収率（S）は、入射イオン1個当たりに放出されるターゲット原子の数である。スパッタリングプロセスの効率を決定する重要な指標である。歩留まりは上記の要因に左右され、材料やスパッタリング条件によって異なる。
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スパッタリング速度の式:
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スパッタリングレートは、単位時間当たりにターゲットから除去される材料の量を定量化するもので、次式で与えられる：
- [
- \スパッタリングレート｝＝｛frac｛MSj｝｛pN_A e｝｝である。
- ]
- ここで
- ( M ) = ターゲット材料のモル重量、
- ( S ) = スパッタリング収率、
- ( j ) = イオン電流密度
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スパッタリングレートは、単位時間当たりにターゲットから除去される材料の量を定量化するもので、次式で与えられる：
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( p ) = 物質密度、 ( N_A ) = アボガドロ数、
- ( e ) = 電子電荷。
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この式は、スパッタリング速度とターゲット材料の物理的特性およびスパッタリング条件との関係を浮き彫りにしている。 スパッタリングにおける真空の役割
- : スパッタリングは、スパッタされた粒子が基板まで妨げられることなく移動するように、高真空下で行われる。真空度が低いと、残留ガス分子との衝突の可能性が高くなり、スパッタリングの有効範囲と成膜品質が低下する。
- チャンバー圧力と電源の影響:
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チャンバー圧力:最適なチャンバー圧力は、スパッタ粒子の平均自由行程を制御することにより、蒸着膜の被覆率と均一性を向上させます。
- 電源
:電源の種類（DCまたはRF）は、成膜速度、材料の適合性、およびコストに影響する。RFスパッタリングは絶縁材料によく使用され、DCスパッタリングは導電性ターゲットに適している。
運動エネルギーと表面移動度
| : | 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。エネルギーの高い粒子は、密着性と膜質の向上につながる。さらに、金属イオンの過剰なエネルギーは、蒸着中の表面移動度を高め、膜の均一性と密度を向上させることができる。 |
|---|---|
| 要約すると、スパッタリングの範囲は、イオンエネルギー、ターゲット材料の特性、真空条件、プロセスパラメーターなどの物理的および環境的要因の組み合わせによって決定される。こ れ ら の 要 因 を 理 解 す る こ と は 、ス パ ッ タリングプロセスを最適化し、高品質の薄膜成膜を達成するために不可欠である。 | 総括表： |
| キーファクター | スパッタリング範囲への影響 |
| 入射イオンエネルギー | エネルギーが高いほど粒子の移動距離が長くなる |
| イオン/標的原子の質量 | 重いイオン/原子は運動量伝達を高め、飛距離を伸ばす。 |
| 入射角 | 粒子の軌道とエネルギー分布に影響し、飛距離に影響を与える。 |
| 真空条件 | 高真空は平均自由行程を長くし、衝突を減らして飛距離を伸ばす。 |
| スパッタリング収率 (S) | 成膜効率を決定し、歩留まりが高いほど成膜範囲が広がる。 |
チャンバー圧力 最適な圧力により、フィルムの均一性とカバレッジを向上させます。 電源
