スパッタリング収率は、スパッタリングプロセスにおける重要なパラメータであり、入射イオン1個当たりにターゲット材料から放出される原子の平均数を表す。これはスパッタリングプロセスの効率を示す尺度であり、入射イオンのエネルギーと質量、ターゲット原子の質量と結合エネルギー、イオンの衝突角度、結晶材料では表面に対する結晶軸の向きなど、さまざまな要因の影響を受ける。スパッタリング収率を理解することは、成膜速度と成膜品質に直接影響するため、スパッタ成膜プロセスの最適化に不可欠である。
主なポイントを説明する：
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スパッタリングの定義:
- スパッタリング収率は、入射イオン1個当たりにターゲット材料の表面から放出される原子の平均数として定義される。スパッタリングプロセスにおける重要な指標であり、ターゲット材料にイオンを入射させたときに、いかに効率よくスパッタリングされるかを示す。
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スパッタリング収率に影響を与える要因:
- イオンエネルギー:入射イオンのエネルギーは、スパッタリング収率の決定に重要な役割を果たす。スパッタリングが発生するエネルギー範囲（通常10～5000eV）では、一般にイオンのエネルギーが高くなるほど収率が高くなる。
- イオン質量:入射イオンの質量もスパッタリング収率に影響する。より重いイオンは、より多くの運動量をターゲット原子に伝達する傾向があり、より高い歩留まりにつながる。
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ターゲット材料の特性:
- 対象原子の質量:ターゲット材中の原子の質量はスパッタリング収率に影響する。一般に、軽いターゲット原子は重いターゲット原子よりも放出されやすい。
- 結合エネルギー:ターゲット材料中の原子の結合エネルギーは極めて重要である。結合エネルギーが高ければ高いほど、原子を放出するために多くのエネルギーが必要となり、スパッタリング収率が低下する。
- イオン衝突角度:イオンがターゲット表面に衝突する角度はスパッタリング収率に影響する。非正規角度の方が、運動量移動が効果的に行われるため、歩留まりが高くなることがある。
- 結晶構造:結晶材料では、表面に対する結晶軸の方位がスパッタリング収率に影響することがある。結晶方位によってはチャネリング効果が生じ、イオンが材料の奥深くまで浸透して歩留まりが低下する。
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スパッタ蒸着の重要性:
- 蒸着率:スパッタリング収率は、スパッタ蒸着プロセスにおける成膜速度に直接影響する。歩留まりが高ければ高いほど、より多くのターゲット原子が基板上に放出され、堆積されることになり、より速い成膜速度につながります。
- 膜質:スパッタリングの歩留まりも成膜品質に影響する。排出される粒子の運動エネルギーやその方向性など、歩留まりによって影響を受ける要因は、成膜の微細構造や特性を決定する役割を果たす。
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その他の影響要因:
- 磁場の強さ:マグネトロンスパッタリングでは、磁場の強さがプラズマの密度とエネルギー分布に影響を与え、スパッタリング収率に影響を与える。
- プラズマガス圧力:スパッタリングチャンバー内のプラズマガスの圧力は、イオンの平均自由行程と衝突周波数を変化させることにより、スパッタリング収率に影響を与える。
- 電源:スパッタリングプロセスで使用される電源の種類（DCまたはRF）は、スパッタリング収率に影響を及ぼすことがある。た と え ば 、RFスパッタリングは、ターゲットへの電荷蓄積を防ぐことで、絶縁材料の歩留まりを向上させることができる。
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実用上の意義:
- 素材の選択:スパッタリング収率を理解することは、特定の用途向けにターゲット材料を選択する際に極めて重要である。成膜速度を上げるには、歩留まりの高い材料が好まれることが多い。
- プロセスの最適化:イオンエネルギー、入射角度、プラズマ条件などの要因を制御することにより、スパッタリング収率を最適化し、所望の成膜速度と膜特性を達成することができる。
要約すると、スパッタリング収率はスパッタリングプロセスにおける基本的なパラメータであり、入射イオンとターゲット材料の両方に関連するさまざまな要因の影響を受ける。こ れ ら の 要 素 を 理 解 し 、制 御 す る こ と は 、ス パ ッ タ 蒸 着 プ ロ セ ス を 最 適 化 し 、材 料 を 効 率 的 に 利 用 し 、高 品 質 の 薄 膜 を 得 る た め に 不 可 欠 で あ る 。
総括表
| キーファクター | スパッタリング収率への影響 |
|---|---|
| イオンエネルギー | エネルギーが高いほど収量が増加する（10-5000eVの範囲）。 |
| イオン質量 | より重いイオンは、より大きな運動量移動により収率を増加させる。 |
| ターゲット原子の質量 | ターゲット原子が軽いほど収量が増加する。 |
| 結合エネルギー | 結合エネルギーが高いと収率が低下する。 |
| イオン衝突角度 | 非正規角度は歩留まりを向上させる。 |
| 結晶構造 | 結晶方位は歩留まりに影響する。チャネリング効果は歩留まりを低下させる可能性がある。 |
| 磁場の強さ | 強い磁場はプラズマ密度を変化させることで収率を高めることができる。 |
| プラズマガス圧力 | 圧力はイオン衝突頻度と収率に影響する。 |
| 電源 (DC/RF) | RFスパッタリングは絶縁材料の歩留まりを向上させます。 |
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