スパッタリングプロセスでは、目的とする結果やターゲット材料の特性に応じて、不活性ガスと反応性ガスの両方が使用される。アルゴンのような不活性ガスは、化学反応性がなく、効率的な運動量移動特性を持つため、最も一般的に使用されている。軽元素にはネオンが好まれ、重元素にはクリプトンやキセノンが効果的なスパッタリングのために使用される。酸素、窒素、アセチレンなどの反応性ガスは、酸化物、窒化物、炭化物などの化合物の薄膜をスパッタリングプロセス中の化学反応によって形成するために使用される。ガスの選択は、ターゲット材料、希望する膜組成、およびアプリケーションの特定の要件によって異なります。
重要ポイントの説明
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スパッタリングにおける不活性ガス:
- アルゴン:アルゴンは化学的に不活性であり、ターゲット材料と反応しないため、純粋な金属膜の成膜に最適である。アルゴンは化学的に不活性であり、ターゲット材料と反応しないため、純粋な金属膜を成膜するのに理想的である。
- ネオン:軽元素のスパッタリングに使用される。原子量が軽いターゲット材料に近いため、効率的なエネルギー移動が可能。
- クリプトン（Kr）とキセノン（Xe）:これらの重い不活性ガスは、重元素のスパッタリングに使用される。原子量が多いため、より重いターゲット原子に運動量を伝達するのに有効である。
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スパッタリングにおける反応性ガス:
- 酸素（O）:酸化膜の成膜に使用される。酸素がスパッタされた材料と反応すると、酸化アルミニウム（Al₂O₃）や二酸化チタン（TiO₂）などの化合物を形成する。
- 窒素（N）:窒化チタン（TiN）や窒化ケイ素（Si₃₄）のような窒化膜を形成するために使用される。
- アセチレン(C₂H₂):炭化チタン（TiC）などの炭化物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。
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運動量移動に関する考察:
- スパッタリングプロセスの効率は、スパッタリングガスイオンとターゲット材料原子間の運動量移動に依存する。最適な結果を得るには、スパッタリングガスの原子量をターゲット材料の原子量に近づける必要がある。
- 軽元素:ネオンが好まれる理由は、その原子量が軽元素の原子量に近く、効率的なエネルギー伝達を保証するからである。
- 重元素:重元素には原子量が大きいクリプトンやキセノンが使用され、ターゲット材料とのマッチングが良い。
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反応性スパッタプロセス:
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反応性スパッタリングでは、スパッタされた材料と化学的に反応して基板上に化合物を形成する反応性ガスを使用する。このプロセスには3つの方法がある：
- ターゲット表面で:スパッタリング前に反応ガスとターゲット材を反応させる。
- 飛行中:反応性ガスがスパッタされた原子と反応しながら基板に向かう。
- 基板上:反応性ガスが基板表面の蒸着材料と反応する。
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反応性スパッタリングでは、スパッタされた材料と化学的に反応して基板上に化合物を形成する反応性ガスを使用する。このプロセスには3つの方法がある：
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不活性ガス使用の利点:
- 化学的不活性:不活性ガスはターゲット材料と反応せず、純粋な金属膜の成膜を保証します。
- 制御された蒸着:化学反応がないため、成膜プロセスを精密に制御でき、所望の膜特性を達成しやすい。
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反応性ガス使用の利点:
- 化合物の形成:反応性ガスにより、硬度、耐摩耗性、光学特性など、特定の特性を持つ化合物膜の成膜が可能。
- 汎用性:反応性スパッタリングは、さまざまな化合物を成膜できるため、切削工具用コーティング、光学用コーティング、半導体デバイスなど、さまざまな用途に使用できる汎用性の高い技術である。
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スパッタリングガスの選択基準:
- 対象素材:ガスの選択は、ターゲット材料の原子量と化学的性質に依存する。
- ご希望のフィルム組成:使用するガスの種類によって、蒸着膜が純金属になるか化合物になるかが決まる。
- プロセスパラメーター:圧力、温度、ガス流量などの因子は、ガスの選択やスパッタリングプロセスの結果に影響する。
要約すると、スパッタリングプロセスでは、不活性ガスと反応性ガスを組み合わせて使用し、特定の膜特性と組成を実現する。アルゴン、ネオン、クリプトン、キセノンなどの不活性ガスは、運動量の伝達が効率的で化学反応性がないために使用され、酸素、窒素、アセチレンなどの反応性ガスは、特性を調整した化合物膜を成膜するために使用される。適切なガスの選択は、ターゲット材料、所望の膜組成、およびアプリケーションの特定の要件に依存します。
要約表
| ガス種 | ガス種 | 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。純金属膜に最適。軽元素にはネオン、重元素にはKr/Xe。 |
| 反応性ガス | 酸素(O₂)、窒素(N₂)、アセチレン(C₂H₂) | カスタマイズされた特性を持つ化合物膜（酸化物、窒化物、炭化物）を形成する。 |
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