入射イオン1個当たりにターゲット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収率は、いくつかの重要なパラメータの影響を受ける。これには、イオンの入射角、イオンのエネルギー、イオンとターゲット原子の質量、ターゲット材料の表面結合エネルギーなどが含まれる。結晶ターゲットの場合、表面に対する結晶軸の向きも重要な役割を果たす。これらの要因を理解することは、薄膜蒸着、表面クリーニング、材料分析などの用途におけるスパッタリングプロセスの最適化に極めて重要である。
キーポイントの説明
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イオン入射角:
- イオンがターゲット表面に入射する角度はスパッタ収率に大きく影響する。通常、垂直入射（0°）では、イオンは材 料の奥深くまで侵入し、表面原子へのエネルギー伝達が少なくなるため、スパッタ収率は低くなる。角度が大きくなるにつれて、スパッタ収率は通常、中間の角度（通常40°から60°の間）で最大まで上昇し、その後再び低下する。これは、非常に高い角度ではイオンが表面をかすめる傾向があるため、衝突が少なくなり、材料の放出が少なくなるためである。
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イオンエネルギー:
- 入射イオンのエネルギーは重要な要素である。非常に低いエネルギーでは、イオンはターゲット原子の表面結合エネルギーに打ち勝つのに十分なエネルギーを持たないため、スパッタリングは最小限にとどまる。イ オ ン の エ ネ ル ギ ー が 高 ま る に つ れ て 、スパッタ収率は上昇し、あるエネルギーレベルでピークに達する。このピークを超えると、イオンのターゲットへの侵入が深くなり、表面原子の放出に利用できるエネルギーが減少するため、収率はプラトーになるか、あるいは低下する。
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イオンとターゲット原子の質量:
- 入射イオンとターゲット原子の質量の両方がスパッタ収率に影響する。重いイオンは衝突時にターゲット原子に多くのエネルギーを伝達する傾向があり、スパッタ収率が高くなる。同様に、軽いターゲット原子は重いターゲット原子よりも排出されやすい。イオンとターゲット原子の質量比も一役買っている。質量が同程度の場合、エネルギー移動が最大になるため、最適なスパッタリングが行われることが多い。
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表面結合エネルギー:
- 表面結合エネルギーとは、ターゲット表面から原子を除去するのに必要なエネルギーのことである。表 面 結 合 エ ネ ル ギ ー が 低 い 材 料 は 、原 子 を 排 出 す る の に 必 要 な エ ネ ル ギ ー が 少 な い た め 、スパッタ収率が高くなる。逆に、表面結合エネルギーが高い材料は、スパッタリングにより多くのエネルギーを必要とするため、歩留まりが低くなる。
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結晶構造と配向:
- 結晶ターゲットの場合、表面に対する結晶軸の方位がスパッタ収率に大きく影響する。結晶面によって原子密度と結合エネルギーが異なるため、原子の飛び出しやすさに影響する。た と え ば 、イ オ ン の 向 き に よ っ て は 、イ オ ン が 原 子 平 面 間 を 流 れ る こ と で 衝 突 数 が 減 り 、スパッタ収率が低下する場合がある。他の配向では、イオンは表面原子とより強く相互作用し、歩留まりが向上する。
これらのパラメータを注意深く制御することで、特定の用途に合わせてスパッタリングプロセスを最適化し、効率的な材料除去と成膜を実現することができる。こ れ ら の 要 素 の 相 互 作 用 を 理 解 す る こ と に よ り 、イ オ ン ビ ー ム シ ス テ ム の 設 計 と 運 用 が 改 善 さ れ 、スパッタリングの性能と一貫性が向上する。
要約表
| パラメータ | スパッタ収率への影響 |
|---|---|
| イオン入射角度 | 収率は40°～60°でピークに達するが、0°や非常に高い角度ではエネルギー移動の変化により減少する。 |
| イオンエネルギー | 収率はエネルギーとともに増加し、ピークに達した後、プラトーになるか、非常に高いエネルギーで減少する。 |
| イオンとターゲットの質量 | 重いイオンと軽いターゲット原子は収量を増加させる。 |
| 表面結合エネルギー | 結合エネルギーが低い＝収率が高い、エネルギーが高い＝収率が低い。 |
| 結晶方位 | 歩留まりは結晶方位と原子密度によって異なります。 |
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