なぜスパッタ蒸着は蒸着より遅いのか？主な違いの説明

スパッタ蒸着は、そのメカニズムや操作パラメーターの根本的な違いにより、蒸着よりも時間がかかる。スパッタリングは、イオン砲撃によってターゲット材料から単原子またはクラスターを放出させるが、これは熱蒸発によって生成される強固な蒸気流に比べて効率が低いプロセスである。さらに、スパッタリングは高いガス圧力で行われるため、スパッタ粒子が気相衝突を起こし、蒸着がさらに遅くなる。これとは対照的に、蒸着は原料を加熱して高密度の蒸気流を発生させるため、蒸着速度が速くなる。これらの要因は、エネルギー伝達、粒子軌道、拡張性の違いと相まって、スパッタリングで観察される遅い蒸着速度の一因となっている。

要点の説明

材料排出のメカニズム:
- スパッタリング:高エネルギーのイオンをターゲット物質に衝突させ、単原子または小さなクラスターを放出させる。このプロセスは、原子を外すために正確なイオン砲撃とエネルギー移動が必要なため、効率が低い。
- 蒸発:原料を気化温度以上に加熱し、高密度の蒸気流を発生させる。この熱プロセスは、より効率的で、より高い材料流束を生成し、より速い蒸着速度につながる。
エネルギー移動と粒子の挙動:
- スパッタリング:放出された原子またはクラスターは、イオン砲撃プロセスにより高い運動エネルギーを持つ。しかし、スパッタリングは高いガス圧力（5～15 mTorr）で行われるため、スパッタ粒子はガス分子と衝突してエネルギーを失い、基板への堆積が遅くなる。
- 蒸発:蒸気の流れに含まれる粒子は運動エネルギーが低く、基板への視線方向の軌道を直接たどります。これにより、エネルギー損失が最小限に抑えられ、より高速な成膜が可能になります。
拡張性と自動化:
- スパッタリング:速度が遅い反面、スパッタリングは拡張性に優れ、様々な用途に自動化できる。ステップカバレッジが良いため、凹凸のある表面に均一な薄膜を成膜する場合に特に有効である。
- 蒸発:蒸着速度は速いが、視線蒸着であるため拡張性が低く、一般的に単純な形状に限られる。
蒸着速度と効率:
- スパッタリング:プロセスは個々の原子や小さなクラスターの放出に依存するため、蒸着速度は本質的に低い。さらに、より高いワット数の電源と複雑なセットアップが必要なため、速度がさらに制限される。
- 蒸発:サーマルプロセスは強固な蒸気流を発生させるため、より高い蒸着速度と短い運転時間を可能にします。このため、蒸発法は迅速なコーティングを必要とする用途に適しています。
膜質と基材への影響:
- スパッタリング:密着性が高く、均質性に優れ、結晶粒径が小さい膜が得られる。しかし、高速の原子は、繊細な基板を損傷する可能性がある。
- 蒸発:蒸着はより速い反面、密着性が低く、粒径の大きな膜になる可能性がある。蒸着粒子のエネルギーが低いため、基板を損傷する可能性は低い。
動作パラメーター:
- スパッタリング:高いガス圧で作動するため、粒子が熱を帯び、成膜が遅くなる。これは、蒸発の低圧環境とは対照的で、より速く、より直接的な成膜を可能にする。
- 蒸発:高真空を必要とするため、粒子の衝突が最小限に抑えられ、基板への蒸気流が直接確保されるため、蒸着速度が向上する。

まとめると、スパッタ蒸着は、イオンボンバードメントに依存し、ガス圧が高く、正確なエネルギー移動が必要なため、蒸着よりも速度が遅い。スパッタリングは膜質とスケーラビリティにおいて有利であるが、蒸発の熱プロセスと直接蒸気流により、著しく速い蒸着速度が可能になる。

総括表

側面	スパッタ蒸着	蒸着
メカニズム	イオン砲撃は単原子または小さなクラスターを放出する。	原料を加熱することで、高密度の蒸気流を発生させる。
エネルギー移動	運動エネルギーは高いが、気相衝突により速度が低下する。	直視下蒸着では運動エネルギーが低くなる。
蒸着速度	効率的な排出ができず、ガス圧が高いため遅い。	強固な蒸気流と粒子衝突の最小化により高速化。
フィルム品質	密着性が高く、均質性に優れ、粒径が小さい。	密着性が低く、粒径が大きいが、基材へのダメージが少ない。
拡張性	凹凸のある表面や自動化に適している。	視線方向の性質上、単純な形状に限定される。
動作圧力	高いガス圧（5-15 mTorr）。	粒子の衝突を最小限に抑える高真空