マグネトロンスパッタリング技術マグネトロンスパッタリングは、材料の表面改質や薄膜堆積に広く使用されている重要な技術です。この技術の中核となるマグネトロンスパッタリングターゲットの品質と性能は、作成された薄膜の品質と特性を直接決定します。この記事では、マグネトロンスパッタリングターゲットについて包括的かつ詳細に紹介します。
マグネトロンスパッタリングターゲットに対する要求は、従来の材料産業よりも高く、一般的にはサイズ、平坦度、純度、不純物含有量、密度、N/O/C/S 比、粒径、欠陥制御などが含まれます。高または特殊な要求：表面粗さ、抵抗値、粒径の均一性、組成と構造の均一性、異物（酸化物）の含有量とサイズ、透磁率、超高密度、超微細粒など。
マグネトロンスパッタリングターゲットとは、マグネトロンスパッタリングプロセス中に高エネルギー粒子によって原子または分子がスパッタされ、その後基板上に堆積されて薄膜を形成する材料を指します。通常、金属、合金、化合物など、特定の化学組成と結晶構造を持つ物質で構成されています。
マグネトロンスパッタリングの原理
電界 E の作用により、電子は基板に向かって飛行中にアルゴン原子と衝突し、イオン化して Ar 正イオンと新しい電子を生成します。新しい電子は基板に向かって飛行し、Ar イオンは電界の作用によりカソードターゲットに向かって加速し、ターゲット表面に高エネルギーを照射して、ターゲット材料のスパッタリングを引き起こします。
スパッタ粒子では、中性ターゲット原子または分子が基板上に堆積して薄膜を形成し、発生した二次電子が電界と磁界の影響を受けることで、E（電界）×B（磁界）の方向性ドリフト（略してE×Bドリフト）が発生し、その運動軌跡はサイクロイドに近似します。円形の磁界の場合、電子はターゲット表面上を円運動し、近似的にサイクロイド形状を描きます。その運動経路は長いだけでなく、ターゲット表面近くのプラズマ領域に限定され、この領域で多量のArがイオン化されてターゲット材料に衝突するため、高い堆積速度が得られます。
衝突回数が増えるにつれて、二次電子のエネルギーが消耗し、徐々にターゲット表面から離れていき、最終的には電界 E の作用を受けて基板上に堆積します。電子のエネルギーが低いため、基板に伝達されるエネルギーは非常に小さく、基板の温度上昇が低くなります。
マグネトロンスパッタリングは、入射粒子とターゲット間の衝突プロセスです。入射粒子はターゲット内で複雑な散乱プロセスを経て、ターゲット原子と衝突し、ターゲット原子にいくらかの運動量を伝達します。このターゲット原子は次に他のターゲット原子と衝突し、カスケードプロセスを形成します。このカスケードプロセスでは、表面近くの特定のターゲット原子が十分な運動量を得て外側に移動し、ターゲットからスパッタされます。
マグネトロンスパッタリングは、一般的に直流スパッタリングと高周波スパッタリングの2種類に分けられます。そのうち、直流スパッタリング装置は原理が簡単で、金属をスパッタリングする際の速度が速いです。高周波スパッタリングの応用範囲はより広範囲です。導電性材料のスパッタリングに加えて、非導電性材料もスパッタリングできます。同時に、反応性スパッタリングは、酸化物、窒化物、炭化物などの複合材料の製造にも使用されます。高周波の周波数を上げると、マイクロ波プラズマスパッタリングになり、一般に電子サイクロトロン共鳴（ECR）マイクロ波プラズマスパッタリングと呼ばれます。
マグネトロンスパッタリングターゲット材料の分類
金属スパッタリングコーティングターゲット、合金スパッタリングコーティングターゲット、セラミックスパッタリングコーティングターゲット、ホウ化物セラミックスパッタリングターゲット、炭化物セラミックスパッタリングターゲット、フッ化物セラミックスパッタリングターゲット、窒化物セラミックスパッタリングターゲット、酸化物セラミックターゲット、セレン化物セラミックスパッタリングターゲット、ケイ化物セラミックスパッタリングターゲット、硫化物セラミックスパッタリングターゲット、テルル化物セラミックスパッタリングターゲット、その他のセラミックターゲット、クロムドープ酸化ケイ素セラミックターゲット（Cr SiO）、リン化インジウムターゲット（InP）、ヒ化鉛ターゲット（PbAs）、ヒ化インジウムターゲット（InAs）。
金属ターゲット材料は、導電性と熱伝導性に優れており、高純度で均一な金属薄膜を作製するために使用でき、エレクトロニクスや半導体などの分野で広く使用されています。たとえば、集積回路の製造では、銅ターゲットを使用して導電線を作製し、回路の性能と集積度を向上させます。
合金ターゲット材料は、複数の金属の特性を組み合わせ、さまざまなニーズに応じて構成比を調整して、特定の特性を持つ薄膜を得ることができます。たとえば、ニッケルクロム合金ターゲット材料は、抵抗薄膜を作製するためによく使用され、電子部品の抵抗値に対する厳密な要件を満たします。
セラミックターゲット材料は、優れた絶縁性、耐摩耗性、光学特性を備えているため、光学コーティング、保護コーティングなどの分野で重要な用途があります。たとえば、酸化チタンセラミックターゲットは、反射防止機能とセルフクリーニング機能を備えた薄膜を作成するために使用できます。
1. 金属ターゲット材料: 純金属ターゲット材料（銅、アルミニウム、ニッケルなど）と合金ターゲット材料（ステンレス鋼、アルミニウム合金など）が含まれます。
2. 複合ターゲット材料酸化物ターゲット材（二酸化ケイ素、酸化アルミニウム等）、窒化物ターゲット材（窒化ケイ素、窒化アルミニウム等）、炭化物ターゲット材（炭化ケイ素、炭化タングステン等）等。
3. 半導体ターゲット材料: シリコンターゲット材、ゲルマニウムターゲット材など
対象物質の構造による分類：
1. 平面ターゲット材：単純な平面構造を持ち、従来のマグネトロンスパッタリング装置でよく使用されます。
2. ターゲット材料の回転：連続回転を実現し、ターゲット材料の利用率と堆積膜の均一性を向上させます。
マグネトロンスパッタリングターゲットの性能要件:
1. 純度: 高純度のターゲット材料は、堆積した薄膜の純度と性能を保証します。一般的に、ターゲット材料の純度は 99.9% 以上である必要があります。
2. 密度: 高密度のターゲット材料は、スパッタリング中の粒子汚染を減らし、薄膜の品質と均一性を向上させます。
3. 化学組成の均一性：堆積された膜の安定性を確保するために、ターゲット材料の化学組成は均一に分布している必要があります。
4. 結晶構造：適切な結晶構造は、ターゲット材料のスパッタリング効率と薄膜の性能を向上させるのに役立ちます。
5. サイズと形状の精度: ターゲット材料のサイズと形状は、良好な設置とスパッタリング効果を確保するために機器の要件を満たす必要があります。
6. 熱安定性：スパッタリングプロセス中、ターゲット材料は高温と高エネルギー粒子にさらされるため、優れた熱安定性が必要です。
7. 耐食性：対象材料は、耐用年数を延ばすために、ある程度の耐食性を備えている必要があります。
堆積速度または膜形成速度は、マグネトロンスパッタリング装置の効率を測定するための重要なパラメータです。
沈降速度に影響を与える要因は、作動ガスの種類、作動ガスの圧力、スパッタリングターゲットの温度、磁場の強さなど、多数あります。しかし、今日は、マグネトロンスパッタリングターゲットコーティングの堆積速度に影響を与える 3 つの重要な要因、スパッタリング電圧、電流、および電力について説明します。
スパッタ電圧（V）
スパッタリング電圧がフィルム形成速度に与える影響は、電圧が高いほどスパッタリング速度が速くなり、この影響はスパッタリング堆積に必要なエネルギー範囲内で穏やかで段階的です。スパッタリング係数に影響を与える要因の中で、ターゲット材料とスパッタリングガスをスパッタした後の放電電圧は確かに重要です。一般的に言えば、通常のマグネトロンスパッタリングプロセスでは、放電電圧が高いほどスパッタリング係数が大きくなり、入射イオンのエネルギーが高くなります。そのため、固体ターゲット材料の原子はより簡単にスパッタされ、基板に堆積して薄膜を形成します。
スパッタリング電流（I）
マグネトロンターゲットのスパッタリング電流は、スパッタリングターゲット材料の表面のイオン電流に正比例するため、スパッタリング速度に影響を与える重要な要素です。マグネトロンスパッタリングには、最適な圧力で堆積速度が最速になるという普遍的なルールがあります（さまざまなスパッタリングターゲットとスパッタリングプロジェクトによって異なります）。したがって、スパッタリング収率の観点から、フィルムの品質に影響を与えず、顧客の要件を満たすために、ガス圧力の最適値を考慮することが適切です。スパッタリング電流を変更するには、動作電圧を変更するか、動作ガス圧力を変更するという2つの方法があります。
スパッタリングパワー（P）
スパッタリング電力が堆積速度に与える影響は、スパッタリング電圧と似ています。一般的に、マグネトロンターゲットのスパッタリング電力を上げると、膜形成速度が向上します。ただし、これは普遍的なルールではありません。マグネトロンターゲットのスパッタリング電圧が低く（約200ボルトなど）、スパッタリング電流が高い場合、平均スパッタリング電力が低くなくても、イオンをスパッタまたは堆積することはできません。前提条件は、マグネトロンターゲット材料に適用されるスパッタリング電圧が十分に高く、カソードとアノード間の電界内の作動ガスイオンのエネルギーがターゲット材料の「スパッタリングエネルギー閾値」よりも十分に大きいことです。
高品質のマグネトロンスパッタリングターゲットには、高純度、高密度、均一な微細構造、優れた熱安定性が求められます。原材料の純度、加工技術、製造プロセス中の品質テストを厳密に管理することが重要です。粉末冶金そして真空溶解対象材料の性能を効果的に向上させることができます。
