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物理学において、スパッタリングとは、固体材料がプラズマまたはガスの高エネルギー粒子によって照射された後、その表面から微細な粒子が放出される現象である。[ 2 ]これは宇宙空間で自然に発生し、精密部品の摩耗の好ましくない原因となることがある。しかし、極めて薄い材料層に作用させることができるという事実は、科学や産業で利用されており、精密エッチングの実行、分析技術の実施、光学コーティング、半導体デバイス、ナノテクノロジー製品の製造における薄膜層の堆積などに使用されている。これは物理蒸着技術である。[ 3 ]
高エネルギーイオンが標的物質の原子と衝突すると、それらの間で運動量の交換が起こります。[ 2 ] [ 4 ] [ 5 ]
これらのイオンは「入射イオン」と呼ばれ、ターゲット内で衝突カスケードを引き起こします。このようなカスケードは様々な経路をたどり、中にはターゲット表面に向かって反跳するものもあります。衝突カスケードがターゲット表面に到達し、その残存エネルギーがターゲット表面の結合エネルギーよりも大きい場合、原子が放出されます。この過程は「スパッタリング」と呼ばれます。ターゲットが（原子スケールで）薄い場合、衝突カスケードはターゲットの裏側まで到達することがあります。このようにして放出された原子は、「透過」によって表面結合エネルギーから逃れると言われます。
入射イオン1個あたりにターゲットから放出される原子の平均数を「スパッタ収率」と呼びます。スパッタ収率は、イオンが材料表面に衝突する角度、衝突時のエネルギー、イオンの質量、ターゲット原子の質量、ターゲット表面の結合エネルギーなど、いくつかの要因に依存します。ターゲットが結晶構造を持つ場合、表面に対する結晶軸の向きも重要な要素となります。
スパッタリングを引き起こすイオンは、プラズマ、特殊なイオン源、粒子加速器、宇宙空間（太陽風など）、放射性物質（アルファ線など）など、さまざまな発生源から得られます。
アモルファス平面ターゲットのカスケード領域におけるスパッタリングを記述するモデルは、トンプソンの解析モデルである。[ 6 ]高エネルギーでの電子剥離を含む量子力学的処理に基づいてスパッタリングをシミュレートするアルゴリズムは、プログラムTRIMに実装されている。[ 7 ]
物理的スパッタリングのもう 1 つのメカニズムは、「熱スパイク スパッタリング」と呼ばれます。これは、固体が十分に高密度で、入射イオンが十分に重いため、衝突が非常に近い距離で発生する場合に発生します。この場合、二体衝突近似はもはや有効ではなく、衝突プロセスは多体プロセスとして理解する必要があります。高密度の衝突は熱スパイク(熱スパイクとも呼ばれる) を誘発し、本質的に結晶の小さな部分を溶融させます。その部分が表面に十分近い場合、液体が表面に流れたり、微小爆発が発生したりして、多数の原子が放出される可能性があります。[ 8 ]熱スパイク スパッタリングは、keV ～ MeV 範囲のエネルギーを持つ重イオン (例えば Xe や Au またはクラスターイオン) が、低融点の高密度だが軟らかい金属(Ag、Au、Pb など) に衝突する場合に最も重要です。熱スパイク スパッタリングは、エネルギーに対して非線形に増加することが多く、小さなクラスターイオンの場合、クラスターあたり 10,000 オーダーの劇的なスパッタリング収量につながる可能性があります。[ 9 ]このようなプロセスのアニメーションについては、外部リンクセクションの「Re: 変位カスケード 1」を参照してください。
物理スパッタリングには明確な最小エネルギー閾値が存在し、それはイオンから標的原子への最大エネルギー伝達量が表面原子の結合エネルギーと等しくなるイオンエネルギー以上である。つまり、イオンが標的原子に伝達できるエネルギー量が、原子が表面から分離するのに必要なエネルギー量よりも大きい場合にのみ、物理スパッタリングは起こり得る。
この閾値は通常、10～100 eVの範囲にある。
多成分固体ターゲットに衝撃を与え、固体拡散が起こらない初期段階では、優先的なスパッタリングが発生する可能性があります。エネルギー伝達がターゲット成分のいずれか一方により効率的である場合、または固体との結合が弱い場合、その成分は他方よりも効率的にスパッタリングされます。AB合金において成分Aが優先的にスパッタリングされる場合、長時間の衝撃によって固体の表面は成分Bが濃縮され、Bがスパッタリングされる確率が高まり、最終的にスパッタリングされた材料の組成はABに戻ります。
電子スパッタリングという用語は、高エネルギー電子によって誘発されるスパッタリング（例えば透過型電子顕微鏡内）または、非常に高エネルギーまたは高電荷の重イオンが固体にエネルギーを失い、主に電子阻止能によって、電子励起がスパッタリングを引き起こすことによるスパッタリングのいずれかを意味する。[ 10 ]電子スパッタリングは、スパッタリングを引き起こす電子励起が導体の場合のようにすぐに消光されないため、絶縁体から高いスパッタリング収率を生み出す。その一例として、木星の氷に覆われた衛星エウロパがあり、木星の磁気圏からのMeV硫黄イオンが最大10,000個のH2O分子を放出する可能性がある。[ 11 ]
複数の電荷を帯びた入射イオンの場合、ポテンシャル スパッタリングと呼ばれる特定の形態の電子スパッタリングが発生する可能性がある。[ 12 ] [ 13 ]これらの場合、多重に荷電したイオンに蓄積されたポテンシャル エネルギー (すなわち、中性原子からこの電荷状態のイオンを生成するのに必要なエネルギー) は、イオンが固体表面に衝突する際に再結合するとき (中空原子の形成) に解放される。このスパッタリング プロセスは、観測されるスパッタリング収量が入射イオンの電荷状態に強く依存するという特徴があり、物理的スパッタリング閾値をはるかに下回るイオン衝突エネルギーでも発生する可能性がある。ポテンシャル スパッタリングは特定のターゲット種でのみ観測されており[ 14 ]、最小限のポテンシャル エネルギーを必要とする。[ 15 ]
不活性ガスをスパッタリングして原子を除去することを、イオンミリングまたはイオンエッチングと呼ぶ。
スパッタリングは、化学的に活性なイオンやラジカルを用いて行われるプラズマプロセスである反応性イオンエッチング（RIE）においても役割を果たし、純粋な物理スパッタリングと比較してスパッタリング収率が大幅に向上する可能性がある。反応性イオンは、二次イオン質量分析（SIMS）装置においてスパッタリング速度を向上させるために頻繁に使用される。スパッタリングの向上を引き起こすメカニズムは必ずしも十分に理解されているわけではないが、Siのフッ素エッチングのケースは理論的にうまくモデル化されている。[ 16 ]
物理的スパッタリングの閾値エネルギー以下で発生するスパッタリングは、化学的スパッタリングとも呼ばれることが多い。[ 2 ] [ 5 ]このようなスパッタリングのメカニズムは必ずしも十分に理解されているわけではなく、化学的エッチングと区別するのが難しい場合もある。高温では、炭素の化学的スパッタリングは、入射イオンが試料中の結合を弱め、その後熱活性化によって脱離することによるものと理解できる。[ 17 ]低温で観察される炭素系材料の水素誘起スパッタリングは、HイオンがCC結合の間に入り込んで結合を切断することによって説明されており、このメカニズムは高速化学的スパッタリングと呼ばれている。[ 18 ]
スパッタリングは、入射粒子の運動エネルギーが通常の熱エネルギー（ ≫ 1 eV ）よりもはるかに高い場合にのみ発生します。直流（DCスパッタリング）を用いる場合は、3～5 kVの電圧が使用されます。交流（RFスパッタリング）を用いる場合は、周波数は14 MHz前後です。
固体表面は、真空中で物理的スパッタリングを使用することで汚染物質を除去できます。スパッタクリーニングは、表面科学、真空蒸着、イオンプレーティングでよく使用されます。1955 年、Farnsworth、Schlier、George、および Burger は、超高真空システムでスパッタクリーニングを使用して、低エネルギー電子回折 (LEED) 研究用の超クリーンな表面を準備したことを報告しました。[ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]スパッタクリーニングは、イオンプレーティング プロセス の不可欠な部分になりました。クリーニングする表面が大きい場合は、同様の技術であるプラズマクリーニングを使用できます。スパッタクリーニングには、過熱、表面領域へのガスの混入、表面領域への衝撃 (放射線) による損傷、特にやりすぎると表面が粗くなるなどの潜在的な問題があります。スパッタクリーニング中に表面が継続的に再汚染されないように、クリーンなプラズマを使用することが重要です。基板上にスパッタされた物質が再堆積することも問題となる場合があり、特にスパッタリング圧力が高い場合に顕著です。化合物や合金材料の表面をスパッタリングすると、表面組成が変化することがあります。多くの場合、質量が最も小さい、あるいは蒸気圧が最も高い物質が、表面から優先的にスパッタリングされます。
スパッタ成膜は、スパッタリングによって薄膜を成膜する 方法であり、「ターゲット」ソースから「基板」（例えば、シリコンウェーハ、太陽電池、光学部品など）に材料をエッチングするものです。[ 22 ]一方、再スパッタリングは、成膜中にイオン衝撃によって堆積された材料（例えば、SiO2 ）を再放出するものです。
スパッタリングされた原子は気相中に放出されますが、熱力学的平衡状態にはなく、真空チャンバー内のあらゆる表面に付着する傾向があります。チャンバー内に置かれた基板（例えばウェハ）には薄膜が形成されます。スパッタリング成膜では、通常アルゴンプラズマが使用されます。これは、希ガスであるアルゴンがターゲット材料と反応しないためです。
スパッタ損傷は通常、光電子デバイスへの透明電極の成膜中に定義され、これは通常、高エネルギー粒子による基板への衝撃に起因します。このプロセスに関与する主な粒子種と代表的なエネルギーは、以下のように列挙できます（値は[ 23 ]から引用）。
上記のリストに示すように、ターゲット表面で生成され基板に向かって加速される負イオン（例えば、ITOスパッタリングの場合はO⁻とIn⁻ ）は、ターゲットとプラズマの電位差によって決まる最大のエネルギーを獲得します。高エネルギー粒子のフラックスは重要なパラメータですが、酸化物の反応性堆積の場合、高エネルギーの負イオンO⁻はプラズマ中で最も豊富な種でもあります。しかし、放電中の他のイオン/原子（例えば、Ar⁺、Ar⁰、またはIn⁰）のエネルギーは、特定のデバイス技術において、表面結合を解離したり、軟質層をエッチングしたりするのに十分な場合があります。さらに、プラズマからの高エネルギー粒子（Ar、酸素イオン）またはターゲットからスパッタされた高エネルギー粒子の運動量伝達は、基板に衝突したり、基板温度を十分に上昇させたりして、敏感な基板層（例えば、薄膜金属ハロゲン化物ペロブスカイト）の物理的（例えば、エッチング）または熱的劣化を引き起こす可能性があります。
これは、下層の電荷輸送層やパッシベーション層、光活性吸収体や発光体の機能特性に影響を与え、デバイス性能を低下させる可能性があります。例えば、スパッタ損傷により、損傷に関連する界面ギャップ状態によって引き起こされるフェルミ準位の固定など、避けられない界面の影響が生じ、ショットキー障壁が形成されてキャリア輸送が阻害される可能性があります。スパッタ損傷は、材料のドーピング効率や光活性材料中の過剰電荷キャリアの寿命を損なう可能性もあります。場合によっては、損傷の程度によっては、シャント抵抗の低下につながることもあります。[ 23 ]
半導体産業では、ターゲットのエッチングにスパッタリングが用いられる。スパッタエッチングは、高いエッチング異方性が求められ、選択性が問題とならない場合に適している。この技術の大きな欠点の一つは、ウェハの損傷と高電圧の使用である。
スパッタリングのもう一つの応用例は、ターゲット材料をエッチング除去することです。その一例として、二次イオン質量分析法（SIMS）が挙げられます。SIMSでは、ターゲット試料を一定の速度でスパッタリングします。ターゲットがスパッタリングされるにつれて、スパッタリングされた原子の濃度と種類が質量分析法を用いて測定されます。このようにして、ターゲット材料の組成を決定し、極めて低濃度（20 μg/kg）の不純物さえも検出することができます。さらに、スパッタリングによって試料内部が継続的にエッチングされるため、深さ方向の濃度プロファイルを測定することが可能です。
スパッタリングは宇宙風化の一形態であり、小惑星や月などの大気のない天体の物理的および化学的性質を変化させるプロセスです。氷の衛星、特にエウロパでは、表面から光分解された水がスパッタリングされることで、水素が正味失われ、生命にとって重要な酸素に富む物質が蓄積されます。スパッタリングは、火星が大気の大部分を失った理由の一つであり、水星が希薄な表面境界を持つ外気圏を絶えず補充している理由の一つでもあります。
スパッタリングは幅広い材料への適用性が高いため、光学部品の性能を向上させる様々な種類のコーティングを作成するために使用されています。[ 24 ]反射防止コーティングは、光の反射を最小限に抑え、光透過率を高めるためにレンズや光学機器に適用され、これにより鮮明度が向上し、まぶしさが軽減されます。 [ 25 ]スパッタリングは、望遠鏡、カメラ、レーザーシステムなどの用途で高い反射率と耐久性を確保するために、ミラーに反射コーティングを成膜するためにも使用されます。[ 26 ]
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