反応性スパッタリングとは

反応性スパッタリングは、基板材料に薄膜を堆積するために使用されるプラズマスパッタリングプロセスのバリエーションです。 このプロセスでは、アルミニウムや金などのターゲット材料が、正に帯電した反応性ガスで作られた雰囲気のチャンバーに放出されます。 このガスは、ターゲット材料と化学結合を形成し、化合物として基板材料に堆積します。

通常のプラズマスパッタリングは、雰囲気が空になった真空チャンバー内で行われますが、反応性スパッタリングは、反応性ガスで構成される低圧雰囲気の真空チャンバー内で行われます。 機械の特別なポンプは、炭素、酸素、窒素などの微量元素でできている通常の雰囲気を取り除き、アルゴン、酸素、窒素などのガスでチャンバーを満たします。 反応性スパッタリングプロセスの反応性ガスは正電荷を持っています。

次に、チタンまたはアルミニウムなどのターゲット材料が、同じくガスの形態でチャンバ内に放出され、高強度の磁場にさらされます。 このフィールドは、ターゲット材料をマイナスイオンに変えます。 負に帯電したターゲット材料は、正に帯電した反応性材料に引き付けられ、2つの元素が結合してから基板に定着します。 このようにして、窒化チタン（TiN）や酸化アルミニウム（Al2O3）などの化合物で薄膜を作成できます。

反応性スパッタリングは、化合物から薄膜を作成できる速度を大幅に向上させます。 単一元素から薄膜を作成する場合、従来のプラズマスパッタリングが適切ですが、化合物膜の形成には時間がかかります。 薄膜プロセスの一部として化学物質を強制的に結合させると、化学物質が基板に定着する速度が速くなります。

薄膜の成長を最大化するには、反応性スパッタリングチャンバー内の圧力を慎重に管理する必要があります。 低圧では、フィルムの形成に時間がかかります。 高圧では、反応性ガスがターゲット表面を「汚染」する可能性があります。これは、ターゲット材料が負電荷を受け取ったときです。 これにより、下の基板上の薄膜の成長速度が低下するだけでなく、中毒の速度も増加します。 負の粒子が少ないほど、正に帯電した反応性ガスと形成できる化学結合が少ないため、ターゲット表面を汚染する反応性ガスが多くなります。 システム内の圧力を監視および調整することで、この中毒を防ぐことができ、薄膜をすばやく成長させることができます。