スパッタリング法による薄膜作製の原理と特徴

低電圧の直流グロー放電では、プロセスは陰極ゾーン、負グローゾーン、ファラデー暗ゾーン、正カラムゾーン、陽極ゾーンの5つのゾーンに分けられる。これらのゾーンの1つである異常グロー放電は、堆積膜のスパッタリングに実際に使用されるものである。スパッタリングでは、基板が陽極として働き、通常は負のグロー領域に置かれ、ターゲットが陰極として働く。電子のエネルギーと速度はイオンのそれよりもはるかに高いため、グロー放電中にプラズマシース層が形成され、シース電位の存在により、電極の印加電圧の大部分がカソードのシース電位によって占められる。プラズマシース電位の確立により、カソードに到達したイオンはそれに応じて加速され、エネルギーを得る。そのため、イオンはグロー放電のプラズマ領域を通って陰極表面に到達する際に高いエネルギーを持ち、陰極表面にボンバードメント効果をもたらすため、陰極材料の分子や原子がスパッタリングされ、スパッタリング現象が発生する。これらの分子や原子は一定の運動エネルギーを持ち、被加工物の表面に向かって一定方向に発射され、薄膜を形成する。

スパッタリングは複雑なプロセスであり、スパッタリングにはイオンボンバードメントの様々な現象が伴う。薄膜成膜の基本条件は、入射粒子の高速衝突下で固体表面から飛び出す粒子のほとんどが中性原子または分子であることである。これに加えて、放射される二次電子はスパッタリングにおけるグロー放電を支える素粒子であり、そのエネルギーはターゲットの電位に等しい。

ダイオードスパッタリングは、技術的応用を達成するための最も初期のスパッタリング法である。 ダイオードスパッタリングのスパッタリング装置は、カソードとアノードの2つの電極から構成されるため、カソードスパッタリングまたは直流（DC）スパッタリングとも呼ばれる。

ダイポーラースパッタリングは、ガス解離率が低い（0.3 %～0.5%）ため、成膜速度が遅く、ターゲット材料の利用率が低い、電子によって基板温度が上昇するなどの欠点があり、当初はあまり普及しなかったが、1970年代にこれらの欠点を補うためにマグネトロンスパッタリング技術が開発された。マグネトロンスパッタリング技術は、二次電子が基板に衝突する際の熱による膜へのダメージを減衰させ、ダイポーラスパッタリングのスパッタリングレートを向上させる。そのため、マグネトロンスパッタリング技術は、導入されるやいなや急速に発展し、広く応用されるようになり、現在では材料の表面コーティングの主流技術の一つとなっている。

磁石はターゲットの背面に配置され、ターゲットの外側を貫通する磁力線の表面は電界に垂直な構造を形成し、最終的にターゲット表面に戻る。ターゲット表面の二次電子に対する磁場の結合効果は、ターゲット表面近傍のプラズマ濃度を著しく増加させるため、通常のダイポールスパッタリングの成膜速度が低いという問題を効果的に解決する。電界と磁界中の電子は、軌道が基板電子とガス原子の衝突に飛ぶ過程で、曲がっているので、ガス分子は陽イオンと電子、陽極への電子をイオン化し、陽イオンは、ターゲットへの電界の作用下で加速され、ターゲットの表面の高エネルギー砲撃は、ターゲットのスパッタリングは、膜形成の基板堆積中の中性ターゲット原子（または分子）からスパッタリングされるように。