第六章 溅射物理- 中国光学光电子行业网-光电行业门户！

溅射物理

我们知道具有一定能量的离子入射到固体表面上时，它将同表面层内的原子不断地进行碰撞，并产生能量转移。固体表面层内的原子获得能量后将做反冲运动，并形成一系列的级联运动。如果某一做级联运动的原子向固体表面方向运动，则当其动能大于表面的结合能时，它将从固体表面发射出去，这种现象称为溅射。早在1853年Grove就观察到了溅射现象，他发现在气体放电室的器壁上有一层金属沉积物，沉积物的成份与阴极材料的成份完全相同。但当时他并不知道产生这种现象的物理原因。直到1902年，Goldstein 才指出产生这种溅射现象的原因是由于阴极受到电离气体中的离子的轰击而引起的，并且他完成了第一个离子束溅射实验。到了1960年以后，人们开始重视对溅射现象的研究，其原因是它不仅与带电粒子同固体表面相互作用的各种物理过程直接相关，而且它具有重要的应用，如核聚变反应堆的器壁保护、表面分析技术及薄膜制备等都涉及到溅射现象。1969年，Sigmund 在总结了大量的实验工作的基础上，对Thompson的理论工作进行了推广，建立了原子线性级联碰撞的理论模型，并由此得到了原子溅射产额的公式。对于低能重离子辐照固体表面，可以产生原子的非线性级联碰撞现象，通常称为“热钉扎” (thermalized spike) 效应。在1974年，这一现象被H.H. Andersen 和H. L. Bay的实验所验证。 本章主要介绍溅射物理过程的一些基本概念和特征、计算溅射产额的Sigmund的线性级联碰撞模型、Matusnami 等人的溅射产额经验公式、热钉扎溅射以及溅射过程的计算机模拟等。最后，我们还对表面腐蚀现象与溅射过程之间的关系进行简要的讨论。

§6.1 溅射过程的一般描述

溅射过程可以用溅射产额Y这个物理量来定量地描述，其定义为平均每入射一个粒子从靶表面溅射出来的原子数，即

Y?溅射出来的原子数 (6.1-1)

每入射一个粒子溅射产额依赖于靶材料的结构、成份及表面形貌，同时还与入射离子的能量、电荷态和种类有关。人们对溅射产额的实验测量已有近百年的历史，然而比较感兴趣的是keV能量范围的重离子碰撞固体材料产生的原子溅射。在这种情况下，溅射产额的取值范围约为1~10。1984年Matsunami 等人列表给出了关于溅射产额的大量实验数据。 图6.1给出了溅射产额Y随入射离子能量E变化的简单示意图，简称溅射曲线。从该图可以看出溅射产额随入射离子能量的变化有如下特征：存在一个溅射阈值，阈值能量一般为20~100 eV。当入射离子的能量小于这个阈值时，没有原子被溅射出来。通常当入射离子的能量为1~10 keV时，溅射产额可以达到一个最大值。当入射离子的能量超过10 keV 时，溅射产额开始随入射离子的能量增加而下降。 Y

3 最大值 2

1 阈值

10 102 103 104 105 106 入射离子的能量 E（eV） 图 6.1 溅射产额随入射离子能量变化的示意图。

对于大多数离子束溅射实验，离子的入射能量比较低。我们知道低能离子同靶原子之间的相互作用主要是原子核之间的弹性碰撞，尤其是对金属靶材料。金属中电子的驰豫时

间约为10?19秒，而对于一个能量为10keV的Ar离子，在金属中穿行100A所需的时间约为10?13秒，这样电子在这么短的时间内获得的能量不足以造成靶原子的移位。同样在低能情况下，靶原子之间的相互作用也主要是弹性碰撞。也就是说，对于低能离子产生的溅射现象，主要是由原子之间的弹性碰撞过程造成的。因此，这种溅射也被称为撞击溅射（knock-on sputtering）。

对于撞击溅射，可以分为三种类型。（a）单一撞击溅射，见图6.2(a)。在离子同靶原子的碰撞过程中，反冲原子得到的能量比较低，以至于它不能进一步地产生新的反冲原子而直接被溅射出去。单一撞击溅射是在入射离子的能量为几十电子伏特范围内，且

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

? ? ? ? ? ? ? ? 图6.2 (a) 单一撞击溅射示意图。

离子的能量是在一次或几次碰撞中被损失掉；（b）线性碰撞级联溅射，见图6.2(b)。初始反冲原子得到的能量比较高，它可以进一步地与其它静止原子相碰撞，产生一系列新的级联运动。但级联运动的密度比较低，以至于运动原子同静止原子之间的碰撞是主要的，而运动原子之间的碰撞是次要的。对于线性碰撞级联，入射离子的能量范围一般在

?keV~MeV，且级联运动主要是在离子的路径周围产生的；(c) 热钉扎溅射，见图6.2(c)。

反冲原子的密度非常高，以至于在一定的区域内大部分原子都在运动。热钉扎溅射通常是由中等能量的重离子轰击固体表面而造成的。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

图6.2 (b) 线性碰撞级联溅射示意图。

? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

图6.2 (c) 热钉扎溅射示意图。

一般地说，溅射产额Y 正比于做反冲运动的原子的个数。对于单一撞击溅射，反冲原子的个数正比于碰撞截面；在线性碰撞级联中，反冲原子的个数正比于离子在单位路径上沉积的能量，即核阻止本领；而对于热钉扎溅射，反冲原子的个数则正比于离子在单位体积中沉积的能量。

§6.2 Sigmund的线性级联碰撞理论

为了讨论方便，假设固体靶为一无限大平板，并在x?0处存在一虚拟的表面。离子以