溅射的基本原理之溅射机理
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热钉扎线性碰撞级联溅射示意图
溅射的基本原理——溅射机理
入射离子的能量损失可以分为两部分：一部分用于靶 原子核的反冲运动，另一部分用于激发或电离靶原子核外 的电子，分别对应于核阻止本领 和电子阻止本领 。对于 低能离子，核阻止本领是主要的，而对于高能离子，电子 阻止本领则是主要的。
溅射的基本原理——溅射机理
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）。
溅射的基本原理——溅射机理
溅射的基本原理——溅射机理
溅射理论的发展 1853年Grove就观察到了溅射现象，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 。
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。
溅射现象：
当级联运动的原子运动到固体表面时，如果其能量大 于表面的势垒，它将克服表面的束缚而飞出表面层，这就 是溅射现象。溅射出来的粒子除了是原子外，也可以是原
子团。
溅射的基本原理——溅射机理
入射离子（ E0 ）
二次电子
溅射原子
原子
溅射的基本原理——溅射机理
离子与靶相互作用
按参与碰撞粒子的种类划分： 入射离子（或载能原子）静止靶原子的碰
撞击溅射的分类
（1）单一撞击溅射
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，且离子的能量是 在一次或几次碰撞中被损 失掉．
单一撞击溅射示意图
溅射的基本原理——溅射机理
（2）线性碰撞级联溅射 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
溅射的基本原理——溅射机理
★ 溅射机理
溅射率随入射离子能量增大而增大，在离子能量达到一 定程度后，由于离子注入效应，溅射率减小； 溅射率的大小与入射离子的质量有关；
当入射离子能量小于溅射阈值时，不会发生溅射；
溅射原子的能量比蒸发原子大许多倍； 入射离子能量低时，溅射原子角度分布不完全符合余弦 定律，与入射离子方向有关； 电子轰击靶材不会发生溅射现象。
溅射的基本原理——溅射机理
散射角
M1 , v0
E0
M1 , v1
M2
反冲角
M 2 , v2
1 1 1 2 2 2 M 1v0 M 1v1 M 2 v2 2 2 2
M1 v0 M1 v1 M2 v2
M1v1 sin M 2v2 sin
Βιβλιοθήκη Baidu
溅射的基本原理——溅射机理
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汤普森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。
离子注入： 如果入射离子的速度方向与固体表面的夹角大于某一临 界角，它将能够进入固体表面层，与固体中的原子发生一系列 的弹性和非弹性碰撞，并不断地损失其能量。当入射离子的能 量损失到某一定的值（ 约为 20eV 左右 ) 时，将停止在固体 中不再运动。上述过程被称为离子注入过程。
atoms
Ion
E
溅射的基本原理——溅射机理
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。
线性碰撞级联溅射示意图
溅射的基本原理——溅射机理
溅射的基本原理——溅射机理
（3） 热钉扎溅射
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。
射出原子，而是把动量传递给被碰撞的原子，引起原子的 级联碰撞。这种碰撞沿晶体点阵的各个方向进行。
碰撞因在最紧密排列的方向上最有效，结果晶体表面
的原子从近邻原子得到越来越多的能量。 当原子的能量大于结合能时，就从表面溅射出来。
溅射的基本原理——溅射机理
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 1 mm 所需的时间约为 10 -13
撞
反冲原子静止靶原子的碰撞
按能量损失的方式划分： 弹性碰撞 非弹性碰撞
溅射的基本原理——溅射机理
双体弹性模型： 通常在两种坐标系中研究碰撞二体问题：
1）实验坐标系（实验测量）
2）质心坐标系（理论研究）
实验坐标系 入射粒子（粒子、反冲原子）：(M1, v0 ) 靶原子（静止）：(M 2 ,0)
发生热蒸发。
可以解释溅射率与靶材蒸发热和入射离子的能量关系； 可以解释溅射原子的余弦分布规律； 不能解释溅射率与入射离子角度关系，非余弦分布规律， 以及溅射率与质量关系等。
溅射的基本原理——溅射机理
动量转移理论
深入研究结果表明，溅射完全是一个动量转移过程，
并被人们广泛接受。 该理论认为，低能离子碰撞靶时，不能直接从表面溅
1974年，H. H. Andersen 和H. L. Bay 研究（实验）了低能重 离子辐照固体表面，可以产生非线性溅射现象，通常称为“ 热钉扎” (thermalized spike) 效应。
溅射的基本原理——溅射机理
热蒸发理论（早期理论） 认为：溅射现象是被电离气体的离子在电场 中加速并轰击靶面，而将能量传递给碰撞处的原 子，导致很小的局部区域产生高温，使靶材融化，
溅射的基本原理——溅射机理
入射离子的能量损失可以分为两部分：一部分用于靶 原子核的反冲运动，另一部分用于激发或电离靶原子核外 的电子，分别对应于核阻止本领 和电子阻止本领 。对于 低能离子，核阻止本领是主要的，而对于高能离子，电子 阻止本领则是主要的。
溅射的基本原理——溅射机理
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）。
溅射的基本原理——溅射机理
溅射的基本原理——溅射机理
溅射理论的发展 1853年Grove就观察到了溅射现象，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 。
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。
溅射现象：
当级联运动的原子运动到固体表面时，如果其能量大 于表面的势垒，它将克服表面的束缚而飞出表面层，这就 是溅射现象。溅射出来的粒子除了是原子外，也可以是原
子团。
溅射的基本原理——溅射机理
入射离子（ E0 ）
二次电子
溅射原子
原子
溅射的基本原理——溅射机理
离子与靶相互作用
按参与碰撞粒子的种类划分： 入射离子（或载能原子）静止靶原子的碰
撞击溅射的分类
（1）单一撞击溅射
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，且离子的能量是 在一次或几次碰撞中被损 失掉．
单一撞击溅射示意图
溅射的基本原理——溅射机理
（2）线性碰撞级联溅射 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
溅射的基本原理——溅射机理
★ 溅射机理
溅射率随入射离子能量增大而增大，在离子能量达到一 定程度后，由于离子注入效应，溅射率减小； 溅射率的大小与入射离子的质量有关；
当入射离子能量小于溅射阈值时，不会发生溅射；
溅射原子的能量比蒸发原子大许多倍； 入射离子能量低时，溅射原子角度分布不完全符合余弦 定律，与入射离子方向有关； 电子轰击靶材不会发生溅射现象。
溅射的基本原理——溅射机理
散射角
M1 , v0
E0
M1 , v1
M2
反冲角
M 2 , v2
1 1 1 2 2 2 M 1v0 M 1v1 M 2 v2 2 2 2
M1 v0 M1 v1 M2 v2
M1v1 sin M 2v2 sin
Βιβλιοθήκη Baidu
溅射的基本原理——溅射机理
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汤普森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。
离子注入： 如果入射离子的速度方向与固体表面的夹角大于某一临 界角，它将能够进入固体表面层，与固体中的原子发生一系列 的弹性和非弹性碰撞，并不断地损失其能量。当入射离子的能 量损失到某一定的值（ 约为 20eV 左右 ) 时，将停止在固体 中不再运动。上述过程被称为离子注入过程。
atoms
Ion
E
溅射的基本原理——溅射机理
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。
线性碰撞级联溅射示意图
溅射的基本原理——溅射机理
溅射的基本原理——溅射机理
（3） 热钉扎溅射
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。
射出原子，而是把动量传递给被碰撞的原子，引起原子的 级联碰撞。这种碰撞沿晶体点阵的各个方向进行。
碰撞因在最紧密排列的方向上最有效，结果晶体表面
的原子从近邻原子得到越来越多的能量。 当原子的能量大于结合能时，就从表面溅射出来。
溅射的基本原理——溅射机理
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 1 mm 所需的时间约为 10 -13
撞
反冲原子静止靶原子的碰撞
按能量损失的方式划分： 弹性碰撞 非弹性碰撞
溅射的基本原理——溅射机理
双体弹性模型： 通常在两种坐标系中研究碰撞二体问题：
1）实验坐标系（实验测量）
2）质心坐标系（理论研究）
实验坐标系 入射粒子（粒子、反冲原子）：(M1, v0 ) 靶原子（静止）：(M 2 ,0)
发生热蒸发。
可以解释溅射率与靶材蒸发热和入射离子的能量关系； 可以解释溅射原子的余弦分布规律； 不能解释溅射率与入射离子角度关系，非余弦分布规律， 以及溅射率与质量关系等。
溅射的基本原理——溅射机理
动量转移理论
深入研究结果表明，溅射完全是一个动量转移过程，
并被人们广泛接受。 该理论认为，低能离子碰撞靶时，不能直接从表面溅
1974年，H. H. Andersen 和H. L. Bay 研究（实验）了低能重 离子辐照固体表面，可以产生非线性溅射现象，通常称为“ 热钉扎” (thermalized spike) 效应。
溅射的基本原理——溅射机理
热蒸发理论（早期理论） 认为：溅射现象是被电离气体的离子在电场 中加速并轰击靶面，而将能量传递给碰撞处的原 子，导致很小的局部区域产生高温，使靶材融化，