溅射理论

通常把单元素溅射分成三种方式,或者叫做三种范畴(a)单次或少次撞击方式；（b）线性碰撞级联方式；（c）非线性碰撞级联（钉扎）方式。如图4.2-1。若从溅射产生过程来看，则分撞击溅射（knockon sputtering）(弹性碰撞过程)和电子激发的溅射。 1．2．2．1 撞击溅射

对于金属靶，弹性碰撞过程是最重要的。一个10千电子伏的氩离子的速度大约是光速的千分之一。在真空中这个离子在~10-13秒的时间内走过的距离是100Å。这同传导电子的驰豫时

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间（~10秒）相比是很长的。因此，即使一个入射离子在激发电子中消耗掉一部分能量，这个能量立刻为所有的电子分享，而不会给原子提供一个逃出的机会。 图４.２－１ 弹性碰撞溅射的三个方式：（ａ）单次撞击方式。反冲原子离子－靶碰撞接收足够高的能量而溅射，但不足以产生反冲级联。（ｂ）线性级联碰撞。反冲原子从离子－靶碰撞中获得足够高的能量产生反冲级联。但是反冲原子密度相当低，所以撞击碰撞是主要的且运动原子之间的碰撞几率很小。（ｃ）钉扎方式（致密级联碰撞）。反冲原子的密度很高，以致在钉扎区域所有的原子都在运动。

为了方便起见，图4.2-1定性上给出三种不同的情形。在单次撞击的范围内，轰击离子把能量传给靶原子，这个反冲原子经过少次碰撞后，克服表面束缚能而射出。在（b）和（c）的情况下，反冲原子都能获得足够高的能量，以产生二次或高次反冲原子，其中一部分可接近表面，克服位垒而逸出。线性级联不同于钉扎方式，前者运动原子的空间密度小，这已为双原子分子的离子轰击靶溅射实验所证实[3]。打在固体上的一个分子几乎立刻离解。根据慢化过程的统计特性得出，如果两个原子产生的级联足够稀疏，可以认为总的效应应该是两个碰撞级联的线性迭加。因此，溅射产额将近似是一个原子离子轰击时的两倍。而在钉扎的情况下，大约有两倍的能量为相同体积（指单个原子离子轰击时）内的所有原子所共享。从这些原子的能量分布可知能够克服表面位垒的原子数大大增加。因此，一个分子的溅射产额在钉扎情况下远大于原子离子轰击时溅射产额的两倍。

设想原子是从确定厚度△x层发出的，那么溅射产额正比于该层产生的反冲原子数。在单次撞击中，这个数目正比于适当的截面；在线性级联方式中，它正比于有关的能量，也就是说，单位深度沉积的能量；在钉扎方式中，人们把温度同单位体积所沉积的能量联系起来，并且从蒸汽压来确定产额。 定性的说，单词撞击方式是在入射离子能量为几十电子伏特，只有很轻的入射离子可扩展到上千个电子伏特的范围。线性级联碰撞是入射离子能量在千电子伏和兆电子伏的范围。不过在这个能区中，若入射离子很重则可产生钉扎。 1．2．2．2 电子激发溅射 在绝缘体中，电子激态寿命足够长，可使激发能转化为原子运动。完成这个转化有许多方式；一种模型是分子束缚的基态激发到非束缚的激发态（图4.2-2）。如果非束缚激态的寿命等于或大于原子核彼此排斥而分开所需的时间，就会发生离解。

类似图4.2-1所示的三个范围，我们得到，在阀值区域时电离或离解事件在空间是孤立的。这类时间可用紫外光子、低能电子（１００电子伏）或低能离子（离子速度<）来产生。线性级联代表高能二次电子（１００电子伏特）产生二次电离的情形。这种情形在高速（ｖ≫

ｅ

２

ｈ

）离子入射时是主要的。而中能重离子（ｖ）则产生致密电离钉扎。应该注意，在后

面两种情形下，溅射事件伴随着电子或光子发射。遗憾的是，无论是电子激发溅射还是与此

［６］

相关的其它发射现象，至今仍未详细研究。