荷能粒子：离子
(易于在电磁场中加速或偏转)
伴随着离子轰击固体表面的各种现象(右图):
1)大部分中性粒子(成膜)
2)二次电子(辉光放电)
3)少部分二次离子
4)气体解吸、加热等其他现象
95%的离子能量作为热量损耗掉
5%的能量传递给二次发射的粒子
2.3溅射(Sputtering)
2.3.1溅射的基本原理
荷能粒子轰击固体表面(靶材),固体原子或分子获得入射粒子的部分能量，而从固体表面射出的现象称为溅射
中性粒子
正离子
负离子
电子
光子
气体解吸
溅射粒子返回表面形貌变化
溅射的中性粒子：二次电子：二次离子=100:10:1
入射离子反射
固体表面
O0
结晶变化
离子注入
结构损伤/
入射离子
O扩散
加热
1
0
-20-16-12-8-40
电流密度log[I(A/cm2)]
直流辉光放电过程的形成
VB:击穿电压
异常放电区
正常放电区
弧光放电区
P=1mbar(Ne)
汤姆森放电区
VB
1200
800
400
电压(V)
2
气体辉光放电
溅射区域：均匀稳定的“异常辉光放电”
当离子轰击覆盖整个阴极表面后，继续增加电源功率，可同时提高放电区的
电压和电流密度，溅射电压U,电流密度j和气压P遵守以下关系：
E和F取决于电极材料，是几何尺寸和气体成分的常数
3
j0.1A/cm2,U↓→j个(弧光放电)
气压P太低，两极间距太小：
没有足够的气体分子被碰撞产生离子和二次电子，辉光放电熄灭气压P太高：
二次电子因多次被碰撞而得不到加速，也不能产生辉光放电
弧光放电区：
U个→阴极强电场个→暗区收缩↓
d。:暗区厚度
A、B为常数
4
溅射过程的机理解释：
(1)离子轰击局部瞬时加热而蒸发(因与实验观察不符而被否定)
(2)动量理论(级联碰撞理论)
离子撞击在靶上，把一部分动量传递给靶原子，如果原子获得的动能
大于升华热，那么它就脱离点阵而射出。
(研究溅射的基础)
5
2.3.2溅射阈和溅射率
溅射阈：
入射离子使阴极靶产生溅射所需的最小能量
溅射阈与离子质量之间并无明显的依赖关系
主要取决于靶材料
周期中随着原子序数增加而减小
对大多数金属来说：
溅射阈为10-40eV,约为4-5倍升华热
6
金属
Ne
Ar
Kr
Xe
Hg
升华热(eV)
Be
12
15
15
15
一
一
Al
13
13
15
18
18
一
Ti
22
20
17
18
25
4.40
V
21
23
25
28
25
5.28
Cr
22
22
18
20
23
4.03
Fe
22
20
25
23
25
4.12
Co
20
25
22
22
一
4.40
Ni
23
21
25
20
一
4.41
Cu
17
17
16
15
20
3.53
Ge
23
25
22
18
25
4.07
Zr
23
22
18
25
30
6.14
Nb
27
25
26
32
一
7.71
Mo
24
24
28
27
32
6.15
Rh
25
24
25
25
一
5.98
Pd
20
20
20
15
20
4.08
Ag
12
15
15
17
一
3.35
Ta
25
26
30
30
30
8.02
W
35
33
30
30
30
8.80
Re
35
35
25
30
35
一
Pt
27
25
22
22
25
5.60
Au
20
20
20
18
一
3.90
Th
20
24
25
25
一
7.07
U
20
23
25
22
27
9.57
一些金属的溅射阈(eV)
7
溅射率(又称溅射产额):正离子撞击阴极时，平均每个正离子能从阴
极上打出的原子数
影响因素：入射粒子的类型(离化气体)、能量、角度、靶材的类型、
晶格结构、表面状态、升华热等
单晶材料的溅射率还与表面晶向有关，在最密排方向上的溅射率最高
4mm/(m?+mA)2称为传递系数，表示入射离子和靶原子质量对动量传递的贡献
当m?=m时，传递系数为1,入射能量全部传递给靶原子
E:入射粒子能量
E?:升华热(eV)
m?:入射粒子质量
mA:靶材原子的质量
r:~m/m,函数
4m,mAE
·r
I
m?+mAE
8
溅射率与入射离子能量的关系
150eV:平方关系
150~1000eV:正比关系
103~10?eV:趋于饱和
10?eV:下降(注入增加)
溅射率与离子入射角的典型关系
0~60°:单调增加
70~