溅射产额取决于什么？掌握物理学以实现最佳薄膜沉积

从本质上讲，溅射产额是衡量工艺效率的指标。 它是每当一个离子撞击靶材表面时，从靶材中溅射出的原子的平均数量。这个产额不是一个固定值；它由碰撞的基本物理学决定，主要取决于入射离子的能量和质量、靶原子质量和表面结合能，以及入射角。

溅射从根本上说是一场动量传递的游戏。理解溅射产额的关键在于将其视为一个单一事件的结果：靶材表面附近的碰撞级联。你控制产额的能力完全取决于你如何操纵控制能量传递效率的因素。

碰撞级联的物理学

当入射离子以足够的能量撞击靶材并引发原子碰撞的连锁反应时，就会发生溅射。这个“碰撞级联”会向上传播到表面，如果表面的原子获得了足够的能量来克服其键合力，它就会被溅射出来。溅射产额量化了这个过程的成功程度。

为了溅射出靶原子，入射离子必须首先克服材料的表面结合能。这需要一个最小的动能，通常在 30 到 50 电子伏特 (eV) 之间。

低于这个阈值，离子缺乏引发有效级联的能量，因此不会发生溅射。

高于阈值，溅射产额随离子能量显著增加。更高的能量意味着更剧烈和更广泛的碰撞级联，增加了溅射出表面原子的概率。

然而，这种趋势不会无限期地持续下去。在非常高的能量下（通常高于几千 eV），入射离子会穿透靶材太深。碰撞级联的能量沉积在表面之下很深的地方，使得表面原子被溅射出来的可能性降低。这导致溅射产额趋于平稳甚至下降。

任何碰撞的效率都取决于碰撞物体的质量。在原子尺度上也是如此。离子质量与靶原子质量之比是确定动量传递多少的关键因素。

当质量近似相等时，能量传递效率最高。这就是为什么氩气（原子质量约 40 amu）对于许多中等重量的金属，如铝（~27 amu）或钛（~48 amu），是一种常见且有效的溅射气体。

对于更重的靶原子，使用更重的溅射气体，如氪气（~84 amu）或氙气（~131 amu），将导致更有效的动量传递和明显更高的溅射产额。

表面结合能是将原子束缚在靶材表面的能量。它是靶材本身的固有属性。

表面结合能较低的材料更容易被溅射。它们的原子从表面被溅射出来所需的能量更少，这在相同条件下直接转化为更高的溅射产额。例如，锌和银等金属的结合能低于钨，溅射产额更高。

除了碰撞的核心物理学之外，相互作用的几何形状也起着重要作用。

溅射通常在轻微倾斜的入射角下效率最高，而不是直接的 90 度撞击。

当离子以一定角度撞击表面时，碰撞级联会集中在更靠近表面的位置。这增加了被撞击的原子被溅射出去而不是仅仅被推到靶材深处的可能性。

然而，在非常浅（掠射）角度下，离子更容易直接从表面反弹，这再次降低了溅射产额。

对于具有晶体结构的靶材，晶体轴线相对于离子束的方向很重要。

如果离子沿着晶格的开放“通道”撞击，它们可以在很少的碰撞下深入材料内部。这种被称为沟道效应（channeling）的现象会显著减少表面碰撞次数，从而降低溅射产额。

优化以获得尽可能高的产额并不总是最佳策略。你的选择涉及实际和经济上的权衡。

为了提高产额而将离子能量推向最大可能会产生负面后果。极高能量的离子可能会嵌入靶材或生长的薄膜中（离子注入），这可能会引入杂质和应力。它还需要更多的功率，并可能导致靶材过度发热。

虽然氪和氙等较重的惰性气体能提供更高的溅射产额，但它们的成本也远高于氩气。对于大多数工业应用，氩气在性能和成本效益之间提供了最佳平衡，使其成为行业主力。

诸如气体压力和磁场强度（在磁控溅射中）等因素不会直接设定溅射产额。相反，它们是用于影响主要因素的控制旋钮。例如，增加气体压力会因更多的气相碰撞而降低平均离子能量，从而可能降低产额。

您控制溅射产额的方法应由您的最终目标决定，无论是速度、成本还是薄膜质量。

最终，掌握溅射产额就是控制原子尺度的能量传递，以实现您的特定材料目标。

因素	对溅射产额的影响	关键见解
离子能量	增加至平稳，然后下降	最佳能量通常在 keV 范围内。
离子/靶材质量比	质量相近时最大化	氩气是中等重量金属的理想选择；对于较重的靶材使用 Kr 或 Xe。
表面结合能	能量越高 = 产额越低	银等材料比钨更容易溅射。
入射角	在倾斜角度（~60°）下最高	掠射或直接 (90°) 撞击会降低效率。
晶体结构	沿晶体通道的产额较低	非晶材料提供更一致的产额。