什么是溅射（Sputtering）？原子级沉积控制指南

用最简单的话来说，溅射是一个物理过程，当固体材料的表面受到高能粒子的轰击时，材料表面的原子会被溅射出来。这个过程是动量传递的直接结果，其中入射粒子在材料内部引发一系列碰撞反应，最终将一个表面原子撞击脱离。

将溅射视为一场微观的宇宙台球游戏，而不是化学反应。入射粒子充当母球，撞击靶材内的原子。这引发了一系列能量和动量传递的碰撞，直到一个表面原子被喷射出来，就像一个球从球架中被撞出来一样。

核心机制：碰撞级联

“溅射”描述的是结果，而促成这一结果的过程被称为碰撞级联（collision cascade）。理解这种连锁反应是理解整个现象的关键。

该过程始于一个高能粒子（通常是来自等离子体中的离子，如氩离子，Ar+）被加速并导向靶材。这就是引发作用的“入射辐射”。

与剥离表面不同，入射粒子通常会深入靶材几层原子厚度。然后它会与材料内部的一个原子发生碰撞，像一个台球撞击另一个台球一样，传递其动能和动量。

被撞击的原子现在有了足够的能量去移动并撞击其邻近的原子。这些邻原子又会撞击其他原子。这就在表面下方形成了一个不断扩展和分支的原子碰撞序列——即碰撞级联。

要发生溅射，这种碰撞级联必须反向作用于表面。当表面上的一个原子从下方的碰撞中获得了足够的动量来克服束缚它的力时，它就会被喷射到真空中。这个被喷射出的原子就是被“溅射”的粒子。

这里的参考特指物理溅射。这个区别至关重要，因为它将其与材料去除或沉积的其他方法区分开来。

物理溅射是一个纯粹由动能和动量驱动的机械过程。它不依赖于热量来熔化或蒸发材料，也不涉及在去除前通过化学反应来改变材料的成分。

在热蒸发中，材料在真空中被加热直到其表面原子“沸腾”脱离。这是一个热过程。相比之下，溅射是一个动力学过程，可以在靶材相对保持冷却的情况下发生。

尽管溅射功能强大，但它是一个复杂的过程，存在必须控制以确保其有效性和可重复性的重要变量。

该过程的效率，称为溅射产额（sputter yield），是指每个入射离子溅射出的原子数量。该产额根据入射粒子的能量、离子和靶原子质量以及入射角度而有很大差异。

溅射出的原子会向许多方向从靶材中喷射出来。虽然这对涂覆复杂、非平坦的表面有利，但也意味着该过程的效率可能低于蒸发等高度定向的视线技术。

实际的溅射操作需要对设备进行大量投资。它必须在高真空室中进行，以确保溅射出的原子能够在不与空气分子碰撞的情况下行进，并且需要一个电源来产生入射离子的等离子体。

溅射因其在精度和材料控制方面的独特优势而被选用。它是现代材料科学的基石，尤其是在半导体制造和光学领域。

将溅射理解为一种受控的碰撞过程，就能释放出它作为在原子尺度上设计材料的基础工具的潜力。