什么是表面溅射？精密薄膜沉积和刻蚀指南

在材料科学和物理学中，表面溅射是一个过程，其中原子因受到高能粒子（通常是等离子体中的离子）的轰击而从固体靶材中喷射出来。可以将其视为原子级的“喷砂”。一个入射的高能离子撞击靶材，在材料内部引发一系列碰撞，最终使一个表面原子获得足够的能量被撞击松动并飞离。

从核心来看，溅射并非随机的破坏性效应，而是一种高度可控的物理现象。它是两种关键技术背后的基本机制：逐层添加材料（溅射沉积）和精确去除材料（溅射刻蚀）。

核心机制：原子碰撞级联

要真正理解溅射，您必须想象当单个高能离子撞击表面时会发生什么。这个过程并非简单的一对一交换。

它始于一个高能离子，通常是惰性气体，如氩气（Ar+），被加速并撞击靶材表面。这些离子是在低压等离子体环境中产生的。

撞击后，离子并不会简单地弹开。相反，它将其动能和动量传递给靶材内的原子，类似于母球撞击一堆紧密排列的台球。

这种初始碰撞在材料深处引发了连锁反应，即碰撞级联。被撞击的原子与其邻居碰撞，后者又与它们的邻居碰撞。能量通过晶格在一系列快速的原子级撞击中分布。

如果这种碰撞级联回到表面，并且表面原子获得足够的向外动量以克服材料的结合能，它就会被喷射出来。这个被喷射出来的原子就是“溅射”粒子。

溅射的真正力量来自于利用被喷射出来的原子。根据目标的不同，它可用于材料的堆积或去除。

在这种主要应用中，基底（待涂覆的物体）被放置在靶材附近。从靶材溅射出来的原子穿过真空并凝结在基底上，形成一层薄而均匀的薄膜。

这种方法，被称为物理气相沉积（PVD），对于制造从计算机芯片、太阳能电池到眼镜防反射涂层的一切都至关重要。

或者，目标可以是去除基底本身的材料。在这种情况下，基底就是靶材。溅射用于原子级清洁表面，或精确地在材料上刻蚀图案，这是半导体制造中的常见步骤。

溅射的效率和结果并非随机的。它们受工程师精心控制的几个关键参数的支配。

最重要的指标是溅射产额：每个入射离子喷射出的靶原子平均数量。

“子弹”很重要。离子的能量是主要的控制旋钮——更高的能量通常会导致更高的溅射产额。离子的质量也至关重要；像氩气或氪气这样的重离子在传递动量方面比像氦气这样的轻离子更有效。

“墙壁”也很重要。具有较低原子结合能的材料——即原子在原位结合不那么紧密的材料——更容易溅射，因此具有更高的溅射产额。

溅射在高真空中进行，以确保溅射原子可以从靶材传输到基底，而不会与不需要的空气分子碰撞，这会污染所得薄膜。

尽管功能强大，但溅射是一种高能过程，具有必须考虑的特定优点和缺点。

溅射原子以比热蒸发原子高得多的动能到达基底。这种能量有助于它们形成更致密、附着力更强的薄膜，这对于耐用涂层至关重要。

溅射非常适合沉积复杂材料（合金或化合物），因为该过程倾向于以它们存在的相同比例从靶材中去除原子。这在最终薄膜中保留了材料的化学成分或化学计量。

提供益处的相同高能离子轰击也可能是一个缺点。它可能在生长的薄膜或基底中引入缺陷、应力或不需要的嵌入离子（如氩），从而可能改变它们的电学或光学性质。

通常，与热蒸发相比，溅射是一种较慢的沉积过程。这使得它不太适合需要非常厚薄膜且速度是主要考虑因素的应用。

您对溅射的方法应完全由您的最终目标决定，无论您是创建新材料还是分析现有材料。

如果您的主要重点是创建高性能薄膜：溅射是您获得致密、附着力强且化学计量精确的涂层（特别是对于复杂的合金、氧化物或氮化物）的工具。
如果您的主要重点是表面清洁或图案化：溅射刻蚀提供了一种高度定向和受控的材料去除方法，但您必须仔细管理离子能量，以最大程度地减少对底层基底的损伤。
如果您的主要重点是表面分析（例如SIMS或XPS）：溅射是用于进行深度剖析的机制，一次去除一个原子层以揭示下面的成分。请承认离子束本身可能会改变您试图测量的化学性质。

通过超越简单的定义，您可以利用溅射作为在原子尺度上工程材料的精确而强大的工具。