什么是溅射产额？掌握沉积速率和薄膜质量

在薄膜沉积的背景下，溅射产额是指每个撞击靶材表面的高能离子平均从靶材材料中喷射出的原子数。这是一个量化溅射过程效率的基本指标。产额越高，意味着每个离子从靶材上移除的材料越多，通常会导致更快的沉积速率。

溅射产额并非材料的固定属性，而是碰撞事件的动态结果。它从根本上受入射离子与靶材表面原子之间能量传递效率的控制，而这种效率又受离子能量、质量、角度以及靶材自身的结合能控制。

核心机制：原子碰撞级联

要理解控制产额的因素，您必须首先了解物理过程。溅射并非简单的“台球”碰撞，即一个离子击出一个原子。

当一个正离子（通常来自氩气等气体）被加速并撞击靶材时，它将其动能传递给表面原子。这会在材料晶格内部产生初级反冲原子。

这些被激发的初级反冲原子会撞击其他附近的原子，而这些原子又会撞击其他原子。这会产生一个连锁反应，即一个碰撞级联，它会迅速将初始撞击能量分布到表面附近的一小块区域内。

只有当一个原子位于靶材的最表面，并且从级联反应中获得了足够大的、指向远离表面的能量时，它才会被溅射或喷射出来。该能量必须足以克服将其固定在原位的力。

几个相互关联的变量决定了这种能量传递的效率，进而决定了最终的溅射产额。

存在一个最小能量阈值，通常为 30-50 eV，这是克服靶材结合能并引发溅射所必需的。

高于此阈值，产额通常随离子能量的增加而增加。然而，在非常高的能量下（例如，高于几 keV），产额开始趋于平稳甚至下降，因为离子穿透得太深，将其能量沉积在表面以下很深的地方，无法有助于喷射原子。

动量传递的效率至关重要。当入射离子的质量与靶原子质量非常接近时，能量转移效率最大。

使用像氩气这样的重溅射气体对许多材料都很有效，因为其质量为与各种常见金属靶材进行有效的动量传递提供了良好的折衷方案。

以较浅（倾斜）角度撞击靶材的离子倾向于将更多的能量沉积在靠近表面的位置。与迎面（法向入射）撞击的离子相比，这可以显著增加溅射产额，因为后者可能将能量驱动到材料深处。

靶材的表面结合能是一个主要因素。这是将原子束缚在一起的能量。结合能较低的材料，如锌或银，比结合能非常高的材料，如钨，更容易溅射，具有更高的产额。

对于晶体靶材，晶格的取向也很重要。如果离子沿着晶体结构中的开放“通道”撞击，它们可能会在碰撞较少的情况下深入穿透，从而导致较低的溅射产额。

简单地最大化溅射产额并非总是主要目标。参数的选择涉及平衡相互竞争的因素。

提高溅射产额的极高离子能量也可能导致溅射气体（例如氩气）注入到生长的薄膜中。这可能会引起应力，并对薄膜的电学或机械性能产生负面影响。

持续增加功率（以及离子能量）以获得更高的产额会带来边际效益递减。产额最终会趋于平稳，多余的能量会转化为热量，必须对热量进行管理，以避免损坏靶材或溅射系统。

溅射过程本身会随着时间的推移改变靶材的表面，可能改变其纹理或成分。这可能导致在长时间沉积运行中溅射产额漂移，影响薄膜的一致性和可重复性。

您控制溅射产额的方法应由您特定应用所需的最终结果决定。

最终，了解溅射产额使您能够从简单地运行工艺转变为精确设计您的薄膜沉积结果。