哪些参数会影响离子束溅射产额？掌握离子能量、质量、角度和材料特性

离子束系统中的溅射产额由四个主要因素决定：入射离子的能量、离子的质量、它们撞击靶材的角度以及靶材本身的物理特性。这些参数共同决定了动量传递的效率，从而导致原子从靶材表面喷射出来。

溅射的核心原理是一个物理碰撞过程。要控制溅射产额，您必须控制从入射离子到靶原子的动能传递，平衡冲击力与离子深埋在靶材内部的风险。

控制溅射产额的核心参数

了解每个参数如何影响溅射过程是优化结果的关键，无论您的目标是最大沉积速率还是精确的薄膜质量。

入射离子的动能是溅射产额的主要驱动因素。随着离子能量的增加，溅射产额通常会上升，因为每个离子在撞击时有更多的能量可以传递，从而在靶材内部产生更大的碰撞级联。

然而，这种关系并非线性。超过某个能量阈值（通常在几到几十keV的范围内），产额开始趋于平稳甚至下降。这是因为高能量离子会更深地穿透靶材，在表面以下很深的地方耗散其能量，这使得原子被喷射出来的可能性降低。

溅射气体离子相对于靶原子质量的质量是至关重要的。离子和靶原子之间更好的质量匹配会带来更有效的动量传递和更高的溅射产额。

可以将其想象成台球：一个重离子（如氩或氪）撞击靶材就像保龄球撞击球瓶。一个轻离子（如氖或氦）就像网球；它会传递较少的动量，很可能只是弹开或植入。因此，氩是许多材料常用且有效的选择。

离子束撞击靶材的角度对产额有显著影响。对于大多数材料，溅射产额在垂直入射时（90度）并非最高。

相反，产额通常在非垂直角度达到峰值，通常在距表面法线60到80度之间。在这些掠射角下，离子的能量更接近表面沉积，增加了由此产生的碰撞级联喷射出原子的可能性。在非常浅的角度下，离子更有可能只是从表面反射。

溅射产额与靶材本身密切相关，特别是其表面结合能。这是将原子从表面移除所需的能量。

具有较低表面结合能的材料（如金、银或铜）在相同条件下将具有更高的溅射产额。相反，具有非常高结合能或高熔点（如钨、钼或碳）的材料更难溅射，产额也较低。

虽然上述参数定义了产额（每离子原子数），但实际目标通常是控制沉积速率（每单位时间薄膜厚度）。这就是离子束流成为主导因素的地方。

区分这两个概念至关重要。溅射产额是一个效率比率：每个入射离子喷射出的靶原子数量。沉积速率是单位时间内沉积材料的绝对量度。

离子束流是每秒撞击靶材的离子数量（离子通量）的量度。因此，总材料去除速率是溅射产额和束流的直接乘积。

如果将束流加倍，同时保持所有其他参数不变，您将使沉积速率加倍。这使得束流成为控制工艺吞吐量的主要杠杆。

优化一个参数通常意味着在另一个参数上做出妥协。一个成功的工艺需要平衡这些相互竞争的因素。

虽然更高的能量可以增加产额，但它也增加了离子植入的机会。这些嵌入的离子会成为靶材中的杂质，甚至可能被重新溅射，导致沉积薄膜受到污染。

使用非垂直角度来最大化溅射产额有时会导致溅射材料形成高度定向的“羽流”。如前所述，这可能会导致难以在较大的衬底区域上实现均匀的薄膜厚度，这是离子束系统面临的一个已知挑战。

将束流和能量推至最大以获得高沉积速率会在靶材上产生大量热量。这可能导致靶材开裂、变形甚至熔化，从而导致工艺不稳定和缺陷。

您的最佳参数完全取决于您的主要目标。使用这些指南来指导您的工艺开发。

如果您的主要重点是最大沉积速率：使用重离子（如氩），将离子能量提高到最佳范围（例如，500-1500 eV），找到峰值产额角度（通常为60-70°），并最大化离子束流。
如果您的主要重点是沉积污染最小的薄膜：使用较低的离子能量以减少植入，并考虑使用高纯度惰性气体，如氪或氙。
如果您的主要重点是溅射精细或多组分材料：使用较低的离子能量和电流，以最大程度地减少表面损伤并防止一种元素优先于另一种元素被溅射。

掌握您的溅射工艺来自于理解这些基本参数如何相互作用以产生您期望的结果。