图 6.11 10keV的Au离子在Au靶中产生的级联运动。
子产生，从而形成一个冲击波，如图6.11(b) 所示。该冲击波近似地以声速向外传播。这时，随着级联运动能量的扩展，将产生一个无序带以及所包围的晶格将要进行熔化。在图6.11(d)- (f) 中，热钉扎区形成。这时，在级联区压力迫使“热液体”向表面流动。大约在离表面500个原子层内，这种热液体重新被凝固。图6.12(a) 和 (b) 显示了在不同的级联运动时间内级联区的温度和压强。
对于溅射产额，在Ghaly 和Averback的模拟中，一个20 keV Au离子入射到Au靶中可以产生84个溅射原子，其中在这84个溅射原子中，有52个是前0.2ps 溅射出来的，其余32个是在后7ps溅射出来的。这时，由热钉扎模型 [见方程（6.4-6）式] 给出的溅射产额与 MD模拟结果一致。
图6.12 10keV的Au离子入射到Au靶中形成的热钉扎区的温度和压强。
§6.6溅射过程对表面状态的影响
由前面几节讨论可以知道，固体表面在载能离子轰击下，表面层的原子将被溅射出去，从而造成对表面的腐蚀，表面的形貌、成分等将发生表化。这种由溅射现象引起的表面状态的变化对某些等离子体工艺过程产生的影响是非常严重的。如溅射将使放电室的电极及器壁受到损伤，一方面将影响电极的使用寿命，另一方面溅射出来的原子将对等离子体进行“污染”。在等离子体制备微电子工业中的一些保护膜和加工一些微电子器件的工艺过程中，如果等离子体受到了污染，这将严重地影响了薄膜的质量和器件的寿命。当然，看任何事物都是一分为二的。溅射现象也有它的益处，如在等离子体物理气相沉积工艺中，沉积成膜的原子就是来自于溅射。 （一）表面的腐蚀速度
借助于溅射产额Y，从一个固体表面溅射出来的原子通量密度为
?s?Y?i （6.6-1） 其中?i是入射离子到达固体表面的通量。根据不同的工艺过程，入射到固体表面上的离子可以分为两类：一类是单能的束离子，如从加速器中引出来的离子；另一类则是通过一个简单的德拜（ Debye ）等离子体鞘层加速而到达表面上的离子。对于前者，入射离子的通量为
?i?Ib/eAb，其中Ib为总束流强度，Ab为束流面积。这样溅射出来的原子
通量密度为
?s?YIbeAb （6.6-2） 对于后者，穿过一个简单的德拜等离子体鞘层而到达固体表面的离子通量为
?kBTi1 ?i?nivi?ni??2?M4i?????1/2 （6.6-3）
其中Ti是等离子体中离子的温度。将（6.6-3）式代入（6.6-1）式，则在种情况下溅射出来的原子通量密度为
?eTi ?s?Yni??2?mi?????1/2 （6.6-4）
1/2值得说明的一点是：如果离子以玻姆 ( Bohm）速度vs??kBTe/Mi?穿越鞘层，而不
是以离子的热速度穿越鞘层，那么离子的入射通量要比（6.6-3）式给出的值大。 借助于溅射原子的通量?s，固体表面的腐蚀速度Verr 可以表示为
Verr??s/N （6.6-5） 其中N是固体的原子密度。根据（6.6-2）式，则对于单能的离子束轰击，固体表面的腐蚀速度为
Verr?YIbeNAb （6.6-6）
假设离子束的能量为Ei，则束流强度Ib可以表示为
Ib?eniAb2Ei/Mi （6.6-7） 其中ni为束中离子的密度。这样，（6.6-6）式又可以表示成 Verr?YniN2Ei （6.6-8） Mi类似地，当固体表面面对一个简单的德拜等离子体鞘层，则表面的腐蚀速度为 VerrYn?iN?eTi??2?mi?????1/2 （6.6-9）
对于一般地等离子体工艺过程，等离子体中离子的温度约为 0.025 eV，这样由（6.6-7）式给出的表面腐蚀速度远小于离子束产生的腐蚀速度，即（6.6-8）式。
表6.3 氘离子轰击不锈钢、钼、钨和铜的表面腐蚀速度
固体靶 不锈钢 钼 ( Mo ) 钨 ( Wu ) 铜 ( Cu ) 最大溅射产额 Ymax 0.030 0.015 0.0065 0.100 氘离子的能量 Ei 2 keV 2 keV 4 keV 1 keV 表面腐蚀速度 Verr/N(m4/s) 1.07?10?22 5.33?10?23 2.39?10 2.33?10?23?22
如果在一个等离子体合成薄膜工艺中，溅射靶和基体是一对平行板，则薄膜的沉积速度近似地等于靶表面的腐蚀速度。在一般情况下，薄膜的沉积速度不能超过靶表面的腐蚀速度。
通常，薄膜的沉积速度大约为每小时10个微米左右。作为一个例子，我们可以估算氘 ( D+ ) 离子轰击一些材料表面的腐蚀速度，如表6.3所示。 （二）择优溅射现象
前面讨论的是建立在碰撞级联图象基础之上的单一组分靶的溅射过程。我们知道溅射产额同靶的种类有关，不同元素的溅射产额差别较大。溅射产额高的金属有Au，Cu，Cd， Ag；较小的有 Bi ，Ni， Sb， Sn；很小的有 Pt，Ta，W，Zr等。对于多组分靶的表面，存在着不同种类的原子，它们的表面结合能不同，以及它们在碰撞级联中获得的能量不同，由此导致它们被溅射出去的几率将不同。因此，在多组分靶中存在着所谓的“择优溅射”现象，即一种组分的原子相对另一种组分的原子较容易地被溅射出去。这就造成溅射产额低的元素在表面“富集”的假象。
对于合金来说，情况将更为复杂，往往不能简单地把组成合金的纯元素溅射产额之比作为它们溅射数量之比的依据。我们以二元合金来讨论多组分靶的溅射过程。严格地研究合金靶的溅射过程是非常复杂和困难的，这里我们只给出一些简单的结果。设靶含两种组分，对应的浓度分别是c1和c2，且c2?c2?1。与两种组分相对应的部分溅射产额的定义为 Yi?[溅射出来的原子数]i ( i=1,2 ） （6.6-10）
每入射一个粒子如果两种组分的质量差别较大时，部分溅射产额Yi可以表示成为 Yi?ci(U0)i(Y)i （6.6-11） U0i其中(U0)i和(Y)i是单一元素i靶中的表面势垒和溅射产额，而U0是合金中第i组分的表面势垒。可以看见束缚不紧的元素会优先溅射。如果两种组分的质量差别不大时，部分溅射产额Yi可以近似地表示成为