溅射物理 我们知道具有一定能量的离子入射到固体表面上时，它将同表面层内的原子不断地进行碰撞，并产生能量转移。固体表面层内的原子获得能量后将做反冲运动，并形成一系列的级联运动。如果某一做级联运动的原子向固体表面方向运动，则当其动能大于表面的结合能时，它将从固体表面发射出去，这种现象称为溅射。早在 1853 年 Grove 就观察到了溅射现象，他发现在气体放电室的器壁上有一层金属沉积物，沉积物的成份与阴极材料的成份完全相同。但当时他并不知道产生这种现象的物理原因。直到 1902 年，Goldstein 才指出产生这种溅射现象的原因是由于阴极受到电离气体中的离子的轰击而引起的，并且他完成了第一个离子束溅射实验。到了 1960 年以后，人们开始重视对溅射现象的研究，其原因是它不仅与带电粒子同固体表面相互作用的各种物理过程直接相关，而且它具有重要的应用，如核聚变反应堆的器壁保护、表面分析技术及薄膜制备等都涉及到溅射现象。1969年，Sigmund 在总结了大量的实验工作的基础上，对Thompson 的理论工作进行了推广，建立了原子线性级联碰撞的理论模型，并由此得到了原子溅射产额的公式。对于低能重离子辐照固体表面，可以产生原子的非线性级联碰撞现象，通常称为“热钉扎” (thermalized spike) 效应。在 1974 年，这一现象被 H.H. Andersen 和 H. L. Bay 的实验所验证。 本章主要介绍溅射物理过程的一些基本概念和特征、计算溅射产额的 Sigmund 的线性级联碰撞模型、Matusnami 等人的溅射产额经验公式、热钉扎溅射以及溅射过程的计算机模拟等。最后，我们还对表面腐蚀现象与溅射过程之间的关系进行简要的讨论。 §6.1 溅射过程的一般描述 溅射过程可以用溅射产额Y 这个物理量来定量地描述，其定义为平均每入射一个粒子从靶表面溅射出来的原子数，即 每入射一个粒子溅射出来的原子数Y (6.1-1) 溅射产额依赖于靶材料的结构、成份及表面形貌，同时还与入射离子的能量、电荷态和种类有关。人们对溅射产额的实验测量已有近百年的历史，然而比较感兴趣的是 keV 能量范围的重离子碰撞固体材料产生的原子溅射。在这种情况下，溅射产额的取值范围约为 1~10。1984 年 Matsunami 等人列表给出了关于溅射产额的大量实验数据。 图 6.1 给出了溅射产额Y 随入射离子能量 E 变化的简单示意图，简称溅射曲线。从该图可以看出溅射产额随入射离子能量的变化有如下特征：存在一个溅射阈值，阈值能量...
