Che cosa è Sputtering?

Lo sputtering è un processo per cui le particelle vengono espulsi da un materiale solido a causa del bombardamento del target di particelle energetiche, in particolare ioni di gas in un laboratorio. Succede solo quando l'energia cinetica delle particelle in arrivo è molto superiore a energie termiche convenzionali (1 eV). Questo processo può portare, durante prolungati dello ione o bombardamento del plasma di un materiale, di erosione significativa dei materiali e così può essere dannoso. D'altra parte, è comunemente usato per la deposizione di film sottili, tecniche analitiche e acquaforte. Sputtering è effettuata sia mediante tensione DC (DC Sputtering) o tensione alternata (RF Sputtering). In DC Sputtering, la tensione è impostata da 3-5 kV e in RF Sputtering, alimentatore è impostato a 14 MHz. a causa dell'applicazione di una corrente alternata, gli ioni all'interno del plasma oscillano conseguente a un aumento dei livelli del plasma.

Fisica di Sputtering

Sputtering fisicoè guidato tramite lo scambio di quantità di moto tra gli ioni e gli atomi dei materiali di destinazione, a causa di collisioni.

Gli ioni incidenti partono da cascate di collisione nella destinazione. Quando tali cascades rinculo e raggiungere la superficie di destinazione con un'energia superiore all'energia di legame superficiale, un atomo avrebbe espulso, e questo processo è noto come sputtering. Se la destinazione è sottile su scala atomica, la cascata di collisioni può raggiungere il lato posteriore dell'obiettivo e atomi possono fuoriuscire l'energia di legame superficiale "nella trasmissione". Il numero medio di atomi espulso da ogni ione incidente viene chiamato la resa di sputtering e dipende l'angolo di incidenza dello ione, l'energia dello ione, le masse degli atomi dello ione e destinazione e la superficie energia di legame degli atomi nella destinazione. Per un obiettivo cristallino l'orientamento degli assi cristallo rispetto alla superficie di destinazione è rilevante.

Delle particelle primarie per il processo di sputtering possono essere fornite in vari modi: ad esempio di un plasma, unsorgente di ioni, un acceleratore o di un materiale radioattivo che emette particelle alfa.

Un modello per descrivere sputtering in regime di cascade per obiettivi piatti amorfi è modello analitico di Thompson. Nel programma di TRIM è implementato un algoritmo che simula sputtering basato su un trattamento meccanico di quantum compresi gli elettroni ad alta energia di spogliatura.

Un meccanismo differente di sputtering fisico è calore spike sputtering. Questo problema può verificarsi quando il solido è abbastanza denso, e quindi il pesante dello ione in arrivo abbastanza, che le collisioni si verificano molto vicino a vicenda. Quindi il ravvicinamento di collisione binario non è più valido, ma piuttosto il processo collisionale dovrebbe essere inteso come un processo di molti corpi. Le collisioni dense inducono un picco di calore (anche chiamato picco termico), che essenzialmente si scioglie il cristallo localmente. Se la zona fusa è abbastanza vicina ad una superficie, il prelievo di un numero elevato di atomi può schizzare a causa del flusso di liquido alla superficie e/o microesplosioni. Calore a spillo sputtering è più importante per gli ioni pesanti (dire Xe o Au o cluster di ioni) con energie nella gamma di keV – MeV, il bombardamento dense ma metalli teneri con un basso punto di fusione (Ag, Au, Pb, ecc.). Il calore spike sputtering spesso aumenta nonlinearly con energia e per gli ioni piccolo cluster può causare drammatiche rese sputtering per cluster dell'ordine di 10.000.

Sputtering fisico ha una soglia di minima energia ben definita uguale o maggiore dell'energia dello ione a cui il trasferimento di energia massima dello ione ad un atomo del campione è uguale l'energia di legame di un atomo di superficie. Questa soglia è in genere da qualche parte nel range 10 – 100 eV.

Sputtering preferenziale può verificarsi all'inizio quando un target solido multicomponente è bombardato e non c'è nessuna diffusione allo stato solido. Se il trasferimento di energia è più efficiente di uno dei componenti di destinazione e/o è meno fortemente associato al solido, esso si polverizza in modo più efficiente rispetto agli altri. Se in una lega di AB la componente A è polverizzato preferenzialmente, la superficie del solido sarà, durante il bombardamento prolungato, diventare arricchita nel componente B, aumentando così la probabilità che B è polverizzato tale che la composizione del materiale sputtered alla fine tornerà ad AB.