Pulverizarea este definită ca ejectarea de particule (atomi, ioni și grupuri) de pe o suprafață care este bombardată de ioni energetici. Uneori, termenul „pulverizare” este folosit mai general pentru a desemna procesele de eroziune induse de impactul atomilor, moleculelor, neutronilor sau electronilor. De asemenea, ar trebui să distingem între pulverizarea „chimică” și „fizică”.

Pulverizarea chimică implică reacții chimice între particulele fasciculului de intrare și materialul țintă, cum ar fi, de exemplu, formarea de compuși pe suprafață, care sunt ulterior pulverizați ca rezultat al iradierii continue a particulelor.

Conceptul de pulverizare fizică se aplică procesului în care particulele energetice pătrund la o anumită distanță în solid, unde vor da naștere la cascade de coliziune sau vârfuri termice, ducând în cele din urmă la ejectarea materialului țintă. Acest lucru este prezentat schematic în Fig. 1. De obicei, „sputtering” înseamnă pulverizare fizică și așa este folosit în acest context.

Progresul tehnologiei de vid înalt și ultraînalt în ultimele decenii și accesul la fascicule de ioni monoenergetice separate de masă în acceleratoarele de ioni au făcut posibilă studierea naturii procesului de pulverizare cu destulă acuratețe. Câteva articole de recenzie clasice, care au discutat subiectele fenomenelor de pulverizare, sunt date în referințe (Behrisch 1964; Kaminsky 1965; Carter și Colligon 1968; McDonald 1970; Carter și colab. 1971). Pe baza constatărilor prezentate în aceste referințe, o scurtă descriere a principalelor caracteristici ale procesului de pulverizare este prezentată mai jos.

După cum este indicat în Fig. 1, pulverizarea este cauzată de cascadele de coliziuni care au loc în interiorul solidului, rezultând un flux de atomi țintă, dintre care unii se deplasează spre suprafață. Fracția de atomi care intersectează suprafața cu energii care depășesc energia de legare la suprafață va fi atunci ejectată. Unii dintre ionii incidenți se vor împrăștia de pe suprafața țintă și, astfel, nu vor contribui la procesul de pulverizare. În acest context, „randamentul pulverizării” conține o mulțime de informații. Această cantitate este definită ca numărul de atomi pulverizați (inclusiv materialul ejectat ca ioni, molecule și clustere) per particulă care intră, adică este o măsură a eficienței de pulverizare a materialului țintă în cauză pentru masa particulelor de sosire respective.

Au fost efectuate multe măsurători pentru a determina randamentul pulverizării ca o funcție de masa și energia ionilor, unghiul de incidență, masa și temperatura țintei, doza de bombardament etc. Aceste experimente au fost efectuate pentru diferite combinații ion-țintă, condiții de suprafață și orientări cristalografice folosind monocristale (McCracken 1975; Wehner 1956; Molchanov și Chicherov 1961; Nelson 1965; Onderdenlinden 1966; Benninghoven 1969; Andersen și Bay 1972, 1973, b. Roth et al. 1976; Behrisch et al. 1976). Rezumat mai jos, sunt prezentați unii dintre factorii care afectează randamentul pulverizării.

Din 1926 (Von Hippel 1926), au fost prezentate mai multe teorii despre mecanismul pulverizării (Lehman și Sigmund 1966; Thompson 1968; Sigmund 1968). S-a crezut mult timp că pulverizarea este un fenomen de evaporare pur, adică se creează un vârf termic sau „punct fierbinte” pe măsură ce ionii incidenți pătrund și își pierd energia în rețeaua țintă. Până când GK Wehner, care a folosit monocristale, a descoperit că există direcții preferențiale din care particulele sunt pulverizate, nu și-a dat seama că sunt implicate procese de transfer de energie de coliziune (Wehner 1956, 1957, 1959, 1968). Această concluzie a fost confirmată de descoperirea că vitezele de ejectare medie și maximă sunt prea mari (un factor de zece sau mai mult) pentru a fi explicate prin mecanisme de evaporare pure care dau naștere la viteze de ejectare corespunzătoare energiilor termice (Wehner 1956; Nelson 1965; Thompson 1968; Benninghoven 1965; Oechsner și Reichert 1966; Chapman şi colab. 1972).

Una dintre cele mai de succes teorii de pulverizare a fost dezvoltată de P. Sigmund (1968, 1969, 1973, 1974). În formularea sa efectele cristalografice au fost ignorate, adică au fost luate în considerare doar materiale amorfe. Potrivit lui P. Sigmund, un calcul al randamentului prin pulverizare constă dintr-un număr de pași definiți prin determinarea:

• Energiei depusă de ionul de impact și particulele de recul aproape de suprafața țintă
• Cantității de atomi de recul cu energie scăzută la care acest transfer de energie dă naștere
• Numărul de atomi de recul care ajung în regiunea de suprafață
• Fracția de atomi de recul care au suficientă energie pentru a depăși energia de legare la suprafață

P. Sigmund a arătat că randamentul de pulverizare S(E) pentru un ion energetic cu energia E care depășește 1 KeV poate fi scris astfel:

S(E) = 3/4π²⁎ 1/CoUo ⁎ α ⁎ Sn(E) (1)

unde Co este un factor determinat de potențialul de interacțiune al atomilor țintă la energiile de recul, Uo este bariera potențialului de suprafață (energia de legare a atomilor de suprafață), α este o măsură a eficienței transferului de impuls în ciocniri și Sn(E) este puterea elastică de oprire (adică pierderea de energie pe unitatea de lungime a particulei penetrante din cauza coliziunilor nucleare) dată de J. Lindhard et al. (1968).

Pentru energii de impact mai mici, până la aproximativ 1 KeV, randamentul pulverizării este dat de:

S(E) = 3/4π²⁎ α ⁎Tm/Uo (2)

unde Tm = 4M1M2/(M1 +M2) ⁎ E

adică transferul maxim de energie. M1 și M2 sunt masele ionului de intrare și, respectiv, țintei.

P. Sigmund a dat, de asemenea, o expresie pentru variația randamentului pulverizarii cu unghiul de incidență a ionilor θ față de normala suprafeței țintă (Sigmund 1968):

S(E,h) /S(E, 1) = (cosθ)^-f (3)

unde h este cosinusul direcției, S(E,1) randamentul pulverizării pentru incidența normală a ionilor și f un număr care se află între 1 și 2. Ecuația 3 se aplică rapoartelor de masă moderate și pentru unghiuri de incidență de până la aproximativ 70^o. Pentru incidență foarte oblică, împrăștierea ionilor la suprafață scade probabilitatea de pulverizare.

Conform teoriei, se poate demonstra că energia cinetică E și distribuția unghiulară ϴ a atomilor pulverizați de la suprafață pot fi exprimate astfel:

F(E,θ) = CoS ⁎ E/(E + Uo)³ ⁎ cos(θ) (4)

Evident, maximul în distribuția energiei are loc la E = Uo/2.

Informații importante despre procesul de pulverizare se obțin și din măsurarea distribuției de energie a particulelor pulverizate. Spectrul energetic al atomilor ejectați are un vârf la o energie de câțiva eV. Poziția precisă a acestui vârf depinde în principal de energia de legare la suprafață și într-o măsură mai mică de energia fasciculului de intrare (Thompson 1968). La energii mai mari ale particulelor secundare, densitatea fluxului scade ca E^-2. Acest comportament este în concordanță cu modelul de cascadă de coliziuni, presupunând o distribuție izotropă a vitezei de recul.