二硫化钼靶材溅射率是多少？影响机制详解，如何优化薄膜沉积过程

二硫化钼靶材溅射率的基本概念

A. 溅射率的定义

溅射率是描述靶材在溅射过程中材料剥离效率的一个关键参数，通常表示为每个入射离子导致的靶材原子或分子脱离的数量。它的物理定义可以表述为：

其中，Nejected 是每单位面积上被溅射出的靶材原子数，Nincident 是入射的高能离子数。溅射率是一个无量纲数值，通常与溅射条件、靶材特性和设备参数相关。

影响溅射率的因素主要可以分为两个方面：

靶材的物理特性：密度、原子质量、结合能等会直接影响材料被剥离的难易程度。结合能越高，溅射率越低；靶材密度较大的材料通常也会表现出较低的溅射率。

外部实验条件：离子能量、入射角度、靶材温度和气体环境等都会影响溅射率。离子能量较低时，无法提供足够的能量剥离靶材原子；离子能量过高则可能造成靶材的过度损耗，并产生较多的热效应。

B. 二硫化钼靶材的特殊性

二硫化钼 (MoS₂) 是一种过渡金属二硫化物，具有层状晶体结构。每个二硫化钼层由一层钼原子夹在两层硫原子之间，形成三明治式的堆叠。层与层之间通过弱的范德华力相互作用。这种结构上的独特性对溅射率有显著影响。

层状结构的各向异性：由于 MoS₂ 是二维材料，层间的结合力主要依赖范德华力，这使得溅射过程中较容易剥离靶材表面原子。这与三维材料的强键合不同，导致二硫化钼的溅射率较高，尤其是在低能量离子轰击时。

低结合能：MoS₂ 层间的范德华力相对较弱，与材料内部原子键合的强度形成鲜明对比。在溅射过程中，这种低结合能意味着离子轰击时更容易使材料层剥离，而不必像其他材料那样需要较高能量去打破强原子键。因此，MoS₂ 的溅射率受其低结合能层间范德华力的影响，通常表现为相对较高的值，尤其是在低离子能量条件下。

影响二硫化钼靶材溅射率的主要因素

A. 入射离子能量

入射离子能量是影响靶材溅射率的关键因素。入射离子轰击靶材时，其动能必须足够高才能克服靶材表面的结合能并将原子从靶材中剥离。在不同的能量段，溅射率的变化规律也不同：

低离子能量：当入射离子能量较低时（如几十到几百电子伏），能量不足以有效地将 MoS₂ 靶材中的原子剥离。此时，溅射率较低，且材料的去除以弹性碰撞为主，溅射过程效率低。

中等离子能量：随着入射离子能量增加至几百电子伏至几千电子伏时，溅射率会迅速上升。此时，离子能量足够激活靶材原子的动能，使其能够有效逃逸表面，溅射率达到一个相对高的值。

高离子能量：若离子能量过高（如几千电子伏以上），入射的能量可能会转化为大量热能，导致材料的过度损耗并产生次生效应，如非线性加热、表面重构等，反而可能降低有效的溅射率。因此，在溅射过程中需控制离子能量，避免产生过多的损耗。

实验表明，MoS₂ 靶材的溅射率随着离子能量的增加呈现出典型的 “钟形曲线” 变化：在适中的离子能量范围内，溅射率达到峰值。

B. 靶材表面状态

靶材的表面状态对溅射率的影响同样显著。表面氧化、污染物的存在或靶材表面粗糙度的不同，都会影响靶材与入射离子之间的相互作用：

表面污染：靶材表面的污染物（如氧化物、碳氢化合物等）会形成一层阻挡膜，减少入射离子的有效轰击面积，从而降低溅射率。

表面氧化：MoS₂ 表面可能在暴露于空气或高温环境中形成氧化物层，尤其是氧化钼，这层氧化物会增加靶材的表面结合能，降低靶材的溅射率。

表面粗糙度：靶材表面粗糙度的增加可能会导致入射离子与表面作用的角度和能量分布不均，进而影响溅射率。表面平整度越高，溅射率越稳定。因此，靶材的预处理（如离子清洗）是提高溅射率的常用手段之一，通过去除表面污染和优化表面形貌可以显著提高溅射效率。

C. 溅射气体与压强

溅射过程中使用的工作气体及其压强对溅射率有着直接的影响，特别是在二硫化钼靶材的溅射中，气体的种类和压强可以影响离子与靶材表面的能量传递和化学反应。

气体种类：最常用的溅射气体是氩气（Ar），因其质量较大且化学惰性，不会与靶材发生化学反应。因此，在氩气环境中，二硫化钼靶材的溅射率主要依赖于物理过程。然而，若采用活性气体（如氮气或氧气），则可能与二硫化钼发生化学反应，导致靶材表面发生钝化或形成化学结合层，进而改变溅射率。

气体压强：气体压强越高，靶材表面与气体分子碰撞的频率越高，离子能量传递效率降低，导致溅射率下降。因此，在实际应用中，通常需要优化气体压强，以平衡溅射率和薄膜质量之间的关系。

D. 靶材温度

靶材温度对溅射效率的影响不可忽视。随着靶材温度的升高，靶材原子的动能增加，结合能减弱，从而更容易发生溅射：

温度升高对溅射效率的增加：较高的靶材温度有助于减少原子的束缚力，从而提高溅射率。然而，过高的温度可能导致材料表面重构或熔化，影响溅射的均匀性和薄膜的质量。

热扩散效应：温度升高还会导致材料内部的原子扩散增强，这在某些情况下可能导致材料的再沉积或减少溅射效率。因此，在实际操作中，需控制靶材温度，以提高溅射效率并确保薄膜的均匀性和质量。

溅射率与二硫化钼薄膜质量的关系

A. 溅射率与沉积速率的关系

溅射率直接决定了二硫化钼薄膜的沉积速率。溅射率越高，沉积速率越快。对于需要精确控制薄膜厚度的应用，如半导体器件中的薄膜，溅射率的精确调控至关重要：

优化溅射率来控制薄膜厚度：通过调节溅射率，可以实现薄膜厚度的精确控制。较高的溅射率可以加快沉积速率，但需要注意的是，过高的溅射率可能导致薄膜内部应力增加，影响薄膜的机械性能和稳定性。

B. 溅射率对薄膜结构与晶体质量的影响

溅射率不仅影响薄膜的沉积速率，还直接影响薄膜的晶体质量和结构。溅射率过低或过高都会对晶体质量产生不利影响：

溅射率与晶粒尺寸：溅射率较高时，薄膜的生长速率加快，可能导致晶粒的快速形成和晶界的增加，降低薄膜的晶体完整性。反之，适中的溅射率有助于形成较为均匀的晶粒结构。

缺陷和位错：溅射率过高可能导致晶体内产生位错和其他结构缺陷，影响薄膜的机械和电学性能。MoS₂ 薄膜中层间滑移的现象也会随溅射率的变化而发生改变，影响最终薄膜的稳定性。

C. 溅射率与薄膜的电学和光学性质

溅射率还会影响二硫化钼薄膜的电学和光学性质：

导电性与载流子迁移率：溅射率过高可能导致薄膜内部缺陷增多，从而降低载流子迁移率，影响薄膜的导电性。优化溅射率可以减少薄膜的缺陷密度，提高其电学性能。

光学带隙：溅射率对 MoS₂ 薄膜的光学带隙也有一定影响。较高的溅射率可能导致薄膜中的杂质和缺陷增加，从而影响其光学带隙的准确性。