Abstract
This overview is not intended as yet another contribution to existing reviews on the physics of sputtering and its history. In this respect, the interested reader is referred to the excellent recent monographs and conference proceedings given in Ref.1 to 5. The intention of this article is to give an introduction to physical sputtering, guided by the interplay between collisional and “thermal” sputtering which has obscured the understanding of the phenomenon since its discovery. It will become apparent that angular distributions of sputtered particles have always played a decisive role in identifying the relevant mechanisms, energy distributions have allowed quantifying them, and mass distributions now urge further efforts towards understanding collective processes.
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References
Behrisch R.: Festkörperzerstäubung durch Ionenbeschuß, in Ergebn. Exakt Naturwiss. 35 (1964) 295
Kaminsky M.: Atomic and Ionic Impact Phenomena on Metal Surfaces, Springer-Verlag Berlin, Heidelberg, New York (1965)
Behrisch R. (ed.): Sputtering by Particle Bombardment Vol. I: Physical Sputtering of Single-Element Solids (1981) Vol. II: Sputtering of Alloys and Compounds, Electron and Neutron Sputtering, Surface Topography (1983) Vol. III: in preparation (2001)
Behrisch R., W. Heiland, W. Poschenrieder, P. Staib, H. Verbeek (Eds.): Ion Surface Interaction, Sputtering and Related Phenomena, Gordon & Breach, London, New York Paris (1973) Also published as volume 18/19 in Radiation Effects
Varga P., G. Betz, F.P. Viehböck (Eds.): Symposium on Sputtering, Perchtoldsdorf/Vienna (1980) Published by IAP, Technische Universität Wien, Austria
Stark J.: Die Elektrizität in Gasen, Barth, Leipzig (1902)“In erster Linie haben wir die Zerstäubung als Verdampfung zu betrachten und auf die hohe Temperatur an der Oberfläche der Kathode zurückzuführen. Es können die Metallmoleküle da, wo positive Ionen auftreffen, infolge von deren riesiger kinetischer Energie für kurze Zeit unmittelbar nach dem Auftreffen eine sehr hohe Temperatur von den positiven Ionen übernehmen, infolge davon in den Gasraum hineinverdampfen…” “We must regard sputtering primarily as evaporation caused by the high temperature at the surface of the cathode. Where the positive ions strike, the metal molecules can acquire from them, as a result of their huge kinetic energy, a very high temperature which persists for a short time directly after the impact; the metal particles consequently evaporate into the vacuum…” p. 434
Thomson J.J., G.P. Thomson: Conduction of Electricity through Gases, Cambridge Univ. Pr., Vol. I (1928), Vol. II (1933)
Stark J.: Z. Elektrochem. 14 (1908) 752, and 15 (1909) 509 “Ein Atomstrahl (Kanalstrahl) besitzt eine große kinetische Energie; beim Auftreffen auf ein Atom an der Oberfläche eines festen oder flüssigen Körpers kann er an dieses einen Teil seiner kinetischen Energie durch Stoß abgeben, mag er hierbei reflektiert werden oder nicht. Indem das getroffene Atom eine Geschwindigkeitskomponente in der Richtung des auftreffenden Atomstrahls von diesem übernimmt, wird es in gewissem Sinne selbst zu einem geladenen oder ungeladenen Strahle und kann, indem es auf seinem Wege auf ein anderes Atom trifft, an diesem eine Reflexion erfahren: und erhält es hierbei eine Geschwindigkeitskomponente senkrecht zur Oberfläche nach außen, so kann es aus dieser heraus in den Gasraum übertreten…” “An atomic ray (canal ray) possesses a large kinetic energy; during impact with an atom on the surface of a solid or fluid body, it can give up a part of its kinetic energy to the atom in the collision, whether or not thereby undergoing reflection. The atom struck acquires a component of velocity in the direction of the incident atomic beam, it will itself in a sense become a charged or uncharged ray and can experience reflection by striking another atom in its path; should it thus acquire a velocity component outwards normal to the surface, it can exit from the surface into the vacuum…” p. 754
Hittorf W.: Ann. Physik u. Chemie (Lpzg.) 21 (1884) 90
Plücker J.: ibid. 104 (1858) 113
Granquist G.: Öfvers. Svenska Vet. Akad. Förh. 55 (1898) 709
Kohlschütter V.: Die Zerstäubung durch Kanalstrahlen, Jahrb. d. Radioaktivität u. Elektronik 9 (1912) 355
Dessauer Fr.: Z. Physik 23 (1923) 38
Kapitza P.: Phil Mag. 45 (1923) 989 see, however, also A. Becker: Ann. Physik 75 (1924) 217 and Ref. 18, where a more critical view of thermal electron emission is taken.
Hippel A. v.: Ann. Physik 81 (1926) 1043
Seeliger R., K. Sommermeier: Z. Physik 93 (1935) 692
Sommermeyer K.: Ann. Physik 25 (1936) 481
Morgulis N.D.: Z. Eksper. Teoret. Fiz. 9 (1939) 1484 (in Russian)
Townes C.H.: Phys. Rev. 65 (1944) 319
Wehner G.K.: J. Appl. Phys. 26 (1955) 1056, and Phys. Rev. 102 (1956) 690
Yurasova V.E.: Sov. Phys.-Techn.Phys. 3 (1958) 1806 Yurasova V.E., N. Pleshivtsev, I. Orfanov: Sov. Phys.-JETP,37 (1960) 689 Yurasova V.E., I.G. Sirotenko: ibid. 968 (1962)
Thompson M.W.: Phil. Mag. 4 (1959) 139
Nelson R.S., M.W. Thompson: Proc. Roy. Soc. A 259 (1961) 458
Molchanov V.A., V.G. Tel’kovskii, V.M. Chickerov: Sov. Phys.-Doklady 6 (1961) 486
Perovic B.: Bull. Inst. Nucl. Sci. “Boris Kidrich” 11 (1961) 37
Cooper C.B., J. Comas: J. Appi. Phys. 36 (1965) 2891
Chen G.P., Besocke K., S. Berger, W.O. Hofer: to be published
Linders J., H. Niedrig, M. Sternberg: Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B2 (1984) 649
Robinson M.T., A.L. Southern: J. Appl. Phys. 38 (1967) 2969 Robinson M.T.: ibid. 40 (1969) 4982 Robinson M.T., A.L. Southern: ibid. 39 (1968) 3463
Hofer W.O.: Thesis Universität München 1972, and Ref. 4 p. 7
Olson N.Th., H.P. Smith: AIAA-Journal 4 (1966) 916 Olson N.Th., H.P. Smith: Phys. Rev. 157 (1967) 241
Musket R.G., H.P. Smith: J. Appl. Phys. 39 (1968) 3579 Higgins T.B., N.Th. Olson, H.P. Smith: J. Appl. Phys. 39 (1968) 4849
Nelson R.S., M.W. Thompson, H. Montgomery: Phil. Mag. 7 (1962) 1385
Chapman G.E., J.C. Kelly: Austral. J. Phys. 20 (1967) 283
Schulz F., R. Sizmann: Proc. 8th Int. Conf. Ion. Phen. Gases,Vienna, 1967, p. 35
Schulz F.: Thesis Techn. Universität München 1967
Szymczak W., K. Wittmaack: Nucl. Instr. Meth. 194 (1982) 561
Szymczak W.: Thesis, Universität München 1985
Silsbee R.H.: J. Appl. Phys. 28 (1957) 1246
Lehmann Chr., G. Leibfried: Z. Physik 162 (1971) 203
Robinson M.T.: Ref. 2 Vol. I p. 73–218
Nelson R.S., R. v. Jan: Phil Mag. 17 (1968) 1017
Lehmann Chr., P. Sigmund: phys. stat. sol. 16 (1966) 507
Harrison D.E., J.P. Johnson, N.S. Levy: Appl. Phys. Lett. 8 (1966) 33, and J. Appl. Phys. 39 (1968) 3742
Brandt W., R. Laubert: Nucl. Instr. Meth. 47 (1967) 201
Sigmund P.: Phys. Rev. 184 (1969) 383
Besocke K., S. Berger, W.O. Hofer, U. Littmark: Radiat. Eff. 66 (1982) 35 Hofer W.O., K. Besocke, B. Stritzker: Appl. Phys. A 30 (1983) 83
Sigmund P., M. Szymonski: Appl. Phys. A 33 (1984) 141
Nelson R.S.: Phil. Mag. 11 (1965) 291
Kelly R.: Radiat. Eff. 32 (1977) 91
Andersen H.H., H.L. Bay: Radiat. Eff. 19 (1973) 139
Sigmund P.: Appl. Phys. Lett. 25 (1974) 169
Sommerfeldt H., E.S. Mashkova, V.A. Molchanov: Radiat. Eff. 9 (1971) 267, and Phys. Lett. 38 A (1972) 237 Holmén G.: Radiat. Eff. 24 (1975) 7
Anderson G.S., G.K. Wehner: J. Appl. Phys. 34 (1963) 3492, and Surface Sci. 2 (1964) 367 Anderson G.S.: J. Appl. Phys. 37 (1966) 3455
Tsuge H., S. Esho: J. Appl. Phys. 52 (1981) 4391
Okutani T., M. Shikata, S. Ishimura, R. Shimizu: J. Appl. Phys. 51 (1980) 2884
Andersen H.H., B. Stenum, T. Sørensen, H.J. Whitlow: Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B 6 (1985) 459
Koedam M., Thesis Reijksuniversiteit Utrecht 1961
Weijsenfeld C.H.: Thesis Reijksuniversiteit Utrecht 1966
Veen van A., J.M. Fluit: Nucl. Instr. Meth. 170 (1980) 341, and Thesis Reijksuniversiteit Utrecht 1979
Littmark, U., G. Maderlechner: SPIG 1976 Dubrovnik Jugoslavi a, p. 136
Fedder S., U. Littmark: Nucl. Instr. Meth. 194 (1982) 607
Biersack J.P., W. Eckstein: Appl. Phys. A 34 [1984) 73
Hautala M., H.J. Whitlow: Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B6 (1985) 466
Bay H.L., J. Bohdansky: Appl. Phys. 19 (1979) 421
Bay H.L., J. Bohdansky, W.O. Hofer, J. Roth: Appl. Phys. 21 (1980) 327
Hofer W.O., H.L. Bay, P.J. Martin: J. Nucl. Instr. 76/77 (1978) 156
Rödelsperger K., A. Scharmann: Z. Physik B 28 (1977) 37, and Nucl. Instr. Meth. 132 (1976) 355
Motohiro T., Y. Taga, K. Nakajima: Surf. Sci. 118 (1982) 66
Hermanne, N. Ref. 4 p. 161
Alexander V., H.J. Lippold, H. Niedrig: Radiat. Eff. 56 (1981) 241, and Ref. 5, p. 622
Carter G., B. Navinsek, J.L. Whitton: Ref. 3 Vol. II p. 231
Littmark U., W.O. Hofer: J. Mater. Sci. 13 (1978) 2577
Panitz J.K.G., D.J. Sharp: J. Vac. Sci. Technol. 17 (1980) 282
Thompson M.W., R.S. Nelson: Phil. Mag. 7 (1962) 2015
Thompson M.W.:Phys. Lett. 6 (1963) 24
Stuart R.V., G.K. Wehner: J. Appl. Phys. 35 (1964) 1819, and 40 (1969) 803
Hulpke E., Ch. Schlier: Z. Physik 207 (1967) 294
Thompson M.W., B.W. Farmery, P.A. Newson: Phil. Mag 18 (1968) 361 Thompson M.W.: ibid. 18 (1968) 377 Farmery B.W., M.W. Thompson: ibid. 18 (1968) 415
Chapman G.E., B.W. Farmery, M.W. Thompson, I.H. Wilson: Radiat. Eff. 13 (1972) 121
Reid I.H., M.W. Thompson, B.W. Farmery: Phil. Mag. A 42 (1980) 151
Ahmad S., B.W. Farmery, M.W. Thompson: Phil. Mag. A 44 (1981) 1387
Ahmad S., M.W. Thompson: Phil. Mag. A 50 (1984) 299
Husinsky W., G. Betz, I. Girgis: J. Vac. Sci. Technol. A 2 (1984) 698
Husinsky W., G. Betz, I. Girgis, F. Viehböck, H.L. Bay: J. Nucl. Mater. 128 & 129 (1984) 577
Bay H.L., W. Berres, E. Hintz: Nucl. Instr. Meth. 104 (1982) 555
Schweer B., H.L. Bay: in Proc. IV Int. Conf. on Solid Surfaces and IIIrd Eur. Conf. on Surf. Sci., ed. by D.A. Degras ans M. Costa ( Société Francaise du Vide, Paris 1980 ) p. 1349
Schweer B., H.L. Bay: Appl. Phys. A 29 (1982) 53 Dullni E.: Appl. Phys. A38 (1985) 131
Bay H.L., W. Berres: Nucl. Instr. Meth. Phys. Res. B 2 (1984) 606
Yu M.L., D. Grischkowsky, A.C. Blatant: Phys. Rev. Lett. 48 (1982) 427
Wright R.B., M.J. Pellin, D.M. Gruen: Surf. Sci. 110 (1981) 151 Young C.E., W.F. Calaway, M. J. Pellin, D.M. Gruen: J. Vac. Sci. Techn. A2 (1984) 693
Bay H.L., B. Schweer: in Sympos. on Surf. Sci. Obertraun, Austria 1985 ed. by G. Betz et al. TU Wien p. 147
Staudenmaier G.: Radiat. Eff. 13 (1972) 87
Wittmaack K. in Inelastic Ion-Surface Collis., eds.: N.H. Tolk et al., Academic Press 1977 p. 153; review paper.
Veksler V.I.: Sov. Phys. JETP 11 (1960) 235
Vasile M.J.: Phys. Rev. B 29 (1984) 3785
Szymonski M., A.E. de Vries: Phys. Lett. 63A (1977) 359, and J. Phys. D, 11 (1978) 751
de Vries A.E.: Ref. 5 p. 256
Honig R.E.: J. Appl. Phys. 29 (1958) 549
Krohn, V.E.: J. Appl. Phys. 33 (1962) 3523
Woodyard J.R., C.B. Cooper: J. Appl. Phys. 35 (1964) 1107 Woodyard J.R.: 15th Ann. Conf. Mass Spec. Appl. Top., Denver (1967) p. 254
Hofer W.O.: Nucl. Instr. Meth. 170 (1980) 275, review paper
Hortig G., M. Müller: Z. Physik 221 (1969) 119
Thum F., W.O. Hofer: Surf. Sci. 90 (1979) 331
Schou J., W.O. Hofer: Appl. Surf. Sci. 10 (1982) 383
Oechsner H., W. Gerhard: Surf. Sci. 44 (1974) 480
Gerhard W.: Z. Physik B 22 (1975) 41
Oechsner H., E. Stumpe: Appl. Phys. 14 (1977) 43
Gnaser H., W.O. Hofer: to be published
Können G.P., A. Tip, A. E. de Vries: Radiat. Eff. 21 (1974) 269, and 26 (1975) 23
Bitenskii I.S., E.S. Parilis: Sov. Phys. Tech. Phys. 23 (1978) 1104
Harrison D.E., C.B. Delaplain: J. Appl. Phys. 47 (1976) 2252
Dörnenburg E., H. Hintenberger: Z. Naturforschg. 14a (1959) 765, and 16a (1961) 532
Blaise G., G. Slodzian: C.R. Acad. Sc. Paris, Ser. B 266 (1968) 1525
Joyes P., J. Phys. Chem. Solids 32 (1971) 1269
Rodriguez-Murcia H., H.E. Beske: Adv. in Mass Spectrom. 7 (1978) 598, and Report Jül-1292 (1976)
Dzhemaliev N.Kh., R.I. Kurbanov: Izv. Akad. Nauk SSSR, Ser. Fiz. 43 (1979) 606
Snowdon K.: Nucl. Instr. Meth. B in press
Merkle K.L., W. Jäger: Phil. Mag. A 44 (1981) 741 Merkle K.L.: 35th Ann. Proc. Electron Microscopy Soc. Amer., Boston, Mass. (1977), ed.: G.W. Bailey, p. 36
Bay H.L., H.H. Andersen, W.O. Hofer, O. Nielsen: Nucl. Instr. Meth. 133 (1976) 301
Sigmund P.: Ref. 93 p. 121
Kaminsky M., J. Peavey, S. Das: Phys. Rev. Lett. 32 (1974) 599, and J. Nucl. Mater. 53 (1974) 162
Behrisch R.: Nucl. Instr. Meth. 132 (1976) 293, and Ref. 3, Vol. II p 179, review articles
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Hofer, W.O. (1986). Physical Sputtering of Elemental Metals and Semiconductors. In: Kiriakidis, G., Carter, G., Whitton, J.L. (eds) Erosion and Growth of Solids Stimulated by Atom and Ion Beams. NATO ASI Series, vol 112. Springer, Dordrecht. https://doi.org/10.1007/978-94-009-4422-0_1
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