溅射中使用的主要气体是氩气 (Ar)。 作为一种惰性稀有气体，氩气提供了理想的原子质量、成本效益和化学稳定性组合，这些是物理性地将原子从靶材中轰击出来而又不与之发生反应所必需的。虽然氩气是默认选择，但所使用的具体气体是一个针对预期结果量身定制的关键工艺参数。
核心原理是：溅射需要一种气体来产生等离子体并轰击靶材。在纯物理沉积的惰性气体（如氩气）和用于化学合成的反应性气体（如氮气）之间的选择，是决定您的薄膜最终特性的基本决策。
气体在溅射中的作用
溅射是一种物理气相沉积 (PVD) 工艺。气体不仅仅是创造一个气氛；它是沉积机制中一个活跃且必不可少的组成部分。
产生等离子体
该过程首先在真空室内引入低压气体。然后施加一个强电场，使气体原子电离，将其中的电子剥离。这会产生一种发光的、带电的物质状态，称为等离子体，它由正离子和自由电子组成。
轰击过程
等离子体中的带正电的气体离子在电场的作用下加速，并以高能量导向“靶材”，即您希望沉积的源材料。
将其想象成一场亚原子级别的台球比赛。气体离子是母球，靶材原子是目标球。撞击时，气体离子的动量会传递给靶材原子，将它们从表面驱逐或“溅射”出来。这些被驱逐的原子随后穿过腔室并沉积到基板上，形成薄膜。
选择正确的溅射气体
溅射气体的选择是在两大类之间做出的明确选择：用于物理沉积的惰性气体和用于制造新化学化合物的反应性气体。
惰性气体：物理过程的主力
使用惰性气体（也称为稀有气体）是因为它们在化学上不具有反应性。它们的目的纯粹是机械性的：从靶材上物理性地剥离原子。
选择惰性气体的一个关键因素是实现有效的动量传递。为了最有效地“击出”靶材原子，溅射气体的原子量应尽可能接近靶材的原子量。
为什么氩气是默认选择
氩气是最常见的溅射气体，因为它在性能、可用性和成本之间提供了极佳的平衡。其原子质量 (39.95 u) 与许多常用的中等重量材料（如铜、钢和铝）的溅射非常匹配。
使气体与靶材重量匹配
对于更专业的应用，会使用其他惰性气体：
- 氖 (Ne)： 氖的原子质量较低，更有效地溅射非常轻的元素。
- 氪 (Kr) 和 氙 (Xe)： 由于其卓越的动量传递，这些更重、更昂贵的惰性气体能为较重的靶材（如金、铂或银）提供显著更高的溅射率。
反应性气体：用于化学合成
在称为反应性溅射的工艺中，会故意将氮气 (N₂) 或氧气 (O₂) 等反应性气体添加到惰性氩气气氛中。
这些气体在溅射的靶材原子向基板移动的过程中与其发生反应。这使得沉积的化合物薄膜可以不同于源靶材。例如，您可以在氮气气氛中溅射纯钛靶材，从而在基板上形成坚硬的、金色的氮化钛 (TiN) 薄膜。
理解权衡
选择气体需要平衡效率、成本和工艺复杂性。没有一种“最佳”气体适用于所有情况。
效率与成本
虽然氙气对重材料具有最高的溅射产率，但它比氩气贵得多。对于大多数应用来说，与使用氩气相比，使用氪气或氙气带来的沉积速率增加，并不能证明操作成本的显著增加是合理的。
反应性溅射中的工艺控制
反应性溅射是一种强大的技术，但它增加了一个复杂层面。反应性气体的流量必须得到精确控制。气体太少会导致反应不完全，而气体太多则可能导致“中毒”，即反应性气体在靶材本身上形成化合物层，从而大大降低溅射速率。
纯度和污染
溅射气体的纯度至关重要。即使是微量的杂质，例如惰性气体系统中的水蒸气或氧气，也可能被掺入到生长的薄膜中，从而对薄膜的电学、光学或机械性能产生负面影响。
根据您的目标做出正确选择
您选择的气体应直接由您想要制造的材料驱动。
- 如果您的主要重点是金属或合金的通用沉积： 从氩气 (Ar) 开始，因为它为各种材料提供了成本和性能的最佳平衡。
- 如果您的主要重点是最大化重靶材（例如金）的沉积速率： 考虑氪气 (Kr) 或氙气 (Xe)，但前提是更高的吞吐量能证明与使用氩气相比，气体成本的显著增加是合理的。
- 如果您的主要重点是制造化合物薄膜（例如氧化物或氮化物）： 您必须使用反应性溅射工艺，将氧气 (O₂) 或氮气 (N₂) 等反应性气体与您的主要惰性气体氩气混合。
理解这些气体选择原理是控制沉积薄膜的成分和特性的关键。
总结表：
| 气体类型 | 常见气体 | 主要用途 | 关键特性 |
|---|---|---|---|
| 惰性 | 氩气 (Ar), 氪气 (Kr), 氙气 (Xe) | 金属/合金的物理沉积 | 不反应；有效的动量传递 |
| 反应性 | 氮气 (N₂), 氧气 (O₂) | 制造化合物薄膜（例如氮化物、氧化物） | 与溅射原子发生化学反应 |
准备好优化您的溅射工艺了吗？ 正确的气体选择对于实现所需的薄膜特性至关重要，无论是纯金属还是先进的化合物。KINTEK 专注于实验室设备和耗材，提供您的实验室实现精确、无污染沉积所需的专业知识和可靠的气体输送系统。立即联系我们的专家，讨论您的具体应用并确保获得最佳结果。