在物理气相沉积（PVD）过程中，会根据具体工艺和所需涂层特性使用各种气体。这些气体大致可分为惰性气体和活性气体。惰性气体（如氩气）主要用于溅射工艺，以促进目标材料原子的喷射。氧气、氮气、甲烷和乙炔等反应性气体用于与喷射出的材料发生化学反应，形成氧化物、氮化物和碳化物等化合物。气体的选择取决于目标材料的原子量和所需涂层的化学成分等因素。
要点说明：
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PVD 中的惰性气体：
- 氩气（Ar）： PVD 最常用的惰性气体，尤其是在溅射工艺中。选择氩气是因为它具有化学惰性，这意味着它不会与目标材料发生反应。它的原子量与许多靶材的原子量相近，因此在溅射过程中能有效地进行动量传递。
- 氖（Ne）： 用于溅射轻元素，因为其原子量低，与较轻的目标材料非常匹配。
- 氪（Kr）和氙（Xe）： 这些较重的惰性气体用于溅射重元素。它们的原子质量较高，因此能更有效地将动量传递给较重的目标材料。
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PVD 中的反应性气体：
- 氧气 (O2)： 用于形成金属氧化物涂层。当氧气与目标喷射出的金属原子发生反应时，会形成氧化钛（TiO2）或氧化铝（Al2O3）等化合物，这些化合物因其硬度和光学特性而常用。
- 氮气（N2）： 与金属原子反应形成金属氮化物，如氮化钛（TiN）或氮化铝（AlN）。这些涂层以耐磨性著称，常用于切削工具和装饰涂层。
- 甲烷（CH4）和乙炔（C2H2）： 这些气体用于形成金属碳化物，如碳化钛 (TiC) 或碳化钨 (WC)。碳化物涂层的价值在于其硬度和耐磨性及耐腐蚀性。
- 氢气 (H2)： 有时与其他气体结合使用，以改变涂层的特性，如减少氧化物或改变沉积薄膜的微观结构。
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工艺气体输入系统：
- 气体由气瓶提供，在进入真空室之前通过一系列阀门和仪表进行控制。这确保了对气体流速和成分的精确控制，而这对于实现所需的涂层性能至关重要。
- 系统必须经过仔细校准，以保持腔体内正确的气体混合物和压力，因为这些参数会直接影响 PVD 涂层的质量和一致性。
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反应溅射：
- 在反应溅射过程中，会引入氮气或乙炔等反应气体。这些气体与喷出的目标材料原子发生化学反应，直接在基底上形成化合物涂层。
- 这种工艺可以沉积包括氧化物、氮化物和碳化物在内的多种材料，并能精确控制涂层的化学成分和性能。
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不同气体的应用：
- 氩气： 用于非反应溅射工艺，目的是沉积纯金属膜而不进行化学修饰。
- 氧气： 用于制造透明、坚硬和耐磨的氧化物涂层，常用于光学和防护应用。
- 氮气： 常用于生产工具和机械的坚硬耐磨氮化物涂层。
- 甲烷/乙炔： 用于生产硬质合金涂层，硬度极高，耐磨损，适用于切削工具和高压力应用。
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气体选择的注意事项：
- 原子质量匹配： 溅射气体的原子量应接近目标材料的原子量，以确保有效的动量传递。这就是为什么氩气常用于许多金属，而氖气、氪气或氙气则分别用于较轻或较重的元素。
- 反应性： 反应气体的选择取决于涂层所需的化学成分。例如，氧化物涂层使用氧气，氮化物涂层使用氮气，碳化物涂层使用甲烷或乙炔。
- 工艺控制： 必须仔细控制气体流速、压力和混合物，以实现所需的涂层特性。这就要求在整个 PVD 过程中使用精确的仪器并进行监控。
总之，PVD 中使用的气体是根据其在沉积过程中的作用来选择的，无论是作为用于溅射的惰性气体还是用于形成复合涂层的活性气体。气体的选择以及对工艺参数的精确控制，对于在 PVD 应用中实现所需的涂层性能至关重要。
汇总表：
| 气体类型 | 实例 | 在 PVD 中的作用 | 应用 |
|---|---|---|---|
| 惰性气体 | 氩（Ar）、氖（Ne） | 在不发生化学反应的情况下喷射目标材料原子，从而促进溅射 | 用于纯金属膜的非反应性溅射 |
| 反应气体 | 氧气 (O2)、氮气 (N2) | 与目标材料发生化学反应，形成氧化物、氮化物或碳化物 | 用于工具、光学和装饰应用的坚硬耐磨涂层 |
| 反应气体 | 甲烷 (CH4)、乙炔 (C2H2) | 形成金属碳化物，具有极高的硬度和耐磨性 | 切削工具和高压力应用 |
| 反应气体 | 氢气 (H2) | 通过减少氧化物或改变微观结构来改变涂层性能 | 需要精确涂层改性的特殊应用 |
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