在物理气相沉积 (PVD) 中，该过程主要使用两种截然不同的气体类别。第一类是惰性气体，最常见的是氩气 (Ar)，它充当物理工具。第二类是活性气体，例如氮气 (N₂)、氧气 (O₂) 和碳基气体，如乙炔 (C₂H₂)，它们成为最终涂层的化学成分。
需要掌握的核心概念是，PVD 中的气体有两种不同的作用。氩气等惰性气体用于产生金属蒸气，而氮气等活性气体则用于与该蒸气发生化学结合，在基材上形成坚硬的功能性涂层。
PVD 中气体的双重作用
要了解 PVD 工艺，您必须区分促成该工艺的气体和成为产品一部分的气体。每种气体在真空室内部都扮演着关键但独立的角色。
用于等离子体生成的惰性气体
惰性气体，其中氩气是行业标准，不打算成为最终涂层的一部分。
它们的作用纯粹是物理性的。它们被引入真空室并被激发形成等离子体。
这些高能氩离子随后被加速撞击固体源材料（“靶材”），轰击它并物理地将原子击落。这个过程被称为溅射。
用于涂层形成的活性气体
活性气体是决定涂层性能的活性成分。它们被引入腔室以有意地引起化学反应。
当来自靶材的金属原子向基材移动时，它们会与活性气体分子碰撞并发生反应。
这种反应形成了一种新化合物。例如，钛原子（来自靶材）与氮气反应生成氮化钛 (TiN)，这是一种非常坚硬的金色陶瓷涂层。类似地，氧气生成氧化物，碳氢化合物气体生成碳化物。
工艺如何逐步展开
当您将该过程视为一系列事件时，气体的功能就会变得清晰。大多数反应性 PVD 过程都遵循这四个阶段。
步骤 1：蒸发
首先，将腔室抽真空至高真空。然后，引入惰性气体，如氩气。施加高压，将氩气点燃成等离子体，轰击靶材，释放金属原子。
步骤 2 和 3：传输和反应
当被击落的金属原子穿过真空室时，引入精确控制的活性气体（例如，氮气）流。
金属原子和活性气体分子在等离子体环境中混合并发生化学键合，形成新涂层化合物的分子。
步骤 4：沉积
这些新形成的化合物分子继续向基材（被涂覆的部件）移动。
它们落在基材表面，从蒸气凝结成固体、致密且高度附着的薄膜。涂层逐原子层地堆积。
了解权衡和挑战
虽然功能强大，但控制 PVD 中的气体需要精确和对潜在缺陷的理解。该过程比简单地混合成分更复杂。
气体纯度至关重要
整个 PVD 过程依赖于形成特定的化合物。工艺气体中的任何杂质，例如水蒸气或其他不需要的元素，都可能掺入涂层中，从而降低其性能和特性。
控制反应速率
金属蒸气量和活性气体量之间的平衡至关重要。如果引入过多的活性气体，它可能会开始涂覆源靶本身，而不仅仅是基材。这种现象，称为“靶中毒”，会大大降低沉积速率并可能使工艺不稳定。
工艺参数的相互依赖性
气体流量并非孤立地工作。它与腔室压力、溅射功率和基材温度紧密耦合。更改一个参数需要调整其他参数以保持所需的涂层成分和结构。
为您的目标做出正确选择
活性气体的选择完全取决于最终涂层的所需性能。您的最终目标决定了您需要在腔室中创建的化学物质。
- 如果您的主要重点是硬度和耐磨性：您可能会使用氮气 (N₂) 来形成金属氮化物涂层，如氮化钛 (TiN) 或氮化铬 (CrN)。
- 如果您的主要重点是电绝缘或高温抗氧化性：氧气 (O₂) 是首选气体，用于创建稳定的、非导电的金属氧化物薄膜，如氧化铝 (Al₂O₃)。
- 如果您的主要重点是极高的硬度和低摩擦：使用碳氢化合物气体，如乙炔 (C₂H₂)，形成金属碳化物（例如，TiC）或类金刚石碳 (DLC) 涂层。
了解每种气体的具体作用是设计满足您精确性能要求的涂层的关键。
总结表：
| 气体类型 | 常见示例 | 主要功能 | 所得涂层示例 |
|---|---|---|---|
| 惰性气体 | 氩气 (Ar) | 产生等离子体以溅射靶材 | 不适用（促成该过程） |
| 活性气体 | 氮气 (N₂)、氧气 (O₂)、乙炔 (C₂H₂) | 与金属蒸气发生化学反应形成涂层 | TiN（坚硬、金色）、Al₂O₃（绝缘）、DLC（低摩擦） |
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