在溅射中，主要且最常用的气体是氩气。然而，完整的答案还包括其他惰性气体，如氖、氪和氙用于物理溅射，以及氮气和氧气等反应性气体，它们被有意地用于在沉积过程中创建新的化合物。
溅射中气体的选择是一个关键的工艺参数。您可以选择惰性气体进行纯粹基于原子量和效率的物理沉积，或者引入反应性气体以有意地在基底上形成新的化合物。
惰性气体的作用：物理沉积
在其最常见的形式中，溅射是一个物理过程。目标是从源材料（靶材）中物理地剥离原子，并将它们沉积到基底上，这很像微型喷砂。
基本机制
该过程首先将低压气体（通常是氩气）引入真空室。施加电场，将电子从气体原子中剥离，形成发光的电离气体，称为等离子体。
这些带正电的气体离子随后被加速撞击带负电的靶材。由此产生的高能碰撞具有足够的力将原子从靶材中撞出，然后这些原子会移动并沉积在基底上形成薄膜。
为什么氩气是默认选择
氩气是溅射行业的主力军，原因有几个。作为一种惰性气体，它是化学惰性的，这意味着它不会与靶材发生反应。
这确保了沉积的是纯靶材薄膜。它还在原子质量和成本效益之间提供了良好的平衡，适用于各种常见的靶材。
动量传递原理
为了实现最有效的溅射过程，气体离子的原子量应接近靶原子的原子量。这就像试图击倒一个保龄球；另一个保龄球比网球有效得多。
由于这个原理，氩气并非总是最佳选择。
选择其他惰性气体
氖 (Ne) 比氩气轻，对于溅射非常轻的靶元素更有效。
氪 (Kr) 和 氙 (Xe) 比氩气重得多。它们在溅射金或铂等重元素时提供显著更有效的动量传递和更高的沉积速率。
反应性气体的作用：化学沉积
有时，目标不是沉积纯材料，而是创建特定的化合物，例如陶瓷或氧化物。这通过反应溅射实现。
定义反应溅射
在此过程中，反应性气体被有意地添加到惰性溅射气体（如氩气）中。这种气体在溅射原子从靶材移动到基底的过程中与它们发生反应。
结果是沉积的化合物薄膜具有与原始靶材完全不同的特性——例如硬度、颜色或电阻。
常见的反应性气体及其产物
反应性气体的选择直接决定了最终的化合物。
- 氮气 (N₂) 用于形成氮化物薄膜，例如氮化钛 (TiN)，一种常见的硬涂层。
- 氧气 (O₂) 用于形成氧化物薄膜，例如二氧化硅 (SiO₂)，一种在光学和电子领域至关重要的材料。
- 乙炔 (C₂H₂) 或甲烷 (CH₄) 可用于形成碳化物薄膜，如碳化钛 (TiC)。
理解权衡
选择溅射气体涉及平衡性能、成本和工艺复杂性。
惰性气体选择：成本与效率
虽然氙气可能为重靶材提供最高的溅射速率，但它也比氩气贵得多。对于大多数应用，氙气带来的性能提升并不能证明增加的运营成本是合理的，这使得氩气成为默认的经济选择。
反应溅射：控制与复杂性
反应溅射能够创建高性能的化合物薄膜，否则将难以或不可能制造。然而，该过程的控制要复杂得多。最终薄膜的化学成分（化学计量）对气体流量和压力极其敏感。
靶中毒的弊端
反应溅射中一个常见的问题是靶中毒。当反应性气体与靶材表面本身发生反应，形成化合物层（例如氧化物层）时，就会发生这种情况。这个新层通常具有低得多的溅射速率，这会减慢甚至停止沉积过程。
为您的目标做出正确选择
您选择的气体应完全由您的最终薄膜所需的特性决定。
- 如果您的主要重点是标准、经济高效的金属沉积：使用氩气。它是溅射金、铜或铝等纯金属的可靠且经济的行业标准。
- 如果您的主要重点是最大化非常重或非常轻元素的溅射速率：考虑使用氙气（用于重靶材）或氖气（用于轻靶材）以实现更有效的动量传递。
- 如果您的主要重点是沉积特定的化合物薄膜（例如，硬质、光学或介电涂层）：采用反应溅射，将氮气、氧气或其他反应性气体与您的主要氩气流混合。
最终，选择正确的气体将溅射从简单的涂层技术转变为精确的材料工程工具。
总结表格：
| 气体类型 | 常见示例 | 主要用途 | 关键考虑因素 |
|---|---|---|---|
| 惰性气体 | 氩气 (Ar)、氪气 (Kr)、氙气 (Xe) | 沉积纯金属薄膜 | 原子质量匹配以实现高效动量传递 |
| 反应性气体 | 氮气 (N₂)、氧气 (O₂)、乙炔 (C₂H₂) | 创建化合物薄膜（例如，氮化物、氧化物） | 工艺控制以避免靶中毒 |
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