简单来说，溅射气氛是为使溅射过程得以进行而特意引入真空腔室中的特定气体。在去除不需要的空气和污染物以形成真空后，工艺气体——通常是惰性气体如氩气——会被重新充入腔室。然后，这种气体被电离以产生等离子体，从而提供轰击靶材并将薄膜沉积到基板上所需的高能离子。
溅射气氛不是一个被动的环境；它是被转化为等离子体的活性介质。气体的选择是一个关键的控制参数，它直接决定了溅射过程的效率和最终沉积薄膜的化学成分。
气体在溅射过程中的作用
要理解溅射气氛，首先必须了解它在沉积序列中的功能。该过程是一系列精心控制的事件，其中气体是必不可少的环节。
产生初始真空
在任何沉积发生之前，腔室必须被抽到高真空状态。这个关键的第一步是去除环境空气、水蒸气和其他颗粒。未能去除这些污染物是最终薄膜中杂质的主要来源。
引入工艺气体
一旦达到足够的真空度，通过引入高纯度的工艺气体来形成溅射气氛。腔室会被重新充气至特定的低压。这个压力是一个微妙的平衡：压力太低，就没有足够的惰性气体原子来维持稳定的等离子体；压力太高，溅射出的颗粒会碰撞得过于频繁，阻碍它们有效地到达基板。
产生等离子体
腔室内部施加一个强电场。被该电场加速的自由电子与工艺气体的原子发生碰撞。这些碰撞的能量足以将电子从气体原子上撞击下来，从而产生带正电的离子和更多的自由电子。这种级联效应产生了一个自持的、发光的等离子体——即溅射气氛的电离状态。
轰击靶材
等离子体中带正电的离子被电场加速，轰击源材料（即“靶材”）的表面。每一次撞击都像一次微观的台球碰撞，将动量传递给靶材并将其原子撞击下来。这些被喷射出的原子随后穿过腔室并沉积在基板上，一个原子一个原子地构建薄膜。
常见气体及其用途
气体的选择是基于所需薄膜结果的战略决策。
惰性气体溅射
最常用的方法是使用惰性气体，其中氩气 (Ar) 是压倒性的首选。它在有效能量传递、相对低成本以及化学惰性方面提供了最佳的原子质量平衡。这确保了沉积的薄膜与靶材具有相同的化学成分，从而形成纯净的薄膜。
反应性气体溅射
为了制造复合薄膜，使用一种称为反应性溅射的技术。这涉及将一种“反应性”气体，如氮气 (N₂) 或氧气 (O₂)，添加到主要的惰性气体气氛中。反应性气体的离子不仅轰击靶材，还会与溅射出的原子在基板上沉积时发生化学反应。这使得可以从纯金属靶材形成氮化钛 (TiN) 或氧化铝 (Al₂O₃) 等材料。
理解权衡和局限性
溅射气氛和该过程本身存在必须加以控制的固有局限性。
薄膜污染
尽管溅射是一个非常干净的过程，但污染始终是一个令人担忧的问题。杂质可能来自不完全抽真空后残留的气体，或者来自工艺气体本身（如果它不是高纯度的）。源靶材中也可能存在污染物。
工艺速度和成本
与热蒸发等其他方法相比，溅射的沉积速率可能相对较低。设备，特别是对绝缘材料所需的射频 (RF) 电源，可能比简单的直流电源更昂贵。
等离子体和薄膜均匀性
在大尺寸基板上，要保持整个靶材表面等离子体密度完全均匀是具有挑战性的。这种不均匀性可能导致溅射速率的变化，从而形成一些区域较厚、另一些区域较薄的薄膜。
为您的目标做出正确的选择
溅射气氛是您为实现所需薄膜特性而控制的一个基本参数。
- 如果您的主要关注点是纯净的元素薄膜： 您的最佳选择是高纯度的惰性气体，如氩气，以确保不会发生意外的化学反应。
- 如果您的主要关注点是硬质、陶瓷或光学复合薄膜： 您需要使用反应性溅射，将氮气或氧气等反应性气体小心地混合到氩气气氛中。
- 如果您的主要关注点是最大的薄膜纯度和质量： 您的首要任务必须是在引入溅射气体之前实现高初始真空，以消除污染物。
最终，掌握溅射气氛是控制薄膜特性的关键。
摘要表：
| 气体类型 | 常见示例 | 主要用途 |
|---|---|---|
| 惰性气体 | 氩气 (Ar) | 沉积来自靶材的纯净、元素薄膜 |
| 反应性气体 | 氧气 (O₂)，氮气 (N₂) | 通过化学反应制造复合薄膜（例如氧化物、氮化物） |
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