在薄膜沉积中，溅射气体是关键介质，用于产生形成涂层的带电粒子。它通常是一种高纯度惰性气体，如氩气，被引入真空室中，然后电离形成等离子体。这些离子加速轰击源材料（“靶材”），物理性地将原子撞击下来，这些原子随后沉积在基板上，形成均匀的薄膜。
溅射气体不是最终涂层的一部分；它的作用是高能的“喷砂”工具。通过使这种气体电离以产生等离子体，溅射过程会产生一束离子，物理性地逐个原子地剥离源材料，从而沉积出纯净的薄膜。
气体在溅射过程中的作用
溅射是物理气相沉积（PVD）的一种形式，这是一个完全在真空中发生的工艺。气体是关键的促进剂，它将能量从电源传输到靶材。
步骤 1：创建真空
在引入气体之前，溅射室会被抽真空至极低压力。这会去除空气和其他污染物，如水蒸气，这些污染物可能会与涂层材料发生反应，损害最终薄膜的纯度和性能。
步骤 2：引入溅射气体
达到所需的真空水平后，少量精确控制的溅射气体被送入室内。氩气 (Ar) 是此角色的最常见选择。
步骤 3：产生等离子体
在室内施加一个强大的电场或电磁场。这种高能量会剥离气体原子中的电子，产生带正电的离子（例如 Ar+）和自由电子的混合物。这种带电、电离的气体被称为等离子体。
步骤 4：离子轰击
靶材被赋予负电荷，这会强烈吸引等离子体中带正电的气体离子。这些离子加速冲向靶材，以显著的动能撞击其表面。
步骤 5：溅射和沉积
每个离子的撞击会将动量传递给靶材的原子，将它们从表面撞击下来。这些被喷射出的原子在真空室中沿直线传播，直到撞击到基板上，逐渐堆积形成致密、均匀的薄膜。
为什么氩气是标准选择
虽然可以使用其他气体，但由于几个关键原因，氩气是大多数溅射应用中的行业标准。
化学惰性
作为一种惰性气体，氩气在化学上是惰性的。它不会与靶材、基板或腔室组件发生反应。这确保了沉积的薄膜是源材料的纯净体现。
高效的动量传递
氩气的原子质量非常适合有效地将动量传递给大多数常见的靶材。它足够重，可以有效地撞击原子，但又不会太重而导致过度损坏或渗入靶材。
稳定的等离子体生成
氩气易于电离，并在典型的溅射条件下维持稳定、可控的等离子体。这使得沉积速率一致且可重复，这对制造至关重要。
理解权衡
溅射气体的选择和处理直接影响最终薄膜的质量。了解这些变量对于过程控制至关重要。
气体压力对薄膜的影响
腔室内的溅射气体压力是一个关键参数。较高的压力可以增加离子数量，从而提高沉积速率，但也可能导致被溅射出的靶材原子与气体原子碰撞，使其散射，并可能降低薄膜密度。
纯度的关键需求
溅射气体必须极其纯净和干燥。任何污染物，如氧气或水，都可能被掺入到生长的薄膜中，导致不希望的化学成分和缺陷，从而降低其电学、光学或机械性能。
反应性溅射与惰性溅射
虽然氩气用于沉积纯材料，但有时会将其与诸如氧气或氮气等反应性气体混合。这种称为反应性溅射的过程用于形成化合物薄膜。例如，在氧气-氩气混合物中溅射硅靶材将沉积二氧化硅 (SiO₂) 薄膜。
根据您的目标做出正确的选择
您选择的气体完全取决于您打算创建的薄膜类型。
- 如果您的主要重点是沉积纯金属或合金： 您的默认选择应该是高纯度惰性气体，如氩气，以防止沉积过程中发生任何化学反应。
- 如果您的主要重点是创建化合物薄膜（如氧化物或氮化物）： 您将使用惰性气体（氩气）和反应性气体（例如氧气或氮气）的精确控制混合物。
- 如果您的主要重点是优化薄膜质量和过程控制： 您必须优先考虑溅射气体纯度和真空的完整性，以避免任何形式的污染。
归根结底，溅射气体是沉积过程的引擎；对其进行仔细的选择和管理是实现高质量、功能性薄膜的基础。
摘要表：
| 方面 | 关键细节 |
|---|---|
| 主要功能 | 产生等离子体以轰击靶材并溅射原子进行沉积。 |
| 最常见气体 | 氩气 (Ar)，因其惰性和理想的原子质量而被选中。 |
| 工艺类型 | 物理气相沉积 (PVD)。 |
| 关键因素 | 高纯度对于防止薄膜污染至关重要。 |
| 替代用途 | 与反应性气体（如 O₂、N₂）混合以形成化合物薄膜。 |
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