溅射中最常用的惰性气体是氩气（Ar）。选择它是因为它在原子质量、成本和化学惰性之间取得了理想的平衡。氩原子被电离形成等离子体，然后这些离子被加速轰击靶材，物理性地喷射出原子，这些原子沉积在基底上形成薄膜。
溅射中气体的选择是决定沉积过程效率和化学性质的关键决策。虽然氩气因其成本效益而成为普遍标准，但最佳气体的选择是基于一个物理原理：将气体的原子质量与靶材匹配，以实现最有效的动量传递。
气体在溅射过程中的作用
产生等离子体
溅射过程始于真空腔室。以非常低的压力引入工艺气体，通常是惰性气体。
然后施加高电压，从气体原子中剥离电子。这会产生一种称为等离子体的物质状态，它是带正电的气体离子和自由电子的混合物，发出辉光。
轰击引擎
等离子体中带正电的离子（例如，Ar+）通过电场被强力加速，冲向靶材，靶材是薄膜的源材料，并带有负电荷。
材料的物理喷射
这些高能离子以巨大的力量撞击靶材表面。碰撞是一个纯粹的物理过程，基于动量传递，很像母球撞击一堆台球。
这种撞击会物理性地击出或“溅射”靶材原子。这些溅射出的原子穿过腔室，沉积到基底（例如硅晶圆或玻璃片）上，逐渐形成薄膜。
为什么惰性气体是标准
确保化学纯度
使用惰性气体的主要原因是其非反应性。氩、氖、氪和氙等稀有气体不易形成化学键。
这确保了来自靶材的溅射原子在到达基底的过程中不会与工艺气体发生反应。如果您用氩气溅射纯钛靶材，您将沉积纯钛薄膜。
保持工艺稳定性
惰性气体提供稳定且可预测的离子源。它们不会在等离子体中分解或参与不必要的副反应，这使得沉积过程具有高度可控性和可重复性。
选择正确的惰性气体
氩气：溅射的主力军
氩气是绝大多数溅射应用的默认选择。它相对便宜，易于获得，并且其原子质量为各种常见材料提供了良好的溅射效率。
动量传递原理
为了获得最有效的溅射过程，溅射气体的原子量应尽可能接近靶材的原子量。当碰撞粒子具有相似质量时，会发生最大的能量传递。
用于较轻元素的氖气
当溅射非常轻的元素（例如，碳、硼）时，较轻的氖气（Ne）比氩气提供更好的质量匹配。这会为这些特定靶材带来更有效的能量传递和更好的溅射产额。
用于较重元素的氪气和氙气
相反，当溅射重靶材（例如，金、铂、钨）时，使用较重的惰性气体，如氪气（Kr）或氙气（Xe）。它们较高的质量提供了更好的匹配，从而显著提高了溅射速率。
理解权衡
成本与溅射速率
虽然氙气可以显著提高重材料的沉积速率，但它比氩气贵得多。这个决定成为一个经济问题：必须权衡提高工艺速度和吞吐量的益处与气体更高的运营成本。
例外：反应溅射
在某些情况下，目标不是沉积纯薄膜，而是化合物薄膜。这是通过反应溅射实现的。
在这种技术中，将反应性气体（如氧气（O₂）或氮气（N₂））有意地与氩气混合。溅射出的靶原子在到达基底的途中与这种气体发生反应，形成氧化物或氮化物薄膜。例如，在氩气/氧气等离子体中溅射硅靶材会产生二氧化硅（SiO₂）薄膜。
为您的应用选择合适的气体
选择正确的气体对于实现您的沉积目标至关重要。您的选择直接取决于您正在溅射的材料和您想要的结果。
- 如果您的主要关注点是通用、经济高效的溅射：使用氩气，因为它为各种材料提供了性能和成本的最佳平衡。
- 如果您的主要关注点是最大化重元素（例如，金、铂）的沉积速率：使用较重的气体，如氪气或氙气，但要准备好承担更高的成本。
- 如果您的主要关注点是高效溅射非常轻的元素：考虑使用氖气以获得更好的质量匹配和更有效的动量传递。
- 如果您的主要关注点是创建化合物薄膜（例如，氧化物或氮化物）：您必须通过向氩等离子体中添加氧气或氮气等气体来使用反应溅射。
最终，您选择的气体直接控制着薄膜沉积过程的物理效率和化学结果。
总结表：
| 气体 | 原子质量 (u) | 最适合的靶材 | 关键考虑因素 |
|---|---|---|---|
| 氩气 (Ar) | 40 | 范围广泛（通用） | 成本和性能的最佳平衡 |
| 氖气 (Ne) | 20 | 轻元素（例如，碳、硼） | 与轻原子更好的质量匹配 |
| 氪气 (Kr) | 84 | 重元素（例如，金、钨） | 对于重靶材，溅射速率高于氩气 |
| 氙气 (Xe) | 131 | 极重元素（例如，铂） | 溅射速率最高，但最昂贵 |
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