溅射工艺气体是什么？用正确的气体优化您的薄膜沉积

最常见的溅射工艺气体是氩气 (Ar)。它的主要作用不是成为最终材料的一部分，而是充当沉积的物理机制。在真空室中，氩气被电离以产生等离子体，这些离子被加速轰击靶材，物理性地将原子撞击下来，然后这些原子作为薄膜沉积在基底上。

工艺气体的选择是决定溅射过程性质的关键参数。虽然像氩气这样的惰性气体促进纯粹的物理沉积，但像氧气或氮气这样的反应性气体则被有意地用于在沉积过程中化学性地创建特定的化合物薄膜。

工艺气体的基本作用

要理解为什么选择某些气体，您必须首先理解气体在溅射室中的实际作用。这个过程是一个物理事件链。

将工艺气体引入低压真空室。施加电场，将电子从气体原子中剥离。这会产生由带正电的离子和自由电子组成的混合物，称为等离子体。

溅射靶材（您想要沉积的材料）被赋予负电荷。这会吸引等离子体中带正电的气体离子，导致它们加速并高速撞击靶材。

碰撞是一个纯粹基于动量传递的物理过程。高能气体离子撞击靶材，将其动能传递给靶材原子，将它们从表面击出。这就是“溅射”效应。

这些被喷射出或“溅射”出的中性原子从靶材穿过腔室，落在基底上，逐层堆积形成薄膜。

氩气是大多数溅射应用的首选工艺气体，原因有以下几点。

作为一种惰性气体，氩气不易与其他元素反应。这至关重要，因为它确保了溅射过程是纯粹的物理过程。沉积的薄膜将具有与靶材相同的化学成分，而不会发生不必要的化学反应。

为了有效溅射，工艺气体离子的原子量应与靶材原子的原子量相当接近，以最大限度地传递动量。氩气的原子质量（39.9 u）为各种常见靶材提供了良好的平衡。

氩气是地球大气中最丰富的惰性气体，因此比氪气或氙气等其他惰性气体更经济实惠且易于获得。

虽然氩气是主力，但特定目标需要不同的工艺气体。选择总是由期望的结果驱动，无论是效率还是最终薄膜的化学成分。

为了优化溅射速率，气体的原子质量应与靶材匹配。

有时，目标不是沉积纯材料，而是创建化合物。这被称为反应溅射。在此过程中，反应性气体与惰性气体一起有意地引入腔室。

反应性气体与溅射原子在传输过程中或在基底表面结合。这允许沉积与靶材不同的薄膜，例如氧化物、氮化物或氧氮化物。例如，可以在含有氧气的气氛中溅射纯钛靶材，以沉积二氧化钛 (TiO₂) 薄膜。

选择工艺气体涉及平衡性能、成本和最终薄膜的所需特性。

使用较重的惰性气体（如氪气或氙气）可以显著提高沉积速率，这在批量生产中很有价值。然而，这些气体比氩气昂贵得多，在吞吐量和运营成本之间形成了直接的权衡。

当目标是化学上与靶材匹配的高纯度薄膜时，使用惰性气体至关重要。相反，反应溅射有意牺牲这种纯度来创建特定化合物，将过程从纯物理转变为化学物理。

反应溅射是一个更复杂的控制过程。必须仔细管理惰性气体与反应性气体的精确比例，以实现正确的薄膜化学计量（元素的化学比例）。不正确的控制可能导致薄膜特性不一致或对靶材本身产生不良影响。

工艺气体的选择是与应用要求直接相关的深思熟虑的选择。

最终，工艺气体是用于调整溅射过程以生产特定所需材料的基本控制参数。