溅射工艺主要使用惰性气体，其中最常用的是氩气，因为氩气易得、成本效益高，而且原子量适合有效的动量传递。在特定应用中，可根据目标材料的原子量使用氖、氪或氙等其他惰性气体。反应溅射还使用氧气、氮气或乙炔等反应性气体来沉积氧化物、氮化物或碳化物等化合物薄膜。气体的选择取决于所需的薄膜特性和目标材料的特性。
要点说明：
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惰性气体的主要用途:
- 氩气 (Ar):由于其惰性、易得性和成本效益，是溅射中最常用的气体。其原子量（40）适合与许多目标材料进行有效的动量传递。
- 氖（Ne）:用于溅射轻元素，因为其原子量低（20），与较轻的目标材料非常匹配。
- 氪（Kr）和氙（Xe）:用于溅射重元素，因为它们的原子量较高（分别为 84 和 131），可为较重的目标材料提供更好的动量传递。
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溅射中的反应气体:
- 氧气 (O₂):在反应溅射中用于沉积氧化物薄膜。氧气与溅射材料发生反应，在基底上形成氧化物。
- 氮气 (N₂):用于制造氮化物薄膜。在沉积过程中，氮气与目标材料反应形成氮化物。
- 乙炔 (C₂H₂):用于沉积碳化物薄膜。乙炔中的碳与目标材料反应形成碳化物。
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影响气体选择的因素:
- 原子权重匹配:溅射气体的原子量应接近靶材料的原子量，以实现有效的动量传递。这可确保靶原子的有效溅射。
- 化学反应性:选择惰性气体（如氩气）是因为它们具有非反应性，可以防止与目标材料发生不必要的化学反应。另一方面，选择反应性气体是为了促进在基底上形成特定的化合物（如氧化物、氮化物）。
- 工艺参数:气体的选择也取决于工艺参数，如压力、温度和所需的薄膜特性。
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反应溅射的应用:
- 氧化物薄膜:使用氧气进行反应溅射可沉积氧化物薄膜，这种薄膜在透明导电涂层、电介质层和光学涂层等应用中至关重要。
- 氮化物薄膜:氮气用于沉积氮化膜，氮化膜对硬涂层、耐磨层和半导体应用非常重要。
- 碳化物薄膜:乙炔用于沉积碳化物薄膜，其硬度和耐磨性在工具涂层和保护层中很有价值。
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使用惰性气体的优点:
- 化学稳定性:惰性气体不会与目标材料发生反应，确保了纯净的沉积过程。
- 受控沉积:使用惰性气体可精确控制沉积过程，从而保证薄膜质量的一致性。
- 多功能性:惰性气体可用于多种靶材，因此适用于各种应用。
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反应溅射的优势:
- 化合物形成:反应溅射可直接沉积化合物薄膜（如氧化物、氮化物），这在使用纯惰性气体时很难实现。
- 量身定制的薄膜特性:通过选择适当的反应气体，沉积薄膜的特性（如电气、光学和机械特性）可根据具体应用要求进行定制。
- 增强附着力:反应溅射可以提高沉积薄膜与基底的附着力，这对持久涂层至关重要。
总之，溅射过程中工艺气体的选择取决于目标材料、所需薄膜特性和具体应用。氩气等惰性气体因其稳定性和高效性而成为标准选择，而反应性气体则用于需要复合薄膜的情况。了解这些气体的作用有助于优化各种工业和研究应用中的溅射工艺。
汇总表：
| 气体类型 | 普通气体 | 主要应用 |
|---|---|---|
| 惰性气体 | 氩气 (Ar)、氖气 (Ne)、氪气 (Kr)、氙气 (Xe) | 有效的动量传递、稳定的沉积、适用于各种目标材料。 |
| 反应气体 | 氧气 (O₂)、氮气 (N₂)、乙炔 (C₂H₂) | 沉积氧化物、氮化物和碳化物薄膜，以获得定制的薄膜特性。 |
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