在溅射过程中，使用的主要气体是氩气（Ar）。 虽然氩气因其成本和效率的平衡而成为最常见的选择，但气体的选择是一个关键的过程变量。氖气、氪气或氙气等其他惰性气体用于特定的靶材，而氮气或氧气等反应性气体则被引入以形成化合物薄膜。
核心原理是：溅射依赖于纯粹的物理碰撞来将原子从靶材中溅射出来。因此，理想的气体应在化学上是惰性的，这样它才不会与材料发生反应，并且其原子量应与靶材相匹配，以确保最有效的动量传递。
气体在溅射中的基本作用
要理解为什么选择特定的气体，我们必须首先了解它的功能。在主要过程中，气体不是反应物；它是能量传递的介质。
形成等离子体环境
溅射过程始于向真空室中引入低压气体。施加一个电场，使气体原子电离，剥离一个电子，使其带上正电荷。
这种由离子化气体、离子和自由电子组成的云被称为等离子体。
动量传递原理
带正电的气体离子被电场加速，撞击带负电的“靶材”——即您希望沉积的源材料。
将此想象成一场亚原子台球游戏。气体离子是母球，靶材原子是台球。目标是用足够的力撞击靶材原子，将它们击松，使它们能够传播并覆盖基板。
为什么惰性气体是标准选择
整个过程取决于气体离子充当清洁、非反应性的抛射物。这就是为什么周期表最右侧的惰性气体是标准选择的原因。
需要化学惰性
主要要求是气体不与靶材发生化学反应。这确保了该过程是纯物理的。
如果气体与靶材原子结合，形成的薄膜将是意外的化合物，而不是您打算沉积的纯材料。像氩气这样的惰性气体具有完整的价电子层，使其极其稳定且不具反应性。
氩气：工业主力
氩气是使用最广泛的溅射气体，因为它在性能、可用性和成本之间提供了最佳平衡。其原子量适合有效地溅射许多最常见的金属和材料。
理解权衡：选择正确的气体
虽然氩气是默认选择，但针对特定材料优化过程需要基于一个关键因素做出更细致的选择：原子量。
匹配原子量以提高效率
为了实现最高效的动量传递——在我们台球类比中最有力的“开球”——母球（气体离子）的质量应尽可能接近台球（靶原子）的质量。
较轻的靶材：使用氖气 (Ne)
当溅射非常轻的元素时，像氩气这样重的气体离子可能效率低下，就像用保龄球击打乒乓球一样。像氖气这样较轻的惰性气体可以更好地匹配质量，从而对这些特定靶材实现更有效的能量传递。
较重的靶材：使用氪气 (Kr) 或氙气 (Xe)
相反，当溅射黄金或铂等重元素时，相对较轻的氩离子效果较差。使用像氪气或氙气这样较重的惰性气体可以产生更强有力的碰撞，显著提高溅射速率和效率。
例外情况：反应性溅射
有时，目标是故意形成化合物薄膜。在反应性溅射中，会与惰性氩气一起故意通入像氧气或氮气这样的反应性气体。
氩离子仍然轰击靶材，但当靶材原子到达基板时，它们会与氧气或氮气发生反应。这使得沉积诸如氮化钛等坚硬耐用的薄膜或氧化铟锡等透明导电薄膜成为可能。
根据您的目标做出正确的选择
您选择的气体不是随意的；它是控制沉积过程结果的工具。
- 如果您的主要关注点是通用、经济高效的溅射： 氩气是通用标准，也是正确的起点。
- 如果您的主要关注点是重材料的最高沉积速率： 尽管成本较高，但氪气或氙气是更优的选择。
- 如果您的主要关注点是溅射非常轻的元素： 氖气可能提供更高效和可控的过程。
- 如果您的主要关注点是形成特定的化合物薄膜（例如氧化物或氮化物）： 您将使用惰性气体（通常是氩气）和特定反应性气体的混合物。
通过理解这些原理，您可以战略性地选择正确的气体，以实现对薄膜沉积的精确控制。
总结表：
| 气体类型 | 主要用例 | 关键优势 |
|---|---|---|
| 氩气 (Ar) | 通用溅射 | 对大多数金属而言，成本、可用性和效率的最佳平衡 |
| 氖气 (Ne) | 溅射非常轻的元素 | 更好的质量匹配，实现高效的动量传递 |
| 氪气 (Kr) / 氙气 (Xe) | 溅射重元素（例如金、铂） | 由于更好的质量匹配，溅射速率和效率更高 |
| 氧气 (O₂) / 氮气 (N₂) | 用于化合物薄膜（例如氧化物、氮化物）的反应性溅射 | 能够沉积坚硬耐用的复合涂层 |
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