简而言之，用于溅射铝的标准气体是氩气 (Ar)。 它不应被视为传统意义上的“载气”，而是一种“工作气体”，它被电离以产生等离子体。这种等离子体是物理上将铝原子从源靶材上清除并沉积到基板上的基本工具。
在这种情况下，“载气”一词可能会引起误解。氩气的作用不是携带铝，而是充当高能射弹。它被电离成等离子体，这些离子轰击铝靶材，物理上将原子撞击下来以便沉积。
气体在溅射中的作用：从工作气体到等离子体
理解溅射过程，首先要理解为什么需要气体。气体是实现整个物理沉积机制的介质。
为什么“工作气体”是正确的术语
载气通常用于化学气相沉积 (CVD)，它在化学上将前驱体材料输送到表面。在溅射（一种物理气相沉积 (PVD) 过程）中，气体执行物理“工作”以剥离靶材材料。
产生等离子体
该过程始于向真空室中引入低压工作气体，例如氩气。然后，在铝靶材（阴极）和基板支架（阳极）之间施加一个强电场。
这种高电压使气体带电，将电子从氩原子中剥离出来，产生带正电的氩离子 (Ar+) 和自由电子的混合物。这种电离气体被称为等离子体。
轰击过程
带正电的氩离子被电场加速，并以高速撞击带负电的铝靶材。
喷射靶材材料
每一次碰撞都会将动能从氩离子传递给铝靶材。如果传递了足够的能量，铝原子就会从靶材表面被物理撞击下来，即被“溅射”出来。这些被喷射出的铝原子随后穿过真空室并凝结在您的基板上，形成薄膜。
为什么氩气是行业标准
虽然可以使用其他气体，但氩气是溅射纯铝的压倒性选择，原因有几个关键因素。它的特性在性能、纯度和成本之间提供了理想的平衡。
化学惰性
氩气是惰性气体，这意味着它在化学上是惰性的。它不会与铝靶材或沉积在基板上的薄膜发生反应。这确保了最终的铝薄膜是纯净的，而不是意外的氧化物或氮化物。
理想的原子质量
氩气的原子质量 (39.95 u) 足够重，可以有效地将动量传递给铝原子 (26.98 u) 并将其从靶材上剥离。这带来了实用且可控的沉积速率。
成本和可用性
氩气是地球大气中丰度第三的气体。其广泛的可获得性使其比其他惰性气体便宜得多，这对工业生产和学术研究来说都是一个关键因素。
稳定的等离子体生成
氩气的电离电位使其能够在溅射系统中使用的典型工作压力和电压下产生稳定、自持的等离子体。
了解权衡和替代方案
虽然氩气是标准选择，但了解替代方案有助于揭示溅射过程的核心原理。选择气体始终是沉积速率、成本和薄膜特性之间的权衡。
较轻的气体（例如氖气）
氖气等较轻的惰性气体可以使用，但它们的原子质量较小，动量传递效率较低。这导致溅射产率明显降低和沉积速率变慢，使其在大多数应用中不切实际。
较重的气体（例如氪气、氙气）
氪气 (Kr) 和氙气 (Xe) 等较重的惰性气体由于质量较大，可以提供比氩气更高的溅射产率。然而，它们稀有得多且更昂贵，将其应用限制在将最大化沉积速率作为绝对优先级的专业应用中。
反应性气体（例如氮气、氧气）
在称为反应性溅射的过程中，会故意在氩气旁边引入第二种气体。例如，添加氮气 (N₂) 会导致沉积出氮化铝 (AlN) 薄膜（一种陶瓷），而不是纯铝薄膜。这不用于纯铝沉积，而是制造化合物薄膜的常用技术。
根据您的目标做出正确的选择
选择正确的气体是实现沉积过程中所需结果的基础。
- 如果您的主要重点是经济高效地沉积纯铝薄膜： 氩气是毋庸置疑的行业标准和正确的选择。
- 如果您的主要重点是实现尽可能高的沉积速率，而不考虑成本： 考虑使用较重、更昂贵的惰性气体，如氪气或氙气。
- 如果您的主要重点是沉积化合物材料，如氮化铝 (AlN)： 使用氩气作为主要溅射气体，并引入氮气作为第二反应性气体。
最终，选择正确的工作气体是控制溅射薄膜的纯度、质量和效率的第一步。
摘要表：
| 气体类型 | 在溅射中的作用 | 最适合 | 关键特性 |
|---|---|---|---|
| 氩气 (Ar) | 主要工作气体 | 标准纯铝沉积 | 惰性、理想的原子质量、成本效益高、等离子体稳定 |
| 氪气/氙气 | 高产率替代品 | 最大沉积速率（专业应用） | 质量更重、溅射产率更高、昂贵 |
| 氮气/氧气 | 反应性气体（与 Ar 一起） | 沉积化合物（例如 AlN） | 与铝发生化学反应形成陶瓷薄膜 |
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