溅射中用于等离子体的气体是什么？氩气及其他气体的战略指南

简短的答案是氩气 (Ar)。 这种惰性稀有气体是生成溅射所需等离子体最常用且用途广泛的选择。然而，选择合适的气体是一个关键的决定，它直接影响工艺效率和最终薄膜的化学性质。

溅射中使用的气体不仅仅是催化剂；它是能量传递的介质。虽然氩气因其质量、惰性和成本的理想平衡而成为行业标准，但最佳选择完全取决于将气体的原子量与靶材匹配，并确定是否需要化学反应。

气体在溅射中的基本作用

要理解为什么选择特定气体，我们必须首先了解其功能。气体不仅仅是填充腔室；它成为沉积过程中的主动工具。

溅射首先将低压气体引入真空腔室。然后，在靶材（阴极）和腔室/衬底支架（阳极）之间施加高电压。

这种强电场加速自由电子，导致它们与中性气体原子碰撞。这些高能碰撞将电子从气体原子中撞出，产生一连串带正电的离子和自由电子——一种发光的电离态物质，称为等离子体。

新产生的正气体离子以巨大的力量加速冲向带负电的靶材。

撞击时，这些离子会物理性地将原子从靶材中撞出，即“溅射”。这些被溅射出的靶原子随后穿过腔室并沉积到衬底上，形成均匀的薄膜。

氩气是大多数溅射应用的默认气体，原因有以下几点：

为了使溅射高效，气体离子和靶原子之间需要有效的动量传递，就像台球游戏中一次漂亮的开球。氩气的原子质量（39.9 u）与许多常用的溅射金属（如钛和铝）相匹配，可以在不过度增加成本的情况下实现有效的能量传递。

作为一种稀有气体，氩气具有化学惰性。它在轰击过程中不会与靶材发生反应，也不会与沉积在衬底上的原子发生反应。这确保了所得薄膜是靶材的纯净代表。

与其他稀有气体相比，氩气储量丰富且相对便宜，使其成为工业规模生产最经济的选择。

选择氩气以外的气体是为了优化特定材料或结果的工艺而做出的有意识的决定。

当溅射非常轻的靶元素时，可以使用较轻的惰性气体，如氖 (Ne)。其较低的原子质量为分离轻原子提供了更有效的“台球式”碰撞。

相反，为了最大化金或铂等重元素的溅射速率，使用较重的惰性气体，如氪 (Kr) 或氙 (Xe)，效果更佳。它们更大的质量在撞击时传递的动量显著增加，从而提高了溅射产率。

有时目标不是沉积纯材料，而是化合物。在反应溅射中，像氧气 (O₂) 或氮气 (N₂) 这样的气体与氩气一起有意地添加到腔室中。

反应性气体在传输过程中或在衬底表面与溅射的靶原子结合。这项技术对于制造耐用的化合物薄膜（如氮化钛 (TiN) 或透明导电氧化物）至关重要。

每种气体选择都涉及性能和实用性之间的平衡。

主要的权衡是成本与效率。氪和氙可以显著提高沉积速率，但其高昂的成本可能对许多应用来说是 prohibitive 的。该过程必须通过更高的吞吐量或特定的薄膜要求来证明其费用是合理的。

惰性气体或反应性气体之间的选择是根本性的。使用惰性气体可保证沉积薄膜的纯度。有意引入反应性气体是制造与原始靶材性质完全不同的新材料的经过计算的举动。

最终，溅射气体的选择是一个战略决策，它直接控制着薄膜沉积过程的效率、化学性质和成本。