在溅射沉积中，最常用的气体是氩气 (Ar)。 这是因为氩气是一种惰性气体，这意味着它在过程中不会与靶材发生化学反应。这使得沉积的薄膜具有与源材料相同的纯净成分。
在溅射沉积中选择气体是一项关键的工程决策。虽然氩气因其惰性和成本效益而成为默认选择，但理想气体的选择是基于溅射效率、成本和所需最终薄膜成分之间的权衡。
气体在溅射中的基本作用
要理解为什么选择特定气体，我们必须首先了解气体在沉积过程本身中扮演的角色。气体不仅仅是背景环境；它是驱动整个溅射机制的活性介质。
产生等离子体
溅射沉积首先将低压气体引入真空室。然后施加电场，使气体带电并将其转化为等离子体——一种由正离子和自由电子组成的物质状态。
轰击机制
这些新产生的正气体离子被电场加速并导向“靶材”，靶材是您希望沉积的材料的固体块。离子以高能量轰击靶材，物理性地击落或溅射其表面的原子。
保持薄膜纯度
这些被溅射的原子随后穿过腔室并凝结到基底（如硅晶圆或玻璃载玻片）上，形成薄而均匀的薄膜。使用惰性气体如氩气对于确保沉积的薄膜纯净并具有与靶材相同的化学成分至关重要。
将气体与靶材匹配
虽然氩气是溅射的主力，但通过将气体与靶材匹配可以显著提高工艺效率。这一决定受物理学核心原理的支配。
动量传递原理
将这个过程想象成一场台球游戏。为了最有效地传递能量和动量，碰撞物体的质量应该相似。溅射也是如此：当气体离子的质量接近靶原子质量时，溅射效率最高。
溅射轻元素
溅射较轻的靶材（如碳或硅）时，较轻的惰性气体效率更高。氖气 (Ne) 虽然比氩气贵，但能提供更好的质量匹配并提高溅射速率。
溅射重元素
相反，对于重靶材（如金、铂或钨），较重的惰性气体效果要好得多。氪气 (Kr) 和 氙气 (Xe) 的原子质量远高于氩气，可以显著提高这些重元素的溅射效率。
超越惰性：反应溅射的力量
在某些应用中，目标不是沉积纯材料，而是制造化合物。这通过称为反应溅射的过程实现，其中气体被有意选择与溅射材料发生反应。
目标：沉积化合物
在反应溅射中，将反应性气体（如氧气或氮气）混合到主要的惰性气体（通常是氩气）中。当原子从靶材溅射出来时，它们与这种气体反应形成新的化合物。
制造氧化物和氮化物
这是生产技术上重要薄膜的标准方法。例如，在氩气和氧气的混合物中溅射钛靶将沉积二氧化钛 (TiO₂) 薄膜。在氩气和氮气中溅射相同的靶材将产生坚硬的氮化钛 (TiN) 涂层。
反应发生在哪里
根据工艺参数，这种化学反应可能发生在靶材表面、原子飞向基底的过程中，或直接在基底上。
理解权衡
选择合适的气体始终是平衡相互竞争因素的过程。
成本与溅射速率
氩气储量丰富且价格便宜，使其成为默认选择。氖、氪，尤其是氙气，价格要贵得多。您必须权衡更高的成本与工艺速度和效率的潜在收益。
纯度和污染
溅射气体的纯度至关重要。惰性气体供应中的任何杂质，如水蒸气或氧气，都可能无意中掺入薄膜中，改变其电学或光学性能。
工艺复杂性
反应溅射是一个强大但复杂的过程。控制气体混合物和反应化学以实现所需的薄膜化学计量需要精确控制气体流量和抽速。
为您的应用选择合适的气体
您选择的气体完全取决于您项目的技术和经济目标。
- 如果您的主要关注点是通用、经济高效的薄膜沉积： 坚持使用氩气，因为它在各种材料中提供了性能和成本的最佳平衡。
- 如果您的主要关注点是最大化特定材料的溅射速率： 将离子质量与靶原子质量匹配——如果预算允许，对轻元素使用氖气，对重元素使用氪气或氙气。
- 如果您的主要关注点是制造氧化物或氮化物等化合物薄膜： 通过将氧气或氮气等气体引入您的氩等离子体中，使用反应溅射工艺。
最终，您选择的气体是定义工艺效率和您创建的最终材料特性的基本参数。
总结表：
| 气体类型 | 常用气体 | 主要用途 | 主要优点 |
|---|---|---|---|
| 惰性 | 氩气 (Ar) | 通用沉积 | 经济高效，化学惰性 |
| 轻惰性 | 氖气 (Ne) | 溅射轻元素 (C, Si) | 更好的质量匹配以提高效率 |
| 重惰性 | 氪气 (Kr), 氙气 (Xe) | 溅射重元素 (Au, Pt, W) | 更高的溅射产率 |
| 反应性 | 氧气 (O₂), 氮气 (N₂) | 制造化合物薄膜（氧化物、氮化物） | 形成 TiO₂、TiN 等 |
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