为什么在溅射过程中使用氩气？实现纯净、经济高效的薄膜沉积

简而言之，氩气是溅射行业的标准，因为它完美平衡了该过程必不可少的三个因素：它具有化学惰性，具有足够的质量以实现有效的能量传递，并且具有极高的成本效益。这种独特的组合确保了纯粹的物理沉积过程，没有不必要的化学反应，并且价格点适用于研究和大规模制造。

溅射中气体的选择并非随意；它是控制沉积环境的主要工具。选择氩气是因为它作为一种完美的介质，提供所需的带能离子，以物理方式从靶材中溅射出材料，而不会化学干扰过程本身，同时又具有经济可行性。

气体在溅射中的基本作用

要理解为什么使用氩气，您必须首先理解任何气体在溅射过程中所扮演的角色。气体不是旁观者；它是沉积的引擎。

溅射始于真空室，其中回填少量工艺气体，例如氩气。在要沉积的材料（靶材）和衬底之间施加高电压。

该电压加速自由电子，然后自由电子与中性氩气原子碰撞。这些高能碰撞将电子从氩原子中撞出，产生带正电的氩离子（Ar+）和发光的电离气体，称为等离子体。

溅射室的配置使得靶材带有强烈的负电荷。因此，新形成的带正电的氩离子被积极地加速冲向这个带负电的靶材表面。

这些离子以显著的动能撞击靶材表面。这是溅射的核心机制：纯粹的物理轰击。

当氩离子撞击靶材时，它将其动量传递给靶材材料的原子。这就像一场亚原子台球游戏。

如果动量传递足够大，它可以将靶材材料的原子群撞击或“溅射”出来。这些溅射出的原子随后穿过腔室并沉积到您的衬底上，形成薄膜。由于氩气是一种惰性气体，它具有化学惰性，不会与靶材发生反应，确保沉积的薄膜是靶材材料的纯净层。

虽然可以使用其他气体，但对于绝大多数应用而言，氩气始终能在物理性能和经济现实之间提供最佳平衡。

大多数溅射过程的主要目标是物理气相沉积（PVD），这意味着薄膜是通过原子的物理转移形成的。氩气的化学惰性是不可或缺的。

使用反应性气体将导致反应溅射，形成化合物。这对于特定目标（如制造氮化钛）是一个有用的过程，但它完全是不同的过程。对于沉积纯金属或其他元素，惰性至关重要。

溅射过程的效率，称为溅射产额，高度依赖于轰击离子的质量。

氩气的原子质量（约40 amu）足够重，可以有效地溅射大多数常见材料。它提供了高效的动量传递，以实用的速率剥离靶材原子，适用于工业和研究目的。

氩气是地球大气层中第三丰富的气体（约占1%）。这种丰度使得其分离和纯化成本低廉。

对于任何旨在制造的工艺，成本是主要驱动因素。氩气的低成本和高可用性使其成为绝大多数溅射应用中唯一经济合理的选择。

氩气是标准，但它不是唯一的选择。了解替代方案可以阐明为什么氩气的平衡如此有效。

像氪（Kr）和氙（Xe）这样的重惰性气体将比氩气产生更高的溅射产额，因为它们更大的质量可以实现更有效的动量传递。

然而，这些气体稀有得多，因此价格也高得多。它们的使用仅限于利基应用，其中最高可能的沉积速率至关重要，而成本是次要考虑因素。

像氦（He）和氖（Ne）这样的轻惰性气体通常不适合溅射。它们的低原子质量导致动量传递效率非常低。

这些离子的轰击通常不足以有效地剥离靶材原子，导致极低或不存在的沉积速率。

有时，目标是制造复合薄膜，例如金属氧化物或氮化物。在这种情况下，反应性气体，如氧气（O2）或氮气（N2），会与氩气一起有意地引入腔室。

氩离子仍然进行物理溅射，但反应性气体在飞行中或在衬底表面与溅射出的靶材原子结合，形成所需的化合物。

最终，气体的选择取决于最终薄膜所需的特性。

了解这些因素使您不仅可以通过惯例选择工艺气体，还可以通过有意设计薄膜沉积的结果来选择。