在溅射沉积中，气体的选择对整个过程至关重要。 氩气是用于溅射的标准气体，因为它是一种惰性气体，意味着它在化学上是惰性的，不会与靶材发生反应。这种惰性，加上相对较高的原子质量，使得氩离子能够有效地轰击和撞击靶材上的原子，而不会污染所得的薄膜。
溅射气体的选择是在化学惰性和物理动量之间的一种权衡。氩气提供了一个最佳的平衡：它足够重，可以有效地溅射出靶原子，同时又在化学上是惰性的，防止它污染靶材或最终沉积的薄膜。
溅射气体的核心要求
要理解为什么氩气是默认选择，我们必须首先定义什么使得一种气体对这种物理过程有效。理想的气体必须满足三个主要标准。
化学惰性以保证纯度
溅射是物理气相沉积 (PVD) 过程，而不是化学过程。目标是物理地将原子从源（“靶材”）上撞击下来，并使它们作为纯膜沉积在基板上。
使用惰性气体至关重要，因为它不会与靶材或穿过真空室的原子形成化学键。这确保到达基板的材料与它来自的源一样纯净。
足够的质量以实现动量传递
溅射过程是一个动量传递事件。来自气体等离子体的离子被电场加速并撞击靶材。
把它想象成一场台球比赛。像氩气这样较重的离子就像一个保龄球撞击球瓶——它有足够的质量和动量有效地将靶材上的原子撞击下来。像氦气这样轻得多的离子就像一个乒乓球；它会反弹而不会撞击下多少物质。
在等离子体中高效电离
溅射气体必须首先通过强电场转化为等离子体（由离子和电子组成的类中性气体）。气体必须能够在真空条件下有效地电离并稳定地维持这种等离子体状态。像氩气这样的惰性气体在这方面表现出色，并且在辉光放电中不会分解。
为什么氩气是默认选择
氩气在物理原理和经济现实之间找到了最佳点，使其成为溅射行业的支柱。
氩气的最佳平衡
作为一种惰性气体，氩气是完全惰性的。其原子质量约为40 amu，比其他常见气体如氮气（~28 amu）重得多，比氦气（~4 amu）重得多，使其在溅射中非常有效。
丰度和成本因素
氩气占地球大气的近1%，因此储量丰富，提纯成本相对较低。虽然像氪（Kr）和氙（Xe）这样的重惰性气体由于质量更大，溅射效果更好，但它们也稀有得多，成本呈指数级增长。
对于绝大多数应用来说，氩气在成本效益方面提供了最佳性能。
理解权衡：何时不使用氩气
虽然氩气是标准配置，但它不是唯一的选择。例外情况证明了规则，并突出了该过程的基本原理。
反应溅射的作用
有时，目标不是沉积纯物质，而是化合物。在反应溅射中，会故意将反应性气体（如氧气或氮气）与氩气一起引入腔室中。
氩离子仍然执行溅射金属靶材（例如钛）的主要工作。然而，反应性气体在传输过程中或在基板表面与被溅射的钛原子结合，形成新的化合物，如二氧化钛（TiO₂）或氮化钛（TiN）。
较重气体的应用
对于非常致密且难以溅射的材料，或者在最高优先级是最大化沉积速率的高端应用中，可能会使用较重的惰性气体。
氪气或氙气比氩气提供更高的溅射产率（每个入射离子溅射出更多的原子）。这种性能提升伴随着显著的成本增加，限制了它们在专业研究或要求苛刻的工业过程中的使用。
为您的工艺做出正确的选择
您选择的气体应直接受您的沉积目标所指导。
- 如果您的主要重点是经济高效地沉积纯金属或材料： 氩气是您的默认选择，它在性能、纯度和成本之间提供了最佳平衡。
- 如果您的主要重点是创建化合物薄膜（例如氧化物、氮化物或碳化物）： 您将使用反应溅射工艺，将氩气与特定的反应性气体（如 O₂ 或 N₂）混合。
- 如果您的主要重点是最大化难以溅射的材料的沉积速率： 考虑使用较重的、更昂的惰性气体，如氪气或氙气，如果增加的产量证明了成本是合理的。
理解这些核心原理使您不仅可以选择标准气体，还能为您的特定技术目标选择正确的气体。
总结表：
| 气体特性 | 它对溅射的重要性 | 氩气的优势 |
|---|---|---|
| 化学惰性 | 防止靶材和沉积薄膜被污染。 | 惰性气体；不与靶材反应。 |
| 原子质量（~40 amu） | 决定了动量传递以撞击原子的效率。 | 实现有效溅射产率的最佳质量。 |
| 电离效率 | 对创建和维持等离子体至关重要。 | 在辉光放电中能高效且稳定地电离。 |
| 成本和丰度 | 影响沉积过程的总成本。 | 占大气的约1%；具有高度成本效益。 |
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