为什么在溅射工艺中使用氩气？物理学与经济学的完美平衡

在溅射中使用氩气的决定性原因是其物理和经济特性的独特组合。它是一种化学惰性稀有气体，具有高原子质量、合适的电离电位，并且比其他具有这些特性的气体更丰富且更具成本效益。

溅射本质上是一场动量传递的游戏，就像一场亚原子台球游戏。目标是选择一个“主球”（离子），它必须是惰性的、具有成本效益的，并且具有恰到好处的质量，以便有效地将靶原子击出，而不会引起不必要的化学反应。对于绝大多数应用而言，氩气是完美的折衷方案。

气体在溅射过程中的作用

要理解为什么氩气是标准，我们必须首先理解气体在产生溅射效应中的基本作用。工艺气体不仅仅是背景环境；它是驱动整个沉积过程的活性介质。

该过程首先将低压气体引入真空室。然后施加高电压，这会从气体原子中剥离电子。

这会产生等离子体，一种由正离子（失去电子的气体原子）和自由电子组成的带电物质状态。

这些新形成的正离子被电场加速，导致它们撞击您希望沉积的“靶”材料表面。

这种碰撞纯粹是物理事件。离子的动量传递给靶原子，如果撞击能量足够高，它会将一个靶原子击出。这个被喷射出的原子随后穿过腔室，并作为薄膜沉积在您的基板上。

氩气之所以占据主导地位，是因为它能够比几乎任何其他气体更好地扮演高能离子的角色，尤其是在平衡性能与成本时。

溅射是一种物理气相沉积 (PVD) 工艺。目标是将原子从靶材物理地移动到基板上，而不改变其化学性质。

作为一种稀有气体，氩气具有化学惰性。它不会与靶材或生长中的薄膜发生反应，确保沉积层保持纯净。

溅射效率在很大程度上取决于入射离子与靶原子之间的质量比。可以将其想象成台球碰撞。

氩离子（原子质量约 40 amu）具有足够的质量，可以有效地从工业中使用的最常见金属和材料（例如，钛、铜、铝）中击出原子。较轻的离子会弹开，而重得多的离子可能会植入自身。氩气达到了极佳的平衡，从而产生高溅射产额——每个入射离子喷射出的原子数量。

氩气在相对适中的能量水平（15.76 eV）下电离。这意味着它易于创建和维持稳定、高密度的氩等离子体，而无需极端电源。

这种操作简便性使该过程可重复、可控且高效，这在研究和批量生产环境中都至关重要。

虽然其他气体在小众应用中可能提供微小的性能优势，但它们的成本却很高。氩气是地球大气中第三丰富的气体（约 0.93%）。

这种天然丰度使得它的生产和纯化成本远低于氪或氙等其他稀有气体，使其成为绝大多数工业应用中唯一经济可行的选择。

当您考虑替代方案的缺点时，选择氩气会变得更加清晰。

氦和氖也是惰性的，但它们的原子质量太低。用氦离子撞击钨靶材就像用乒乓球撞击保龄球；动量传递效率极低，导致溅射产额非常低。

氪和氙比氩气重，实际上可以为非常重的靶材提供更高的溅射产额。然而，它们比氩气稀有且昂贵几个数量级。它们的使用仅限于高度专业化的应用，在这些应用中，最大沉积速率值得高昂的成本。

氧气和氮气等气体被有意地引入到称为反应溅射的过程中。在这里，目标是形成复合薄膜。例如，在氩气和氮气的混合物中溅射钛靶材会形成坚硬的金色氮化钛 (TiN) 薄膜。

这些气体用于诱导化学反应，这与标准氩气溅射所使用的惰性物理过程根本不同。

您选择的工艺气体完全取决于您打算制造的薄膜和您的操作限制。

最终，了解氩气的特性揭示了为什么它不仅仅是一个随机选择，而是由物理学和经济学为薄膜沉积设计的最佳解决方案。