溅射中为何使用惰性气体？确保薄膜沉积纯净、无污染

简而言之，溅射中使用惰性气体是因为它化学性质不活泼，并且具有作为该过程“弹药”的理想物理特性。 它提供稳定的离子源，这些离子可以被加速以物理轰击靶材，击出原子进行沉积，而不会引起不必要的化学反应，从而污染最终的薄膜。

溅射本质上是一个物理过程，而非化学过程。氩气等惰性气体的主要作用是提供一个重且不活泼的弹丸（离子），将动量传递给靶材，确保沉积的材料与被去除的材料成分相同。

气体在溅射中的基本作用

要理解惰性气体为何至关重要，您必须首先了解溅射过程的核心机制。气体并非被动的旁观者；它是实现整个操作的必要介质。

该过程始于将少量气体引入真空室。然后施加一个强电场，使气体原子带电并剥离其电子。

这会产生等离子体，一种由正气体离子和自由电子组成的高度电离物质状态。这种等离子体是溅射过程的引擎。

靶材（薄膜的来源）被赋予负电荷。这使得等离子体中带正电的气体离子积极地加速冲向靶材。

这些离子以显著的动能撞击靶材表面。

这种轰击的目标是动量传递。将其想象成一场微观台球游戏。入射气体离子是主球，其目标是以足够大的力撞击靶材表面的原子，将它们击出。

这些被击出的靶原子随后穿过腔室并沉积到基底上，形成一层薄而均匀的薄膜。

虽然任何气体都可以电离形成等离子体，但使用非惰性气体将从根本上破坏该过程。氩（Ar）、氪（Kr）和氙（Xe）等惰性气体的独特特性使其特别适合这项任务。

这是最关键的因素。惰性气体不易与其他元素形成化学键。

如果您使用氧气或氮气等反应性气体，离子不仅会击出靶原子，还会与它们发生反应。这将在靶材表面和最终薄膜中形成意想不到的化合物（如氧化物或氮化物）。

使用惰性气体可确保溅射过程保持纯物理性，从而保证沉积的薄膜在化学上与靶材相同。

动量传递的效率——以及溅射速率——与轰击离子的质量直接相关。

较重的离子撞击靶原子比轻的离子传递更多的能量，从而增加了击出靶原子的可能性。这就是为什么较重的惰性气体能带来更高的沉积速率。

氩气（原子质量约40 amu）是最常见的选择，但为了获得更高的效率，可以使用更重的气体，如氪气（约84 amu）或氙气（约131 amu）。

惰性气体是单原子的，在等离子体的强烈能量下不会分解。这为轰击靶材提供了稳定、可预测且一致的离子源，从而实现受控且可重复的沉积过程。

虽然原理很简单，但选择特定的惰性气体需要平衡性能与成本。

氩气是使用最广泛的溅射气体。它在实现高效溅射的合理高原子质量和相对较低的成本之间取得了极佳的平衡，因为它储量丰富（约占地球大气的1%）。

氪气和氙气比氩气重得多，将产生更高的溅射产额（每个离子击出的靶原子更多）。这会导致更快的沉积速率。

然而，这些气体稀有得多，因此也昂贵得多。它们通常保留用于对最大吞吐量至关重要且成本是次要考虑因素的特殊工艺。

区分物理溅射和反应溅射很重要。在反应溅射中，反应性气体（如氧气或氮气）被有意地添加到惰性气体流中。

这里的目标不同：在基底上形成化合物薄膜。例如，通过在氩/氧等离子体中溅射钛（Ti）靶，可以沉积二氧化钛（TiO₂）薄膜。惰性氩气仍然进行大部分物理溅射，而氧气与溅射的钛原子反应形成所需的化合物。

您选择的气体完全取决于您沉积过程的预期结果。

最终，惰性气体是实现受控的物理材料从源靶材转移到基底的关键工具。

气体类型	关键特性	在溅射中的主要作用	常见示例
惰性气体	化学性质不活泼	提供离子用于动量传递而不产生污染	氩气 (Ar)
较重的惰性气体	高原子质量	提高溅射产额和沉积速率	氪气 (Kr), 氙气 (Xe)
反应性气体	化学性质活泼	用于反应溅射以形成化合物薄膜	氧气 (O₂), 氮气 (N₂)