靶材使用中的常见问题及解决方案：开裂、掉粉、中毒、打弧
靶材使用中的常见问题及解决方案：开裂、掉粉、中毒、打弧
靶材在溅射工艺中扮演着至关重要的角色，其性能直接影响薄膜的质量和设备的运行效率。然而，在实际使用过程中，靶材常常会遇到开裂、掉粉、中毒和打弧等问题，这些问题不仅影响生产效率，还可能导致设备损坏。本文将详细探讨这些问题的成因，并提供相应的解决方案。
一、靶材开裂
靶材开裂是溅射工艺中最令人头痛的问题之一，尤其在长时间高功率工作条件下。靶材开裂不仅会造成溅射不均匀、薄膜质量不佳，还可能引发后续的掉粉和靶材报废现象，严重时甚至影响真空腔体的密封性能。
现象描述
靶材开裂通常表现为：
- 靶材中心或边缘出现明显裂纹。
- 裂纹沿热应力集中的区域扩展，可能导致靶材碎裂脱落。
- 伴随微小颗粒的溅射污染，导致薄膜颗粒缺陷。
成因分析
靶材开裂主要是由于热、机械和材料因素共同作用下的结果：
热学因素：
在溅射过程中，靶材表面与背板由于热应力分布不均，使材料产生局部变形。当热应力超过材料的断裂强度时，便会引发裂纹。
重复的热循环导致热疲劳，加速裂纹扩展。
材料方面的缺陷：
靶材致密度不足时，孔洞和加工缺陷可能成为应力集中点。
低熔点或低强度材料如铟、锡等金属更容易开裂。
机械紧固问题：
靶材安装过程中，如果背板与靶材贴合不良，或者安装力不均匀，会导致局部机械应力集中，最终造成损坏。
过薄靶材设计：
靶材过薄降低其承受热应力的能力，尤其是在大面靶材中，这种现象会更加明显。
解决方案
优化冷却系统：靶材背部通常需要冷却水循环，冷却效率的提升能够均匀地分散热量，减少热应力积累。优化冷却通道设计或使用高效散热材料背板，可以显著改善裂纹问题。
选择优质靶材：高密度、低杂质的靶材更能抵抗热应力的影响。推荐使用均匀致密度更高、孔洞更少的靶材，比如通过热等静压烧结（HIP）工艺制造的靶材。
改进安装技术：使用弹性垫层或柔性背板安装靶材，能有效缓解机械应力。另外，确定夹持力适中均匀，避免因过紧或松动导致损坏。
优化靶材厚度及尺寸设计：针对大面积溅射应用，可选择厚靶材或分体靶材方案，减小热应力集中区域。例如将靶材厚度提高20-30%能显著提升抗开裂性能。
二、靶材掉粉
靶材掉粉是薄膜制造工艺中的主要污染源之一。掉粉会直接导致薄膜表面出现颗粒缺陷，破坏薄膜的电学、光学和机械性能，因此必须引起高度重视。
现象描述
靶材掉粉主要表现为：
- 成膜过程中薄膜表面颗粒密度提高。
- 靶材表面观测到无法溅射的微量粉末堆积。
- 靶材使用寿命缩短，溅射稳定性下降。
成因分析
靶材表面缺陷：
表面粗糙不均匀，导致局部脱落。
靶材中存在未烧结致密的区域，裂纹或孔洞成为粉末来源。
高功率溅射条件：
较高的功率密度会造成靶材表面温升，弱化区域出现剥离现象。
溅射时离子轰击过于剧烈，也会加速粉末产生。
材料特性：
高脆性材料更容易表现出掉粉现象，如陶瓷靶材或高氧化物含量的靶材。
复合靶材若粘结不牢，也可能引发分层掉粉问题。
解决方案
提高靶材致密性：通过改善生产工艺，如冷等静压（CIP）或热等静压（HIP），可以减少靶材面的孔洞和加工缺陷，提高致密度。
优化溅射工艺参数：降低溅射功率，减少功率密度集中区域的温升或应力累积。通过多极磁控靶的设计，可以优化离子轨迹分布，降低靶材的损伤。
表面处理改良：对靶材表面进行磨光或化学蚀刻，改善粗糙度，从物理上降低掉粉的可能性。
加强日常维护：定期清理真空腔，避免掉粉颗粒积累对下游设备和薄膜质量的二次污染。
三、靶材中毒
靶材中毒是溅射工艺中一个极具挑战性的问题，尤其是反应溅射工艺（如氧化、氮化）中，由于靶材表面化学反应的失控，中毒现象显著增加。
现象描述
- 靶材表面出现颜色变化，如氧化物或氮化物附着。
- 溅射速率明显下降。
- 放电不均匀，反应腔压力不稳定。
成因分析
反应过度：过多的反应气体如O₂、N₂与靶材表面反应形成高电阻化合物，导致电流不稳定。
使用间断：溅射断续使用导致吸附或氧化层累积，形成难以清除的“中毒层”。
真空腔杂质：空腔中的水汽和其它挥发性成分可能沉积在靶材表面，尤其是在复合靶使用环境下。
解决方案
优化反应气流比例：实现氩气与反应气体比例的动态调节，避免中心部位反应过度。
预溅射处理：在靶材正式使用前，通过短时间高功率预溅射清理靶材表面覆盖物。
频率调控技术：使用脉冲电源或高功率脉冲溅射（HiPIMS）技术，恢复中毒靶材的表面活性。
四、靶材打弧
现象描述与危害
靶材打弧是一种常见的瞬时高能量放电现象，危害包括：
- 真空腔中过压，导致设备跳闸。
- 靶材表面局部过热，形成永久性损伤。
- 薄膜中局部穿孔缺陷。
解决方案
- 电弧控制系统：安装电弧抑制模块，快速断开电源，保护靶材。
- 清洁与均匀化操作：减少颗粒累积或表面缺陷。