液相磁控溅射技术：打破传统靶材的“不可能”

我第一次听说液态金属还能做磁控溅射靶材，是在一个做OLED阳极层的实验室。他们说要打Ga-In合金，用的还是标准直流溅射，靶材像糖浆一样软，一不小心就冒泡。这种体验说实话挺离谱的。我从业十年没见过能“流动”的靶材。

后来才发现，其实不是他们搞怪，是因为有些金属压根就不适合做固态靶，比如Ga、In、Sn这类，熔点低，机械强度差，做成靶材又容易开裂，导热也拉胯。传统压制没戏，烧结也会起皮。不如直接拿液相打了。听起来很野，确实也够新鲜。

我自己试过一次，拿低共熔In-Ga合金灌在一个石英盘里，放进改装的溅射腔。为了让它不乱跑，在溅射前加了薄层Ta网固定液面。磁场一开，溅射是有的，但稳定性真差。液面一旦温升超过40℃，整个靶面起涟漪，导致等离子体乱跳，膜层出现颗粒+偏析。后来我们把背板水冷温度强制压到5℃，才勉强稳住。

液态靶材最大的问题不是能不能打，而是你压根没法预测它的状态。它不像固态靶，边烧边看烧蚀坑。液体你看不出烧了多少，也无法靠视觉判断是否还“够打”。你得实时监控放电电压、电流波动，稍有抖动就说明靶面状态变了。我们做了一套在线反馈逻辑，每30秒调整一次磁场强度，去修正液面扰动带来的功率偏移，不然根本打不稳。

另一个让人头疼的是靶材更换。传统靶换块金属上去就行，液态靶得抽空再换液。你得先降温让它凝固，再取出来。而有些液态金属像Bi-Sn系凝固膨胀，一冷冻就把靶壳撑裂。我吃过这个亏，凌晨一点值班换靶结果整台设备起雾，真想回老家种地。

但也不是全是坏处。液态靶打出来的膜致密性非常好。我们做过一批液态InSn打ITO结构的实验样，电阻率比固态靶版本低了25%。表面粗糙度也低了约1纳米。尤其适合做柔性基底上那种需要低温沉积+连续薄层结构的膜。传统溅射有时热冲击会把基底炸了，液态靶因为温升缓慢，反而友好不少。

当然，你也不能指望它替代一切。液态靶材太“娇气”，一出真空就氧化，一氧化反过来又影响膜的均匀性和成分控制。有时候你以为打的是纯In，其实表层早就变成In₂O₃了。这东西电性完全不一样。我们给客户做OLED阳极层的时候，前后膜性能差异接近2倍，光电一致性差得让人骂娘。

最后一点也是我们内部吵得最多的：到底液态靶材算不算“耗材”？设备组认为这玩意要当作消耗品每批换，采购认为应该按靶材寿命折算。两个部门为了预算报表互掐。其实问题根本不在会计科目，而是你得承认液相靶是一套新系统，跟传统逻辑对不上。

你要真上这技术，最好设备和材料一起定制，不要指望老腔体能搞得定。

液相磁控溅射这个话题，本身就很边缘，如果还只是停留在“液态金属难搞、膜层均匀性不好”这种层面，那确实是套皮内容。

一、液态靶材溅射的本征不稳定性，没有人愿意说，但这是关键。

液体不是固体。它没有形状记忆，不能维持局部烧蚀形貌。这意味着，任何一个等离子体扰动，都会造成液面变形，然后这种变形会反过来影响放电区域分布，形成正反馈。最终，你会得到一个典型的电-热-流三耦合混沌系统。

我在一套液态Sn-Ga溅射中遇到的场景是这样的：最开始打得很稳，阴极电压稳定在460V。但十分钟后，突然出现局部“拉丝”，电压跳到600V，接着膜层厚度下降70%，形成“中央凹陷区”——肉眼看膜像中间塌了一块。分析下来，根源是液面上升温速度不均，造成Marangoni效应，液体内部热流引发表面张力梯度。这不是简单的热导率问题，而是表面张力驱动的对流不稳定。大多数工程师根本没考虑到这点。

这不是靠多加个冷却水路就能解决的，你得建完整的热流场模型，预判每种成分的温升路径。

二、磁场干扰+流体动力学的矛盾耦合

传统靶材可以靠磁场约束电子轨道延长等离子体寿命。但液态靶材下，磁场越强，液体扰动越剧烈。为什么？液体金属多数有良好的电导率，一旦暴露在磁场中，就会诱导涡流，从而产生洛伦兹力。你以为自己是在稳定电子，却同时在搅动液面。

特别是在使用高B场（>0.3 T）磁控头时，液面根本不可能稳定。Sn基合金、Bi基合金这类黏度较大的液体尤其明显，甚至出现“液面跳跃”的现象。我们曾监测到液面抬升幅度达2.4 mm，然后在3秒内塌陷，这直接毁掉整层膜的均匀性。

解决办法不是减磁，而是局部磁场分布均匀化，用环形磁场结构+软磁材料引导磁通泄放，减缓横向梯度。这种磁通调控设计，我到现在都没在市面上找到成熟方案。我们是自己3D打印一套磁场引导器，用合金粉和环氧混烧做出来的。

三、液态金属的电子激发态行为，这是材料物理层面的问题

液态金属的原子排列不像晶体那样有序，因此，溅射时激发出的二次电子能量分布很宽。这导致非线性色散效应——不同电子激发区打出的粒子具有不同的动能，沉积在基底上的原子扩散深度就差很多，造成了“亚层混叠”。

举个例子，我们用液态In打在高分子基底上时，发现膜层下部呈现非晶+晶态共存结构。这在传统固态溅射里是非常罕见的，因为动能分布被“限制”住了。液态靶材打出的原子，有些能量高到能穿透第一层膜，直接嵌入到基底里去。

这个行为直接破坏了膜-基界面。最终膜粘附力下降，做完弯折测试后，膜层开裂起壳。也就是说，液态靶打的膜，在微观结构上完全不同，不是“只是换了个物态”这么简单。

四、没人讲的：液态靶材的边界张力驱动非对称沉积

液态靶材受限于容器结构，通常呈现凹面或微凸面。但磁控溅射要求靶面平整以获得均匀的磁力线排布，两者是矛盾的。你稍微倾斜一点，整个磁通都会被拉偏，等离子体会往液面“高点”集中，然后溅射区变形，膜层厚度随之拉斜。

我实测中，一次只有0.3度的倾角偏差，膜层厚度就偏差15%以上。这是目前工程上最难控的点，因为液面本身就是浮动的，你无法靠机械手段校准，必须用实时液面测量+气压补偿系统。

我们曾试图用表面张力控制剂（加进液态金属中）来调节液面形态，结果适得其反。添加剂扰乱了金属本身的电导率，反而造成不点火。

如果你真要把液态磁控溅射作为商业方向去做，那就别只盯着“怎么溅得动”，你得解决的是：

• 电-热-磁-流-界面五耦合模型实时调控

• 靶材液面形态稳定机制设计

• 靶壳热应力与材料选择（特别是对表面张力的影响）

• 多组分合金在液相下的相分离与偏析控制

• 二次电子能谱对膜层微结构的影响