靶材溅射工艺原理，一句话说不清，但干货都在这

刚开始接触靶材溅射那阵子，所认为的这是一个纯粹的物理过程，其简单的理解就是：运用离子去轰击材料，之后材料就飞出去了，跑到基片上面并且粘附住。但是真正上手去操作后才发现，这个工作跟进行烹饪是差不多的，锅具同样很热、油量也一样多，可制作出来的菜品就是不尽相同。

这个工艺的基础原理其实是挺直接的：在真空腔体当中，进行引入惰性气体，像是氩气这种，借助电场来让这些氩气得以电离，从而形成等离子体。等离子体当中的正离子在电场作用之下会进行加速，去撞击靶材的表面，把靶材原子给打了出来，这些原子会飞过来沉积到基片上面去。这个过程听起来是挺暴力的，其实所讲究的是稳定以及均衡这两个方面。

最开始的时候选用的是直流溅射这种方式，它比较简单、也比较稳定，但是它只能对导电材料能够有效。非导体材料就显得麻烦了，一进行打击就会造成电荷堆积，从而溅射不出来。后来换成了射频也就是RF之后，确实能够去处理绝缘靶材，但是其配套的设备就显得复杂了，射频电源的匹配网络也特别容易会发生一些问题。有一次不小心进行了调错，结果就是等离子体直接就熄灭了，还把功率模块给烧了。设备供应商在听说之后，差点都没有进行责骂。

磁控系统可以说是溅射效率的核心部分。它会借助磁场把电子限制在靶材表面附近区域，不让它们轻易地跑掉，电子密度提高了之后，等离子体就更容易得以维持。溅射率会得到提升，膜层的生长也会更快。曾经尝试过把磁场拆除来进行对比实验，结果是在功率一样的条件下，沉积速度直接就掉了一半。并且膜层也会变得松散，粘附性能差，用肉眼都能够看出其不同之处。

靶材材料的选择也是一门大学问。有一次客户坚持要选用一款掺钨的钛合金靶材，结果所溅射出来的膜层完全不具备粘附性。查阅了相关资料之后才了解到，主要缘由是钨的含量太高会引致沉积时应力的急剧增大，膜层一进行冷却就发生开裂。从那之后就再也不轻易去承接“客户自备靶材”这种类型的单子。即便是客户说“请放心吧，我们以前都有使用过”，也还是会先在设备上进行打样尝试，不然的话遇到的问题就会太多。

气氛控制这个部分有很多人会认为是一件小事情，但实际上它是非常关键的。比如加入氮气、氧气这一类反应性气体，其比例一旦发生变化，整个工艺的特性都会随之改变。曾经有一次在进行氮化钛膜的制备工作时，在刚开始的时候氮气加入得比较多，结果造成溅射效率比较低，靶材表面直接就发生了“中毒”现象，膜层的颜色也从金黄转变成了深褐色，完全无法达到预期的效果。后来选用了脉冲供气的方式，首先运用氩气来稳住等离子体，然后再去缓慢地引入氮气，这样效果才得以恢复。

还有就是有关温度控制方面的问题。以往比较偏好于运用高温条件来进行沉积，认为这样做能够让膜层更为致密，并且电学性能也更好。直到有一次在为一位科研客户去制备有机基底样品的时候，由于温度控制方面出现了失误，样品直接就发生了翘曲以及起泡的现象。那个时候对方跑过来，脸色都变得很难看，并且说这批样品他们已经花费了三个月的时间去制作，只有这一套基底，要是没有了的话，那就彻底完蛋了。从那件事情之后，才学会了要去尊重那些“脆弱材料”，工艺条件的选择不能够一刀切。

靶材的寿命实际上也并不如想象当中那么持久。从理论上来说，它是可以使用几十个小时没错，但是也曾经遇到过靶材发生偏心烧蚀的案例，其中心区域被完全打穿，而周边区域却几乎没有什么消耗。后来查看了设备型号才了解到，是由于磁控结构设计得不对称，等离子体总是会集中在某一个点上。后来把它换成了动态磁控系统，等离子体能够进行转动，烧蚀过程就变得均匀了，靶材也能够多使用一倍的时间。尽管这种设备的价格要贵一些，但确实节省下来了不少材料方面的成本。

还有另外一点是有很多人会忽略掉的：那就是膜厚均匀性这个特性。在溅射的过程当中，粒子的飞行方向是存在一个统计学上的分布的，并不能都笔直地降落到你所期望的位置上面去。尤其是在基片尺寸较大、而靶材尺寸较小这种情况之下，其边缘区域的厚度往往会不够。一般的做法是会去让基片进行旋转，并且还额外增加了一个小的摆动角度，这样所沉积出来的膜层厚度分布就会平滑很多。有一次在制备ITO导电膜的时候，因为没有加入旋转的步骤，导致边缘区域的电阻率直接就翻了一倍，结果被客户要求退回进行重做，那天晚上在实验室一直忙碌到凌晨三点钟。

也曾经遭遇过一些比较奇怪的现象。有一次在运用ZnO靶材来沉积透明导电膜的时候，膜层的厚度已经达到了设计的目标值，但是其电阻值却表现得非常高。经过一番排查之后，才发现主要缘由在于背景气压设置得偏高了，这种情况引致了氧分压过大，从而使得电子载流子的浓度有所下降。后来干脆就在溅射完成之后增加了一道退火的工序，在500摄氏度的条件下处理一个小时，其电学性能马上就得到了改善。这个进行“后处理”的思路，后来也被反复地运用在像是ITO、AZO这类材料的制备工作当中。

其实在进行靶材溅射工作的时候，是不能够太过去依赖那些“设定值”的。设定的参数正确了，并不代表所制备出来的膜层就一定会好。在很多情况下，即便所有的数字参数都在设定的范围之内，膜层的颜色、附着力以及表面粗糙度这些特性，依然有可能会不符合要求。你必须去观察它进行沉积的整个过程，有没有发生颜色变化，放电过程是不是不够稳定，以及靶材的表面是否保持洁净。这些都需要依靠眼力、凭借经验，甚至还要凭借一点点不太确定的感觉来进行判断。

从事这个行业的时间久了，就越来越相信这样一句话：溅射这个工作，关键点并不在于你设定了什么样的参数，而是在于你清楚当出现问题的时候，应该要怎样去把它调整回来。参数的设定仅仅只是一个开始，真正的核心技术是体现在应变能力这个方面。这就好像是乐手去进行调琴一样，频率调整好了并不等同于就能够演奏出动听的曲子。你还需要知道这个音符具体应该怎样去弹奏，以及在什么样的场景之下，它所发出的声音才是正确的。