溅射中的靶材是什么？薄膜沉积的基本源材料

在薄膜沉积中，溅射靶材是用于形成涂层的源材料。它是一块固体——通常是盘状或圆柱状——由您打算沉积到基底上的精确金属、合金或陶瓷制成。在溅射过程中，该靶材受到高能离子的轰击，这些离子会物理性地将原子从其表面撞击下来，使其能够移动并被涂覆到物体上，形成一层均匀的薄膜。

溅射靶材不仅仅是一块原材料；它在等离子体环境中充当牺牲阴极。其成分直接决定了最终薄膜的性能，它与等离子体的相互作用是整个物理气相沉积（PVD）过程的核心机制。

靶材在溅射过程中的作用

要理解靶材，您必须首先理解它在溅射工作流程中的核心作用。该过程是在真空腔内发生的一系列物理事件。

靶材最基本的作用是作为涂层材料的储存库。靶材的成分决定了最终薄膜的成分。如果您需要氮化钛涂层，您将在氮气环境中使用钛靶材。

在溅射系统中，靶材不是被动组件。它被施加强大的负电荷，使其充当阴极。腔室壁或单独的电极充当阳极。

这种负电荷吸引等离子体中带正电的离子。这种等离子体通常通过引入惰性气体（如氩气）并用高压使其电离来产生。由此产生的正氩离子（Ar+）直接加速冲向带负电的靶材。

当这些高能离子与靶材碰撞时，它们将其动量和能量传递给靶材的表面原子。这种碰撞的强度足以物理性地将靶材材料中的单个原子撞击或“溅射”出来。这些被喷射出的原子随后穿过真空并落在基底上，逐个原子地构建出所需的薄膜。

靶材本身的物理性质对于沉积过程的成功和一致性至关重要。

靶材材料的纯度至关重要。靶材中存在的任何杂质都将与主要材料一起被溅射并掺入薄膜中，这会降低其电学、光学或机械性能。对于合金薄膜，靶材必须具有均匀、同质的成分。

靶材有各种形状，但最常见的是平面（扁平盘状）和旋转（圆柱状）。选择取决于具体的设备和操作规模，其中旋转靶材通常能为大面积涂层提供更好的材料利用率和均匀性。

溅射在整个靶材表面上很少是均匀的，尤其是在使用磁体限制等离子体并提高效率时。轰击在特定区域最为强烈，该区域的侵蚀速度快于靶材的其他部分。这会形成一个可见的凹槽，称为“跑道”，它定义了靶材的使用寿命。

靶材并非孤立存在。其有效性直接与其环境和过程的固有局限性相关。

由于“跑道”效应，当凹槽变得过深时，很大一部分靶材材料通常会未被使用。这种低材料利用率会增加运营成本，因为即使大部分靶材仍未使用，也必须更换整个靶材。

整个过程必须在高真空（通常低于10⁻⁵毫巴）下进行。这有两个必要原因：首先，确保溅射原子能够到达基底而不会与空气分子碰撞；其次，防止氧气或水蒸气等污染物掺入薄膜中。

在达到初始真空后，以非常低的压力（约10⁻³毫巴）引入惰性溅射气体（通常是氩气）。这种气体不与薄膜发生反应；其唯一目的是被电离以产生轰击靶材的等离子体“弹丸”。

选择正确的靶材和工艺参数完全取决于您涂层的预期结果。

最终，理解靶材是掌握任何溅射应用的控制、质量和效率的第一步。