磁控溅射源的冷却并非可选项；它是工艺稳定性和设备完整性的基本要求。 在沉积过程中，靶材受到等离子体中高能离子的轰击。这种动能的很大一部分——通常超过75%——直接在靶材表面转化为热量。主动冷却是在散发这种强烈热负荷并防止灾难性故障的主要机制。
冷却的核心原因是管理离子轰击产生的巨大且不可避免的废热。没有它，您将永久损坏磁体，使靶材开裂，并失去对整个沉积过程的控制，导致您的结果不一致且不可靠。
热量产生的物理原理
要理解冷却的必要性，您必须首先了解热量的来源。整个过程是由电能从电源传输到等离子体并传输到靶材驱动的。
离子轰击的作用
磁控溅射源利用电场和磁场的组合在溅射靶材表面附近产生并限制致密等离子体。来自该等离子体的带正电离子（通常是氩气）被靶材上的强负电压加速。
撞击时，每个离子的动能都传递给靶材。虽然其中一些能量会喷射出靶原子（溅射过程），但绝大多数只是导致靶晶格中的原子振动，这就是热的定义。
功率输入与热负荷
产生的总热量与输送到源的电功率成正比。以更高功率运行工艺以实现更快的沉积速率意味着每秒有更多的离子撞击靶材，产生更大的热负荷，必须由冷却系统去除。
受冷却保护的关键部件
主动冷却系统，通常是闭环水循环，旨在保护几个关键部件，这些部件的性能会随着温度的升高而迅速下降。
保持磁场
这可以说是冷却最重要的功能。大多数现代磁控管使用强大的稀土永磁体（如钕铁硼，NdFeB）来限制等离子体。这些磁体具有最高工作温度，称为居里温度，超过该温度它们将开始永久性失去磁力。
即使远低于居里点，升高的温度也会导致磁场暂时性，并最终永久性地减弱。磁场减弱会导致等离子体限制效率降低，从而导致溅射速率降低和完全不同的沉积均匀性分布。
保护溅射靶材
靶材本身容易受到热损伤。如果陶瓷靶材没有有效冷却，它们会因热冲击而容易开裂。金属靶材可能会熔化、升华或发生相变和再结晶，这会改变它们的溅射特性并可能改变您沉积薄膜的成分。
保持真空完整性
磁控源通过法兰安装到真空室，法兰用弹性体O形圈密封。如果磁控管本体变得过热，热量会传导到法兰并“烘烤”O形圈。这会导致弹性体变硬变脆，损害其保持密封的能力，并导致真空泄漏，从而污染您的工艺。
冷却不足的后果
未能提供足够的冷却并非微小的工艺偏差；它对您的设备和结果会产生严重且复合的后果。
沉积速率不一致
随着未冷却或冷却不良的源加热，其磁场会减弱。这会导致等离子体密度下降，并且在整个运行过程中沉积速率会向下漂移。这使得在长时间沉积过程中无法重复实现特定的薄膜厚度。
薄膜质量差和附着力差
炽热的靶材会向基板辐射大量热量。这种不必要的加热会导致应力，改变薄膜的晶体结构（形态），并导致附着力差。您在运行开始时创建的薄膜的特性将与结束时的薄膜不同。
设备损坏和停机
最终的后果是设备故障。永久退磁的磁体阵列需要昂贵且耗时的整个源更换。开裂的靶材会抛出颗粒，污染腔室，而失效的真空密封可能会导致操作停机数天。
优化沉积过程的冷却
适当的冷却是成功的先决条件，其管理可以根据您的具体目标进行调整。通过监测冷却剂的温度和流量，您可以获得强大的过程控制杠杆。
- 如果您的主要重点是工艺稳定性和可重复性： 确保您的冷却剂流量和温度在整个沉积过程中保持恒定并受到监测，以保证稳定的磁场和靶材温度。
- 如果您的主要重点是实现高沉积速率： 认识到更高的功率需要更积极的冷却，因此您必须使用足以处理增加的热负荷的冷却器和流量。
- 如果您的主要重点是溅射热敏材料： 在源上使用强大的冷却，以最大限度地减少从靶材辐射到基板的热量，从而保护靶材和薄膜的完整性。
通过掌握溅射源的热管理，您可以直接控制薄膜沉积结果的质量、可靠性和一致性。
总结表：
| 冷却功能 | 冷却不足的后果 |
|---|---|
| 保护永磁体免受退磁 | 磁场永久性损失，等离子体不稳定 |
| 防止靶材开裂或熔化 | 溅射特性改变，薄膜污染 |
| 保持真空密封完整性 | 真空泄漏，工艺污染 |
| 确保沉积速率一致 | 薄膜厚度不可靠，工艺重复性差 |
| 控制基板加热 | 薄膜附着力差，薄膜形态改变 |
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