溅射靶材在薄膜沉积过程中起着至关重要的作用，但有时它们会过早失效，导致工艺中断和额外成本。这些失效往往与材料特性、操作条件或设备问题有关。要防止此类问题并提升溅射效果，必须深入了解这些因素。
本文将探讨溅射靶材破裂的原因，并以氧化铈（CeO₂）、氧化铟锡（ITO）以及铝掺杂氧化锌（AZO）靶材为例，说明常见问题及其解决方法，并提供可行的预防措施。
溅射靶材失效的常见原因
溅射靶材破裂的一个常见原因是超过材料的功率极限。每种材料都有其安全承受的最大功率密度。当输入功率超过该阈值时，会导致过热和损坏。例如，一块直径 3 英寸的 ITO 靶材在 1000 瓦功率下溅射，而该功率约为其推荐最大功率的七倍，结果造成靶材严重损坏。
另一个导致靶材损坏的重要因素是不当的功率爬升（ramping）过程。突然施加全功率可能造成热冲击，尤其是对于陶瓷类或低熔点材料。这类材料通常需要逐步升功，以避免因温度梯度过大而产生热应力裂纹。
例如，一块氧化铈靶材使用铜背板并通过铟焊接。由于施加功率过高，铟焊层熔化，导致靶材开裂。通过逐步升功，可有效降低温度梯度，从而减少损伤风险。
靶材与背板的粘结质量也是影响寿命的关键因素。合适的粘结能提高散热性能、稳定薄靶或脆性靶，并在轻微裂纹出现时仍维持溅射运行。然而，粘结靶的功率容量有限，通常约为 20 W/in²。不良的粘结会导致过热，例如前述氧化铈靶材案例中，铟焊层因散热不良而熔化。
因此，应确保粘结质量可靠并严格遵守功率限制，以延长靶材使用寿命。
冷却不足同样是导致靶材破裂的重要原因。有效的冷却可防止局部过热，从而避免材料产生裂纹或断裂。例如，一块铝掺杂氧化锌靶材在某一位置冷却不足且功率过高，造成局部过热并最终出现裂纹。
因此，在溅射前应检查冷却系统性能，并确保靶材与冷却组件之间的热接触良好。
各类材料的特定挑战
某些材料天生存在易损性，需要额外注意。
- 低熔点材料
若功率控制不当，极易在溅射过程中熔化。此类材料通常只能在极低功率下工作，且需粘结背板以提升稳定性与散热性能。但在某些极端情况下，溅射可能根本不可行。 - 陶瓷材料
陶瓷具有高脆性，极易因热应力而破裂。因此，必须采用渐进升功与稳定冷却的操作策略。否则，陶瓷靶极可能在运行中开裂或碎裂。 - 氧化物靶材（如 ITO、AZO）
此类材料需要极为精确的冷却控制与严格的功率管理。适当的粘结能显著提高其性能与寿命，但仅在粘结工艺正确的前提下。
设备与系统故障排查
即便操作参数看似正常，设备本身的问题也可能导致靶材失效。
- 阴极表面不平
阴极表面应保持平整，以确保靶材与冷却系统充分接触。若表面不平，将导致散热不均，从而引发局部过热与损坏。 - 冷却水系统异常
溅射前必须确认冷却水系统已开启且运行正常。冷却性能不足会造成局部温升过高，导致靶材裂纹或熔化。
延长靶材寿命的最佳实践
- 遵守推荐功率密度
不可超过材料功率极限，否则极易造成过热与损坏。 - 逐步升功启动
在开机时逐渐增加功率，避免热冲击与内部应力积累。 - 采用合适的粘结背板
粘结靶能提高散热效率与机械稳定性，但功率上限较低，须严格控制。 - 保持良好冷却系统
确保靶材与冷却组件的热接触充分，并定期检查冷却水循环是否畅通。 - 定期设备维护
检查溅射枪与阴极表面是否平整，以预防潜在的热失效风险。
结论
溅射靶材虽然属于消耗品，但通过正确操作与合理维护，其使用寿命可显著延长。
超过功率限制、粘结不良以及冷却不足，是导致靶材破裂的最常见原因。
只要在日常操作中主动识别并预防这些问题，就能有效降低靶材失效风险，提升溅射过程的稳定性与效率。
