本文详细探讨了磁控溅射过程中靶中毒这一关键问题。深入分析了靶中毒的现象、机理及对溅射过程和薄膜质量的严重影响。通过对反应气体、溅射功率、靶材与基底材料等多种因素的综合研究，揭示了靶中毒的成因。

靶面金属化合物的形成
由金属靶面通过反应溅射工艺形成化合物的过程中，化合物是在哪里形成的呢？由于活性反应气体粒子与靶面原子相碰撞产生化学反应生成化合物原子，通常是放热反应，反应生成热必须有传导出去的途径，否则，该化学反应无法继续进行。在真空条件下气体之间不可能进行热传导，所以，化学反应必须在一个固体表面进行。反应溅射生成物在靶表面、基片表面、和其他结构表面进行。在基片表面生成化合物是我们的目的，在其他结构表面生成化合物是资源的浪费，在靶表面生成化合物一开始是提供化合物原子的源泉，到后来成为不断提供更多化合物原子的障碍。

靶中毒的影响因素
影响靶中毒的因素主要是反应气体和溅射气体的比例，反应气体过量就会导致靶中毒。反应溅射工艺进行过程中靶表面溅射沟道区域内出现被反应生成物覆盖或反应生成物被剥离而重新暴露金属表面此消彼长的过程。如果化合物的生成速率大于化合物被剥离的速率，化合物覆盖面积增加。在一定功率的情况下，参与化合物生成的反应气体量增加，化合物生成率增加。如果反应气体量增加过度，化合物覆盖面积增加，如果不能及时调整反应气体流量，化合物覆盖面积增加的速率得不到抑制，溅射沟道将进一步被化合物覆盖，当溅射靶被化合物全部覆盖的时候，靶完全中毒。

靶中毒现象
(1)正离子堆积：靶中毒时，靶面形成一层绝缘膜，正离子到达阴极靶面时由于绝缘层的阻挡，不能直接进入阴极靶面，而是堆积在靶面上，容易产生冷场致弧光放电---打弧，使阴极溅射无法进行下去。（2）阳极消失：靶中毒时，接地的真空室壁上也沉积了绝缘膜，到达阳极的电子无法进入阳极，形成阳极消失现象。

靶中毒的物理解释
（1）一般情况下，金属化合物的二次电子发射系数比金属的高，靶中毒后，靶材表面都是金属化合物，在受到离子轰击之后，释放的二次电子数量增加，提高了空间的导通能力，降低了等离子体阻抗，导致溅射电压降低。从而降低了溅射速率。一般情况下磁控溅射的溅射电压在400V-600V之间，当发生靶中毒时，溅射电压会显著降低。（2）金属靶材与化合物靶材本来溅射速率就不一样，一般情况下金属的溅射系数要比化合物的溅射系数高，所以靶中毒后溅射速率低。（3）反应溅射气体的溅射效率本来就比惰性气体的溅射效率低，所以反应气体比例增加后，综合溅射速率降低。

• 靶中毒成因分析

（一）反应气体因素

1. 反应气体过量

在反应溅射过程中，如制备氧化物或氮化物薄膜时，需要引入适量的反应气体（如氧气、氮气等）与靶材发生反应。然而，如果反应气体的流量控制不当，过量的反应气体进入溅射腔室，会与靶材表面充分反应，形成大量的化合物。这些化合物覆盖在靶材表面，阻碍了靶材原子的溅射，从而引发靶中毒。例如，在制备氧化钛薄膜时，当氧气流量过大，钛靶表面会迅速形成一层致密的二氧化钛层，导致溅射速率急剧下降。

2. 反应气体不纯

反应气体中可能含有杂质气体，如水分、氧气、碳氢化合物等。这些杂质气体会与靶材发生副反应，生成其他化合物，导致靶中毒。例如，氮气中含有的少量氧气杂质在溅射过程中可能会与金属靶材反应生成氧化物，影响薄膜的质量和溅射过程的稳定性。

（二）溅射功率因素

1. 溅射功率过高

当溅射功率过高时，会导致靶材表面温度升高。高温下，靶材与反应气体的反应速率加快，容易形成化合物层，从而增加靶中毒的可能性。此外，高功率溅射还可能使靶材表面的原子溅射速率过快，使得反应气体有更多的机会与暴露的新鲜靶材表面反应，加速靶中毒过程。

2. 溅射功率不稳定

溅射功率的波动会影响溅射过程的稳定性。如果功率突然升高或降低，会改变靶材表面的局部温度和电场分布，导致反应气体与靶材的反应速率不均匀，容易在靶材表面形成不均匀的化合物层，引发靶中毒。而且，功率不稳定还会影响薄膜的质量均匀性，使其性能出现波动。

（三）靶材与基底材料因素

1. 靶材纯度

靶材的纯度对靶中毒现象有重要影响。低纯度的靶材中含有杂质元素，这些杂质在溅射过程中可能与反应气体发生反应，生成化合物，导致靶中毒。例如，铜靶中含有少量的铁杂质，在氧气气氛下溅射时，铁杂质可能会与氧气反应生成铁的氧化物，覆盖在靶材表面，影响铜原子的溅射。

2. 靶材与基底的化学反应

在某些情况下，靶材溅射出来的原子与基底材料可能发生化学反应。如果这种反应产物在靶材表面沉积并积累，也会导致靶中毒。例如，在硅基底上溅射铝靶时，铝原子与硅基底可能发生反应生成硅铝合金，部分硅铝合金可能会反溅到靶材表面，引起靶中毒，同时影响薄膜的质量和成分。

（四）真空度因素

1. 真空度低

较低的真空度意味着腔室内存在较多的残余气体分子。这些残余气体分子在溅射过程中会与靶材和反应气体发生碰撞，干扰正常的溅射反应，促进靶材表面化合物的形成，增加靶中毒的风险。例如，当真空度不足时，空气中的氧气和水分等杂质气体会与靶材反应，导致靶中毒现象加剧。

2. 真空系统漏气

如果真空系统存在漏气问题，外界空气会不断进入腔室，破坏真空环境。大量的氧气进入会迅速与靶材反应，使靶中毒在短时间内发生，严重影响溅射工艺的进行。而且，漏气还可能导致薄膜中掺入大量的杂质气体，降低薄膜的质量和性能。

• 预防靶中毒的措施

（一）优化反应气体流量控制

1. 精确流量监测与调节

安装高精度的气体流量控制器，实时监测和调节反应气体的流量。通过实验或模拟确定最佳的反应气体流量范围，在溅射过程中严格控制流量在该范围内波动。例如，对于制备特定厚度和质量的氧化硅薄膜，可以通过多次实验确定氧气与氩气的最佳流量比例，并在实际生产中采用自动流量控制系统进行精确控制。

2. 气体流量动态调整

根据溅射过程中的实时监测数据，如溅射速率、薄膜质量等，动态调整反应气体的流量。例如，当发现溅射速率下降或薄膜成分偏离预期时，适当降低或增加反应气体流量，以维持溅射过程的稳定性和薄膜质量。可以采用先进的反馈控制系统，将溅射过程中的相关参数与气体流量控制器相连，实现自动动态调整。

（二）控制溅射功率

1. 选择合适的溅射功率

在溅射工艺设计阶段，通过实验或理论计算确定合适的溅射功率。考虑靶材的性质、薄膜的要求以及设备的性能等因素，选择既能保证足够的溅射速率又能避免靶材过热和靶中毒的功率值。例如，对于不同种类的金属靶材，其最佳溅射功率可能会有所不同，需要通过实验进行优化。

2. 稳定溅射功率输出

采用高质量的电源设备，并配备功率稳定器，确保溅射功率输出的稳定性。定期对电源设备进行维护和校准，检查功率输出的波动情况。同时，在溅射过程中，监测功率变化，及时发现并解决可能出现的功率不稳定问题，如电源线路接触不良、电源模块故障等。

（三）提高靶材质量和基底处理

1. 选用高纯度靶材

购买高纯度的靶材，减少杂质元素的含量。在靶材采购过程中，严格要求供应商提供靶材的纯度检测报告，并对靶材进行抽检。对于一些对纯度要求极高的应用领域，如半导体制造，可以采用特殊的提纯工艺制备靶材，以确保靶材的质量。

2. 基底表面清洁与预处理

在溅射前，对基底材料进行严格的表面清洁处理，去除表面的油污、氧化物等杂质。可以采用化学清洗、超声波清洗等方法。同时，根据基底材料和薄膜的要求，进行适当的预处理，如表面活化、离子轰击等，提高基底与薄膜的结合力，减少基底与靶材原子的化学反应。例如，在硅基底上制备薄膜前，可以先对硅片进行氢氟酸清洗，去除表面的自然氧化层，然后进行离子束轰击，增加表面的活性位点。

（四）确保良好的真空环境

1. 提高真空系统性能

选用高性能的真空泵，如分子泵、涡轮泵等，提高真空系统的抽气速率和极限真空度。定期对真空泵进行维护和保养，更换泵油、清洗泵体等，确保其正常运行。同时，优化真空腔室的设计，减少腔室内的气体吸附和泄漏点，提高真空系统的整体性能。

2. 严格真空检漏

在每次溅射实验或生产前，对真空系统进行严格的检漏。可以采用氦质谱检漏仪等高精度的检漏设备，检测系统中可能存在的微小泄漏点。对于发现的泄漏点，及时进行修复，确保真空系统的密封性。此外，在日常运行中，定期进行真空度监测，及时发现真空度下降的情况并排查原因。

• 靶中毒后的处理方法

（一）原位清洗

1. 离子轰击清洗

在溅射腔室内施加一定的电场，使惰性气体（如氩气）离子化，形成高能离子束轰击靶材表面。离子轰击可以去除靶材表面的化合物层，使其恢复到原始状态。通过调整离子轰击的参数，如离子能量、轰击时间等，可以控制清洗效果。但需要注意的是，离子轰击过程中可能会对靶材表面造成一定的损伤，因此需要合理选择参数。

2. 射频清洗

利用射频电源在靶材和腔室壁之间产生射频电场，使腔室内的气体分子电离形成等离子体。等离子体中的活性粒子与靶材表面的化合物发生化学反应，将其分解并去除。射频清洗可以在较低的温度下进行，对靶材的损伤较小，但清洗效率相对较低，需要较长的清洗时间。

（二）更换靶材

如果靶中毒较为严重，原位清洗无法有效恢复靶材的性能，则需要考虑更换靶材。在更换靶材时，要严格按照操作规程进行，确保新靶材的安装正确、牢固，并对溅射系统进行重新调试和优化，以保证后续溅射过程的顺利进行。

（三）工艺参数调整

在靶中毒后，即使经过清洗或更换靶材，也可能需要对溅射工艺参数进行适当调整。例如，降低反应气体流量、调整溅射功率等，以避免靶中毒再次发生。同时，需要对薄膜质量进行密切监测，根据监测结果进一步优化工艺参数，确保制备出符合要求的薄膜。