濺射靶材作為真空磁控濺射鍍膜技術(shù)的核心原材料，其質(zhì)量直接決定了薄膜的性能、生產(chǎn)效率及成本控制。在電子信息、顯示面板、太陽能電池、建筑玻璃等領(lǐng)域，靶材的純度、致密度、微觀結(jié)構(gòu)均勻性等關(guān)鍵指標對鍍膜產(chǎn)品的功能實現(xiàn)具有決定性影響。隨著大面積鍍膜技術(shù)的發(fā)展，對靶材的性能要求日益嚴苛，如何通過優(yōu)化制備工藝提升靶材質(zhì)量，成為行業(yè)研究的核心課題。

當前，靶材制備面臨多重技術(shù)挑戰(zhàn)：一方面，不同應(yīng)用場景對靶材的性能需求差異顯著，如半導體領(lǐng)域要求超高純度（99.99% 以上），而建筑玻璃鍍膜則更關(guān)注靶材的利用率和成本控制；另一方面，制備工藝的多樣性（如鑄造法、粉末冶金法）及工藝參數(shù)的復(fù)雜性（溫度、壓力、氣氛等），使得靶材性能調(diào)控難度較大。此外，靶材與背板的連接質(zhì)量、晶粒取向等細節(jié)因素，也會直接影響濺射過程的穩(wěn)定性和薄膜質(zhì)量。

凱澤金屬基于四篇核心研究文獻，系統(tǒng)梳理濺射靶材的性能要求、制備工藝（鑄造法與粉末冶金法）、燒結(jié)工藝對性能的影響及應(yīng)用現(xiàn)狀，重點分析靶材關(guān)鍵參數(shù)（密度、晶粒尺寸、純度等）與鍍膜性能的關(guān)聯(lián)機制，總結(jié)當前技術(shù)瓶頸并展望未來發(fā)展趨勢，為靶材制備及應(yīng)用提供全面的理論與實踐參考。

一、濺射靶材的性能要求與質(zhì)量影響因素

1.1 核心性能指標及行業(yè)標準

濺射靶材的性能要求需兼顧薄膜質(zhì)量與生產(chǎn)效率，主要包括以下關(guān)鍵指標：

純度：靶材中的雜質(zhì)（如 O、N、C 及金屬夾雜物）會導致薄膜缺陷（如針孔、氣泡），降低薄膜致密度和力學性能。半導體領(lǐng)域靶材純度需達到 99.99% 以上，而建筑玻璃用靶材純度可適當放寬至 99.9%[1,4]。

致密度：高致密度（相對密度≥95%）可減少靶材內(nèi)部氣孔，避免濺射過程中的 “打弧” 現(xiàn)象和顆粒脫落。熔鑄靶相對密度需≥98%，粉末冶金靶需≥97%，噴涂靶雖成本低，但相對密度需≥90% 以保證基本使用性能 [1]。

晶粒尺寸與均勻性：細小且均勻的晶粒（如≤100μm）可提高濺射速率和薄膜均勻性。例如，NiCr 靶的晶粒尺寸若過大（＞3μm），會導致膜層致密性下降，影響對 Ag 層的保護作用 [1]。

成分均勻性：合金靶材需避免成分偏析，如 Zn-Al 靶中 Al 的偏析會導致濺射速率波動，影響膜層成分均勻性 [1]。

1.2 靶材形狀對利用率的影響

靶材形狀設(shè)計直接影響濺射效率和材料利用率：

平面靶：因磁場分布不均，濺射區(qū)域形成環(huán)形 “跑道”，利用率僅 35% 左右。通過加厚 “跑道” 區(qū)域或優(yōu)化拼接縫隙（建議 0.5mm），可減少熱膨脹應(yīng)力和抽真空殘留氣體影響 [1]。

旋轉(zhuǎn)靶：通過靶材旋轉(zhuǎn)實現(xiàn)均勻刻蝕，利用率可達 80% 以上。設(shè)計為 “狗骨狀”（中間直徑小、兩端大）可緩解端部磁場強導致的不均勻刻蝕，進一步提升利用率 [1]。

1.3 微觀結(jié)構(gòu)對濺射性能的影響

晶粒取向：多晶體靶材的擇優(yōu)取向會影響濺射速率和薄膜厚度均勻性。例如，硅靶通過調(diào)控晶粒取向，可將膜厚偏差從 10% 降至 5%[1]。

孔隙與缺陷：靶材內(nèi)部氣孔（如熔鑄靶＞2mm，噴涂靶＞0.5mm）會導致電荷集中，引發(fā)放電和顆粒脫落，影響薄膜表面質(zhì)量（如點狀缺陷）[1]。

晶界特性：晶界數(shù)量越多，濺射速率越快。細化晶粒可增加晶界密度，如鈦靶晶粒尺寸控制在 100μm 以下時，薄膜質(zhì)量顯著改善 [1]。

二、濺射靶材的主要制備工藝

2.1 鑄造法

鑄造法適用于高純度金屬及合金靶材的制備，核心流程為原料熔煉→鑄錠成型→機械加工，其優(yōu)勢在于可制備大尺寸靶材，且雜質(zhì)含量低（尤其氣體雜質(zhì)）。

工藝特點：

熔煉方式：真空感應(yīng)熔煉（適用于低熔點合金）、真空電弧熔煉（適用于高熔點金屬如 Ti、W），可減少氣體吸入和坩堝污染 [4]。

成型控制：通過控制冷卻速率減少成分偏析，如 Al-C 合金采用驟冷凝固（冷卻速率 3×10?℃/s），可抑制粗大 Al?C?相生成 [4]。

后處理：鑄造靶需經(jīng)鍛造、軋制等熱加工細化晶粒，如 Ni 基合金開鍛溫度 1230℃，終鍛溫度 980℃，可獲得均勻細小的組織 [4]。

典型應(yīng)用：

純 Ti 靶：采用真空電弧熔煉，鑄錠經(jīng)鍛造后加工成靶材，適用于建筑玻璃 TiN 涂層 [3]。

NiCrSi 靶：通過真空感應(yīng)熔煉加入稀土元素（如 La、Ce），提高靶材穩(wěn)定性，用于金屬膜電阻器 [4]。

局限性：

對熔點差異大的合金（如 W-Al）易出現(xiàn)成分偏析；

機械加工損耗大，材料利用率僅 60%~80%[3]。

2.2 粉末冶金法

粉末冶金法適用于難熔合金、陶瓷靶材（如 ITO、ZnO）的制備，流程為粉末制備→成型→燒結(jié)，可精準控制成分和微觀結(jié)構(gòu)。

關(guān)鍵工藝環(huán)節(jié)：

粉末制備：氫化脫氫法（HDH）制備 Ti 粉，純度可達 99.9%，粒度＜150μm [3]；化學共沉淀法制備 ITO 粉，粒徑 30~200nm，分散性優(yōu)異 [4]。

成型工藝：冷等靜壓（CIP）壓力 200~280MPa，保壓 10min，可獲得密度 50%~60% 理論密度的素坯 [4]。

燒結(jié)工藝：真空燒結(jié)或氣氛燒結(jié)（如氧氣氣氛用于 ITO 靶），通過擴散致密化提高致密度 [2,3]。

典型案例：

鈦靶制備：HDH 鈦粉經(jīng) 2.5t/cm2 冷壓后，在 1200℃真空燒結(jié) 2h，致密度可達 4.43g/cm3（理論密度 4.5g/cm3），濺射性能與鑄造靶相當 [3]。

ITO 靶制備：氧化銦與氧化錫粉末（質(zhì)量比 9:1）經(jīng) 1550℃、0.6MPa 氧氣氛燒結(jié)，致密度≥99.8%，電阻率≤1.9×10??Ω?cm [2]。

優(yōu)勢與不足：

優(yōu)勢：材料利用率＞90%，可制備復(fù)雜成分靶材（如 TiAl、ZrO?）；

不足：燒結(jié)過程易引入雜質(zhì)，致密度提升需精確控制溫度和壓力 [2,3]。

三、燒結(jié)工藝對靶材性能的調(diào)控機制

3.1 燒結(jié)溫度的影響

溫度是影響靶材致密度和晶粒生長的核心參數(shù)，存在 “臨界溫度” 現(xiàn)象：

低溫階段（＜臨界溫度）：隨溫度升高，原子擴散速率加快，致密度顯著提升。如 Ag-B 靶材在 450~550℃燒結(jié)時，相對密度從 81.82% 增至 91.25%[2]。

高溫階段（＞臨界溫度）：溫度過高會導致晶粒異常長大和揮發(fā)損失，致密度下降。如 ZnO 靶材在 1500℃時，Zn 揮發(fā)形成氣孔，相對密度從 95% 降至 84.42%[2]。

臨界溫度范圍：不同材料差異顯著，如 ITO 靶為 1500~1550℃，鈦靶為 1200~1300℃[2,3]。

3.2 燒結(jié)壓力的作用

外加壓力可促進粉末顆粒重排和塑性變形，加速致密化：

熱壓燒結(jié)：壓力 10~30MPa 可顯著提高致密度。如 W-Si 合金在 20MPa、1380℃下燒結(jié)，相對密度從 90%（10MPa）提升至 98%[2]。

等靜壓燒結(jié)：壓力均勻性優(yōu)于熱壓，適用于復(fù)雜形狀靶材。如 CIGS 靶材在 50MPa 下燒結(jié)，密實率達 96.8%，但壓力＞60MPa 會導致分層 [2]。

壓力與溫度協(xié)同作用：高壓可降低燒結(jié)溫度，如鈦靶在 2.5t/cm2 壓力下，燒結(jié)溫度從 1200℃降至 1100℃，仍保持 96% 致密度 [3]。

3.3 燒結(jié)氣氛的調(diào)控

氣氛通過影響氧化還原反應(yīng)和原子擴散，調(diào)控靶材成分與結(jié)構(gòu)：

惰性氣氛（Ar）：適用于易氧化材料，如 NAZO 靶材在 Ar 中燒結(jié)，電阻率（2.80mΩ?cm）遠低于空氣燒結(jié)（0.07Ω?cm）[2]。

氧氣氣氛：用于氧化物靶材（如 ITO、ZnO），抑制氧空位形成。如 ITO 靶在 0.02MPa 氧氣氛中燒結(jié)，致密度達 91.84%，電阻率顯著降低 [2]。

真空環(huán)境：減少氣體雜質(zhì)（O、N），適用于高純金屬靶（如 Ti、Mo），真空度需＜1Pa [3]。

3.4 保溫時間的影響

保溫時間需與溫度匹配，平衡致密化與晶粒生長：

短時間保溫（1~2h）：適用于高溫燒結(jié)，避免晶粒粗化。如 Li?Ti?O??靶材在 1000℃保溫 1h，致密度 83.8%，延長至 5h 達 93.1%[2]。

長時間保溫（＞5h）：適用于低溫燒結(jié)，促進擴散致密化。如 TAZO 靶材在 1300℃保溫 10h，密度從 5.5g/cm3 增至 5.6g/cm3[2]。

過燒風險：保溫過久會導致晶粒異常長大，如 Ag-B 靶材保溫超過 8h，閉孔孔隙率上升，致密度下降 [2]。

四、靶材與背板連接及鍍膜工藝適配性

4.1 靶材與背板的連接質(zhì)量

靶材與背板（銅或不銹鋼）的連接需保證良好的導電性、導熱性和機械強度，常用方法包括：

釬焊：用 In-Sn 合金（熔點 156℃）粘結(jié)，適用于陶瓷靶（如 AZO），要求結(jié)合面積＞90%，避免局部過熱開裂 [1]。

擴散焊：高溫高壓下實現(xiàn)原子擴散結(jié)合，適用于高熔點金屬靶（如 W、Mo），連接強度＞100MPa [1]。

機械固定：通過螺栓連接，適用于大型旋轉(zhuǎn)靶，需配合彈性墊片緩解熱應(yīng)力 [1]。

連接缺陷的影響：結(jié)合不良會導致散熱受阻，如 AZO 靶綁定面積不足 10% 時，易出現(xiàn)局部熔化和結(jié)瘤，濺射功率降低 30% 以上 [1]。

4.2 靶材性能與鍍膜工藝的匹配

濺射功率：高致密度靶材（如相對密度 99%）可承受更高功率（＞10kW），成膜速率提升 20%~30%[1]。

真空度：低孔隙率靶材可減少放氣，真空度易維持在 10??Pa 以下，降低薄膜雜質(zhì)含量 [1]。

薄膜均勻性：晶粒尺寸≤50μm 的靶材，膜厚偏差可控制在 ±5% 以內(nèi)，優(yōu)于粗晶靶材（±10%）[1,2]。

4.3 典型應(yīng)用場景的靶材選擇

五、靶材制備技術(shù)瓶頸與發(fā)展趨勢

5.1 當前技術(shù)挑戰(zhàn)

超大尺寸靶材制備：大面積玻璃鍍膜（＞3m×6m）需一體化靶材，現(xiàn)有工藝易出現(xiàn)成分不均和應(yīng)力開裂 [1]。

納米結(jié)構(gòu)調(diào)控：納米晶粒（＜100nm）靶材雖能提升濺射效率，但燒結(jié)過程易團聚長大 [4]。

成本控制：高純度原料（如 In、Ga）價格昂貴，如何通過工藝優(yōu)化降低損耗（如提高利用率至 90% 以上）成為關(guān)鍵 [4]。

5.2 未來發(fā)展方向

工藝創(chuàng)新：放電等離子燒結(jié)（SPS）可快速致密化（10~30min），抑制晶粒生長，適用于納米復(fù)合靶材 [2]。

材料復(fù)合化：梯度靶材（如 TbFeCo/Ti）可實現(xiàn)薄膜性能梯度調(diào)控，滿足多功能涂層需求 [4]。

智能化制備：通過數(shù)值模擬優(yōu)化燒結(jié)參數(shù)（如溫度場、壓力場），實現(xiàn)靶材性能精準調(diào)控 [2]。

回收利用：開發(fā)靶材廢料回收技術(shù)（如 Ag、In 的提純），降低生產(chǎn)成本并減少資源消耗 [4]。

六、總結(jié)

濺射靶材的質(zhì)量是決定鍍膜性能的核心因素，其性能調(diào)控需從材料設(shè)計、制備工藝到應(yīng)用適配全鏈條協(xié)同優(yōu)化。本文通過系統(tǒng)分析得出以下結(jié)論：

靶材的致密度（≥95%）、晶粒尺寸（≤100μm）、純度（根據(jù)應(yīng)用場景 99.9%~99.999%）是影響濺射穩(wěn)定性和薄膜質(zhì)量的關(guān)鍵指標，需通過工藝參數(shù)精準控制。

粉末冶金法在復(fù)雜成分靶材（如陶瓷、難熔合金）制備中具有優(yōu)勢，而鑄造法更適用于高純度金屬靶材，兩者的結(jié)合（如熔鑄 + 粉末冶金復(fù)合）可拓展應(yīng)用范圍。

燒結(jié)工藝中，溫度、壓力、氣氛的協(xié)同作用決定靶材致密度和微觀結(jié)構(gòu)，如熱壓燒結(jié)（15~30MPa、1200~1500℃）可有效抑制晶粒粗化。

未來需重點突破超大尺寸靶材制備、納米結(jié)構(gòu)調(diào)控及成本控制技術(shù)，推動靶材產(chǎn)業(yè)向高性能、低能耗、可持續(xù)方向發(fā)展。

參考文獻

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