濺射工藝屬于物理氣相沉積技術的一種，是制備電子薄膜材料的主要技術之一。在電子信息產業的發展過程中，金屬薄膜的制備十分重要。

濺射工藝利用離子源產生的離子，在真空中加速聚集成高速離子流，轟擊固體表面，使離子和固體表面的原子發生動能交換，促使固體表面的離子離開靶材并沉積在基體表面而形成納米（或微米）級薄膜。被轟擊的固體是濺射法沉積薄膜的原材料，稱為濺射靶材⑴。圖1為濺射靶材的工作原理示意圖。

本文主要介紹了濺射靶材的種類、制備方法、應用領域，并簡要介紹了幾種典型的濺射靶材，鎳基合金靶材、金基合金靶材和鈦靶材的常規制備方法和發展狀況。

1、濺射靶材的種類

濺射靶材的種類非常多,分類的方法也很多[2-3]。通常，靶材按照形狀可分為長靶、方靶、圓靶等，見圖2所示。

按照應用領域可分為微電子靶材、磁記錄靶材、光碟靶材、貴金屬靶材、薄膜電阻靶材、導電膜靶材、表面改性靶材、光罩層靶材、裝飾層靶材、電極靶材、其他靶材。按照成分可分為金屬靶材、合金靶材、陶瓷化合物靶材，見表1所示。

其中，陶瓷化合物靶材根據化學組成不同，可以分為氧化物、硅化物、碳化物、硫化物等陶瓷靶材，根據應用領域不同又可以分為半導體關聯陶瓷靶材和巨磁電阻陶瓷靶材等，見表2所示。

2、濺射靶材的制備

濺射靶材的制備按工藝劃分可分為熔融鑄造和粉末冶金兩大類。除嚴格控制靶材純度、致密度、晶粒度以及結晶取向之外，對其熱處理條件、后續加工方法等都需加以嚴格控制。

2.1熔融鑄造法

熔融鑄造法是制作濺射靶材的基本方法。為保證鑄錠中雜質元素含量盡可能低，通常其冶煉和澆注在真空或保護性氣氛下進行。但鑄造過程中，材料組織內部難免存在一定的孔隙率，這些孔隙會導致濺射過程中的微粒飛濺，從而影響濺射薄膜的質量。為此，需要后續熱加工和熱處理工藝降低其孔隙率。

2.2粉末冶金法

通常，用熔融鑄造法無法實現難熔金屬濺射靶材的制作時，可用粉末冶金工藝解決這一難題。同時，粉末冶金工藝還具有容易獲得均勻細晶結構、節約原材料、生產效率高等優點。目前，該方法已成為濺射靶材的主要制備方法之一。

粉末冶金法制備靶材的關鍵在于：（1）選擇高純、超細粉末作為原料；（2）選擇能實現快速致密化的成形燒結技術，以保證靶材的低孔隙率，并控制晶粒度；（3 ）制備過程嚴格控制雜質元素的引入。

3、濺射靶材的應用

3.1信息存儲產業

隨著IT業的不斷發展，對記錄介質的需求量越來越大，記錄介質用靶材研究與生產成為一大熱點。在信息存儲產業中，使用濺射靶材制備的相關薄膜產品有硬盤、磁頭、光盤等。制造這些數據存儲產品，需要使用具有特殊結晶性與特殊成分的高品質靶材，常用的有鉆、鉻、碳、鎳-鐵、貴金屬、稀有金屬和介質材料等[8]。

3.2集成電路產業

集成電路用靶材在靶材市場占較大份額。其中，濺射產品主要包括電極互連線膜、阻擋層薄膜、接觸薄膜、光盤掩膜、電容器電極膜、電阻薄膜等。其中，薄膜電阻器是薄膜混合集成電路中用量最多的元件，而在電阻薄膜用靶材中，Ni-Cr合金的用量很大。

一般來說，集成電路用濺射靶材的晶粒尺寸必須控制在lOOFim以下，甚至其結晶取向也須控制，而在靶材的化學純度方面，對于0.35pm線寬工藝，要求靶材的化學純度為4N5 ( 99.995% )以上，0.25nm線寬工藝，濺射靶材的化學純度則必須在5N ( 99.999% ),甚至 6N ( 99.999 9% )以上。

3.3平面顯示器產業

平面顯示器包括：(1)液晶顯示器(LCD),(2)等離子體顯示器(PDP) , (3)場致發光顯示器(E-L ) , (4)場發射顯示器(FED )。目前，在平面顯示器市場中以液晶顯示器(LCD )為主，廣泛應用于筆記本電腦顯示器、臺式電腦監視器到高清晰電視。目前，平面顯示器的薄膜多采用濺射成形。濺射用靶材主要有In₂O₃、SnO₂ MgO、W、Mo、Ni、Cu、Cr等。

4、幾種典型的靶材

4.1 Ni-Cr基合金靶材

謀鋸合金具有一系列優異特性，如電阻率高、高溫性能穩定、耐腐蝕性能好、電阻溫度系數較小等，是生產電阻器的十分理想材料。隨著電子工業的不斷發展，對金屬膜電阻器電性能的要求越來越高，普通的鎳鋸合金遠遠不能滿足需要。因而，人們不斷研發出新型Ni-Cr系列的電阻合金材料和薄膜電阻材料。在鎳常合金中加入一定量的元素，如硅、鋁等，制成鎳鉻硅、鎳鉻鋁等鎳鉻系列薄膜電阻器，對改善電阻器的電學性能是極其有效的。

4.1.1 Ni-Cr基合金靶材的制備

Ni-Cr基合金靶材坯料的制備多采用熔融鑄造法。廣東鋼鐵研究所已成功研制了電阻薄膜用Ni-Cr合金靶材。其生產工藝流程為：原材料準備--->真空冶煉--->真空澆注--->精整--->熱加工--->熱處理--->檢驗--->機加工--->包裝入庫。這種Ni-Cr合金靶材組織內部的Ni+Cr的含量總和大于99.7%,晶粒度經過固溶處理后達到100μm左右的水平。北京有色金屬研究總院范亮等人，用純度為99.99%的鎳、鉻，用真空感應熔煉的方法熔煉岀NiCr20合金錠。熔煉時采用ZrO坩堝，模具材質為鑄鐵。熔鑄以后將NiCr20合金錠在1100℃進行鍛造，三墩三拔，墩拔變形率均大于65%,隨后進行冷軋和熱處理，可以得到晶粒尺寸約為68μm，大小均勻，且相對較小的組織。

4.2 Au基合金靶材

4.2.1 Au基合金靶材的制備

該類合金坯料的制備多采用熔融鑄造法，可避免了粉末冶金法所造成的雜質含量高、致密度低、氣孔率高等缺點。但金基合金在液態與凝固時溶解氣體的差異大；金與某些合金元素之間熔點和密度差大；合金凝固時體收縮和線收縮大等原因所導致的坯料結晶組織宏觀和微觀偏析嚴重、枝晶發達、晶粒尺寸及分布差異大、氣孔率高、夾雜嚴重、中心縮孔和中心疏松嚴重、冒口深度大、表面缺陷嚴重、鑄造裂紋導致的廢品率高等眾多問題。

目前，雖然還有部分金基合金坯料采用非真空冶煉和澆鑄方式，高端產品的冶煉和澆鑄通常都在真空或保護性氣氛下進行。與非真空冶煉和澆鑄相比，真空或保護性氣氛下的冶煉和澆鑄在一定程度上降低了結晶組織內部的氣體含量、氧化物夾雜、孔隙率和晶間低熔點化合物的數量，但是仍需在合金熔煉、鑄造以及后續的熱加工和熱處理工序中，根據金基合金的特點，采用適當的工藝連接，來達到提高靶材質量的目的。

4.2.2高端Au基合金濺射靶材制備的技術要求

國內外對高附加值金基合金材料的制備技術要求很高，大致可歸納為以下幾個方面網：(1 )開發新型高附加值的產品。努力降低Au的用量，綜合利用主體添加金屬和微合金化元素對金基合金靶材的影響，提高合金的色度、耐磨、耐蝕性以及好的光學和熱力學性能，滿足市場對金基合金鍍膜產品不斷提高和變化的標準與要求；(2)低雜質含量。嚴格控制金基合金中C、H、O、N及其化合物的含量，特別是對重金屬元素Ni、Cd以及碑含量有嚴格的限制；(3)控制材料的微觀組織。要求金基合金材料表面質量高、氣孔率少、中心縮孔和疏松程度低、致密度高、溶質元素偏析小、晶粒細小均勻等軸以及適當的結晶取向；(4)嚴格控制加工過程參數及參數的一致性。只有嚴格選擇并控制金基合金靶材制備過程中工藝參數的一致性，才能有效地控制相同種類和不同批次的金基合金鍍膜產品的色度、耐磨耐蝕性等各項指標和性能的均一性；（5）合理的靶型。利用旋轉空心圓管磁控濺射靶型，可將金基合金靶材的利用率提高到80%以上；（6）高質量的金基合金與背板材料的連接復合技術。開發金基合金與背板之間高復合率、高復合強度、抗變形和高可靠性的連接技術，從而提高靶材在使用過程中的導熱導電效果和安全性；（7）提高金基合金靶材制備過程中的成材率。采用合理的金基合金坯料鑄造、開坯、軋制、退火熱處理、脫溶轉變與時效強化處理、與背板的連接復合等制備和加工工藝，通過減少偏析、提高坯料表面質量、減少鑄造和加工裂紋，降低冒口深度、防止過燒等方式，既保持材料的強度、提高合金材料的成材率，適當提高材料的加工性能；（8）先進的檢測技術和嚴格的檢測標準。采用ICP-MS、GDMS等先進設備以及美國 ASTM 標準（ASTMF 1539—1997、ASFMF1845—1997）對金基合金中各種微量元素進行嚴格的分析和檢測，以克服產品進入國內和國際市場所遇到的各種阻力。

4.2.3 Au基合金靶材的研發現狀

20世紀90年代以來，隨著磁控濺射技術日益成熟，電子薄膜、光學薄膜、光電薄膜、磁性薄膜和超導薄膜在高新技術和工業上開始大規模開發應用，靶材的品種和市場規模也大幅擴大。這反過來又極大地帶動了高端產業如微電子半導體集成電路、薄膜混合集成電路、片式原電器、液晶顯示器、磁盤、光盤等技術領域的飛速發展。金基合金覆膜材料以其優異的性能，應用范圍越來越廣，需求量也迅速增加。但到目前為止，高端金基合金的生產仍主要集中在國外幾大公司，包括霍尼韋爾、威廉姆斯、優美科、賀利氏、日礦材料和光洋。這些知名靶材公司擁有幾十年的靶材研發和生產經驗，引領著國際靶材技術方向，占據著世界大部分靶材市場。

國內靶材研發和生產基地主要集中在北京和廣東。近些年來，其他省份不少企業也陸續開展相關工作。僅就Au基合金靶材而言，目前主要有貴研鉗業、東北大學、沈陽東創貴金屬材料有限公司、工程院核物理與化學研究所、北京有色金屬研究總院等產學研機構。經過10多年的努力，國內在貴金屬Au基合金生產領域取得了長足的進步。已能生產岀了高純金、1N14、2N18、玫瑰金、金耙合金等一系列靶材產品，推送出“一種磁控濺射玫瑰金靶材及其制備方法”、“一種用于真空磁控濺射的香檳色金靶材及其制備方法”等數十項發明專利及研究論文，滿足了國內一部分市場的需要，并取得了較好的經濟效益。但是，我國這些靶材公司普遍起步較晚，資金實力不足、裝備水平不先進、技術能力差、人員素質低等與國外的知名大公司相比仍有較大差距，尤其是在新材料的創新開發方面難以滿足靶材市場的迅速發展及變化要求。盡管我國各種靶材公司很多，還沒有一個規?；膶I公司可以在高端的靶材市場占據一席之地。隨著中國在全球制造領域的中心地位進一步加強，我國已成為世界上薄膜靶材最大需求地區之一。國外一些大的靶材供應商岀于生產成本、市場對接、交貨周期等方面的考慮，紛紛在國內建廠，一方面搶占中國市場，另一方面希望在國際競爭中保持及提高優勢，這將使包括金基合金靶材生產和研發在內的國內靶材制造業面臨更加嚴峻的競爭。

4.3 鈦靶材

4.3.1鈦靶材的制備

鈦靶材的原材料制備技術按生產工藝可分為電子束熔煉坯和真空自耗電弧爐熔煉坯兩大類,在靶材制備過程中，除嚴格控制材料純度、致密度、晶粒度以及結晶取向之外，對熱處理工藝條件、后續成型加工過程亦需加以嚴格控制，以保證靶材的質量。對于高純Ti的原材料，通常先采用熔融電解的方法去除Ti基體中高熔點的雜質元素，再采用真空電子束熔煉進一步提純。真空電子東熔煉就是采用高能量電子束流轟擊金屬表面后，隨后溫度逐漸升高直至金屬熔化。蒸氣壓大的元素將優先揮發，蒸氣壓小的元素存留于熔體中，雜質元素與基體的蒸氣壓相差越大，提純的效果越好。而熔化后的真空精煉，其優點在于不引入其他雜質的前提下可去除Ti基體中的雜質元素。因此，當在高真空環境下（10-4以上）電子束熔煉99.99%電解Ti時，原料中飽和蒸氣壓高于Ti元素本身飽和蒸氣壓的雜質元素（Fe、Co、Cu）將優先揮發，使基體中雜質含量減少，達到提純之目的。兩種方法結合使 用可以得到純度99.995%以上的高純金屬Ti。對于純度在99.9%Ti原材料多采用0級海綿Ti經真空自耗電弧爐熔煉，再經過熱鍛造開坯形成小尺寸的坯料。這兩種方法制備的金屬Ti原材料通過熱機械變形控制其整個濺射表面微觀組織一致，然后經過機加工、綁定、清洗和包裝等工序加工成制備集成電路用磁控濺射Ti靶材，其過程如圖3所示。 對于300mm機臺要求特別高的Ti靶材，在包裝前靶材的濺射面還要預濺射減少靶材安裝在濺射機臺上燒靶時間。集成電路Ti靶材制備方法制備的靶材工藝復雜，成本相對較高。

4.3.2鈦靶材的技術要求

為確保沉積薄膜的質量，靶材的質量必須嚴格控制。經大量實踐和理論分析指出，影響Ti靶材質量的主要因素包括純度、平均晶粒尺寸、結晶取向與結構均勻性、幾何形狀與尺寸等。

(1 )純度。Ti靶材的純度對濺射薄膜的性能影響很大。Ti靶材的純度越高，濺射Ti薄膜中的雜質元素粒子越少，導致薄膜性能越好，包括耐蝕性及電學、光學性能越好。在實際應用中，不同用途Ti靶材對純度要求不一樣。一般裝飾鍍膜用Ti靶材對純度的要求并不苛求，而集成電路、顯示器體等領域用Ti靶材對純度的要求高很多。靶材作為濺射中的陰極源，材料中的雜質元素和氣孔夾雜是沉積薄膜的主要污染源。氣孔夾雜會在鑄錠無損探傷的過程中基本去除，沒有去除的氣孔夾雜在濺射的過程中會產生尖端放電現象，進而影響薄膜的質量。而雜質元素含量只能在全元素分析測試結果中體現，雜質總含量越低，Ti靶材純度就越高。國內曾因缺少高純鈦濺射靶材的標準，主要參照國內外的Ti靶材制造公司的要求進行生產。2013年后，頒布了標準《YS/T 893—2013電子薄膜用高純鈦濺射靶材》，其中規定3個純度Ti靶材單個雜質含量及總雜質含量不同的要求，此標準在Ti靶材品質如純度的控制方面發揮了積極作用。

(2)平均晶粒度。通常Ti靶材為多晶結構，晶粒尺寸可到微米到毫米量級。細小尺寸晶粒靶的濺射速率要比粗晶粒靶快，在濺射面晶粒尺寸相差較小的靶，濺射沉積薄膜的厚度分布也較均勻。若將鈦靶的晶粒尺寸控制在100微米以下，且晶粒大小的變化保持在20%以內，其濺射所得薄膜的質量可得到大幅度改善。集成電路用Ti靶材平均晶粒尺寸一般要求在30微米以內，超細晶Ti靶材平均晶粒尺寸在10微米以下。

(3) 結晶取向。金屬Ti是密排六方結構。由于在濺射時Ti靶材原子容易沿著原子六方最緊密排列方向優先濺射出來，因此，為達到最高濺射速率，可通過改變靶材結晶結構的方法來增加濺射速率。目前大多數集成電路Ti靶材濺射面。晶面族為60%以上，不同廠家生產的靶材晶粒取向略有不同，Ti靶材的結晶方向對濺射膜層的厚度均勻性影響也較大。平面顯示和裝飾鍍膜的薄膜尺寸偏厚，所以對應Ti靶材對晶粒取向要求比較低。

(4) 結構均勻性。結構均勻性是考察靶材質量的重要指標之一。對于Ti靶材不僅要求在靶材的濺射平面，而且在濺射面的法向方向成分、晶粒取向和平均晶粒度均勻性。只有這樣Ti靶材在使用壽命內，在同一時間內能夠得到厚度均勻、質量可靠的、晶粒大小一致的Ti薄膜。

(5) 幾何形狀與尺寸。主要體現在加工精度和加工質量方面，如加工尺寸、表面平整度、粗糙度等。如安裝孔角度偏差過大，無法正確安裝；厚度尺寸偏小會影響靶材的使用壽命；密封面和密封槽尺寸過于粗糙會導致靶材安裝后真空出現問題，嚴重的導致漏水；靶材濺射面粗糙化處理可使靶材表面布滿豐富的凸起尖端進而形成尖端效應，這些凸起尖端的電勢將大大提高，從而有可能擊穿介質放電。但是，過大的凸起對于濺射的質量和穩定性是不利的。

(6) 焊接結合。目前，關于Ti/Al異種金屬擴散焊接，通常對于高熔點鈦與低熔點鋁材料的擴散焊接，主要是基于單向或者雙向加壓的真空擴散連接技術進行研究或采用熱等靜壓技術實現鈦、鋁金屬材料的高壓中低溫直接擴散連接。Ti/Cu及Cu合金焊接國內廠商應用很多，但是研究論文較少。

5、國內外濺射靶材的發展狀況

濺射鍍膜技術起源于國外，濺射材料一一靶材也起源于國外。靶材的應用性較強，研制生產主要集中在國外的靶材公司。國外知名的公司技術力量很強，產品質量過硬，生產品管控制嚴格，這些企業在技術垂直整合上做得極其完備，從鍍膜靶材制造到薄膜元件制造都是其技術垂直整合的方向，既生產鍍膜靶材，也拓展靶材在各種不同鍍膜方面的應用市場。到目前為止，國外知名靶材公司，在靶材研發生產方面已有數十年的積淀。日本、美國和德國是世界上鍍膜靶材制造的先導國家，據統計從1990年到1998年之間，世界各國在美國申請的靶材專利數量中，日本占58%、美國為27%、德國為ll%o國外知名靶材公司引領著國際靶材技術方向，也占據著世界大部分靶材市場。

濺射靶材在我國是一個較新的行業。從這個行業興起至今，我國濺射靶材的技術及市場方面都取得了長足進步。從技術角度看，我國鍍膜研究起步于20世紀60年代，為發展膜科技，國家科委和國家自然科學基金委等及地方政府相關部門從戰略高度持續地支持鍍膜及所用材料的發展，積淀了一定的科學技術基礎，我國已成功開發出不同領域應用的靶材，創造了良好的靶材研發基礎和產業化條件，并形成了一些產業。例如，在裝飾行業中用的Cr、Ti、Zr、TiAl等靶材，在工具鍍膜中用的TiAl靶、Cr靶、Ti靶等，在玻璃鍍膜中用的Cr靶、Ti靶、NiCr靶。從市場角度看，近年來，隨著鍍膜產業的飛速發展，大型合資或獨資靶材企業在我國大量涌現。中國已逐漸成為世界上靶材的最大需求地與使用地之一，特別是在工模具、玻璃、磁記錄、平面顯示、半導體和太陽能等高端領域。具體如模具、高性能刀具、低輻射鍍膜玻璃、磁記錄存儲、平面顯示器、半導體集成電路、太陽能薄膜電池 方面等。

我國靶材企業起步較晚。同國際靶材先進的水平相比，我國靶材技術與產業水平還存在較大的差距。我國各種小靶材公司很多，但還沒有一個專業化并有一定規模的靶材公司在全球高端靶材市場占有一席之地。目前，工模具、玻璃、磁記錄、平面顯示、半導體、太陽能等高端應用市場，還主要被歐美或日本的靶材公司所壟斷。靶材的產品特點是多品種、小批量、生產周期長。產品發展趨勢是向著更高純度、更高密度、更大尺寸（三高）的方向發展。因此，靶材生產商要有材料創新開發能力，來研發各種各樣的靶材產品。我國靶材公司大多發展時間很短，創新能力相對不足，難以滿足靶材的迅速發展及變化需求。在技術、人才、國際競爭力等方面存在產業的發展后勁不足，影響了發展態勢。

首先，在技術方面，我國濺射靶材企業在產品品種、制備工藝、應用等方面都面臨巨大挑戰。市場的快速發展，對產品品種要求越來越多，更新換代也越來越快，對傳統工藝也提岀更高要求，需要引入新工藝制備靶材，最終解決尺寸、平整度、純度、雜質含量、密度、氮/氧/碳/硫（N/O/C/S ）,晶粒尺寸與缺陷控制、表面粗糙度、電阻值、異物（氧化物）含量與尺寸、導磁率等問題。在應用方面，靶材利用率需要進一步提高。此外，還需要解決濺射過程中微粒飛濺的問題。濺射過程中濺射靶受轟擊時，由于靶材內部孔隙內存的氣體突然釋放，有可能會造成大尺寸的靶材顆粒或微粒飛濺，成膜之后膜材受二次電子轟擊時也可能會造成微粒飛濺。 這些飛濺微粒的出現，會降低薄膜品質，所以微粒飛濺的問題需要得到解決。

其次，我國濺射靶材產業發展時間短，人才積累不足。面對強大的國際競爭，濺射靶材產業尤顯專業人才匱乏。靶材的研制主要是在企業內實施，各靶材公司為在競爭中取得優勢，技術均高度保密,所以該行業專業化很強，人才選擇局限于為數不多的靶材公司內部。高校及科研院所開展濺射靶材基礎研究及應用研究較少，時間也較短，研究力度也沒有靶材公司深入，因此培養的人才無論是在數量上還是水平上都顯不足。

還有，我國濺射靶材業面臨的市場競爭日益激烈。國外企業的成本較高，這為中國制造的靶材提供了良好的進入國際市場的機會。但是隨著全球制造中心向中國的轉移，國外靶材供應商考慮到價格較高和交期較長的影響，他們希望靶材本土化供應,紛紛在中國建立加工廠，一方面在國際競爭中保持及提高優勢，另一方面搶占中國市場，這就使得國內靶材業面臨更激烈的競爭。

6、結語

總的來說，靶材行業市場前景廣闊。鍍膜產業的快速擴大及市場需求的急劇膨脹，無疑將帶動靶材市場的快速發展。此外，靶材所屬的新材料領域,目前已經得到了國家的高度重視和大力支持。在鍍膜市場需求增多、國家扶持力度加大的情況下，一批靶材企業的迅速成長起來，會成為靶材行業的引領者，從而帶動行業的發展，創造可觀的經濟效益和社會效益。

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