靶材主要應(yīng)用于電子及信息產(chǎn)業(yè)，如集成電路、信息存儲、液晶顯示屏、太陽能電池、電子控制器件等領(lǐng)域。隨著集成電路、太陽能和平面顯示器產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，靶材的種類和市場規(guī)模日益擴(kuò)大，并已發(fā)展成為一個專業(yè)化產(chǎn)業(yè)。目前，隨著我國對靶材研發(fā)的投入，某些領(lǐng)域國產(chǎn)靶材已取得很大進(jìn)步并逐漸取代進(jìn)口靶材，打破了靶材主要由日本、美國和德國壟斷的局面。但是，在某些粉末冶金靶材領(lǐng)域內(nèi)國產(chǎn)靶材還有差距。
目前，采用粉末冶金方法制備的靶材主要包括：(1)難熔金屬及合金濺射靶材。此類金屬由于熔點(diǎn)高且不易機(jī)械變形，采用熔鑄法生產(chǎn)困難。(2)熔點(diǎn)差別大的二元或多元合金濺射靶材。由于熔點(diǎn)差別大，無法得到成分均勻的鑄錠，因此可以采用粉末冶金方法。(3)陶瓷類濺射靶材。本文著重對粉末冶金靶材的制備方法、控制及其應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行探討。
一、粉末冶金靶材的制備方法
常用的粉末冶金工藝包括無壓燒結(jié)、熱壓(HP)、真空熱壓和熱等靜壓(HIP)等。除此之外，還有放電等離子燒結(jié)法(SPS)、及爆炸法等。
1、燒結(jié)法
燒結(jié)方法的優(yōu)勢在于可以制備大尺寸靶材，但通常致密度不高，為了提高密度需要提高燒結(jié)的時間，或者在燒結(jié)后再進(jìn)行軋制。粉末燒結(jié)合金成分均勻，但又存在雜質(zhì)含量高等問題，要選擇可以在燒結(jié)過程中可完全除去的粘結(jié)劑。采用燒結(jié)法制備的靶材有W、Mo等難熔金屬，氧化銦錫、氧化鋅鋁等陶瓷靶材，以及某些合金靶材。
燒結(jié)方法的制備流程主要為：(1)根據(jù)靶材成分對原材料處理及配料。(2)制粉。在有氬氣保護(hù)的真空配料箱內(nèi)將合金錠粗碎，然后球磨。(3)成型。成型方法有注漿成型和冷等靜壓兩種技術(shù)，注漿成型相比冷等靜壓具有均勻性好的特點(diǎn)，而冷等靜壓使后續(xù)致密化更加容易。(4)毛坯成型后首先放人脫脂爐進(jìn)行脫脂。(5)燒結(jié)。將靶坯置于高溫真空燒結(jié)爐內(nèi)燒結(jié)，然后爐冷。(6)對于難熔金屬，如W、Mo等由于燒結(jié)很難達(dá)到完全致密，因此后續(xù)還需要進(jìn)行熱軋來提高靶材密度。
2、熱壓法
熱壓法是制備粉末冶金靶材常用的方法，該方法的優(yōu)點(diǎn)在于工藝簡單，致密度高。但是這種方法也存在一定的缺點(diǎn)，由于通常只是單向加壓，靶材不能完全致密，并且制備的靶材尺寸較小和生產(chǎn)效率低。為了保證靶材具有較高的純度，熱壓方法制備過程中不需要添加任何成型劑，直接將高純金屬粉末裝入石墨模具。
熱壓方法的制備流程通常為：(1)將裝入粉末的模具置于真空熱壓爐。(2)升溫過程可分為兩階段：第一階段采用快速升溫，并在升溫開始施加初始壓力，在第一階段粉體尺寸基本保持不變，粉末吸附的氣體和水分逐漸揮發(fā)；第二階段為慢速升溫，慢速升溫是為了降低粉體內(nèi)表層和心部溫度梯度，提高粉體內(nèi)部溫度的均勻性，進(jìn)而提高靶材內(nèi)部微觀結(jié)構(gòu)的均勻性。保溫一定時間，混合粉經(jīng)熱壓燒結(jié)后的成型體即為合金靶材。(3)燒結(jié)結(jié)束后樣品隨爐冷卻降溫。降溫過程應(yīng)控制降溫速度，過快的降溫速度會導(dǎo)致靶材內(nèi)存在殘余應(yīng)力，甚至可能會引起靶材的碎裂，溫度降低到500℃以下后出爐。
與傳統(tǒng)熱壓法相類似的還有放電等離子燒結(jié)(SPS)的方法，該方法是通過脈；中直流加熱同時加壓使金屬粉末快速致密化，這種方法具有快速成型的特點(diǎn)，同時運(yùn)行成本低，生產(chǎn)效率高，具有“近凈尺寸”生產(chǎn)的優(yōu)點(diǎn)，但是設(shè)備造價昂貴。
3、熱等靜壓法
熱等靜壓法是制備粉末冶金靶材最有效的方法，這是由于熱等靜壓可以對粉體均勻施壓，使之具有很高的致密度，并且通常制備溫度低，晶粒細(xì)小。該方法制備的靶材還具有純度高、尺寸大，生產(chǎn)效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。熱等靜壓法可生產(chǎn)多種靶材，主要為難熔金屬及合金、多元合金，也包括不容易失氧的陶瓷靶材。
熱等靜壓通常的制備流程為：(1)首先將粉末或預(yù)制粉體裝入包套，裝粉過程中可采用振動方法提高粉末的壓實(shí)密度，在包套與粗坯間隔以保護(hù)膜，以阻止它們在高溫高壓下發(fā)生反應(yīng)。(2)高溫下抽真空，封裝有粗坯的包套。(3)將上述包套放人熱等靜壓爐中進(jìn)行熱等靜壓處理。熱等靜壓溫度視材料而定，保溫時間通常為0.5～6h，通常采用氬氣加壓。(4)熱等靜壓后用稀硝酸酸洗去除碳鋼容器，剝離金屬箔隔層，獲得靶材。(5)用線切割或水刀方法切割靶材，獲得所需尺寸的產(chǎn)品。
二、粉末冶金靶材的特性
粉末冶金靶材的制備，需根據(jù)材料的種類選擇適當(dāng)?shù)姆勰┮苯鸬闹苽浞椒ê凸に?，并從產(chǎn)品的純度、密度、晶粒度和均勻性等多方面進(jìn)行控制。
1、純度
靶材的純度對濺射薄膜的性能和質(zhì)量具有很大的影響。通常，靶材的純度越高，濺射薄膜的性能越好。采用粉末冶金方法制備靶材，粉末原材料的純度至關(guān)重要。特別是氧含量的控制，通常粉末越細(xì)氧含量越難控制，對于氧含量要求較高的靶材，可以適當(dāng)選擇粒徑大的粉末。
2、密度
粉末冶金靶材的致密度對濺射薄膜的性能具有重要的影響。通常粉末冶金法制備的靶材，極有可能含有一定數(shù)量的氣孔，它們的存在會導(dǎo)致濺射時產(chǎn)生不正常放電，而產(chǎn)生雜質(zhì)粒子。高端靶材的密度通常要達(dá)到理論密度的99％以上。提高靶材的密度可從多方面進(jìn)行，如改善粉末的顆粒分布、選擇合理的填粉工藝，以及選擇恰當(dāng)?shù)闹苽浞椒ㄅc工藝參數(shù)等。
3、晶粒度
由于晶界通常成為優(yōu)先濺射的位置，因此通常細(xì)小尺寸靶材的濺射速率要比粗晶粒的快。粉末冶金靶材主要通過粉末粒徑和工藝參數(shù)來控制晶粒度。
4、均勻性
靶材晶粒的均勻性非常重要，因?yàn)檫@影響到沉積薄膜厚度分布的均勻性。粉末冶金制備靶材的均勻性主要受到原材料的影響，要粉末顆粒分布均勻，可以通過合理的混粉工藝進(jìn)行改善。靶材的均勻性還體現(xiàn)在密度的均勻性，當(dāng)密度不均勻時也會影響到濺射薄膜的不均勻，甚至?xí)拱胁臑R射時由于密度不均勻引起內(nèi)應(yīng)力最終導(dǎo)致碎裂。
三、粉末冶金靶材的應(yīng)用
利用粉末冶金制備的靶材主要應(yīng)用到集成電路、信息存儲、液晶顯示屏及太陽能電池等領(lǐng)域，下面對幾個主要領(lǐng)域進(jìn)行簡要闡述。
1、半導(dǎo)體集成電路用靶材
半導(dǎo)體領(lǐng)域使用的靶材主要包括電極布線膜用靶材、阻擋膜用靶材、粘附膜用靶材、歐姆接觸膜用靶材和電阻膜用靶材。通常，阻擋膜用靶材主要是W、MO等難熔金屬和難熔金屬硅化物。
粘附膜用靶材主要有Tj、W等。對于電阻膜用靶材，主要為以下幾類：(1)Ni-Cr系合金及改性的Ni-Cr系合金。(2)Cr_si系。(3)Cr—Sio2系，此外還有MO—Si、W—Si等。Cr、W和MO的熔點(diǎn)高，已超過一般真空感應(yīng)爐設(shè)備的極限溫度。Si是一種非金屬半導(dǎo)體元素，熔點(diǎn)低(1400℃左右)，真空感應(yīng)爐不能感應(yīng)，且一般含量較高，對于用真空熔煉方法來進(jìn)行制備靶材，有極大的難度。因此，要制備這種難熔金屬及合金，最通常的方法就是用粉末冶煉方法。
2、記錄介質(zhì)用濺射靶材
在磁記錄、光記錄中使用的金屬、合金靶材主要用真空熔煉法制造，此外，有的三元或四元合金靶，其合金化難度較大，需多次熔煉或用粉末成形法制造，有的靶材是以熔煉法和粉末成形法相結(jié)合經(jīng)多道工序加工出來的。光磁盤領(lǐng)域使用的過渡族金屬(TM)一稀土金屬(RE)合金靶材制造難度較大，因?yàn)檫@種合金粉末容易氧化而變脆。對于多元鐵電存儲材料FeCoTaCr，用于中間層的貴金屬Ru靶，還有相變存儲材料，如PZT、LaSrCOO和GeTeSb等陶瓷類濺射靶材通常也采用粉末冶金
的方法制備。
3、顯示器濺射靶材
顯示器產(chǎn)業(yè)主要分布在日本、韓國和中國臺灣地區(qū)，近幾年國內(nèi)的北京、合肥、深圳、南京等多地都在投資建設(shè)平板顯示器(FPD)高代生產(chǎn)線，其產(chǎn)能爆炸式增長，使得相關(guān)濺射靶材市場需求的強(qiáng)勁增長。除了TFT—LCD應(yīng)用了氧化銦錫導(dǎo)電薄膜外，諸如TN—LCD、STN—LCD、PDP等各種FPD中均采用了氧化銦錫透明導(dǎo)電薄膜作為共用電極和像素電極來進(jìn)行驅(qū)動。實(shí)際上，可以用作導(dǎo)電薄膜的氧化物除了氧化銦錫外，還有錫銻氧化物、鎘錫氧化物、氧化鎘、氧化鋅鋁等。而對于這些氧化物陶瓷靶材只能利用粉末冶金的方法制備。除了氧化物陶瓷靶材外，LCD和PDP顯示器還采用難熔金屬如Mo、Cr作為電極和BM層，這些難熔金屬靶材都需要采用粉末冶金方法制備。對于顯示器用靶材制備的難點(diǎn)在于靶材尺寸大，傳統(tǒng)的熱壓方法無法制備，需要采用燒結(jié)或熱等靜壓法制備。
4、太陽能電池濺射靶材
薄膜電池是將一層薄膜制備成太陽能電池，由于光電轉(zhuǎn)換效率低、衰減率(光致衰退率)較高等問題，前些年未引起業(yè)界的足夠關(guān)注，市場占有率很低。近年來，隨著其技術(shù)的不斷進(jìn)步，薄膜太陽能電池產(chǎn)業(yè)發(fā)展較快，并隨著太陽能這種清潔能源的大量使用，都將加大相關(guān)靶材的需求。薄膜太陽能電池透明電極的無機(jī)非金屬氧化物類靶材，有氧化銦錫靶材、銅銦鎵硒靶材、碲化鎘靶材、硫化鎘靶材、氧化鋅錫靶材、氧化鋅鋁等靶材。這些陶瓷主要采用粉末冶金的方法制備。
(作者單位：北京有色金屬研究總院有研億金新材料股份有限公司)
相關(guān)鏈接
