媒介

磁控溅射镀膜属于物理气相沉积，离子在电场加快下高速轰击阴极靶材，靶材原子被溅射出来后沉积到被镀膜体理论而形成薄膜，是用来制备薄膜资料的一种重要步骤[1]。。它的根基道理是：：：真空环境中电场加快离子后形成拥有高动能的离子束流，碰撞固体理论，固体理论的原子被溅射出并脱离固体沉积在被镀膜体理论，被离子高速碰撞的固体就是产生薄膜的起源，被称之为溅射靶材[2]。。溅射法是一种先进的薄膜资料制备技术，这种步骤拥有速度高和温度低两大特点[3]。。自20 世纪80 年代，信息存储、集成电路、激光存储器、液晶显示器、电子节制器等产业起头进入高速发展时期，磁控溅射技术才从尝试室真正进入工业化规模出产[4]。。我国已经逐步成为薄膜靶材需要大国，在全球市场需要的拉动下， 我国有好多资料领域的科研院所及企业，发展了溅射靶材的研发和出产工作，并获得了很大的进展。。

难熔金属，通常蕴含钨、钽、钼、铌、铪、锆和钛，其熔点都在1 600 益以上。。钨、钼等合金资料高温强度和蠕变机能好，被宽泛用于微电子，照明光源、兵器系统、原子能等行业。。钽铌极其合金拥有较低蒸气压、低热膨胀系数、优良的抗侵蚀机能，被宽泛用于航空航天、化工设备、集成电路、核能部门[5]。。将难熔金属制作成靶材可将其优良机能以薄膜的大局利用。。表1给出了几种难熔金属靶材的利用领域。。

1、难熔金属靶材的类型及利用

溅射用靶材有如下几种分类步骤：：：如按材质分靶材可分为金属靶、高分子陶瓷非金属靶和复合伙料靶等。。如按外形尺寸可分为圆柱形、长方形、正方形板靶和管靶，见图1。。

由于通经常见的方靶圆靶都为实心，在镀膜作业中，圆环形的永磁体在靶的理论产生的磁场为环形，会产生不均匀冲蚀景象，溅射的薄膜厚度均匀性欠安，靶材的使用效能约莫只有20 %～30 %。。而目前被推广的空心管靶可绕固定的条状磁铁组件肯定周期旋转活动，360毅靶面可被均匀刻蚀，优势显著，将利用率提高到80 %[6]。。

1.1 钨靶

钨是难熔金属熔点最高的一种，拥有不变的高温个性、抗电子迁徙能力和较高的电子发射系数等诸多利益。。钨及钨合金靶在微电子、集成电路等行业中被大量使用。。Al、Cu，Ag 目前是集成电路制作用得最多的互连线资料，通常来说介质层是Si 或SiO2，Al、Cu，Ag 会向介质中扩散而形成硅化物，从而使金属连线的电流强度急剧变弱，整个布线系统职能可能会因而而崩溃。。最好的解决规划是在布线与介质之间再进行屏蔽来反对扩散层，反对层金属是WTi。。

大量试验证明，WTi 合金（Ti 占10 %～30 %）作为反对层已被成功地利用于Al、Cu 和Ag 布线技术。。由于金属W在其他金属中原子的扩散率较低，可反对扩散，Ti 可有效地阻止晶界扩散，另一方面也提高了反对层的黏结力和抗侵蚀机能[7-8]。。

钨靶还被利用于装璜镀膜行业，如腕表、眼镜、卫生洁具、五金零件等产品，不仅能美化外观，同时也拥有抗磨损、侵蚀等职能。。近些年来装璜镀膜用靶材的需要量日益扩大[9]。。国内研发W靶材的重要单元有上海钢铁钻研所、北京安泰科技、西北有色金属钻研院、株洲硬质合金集团等。。

1.2 钼靶

钼拥有高熔点、较低的比阻抗、高电导率、较好的耐侵蚀性而被宽泛用于LCD显示屏、光伏电池中的配线、电极。。；褂屑傻缏返姆炊圆阕柿。。

金属Cr 曾是LCD 显示屏配线的首选资料，如今超大型、高精度LCD 显示屏发展迅速，这对资料的比阻抗提出了更高的要求。。此外，环境保；ひ脖匦肓饺。。金属Mo 的膜应力的比阻抗只有铬的一半，且不会传染环境，诸多优势使金属Mo 成为LCD 显示屏溅射靶材的最佳资料之一[10]。。

铜铟镓硒（简称“CIGS”）薄膜太阳电池是一种最拥有发展远景的薄膜太阳能电池，拥有光电转换效能高、无衰退、机能不变、成本便宜等诸多利益。。在光伏领域，国内外学者们对CIGS 产生了极大的关注。。CIGS 薄膜太阳能电池的第五层就是背电极，电池的机能受背电极资料直接影响。。Mo溅射的薄膜热不变性优良、电阻率较低、还能与CIGS 层结合形成优良的欧姆接触。。同时金属Mo 薄膜还拥有与高低玻璃层和CIGS 近似的热膨胀系数等特点，已成为薄膜太阳电池背电极的必选资料[11]。。图2 是Mo 在薄膜太阳能电池中的地位[5]。。近些年来，全球的太阳能电池需要量激增，每年递增40 %以上。。据报道，目前世界薄膜太阳能电池年发电总量约为660 MW[10]。。国内研发Mo 靶的重要单元有金堆城钼业、北京安泰科技、洛阳高新四丰等。。安泰科技公司选取压抑-烧结-热等静压法制备的了大量钼及其合金靶材，相对密度逸99 %[12]。。

1.3 钽靶

当大规模集成电路进入到深亚微米时期时，Al线对应力迁徙和电迁徙的抵抗能力相对较弱，这将造成布线浮泛，导致电路系统齐全失效。。因而，金属Cu 布线将成为主流。。Cu 比Al 拥有更高的抗电迁徙能力和更低的电阻率，这意味着更小、更密集的连线能够承载更强的电流。。低电阻提高了芯片速度。。目前全球130 nm、90 nm 及以下的器件出产商已经选取

Cu 互连工艺，Ta成为Cu 互连的反对层。。目前，超大规模集成电路已逐步发展为Cu/Ta 系[13-14]。。由于Cu和Si 的化学活性高，扩散速度快，易形成铜硅合金（Cu-Si），铜在硅中形成深的空穴，设备的机能被严重影响，最终导致系统失效。。Ta 及Ta的化合物拥有高热不变性、高导电性和对外来原子的反对作用。。

Cu 和Ta 以及Cu 和N 之间不反映，不扩散形成化合物，因而Ta 和Ta基膜成为反对层可有效预防铜的扩散[15]。。

我国Ta 储量资源丰硕，但在从前对半导体溅射靶材不足最根基的意识，从而限度了高纯Ta 靶材的技术发展。。在很长一段功夫内，我国出产溅射靶材用的高纯Ta 原料重要依赖进口。。宁夏东方钽业通过多年研发，把握了高纯Ta 溅射靶材原料出产工艺步骤，添补了国内空缺。。孝感江丰电子资料股份有限公司也出产出了300 mm高纯Ta 溅射靶材[14]。。西安诺博尔稀贵金属公司也把握高纯Ta 靶的出产工艺[16]。。

1.4 铌靶

近些年，光电技术的发展迅速，Nb 薄膜资料已宽泛利用于与人们现代生涯亲昵有关的LCD、TFT等离子显示屏、相机镜头镀膜、光学镜头镀膜、汽车和构筑工业用玻璃的制作中[17]。。铌靶材还用于理论工程资料，如化工耐侵蚀、船舶、耐热、电子成像、信息贮存、高导电等镀膜行业[18]。。由于高的利用率，旋转空心圆管磁控溅射靶目前在业内得到宽泛推广，铌管靶重要利用于平面显示器、先进触控屏和节能玻璃的理论镀膜等行业，对玻璃屏幕起抗反射作用[19]。。

我国研发Nb靶的重要单元有宁夏东方钽业、西北有色金属钻研院等。。据笔者相识，宝鸡佳军公司通过熔炼挤压方式出产出了外径152mm，内径125mm，长度为3 900 mm 的大2、靶材的技术要求

为了确保沉积薄膜的质量和提高溅射效能，靶材的品质成为关键成分。。经过国内外大量钻研得出，对溅射靶材质量影响最大的几个成分别离为：：：纯净度、致密度、尺寸精度、晶粒度、织构等。。

2.1 纯度

溅射靶材的纯度是影响镀膜成效的首要成分。。靶材中的杂质和气孔中的氧和水分是沉积薄膜的重要传染源。。要提高溅射薄膜的机能，就应尽可能降低靶材中杂质含量，提高纯度，削减传染源，提高沉积薄膜的均匀性[2]。。分歧利用领域的靶材对纯度要求分歧，通常镀膜用靶材要求纯度达到99 %以上即能满足要求。。对靶材纯度要求较为刻薄的是微电子、显 示器等领域用，必要至少分析40 个以上的杂质元素，纯度为99.95 %（3N5）以上方可使用[20]。。

2.2 致密度

溅射靶材的内部如不是极度致密，或存积气体，那么在溅射过程中气体开释将会产生微粒直接影响镀膜质量。。气孔同时会导致溅射时产生不正常放电，而产生杂质粒子。。为了保障薄膜的质量和机能，必须使溅射靶材的致密度要达到较高水平。。靶材致密度越高，其导电、导热性越好，强度越高档。。高致密度靶材镀膜有诸多利益：：：靶材使用寿命长，溅射功率小，成膜速度高，薄膜不易开裂，透光率高。。

2.3 微观组织

溅射速度直接受晶粒尺寸的影响，晶粒粗壮靶材的溅射速度要比晶粒藐小的靶材慢好多，晶粒尺寸变小，薄膜沉积速度增大。。而统一块靶材的晶粒尺寸整体差距较小，沉积薄膜的厚度散布就更为均匀。。金堆城钼业研发的钼靶材均匀晶粒尺寸达到50 滋m，属国内当先水平[21]。。通常情况下，由于变形量等成分影响，平面靶的晶粒尺寸比管状靶材更容易藐小、均匀。。

当靶材在溅射时，其原子会沿着六方密排面优先溅射出来，因而，为了提高溅射镀膜速度，能够尽可能调整靶材结构使拥有肯定的晶体取向。。在晶粒尺寸相宜的领域内，晶粒取向越均匀越好。。靶材晶粒取向还会对薄膜的厚度、均匀性城市产生较大影响。。

要使靶材的微观组织拥有肯定的结晶取向，就要凭据靶材金属的微观组织特点，选取分歧的压力加工方式，再结相宜当的热处置进行调整和节制。。国内很多单元已对分歧加工方式对结晶取向的影响做了大量钻研。。

2.4 尺寸精度

溅射靶材在后期装配前要进行一系列机械加工，其加工质量和精度（平面度，直线度，粗糙度）也会影响到薄膜机能。。靶材溅射作业前必须与铝或无氧铜底盘（背板）衔接在一路，共同缜密能力使靶材与背板更好的导电导热。。装配结束后要使用超声波检测，若是两者的空地区域小于总接触面的2 %，这样能力在大功率溅射中使用[10]。。同样的尺寸精度要求下，管状靶材的机加工难度要大于平面靶材，由于大型管靶通常都选取挤压成型，内孔有较深的挤压沟槽，这对机加造成了较大难题。。业内通常选取高精度数控深孔钻镗床来加工内孔。。

3、难熔金属靶材的制备技术

难熔金属溅射靶材的制备步骤重要分为粉末冶金法和熔炼法，其中W、Mo多选取粉末冶金，而Ta、Nb 多选取熔炼法出产，具体工艺流程见图3。。

3.1 粉末冶金法

粉末冶金法是适合制作难熔金属溅射靶材的传统步骤。。难熔金属熔点很高，该步骤选取固\ 液相烧结，所以在远低于其熔点的温度下使其成型；；出产合金靶材时，两种或两种以上的合金粉末通过混料机长功夫混合均匀后加热压抑，有效地杜绝了合金组元的偏析。。别的一大利益是粉末冶金法制备的靶材晶粒较细，可达到100 滋m以下。。通常粉末冶金法制 备的溅射靶材多选取冷等静压加烧结、热压烧结和热等静压三种方式。。其中热等静压得到的致密度最高，前两种步骤得到的靶材致密度则相对较低。。因而提高粉末冶金烧结法制备靶材致密度是必须解决的关键技术之一。。通过压力加工可有效改善粉末冶金靶材的致密度低的问题。。魏修宇[7]钻研了轧制变形量对粉末冶金钨靶材致密度的影响，随着变形增 大，致密度增长，最高可达99.5 %以上。。朱琦[22]钻研了挤压对粉末冶金钼管靶组织、机能以及致密度的影响，使钼管靶密度从烧结坯的9.8 g/cm3 增长到10.15 g/cm3，达到了高致密度的要求。。

钨、钼溅射靶材大多选取粉末冶金步骤制备，由于粉末冶金的提纯能力有限，因而原料必须为高纯粉末，别的在制备过程还要严格节制杂质元素的混入。。目前国内高纯金属的提纯技术与工业蓬勃国度的差距较大。。郭让民[23]将仲钨酸铵重新氨溶中和，活性炭吸附结晶提纯，再经还原后制备出高纯W粉，可有效地深度去除杂质，纯度达99.99%以上。。

3.2 熔炼法

熔炼法是制备难熔金属靶材另一种重要的步骤，因作难熔金属的拥有高熔点，多选取电子束、电弧熔炼。。电子束熔炼拥有高温、高升温速度、高真空等利益，适合提纯精辟各类难熔金属。。电子束熔炼得到的金属铸锭致密，内部组织无孔隙、气孔，极度靠近理论密度。。但电子束熔炼有两大弊端：：：一是铸锭晶粒粗壮；；二是熔炼合金时对于组元蒸气压相差较大 情况下，会产生偏析景象。。电弧熔炼适合熔炼合金，其铸锭致密度也极度高，但提纯成效不及电子束熔炼。。由于熔炼法得到的靶材晶粒粗壮，通过压力加工和热处置可使晶粒变细，并得到肯定晶粒取向的组织。。刘宁[14]钻研了钽靶中{110}、{100} 、{111}三种织构的溅射速度关系，提出选取热铸造强塑性变形工艺对Ta 靶进行加工，使其拥有更均匀的织构组分。。

宜楠[13]通过对电子束熔炼、铸造、轧制、热处置等关键工艺进行优化调整，获得了织构以{111}型为主晶粒尺寸小于100 滋m机能良好的钽靶。。王国栋[17]钻研了电子束熔炼的高纯铌锭在加热1 100 益高温镦造再通过换向轧制制备的Nb 靶材，其晶粒取向一致，晶粒巨细散布均匀。。笔者对纯Nb 板靶材也进行了一系列试验。。电子束熔炼的粗壮晶粒纯Nb 铸锭通过铸造、退火、再经60 %变形量的轧制，再进行约1 200 益左右的制品退火得到7.5 级晶粒度（均匀晶粒数为1 400 个/mm2），组织均匀、机能良好的纯Nb靶材。。

4 、结语

近些年来，我国钻研出产溅射靶材的单元企业在制备技术、产品种类等方面都有极度大的进取。。突破了高端靶材持久依赖进口的局面。。研发出产靶材的中小型民营企业也获得了很大成就。。薄膜市场需要的急剧发展，溅射靶材种类要求也越来越多，加快了更新换代周期，传统工艺也慢慢不能满足要求，必要对工艺进行优化和改革。。今后的发展方向是要引 入新步骤新工艺来解决靶材在溅射过程中微粒飞溅、利用率和导磁率等问题。。靶材的主张是溅镀薄膜，只钻研靶材远远不够，必要将靶材与薄膜两种钻研结合起来，致力推进靶材制备技术的改革与发展。。

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