靶材主要(yao)应(ying)用(yong)于电(dian)子(zi)及信(xin)息(xi)产业，如集成(cheng)电(dian)路、信(xin)息存(cun)储(chu)、液(ye)晶显示屏(ping)、太阳(yang)能电(dian)池、电子控制器(qi)件(jian)等领(ling)域(yu)。随着集成(cheng)电路(lu)、太阳能(neng)和(he)平(ping)面(mian)显(xian)示器产(chan)业(ye)的(de)发(fa)展，靶材(cai)的(de)种(zhong)类和(he)市场(chang)规(gui)模(mo)日益扩大(da)，并已发展(zhan)成(cheng)为(wei)一个专(zhuan)业(ye)化产(chan)业(ye)。目(mu)前，随(sui)着(zhe)我国对(dui)靶(ba)材(cai)研(yan)发的(de)投入，某(mou)些(xie)领域国(guo)产(chan)靶(ba)材已取(qu)得很(hen)大(da)进(jin)步(bu)并(bing)逐渐(jian)取代(dai)进(jin)口(kou)靶材(cai)，打(da)破了靶材(cai)主(zhu)要由日(ri)本(ben)、美(mei)国和德国(guo)垄断的(de)局(ju)面(mian)。但(dan)是(shi)，在(zai)某(mou)些粉(fen)末冶金(jin)靶(ba)材领(ling)域(yu)内(nei)国(guo)产靶材还有差距。
目(mu)前(qian)，采用粉(fen)末(mo)冶(ye)金方法制备的(de)靶(ba)材主要包括：(1)难熔金(jin)属及(ji)合金溅(jian)射靶(ba)材(cai)。此类(lei)金属由(you)于(yu)熔(rong)点(dian)高且(qie)不易机(ji)械(xie)变(bian)形，采用(yong)熔(rong)铸(zhu)法生(sheng)产(chan)困难(nan)。(2)熔点(dian)差别大的(de)二元或(huo)多元合金(jin)溅射(she)靶(ba)材(cai)。由(you)于(yu)熔点差别大，无法得到(dao)成(cheng)分(fen)均匀(yun)的铸(zhu)锭，因此(ci)可以采(cai)用粉末(mo)冶(ye)金(jin)方(fang)法。(3)陶瓷类(lei)溅射靶材。本(ben)文(wen)着重对(dui)粉(fen)末冶金(jin)靶(ba)材的(de)制备(bei)方法(fa)、控制及(ji)其应用领(ling)域进行(xing)探(tan)讨。
一(yi)、粉末(mo)冶金靶(ba)材的制备方(fang)法(fa)
常用的(de)粉末(mo)冶(ye)金(jin)工艺包(bao)括(kuo)无压烧(shao)结、热(re)压(HP)、真(zhen)空热(re)压(ya)和(he)热(re)等静压(ya)(HIP)等(deng)。除此之外，还(hai)有放(fang)电(dian)等(deng)离子(zi)烧(shao)结(jie)法(fa)(SPS)、及爆(bao)炸(zha)法等。
1、烧(shao)结法(fa)
烧结方(fang)法的优(you)势(shi)在于可(ke)以(yi)制备(bei)大尺(chi)寸靶(ba)材，但通(tong)常致密度不高，为(wei)了(le)提(ti)高(gao)密度(du)需要(yao)提(ti)高(gao)烧(shao)结(jie)的(de)时间，或者(zhe)在烧(shao)结后(hou)再进行轧制。粉(fen)末烧结合(he)金(jin)成分(fen)均(jun)匀，但又(you)存在杂质含量(liang)高等(deng)问题(ti)，要(yao)选(xuan)择(ze)可(ke)以在(zai)烧(shao)结过程(cheng)中可完全除去的粘结剂。采用烧结(jie)法制(zhi)备(bei)的靶材(cai)有(you)W、Mo等(deng)难(nan)熔金属，氧(yang)化铟锡(xi)、氧(yang)化锌(xin)铝等(deng)陶瓷靶(ba)材，以及某些合(he)金靶材(cai)。
烧结方法的制备(bei)流程(cheng)主要为：(1)根(gen)据(ju)靶(ba)材成分对(dui)原(yuan)材(cai)料(liao)处理(li)及(ji)配(pei)料。(2)制粉(fen)。在有氩气(qi)保(bao)护(hu)的(de)真空(kong)配(pei)料箱内将合金(jin)锭粗(cu)碎(sui)，然(ran)后(hou)球(qiu)磨(mo)。(3)成(cheng)型。成(cheng)型(xing)方法(fa)有(you)注浆(jiang)成型和冷等(deng)静压两种(zhong)技术，注浆成型(xing)相比(bi)冷等静压具(ju)有均匀(yun)性好的特(te)点(dian)，而冷(leng)等(deng)静(jing)压(ya)使(shi)后(hou)续(xu)致(zhi)密(mi)化(hua)更加(jia)容易(yi)。(4)毛(mao)坯成型(xing)后首先放(fang)人(ren)脱(tuo)脂炉进行(xing)脱脂(zhi)。(5)烧(shao)结。将(jiang)靶(ba)坯置(zhi)于(yu)高温真(zhen)空(kong)烧结(jie)炉(lu)内烧(shao)结(jie)，然(ran)后炉(lu)冷(leng)。(6)对(dui)于(yu)难(nan)熔金(jin)属，如(ru)W、Mo等由于(yu)烧(shao)结很难(nan)达到完(wan)全致(zhi)密，因此后(hou)续还(hai)需要进行(xing)热(re)轧(ya)来提高靶(ba)材(cai)密(mi)度。
2、热(re)压(ya)法(fa)
热(re)压(ya)法(fa)是制(zhi)备(bei)粉末(mo)冶(ye)金靶材常用(yong)的(de)方(fang)法，该(gai)方法的(de)优(you)点(dian)在(zai)于(yu)工(gong)艺简单(dan)，致(zhi)密(mi)度(du)高。但(dan)是(shi)这(zhe)种方(fang)法也(ye)存(cun)在(zai)一定的(de)缺点，由(you)于通(tong)常只是单向加压(ya)，靶(ba)材不能完(wan)全(quan)致(zhi)密(mi)，并(bing)且制备的(de)靶(ba)材尺(chi)寸(cun)较(jiao)小和生(sheng)产效率(lv)低(di)。为(wei)了保(bao)证(zheng)靶(ba)材具有(you)较高(gao)的(de)纯(chun)度，热(re)压(ya)方法(fa)制(zhi)备(bei)过(guo)程(cheng)中(zhong)不(bu)需要添(tian)加(jia)任何(he)成(cheng)型(xing)剂，直(zhi)接(jie)将高(gao)纯金属(shu)粉末(mo)装入(ru)石墨模具。
热(re)压方法的(de)制(zhi)备流(liu)程通常(chang)为(wei)：(1)将装入(ru)粉(fen)末的模(mo)具(ju)置(zhi)于(yu)真(zhen)空(kong)热压(ya)炉(lu)。(2)升(sheng)温过程可(ke)分为(wei)两阶段：第一(yi)阶段(duan)采(cai)用快(kuai)速升(sheng)温，并在(zai)升(sheng)温开(kai)始(shi)施(shi)加初始(shi)压力，在(zai)第一(yi)阶(jie)段粉体(ti)尺(chi)寸基本保持(chi)不(bu)变，粉末吸(xi)附(fu)的(de)气(qi)体和水(shui)分逐(zhu)渐(jian)挥(hui)发(fa)；第(di)二阶段为(wei)慢速(su)升(sheng)温，慢(man)速升(sheng)温(wen)是为了降(jiang)低粉(fen)体内(nei)表层和(he)心部温(wen)度梯度(du)，提(ti)高(gao)粉(fen)体(ti)内部温度的(de)均匀性，进(jin)而提高(gao)靶材内部微观(guan)结构(gou)的均匀性。保温一定(ding)时间，混(hun)合(he)粉经(jing)热(re)压(ya)烧结后(hou)的成(cheng)型体(ti)即为合金(jin)靶(ba)材(cai)。(3)烧结(jie)结束后(hou)样品随(sui)炉(lu)冷却(que)降(jiang)温。降温(wen)过程(cheng)应(ying)控(kong)制降(jiang)温(wen)速度，过(guo)快的(de)降(jiang)温速(su)度会导致(zhi)靶材(cai)内存(cun)在(zai)残余(yu)应力，甚至(zhi)可能会引起(qi)靶材的(de)碎(sui)裂(lie)，温度降低(di)到(dao)500℃以(yi)下(xia)后出炉(lu)。
与传统(tong)热(re)压法相(xiang)类似(shi)的还有放(fang)电等离(li)子烧结(SPS)的(de)方法，该方(fang)法是通过脉；中直流(liu)加(jia)热同(tong)时加压使金属粉末(mo)快速(su)致密化，这(zhe)种方法(fa)具(ju)有快速(su)成(cheng)型的特(te)点，同(tong)时运(yun)行成本(ben)低，生(sheng)产效率(lv)高，具有“近净(jing)尺(chi)寸”生(sheng)产的优(you)点，但是(shi)设(she)备造价昂(ang)贵。
3、热(re)等静(jing)压法(fa)
热等(deng)静压法是(shi)制备粉末冶(ye)金靶材(cai)最(zui)有效的方法，这是(shi)由(you)于热等(deng)静(jing)压(ya)可以对(dui)粉体(ti)均(jun)匀(yun)施(shi)压(ya)，使之具(ju)有(you)很(hen)高的(de)致密度，并(bing)且(qie)通常制(zhi)备(bei)温度(du)低，晶粒细(xi)小(xiao)。该(gai)方法制备的靶(ba)材还(hai)具有纯度(du)高(gao)、尺(chi)寸(cun)大，生(sheng)产效(xiao)率(lv)高(gao)、成本低等(deng)优(you)点。热(re)等静(jing)压(ya)法可(ke)生产多(duo)种(zhong)靶材(cai)，主要为(wei)难熔(rong)金属(shu)及(ji)合金、多元合金(jin)，也(ye)包括(kuo)不容(rong)易失氧(yang)的陶(tao)瓷靶材。
热(re)等静(jing)压通常(chang)的制备(bei)流(liu)程(cheng)为(wei)：(1)首先将(jiang)粉(fen)末或预制粉体装入(ru)包(bao)套(tao)，装(zhuang)粉过程中(zhong)可采用(yong)振动方(fang)法提(ti)高(gao)粉(fen)末的(de)压(ya)实密度(du)，在(zai)包(bao)套与粗(cu)坯间隔(ge)以(yi)保护(hu)膜(mo)，以(yi)阻止它(ta)们在高温(wen)高压下(xia)发(fa)生反应。(2)高(gao)温(wen)下抽真(zhen)空，封装(zhuang)有粗坯的(de)包套。(3)将上述包(bao)套放人(ren)热等(deng)静压炉中(zhong)进行热(re)等(deng)静(jing)压处理。热(re)等静(jing)压(ya)温度视材料(liao)而(er)定，保(bao)温时间通常为(wei)0.5～6h，通常(chang)采(cai)用氩(ya)气加(jia)压(ya)。(4)热等(deng)静压后(hou)用(yong)稀(xi)硝(xiao)酸(suan)酸(suan)洗(xi)去除(chu)碳(tan)钢(gang)容(rong)器，剥(bo)离(li)金(jin)属(shu)箔隔层，获得(de)靶(ba)材(cai)。(5)用线(xian)切割或水(shui)刀方(fang)法切割(ge)靶(ba)材(cai)，获得所需尺寸(cun)的产品。
二(er)、粉(fen)末(mo)冶金(jin)靶(ba)材(cai)的特性(xing)
粉末(mo)冶(ye)金靶(ba)材(cai)的制备(bei)，需根(gen)据材(cai)料的种(zhong)类(lei)选择(ze)适当(dang)的粉(fen)末冶(ye)金(jin)的制备(bei)方法和工艺，并(bing)从(cong)产(chan)品(pin)的纯度、密度、晶粒度(du)和(he)均匀(yun)性(xing)等多(duo)方面(mian)进行(xing)控(kong)制(zhi)。
1、纯度(du)
靶(ba)材(cai)的(de)纯(chun)度对溅(jian)射薄膜的性能和(he)质量(liang)具(ju)有很(hen)大的(de)影响(xiang)。通(tong)常(chang)，靶(ba)材(cai)的(de)纯度越高(gao)，溅(jian)射(she)薄膜的性(xing)能越好。采(cai)用粉末(mo)冶金方法(fa)制(zhi)备靶(ba)材，粉末(mo)原材料(liao)的纯(chun)度(du)至(zhi)关(guan)重(zhong)要(yao)。特(te)别(bie)是(shi)氧(yang)含(han)量(liang)的控制，通常粉(fen)末(mo)越(yue)细(xi)氧含(han)量越(yue)难控(kong)制(zhi)，对于(yu)氧含量(liang)要(yao)求较(jiao)高(gao)的靶材，可以(yi)适当选择(ze)粒径大的粉末。
2、密(mi)度(du)
粉(fen)末(mo)冶(ye)金靶(ba)材(cai)的致(zhi)密(mi)度对(dui)溅射薄膜(mo)的性能(neng)具(ju)有(you)重要的影(ying)响。通常粉末(mo)冶金法(fa)制(zhi)备的(de)靶材，极有(you)可能含有(you)一定数量(liang)的(de)气孔，它(ta)们(men)的存(cun)在(zai)会(hui)导(dao)致(zhi)溅(jian)射(she)时(shi)产(chan)生不(bu)正(zheng)常放(fang)电(dian)，而产生(sheng)杂(za)质(zhi)粒(li)子(zi)。高(gao)端(duan)靶(ba)材的密度(du)通常要(yao)达到(dao)理论(lun)密(mi)度(du)的(de)99％以上。提(ti)高(gao)靶(ba)材的密度可从多方(fang)面进行(xing)，如改(gai)善粉(fen)末(mo)的颗粒分(fen)布(bu)、选择合理(li)的填(tian)粉(fen)工(gong)艺(yi)，以(yi)及(ji)选择(ze)恰当的(de)制备方(fang)法与工艺参数等(deng)。
3、晶粒度(du)
由于(yu)晶界通(tong)常(chang)成(cheng)为(wei)优(you)先溅射(she)的位置，因(yin)此(ci)通(tong)常细小尺(chi)寸(cun)靶(ba)材(cai)的(de)溅射速(su)率(lv)要(yao)比粗晶(jing)粒(li)的(de)快。粉末冶金(jin)靶材(cai)主(zhu)要通过(guo)粉末粒(li)径(jing)和工(gong)艺(yi)参数(shu)来(lai)控(kong)制晶(jing)粒度。
4、均匀性(xing)
靶材晶粒(li)的均匀性(xing)非(fei)常(chang)重要，因(yin)为(wei)这(zhe)影(ying)响(xiang)到沉(chen)积薄(bao)膜厚(hou)度(du)分布的(de)均(jun)匀(yun)性(xing)。粉末冶(ye)金(jin)制(zhi)备(bei)靶(ba)材的(de)均(jun)匀(yun)性(xing)主要(yao)受(shou)到(dao)原材料的影响，要(yao)粉(fen)末(mo)颗(ke)粒(li)分(fen)布(bu)均(jun)匀，可以(yi)通(tong)过合理(li)的混(hun)粉(fen)工艺(yi)进(jin)行改善。靶(ba)材(cai)的均(jun)匀(yun)性还(hai)体(ti)现在(zai)密度的均(jun)匀(yun)性，当(dang)密度(du)不均(jun)匀时(shi)也会影响(xiang)到(dao)溅射薄膜的不均(jun)匀，甚至(zhi)会(hui)使靶(ba)材(cai)溅射(she)时由(you)于(yu)密度(du)不均匀(yun)引(yin)起(qi)内(nei)应(ying)力(li)最终(zhong)导(dao)致(zhi)碎裂(lie)。
三、粉末冶金(jin)靶(ba)材的(de)应(ying)用
利(li)用(yong)粉(fen)末冶(ye)金(jin)制(zhi)备(bei)的靶(ba)材主(zhu)要应用(yong)到(dao)集成电(dian)路(lu)、信息(xi)存(cun)储(chu)、液晶(jing)显(xian)示(shi)屏(ping)及(ji)太(tai)阳(yang)能(neng)电池等领域，下(xia)面(mian)对(dui)几个(ge)主要(yao)领域(yu)进行简(jian)要阐(chan)述。
1、半导体(ti)集成(cheng)电路用(yong)靶材(cai)
半导(dao)体领域使用(yong)的(de)靶(ba)材主(zhu)要(yao)包括电(dian)极(ji)布(bu)线(xian)膜(mo)用靶(ba)材、阻(zu)挡(dang)膜用靶材(cai)、粘附(fu)膜用靶(ba)材(cai)、欧姆接(jie)触(chu)膜(mo)用(yong)靶(ba)材(cai)和(he)电阻(zu)膜用靶(ba)材。通常，阻(zu)挡膜用(yong)靶材主(zhu)要是W、MO等难熔金属(shu)和(he)难(nan)熔(rong)金属(shu)硅化(hua)物(wu)。
粘(zhan)附(fu)膜(mo)用(yong)靶材(cai)主要(yao)有(you)Tj、W等(deng)。对于(yu)电(dian)阻(zu)膜用靶材(cai)，主(zhu)要(yao)为(wei)以下几(ji)类：(1)Ni-Cr系合金(jin)及(ji)改(gai)性(xing)的Ni-Cr系合(he)金(jin)。(2)Cr_si系(xi)。(3)Cr—Sio2系(xi)，此外还有MO—Si、W—Si等。Cr、W和MO的(de)熔(rong)点高，已超过一(yi)般真(zhen)空(kong)感(gan)应(ying)炉(lu)设备(bei)的极限(xian)温度(du)。Si是(shi)一(yi)种非(fei)金属半导(dao)体元(yuan)素，熔点低(1400℃左(zuo)右)，真空(kong)感应(ying)炉不能(neng)感应，且(qie)一般含量(liang)较(jiao)高，对于(yu)用(yong)真(zhen)空熔炼(lian)方(fang)法来进行制备靶材(cai)，有(you)极大(da)的(de)难度。因(yin)此(ci)，要制(zhi)备这种难熔(rong)金(jin)属及(ji)合金(jin)，最通常(chang)的(de)方(fang)法(fa)就是用粉末冶(ye)炼(lian)方法。
2、记录(lu)介质用溅射靶(ba)材(cai)
在(zai)磁(ci)记(ji)录(lu)、光(guang)记(ji)录(lu)中(zhong)使(shi)用的金属、合(he)金靶(ba)材(cai)主(zhu)要用(yong)真(zhen)空(kong)熔(rong)炼法制造(zao)，此(ci)外(wai)，有的三元(yuan)或四元合金(jin)靶，其(qi)合金化(hua)难度较(jiao)大，需多次熔(rong)炼(lian)或(huo)用(yong)粉(fen)末(mo)成(cheng)形法(fa)制造(zao)，有(you)的靶材(cai)是以(yi)熔(rong)炼法(fa)和粉末成(cheng)形法(fa)相结(jie)合经多(duo)道工序(xu)加(jia)工(gong)出来的。光磁(ci)盘领域使(shi)用的过(guo)渡(du)族金(jin)属(shu)(TM)一稀土金属(RE)合(he)金(jin)靶材制造(zao)难度(du)较大(da)，因为(wei)这(zhe)种合金粉末容易(yi)氧(yang)化而(er)变(bian)脆(cui)。对(dui)于(yu)多元(yuan)铁(tie)电存(cun)储(chu)材(cai)料FeCoTaCr，用于中(zhong)间层的(de)贵金(jin)属Ru靶，还有相变存储(chu)材料，如PZT、LaSrCOO和GeTeSb等(deng)陶(tao)瓷(ci)类溅(jian)射靶(ba)材通(tong)常(chang)也(ye)采用粉末冶金
的(de)方法(fa)制备。
3、显示(shi)器(qi)溅射靶材(cai)
显示(shi)器(qi)产(chan)业主(zhu)要分(fen)布(bu)在日(ri)本(ben)、韩国和中(zhong)国台(tai)湾(wan)地区，近几(ji)年国(guo)内(nei)的北(bei)京(jing)、合(he)肥(fei)、深圳、南(nan)京(jing)等(deng)多(duo)地(di)都(dou)在投资建(jian)设平板显(xian)示器(FPD)高(gao)代生产线(xian)，其(qi)产(chan)能(neng)爆炸(zha)式增长，使得相关溅射(she)靶材市(shi)场需求的(de)强(qiang)劲(jin)增(zeng)长。除(chu)了(le)TFT—LCD应用(yong)了(le)氧(yang)化(hua)铟(yin)锡导电(dian)薄(bao)膜外，诸(zhu)如TN—LCD、STN—LCD、PDP等各(ge)种(zhong)FPD中(zhong)均(jun)采用(yong)了氧(yang)化铟(yin)锡(xi)透明导(dao)电(dian)薄(bao)膜作(zuo)为(wei)共用电极(ji)和(he)像(xiang)素电(dian)极(ji)来(lai)进(jin)行(xing)驱(qu)动。实际(ji)上(shang)，可(ke)以(yi)用作(zuo)导(dao)电(dian)薄(bao)膜的(de)氧(yang)化(hua)物(wu)除了(le)氧化(hua)铟(yin)锡外，还有(you)锡锑氧(yang)化物、镉(ge)锡(xi)氧化物(wu)、氧化镉、氧(yang)化锌(xin)铝等。而(er)对于(yu)这(zhe)些(xie)氧(yang)化物陶(tao)瓷靶材(cai)只能利(li)用(yong)粉末冶金(jin)的(de)方法制(zhi)备(bei)。除了(le)氧化(hua)物(wu)陶(tao)瓷靶(ba)材(cai)外(wai)，LCD和(he)PDP显(xian)示器(qi)还(hai)采(cai)用(yong)难熔金属(shu)如(ru)Mo、Cr作(zuo)为电极(ji)和BM层，这(zhe)些(xie)难熔(rong)金(jin)属靶(ba)材(cai)都(dou)需(xu)要采用(yong)粉(fen)末冶金(jin)方(fang)法(fa)制备。对于(yu)显示器(qi)用(yong)靶材(cai)制(zhi)备(bei)的(de)难(nan)点在于靶(ba)材(cai)尺寸大，传(chuan)统的热(re)压方(fang)法无(wu)法制备，需(xu)要(yao)采用烧(shao)结或(huo)热等静(jing)压法(fa)制备(bei)。
4、太(tai)阳(yang)能(neng)电(dian)池溅(jian)射(she)靶材(cai)
薄(bao)膜(mo)电池(chi)是(shi)将一层(ceng)薄膜制(zhi)备(bei)成(cheng)太阳能电池(chi)，由(you)于(yu)光电转(zhuan)换(huan)效率(lv)低(di)、衰(shuai)减(jian)率(光(guang)致衰(shuai)退(tui)率(lv))较高等问题(ti)，前些年未(wei)引起业界的足(zu)够关注(zhu)，市(shi)场(chang)占(zhan)有(you)率很(hen)低。近年来(lai)，随(sui)着(zhe)其(qi)技(ji)术的(de)不断进步(bu)，薄(bao)膜太(tai)阳(yang)能电池(chi)产(chan)业发(fa)展(zhan)较(jiao)快(kuai)，并(bing)随着(zhe)太阳能(neng)这(zhe)种(zhong)清(qing)洁(jie)能(neng)源(yuan)的(de)大量使用，都将(jiang)加大相关(guan)靶材(cai)的需(xu)求(qiu)。薄膜太(tai)阳能(neng)电(dian)池透(tou)明(ming)电极(ji)的(de)无(wu)机(ji)非(fei)金属氧化物(wu)类靶材(cai)，有氧(yang)化(hua)铟(yin)锡靶材、铜(tong)铟镓(jia)硒靶(ba)材(cai)、碲(di)化(hua)镉靶(ba)材(cai)、硫化(hua)镉靶材(cai)、氧化(hua)锌(xin)锡(xi)靶材(cai)、氧化(hua)锌(xin)铝(lv)等(deng)靶材。这些陶瓷主(zhu)要(yao)采(cai)用(yong)粉末冶金(jin)的方法制(zhi)备(bei)。
(作者(zhe)单(dan)位：北京(jing)有色(se)金属(shu)研究(jiu)总(zong)院(yuan)有(you)研(yan)亿(yi)金(jin)新(xin)材(cai)料股份(fen)有限(xian)公(gong)司(si))
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