高纯钛(tai)作为电(dian)子(zi)信息(xi)领域(yu)重(zhong)要(yao)的(de)功(gong)能薄(bao)膜(mo)材(cai)料(liao)，近(jin)年来(lai)随着(zhe)我国集成电路、平面(mian)显示(shi)、太(tai)阳(yang)能等(deng)产业(ye)的快(kuai)速(su)发展(zhan)需求(qiu)量快速(su)上升。磁控溅(jian)射(she)技(ji)术(shu)（PVD）技(ji)术是制备(bei)薄(bao)膜(mo)材(cai)料的(de)关(guan)键技(ji)术之一，高(gao)纯钛溅(jian)射靶(ba)材(cai)是磁控(kong)溅射工(gong)艺(yi)中的(de)关键(jian)耗材，具有(you)广(guang)阔(kuo)的(de)市场应(ying)用前(qian)景。钛靶材作(zuo)为高(gao)附(fu)加值的镀(du)膜材(cai)料，在化(hua)学纯度、组(zu)织(zhi)性能等(deng)方面(mian)具(ju)有严(yan)格的要求(qiu)，技术(shu)含(han)量(liang)高(gao)、加工(gong)难度大，我(wo)国(guo)靶(ba)材(cai)制造(zao)企(qi)业(ye)在(zai)高端(duan)靶材(cai)制(zhi)造(zao)领域(yu)起步相对(dui)较(jiao)晚(wan)，在基础(chu)原材(cai)料纯度(du)方面相(xiang)对(dui)落(luo)后(hou)，靶(ba)材(cai)制(zhi)备(bei)技(ji)术(shu)如(ru)组织控(kong)制(zhi)、工艺(yi)成型(xing)等(deng)核心(xin)工(gong)艺技术(shu)方(fang)面与(yu)国外也存在一定(ding)的差距。针(zhen)对下(xia)游(you)高(gao)端(duan)应用，开发高性(xing)能钛(tai)溅射靶材(cai)，是(shi)实(shi)现(xian)电子(zi)信息(xi)制(zhi)造业(ye)关(guan)键材(cai)料(liao)的自主研制(zhi)和推(tui)动(dong)钛(tai)工(gong)业向高(gao)端转(zhuan)型升级(ji)的重要(yao)举措(cuo)。
1、钛(tai)靶材(cai)生(sheng)产(chan)工艺(yi)分类
磁控溅(jian)射钛(tai)靶(ba)材的(de)原材(cai)料(liao)制(zhi)备技(ji)术(shu)方(fang)法(fa)按(an)生(sheng)产(chan)工艺(yi)可分为(wei)电(dian)子(zi)束熔炼(lian)坯（简(jian)称(cheng)EB坯）和(he)真(zhen)空(kong)自耗电(dian)弧炉熔(rong)炼坯(pi)（简(jian)称（VAR）坯）两大类(lei)，在靶材制(zhi)备(bei)过程中，除(chu)严(yan)格控(kong)制(zhi)材料(liao)纯(chun)度(du)、致(zhi)密(mi)度(du)、晶粒度(du)以(yi)及结晶(jing)取(qu)向(xiang)之外(wai)，对(dui)热(re)处理(li)工(gong)艺(yi)条(tiao)件(jian)、后(hou)续成型加工过程(cheng)亦需(xu)加(jia)以(yi)严(yan)格(ge)控制(zhi)，以(yi)保(bao)证靶材(cai)的(de)质量。
对(dui)于(yu)高(gao)纯钛(tai)的原(yuan)材(cai)料通常(chang)先采(cai)用(yong)熔融(rong)电(dian)解的(de)方法去除钛基体中(zhong)高(gao)熔点(dian)的(de)杂质(zhi)元素(su)，再采用真空电(dian)子束(shu)熔(rong)炼进一步(bu)提纯(chun)。真(zhen)空电(dian)子(zi)束(shu)熔(rong)炼(lian)就是(shi)采用高能量电子束(shu)流(liu)轰击金属(shu)表面后，随后温度逐(zhu)渐升(sheng)高直(zhi)至(zhi)金属熔(rong)化(hua)，蒸(zheng)气(qi)压大(da)的(de)元(yuan)素(su)将(jiang)优(you)先挥(hui)发，蒸(zheng)气压小(xiao)的(de)元素(su)存留(liu)于熔体(ti)中，杂(za)质(zhi)元素(su)与(yu)基体的蒸(zheng)气压相(xiang)差(cha)越(yue)大，提(ti)纯(chun)的(de)效(xiao)果(guo)越好(hao)。而(er)熔化(hua)后(hou)的(de)真空精炼，其(qi)优点(dian)在于(yu)不(bu)引入其(qi)他(ta)杂质(zhi)的前(qian)提(ti)下去(qu)除钛(tai)基(ji)体(ti)中(zhong)的杂质(zhi)元素。因(yin)此，当在高(gao)真(zhen)空(kong)环境下(xia)（10-4以(yi)上(shang)）电(dian)子束熔(rong)炼99.99％电解钛时(shi)，原(yuan)料(liao)中饱(bao)和蒸(zheng)气(qi)压高(gao)于钛元(yuan)素(su)本身(shen)饱和蒸(zheng)气压的杂(za)质(zhi)元素(su)（Fe、Co、Cu）将(jiang)优(you)先挥发(fa)，如(ru)图1所(suo)示，使基体(ti)中杂质含量减(jian)少(shao)，达到(dao)提(ti)纯(chun)之目(mu)的。两(liang)种方法结(jie)合(he)使用可以得(de)到(dao)纯(chun)度(du)99.995以(yi)上的高纯金属钛。
对(dui)于(yu)纯(chun)度(du)在99.9％钛(tai)原材(cai)料多(duo)采用０级(ji)海绵(mian)钛经真空自(zi)耗(hao)电(dian)弧炉(lu)熔炼，再(zai)经过(guo)热锻造开坯形成小(xiao)尺寸的坯(pi)料。这(zhe)两种方法(fa)制(zhi)备的(de)金属钛原(yuan)材(cai)料(liao)通(tong)过热机械变形控制(zhi)其(qi)整个(ge)溅射(she)表面(mian)微观(guan)组(zu)织(zhi)一(yi)致(zhi)，然(ran)后经(jing)过(guo)机加(jia)工(gong)、绑(bang)定、清洗(xi)和(he)包装等(deng)工序加工成制备集成(cheng)电(dian)路用磁控(kong)溅射(she)钛(tai)靶(ba)材(cai)，如(ru)图(tu)2所示(shi)。对于(yu)300mm机(ji)台要求(qiu)特(te)别(bie)高的钛靶材，在包(bao)装(zhuang)前(qian)靶材的(de)溅射(she)面还(hai)要预(yu)溅(jian)射减少靶材(cai)安(an)装(zhuang)在(zai)溅(jian)射(she)机(ji)台(tai)上烧靶时(shi)间(jian)（Burn-ing time）。集成(cheng)电路(lu)钛(tai)靶(ba)材(cai)制(zhi)备(bei)方法(fa)制备(bei)的(de)靶材(cai)工艺(yi)复(fu)杂，成本(ben)相对(dui)较高(gao)。
2、钛靶(ba)材(cai)的技(ji)术(shu)要求(qiu)
为(wei)确保(bao)沉(chen)积薄膜(mo)的质量，靶(ba)材的质量必须(xu)严格控制，经大量(liang)实践(jian)，影响(xiang)钛靶材(cai)质(zhi)量(liang)的主(zhu)要因(yin)素包括(kuo)纯(chun)度(du)、平(ping)均(jun)晶粒(li)尺寸、结晶取向(xiang)与结(jie)构(gou)均(jun)匀性、几何(he)形(xing)状与(yu)尺寸(cun)等。
1.1 纯(chun)度(du)
钛(tai)靶(ba)材(cai)的(de)纯(chun)度对溅射薄膜的性能(neng)影(ying)响(xiang)很大。钛(tai)靶材(cai)的(de)纯度越(yue)高(gao)，溅(jian)射(she)钛薄(bao)膜(mo)的中的杂质(zhi)元素粒(li)子(zi)越少(shao)，导(dao)致薄(bao)膜(mo)性能(neng)越好，包括(kuo)耐(nai)蚀性及(ji)电(dian)学(xue)、光学(xue)性(xing)能越(yue)好(hao)。不(bu)过在实(shi)际应(ying)用(yong)中，不(bu)同用(yong)途钛(tai)靶(ba)材(cai)对(dui)纯度(du)要求不一样。例(li)如(ru)，一(yi)般装饰镀(du)膜用(yong)钛(tai)靶(ba)材(cai)对纯度(du)的(de)要(yao)求并不(bu)苛(ke)求，而集(ji)成(cheng)电(dian)路、显(xian)示器体等领域(yu)用钛靶(ba)材(cai)对纯(chun)度(du)的要求(qiu)高很多(duo)。靶材作为溅(jian)射中(zhong)的阴极(ji)源(yuan)，材料中的(de)杂质(zhi)元(yuan)素(su)和(he)气孔(kong)夹(jia)杂(za)是沉积(ji)薄膜的主(zhu)要(yao)污染源。气孔夹(jia)杂会(hui)在铸(zhu)锭(ding)无损探(tan)伤(shang)的(de)过(guo)程(cheng)中(zhong)基本(ben)去(qu)除，没(mei)有去(qu)除(chu)的气孔(kong)夹杂(za)在溅射的过(guo)程中(zhong)会产生尖(jian)端放(fang)电现象(xiang)（Arcing），进而(er)影响薄(bao)膜(mo)的质(zhi)量；而(er)杂质元(yuan)素(su)含量只能在(zai)全元素分析(xi)测试(shi)结果中(zhong)体(ti)现，杂(za)质(zhi)总(zong)含(han)量越(yue)低(di)，钛(tai)靶材(cai)纯(chun)度就越高。早(zao)期国内(nei)没(mei)有(you)高(gao)纯(chun)钛(tai)溅射靶材的标准，都是(shi)参照(zhao)国(guo)内(nei)外的钛(tai)靶(ba)材(cai)制(zhi)造公司(si)的(de)要(yao)求，2013年后(hou)颁(ban)布(bu)标准(zhun)《YS/T 893-2013电子(zi)薄膜(mo)用(yong)高(gao)纯钛(tai)溅(jian)射(she)靶材》，规(gui)定(ding)３个纯度钛(tai)靶材(cai)单(dan)个(ge)杂(za)质(zhi)含(han)量(liang)及总(zong)杂(za)质(zhi)含(han)量(liang)不(bu)同(tong)的要(yao)求，此(ci)标准正(zheng)在逐(zhu)步(bu)规范(fan)繁乱钛(tai)靶材(cai)市(shi)场(chang)纯(chun)度(du)需(xu)求。
1.2 平(ping)均晶粒尺寸(cun)
通(tong)常钛(tai)靶材(cai)为多晶结(jie)构，晶(jing)粒(li)大小(xiao)可(ke)由微米(mi)到毫米(mi)量级(ji)，细(xi)小尺寸晶(jing)粒靶的溅(jian)射速率要比粗晶(jing)粒(li)靶(ba)快，在(zai)溅(jian)射(she)面(mian)晶(jing)粒尺(chi)寸相(xiang)差(cha)较小的(de)靶，溅射沉积薄膜(mo)的(de)厚度分布也较均匀(yun)。研究(jiu)发(fa)现，若将钛(tai)靶(ba)的晶粒尺(chi)寸控制(zhi)在(zai)100μm以下，且晶(jing)粒(li)大小的变化(hua)保(bao)持(chi)在(zai)20%以(yi)内，其溅(jian)射所得(de)薄膜(mo)的质(zhi)量(liang)可得到大(da)幅(fu)度(du)改(gai)善(shan)（图3）。集成(cheng)电路用(yong)钛(tai)靶材(cai)平均晶(jing)粒尺寸(cun)一(yi)般要(yao)求(qiu)在(zai)３30μm以(yi)内，超(chao)细(xi)晶(jing)钛靶材(cai)平(ping)均晶(jing)粒(li)尺(chi)寸在(zai)10μm以下。
1.3 结(jie)晶(jing)取向
金属(shu)钛(tai)是(shi)密排六(liu)方结构，由于(yu)在溅射时(shi)钛靶材(cai)原(yuan)子(zi)容(rong)易(yi)沿着(zhe)原子(zi)六(liu)方(fang)最(zui)紧(jin)密(mi)排列方(fang)向(xiang)优(you)先溅(jian)射(she)出(chu)来(lai)，因此(ci)，为(wei)达到(dao)最高(gao)溅(jian)射速率(lv)，可通过改变(bian)靶(ba)材结(jie)晶结(jie)构的(de)方法来(lai)增(zeng)加(jia)溅(jian)射速率(lv)。目(mu)前(qian)大(da)多数集(ji)成(cheng)电路钛(tai)靶材(cai)溅(jian)射面(mian)｛1013｝晶面(mian)族为(wei)60%以(yi)上(shang)，不同厂(chang)家生产(chan)的靶(ba)材晶粒(li)取(qu)向略(lve)有(you)不同，钛靶(ba)材的(de)结(jie)晶(jing)方向(xiang)对(dui)溅射(she)膜(mo)层(ceng)的(de)厚(hou)度均(jun)匀性(xing)影响(xiang)也(ye)较大（图(tu)4）。平(ping)面(mian)显示(shi)和装(zhuang)饰(shi)镀(du)膜(mo)的(de)薄膜(mo)尺(chi)寸(cun)偏(pian)厚(hou)，所(suo)以(yi)对(dui)应(ying)钛靶材(cai)对(dui)晶(jing)粒(li)取(qu)向要(yao)求比较(jiao)低。
1.4 结构均(jun)匀性(xing)
结(jie)构(gou)均(jun)匀性也是(shi)考(kao)察靶材(cai)质量(liang)的(de)重要指(zhi)标之(zhi)一。对于(yu)钛(tai)靶材(cai)不仅要(yao)求在靶材的(de)溅射(she)平(ping)面(mian)，而且(qie)在(zai)溅(jian)射(she)面(mian)的(de)法(fa)向(xiang)方(fang)向成分、晶粒(li)取向和平均晶粒度均(jun)匀性。只有(you)这样(yang)钛靶材(cai)在(zai)使(shi)用(yong)寿命内(nei)，在同(tong)一时(shi)间内能够得到厚(hou)度均(jun)匀(yun)、质(zhi)量可靠的、晶(jing)粒(li)大小一(yi)致(zhi)的(de)钛(tai)薄(bao)膜。
1.5 几何(he)形(xing)状(zhuang)与尺(chi)寸
主(zhu)要(yao)体现在加工(gong)精度(du)和(he)加工质量(liang)方(fang)面(mian)，如加(jia)工(gong)尺寸(cun)、表面(mian)平(ping)整度、粗(cu)糙度(du)等(deng)。如安(an)装孔(kong)角度偏差过(guo)大，无法(fa)正确安装(zhuang)；厚(hou)度尺寸(cun)偏小会(hui)影(ying)响(xiang)靶(ba)材(cai)的使(shi)用寿命(ming)；密(mi)封(feng)面(mian)和(he)密(mi)封(feng)槽尺寸过于粗糙(cao)会(hui)导致靶材(cai)安(an)装(zhuang)后(hou)真空出现(xian)问题，严(yan)重(zhong)的导(dao)致漏水(shui)；靶材溅(jian)射(she)面粗糙化(hua)处理可(ke)使(shi)靶(ba)材表(biao)面(mian)布满(man)丰富(fu)的(de)凸起(qi)尖端(duan)，在尖端效应的(de)作(zuo)用(yong)下，这(zhe)些(xie)凸起(qi)尖(jian)端的电(dian)势(shi)将(jiang)大大提高(gao)，从(cong)而(er)击穿(chuan)介质(zhi)放(fang)电，但是(shi)过(guo)大(da)的(de)凸起(qi)对(dui)于溅(jian)射的质(zhi)量(liang)和稳(wen)定性是(shi)不(bu)利(li)的。
3.6 焊(han)接(jie)结合(he)
目前关(guan)于(yu)Ti/A1异种金(jin)属扩(kuo)散焊接研究(jiu)的论文较多，通(tong)常(chang)对于(yu)高(gao)熔点钛(tai)与(yu)低(di)熔(rong)点铝材(cai)料的扩散焊接，主(zhu)要(yao)是(shi)基于单(dan)向(xiang)或(huo)者双(shuang)向加(jia)压的(de)真空(kong)扩(kuo)散连接技(ji)术进(jin)行(xing)研(yan)究(jiu)或(huo)采(cai)用热(re)等(deng)静(jing)压技术实现钛、铝金(jin)属材(cai)料的(de)高压中(zhong)低温直(zhi)接扩(kuo)散连(lian)接。Ti/Cu及(ji)Cu合金(jin)焊接(jie)国内(nei)厂(chang)商(shang)应用很多(duo)，但(dan)是(shi)研(yan)究(jiu)论(lun)文(wen)较少(shao)。钛(tai)靶材(cai)不(bu)同(tong)焊(han)接(jie)类(lei)别的(de)焊(han)接(jie)性(xing)能(neng)及(ji)应(ying)用(yong)如(ru)表1所示。
相(xiang)关链(lian)接(jie)
