溅射靶材作为真空磁控溅射镀膜技术的核心原材料，其质量直接决定了薄膜的性能、生产效率及成本控制。在电子信息、显示面板、太阳能电池、建筑玻璃等领域，靶材的纯度、致密度、微观结构均匀性等关键指标对镀膜产品的功能实现具有决定性影响。随着大面积镀膜技术的发展，对靶材的性能要求日益严苛，如何通过优化制备工艺提升靶材质量，成为行业研究的核心课题。
当前，靶材制备面临多重技术挑战：一方面，不同应用场景对靶材的性能需求差异显著，如半导体领域要求超高纯度（99.99% 以上），而建筑玻璃镀膜则更关注靶材的利用率和成本控制；另一方面，制备工艺的多样性（如铸造法、粉末冶金法）及工艺参数的复杂性（温度、压力、气氛等），使得靶材性能调控难度较大。此外，靶材与背板的连接质量、晶粒取向等细节因素，也会直接影响溅射过程的稳定性和薄膜质量。
凯泽金属基于四篇核心研究文献，系统梳理溅射靶材的性能要求、制备工艺（铸造法与粉末冶金法）、烧结工艺对性能的影响及应用现状，重点分析靶材关键参数（密度、晶粒尺寸、纯度等）与镀膜性能的关联机制，总结当前技术瓶颈并展望未来发展趋势，为靶材制备及应用提供全面的理论与实践参考。
一、溅射靶材的性能要求与质量影响因素
1.1 核心性能指标及行业标准
溅射靶材的性能要求需兼顾薄膜质量与生产效率，主要包括以下关键指标：
纯度：靶材中的杂质（如 O、N、C 及金属夹杂物）会导致薄膜缺陷（如针孔、气泡），降低薄膜致密度和力学性能。半导体领域靶材纯度需达到 99.99% 以上，而建筑玻璃用靶材纯度可适当放宽至 99.9%[1,4]。
致密度：高致密度（相对密度≥95%）可减少靶材内部气孔，避免溅射过程中的 “打弧” 现象和颗粒脱落。熔铸靶相对密度需≥98%，粉末冶金靶需≥97%，喷涂靶虽成本低，但相对密度需≥90% 以保证基本使用性能 [1]。
晶粒尺寸与均匀性：细小且均匀的晶粒（如≤100μm）可提高溅射速率和薄膜均匀性。例如，NiCr 靶的晶粒尺寸若过大（＞3μm），会导致膜层致密性下降，影响对 Ag 层的保护作用 [1]。
成分均匀性：合金靶材需避免成分偏析，如 Zn-Al 靶中 Al 的偏析会导致溅射速率波动，影响膜层成分均匀性 [1]。
1.2 靶材形状对利用率的影响
靶材形状设计直接影响溅射效率和材料利用率：
平面靶：因磁场分布不均，溅射区域形成环形 “跑道”，利用率仅 35% 左右。通过加厚 “跑道” 区域或优化拼接缝隙（建议 0.5mm），可减少热膨胀应力和抽真空残留气体影响 [1]。
旋转靶：通过靶材旋转实现均匀刻蚀，利用率可达 80% 以上。设计为 “狗骨状”（中间直径小、两端大）可缓解端部磁场强导致的不均匀刻蚀，进一步提升利用率 [1]。
1.3 微观结构对溅射性能的影响
晶粒取向：多晶体靶材的择优取向会影响溅射速率和薄膜厚度均匀性。例如，硅靶通过调控晶粒取向，可将膜厚偏差从 10% 降至 5%[1]。
孔隙与缺陷：靶材内部气孔（如熔铸靶＞2mm，喷涂靶＞0.5mm）会导致电荷集中，引发放电和颗粒脱落，影响薄膜表面质量（如点状缺陷）[1]。
晶界特性：晶界数量越多，溅射速率越快。细化晶粒可增加晶界密度，如钛靶晶粒尺寸控制在 100μm 以下时，薄膜质量显著改善 [1]。
二、溅射靶材的主要制备工艺
2.1 铸造法
铸造法适用于高纯度金属及合金靶材的制备，核心流程为原料熔炼→铸锭成型→机械加工，其优势在于可制备大尺寸靶材，且杂质含量低（尤其气体杂质）。
工艺特点：
熔炼方式：真空感应熔炼（适用于低熔点合金）、真空电弧熔炼（适用于高熔点金属如 Ti、W），可减少气体吸入和坩埚污染 [4]。
成型控制：通过控制冷却速率减少成分偏析，如 Al-C 合金采用骤冷凝固（冷却速率 3×10⁵℃/s），可抑制粗大 Al₄C₃相生成 [4]。
后处理：铸造靶需经锻造、轧制等热加工细化晶粒，如 Ni 基合金开锻温度 1230℃，终锻温度 980℃，可获得均匀细小的组织 [4]。
典型应用：
纯 Ti 靶：采用真空电弧熔炼，铸锭经锻造后加工成靶材，适用于建筑玻璃 TiN 涂层 [3]。
NiCrSi 靶：通过真空感应熔炼加入稀土元素（如 La、Ce），提高靶材稳定性，用于金属膜电阻器 [4]。
局限性：
对熔点差异大的合金（如 W-Al）易出现成分偏析；
机械加工损耗大，材料利用率仅 60%~80%[3]。
2.2 粉末冶金法
粉末冶金法适用于难熔合金、陶瓷靶材（如 ITO、ZnO）的制备，流程为粉末制备→成型→烧结，可精准控制成分和微观结构。
关键工艺环节：
粉末制备：氢化脱氢法（HDH）制备 Ti 粉，纯度可达 99.9%，粒度＜150μm [3]；化学共沉淀法制备 ITO 粉，粒径 30~200nm，分散性优异 [4]。
成型工艺：冷等静压（CIP）压力 200~280MPa，保压 10min，可获得密度 50%~60% 理论密度的素坯 [4]。
烧结工艺：真空烧结或气氛烧结（如氧气气氛用于 ITO 靶），通过扩散致密化提高致密度 [2,3]。
典型案例：
钛靶制备：HDH 钛粉经 2.5t/cm² 冷压后，在 1200℃真空烧结 2h，致密度可达 4.43g/cm³（理论密度 4.5g/cm³），溅射性能与铸造靶相当 [3]。
ITO 靶制备：氧化铟与氧化锡粉末（质量比 9:1）经 1550℃、0.6MPa 氧气氛烧结，致密度≥99.8%，电阻率≤1.9×10⁻⁴Ω・cm [2]。
优势与不足：
优势：材料利用率＞90%，可制备复杂成分靶材（如 TiAl、ZrO₂）；
不足：烧结过程易引入杂质，致密度提升需精确控制温度和压力 [2,3]。
三、烧结工艺对靶材性能的调控机制
3.1 烧结温度的影响
温度是影响靶材致密度和晶粒生长的核心参数，存在 “临界温度” 现象：
低温阶段（＜临界温度）：随温度升高，原子扩散速率加快，致密度显著提升。如 Ag-B 靶材在 450~550℃烧结时，相对密度从 81.82% 增至 91.25%[2]。
高温阶段（＞临界温度）：温度过高会导致晶粒异常长大和挥发损失，致密度下降。如 ZnO 靶材在 1500℃时，Zn 挥发形成气孔，相对密度从 95% 降至 84.42%[2]。
临界温度范围：不同材料差异显著，如 ITO 靶为 1500~1550℃，钛靶为 1200~1300℃[2,3]。
3.2 烧结压力的作用
外加压力可促进粉末颗粒重排和塑性变形，加速致密化：
热压烧结：压力 10~30MPa 可显著提高致密度。如 W-Si 合金在 20MPa、1380℃下烧结，相对密度从 90%（10MPa）提升至 98%[2]。
等静压烧结：压力均匀性优于热压，适用于复杂形状靶材。如 CIGS 靶材在 50MPa 下烧结，密实率达 96.8%，但压力＞60MPa 会导致分层 [2]。
压力与温度协同作用：高压可降低烧结温度，如钛靶在 2.5t/cm² 压力下，烧结温度从 1200℃降至 1100℃，仍保持 96% 致密度 [3]。
3.3 烧结气氛的调控
气氛通过影响氧化还原反应和原子扩散，调控靶材成分与结构：
惰性气氛（Ar）：适用于易氧化材料，如 NAZO 靶材在 Ar 中烧结，电阻率（2.80mΩ・cm）远低于空气烧结（0.07Ω・cm）[2]。
氧气气氛：用于氧化物靶材（如 ITO、ZnO），抑制氧空位形成。如 ITO 靶在 0.02MPa 氧气氛中烧结，致密度达 91.84%，电阻率显著降低 [2]。
真空环境：减少气体杂质（O、N），适用于高纯金属靶（如 Ti、Mo），真空度需＜1Pa [3]。
3.4 保温时间的影响
保温时间需与温度匹配，平衡致密化与晶粒生长：
短时间保温（1~2h）：适用于高温烧结，避免晶粒粗化。如 Li₄Ti₅O₁₂靶材在 1000℃保温 1h，致密度 83.8%，延长至 5h 达 93.1%[2]。
长时间保温（＞5h）：适用于低温烧结，促进扩散致密化。如 TAZO 靶材在 1300℃保温 10h，密度从 5.5g/cm³ 增至 5.6g/cm³[2]。
过烧风险：保温过久会导致晶粒异常长大，如 Ag-B 靶材保温超过 8h，闭孔孔隙率上升，致密度下降 [2]。
四、靶材与背板连接及镀膜工艺适配性
4.1 靶材与背板的连接质量
靶材与背板（铜或不锈钢）的连接需保证良好的导电性、导热性和机械强度，常用方法包括：
钎焊：用 In-Sn 合金（熔点 156℃）粘结，适用于陶瓷靶（如 AZO），要求结合面积＞90%，避免局部过热开裂 [1]。
扩散焊：高温高压下实现原子扩散结合，适用于高熔点金属靶（如 W、Mo），连接强度＞100MPa [1]。
机械固定：通过螺栓连接，适用于大型旋转靶，需配合弹性垫片缓解热应力 [1]。
连接缺陷的影响：结合不良会导致散热受阻，如 AZO 靶绑定面积不足 10% 时，易出现局部熔化和结瘤，溅射功率降低 30% 以上 [1]。
4.2 靶材性能与镀膜工艺的匹配
溅射功率：高致密度靶材（如相对密度 99%）可承受更高功率（＞10kW），成膜速率提升 20%~30%[1]。
真空度：低孔隙率靶材可减少放气，真空度易维持在 10⁻⁴Pa 以下，降低薄膜杂质含量 [1]。
薄膜均匀性：晶粒尺寸≤50μm 的靶材，膜厚偏差可控制在 ±5% 以内，优于粗晶靶材（±10%）[1,2]。
4.3 典型应用场景的靶材选择
| 应用领域 | 靶材类型 | 关键性能要求 | 制备工艺 |
| 建筑 Low-E 玻璃 | NiCr、Ag、ZnAl | 高反射率、耐蚀性 | 熔铸 + 轧制 |
| 液晶显示器 | ITO、Mo、AlSi | 低电阻率、高透光率 | 粉末冶金（热压） |
| 太阳能电池 | CIGS、AZO | 光吸收系数高、导电性好 | 热等静压 |
| 半导体芯片 | Ti、Cu、W | 超高纯度（99.999%）、低缺陷 | 电子束熔炼 |
五、靶材制备技术瓶颈与发展趋势
5.1 当前技术挑战
超大尺寸靶材制备：大面积玻璃镀膜（＞3m×6m）需一体化靶材，现有工艺易出现成分不均和应力开裂 [1]。
纳米结构调控：纳米晶粒（＜100nm）靶材虽能提升溅射效率，但烧结过程易团聚长大 [4]。
成本控制：高纯度原料（如 In、Ga）价格昂贵，如何通过工艺优化降低损耗（如提高利用率至 90% 以上）成为关键 [4]。
5.2 未来发展方向
工艺创新：放电等离子烧结（SPS）可快速致密化（10~30min），抑制晶粒生长，适用于纳米复合靶材 [2]。
材料复合化：梯度靶材（如 TbFeCo/Ti）可实现薄膜性能梯度调控，满足多功能涂层需求 [4]。
智能化制备：通过数值模拟优化烧结参数（如温度场、压力场），实现靶材性能精准调控 [2]。
回收利用：开发靶材废料回收技术（如 Ag、In 的提纯），降低生产成本并减少资源消耗 [4]。
六、总结
溅射靶材的质量是决定镀膜性能的核心因素，其性能调控需从材料设计、制备工艺到应用适配全链条协同优化。本文通过系统分析得出以下结论：
靶材的致密度（≥95%）、晶粒尺寸（≤100μm）、纯度（根据应用场景 99.9%~99.999%）是影响溅射稳定性和薄膜质量的关键指标，需通过工艺参数精准控制。
粉末冶金法在复杂成分靶材（如陶瓷、难熔合金）制备中具有优势，而铸造法更适用于高纯度金属靶材，两者的结合（如熔铸 + 粉末冶金复合）可拓展应用范围。
烧结工艺中，温度、压力、气氛的协同作用决定靶材致密度和微观结构，如热压烧结（15~30MPa、1200~1500℃）可有效抑制晶粒粗化。
未来需重点突破超大尺寸靶材制备、纳米结构调控及成本控制技术，推动靶材产业向高性能、低能耗、可持续方向发展。
参考文献
[1] 胡冰，王烁。靶材质量对大面积镀膜生产的影响 [J]. 建筑玻璃与工业玻璃，2015 (5):18-21.
[2] 刘春轩，梁啟文，伍小波，等。常压与热压烧结工艺对合金靶材结构与性能的影响 [J]. 材料科学，2022, 12 (1):7-24.
[3] 陈平，李华，梁振锋，等。粉末冶金法多弧离子镀 (PVD) 用钛靶材的制备 [J]. 金属学报，2002, 38 (S1):594-595.
[4] 王大勇，顾小龙。靶材制备研究现状及研发趋势 [J]. 浙江冶金，2007 (4):1-9.
相关链接
