高純鈦?zhàn)鳛殡娮有畔㈩I(lǐng)域重要的功能薄膜材料，近年來隨著我國集成電路、平面顯示、太陽能等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展需求量快速上升。磁控濺射技術(shù)（PVD）技術(shù)是制備薄膜材料的關(guān)鍵技術(shù)之一，高純鈦濺射靶材是磁控濺射工藝中的關(guān)鍵耗材，具有廣闊的市場應(yīng)用前景。鈦靶材作為高附加值的鍍膜材料，在化學(xué)純度、組織性能等方面具有嚴(yán)格的要求，技術(shù)含量高、加工難度大，我國靶材制造企業(yè)在高端靶材制造領(lǐng)域起步相對較晚，在基礎(chǔ)原材料純度方面相對落后，靶材制備技術(shù)如組織控制、工藝成型等核心工藝技術(shù)方面與國外也存在一定的差距。針對下游高端應(yīng)用，開發(fā)高性能鈦濺射靶材，是實(shí)現(xiàn)電子信息制造業(yè)關(guān)鍵材料的自主研制和推動鈦工業(yè)向高端轉(zhuǎn)型升級的重要舉措。

1、鈦靶材生產(chǎn)工藝分類

磁控濺射鈦靶材的原材料制備技術(shù)方法按生產(chǎn)工藝可分為電子束熔煉坯（簡稱EB坯）和真空自耗電弧爐熔煉坯（簡稱（VAR）坯）兩大類，在靶材制備過程中，除嚴(yán)格控制材料純度、致密度、晶粒度以及結(jié)晶取向之外，對熱處理工藝條件、后續(xù)成型加工過程亦需加以嚴(yán)格控制，以保證靶材的質(zhì)量。

對于高純鈦的原材料通常先采用熔融電解的方法去除鈦基體中高熔點(diǎn)的雜質(zhì)元素，再采用真空電子束熔煉進(jìn)一步提純。真空電子束熔煉就是采用高能量電子束流轟擊金屬表面后，隨后溫度逐漸升高直至金屬熔化，蒸氣壓大的元素將優(yōu)先揮發(fā)，蒸氣壓小的元素存留于熔體中，雜質(zhì)元素與基體的蒸氣壓相差越大，提純的效果越好。而熔化后的真空精煉，其優(yōu)點(diǎn)在于不引入其他雜質(zhì)的前提下去除鈦基體中的雜質(zhì)元素。因此，當(dāng)在高真空環(huán)境下（10-4以上）電子束熔煉99.99％電解鈦時，原料中飽和蒸氣壓高于鈦元素本身飽和蒸氣壓的雜質(zhì)元素（Fe、Co、Cu）將優(yōu)先揮發(fā)，如圖1所示，使基體中雜質(zhì)含量減少，達(dá)到提純之目的。兩種方法結(jié)合使用可以得到純度99.995以上的高純金屬鈦。

對于純度在99.9％鈦原材料多采用０級海綿鈦經(jīng)真空自耗電弧爐熔煉，再經(jīng)過熱鍛造開坯形成小尺寸的坯料。這兩種方法制備的金屬鈦原材料通過熱機(jī)械變形控制其整個濺射表面微觀組織一致，然后經(jīng)過機(jī)加工、綁定、清洗和包裝等工序加工成制備集成電路用磁控濺射鈦靶材，如圖2所示。對于300mm機(jī)臺要求特別高的鈦靶材，在包裝前靶材的濺射面還要預(yù)濺射減少靶材安裝在濺射機(jī)臺上燒靶時間（Burn-ing time）。集成電路鈦靶材制備方法制備的靶材工藝復(fù)雜，成本相對較高。

2、鈦靶材的技術(shù)要求

為確保沉積薄膜的質(zhì)量，靶材的質(zhì)量必須嚴(yán)格控制，經(jīng)大量實(shí)踐，影響鈦靶材質(zhì)量的主要因素包括純度、平均晶粒尺寸、結(jié)晶取向與結(jié)構(gòu)均勻性、幾何形狀與尺寸等。

1.1　純度

鈦靶材的純度對濺射薄膜的性能影響很大。鈦靶材的純度越高，濺射鈦薄膜的中的雜質(zhì)元素粒子越少，導(dǎo)致薄膜性能越好，包括耐蝕性及電學(xué)、光學(xué)性能越好。不過在實(shí)際應(yīng)用中，不同用途鈦靶材對純度要求不一樣。例如，一般裝飾鍍膜用鈦靶材對純度的要求并不苛求，而集成電路、顯示器體等領(lǐng)域用鈦靶材對純度的要求高很多。靶材作為濺射中的陰極源，材料中的雜質(zhì)元素和氣孔夾雜是沉積薄膜的主要污染源。氣孔夾雜會在鑄錠無損探傷的過程中基本去除，沒有去除的氣孔夾雜在濺射的過程中會產(chǎn)生尖端放電現(xiàn)象（Arcing），進(jìn)而影響薄膜的質(zhì)量；而雜質(zhì)元素含量只能在全元素分析測試結(jié)果中體現(xiàn)，雜質(zhì)總含量越低，鈦靶材純度就越高。早期國內(nèi)沒有高純鈦濺射靶材的標(biāo)準(zhǔn)，都是參照國內(nèi)外的鈦靶材制造公司的要求，2013年后頒布標(biāo)準(zhǔn)《YS/T 893-2013電子薄膜用高純鈦濺射靶材》，規(guī)定３個純度鈦靶材單個雜質(zhì)含量及總雜質(zhì)含量不同的要求，此標(biāo)準(zhǔn)正在逐步規(guī)范繁亂鈦靶材市場純度需求。

1.2 平均晶粒尺寸

通常鈦靶材為多晶結(jié)構(gòu)，晶粒大小可由微米到毫米量級，細(xì)小尺寸晶粒靶的濺射速率要比粗晶粒靶快，在濺射面晶粒尺寸相差較小的靶，濺射沉積薄膜的厚度分布也較均勻。研究發(fā)現(xiàn)，若將鈦靶的晶粒尺寸控制在100μm以下，且晶粒大小的變化保持在20%以內(nèi)，其濺射所得薄膜的質(zhì)量可得到大幅度改善（圖3）。集成電路用鈦靶材平均晶粒尺寸一般要求在３30μm以內(nèi)，超細(xì)晶鈦靶材平均晶粒尺寸在10μm以下。

1.3 結(jié)晶取向

金屬鈦是密排六方結(jié)構(gòu)，由于在濺射時鈦靶材原子容易沿著原子六方最緊密排列方向優(yōu)先濺射出來，因此，為達(dá)到最高濺射速率，可通過改變靶材結(jié)晶結(jié)構(gòu)的方法來增加濺射速率。目前大多數(shù)集成電路鈦靶材濺射面｛1013｝晶面族為60%以上，不同廠家生產(chǎn)的靶材晶粒取向略有不同，鈦靶材的結(jié)晶方向?qū)R射膜層的厚度均勻性影響也較大（圖4）。平面顯示和裝飾鍍膜的薄膜尺寸偏厚，所以對應(yīng)鈦靶材對晶粒取向要求比較低。

1.4 結(jié)構(gòu)均勻性

結(jié)構(gòu)均勻性也是考察靶材質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。對于鈦靶材不僅要求在靶材的濺射平面，而且在濺射面的法向方向成分、晶粒取向和平均晶粒度均勻性。只有這樣鈦靶材在使用壽命內(nèi)，在同一時間內(nèi)能夠得到厚度均勻、質(zhì)量可靠的、晶粒大小一致的鈦薄膜。

1.5 幾何形狀與尺寸

主要體現(xiàn)在加工精度和加工質(zhì)量方面，如加工尺寸、表面平整度、粗糙度等。如安裝孔角度偏差過大，無法正確安裝；厚度尺寸偏小會影響靶材的使用壽命；密封面和密封槽尺寸過于粗糙會導(dǎo)致靶材安裝后真空出現(xiàn)問題，嚴(yán)重的導(dǎo)致漏水；靶材濺射面粗糙化處理可使靶材表面布滿豐富的凸起尖端，在尖端效應(yīng)的作用下，這些凸起尖端的電勢將大大提高，從而擊穿介質(zhì)放電，但是過大的凸起對于濺射的質(zhì)量和穩(wěn)定性是不利的。

3.6 焊接結(jié)合

目前關(guān)于Ti/A1異種金屬擴(kuò)散焊接研究的論文較多，通常對于高熔點(diǎn)鈦與低熔點(diǎn)鋁材料的擴(kuò)散焊接，主要是基于單向或者雙向加壓的真空擴(kuò)散連接技術(shù)進(jìn)行研究或采用熱等靜壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)鈦、鋁金屬材料的高壓中低溫直接擴(kuò)散連接。Ti/Cu及Cu合金焊接國內(nèi)廠商應(yīng)用很多，但是研究論文較少。鈦靶材不同焊接類別的焊接性能及應(yīng)用如表1所示。

相關(guān)鏈接