高純鈦作為電子信息領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、太陽能等產業的快速發展需求量快速上升。磁控濺射技術（PVD）技術是制備薄膜材料的關鍵技術之一，高純鈦濺射靶材是磁控濺射工藝中的關鍵耗材，具有廣闊的市場應用前景。鈦靶材作為高附加值的鍍膜材料，在化學純度、組織性能等方面具有嚴格的要求，技術含量高、加工難度大，我國靶材制造企業在高端靶材制造領域起步相對較晚，在基礎原材料純度方面相對落后，靶材制備技術如組織控制、工藝成型等核心工藝技術方面與國外也存在一定的差距。針對下游高端應用，開發高性能鈦濺射靶材，是實現電子信息制造業關鍵材料的自主研制和推動鈦工業向高端轉型升級的重要舉措。

1、鈦靶材生產工藝分類

磁控濺射鈦靶材的原材料制備技術方法按生產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，除嚴格控制材料純度、致密度、晶粒度以及結晶取向之外，對熱處理工藝條件、后續成型加工過程亦需加以嚴格控制，以保證靶材的質量。

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的雜質元素，再采用真空電子束熔煉進一步提純。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先揮發，蒸氣壓小的元素存留于熔體中，雜質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，其優點在于不引入其他雜質的前提下去除鈦基體中的雜質元素。因此，當在高真空環境下（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元素（Fe、Co、Cu）將優先揮發，如圖1所示，使基體中雜質含量減少，達到提純之目的。兩種方法結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級海綿鈦經真空自耗電弧爐熔煉，再經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械變形控制其整個濺射表面微觀組織一致，然后經過機加工、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機臺要求特別高的鈦靶材，在包裝前靶材的濺射面還要預濺射減少靶材安裝在濺射機臺上燒靶時間（Burn-ing time）。集成電路鈦靶材制備方法制備的靶材工藝復雜，成本相對較高。

2、鈦靶材的技術要求

為確保沉積薄膜的質量，靶材的質量必須嚴格控制，經大量實踐，影響鈦靶材質量的主要因素包括純度、平均晶粒尺寸、結晶取向與結構均勻性、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元素粒子越少，導致薄膜性能越好，包括耐蝕性及電學、光學性能越好。不過在實際應用中，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生尖端放電現象（Arcing），進而影響薄膜的質量；而雜質元素含量只能在全元素分析測試結果中體現，雜質總含量越低，鈦靶材純度就越高。早期國內沒有高純鈦濺射靶材的標準，都是參照國內外的鈦靶材制造公司的要求，2013年后頒布標準《YS/T 893-2013電子薄膜用高純鈦濺射靶材》，規定３個純度鈦靶材單個雜質含量及總雜質含量不同的要求，此標準正在逐步規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構，晶粒大小可由微米到毫米量級，細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。研究發現，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，其濺射所得薄膜的質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，超細晶鈦靶材平均晶粒尺寸在10μm以下。

1.3 結晶取向

金屬鈦是密排六方結構，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先濺射出來，因此，為達到最高濺射速率，可通過改變靶材結晶結構的方法來增加濺射速率。目前大多數集成電路鈦靶材濺射面｛1013｝晶面族為60%以上，不同廠家生產的靶材晶粒取向略有不同，鈦靶材的結晶方向對濺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，所以對應鈦靶材對晶粒取向要求比較低。

1.4 結構均勻性

結構均勻性也是考察靶材質量的重要指標之一。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，在同一時間內能夠得到厚度均勻、質量可靠的、晶粒大小一致的鈦薄膜。

1.5 幾何形狀與尺寸

主要體現在加工精度和加工質量方面，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致靶材安裝后真空出現問題，嚴重的導致漏水；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，在尖端效應的作用下，這些凸起尖端的電勢將大大提高，從而擊穿介質放電，但是過大的凸起對于濺射的質量和穩定性是不利的。

3.6 焊接結合

目前關于Ti/A1異種金屬擴散焊接研究的論文較多，通常對于高熔點鈦與低熔點鋁材料的擴散焊接，主要是基于單向或者雙向加壓的真空擴散連接技術進行研究或采用熱等靜壓技術實現鈦、鋁金屬材料的高壓中低溫直接擴散連接。Ti/Cu及Cu合金焊接國內廠商應用很多，但是研究論文較少。鈦靶材不同焊接類別的焊接性能及應用如表1所示。

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