溅射靶材料及其性能综述

溅射是制备薄膜材料的主要技术之一,它利用离子源产生的离子,在真空中经过加速聚集,而形成高速度能的离子束流，轰击固体表面，离子和固体表面原子发生动能交换,使固体表面的原子离开固体并沉积在基底表面，被轰击的固体是用溅射法沉积薄膜的原材料,称为溅射靶材。

各种类型的溅射薄膜材料无论在半导体集成电路、记录介质、平面显示以及工件表面涂层等方面都得到了广泛的应用。因此,对溅射靶材这一具有高附加值的功能材料需求逐年增加。

1溅射靶材的种类

溅射靶材的种类相当多,即使相同材质的靶材又有不同的规格。

靶材的分类有不同的方法：

根据形状分为长靶,如 ITO 靶材(1400x900 x6 已焊接)、方靶如 ITO 靶材(300x300厚度可按用户的要求)、圆靶如Fe63Dy29Tb8靶(φ75x10)、Fe54Tb46(Ф75x10);

根据成份可分为金属靶材、合金靶材、陶瓷化合物靶材,陶瓷化合物靶材根据化学组成不同可分为氧化物、硅化物、碳化物、硫化物等陶瓷靶材；

根据应用领域不同又分为半导体关联陶瓷靶材、记录介质陶瓷靶材、显示陶瓷靶材、超导陶瓷靶材和巨磁电阻陶瓷靶材等;

溅射靶材按应用领域分为微电子靶材、磁记录靶材、光碟靶材、贵金属靶材、薄膜电阻靶材、导电膜靶材、表面改性靶材、光罩层靶材、装饰层靶材、电极靶材、其他靶材。

2 溅射靶材的应用

溅射靶材主要应用于电子及信息产业,如集成电路、信息存储、液晶显示屏、激光存储器、电子控制器件等;亦可应用于玻璃镀膜领域;还可以应用于耐磨材料、高温耐蚀、高档装饰用品等行业。

2.1 信息存储产业

随着 IT产业的不断发展,世界对记录介质的需求量越来越大,记录介质用靶材研究与生产成为一大热点。在信息存储产业中,使用溅射靶材制备的相关薄膜产品有硬盘、磁头、光盘等。制造这些数据存储产品,需要使用具有特殊结晶性与特殊成分的高品质靶材,常用的有钴、铬、碳、镍、铁、贵金属、稀有金属、介质材料等。

2.2 集成电路产业

集成电路用靶材在全球靶材市场占较大份额，其溅射产品主要包括电极互连线膜、阻挡层薄膜、接触薄膜、光盘掩膜、电容器电极膜、电阻薄膜等。其中薄膜电阻器是薄膜混合集成电路中用量最多的元件,而电阻薄膜用靶材中Ni-Cr合金的用量很大。

2.3 平面显示器产业

平面显示器包括:

(1)液晶显示(LCD);

(2)等离子体显示器(PDP)；

(3)场致发光显示器(E_L)；

(4) 场发射显示器(FED)。

目前,在平面显示器市场中以液晶显示(LCD)为主,广泛应用于笔记本电脑显示器、台式电脑监视器到高清晰电视。目前，平面显示器的薄膜多采用溅射成形。溅射用靶材主要有InO、SnO、MgO、W、Mo、Ni、Cu、Cr等。

2.4 溅射靶材在其他领域中的应用

2.4.1 大面积玻璃镀膜

磁控溅射是目前制备幕墙玻璃的最好的方法，但射频电源,溅射靶的材料和制作价格都十分昂贵，磁控溅射的成木是比较高的。

玻璃镀膜采用的靶材:

1. 纯金属。如金,银,钽,钛,铜,铬,镍,锡,硅。

2. 金属合金。如铟锡、钻铬,镍铬,不锈钢,特殊合金。

3. 电导和绝缘氧化物。如 ITO,SiO。

镀膜过程:将惰性气体注入真空室,在电场中被电离后产生带正电荷的离子和自由电子。正离子被吸收至装在负电位,阴极顶面的靶上。气体、离子将靶材表面上的原子碰出来,使这些原子凝聚在玻璃基片上。采用磁场捕集自由电子可得到高的溅射率,被捕集的自由电子周而复始地产生高离子密度，从而得到较高的膜层沉积速率。磁控增强阴极的溅射率较常规二极溅射高5至10倍,内装有水冷却回路保证均匀地降低靶材的温度。纯金属和合金在惰性气体的气氛中溅射:纯金属靶可在反应性气体的气氛中溅射。

2.4.2 汽车后视镜镀膜

汽车后视镜主要用靶材:Cr、A1、SnO2(反应性)、 TiO2,通常的后视镜是采用蒸发镀铝工艺,由于铝膜反射率较高,约87%,吸收很小,因此反射光很耀眼。而采用磁控溅射法镀制特殊膜系，反射率比铝膜稍低且在可见光范围内对红色光有一定的吸收,给予镜子一种诱人的“雾蓝色”,其反射光显得非常柔和清晰。

3 溅射靶材的发展趋势

3.1 解决靶材利用率低

在平面磁控溅射过程中,由于正交电磁场对溅射离子的作用关系,溅射靶在溅射过程中将产生不均匀冲蚀(Eosion)现象,从而造成溅射靶材的利用率普遍低下，如何提高溅射靶材的利用率是溅射设备的主要发展方向之一。

3.2 解决溅射过程中的微粒飞溅

溅射镀膜的过程中,致密度较小的溅射靶受轰击时,由于靶材内部孔隙内存在的气体突然释放，造成大尺寸的靶材颗粒或微粒飞溅,或成膜之后膜材受二次电子轰击造成微粒飞溅。这些微粒的出现会降低薄膜品质。如在 VISL制作工艺过程中，每150mm直径硅片所能允许的微粒数必须小于30个。怎样解决溅射靶材在溅射过程中的微粒飞溅也是今后研究与设计靶材的发展方向之一。一般,粉末冶金工艺制备的溅射靶材大都存在致密度低的问题，容易造成微粒飞溅。因此，对熔融铸造法制备的靶材，可采用适当的热加工或热处理来提高其致密度，而对粉末冶金溅射靶材则应提高原料粉末纯度，并采用等离子烧结、微波烧结等快速致密化技术，以降低靶材孔隙率。

3.3 解决靶材的结晶取向

靶材溅射时,靶材中的原了最容易沿着密排面方向择优溅射出来,材料的结晶方向对溅射速率和溅射膜层的厚度均匀性影响较大。因此，获得一定结晶取向的靶材结构对解决上述问题至关重要。但要使靶材组织获得一定取向的结晶结构，存在较大难度,只有根据靶材的组织结构特点,采用不同的成型方法,热处理工艺进行控制。