如何制造溅射靶材？铸造与粉末冶金方法解析

溅射靶材主要通过两种不同的方法制造：铸造和粉末冶金。两者的选择取决于材料的特性，例如其熔点和成分。对于许多标准合金，该过程包括在真空中熔化高纯度原材料，将其铸成铸锭，然后对铸锭进行机械加工以达到最终所需的尺寸。

制造方法不仅仅是一个制造步骤；它是决定靶材微观结构、纯度和密度的最关键因素。这些特性反过来又直接控制着溅射过程的稳定性和沉积薄膜的质量。

基础方法：铸造与粉末冶金

了解靶材的制造方式对于解决薄膜不一致问题和为新工艺选择合适的材料至关重要。每种方法都会生产出具有根本不同内部结构的靶材。

方法一：铸造（熔化与凝固）

铸造是一种直观的方法，与传统金属加工类似。该过程始于在严格控制的环境中熔化高纯度原材料。

然后将熔融金属倒入模具中冷却并凝固成粗略的形状，称为铸锭。

至关重要的是，整个过程通常在真空炉中进行。真空可防止熔融金属与空气中的氧气或氮气发生反应，从而避免在最终靶材中引入污染物。

冷却后，铸锭会进行广泛的机械加工。这最后一步将靶材切割成溅射阴极所需的精确尺寸，并创建必要的表面光洁度。

方法二：粉末冶金（烧结）

粉末冶金（PM）是一种更先进的技术，用于制造难以或不可能铸造的材料。这包括具有极高熔点的材料或由熔融时不易混合的元素组成的合金。

该过程始于极其精细、高纯度的组成材料粉末。这些粉末经过精确测量和混合，以确保形成完全均匀的混合物。

然后，这种粉末混合物在巨大的压力和高温下固结。一种常用技术是热等静压（HIP），其中材料在远低于其熔点的情况下被加热，同时受到来自各个方向的高压。

热量和压力的结合使粉末颗粒结合并融合，形成一个坚固、高密度的块，而不会熔化。然后，像铸锭一样，对这个实心块进行机械加工以达到其最终形状。

为什么制造方法很重要

铸造和粉末冶金之间的选择直接影响靶材的物理特性，这显著影响溅射性能。

对纯度和污染的影响

两种方法都旨在实现高纯度，但污染源不同。在铸造中，主要风险是溶解的气体，例如残留空气中的氧气。真空处理对于最大程度地减少这种情况至关重要。

在粉末冶金中，风险来自初始粉末的大表面积，这可能会吸附水分或其他污染物。仔细的粉末处理至关重要。

对密度的影响

高密度靶材对于稳定的工艺至关重要。靶材内部的孔隙（空隙）会捕获气体，这在溅射过程中可能会剧烈“放气”，导致电弧和颗粒溅射到基板上。

虽然铸造生产致密靶材，但粉末冶金中的HIP等技术以实现超过理论最大值99.5%的密度而闻名，从而产生异常稳定的材料。

对晶粒结构的影响

这是最显著的区别。铸造涉及从液体中缓慢冷却，这通常会导致大而不均匀的晶粒。

相比之下，粉末冶金在固态下将小颗粒融合在一起，生产出具有非常细小且高度均匀晶粒结构的靶材。均匀的晶粒结构导致整个靶材表面具有更一致的溅射速率，从而改善沉积薄膜的均匀性。

了解权衡

没有哪种方法是普遍优越的；理想的选择完全取决于所处理的材料和所需的结果。

铸造的优势

对于铝、铜或钛等常见金属和合金，铸造通常更具成本效益且更直接。它非常适合具有单一、合理熔点的材料。

然而，铸造难以处理难熔金属（例如钨），因为它们的熔点极高。它也不适用于组分熔点差异很大的合金，因为它们在冷却过程中可能会分离（偏析）。

粉末冶金的优势

粉末冶金在铸造失败的地方表现出色。它是生产难熔金属靶材、陶瓷靶材（如氧化铟锡，或ITO）和复杂合金的首选，通常也是唯一方法。

主要优点是卓越的微观结构控制，可提供无与伦比的溅射均匀性。主要缺点是它通常是一个更复杂、更昂贵的过程。

为您的材料做出正确选择

制造方法是您在采购靶材时应考虑的关键规格。

如果您的材料是简单金属或标准合金：铸造通常是最经济有效的方法，可提供出色的结果。
如果您的材料是复杂合金、难熔金属或陶瓷：粉末冶金几乎总是确保材料完整性和性能的更优或唯一可行选择。
如果您的主要目标是最大程度的薄膜均匀性和工艺稳定性：优先选择通过粉末冶金（特别是HIP）制造的靶材，因为它具有细小、均匀的晶粒结构。

了解靶材的制造过程是控制最终薄膜质量和一致性的第一步。

总结表：

方法	最适合	关键工艺	主要优点
铸造	简单金属，标准合金（铝、铜、钛）	真空熔化和凝固	对常见材料具有成本效益
粉末冶金	难熔金属、陶瓷、复杂合金	热等静压（HIP）	卓越的微观结构控制和均匀性

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