1842年格波夫在實驗室中發(fā)現(xiàn)了陰極濺射現(xiàn)象，由于人們對濺射機理缺乏深入了解和濺射薄膜技術(shù)發(fā)展緩慢，商業(yè)化的磁控濺射設(shè)備直到1970年才逐漸應(yīng)用于實驗室和小型生產(chǎn)。
自20世紀(jì)80年代，以集成電路、信息存儲、液晶顯示器、激光存儲器、電子控制器為主的電子與信息產(chǎn)業(yè)開始進入高速發(fā)展時期.磁控濺射技術(shù)才從實驗室應(yīng)用真正進人工業(yè)化規(guī)模生產(chǎn)應(yīng)用領(lǐng)域。近10年來，磁控濺射技術(shù)更是取得了突飛猛進的發(fā)展。目前磁控濺射技術(shù)以及薄膜制備是全球新材料領(lǐng)域研發(fā)和關(guān)注的一大熱點。
鈦靶、鎳靶、鋯靶是磁控濺射過程中的基本耗材。不僅使用量大，而且靶材質(zhì)量的好壞對金屬薄膜的性能起著至關(guān)重要的決定作用，因此，靶材是磁控濺射過程的關(guān)鍵材料。針對濺射靶材這一具有高附加值的功能材料，在巨大市場需求的拉動下，全球各靶材廠商正在不斷探索和完善靶材制備技術(shù)，研發(fā)新的高品質(zhì)濺射靶材。
1、磁控濺射靶材的分類
磁控濺射靶材因其成分、形狀和應(yīng)用領(lǐng)域不同，可以采用不同的分類方法。
根據(jù)材料的成分不同。靶材可分為金屬靶材、合金靶材、無機非金屬靶材和復(fù)合靶材等。
其中無機非金屬靶材又可分為氧化物、硅化物、氮化物和氟化物等不同種類靶材。
根據(jù)幾何形狀的不同，靶材可分為長(正)方體形靶材、圓柱體形靶材和不規(guī)則形狀靶材；
此外。靶材還可分為實心和空心兩種類型靶材。
目前靶材最常用的分類方法是根據(jù)靶材的應(yīng)用領(lǐng)域進行劃分。主要包括半導(dǎo)體領(lǐng)域用靶材、記錄介質(zhì)用靶材、顯示薄膜用靶材、光學(xué)靶材、超導(dǎo)靶材等。其中半導(dǎo)體領(lǐng)域用靶材、記錄介質(zhì)用靶材和顯示靶材是市場需求規(guī)模最大的三類靶材。
2、磁控濺射靶材的應(yīng)用領(lǐng)域
磁控濺射鈦靶材主要應(yīng)用于電子及信息產(chǎn)業(yè)。
如集成電路、信息存儲、液晶存儲、液晶顯示屏、激光存儲器、電子控制器件等，亦可應(yīng)用于玻璃鍍膜領(lǐng)域。還可以應(yīng)用于耐磨材料、高溫耐蝕、化學(xué)電鍍、金屬泡沫材料、高檔裝飾用品等行業(yè)。
2.1 信息存儲產(chǎn)業(yè)
隨著IT產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展。全球?qū)τ涗浗橘|(zhì)需求量越來越大.記錄介質(zhì)用靶材的研究與生產(chǎn)成為關(guān)注的熱點。在信息存儲產(chǎn)業(yè)中，使用濺射靶材制備的相關(guān)薄膜產(chǎn)品有硬盤、磁頭、光盤(CD—R，CD，DVD)、磁光相變光盤(M0，C—RW，DVD一)。制備這些數(shù)據(jù)存儲產(chǎn)品，需要使用具有特殊結(jié)晶性與特殊成分的高 品質(zhì)靶材，常用的有鈷、鉻、碳、鎳一鐵、貴金屬、稀有金屬等靶材。
2.2 集成電路產(chǎn)業(yè)
集成電路用靶材在全球靶材市場中占較大份額。其濺射產(chǎn)品主要包括電極互連線膜、阻擋層薄膜、接觸薄膜、光盤掩膜、電容器電極膜、電阻薄膜等。純鋁和鋁合金靶材用于集成電路和功耗較小的分立器件中.金靶材則主要用于功率晶體管和微波器件等.阻擋膜用靶材主要是鎢、鉬等難熔金屬和難熔金屬硅化物。
粘附膜用靶材主要有鈦、鎢等。薄膜電阻器是薄膜混合集成電路中用量最多的元件。而電阻薄膜使用的靶材料為NiCr、MoSi2、WSi等合金，其中NiCr合金用量最大。
2.3 平面顯示器產(chǎn)業(yè)
平面顯示器包括:液晶顯示器(LCD)、等離子體顯示器(PDP)、場致發(fā)光顯示器(E—L)、場發(fā)射顯示器(FED)。目前，在平面顯示器市場中以液晶顯示器LCD市場最大，份額高達80％。LCD被認(rèn)為是目前最有應(yīng)用前景的平板顯示器件，它的出現(xiàn)大大擴展了顯示器的應(yīng)用范圍，從筆記本電腦顯示器、臺式電腦監(jiān)視 器、高清晰液晶電視以及移動通信.各種新型LCD產(chǎn)品正在沖擊著人們的生活習(xí)慣。并推動著世界信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。當(dāng)前，LCD的開發(fā)以彩色為主.畫面向高清晰度和大尺寸化方向發(fā)展。平面顯示器的薄膜多采用濺射成形。
目前。平面顯示器產(chǎn)業(yè)使用最廣泛是ITO靶材,它是制備LCD高性能導(dǎo)電膜的最好材料。還沒有其他材料可以代替，ITO靶材的化學(xué)成分是In2O3一SnO2，加入Sn的作用是降低In的電阻。
使之具有更好的導(dǎo)電性。除ITO靶材外。平面顯示器產(chǎn)業(yè)濺射用靶材主要還有Al、Y2o，MgO、W、Mo、Ni、Cu、Cr等靶材。
2.4 光學(xué)薄膜行業(yè)
磁控濺射是目前制備幕墻玻璃最好的方法，但由于射頻電源、濺射靶的材料和制作價格昂貴，磁控濺射的成本是比較高的。玻璃鍍膜采用的靶材主要有:In2O3、SnO2、Co-Cr、Ni-Cr、Cu、Cr、Ni、Sn等。汽車后視鏡用靶材主要有:Cr、A1、SnO2、TiO2等。通常的汽車后視鏡鍍膜是采用蒸發(fā)鍍鋁工藝。
2.5 金屬泡沫材料產(chǎn)業(yè)
目前，高性能電池材料泡沫鎳現(xiàn)行常規(guī)工藝存在耗用貴金屬鈀、產(chǎn)品純度低、電化性能差、成本高等缺陷。全球主要電池生產(chǎn)廠商已不再將此方法生產(chǎn)的泡沫鎳列入采購訂貨名單，轉(zhuǎn)向采用磁控濺射法生產(chǎn)的泡沫鎳產(chǎn)品，而高純鎳靶制備是整個新工藝的關(guān)鍵技術(shù)。決定了泡沫鎳產(chǎn)品的最終質(zhì)量，我國作為全球第一大泡沫鎳生產(chǎn)國，對鎳靶的需求量很大。
3、磁控濺射靶材的制備技術(shù)方法
磁控濺射靶材的制備技術(shù)方法按生產(chǎn)工藝可分為熔融鑄造法和粉末冶金法兩大類，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。
3.1 熔融鑄造法
熔融鑄造法是制備磁控濺射靶材的基本方法之一。與粉末冶金法相比，熔融鑄造法生產(chǎn)的靶材產(chǎn)品雜質(zhì)含量低，致密度高。在生產(chǎn)過程中.為保證鑄錠中雜質(zhì)元素含量盡可能低.通常其冶煉和澆注在真空或保護性氣氛下進行。
但實際鑄造過程中。因為材料組織內(nèi)部難免存在一定的孔隙率。這些孔隙會導(dǎo)致濺射過程中的微粒飛濺，從而影響濺射薄膜的質(zhì)量，因此，需要后續(xù)熱加工和熱處理工藝降低其孔隙率。
3.2 粉末冶金法
通常。熔融鑄造法無法實現(xiàn)難熔金屬濺射靶材的制備.對于熔點和密度相差較大的兩種或兩種以上的金屬，采用普通的熔融鑄造法，一般也難以獲得成分均勻的合金靶材，對于無機非金屬靶材、復(fù)合靶材，熔融鑄造法更是無能為力。而粉末冶金法是解決制備上述靶材技術(shù)難題的最佳途徑。同時，粉末冶金工藝還具有容易獲得均勻細晶結(jié)構(gòu)、節(jié)約原材料、生產(chǎn)效率高等優(yōu)點。目前已成為磁控濺射靶材的主要制備方法和研究熱點。
粉末冶金法制備靶材時。其關(guān)鍵在于:一是選擇高純、超細粉末作為原料；二是選擇能實現(xiàn)快速致密化的成形燒結(jié)技術(shù)，以保證靶材的低孔隙率，并控制晶粒度；三是制備過程嚴(yán)格控制雜質(zhì)元素的引入。
4、磁控濺射靶材的技術(shù)要求
為提高濺射效率及確保沉積薄膜的質(zhì)量，靶材的質(zhì)量必須嚴(yán)格控制，經(jīng)大量實驗研究表明，影響靶材質(zhì)量的主要因素包括純度、雜質(zhì)含量、密實度、晶粒尺寸及尺寸分布、結(jié)晶取向與結(jié)構(gòu)均勻性、幾何形狀與尺寸等。
4.1 純度
靶材的純度對濺射薄膜的性能影響很大。靶材的純度越高，濺射薄膜的性能越好。以純鋁靶為例，純度越高，濺射鋁膜的耐蝕性及電學(xué)、光學(xué)性能越好。不過在實際應(yīng)用中，不同用途靶材對純度要求不一樣。例如，一般工業(yè)用靶材對純度的要求并不苛求，而半導(dǎo)體、顯示器體等領(lǐng)域用靶材對純度的要求十分嚴(yán)格:磁性薄膜用靶材的純度要求一般為99.9％以上，ITO靶中In2O3和SnO4的純度則要求不低于99.99％。
4.2 雜質(zhì)含量
靶材作為濺射中的陰極源。材料中的雜質(zhì)和氣孔中的氧和水分是沉積薄膜的主要污染源。
靶材對純度的要求也就是對雜質(zhì)總含量的要求。雜質(zhì)總含量越低，純度就越高。此外，不同用途靶材對單個雜質(zhì)含量也有不同的要求。例如，半導(dǎo)體電極布線用W、Mo、Ti等靶材對U、Th等放射性元素的含量要求低于3×10-9光盤反射膜用的合金靶材則要求氧含量低于2x10-4。
4.3 致密度
為了減少靶材固體中的氣孔。提高濺射薄膜的性能，一般要求濺射靶材具有較高的致密度。
通常，靶材的致密度不僅影響濺射時的沉積速率、濺射膜粒子的密度和放電現(xiàn)象等，還影響著濺射薄膜的電學(xué)和光學(xué)性能。靶材越致密，濺射膜粒子的密度越低，放電現(xiàn)象越弱，而薄膜的性能也越好。靶材的致密度主要取決于靶材制備工藝。一般而言，熔融鑄造法制備的靶材致密度高。而粉末冶金法制備的靶材致密度則相對較 低。因此，提高靶材的致密度是粉末冶金燒結(jié)法制備靶材必須解決的關(guān)鍵技術(shù)之一。
4.4 晶粒尺寸及尺寸分布
通常靶材為多晶結(jié)構(gòu)。晶粒大小可由微米到毫米量級。同一成分的靶材，細小尺寸晶粒靶的濺射速率要比粗晶粒靶快:而晶粒尺寸相差較小的靶，淀積薄膜的厚度分布也較均勻。據(jù)日本Energy公司研究發(fā)現(xiàn)，若將鈦靶的晶粒尺寸控制在100m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。采用真空熔煉方法制造的靶材可確保靶材內(nèi)部無氣孔存在。但粉末冶金法制造的靶材，則極有可能含有一定數(shù)量的氣孔。氣孔的存在會導(dǎo)致濺射時產(chǎn)生不正常放電而產(chǎn)生雜質(zhì)粒子。另外，含有氣孔的靶材在搬動、運輸、安裝、操作時，因其密度較低，也極易發(fā)生碎裂。
4.5 結(jié)晶取向
由于在濺射時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。不同材料具有不同的結(jié)晶結(jié)構(gòu)，因而應(yīng)采用不同的成型方法和熱處理方法。材料的結(jié)晶方向?qū)R射膜層的厚度均勻性影響也較大。
4.6 成分與結(jié)構(gòu)均勻性
成分與結(jié)構(gòu)均勻性也是考察靶材質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。對于復(fù)相結(jié)構(gòu)的合金靶材和復(fù)合靶材.不僅要求成分的均勻性，還要求組織結(jié)構(gòu)的均勻性。例如，ITO靶為In2O3-SnO2的混合燒結(jié)物，為了保證ITO靶的質(zhì)量，要求ITO靶中In2O3-SnO2組成均勻，分子比應(yīng)為93:7或91:9。
4.7 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，如表面平整度、粗糙度等。如靶材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。
5、磁控濺射靶材亟待解決的幾個重大難題
5.1 靶材利用率低
在平面磁控濺射過程中。由于正交電磁場對濺射離子的作用關(guān)系。濺射靶材在濺射中將產(chǎn)生不均勻沖蝕現(xiàn)象.從而造成濺射靶材的利用率普遍低下，只有30％左右。近年來，磁控濺射設(shè)備改善后靶材的利用率提高到5O％左右。
另外，靶材原子被氬離子撞擊出來后，約有1/6的濺射原子會淀積到真空室內(nèi)壁或支架上，增加清潔真空設(shè)備的費用及停機時間。怎樣提高濺射靶材的利用率是今后研究設(shè)計靶材與濺射設(shè)備的主要發(fā)展方向之一。
5.2 濺射過程中的微粒飛濺
濺射鍍膜的過程中.致密度較小的濺射靶材受轟擊時，由于靶材內(nèi)部孔隙內(nèi)存在的氣體突然釋放，造成大尺寸的靶材顆粒或微粒飛濺。或成膜之后膜材受二次電子轟擊造成微粒飛濺。這些微粒的出現(xiàn)會降低薄膜品質(zhì)。如在VLSI制作工藝過程中，每1501Tlnl直徑硅片所能允許的微粒數(shù)必須小于30個。一般，粉末冶金工藝制備的濺射靶材大都存在致密度低的問題。容易造成微粒飛濺。因此，對熔融鑄造法制備的靶材，可采用適當(dāng)?shù)臒峒庸せ驘崽幚砉に噥硖岣咂渲旅芏龋欢鴮Ψ勰┮苯馂R射靶材則應(yīng)提高原料粉末純度，并采用等離子燒結(jié)、微波燒結(jié)等快速致密化技術(shù)，以降低靶材孔隙率。
5.3 靶材的結(jié)晶取向
靶材濺射時，靶材中的原子最容易沿著密排面方向優(yōu)先濺射出來，材料的結(jié)晶方向?qū)R射速率和濺射膜層的厚度均勻性影響較大。因此。獲得一定結(jié)晶取向的靶材結(jié)構(gòu)對解決上述問題至關(guān)重要。但要使靶材組織獲得一定取向的結(jié)晶結(jié)構(gòu)存在較大難度，只有根據(jù)靶材的組織結(jié)構(gòu)特點，采用不同的成型方法和熱處理工藝進行靶材的結(jié)晶取向控制。
6、磁控濺射靶材國內(nèi)外主要生產(chǎn)廠家
附表列出了目前世界上從事靶材產(chǎn)業(yè)的各主要生產(chǎn)廠商的排名情況，由附表可看出，日本、美國、德國是世界磁控濺射靶材研發(fā)生產(chǎn)水平最高的國家。據(jù)統(tǒng)計從1990年至1998年之間，世界各國在美國申請的靶材專利數(shù)量。日本占58％，美國為27％，德國為11％。這也再次證明日本在磁控濺射靶材的研制、開發(fā)與 生產(chǎn)方面居世界領(lǐng)先地位。
全球前7大濺射靶材制造商
為了更能接近磁控濺射靶材的使用者。以便提供更完善的售后服務(wù)，全球主要靶材制造商通常會在客戶所在地設(shè)立分公司。目前，亞洲的一些國家和地區(qū)，如臺灣、韓國和新加坡就建立了越來越多制造薄膜元件等產(chǎn)品的工廠，如IC、液晶顯示器及光碟制造廠。對靶材廠商而言，這是相當(dāng)重要的新興市場。因此，全球靶材制造基地正在快速向亞洲地區(qū)聚集。
隨著國內(nèi)半導(dǎo)體集成電路、記錄介質(zhì)、平面顯示及工作表面涂層等高技術(shù)產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，中國的靶材市場日益擴大。已逐漸成為世界薄膜靶材的最大需求地區(qū)之一，這為中國靶材制造業(yè)的發(fā)展提供了機遇和挑戰(zhàn)。在此巨大市場需求的拉動下。靶材產(chǎn)業(yè)引起了我國有關(guān)科研院所和企業(yè)的重視和關(guān)注，紛紛投入人力、物力、財力從事磁控濺靶材的研發(fā)和生產(chǎn)。
國內(nèi)靶材研發(fā)生產(chǎn)的基地目前主要集中在北京和廣東地區(qū)。江浙、湖南、河北、江西、甘肅等地也有一些廠商開展了靶材的研發(fā)與生產(chǎn)。由于靶材原料純度、生產(chǎn)裝備和工藝研發(fā)技術(shù)的限制，我國靶材制造業(yè)還處于初創(chuàng)期，國內(nèi)靶材生產(chǎn)企業(yè)基本屬于質(zhì)量和技術(shù)門檻較低、采用傳統(tǒng)加工方法、依靠價格取勝的低檔次濺射靶材生產(chǎn)者，或獲利有限的代工型加工廠。生產(chǎn)規(guī)模小，品種單一，技術(shù)還不穩(wěn)定，迄今為止，中國(包括臺灣)還沒有生產(chǎn)靶材的專業(yè)大公司，大量靶材還需從國外進口，特別是技術(shù)含量高和產(chǎn)品純度高的靶材還不得不依賴進口。
7、磁控濺射靶材的市場需求與預(yù)測
進入20世紀(jì)90年代以來。隨著微電子半導(dǎo)體集成電路、薄膜混合集成電路、片式元器件，特別是光盤、磁盤及液晶平面顯示器等技術(shù)領(lǐng)域的飛速發(fā)展和磁控濺射技術(shù)的同步發(fā)展。濺射靶材的品種和市場規(guī)模日益擴大。1990年世界靶材市場銷售量約為350億日元。1991年約為430億日元。1995年僅日本的靶材市場就已 達到50o億日元。我國臺灣CD-R片1999年就生產(chǎn)約17.7億片，2000年產(chǎn)量達到47億片，CD-RW片2000年達到1.8億片。DVD碟片2000年也將超l億片。TFr-CCP的產(chǎn)值2000年達到900億臺幣，據(jù)BCC(BusinessCommuicationCompang商業(yè)咨詢公司)的統(tǒng)計報告指出:1999年世界靶材市場的年銷售額近10億美元，到2009年，全球靶材市場的年銷售額將達到50億美元，其中日本企業(yè)的銷售額超過世界市場的一半，美國企業(yè)的銷售額約占世界市場的三分之一。由于電子薄膜、光學(xué)薄膜、光電薄膜、磁性薄膜和超導(dǎo)薄膜在高新技術(shù)和工業(yè)上的大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用。磁控濺射靶材已逐漸發(fā)展成一個專業(yè)性產(chǎn)業(yè)。隨著高新技術(shù)的不斷發(fā)展。世界的靶材市場還將進一步擴大。
8、中國磁控濺射靶材產(chǎn)業(yè)的發(fā)展思路與展望
磁控濺射靶材研發(fā)技術(shù)和靶材產(chǎn)業(yè)的發(fā)展與下游應(yīng)用產(chǎn)業(yè)的薄膜技術(shù)發(fā)展是息息相關(guān)的。
靶材作為一種具有特殊用途的材料，具有很強的應(yīng)用目的和明確的應(yīng)用背景。脫離濺射工藝和薄膜性能單純地研究靶材本身的性能沒有任何意義。而根據(jù)薄膜的性能要求，研究靶材的組成、結(jié)構(gòu)，制備工藝、性能以及靶材的組成、結(jié)構(gòu)、性能與濺射薄膜性能之間的關(guān)系，既有利于獲得滿足應(yīng)用需要的薄膜性能，又有利于 更好的使用靶材，充分發(fā)揮其作用，促進靶材產(chǎn)業(yè)發(fā)展。國際上從事靶材研發(fā)與生產(chǎn)的專業(yè)大公司正是沿著這個方向發(fā)展起來的。他們根據(jù)電子信息等產(chǎn)業(yè)的最新發(fā)展動態(tài)，不斷研制開發(fā)滿足薄膜性能要求的新型靶材，使公司的產(chǎn)品在市場競爭中始終立于不敗之地。例如美國的TOSOHSMD公司，擁有一批研究靶材性能及其與濺射薄膜性能之間關(guān)系的專業(yè)人員。
毫無疑問，正是他們作為公司的強大技術(shù)力量，不斷地研制開發(fā)各種新產(chǎn)品。才使公司的國際市場占有率不斷擴大，并逐漸發(fā)展成為一個跨國大公司。在這一點上。中國靶材研發(fā)企業(yè)一定要始終把握這個方向，否則，只會仿制、重復(fù)國外靶材企業(yè)現(xiàn)有的產(chǎn)品，永遠處于落后的地位，無法追趕與超越國外靶材先進制造企業(yè)。
近年來，我國電子信息產(chǎn)業(yè)以3倍于GDP增長的速度飛速發(fā)展，我國已成為全球電子信息產(chǎn)業(yè)投資的熱點地區(qū)，集成電路、光盤及顯示器生產(chǎn)線均有大量合資或獨資企業(yè)出現(xiàn)。我國已逐漸成為了世界上薄膜靶材的最大需求地區(qū)之一。與此極不相稱的是中國還沒有生產(chǎn)靶材的專業(yè)大公司。大量靶材還需從國外進口，特別是技術(shù)含量高的靶材。由于國內(nèi)靶材產(chǎn)業(yè)的滯后發(fā)展，目前中國大陸和臺灣地區(qū)的靶材市場中有很大一部分份額被國外公司占領(lǐng)。與此同時。隨著微電子等高科技產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，中國大陸和臺灣的靶材市場仍將進一步擴大。
當(dāng)前，科技的發(fā)展，經(jīng)濟效益的需要以及與國外廠商的競爭都為中國靶材產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了機遇和挑戰(zhàn)。機遇和挑戰(zhàn)并存，如果不能抓住機遇發(fā)展自己的靶材產(chǎn)業(yè)，我國與國際水平的差距必將越來越大，不僅不能奪回由外商占領(lǐng)的國內(nèi)市場，更無法參與國際市場的競爭。
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