靶材制备工艺全面解析 - 粉末烧结、溅射、熔炼及新工艺

靶材的制作工艺直接决定了其组成、微观结构、纯度、致密度以及各向异性等性质,从而对所沉积薄膜的结构及性能产生重大影响。常规的靶材制作工艺主要包括粉末烧结法、溅射法、熔炼法等,同时一些新型快速制备工艺也在不断出现。

粉末烧结法 是应用最广泛的靶材制备方法之一。先将高纯度的细微原料粉末,按照一定的组分比例混合均匀,然后采用模压的方式制成一个致密的坯体,坯体表面要尽量平整。接下来将坯体放入高温烧结炉中进行烧结,在某一适宜温度下保持一定时间,这样可以使粉末粒子融合在一起,烧结成致密的块体。控制烧结温度和保压时间对获得致密度高的靶材至关重要。常见的烧结设备有各类高温电阻炉、感应炉等。烧结气氛也需严格控制,防止材料氧化或者与炉壁发生化学反应。有时还需要对烧结后的靶材进行热处理,以优化其内部的微观结构,改善热导电性能。

溅射法 利用溅射装置在高真空条件下,用高能离子轰击高纯度的靶材,使靶材表面的原子脱离,再沉积在衬底上,逐渐形成致密的靶块。该方法可以制备更复杂的多组分靶材。主要设备包括磁控溅射镀膜机、激光溅射机、高频溅射机等,以及提供高真空的抽气系统。控制溅射功率、离子轰击角度、衬底旋转等参数对获得均匀致密的靶材很关键。

熔炼法 首先按正确比例配比多种高纯金属颗粒,置入熔炼炉中进行混合熔融,生成母合金。然后对母合金进行淬火、退火等热处理,使其结晶,得到单一致密的靶材块体。该方法可以获得组分分布十分均匀的靶材,但是靶材成本较高。主要设备包括各类高温熔炼及保护气氛的炉子,淬火用的油池等。熔炼过程一定要控制气氛,防止材料的氧化。

摩擦烧结法 是一种新发展的快速烧结方法。将烧结粉末放入具有高速转动能力的容器中,同时对粉末施加轴向压力,容器高速旋转产生大的离心加速度,使粉末之间发生激烈的碰撞和摩擦,迅速完成烧结。该方法可以在很短的时间内实现烧结,烧结周期可以压缩到10-20分钟。但是需要专门的摩擦烧结设备,生产成本较高。

热等静压烧结法 利用精心设计的热场和压力场,在等静压条件下对粉末进行快速烧结。一般将坯体置于具有良好导热性的压模组装中,外部采用电阻发热体对其进行均匀加热,同时施加等静压力。在热场作用下,烧结驱动力得以大幅提高,烧结活性化能降低,使烧结快速完成。该方法烧结周期也可以控制在10分钟内。

激光烧结法 使用高功率激光束照射在粉末表面,使其迅速升温甚至部分熔化,活化烧结界面,从而促进粉末之间的黏结。 局部高温会产生向四周辐射的热量,也可以助长烧结。与传统方法相比,激光烧结无需外加压力,更精确控制烧结部位,烧结速率更快。但设备投入大,运行成本高。

以上摩擦烧结法、热等静压烧结法、激光烧结法三种新工艺方法都可以大幅提高烧结速率,缩短靶材制备周期。但由于需要专业的设备支持,生产成本也较高,仍需持续改进与发展。但无疑为更快获得优质靶材提供了新的途径。