高純鈦?zhàn)鳛殡娮有畔㈩I(lǐng)域重要的功能薄膜材料，近年來(lái)隨著我國(guó)集成電路、平面顯示、太陽(yáng)能等產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展需求量快速上升。磁控濺射技術(shù)（PVD）技術(shù)是制備薄膜材料的關(guān)鍵技術(shù)之一，高純鈦濺射靶材是磁控濺射工藝中的關(guān)鍵耗材，具有廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。鈦靶材作為高附加值的鍍膜材料，在化學(xué)純度、組織性能等方面具有嚴(yán)格的要求，技術(shù)含量高、加工難度大，我國(guó)靶材制造企業(yè)在高端靶材制造領(lǐng)域起步相對(duì)較晚，在基礎(chǔ)原材料純度方面相對(duì)落后，靶材制備技術(shù)如組織控制、工藝成型等核心工藝技術(shù)方面與國(guó)外也存在一定的差距。針對(duì)下游高端應(yīng)用，開(kāi)發(fā)高性能鈦濺射靶材，是實(shí)現(xiàn)電子信息制造業(yè)關(guān)鍵材料的自主研制和推動(dòng)鈦工業(yè)向高端轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要舉措。
1、鈦靶材生產(chǎn)工藝分類
磁控濺射鈦靶材的原材料制備技術(shù)方法按生產(chǎn)工藝可分為電子束熔煉坯（簡(jiǎn)稱EB坯）和真空自耗電弧爐熔煉坯（簡(jiǎn)稱（VAR）坯）兩大類，在靶材制備過(guò)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(duì)熱處理工藝條件、后續(xù)成型加工過(guò)程亦需加以嚴(yán)格控制，以保證靶材的質(zhì)量。
對(duì)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(diǎn)的雜質(zhì)元素，再采用真空電子束熔煉進(jìn)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(yōu)先揮發(fā)，蒸氣壓小的元素存留于熔體中，雜質(zhì)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(yōu)點(diǎn)在于不引入其他雜質(zhì)的前提下去除鈦基體中的雜質(zhì)元素。因此，當(dāng)在高真空環(huán)境下（10-4以上）電子束熔煉99.99％電解鈦時(shí)，原料中飽和蒸氣壓高于鈦元素本身飽和蒸氣壓的雜質(zhì)元素（Fe、Co、Cu）將優(yōu)先揮發(fā)，如圖1所示，使基體中雜質(zhì)含量減少，達(dá)到提純之目的。兩種方法結(jié)合使用可以得到純度99.995以上的高純金屬鈦。
對(duì)于純度在99.9％鈦原材料多采用０級(jí)海綿鈦經(jīng)真空自耗電弧爐熔煉，再經(jīng)過(guò)熱鍛造開(kāi)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(guò)熱機(jī)械變形控制其整個(gè)濺射表面微觀組織一致，然后經(jīng)過(guò)機(jī)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(duì)于300mm機(jī)臺(tái)要求特別高的鈦靶材，在包裝前靶材的濺射面還要預(yù)濺射減少靶材安裝在濺射機(jī)臺(tái)上燒靶時(shí)間（Burn-ing time）。集成電路鈦靶材制備方法制備的靶材工藝復(fù)雜，成本相對(duì)較高。
2、鈦靶材的技術(shù)要求
為確保沉積薄膜的質(zhì)量，靶材的質(zhì)量必須嚴(yán)格控制，經(jīng)大量實(shí)踐，影響鈦靶材質(zhì)量的主要因素包括純度、平均晶粒尺寸、結(jié)晶取向與結(jié)構(gòu)均勻性、幾何形狀與尺寸等。
1.1 純度
鈦靶材的純度對(duì)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(zhì)元素粒子越少，導(dǎo)致薄膜性能越好，包括耐蝕性及電學(xué)、光學(xué)性能越好。不過(guò)在實(shí)際應(yīng)用中，不同用途鈦靶材對(duì)純度要求不一樣。例如，一般裝飾鍍膜用鈦靶材對(duì)純度的要求并不苛求，而集成電路、顯示器體等領(lǐng)域用鈦靶材對(duì)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(zhì)元素和氣孔夾雜是沉積薄膜的主要污染源。氣孔夾雜會(huì)在鑄錠無(wú)損探傷的過(guò)程中基本去除，沒(méi)有去除的氣孔夾雜在濺射的過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生尖端放電現(xiàn)象（Arcing），進(jìn)而影響薄膜的質(zhì)量；而雜質(zhì)元素含量只能在全元素分析測(cè)試結(jié)果中體現(xiàn)，雜質(zhì)總含量越低，鈦靶材純度就越高。早期國(guó)內(nèi)沒(méi)有高純鈦濺射靶材的標(biāo)準(zhǔn)，都是參照國(guó)內(nèi)外的鈦靶材制造公司的要求，2013年后頒布標(biāo)準(zhǔn)《YS/T 893-2013電子薄膜用高純鈦濺射靶材》，規(guī)定３個(gè)純度鈦靶材單個(gè)雜質(zhì)含量及總雜質(zhì)含量不同的要求，此標(biāo)準(zhǔn)正在逐步規(guī)范繁亂鈦靶材市場(chǎng)純度需求。
1.2 平均晶粒尺寸
通常鈦靶材為多晶結(jié)構(gòu)，晶粒大小可由微米到毫米量級(jí)，細(xì)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(fā)現(xiàn)，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(nèi)，其濺射所得薄膜的質(zhì)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(nèi)，超細(xì)晶鈦靶材平均晶粒尺寸在10μm以下。
1.3 結(jié)晶取向
金屬鈦是密排六方結(jié)構(gòu)，由于在濺射時(shí)鈦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(lái)，因此，為達(dá)到最高濺射速率，可通過(guò)改變靶材結(jié)晶結(jié)構(gòu)的方法來(lái)增加濺射速率。目前大多數(shù)集成電路鈦靶材濺射面｛1013｝晶面族為60%以上，不同廠家生產(chǎn)的靶材晶粒取向略有不同，鈦靶材的結(jié)晶方向?qū)R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(duì)應(yīng)鈦靶材對(duì)晶粒取向要求比較低。
1.4 結(jié)構(gòu)均勻性
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(duì)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(nèi)，在同一時(shí)間內(nèi)能夠得到厚度均勻、質(zhì)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(xiàn)在加工精度和加工質(zhì)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(guò)大，無(wú)法正確安裝；厚度尺寸偏小會(huì)影響靶材的使用壽命；密封面和密封槽尺寸過(guò)于粗糙會(huì)導(dǎo)致靶材安裝后真空出現(xiàn)問(wèn)題，嚴(yán)重的導(dǎo)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(yīng)的作用下，這些凸起尖端的電勢(shì)將大大提高，從而擊穿介質(zhì)放電，但是過(guò)大的凸起對(duì)于濺射的質(zhì)量和穩(wěn)定性是不利的。
3.6 焊接結(jié)合
目前關(guān)于Ti/A1異種金屬擴(kuò)散焊接研究的論文較多，通常對(duì)于高熔點(diǎn)鈦與低熔點(diǎn)鋁材料的擴(kuò)散焊接，主要是基于單向或者雙向加壓的真空擴(kuò)散連接技術(shù)進(jìn)行研究或采用熱等靜壓技術(shù)實(shí)現(xiàn)鈦、鋁金屬材料的高壓中低溫直接擴(kuò)散連接。Ti/Cu及Cu合金焊接國(guó)內(nèi)廠商應(yīng)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(yīng)用如表1所示。
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