高純鈦?zhàn)鳛殡娮有畔㈩I(lǐng)域重要的功能薄膜材料，近年來隨著我國集成電路、平面顯示、太陽能等產(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，我國靶材制造企業(yè)在優(yōu)異靶材制造領(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)方面與國外也存在一定的差距。針對(duì)下游優(yōu)異應(yīng)用，開發(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)向優(yōu)異轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要舉措。

1、鈦靶材的應(yīng)用及性能要求

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、平面顯示屏和家裝汽車行業(yè)裝飾鍍膜領(lǐng)域，如玻璃裝飾鍍膜和輪轂裝飾鍍膜等。不同行業(yè)鈦靶材要求也有很大差別，主要包括：純度、微觀組織、焊接性能、尺寸精度幾個(gè)方面，具體指標(biāo)要求如下：

1）純度 ：非集成電路用：99.9％; 集成電路用：99.995％、99.99％。

2）微觀組織： 非集成電路用：平均晶粒小于100μｍ ;集成電路用：平均晶粒小于30μｍ、 超細(xì)晶平均晶粒小于10μｍ 。

3) 焊接性能： 非集成電路用：釬焊、單體； 集成電路用：單體、釬焊、擴(kuò)散焊 。

4) 尺寸精度： 非集成電路用：0.1ｍｍ; 非集成電路用：0.01ｍｍ。

1.1集成電路用鈦靶材

集成電路鈦靶材純度主要大于99.995％ 以 上，目前主要依賴進(jìn)口。2013年，我國集成電路產(chǎn)業(yè)實(shí)現(xiàn)銷售收入2508億元，進(jìn)口額高達(dá)2313億美元，成為我國大進(jìn)口商品。2014年，集成電路產(chǎn)業(yè)銷售收入為2672億元，進(jìn)口額仍達(dá)到2176億美元。集成電路用靶材在全球靶材市場中占較大份額。

鈦靶材原材料方面：高純Ti生產(chǎn)主要集中在 美 國、日 本 等 國 家，如美國Honeywell， 日本東邦、日本大阪鈦業(yè)；國內(nèi)起步較晚，2010年后北京有色金屬研究院、遵義鈦業(yè)、寧波創(chuàng)潤等陸續(xù)推出國產(chǎn)的高純 Ti產(chǎn)品，但是產(chǎn)品穩(wěn)定性還待提高。

鈦靶材的結(jié)構(gòu)發(fā)展方面：早期芯片代工廠利潤空間大，主要使用100～150ｍｍ 磁控濺射機(jī)臺(tái)，而且功率小，濺射薄膜較厚，芯片的尺寸較大，單體靶材的 性能能夠滿足當(dāng)時(shí)機(jī)臺(tái)的使用要求，當(dāng)時(shí)集成電路 用 鈦靶材主要100～150ｍｍ 單體和組合型靶材， 如典型3180型，3290型靶材等。**階段，按照摩爾定律發(fā)展，芯片線寬變窄，芯片代工廠主要使用150～200ｍｍ 濺射機(jī)臺(tái)，為提高利潤空間，機(jī)臺(tái)的濺射功率提高，這就要求靶材尺寸加大，同時(shí)保持高導(dǎo)熱、低價(jià)格和一定的強(qiáng)度，本時(shí)期Ｔi 靶材以鋁合金背板擴(kuò)散焊接和銅合金背板釬焊焊接兩種結(jié)構(gòu)為主，如典型TN、TTN 型，Endura5500型等靶材。第 三階段，隨集成電路發(fā)展，芯片線寬進(jìn)一步變窄，此 時(shí)芯片代工廠主要使用200～300ｍｍ 濺射機(jī)臺(tái)，為進(jìn)一步提高利潤空間，機(jī)臺(tái)的濺射功率提高，這就要求靶材尺寸加大，同時(shí)保持高導(dǎo)熱和足夠的強(qiáng) 度。本時(shí)期鈦靶材以銅合金背板擴(kuò)散焊 接 為 主，如主流SIP型靶材。

鈦靶材加工制造方面：早期國內(nèi)外市場基本被美國、日本等大的靶材制造商壟斷，2000年后國內(nèi)的制造業(yè)逐步進(jìn)入靶材市場，開始進(jìn)口高純  Ti原材料加工低 端的靶材，近幾年國內(nèi)鈦靶材制造企業(yè)發(fā)展較快，市場份額逐步擴(kuò)大到臺(tái)灣、歐美等市場。國內(nèi)的靶材制造企業(yè)也正在和國內(nèi)的磁控濺射機(jī)臺(tái)制造商聯(lián)合開發(fā)靶材，推動(dòng)國內(nèi)集成電路磁控濺射產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

1.2 平面顯示器用鈦靶材

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*大，份額高達(dá)90％以上。LCD被認(rèn)為是目前*有應(yīng)用前景的平板顯示器件，它的出現(xiàn)大大擴(kuò)展了顯示器的應(yīng)用范圍，從筆記本電腦顯示器、臺(tái)式電腦監(jiān)視器、高清晰液晶電視以及移動(dòng)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(dòng)著世界信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展。TFT－LCD技術(shù)是微電子技術(shù)與液晶技術(shù)巧妙結(jié)合的一 種技術(shù)，目前已經(jīng)成為平面顯示主流技術(shù)，其中又分 Al－Mo、Al－Ti、Cu－Mo等工藝。

平面顯示器的薄膜 多采用濺射成形 。Al、Cu、Ti、Mo等靶材是目前平面顯示器主要金屬靶材，平面顯示器用鈦靶材純度大于99.9％，此原材料能夠國產(chǎn)。TFT－LCD6代線用平面鈦靶材尺寸比較大，結(jié)構(gòu)采用銅合金水冷背板靶材，應(yīng)用有中電熊貓等。

2、磁控濺射鈦靶材制備技術(shù)

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（簡稱 EB坯）和真空自耗電弧爐熔煉坯（簡稱（VAR）坯）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(duì)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。

對(duì)于高純鈦的原材料通常先采用熔融電解的方法去除 Ti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 Ti基體中的雜質(zhì)元素。因此，當(dāng)在高真空環(huán)境下（1.0E-4以 上）電子束熔煉99.99％電解  Ti時(shí)，原料中 飽和蒸氣壓高于 Ti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)，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 Ti。

對(duì)于純度在 99.9％Ｔｉ原材料多采用０級(jí)海綿  Ti經(jīng)真空自耗電弧爐熔煉，再經(jīng)過熱鍛造開坯形成小尺寸的坯料。 這兩種方法制備的金屬  Ti原材料通過熱機(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Ｔｉ靶材，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－ingtime）。

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。

3、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。

3.1 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)在鑄錠無損探傷的過程中基本去除，沒有去除的氣孔夾雜在濺射的 過程中會(huì)產(chǎn)生**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。早期國內(nèi)沒有高純鈦濺射靶材的標(biāo)準(zhǔn)，都是參照國內(nèi)外的鈦靶材制 造公司的要求，2013年后頒布標(biāo)準(zhǔn)《YS／T893－2013 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)范繁亂鈦靶材市場純度需求。 

3.2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。集成電路用 Ｔｉ靶材 平 均晶粒尺寸 一般要求在30μｍ 以內(nèi)，超細(xì)晶鈦靶材平均晶粒尺寸在10μｍ 以下。

3.3 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*緊密排列方向優(yōu)先濺射出來，因此，為達(dá)到*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。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 。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。

3.4 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 Ti薄膜。

3.5 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大，無法正確安裝；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于粗糙會(huì)導(dǎo)致靶材安裝后真空出現(xiàn)問題，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**，在**效應(yīng)的作用下，這些凸起**的電勢(shì)將大大提高， 從而擊穿介質(zhì)放電，但是過大的凸起對(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／Al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合金焊接國內(nèi)廠商應(yīng)用很多，但是研究論文較少。

4、鈦靶材展望

鈦靶材作為一種具有特殊用途的材料，具有很強(qiáng)的 應(yīng)用目的和明確的應(yīng)用背景。脫離金屬  鈦的冶金提純技術(shù)、EB真空熔煉技術(shù)、 鈦錠無損探傷技術(shù)、 高純 Ti的雜質(zhì)分析技術(shù)、鈦靶材的制備技術(shù)、濺射機(jī)臺(tái)制備技術(shù)、濺射工藝和薄膜性能測試技術(shù)單純地研究鈦靶材本身沒有任何意義。鈦靶材的研發(fā)生產(chǎn)及后續(xù)的應(yīng)用改進(jìn)涉及一個(gè)從上游原材料到產(chǎn)業(yè)中游設(shè)備制造商和靶材制造商共同研發(fā)、下游鈦靶材鍍膜芯片應(yīng)用的 整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈。鈦靶材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(jìn)靶材產(chǎn)業(yè)發(fā)展。

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