在高性能薄膜材料制備領(lǐng)域，高純度靶材扮演著至關(guān)重要的角色。尤其在對薄膜純度、性能要求極為苛刻的應(yīng)用中，靶材的純度、致密度以及內(nèi)部雜質(zhì)含量（特別是氧含量）直接決定了最終薄膜的質(zhì)量。氧作為常見的雜質(zhì)元素，即使在ppm級別的微量存在，也可能顯著影響靶材的濺射特性和薄膜的性能表現(xiàn)。因此，如何有效地降低高純靶材中的氧含量，并實現(xiàn)高致密度，成為了材料制備領(lǐng)域的關(guān)鍵挑戰(zhàn)。

靶材致密化的必要性及氧含量的影響

高致密度的靶材擁有諸多優(yōu)勢：

• 提升濺射效率和穩(wěn)定性： 致密的微觀結(jié)構(gòu)減少了氣孔和缺陷，使得濺射過程中等離子體更加均勻穩(wěn)定，能量利用率更高，從而提升濺射速率和薄膜沉積的均勻性。

• 改善薄膜性能： 靶材的致密度直接影響濺射粒子的能量分布和沉積行為，高致密度靶材有助于獲得結(jié)構(gòu)更致密、性能更優(yōu)異的薄膜。

• 延長靶材使用壽命： 致密化靶材耐濺射腐蝕能力更強，能夠承受長時間、高功率的濺射過程，從而延長使用壽命，降低生產(chǎn)成本。

• 降低雜質(zhì)釋放： 內(nèi)部孔隙是雜質(zhì)富集的場所，高致密度靶材顯著減少了內(nèi)部孔隙，從而降低了濺射過程中雜質(zhì)的釋放，特別是氧雜質(zhì)的釋放，保證薄膜的純度。

然而，氧作為一種活潑的非金屬元素，在高純金屬或合金靶材的制備過程中難以完全避免。即使是痕量的氧，也會與靶材材料發(fā)生反應(yīng)，形成金屬氧化物等夾雜物，導(dǎo)致：

• 降低靶材純度： 金屬氧化物的形成稀釋了靶材的金屬組分，降低了整體純度。

• 影響濺射過程： 氧化物相的存在可能導(dǎo)致濺射速率降低、濺射過程不穩(wěn)定，甚至出現(xiàn)異常放電現(xiàn)象。

• 惡化薄膜性能： 濺射出的氧化物粒子會沉積到薄膜中，引入氧雜質(zhì)，改變薄膜的化學(xué)計量比、晶體結(jié)構(gòu)和微觀形貌，從而影響薄膜的電學(xué)、光學(xué)、磁學(xué)等性能。

因此，為了制備高性能薄膜，必須嚴(yán)格控制高純靶材中的氧含量，并實現(xiàn)靶材的高致密度。燒結(jié)技術(shù)作為粉末冶金的核心工藝，是實現(xiàn)這一目標(biāo)的關(guān)鍵。

燒結(jié)技術(shù)降低氧含量的原理與方法

燒結(jié)是指通過加熱粉末壓坯，使其在低于熔點的溫度下發(fā)生物質(zhì)傳遞、晶界移動、孔隙收縮等物理化學(xué)過程，最終致密化的工藝。針對高純靶材氧含量控制的需求，需要從燒結(jié)工藝的各個環(huán)節(jié)入手，綜合運用多種策略：

1. 優(yōu)化粉體制備工藝，從源頭控制氧雜質(zhì)引入

• 選用高純度原材料： 從源頭把控，選擇高純度的金屬粉末或合金粉末作為燒結(jié)的起始原料，降低初始氧含量基數(shù)。

• 惰性氣氛保護制粉： 在粉體制備（如氣霧化、等離子體旋轉(zhuǎn)電極法等）過程中，采用惰性氣體（如氬氣、氦氣）或真空環(huán)境，避免粉末在制備過程中與氧氣接觸，減少粉末表面的氧化。

   

• 粉末表面改性處理： 對于表面已氧化的粉末，可以采用氫氣還原、真空脫氧等方法，去除粉末表面的氧化層，降低粉末的含氧量。

   

  

   

   

2. 選擇合適的燒結(jié)氣氛，抑制氧化并促進脫氧

• 真空燒結(jié)： 利用真空環(huán)境降低氧分壓，抑制燒結(jié)過程中靶材的氧化。同時，真空條件有利于揮發(fā)性氧化物的去除，進一步降低氧含量。高真空燒結(jié)是制備高純靶材的常用方法。

   

  

   

   

• 保護氣氛燒結(jié)： 采用惰性氣體（如氬氣、氦氣）或還原性氣氛（如氫氣）作為燒結(jié)氣氛。惰性氣體可以隔絕氧氣，防止氧化；還原性氣氛可以與靶材中的氧化物發(fā)生反應(yīng)，生成揮發(fā)性產(chǎn)物，從而脫除氧。

   

• 活性氣氛燒結(jié)： 針對某些特定的金屬氧化物，可以采用活性氣氛（如氯氣）進行燒結(jié)。氯氣可以與金屬氧化物反應(yīng)生成金屬氯化物，金屬氯化物通常具有較高的蒸氣壓，易于揮發(fā)，從而實現(xiàn)脫氧和純化。

   

  

   

   

3. 精確控制燒結(jié)工藝參數(shù)，實現(xiàn)致密化與脫氧同步

• 燒結(jié)溫度與時間： 合理的燒結(jié)溫度和保溫時間是實現(xiàn)致密化的關(guān)鍵。過低的溫度無法有效驅(qū)動燒結(jié)過程，難以達到高致密度；過高的溫度可能導(dǎo)致晶粒異常長大，甚至發(fā)生熔化。合適的保溫時間能夠保證物質(zhì)充分?jǐn)U散，孔隙有效收縮。

   

• 升溫速率與冷卻速率： 緩慢的升溫速率有利于坯體內(nèi)部溫度均勻化，減少熱應(yīng)力，避免開裂；適當(dāng)?shù)睦鋮s速率可以控制晶粒長大，獲得細晶組織。

• 燒結(jié)壓力： 在燒結(jié)過程中施加外壓力（如熱壓燒結(jié)、熱等靜壓燒結(jié)），可以顯著促進致密化進程，降低燒結(jié)溫度和時間，同時也有助于抑制晶粒長大。

   

   

• 燒結(jié)氣氛流量： 對于氣氛燒結(jié)，需要控制氣氛氣體的流量，確保燒結(jié)氣氛的純度和穩(wěn)定性，及時帶走燒結(jié)過程中產(chǎn)生的揮發(fā)性產(chǎn)物。

4. 燒結(jié)后處理工藝，進一步降低氧含量

• 真空退火： 燒結(jié)后的靶材，可能仍存在少量的殘余氧?？梢酝ㄟ^真空退火工藝，在高溫真空條件下，進一步去除靶材內(nèi)部的氧雜質(zhì)。

   

   

• 氫氣還原處理： 對于易于氫還原的金屬氧化物，可以采用氫氣氣氛進行高溫還原處理，進一步降低靶材的氧含量。

   

   

氧含量檢測與表征方法

精確的氧含量檢測是評價燒結(jié)工藝效果的關(guān)鍵。常用的氧含量檢測方法包括：

• 惰性氣體熔融-紅外吸收法（紅外法）： 將靶材樣品在高溫下熔融，使其釋放出氧氣，通過紅外傳感器檢測氧氣含量。該方法靈敏度高、操作簡便，是工業(yè)上常用的氧含量檢測方法。

   

  

   

   

• 二次離子質(zhì)譜法（SIMS）： 利用離子束轟擊靶材表面，分析濺射出的二次離子的質(zhì)荷比，可以獲得靶材表面及近表面的元素成分和含量信息，包括氧含量。SIMS具有極高的靈敏度，可以檢測ppm甚至ppb級別的氧含量，但成本較高。

   

  

   

   

• 俄歇電子能譜法（AES）： 利用電子束激發(fā)靶材表面原子，分析俄歇電子的能量和強度，可以獲得靶材表面元素成分和化學(xué)態(tài)信息，包括氧的含量和化學(xué)狀態(tài)。AES主要用于表面分析，靈敏度較高。

   

  

   

   

除了氧含量檢測，還需要通過其他表征手段綜合評價靶材的致密化效果，如：

• 密度測試： 采用阿基米德排水法、幾何法等測量靶材的密度，評估致密化程度。

• 金相顯微鏡/掃描電子顯微鏡（SEM）： 觀察靶材的微觀結(jié)構(gòu)，分析孔隙率、晶粒尺寸、晶界形態(tài)等，評估致密化效果和微觀組織。

   

  

   

   

• X射線衍射（XRD）： 分析靶材的物相組成，檢測是否存在氧化物等雜相，評估純度。

   

  

   

   

結(jié)論與展望

通過上述多環(huán)節(jié)、多方法的綜合應(yīng)用，結(jié)合精確的工藝控制和先進的檢測手段，可以有效實現(xiàn)高純度靶材的致密化，并將氧含量控制在50ppm以下，甚至更低的水平。這將為高性能薄膜材料的制備提供堅實的基礎(chǔ)，推動相關(guān)產(chǎn)業(yè)的技術(shù)進步。

隨著薄膜應(yīng)用領(lǐng)域?qū)Π胁男阅芤蟮牟粩嗵嵘?，高純靶材的致密化工藝將朝著更高效率、更低成本、更高精度的方向發(fā)展。例如，發(fā)展新型的快速燒結(jié)技術(shù)（如微波燒結(jié)、放電等離子燒結(jié)等），縮短燒結(jié)周期，降低能耗；探索更加精細化的氣氛控制技術(shù)，實現(xiàn)對氧含量的精準(zhǔn)調(diào)控；以及開發(fā)原位、實時的氧含量監(jiān)測技術(shù)，實現(xiàn)燒結(jié)過程的智能化控制。這些技術(shù)的進步將進一步提升高純靶材的性能，拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。