高纯度靶材的致密化工艺：如何通过烧结技术实现氧含量＜50ppm？

在高性能薄膜材料制备领域，高纯度靶材扮演着至关重要的角色。尤其在对薄膜纯度、性能要求极为苛刻的应用中，靶材的纯度、致密度以及内部杂质含量（特别是氧含量）直接决定了最终薄膜的质量。氧作为常见的杂质元素，即使在ppm级别的微量存在，也可能显著影响靶材的溅射特性和薄膜的性能表现。因此，如何有效地降低高纯靶材中的氧含量，并实现高致密度，成为了材料制备领域的关键挑战。

靶材致密化的必要性及氧含量的影响

高致密度的靶材拥有诸多优势：

• 提升溅射效率和稳定性： 致密的微观结构减少了气孔和缺陷，使得溅射过程中等离子体更加均匀稳定，能量利用率更高，从而提升溅射速率和薄膜沉积的均匀性。

• 改善薄膜性能： 靶材的致密度直接影响溅射粒子的能量分布和沉积行为，高致密度靶材有助于获得结构更致密、性能更优异的薄膜。

• 延长靶材使用寿命： 致密化靶材耐溅射腐蚀能力更强，能够承受长时间、高功率的溅射过程，从而延长使用寿命，降低生产成本。

• 降低杂质释放： 内部孔隙是杂质富集的场所，高致密度靶材显著减少了内部孔隙，从而降低了溅射过程中杂质的释放，特别是氧杂质的释放，保证薄膜的纯度。

然而，氧作为一种活泼的非金属元素，在高纯金属或合金靶材的制备过程中难以完全避免。即使是痕量的氧，也会与靶材材料发生反应，形成金属氧化物等夹杂物，导致：

• 降低靶材纯度： 金属氧化物的形成稀释了靶材的金属组分，降低了整体纯度。

• 影响溅射过程： 氧化物相的存在可能导致溅射速率降低、溅射过程不稳定，甚至出现异常放电现象。

• 恶化薄膜性能： 溅射出的氧化物粒子会沉积到薄膜中，引入氧杂质，改变薄膜的化学计量比、晶体结构和微观形貌，从而影响薄膜的电学、光学、磁学等性能。

因此，为了制备高性能薄膜，必须严格控制高纯靶材中的氧含量，并实现靶材的高致密度。烧结技术作为粉末冶金的核心工艺，是实现这一目标的关键。

烧结技术降低氧含量的原理与方法

烧结是指通过加热粉末压坯，使其在低于熔点的温度下发生物质传递、晶界移动、孔隙收缩等物理化学过程，最终致密化的工艺。针对高纯靶材氧含量控制的需求，需要从烧结工艺的各个环节入手，综合运用多种策略：

1. 优化粉体制备工艺，从源头控制氧杂质引入

• 选用高纯度原材料： 从源头把控，选择高纯度的金属粉末或合金粉末作为烧结的起始原料，降低初始氧含量基数。

• 惰性气氛保护制粉： 在粉体制备（如气雾化、等离子体旋转电极法等）过程中，采用惰性气体（如氩气、氦气）或真空环境，避免粉末在制备过程中与氧气接触，减少粉末表面的氧化。

   

• 粉末表面改性处理： 对于表面已氧化的粉末，可以采用氢气还原、真空脱氧等方法，去除粉末表面的氧化层，降低粉末的含氧量。

   

  

   

   

2. 选择合适的烧结气氛，抑制氧化并促进脱氧

• 真空烧结： 利用真空环境降低氧分压，抑制烧结过程中靶材的氧化。同时，真空条件有利于挥发性氧化物的去除，进一步降低氧含量。高真空烧结是制备高纯靶材的常用方法。

   

  

   

   

• 保护气氛烧结： 采用惰性气体（如氩气、氦气）或还原性气氛（如氢气）作为烧结气氛。惰性气体可以隔绝氧气，防止氧化；还原性气氛可以与靶材中的氧化物发生反应，生成挥发性产物，从而脱除氧。

   

• 活性气氛烧结： 针对某些特定的金属氧化物，可以采用活性气氛（如氯气）进行烧结。氯气可以与金属氧化物反应生成金属氯化物，金属氯化物通常具有较高的蒸气压，易于挥发，从而实现脱氧和纯化。

   

  

   

   

3. 精确控制烧结工艺参数，实现致密化与脱氧同步

• 烧结温度与时间： 合理的烧结温度和保温时间是实现致密化的关键。过低的温度无法有效驱动烧结过程，难以达到高致密度；过高的温度可能导致晶粒异常长大，甚至发生熔化。合适的保温时间能够保证物质充分扩散，孔隙有效收缩。

   

• 升温速率与冷却速率： 缓慢的升温速率有利于坯体内部温度均匀化，减少热应力，避免开裂；适当的冷却速率可以控制晶粒长大，获得细晶组织。

• 烧结压力： 在烧结过程中施加外压力（如热压烧结、热等静压烧结），可以显著促进致密化进程，降低烧结温度和时间，同时也有助于抑制晶粒长大。

   

   

• 烧结气氛流量： 对于气氛烧结，需要控制气氛气体的流量，确保烧结气氛的纯度和稳定性，及时带走烧结过程中产生的挥发性产物。

4. 烧结后处理工艺，进一步降低氧含量

• 真空退火： 烧结后的靶材，可能仍存在少量的残余氧。可以通过真空退火工艺，在高温真空条件下，进一步去除靶材内部的氧杂质。

   

   

• 氢气还原处理： 对于易于氢还原的金属氧化物，可以采用氢气气氛进行高温还原处理，进一步降低靶材的氧含量。

   

   

氧含量检测与表征方法

精确的氧含量检测是评价烧结工艺效果的关键。常用的氧含量检测方法包括：

• 惰性气体熔融-红外吸收法（红外法）： 将靶材样品在高温下熔融，使其释放出氧气，通过红外传感器检测氧气含量。该方法灵敏度高、操作简便，是工业上常用的氧含量检测方法。

   

  

   

   

• 二次离子质谱法（SIMS）： 利用离子束轰击靶材表面，分析溅射出的二次离子的质荷比，可以获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具有极高的灵敏度，可以检测ppm甚至ppb级别的氧含量，但成本较高。

   

  

   

   

• 俄歇电子能谱法（AES）： 利用电子束激发靶材表面原子，分析俄歇电子的能量和强度，可以获得靶材表面元素成分和化学态信息，包括氧的含量和化学状态。AES主要用于表面分析，灵敏度较高。

   

  

   

   

除了氧含量检测，还需要通过其他表征手段综合评价靶材的致密化效果，如：

• 密度测试： 采用阿基米德排水法、几何法等测量靶材的密度，评估致密化程度。

• 金相显微镜/扫描电子显微镜（SEM）： 观察靶材的微观结构，分析孔隙率、晶粒尺寸、晶界形态等，评估致密化效果和微观组织。

   

  

   

   

• X射线衍射（XRD）： 分析靶材的物相组成，检测是否存在氧化物等杂相，评估纯度。

   

  

   

   

结论与展望

通过上述多环节、多方法的综合应用，结合精确的工艺控制和先进的检测手段，可以有效实现高纯度靶材的致密化，并将氧含量控制在50ppm以下，甚至更低的水平。这将为高性能薄膜材料的制备提供坚实的基础，推动相关产业的技术进步。

随着薄膜应用领域对靶材性能要求的不断提升，高纯靶材的致密化工艺将朝着更高效率、更低成本、更高精度的方向发展。例如，发展新型的快速烧结技术（如微波烧结、放电等离子烧结等），缩短烧结周期，降低能耗；探索更加精细化的气氛控制技术，实现对氧含量的精准调控；以及开发原位、实时的氧含量监测技术，实现烧结过程的智能化控制。这些技术的进步将进一步提升高纯靶材的性能，拓展其应用领域。