磁控溅射金基合金靶材的制备及发展趋势

引言 

磁控溅射技术利用电子源产生电子，其在真空中通过加速聚焦形成高速能量粒子束轰击固体表面(靶材)，被激发出来的原子沉积在基底表面形成覆膜。该技术具有成膜致密度高、附着性好、绿色环保等诸多优点，已成为国内外新材料领域研发和关注的一大热点。金基合金是为适应现代微电子技术和首饰业的发展而研发的一种新型功能材料，它既保持了纯金原有的抗氧化、耐腐蚀等优异性能，又大幅提高了其再结晶温度。利用真空磁控溅射技术将金基合金镀覆于各种基体部件表面，镀金后的部件由于具有耐高温和耐酸性介质腐蚀的特点，因此被广泛应用于电子工业和尖端科技等领域，例如航空航天飞行器上的各种仪器部件、宇航员的装备、喷气发动机、热反射器、红外装置等都常使用此种镀金材料。金基合金靶材作为磁控溅射过程中的源材料，其质量对溅射镀金薄膜的性能起着至关重要的作用，因此如何改善靶材制备技术来提高靶材质量，研发满足市场需求的新型高附加值磁控溅射金基合金靶材具有十分重要的意义。

本文主要介绍几种常用金基合金的种类，金基合金溅射靶材的制备及国内外发展现状，高端金基合金溅射靶材制备的技术要求、存在的问题及未来的发展思路和方向。

1、金基合金的种类及应用

根据合金化原理及工业应用的要求，人们以金为基体，加入不同合金元素构成了丰富的二元、三元和多元金基合金等功能材料，广泛应用于工业中。由于各添加合金元素的作用不同，因而合金的特性以及加工性能差异也非常大。

几种常用的金基合金介绍如下。

1.1金-铜合金

ACu合金在液相和固相均可形成连续固溶体，且随着Cu溶质含量的增加(ω (Cu)≤20)，合金的液相线降低，从高温到低温缓慢冷却时，原子排列发生有序转变，形成中间化合物AuCu、Au。Cu或AuCu。。Au-Cu合金的用途十分广泛，除Au-(8～10％)Cu(质量分数)作为国际通用的货币合金以外，还可用作K金饰品、电接触材料、牙科材料以及真空钎焊材料。

1.2金一镍合金

Au—Ni合金的液相线随溶质浓度升高而降低，随后又升高，含42.5Ni(摩尔分数)的合金具有最低熔点(955℃)。

固相线以下和约810℃以上存在连续固溶体区间，750℃以下单相固溶体分解为具有不同对称固溶度曲线的两相区，两相区内存在调幅分解。Au—Ni合金有广泛的工业应用，可用作电真空器件与航空发动机钎焊材料、轻负荷电接触材料、K白金饰品材料等。

1.3金-铂合金

Au—Pt合金稍低于固相线以下为连续固溶体，APt合金固液相线间隔较大，在1200℃以下，由于相互间溶解度减少析出中间相而形成两相区，对合金的材料性能产生影响。Au—Pt合金可用作贵金属首饰材料、化学试验用坩埚与器皿、滑动触头材料、仪表用张丝、弹簧材料、导电浆料、电阻浆料、薄膜电阻和其他薄膜器件。

1.4金-钯合金

Au—Pd合金在固相线以下高温区为连续固溶体，固相区内存在Au。Pd、AuPd和AuPd。长程有序相。Au—Pd合金及其改进型合金可用作K金饰品、中温测温热电偶元件、钎料、催化剂、电接触材料和不同电阻率的精密电阻材料等。

1.5金一银一铜合金

Au-A差}_Cu合金除靠Au角的富Au合金为单相固溶体外，几乎所有合金都为两相合金。在ALl_Ag—Cu合金中，Au是影响合金化学稳定性的主要组元，Ag与Cu的比例则影响合金的熔化温度与强度性质。三元合金的颜色随金、银、铜含量不同而从红、微红、红黄、黄、浅黄、黄绿、浅黄绿直至白色。该合金广泛应用于彩色K金饰品、精密电阻材料、电位器绕组材料和轻载荷接触材料。常用的合金有75Au-13A12Cu、60Au-35Ag-5Cu以及50Au-20Ag-30Cu(质量分数)等。

它们具有较低的电阻率和较高的强度，已成功地替代某些铂合金和钯合金。在合金中添加少量Mn可提高合金的电阻率，添加少量Ni和稀土元素可进一步提高合金的耐磨性和强度。

1.6金一镍一铜和金-铜一镍合金

所有的Au—Ni-Cu合金在固相面以下均为面心立方结构的单相固溶体。在较低温度时，其大都分解为两相固溶体。

高Ni的Au—Ni—Cu合金是现代流行的“K白金”饰品材料，颜色与铂金很接近，是非常好的铂金代用品。与Au—Cu合金相比，ACu_Ni合金的熔点及其与基底的润湿性提高了，在此基础上，再添加Zn、Mn、Pd、Rh和RE元素中的一种或两种构成四元与五元合金，可进一步改善合金的力学、电学和耐磨性能，Au-Cu-Ni-Zn、Au-Cu-Ni—Mn等四元与五元合金，常用作电接触材料。金基合金品种多样，性能各异，在此不做过多赘述。随着经济发展及人们生活水平的提高，其除了在首饰业和镀金工艺品等传统领域需求量增加以外，在尖端科技方面的仪表接触器、开关触点、电阻测温、夜视仪等高端镀膜制品上的应用也日益广泛。因而如何将磁控溅射技术与金基合金的优良品质结合起来，更好地提高金基合金镀膜产品的质量，成为现今众多科研工作者关注的热点。

2、金基合金溅射靶材的类型、制备方法及国内外生产现状

2.1靶材的类型

根据几何形状可将金基合金溅射靶材分为长方体、正方体、圆柱体以及不规则形状靶材；根据用途则可将其分为装饰镀膜靶材、微电子靶材、薄膜电阻靶材、导电膜靶材。

目前，为了提高靶材的利用率，国内外都在推广可围绕固定的条状磁铁组件旋转的空心圆管型溅射靶材，此种靶材由于靶面360。都可被均匀刻蚀，因而利用率可由通常的20～30%提高到75～80%。

2.2金基合金靶材坯料的制备方法众所周知，磁控溅射靶材坯料的制备工艺主要分为熔融铸造法和粉末冶金法。现实生产中，金基合金坯料的制备多采用熔融铸造法，它避免了粉末冶金法所造成的杂质含量高、致密度低、气孔率高等缺点。但也必须正视：金基合金在液态与凝固时溶解气体的差异大；金与某些合金元素之间熔点和密度差大；合金凝固时体收缩和线收缩大等原因所导致的坯料结晶组织宏观和微观偏析严重、枝晶发达、晶粒尺寸及分布差异大、气孔率高、夹杂严重、中心缩孔和中心疏松严重、冒口深度大、表面缺陷严重、铸造裂纹导致的废品率高等众多问题。

目前，虽然还有一部分金基合金坯料采用非真空冶炼和浇铸方式，但是高端产品的冶炼和浇铸通常都在真空或保护性气氛下进行。与非真空冶炼和浇铸相比，真空或保护性气 氛下的冶炼和浇铸在一定程度上降低了结晶组织内部的气体含量、氧化物夹杂、孔隙率和晶间低熔点化合物的数量，但是仍需在合金熔炼、铸造以及后续的热加工和热处理工序中，根据金基合金的特点，采用适当的工艺连接，来达到提高靶材质量的目的。

2.3金基合金靶材与阴极背板的连接复合制备技术在溅射过程中背板起到强度支撑、导电、导热的作用。

靶材与阴极背板的连接是溅射靶材制备技术中非常重要的一个环节。复合质量直接影响溅射工艺和产品膜的质量。

靶材与背板连接的方式通常有机械固定法、真空钎焊法、导电胶粘接法、公差配合法和镶嵌复合法等。具体到金基合金靶材，目前采用得较多的是镶嵌复合法和真空钎焊法。

2.3.1镶嵌复合法

镶嵌复合法对矩形靶材来说是将阴极背板按设计要求铣槽，对靶材表面进行处理后，将靶材置于铣槽中，在常温下用轧机进行固相轧制，制成镶嵌式复合靶材。这种工艺不 仅能使靶材牢固地固定在背板上，而且当靶材受到离子轰击时也不会产生变形与脱落。对圆柱形靶而言，有两种方式，既可采用先将金基合金拉伸冲制成内径与阴极背管外径一致的金管，然后再切削复合；又可采用全包覆的办法把靶材接头处镶嵌在预先铣好的阴极背管槽中使靶材紧贴于阴极背管上，这两种方法不仅连接牢固而且都可极大地提高靶材的利用率。

2.3.2真空钎焊法

真空钎焊因不用钎剂而节约了成本，还提高了产品的抗腐蚀性，免除了各种污染。此外真空钎焊钎料的湿润性和流动性良好，从而提高了产品的成品率，获得坚固的清洁工作面。

2.4金基合金靶材的国内外生产现状

20世纪90年代以来，随着磁控溅射技术日益成熟，电子薄膜、光学薄膜、光电薄膜、磁性薄膜和超导薄膜在高新技术和工业上开始大规模开发应用，靶材的品种和市场规模也大幅扩大。这反过来又极大地带动了微电子半导体集成电路、薄膜混合集成电路、片式原电器、液晶显示器、磁盘、光盘等技术领域的飞速发展。

金基合金覆膜材料以其优异的性能和特点，应用范围越来越广，需求量也迅速增加。但令人遗憾的是，到目前为止，高端金基合金的生产仍主要集中在几大公司，包括霍尼韦尔、威廉姆斯、优美科、贺利氏、日矿材料和光洋。这些知名靶材公司拥有几十年的靶材研发和生产经验，引领着国际靶材技术方向，也占据着世界大部分靶材市场。

国内靶材研发和生产基地主要集中在北京和广东。近些年来，其他省份不少企业也陆续开展相关工作。仅就金基合金靶材而言，目前主要有贵研铂业、东北大学、沈阳东创贵 金属材料有限公司、工程院核物理与化学研究所、北京有色金属研究总院等机构。经过10多年的努力，国内在贵金属金基合金生产领域取得了长足的进步，生产出了高纯金、1N14、2N18、玫瑰金、金钯合金等一系列靶材产品，发表了“一种磁控溅射玫瑰金靶材及其制备方法”、“一种用于真空磁控溅射的香槟色金靶材及其制备方法”等数十项发明专利及研究论文，满足了国内一部分市场的需要，并取得了较好的经济效益。但是我国这些靶材公司普遍起步较晚，资金实力、装备水平、技术能力、人员素质等与国外的知名大公司相比仍有较大差距，尤其是在新材料的创新开发方面难以满足靶材市场的迅速发展及变化要求。尽管我国各种小靶材公司很多，但从严格意义上讲，还没有一个规模化的专业公司可以在高端的靶材市场占据一席之地。

随着中国在全球制造领域的中心地位进一步加强，我国已成为世界上薄膜靶材最大需求地区之一。国外一些大的靶材供应商出于生产成本、市场对接、交货周期等方面的考 虑，纷纷在国内建厂，一方面抢占中国市场，另一方面希望在国际竞争中保持及提高优势，这将使包括金基合金靶材生产和研发在内的国内靶材制造业面临更加严峻的竞争。

3、高端金基合金溅射靶材制备的技术要求

国内外对高附加值金基合金材料的制备技术要求很高，大致可归纳为以下几个方面：

(1)开发新型高附加值的产品，努力降低Au的用量，综合利用主体添加金属和微合金化元素对金基合金靶材的影响，提高合金的色度、耐磨、耐蚀性以及好的光学和热力学性 能，满足市场对金基合金镀膜产品不断提高和变化的标准与要求；(2)低杂质含量，严格控制金基合金中C、H、O、N及其化合物的含量，特别是对重金属元素Ni、Cd以及砷含量有严格的限制；(3)控制材料的微观组织，要求金基合金材料表面质量高、气孔率少、中心缩孔和疏松程度低、致密度高、溶质元素偏析小、晶粒细小均匀等轴以及适当的结晶取向；(4)严格控制加工过程参数及参数的一致性，只有严格选择并控制金基合金靶材制备过程中工艺参数的一致性，才能有效地控制相同种类和不同批次的金基合金镀膜产品的色度、耐磨、耐蚀性等各项指标和性能的均一性；(5)合理的靶型，利用旋转空心圆管磁控溅射靶型，可将金基合金靶材的利用率提高到80以上；(6)高质量的金基合金与背板材料的连接复合技术，开发金基合金与背板之间高复合率、高复合强度、抗变形和高可靠性的连接技术，从而提高靶材在使用过程中的导热导电效果和安全性；(7)提高金基合金靶材制备过程中的成材率，采用合理的金基合金坯料铸造、开坯、轧制、退火热处理、脱溶转变与时效强化处理、与背板的连接复合等制备和加工工艺，通过减少偏析、提高坯料表面质量、减少铸造和加工裂纹，降低冒口深度、防止过烧等方式既保持材料的强度、提高合金材料的成材率又适当提高材料的加工性能；(8)先进的检测技术和严格的检测标准，采用ICP—MS、GDMS等先进设备以及美国ASTM标准(ASTMF1539—1997、AST—MF1845—1997)对金基合金中各种微量元素进行严格的分析 和检测，以克服产品进入国内和国际市场所遇到的各种阻力。

4、我国在高端金基合金溅射靶材制备过程中所存在的问题及发展思路

目前，我国在高端金基合金溅射靶材制备过程中存在如下问题：(1)基础研究薄弱以及创新能力不足困扰和制约着高端金基合金靶材及其镀膜的发展和应用；(2)不能根据市场和应用过程的需求来迅速调整高端金基合金靶材和膜产品的设计；(3)应用成本高，使用寿命短且很多金基合金薄膜没有达到理想的应用程度；(4)一些产品长期处于实验室和中试阶段，工业化产品性能与实验室数据相差甚远，难以实现产业化生产；(5)在金基合金靶材应用过程中，存在诸如微粒飞溅降低薄膜品质，靶材利用率低，难以采用成型方法和 热处理工艺控制靶材结晶取向等技术瓶颈。

今后我国靶材企业要想增强核心竞争力，则必须做到：

(1)进一步重视人才培养；(2)将技术引进与自主研发相结合；(3)加强基础研究和应用研究的统一，把金基合金靶材的研究(组成、结构、性能、制备工艺等)与溅射薄膜性能之间的关系紧密地联系起来；(4)根据市场的最新发展动态，不断研制开发满足薄膜性能要求的新型高附加值金基合金靶材；(5)在掌握核心技术，拥有特色产品的前提下，不断提高企业的服务质量。只有这样才能打破国际大公司对高端金基合金靶材和镀膜产品的掌控和垄断，使企业和自主产品在市场竞争中立于不败之地。

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