在高性能薄膜材料制備領域，高純度靶材扮演著至關重要的角色。尤其在對薄膜純度、性能要求極為苛刻的應用中，靶材的純度、致密度以及內部雜質含量（特別是氧含量）直接決定了最終薄膜的質量。氧作為常見的雜質元素，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。因此，如何有效地降低高純靶材中的氧含量，并實現高致密度，成為了材料制備領域的關鍵挑戰。

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勢：

• 提升濺射效率和穩定性： 致密的微觀結構減少了氣孔和缺陷，使得濺射過程中等離子體更加均勻穩定，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構更致密、性能更優異的薄膜。

• 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，降低生產成本。

• 降低雜質釋放： 內部孔隙是雜質富集的場所，高致密度靶材顯著減少了內部孔隙，從而降低了濺射過程中雜質的釋放，特別是氧雜質的釋放，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，也會與靶材材料發生反應，形成金屬氧化物等夾雜物，導致：

• 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致濺射速率降低、濺射過程不穩定，甚至出現異常放電現象。

• 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，改變薄膜的化學計量比、晶體結構和微觀形貌，從而影響薄膜的電學、光學、磁學等性能。

因此，為了制備高性能薄膜，必須嚴格控制高純靶材中的氧含量，并實現靶材的高致密度。燒結技術作為粉末冶金的核心工藝，是實現這一目標的關鍵。

燒結技術降低氧含量的原理與方法

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

1. 優化粉體制備工藝，從源頭控制氧雜質引入

• 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的起始原料，降低初始氧含量基數。

• 惰性氣氛保護制粉： 在粉體制備（如氣霧化、等離子體旋轉電極法等）過程中，采用惰性氣體（如氬氣、氦氣）或真空環境，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. 選擇合適的燒結氣氛，抑制氧化并促進脫氧

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

   

  

   

   

• 保護氣氛燒結： 采用惰性氣體（如氬氣、氦氣）或還原性氣氛（如氫氣）作為燒結氣氛。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生反應，生成揮發性產物，從而脫除氧。

   

• 活性氣氛燒結： 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。氯氣可以與金屬氧化物反應生成金屬氯化物，金屬氯化物通常具有較高的蒸氣壓，易于揮發，從而實現脫氧和純化。

   

  

   

   

3. 精確控制燒結工藝參數，實現致密化與脫氧同步

• 燒結溫度與時間： 合理的燒結溫度和保溫時間是實現致密化的關鍵。過低的溫度無法有效驅動燒結過程，難以達到高致密度；過高的溫度可能導致晶粒異常長大，甚至發生熔化。合適的保溫時間能夠保證物質充分擴散，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部溫度均勻化，減少熱應力，避免開裂；適當的冷卻速率可以控制晶粒長大，獲得細晶組織。

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

   

   

• 燒結氣氛流量： 對于氣氛燒結，需要控制氣氛氣體的流量，確保燒結氣氛的純度和穩定性，及時帶走燒結過程中產生的揮發性產物。

4. 燒結后處理工藝，進一步降低氧含量

• 真空退火： 燒結后的靶材，可能仍存在少量的殘余氧。可以通過真空退火工藝，在高溫真空條件下，進一步去除靶材內部的氧雜質。

   

   

• 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工藝效果的關鍵。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，是工業上常用的氧含量檢測方法。

   

  

   

   

• 二次離子質譜法（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態信息，包括氧的含量和化學狀態。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）： 觀察靶材的微觀結構，分析孔隙率、晶粒尺寸、晶界形態等，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。

   

  

   

   

結論與展望

通過上述多環節、多方法的綜合應用，結合精確的工藝控制和先進的檢測手段，可以有效實現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，推動相關產業的技術進步。

隨著薄膜應用領域對靶材性能要求的不斷提升，高純靶材的致密化工藝將朝著更高效率、更低成本、更高精度的方向發展。例如，發展新型的快速燒結技術（如微波燒結、放電等離子燒結等），縮短燒結周期，降低能耗；探索更加精細化的氣氛控制技術，實現對氧含量的精準調控；以及開發原位、實時的氧含量監測技術，實現燒結過程的智能化控制。這些技術的進步將進一步提升高純靶材的性能，拓展其應用領域。