鈦鋁靶等濺射靶材的制備工藝選擇需結合材料特性與性能需求：?熔煉鑄造法?通過高溫熔煉合金后鑄造成型，適用于鋁、銅等低熔點高延展性金屬，但鈦、鋯等活性金屬易氧化需真空熔煉；?粉末冶金法?以壓制燒結金屬粉末為主，可解決難熔金屬（如鉭、鈮、鉻）的致密化問題，但殘留孔隙可能影響濺射均勻性；?放電等離子燒結（SPS）?利用脈沖電流快速致密化，對鈦、鎳等高熔點金屬能實現高純度（5N級）、超細晶粒（＜5μm）的靶材，尤其適配半導體級薄膜的均勻性需求，但成本較高。
不同靶材的工藝適配性差異顯著：鈦、鋯等活性金屬需全程惰性氣體保護，粉末冶金或SPS工藝可避免氧化夾雜；鉻、鉭、鈮等難熔金屬依賴粉末冶金預合金化，并通過熱等靜壓提升致密度；鋁、銅等低熔點金屬常采用熔煉鑄造法，但高純芯片用靶材（如銅靶）轉向SPS工藝以減少雜質；鎳基靶材則需平衡高溫延展性與晶粒細化，多采用真空感應熔煉結合軋制。未來趨勢顯示，SPS工藝因兼具高純、高密及成分可控性，在第三代半導體（氮化鎵、碳化硅）及5G高頻器件用靶材（如鈦鋁、鉭鋁）領域滲透率提升，而傳統(tǒng)熔煉工藝逐步向低成本、大尺寸工業(yè)涂層靶材集中。以下是凱澤金屬結合多年的生產實踐及相關資料，通過多個表格，說明如下：
一、制備工藝基礎對比
| 工藝參數 | 熔煉鑄造法 | 粉末冶金法 | 放電等離子燒結（SPS） |
| 核心原理 | 高溫熔化金屬后澆鑄成型 | 金屬粉末壓制+高溫燒結 | 脈沖電流通過模具與粉末，結合壓力與焦耳熱實現快速致密化 |
| 工藝流程 | 原料熔融→除氣→澆鑄→冷卻→機加工 | 粉末混合→壓制成型→燒結→后處理 | 粉末裝填→加壓+脈沖電流→快速燒結（<10分鐘）→脫模 |
| 適用材料特性 | 低熔點、易熔融合金（如Al、Cu） | 高熔點、難熔金屬（如Ta、Nb）、復合材料 | 難燒結材料（如Zr、Cr）、納米晶/非晶材料 |
| 典型優(yōu)點 | 高純度（5N以上）、低成本、大尺寸靶材 | 成分均勻、可制備復雜形狀、晶粒細小 | 超高致密度（>99%）、快速燒結（抑制晶粒長大）、低溫合成 |
| 典型缺點 | 成分偏析、晶粒粗大、不適用高熔點金屬 | 孔隙率較高（需HIP處理）、雜質引入風險 | 設備成本高、靶材尺寸受限（<500mm直徑） |
二、靶材類型與工藝適配性分析
| 靶材類型 | 熔煉鑄造法適用性 | 粉末冶金法適用性 | SPS適用性 |
| 鈦（Ti） | 低純度靶材（3N~4N），易氧化需真空熔煉，晶粒尺寸大（>200μm） | 高純度（4N~5N），晶粒可控（<50μm），適合摻雜合金（如TiAl） | 超細晶鈦靶（<10μm），高致密度（>99.5%），但成本過高 |
| 鉻（Cr） | 不適用（熔點高、氧化嚴重） | 主流工藝：壓制Cr粉+氫氣燒結，純度4N，但孔隙率需HIP處理 | 快速致密化，減少Cr氧化，晶粒尺寸<20μm，適合高耐蝕涂層 |
| 鉭（Ta） | 不適用（熔點2996℃） | 唯一可行方案：Ta粉壓制+高溫燒結（>2000℃），純度5N，但能耗高 | 高效燒結（1500℃以下），致密度>99%，但靶材尺寸受限 |
| 鈮（Nb） | 僅用于低端Nb合金（如Nb-Ti超導靶） | 高純Nb靶（5N）主流工藝，需氬氣保護燒結 | 快速制備納米晶Nb靶（抗輻照性能提升），用于核材料領域 |
| 鋯（Zr） | 不適用（易氧化、吸氣） | Zr粉壓制+真空燒結，純度4N，但需后續(xù)軋制改善密度 | 直接制備全致密Zr靶（核級應用），避免晶粒粗化 |
| 鎳（Ni） | 常規(guī)Ni靶（4N）成本低，但雜質偏析嚴重（如Fe、C） | Ni基合金靶（如NiCrAl）理想，成分均勻，可添加納米增強相 | 用于Ni基非晶合金靶（耐腐蝕性提升），但量產難度大 |
| 鋁（Al） | 主流工藝：真空熔煉（5N純度），低成本，但晶粒尺寸大（需后續(xù)軋制） | 僅用于Al復合材料（如Al-Si），因Al粉易氧化需惰性氣體保護 | 不適用（Al導電性過高導致電流分布不均） |
| 銅（Cu） | 高純Cu靶（6N）理想，熔煉后電解精煉，但需防晶界氧化 | 用于Cu合金（如Cu-W）、多孔Cu靶，需控制燒結氣氛（防氧化） | 納米晶Cu靶（<50nm晶粒），提升電遷移可靠性，但設備投資高 |
三、工藝綜合性能對比（以典型靶材為例）
| 靶材 | 工藝 | 純度 | 致密度 | 晶粒尺寸 | 成本 | 應用場景 |
| 高純Al靶 | 熔煉鑄造 | 5N~6N | 99% | 100~500μm | 低 | 半導體電極、顯示面板 |
| TiAl靶 | 粉末冶金 | 4N~5N | 98%~99% | 10~50μm | 中 | 航空發(fā)動機涂層、IC互連層 |
| Ta靶 | SPS | 4N~5N | >99.5% | <10μm | 高 | 高端電容器、抗腐蝕涂層 |
| Cu-W靶 | 粉末冶金 | 3N~4N | 95%~97% | 1~5μm | 中 | 電力電子散熱基板 |
| 納米Ni靶 | SPS | 4N | >99% | <50nm | 極高 | 高頻電子器件、抗腐蝕薄膜 |
四、工藝選擇關鍵因素總結
| 決策維度 | 優(yōu)先選熔煉鑄造 | 優(yōu)先選粉末冶金 | 優(yōu)先選SPS |
| 材料熔點 | <1500℃（如Al、Cu） | >1500℃且可粉化（如Ta、Nb） | 難熔金屬（如Zr、Cr）或納米材料 |
| 純度要求 | 高純度（5N~6N） | 4N~5N（需控制氣氛） | 4N~5N（快速燒結減少污染） |
| 晶粒控制 | 允許粗晶（后續(xù)軋制細化） | 微米級晶粒（10~100μm） | 亞微米/納米級晶粒（<1μm） |
| 成本限制 | 預算有限，量產需求 | 中等預算，需復雜成分 | 高端需求，可接受高單價 |
| 靶材尺寸 | 大尺寸（>500mm） | 中等尺寸（200~500mm） | 小尺寸（<200mm） |
五、未來工藝發(fā)展趨勢
| 工藝 | 技術突破方向 | 靶材應用拓展 | 挑戰(zhàn) |
| 熔煉鑄造 | 真空電磁懸浮熔煉（減少坩堝污染） | 超高純Al（7N）用于3nm芯片 | 抑制高熔點金屬偏析 |
| 粉末冶金 | 納米粉末壓制+熱等靜壓（HIP）全致密化 | 多主元合金靶材（如高熵合金） | 粉末氧化控制、復雜成分均勻性 |
| SPS | 大尺寸模具開發(fā)（>500mm） | 非晶/納米晶復合靶（柔性電子） | 降低設備成本、提高生產效率 |
結論
熔煉鑄造法以成本和純度優(yōu)勢主導Al、Cu等低熔點靶材，但面臨高熔點材料限制；
粉末冶金法是Ta、Nb、復合材料靶的核心工藝，需通過HIP優(yōu)化致密度；
SPS在納米晶/難熔金屬靶（如Cr、Zr）中不可替代，但成本制約其普及；
未來工藝融合（如SPS+軋制）可能成為高綜合性能靶材的制備新路徑。
相關鏈接
