陶瓷靶材开裂问题频发？3大工艺改进方向解析

TiCN–WC–HfN陶瓷断口形貌

江西科泰新材料

一、材料优化：从源头提升抗裂性能

1. 高纯度原料与微观结构控制

原料筛选：选用高纯度粉末（如纯度≥99.9%），降低杂质导致的应力集中点。

晶粒细化：通过球磨、喷雾干燥等技术控制原料粒度，促进烧结过程中晶粒均匀生长，减少晶界裂纹风险。

添加剂应用：适量添加助烧结剂（如氧化铝、氧化钇），降低烧结温度，促进颗粒致密化，提升靶材韧性。

2. 先进烧结技术强化致密度

热等静压烧结（HIP）：在高温高压下消除内部孔隙，使靶材密度接近理论值，显著增强抗裂性。

火花等离子体烧结（SPS）：快速升温+压力辅助，缩短烧结时间，抑制晶粒粗化，适用于高脆性材料。

反应烧结调控：通过气氛控制（如惰性气体保护）避免氧化，减少表面应力层。

二、工艺参数精准调控：减少热机械应力累积

1. 温度梯度管理

梯度烧结：采用“阶梯式升温+保温”策略，避免温度骤变引发的热应力集中。

冷却速率优化：采用“缓冷+等温处理”工艺，释放内部应力，防止急冷导致的裂纹扩展。

2. 溅射参数动态调整

功率密度控制：降低溅射功率或采用脉冲模式，减少靶材表面瞬时温升。

磁控靶设计优化：通过多极磁场优化离子轰击路径，避免局部过热及机械损伤。

3. 表面预处理技术

抛光与蚀刻：靶材表面微裂纹可通过机械抛光或化学蚀刻去除，降低应力集中起始点。

预溅射处理：正式溅射前进行低功率预溅射，清除表面吸附层，减少“中毒”风险引发的开裂。

三、设备与结构设计创新：缓解应力集中

1. 柔性背板与缓冲层应用

弹性夹具设计：采用柔性材料（如硅胶垫）分散安装应力，避免边缘应力集中。

复合背板结构：结合金属（如无氧铜）与陶瓷的复合背板，匹配热膨胀系数，减少热失配开裂。

2. 靶材结构优化

厚靶设计：增加靶材厚度（如≥20mm），提升热应力耐受能力。

分体式靶材：将大尺寸靶材分割为小单元组合，降低整体热应力累积。

3. 智能监测与反馈系统

温度/应力传感器集成：实时监测靶材表面温度及应力变化，动态调整溅射参数。

电弧抑制模块：快速响应异常放电，防止局部过热损伤。

总结

陶瓷靶材开裂问题需从材料、工艺、设备多维度协同优化。通过原料升级、参数精细化控制及结构创新，可显著降低开裂风险，延长靶材使用寿命，为薄膜沉积工艺的稳定性提供坚实保障。未来，结合AI技术的智能调控与新材料开发，有望进一步突破当前技术瓶颈。