靶材是磁控濺射鍍膜的原材料，通過帶正電的粒子轟擊陰極靶材，使靶原子獲得能量逸出，從而沉積到基片表面，形成薄膜[1]。經(jīng)靶材濺射的薄膜被廣泛應(yīng)用于裝飾、工模具、節(jié)能玻璃、集成電路、半導(dǎo)體、磁記錄、平面顯示、太陽能電池等領(lǐng)域[2-4]。隨著消費(fèi)市場需求的增大及產(chǎn)業(yè)技術(shù)的升級(jí)，靶材不僅在數(shù)量和品種上顯著增加，而且對靶材的高利用率和大尺寸化提出了更高的要求。

按照形狀大致將靶材分為板狀靶材和管狀靶材。由于磁控濺射施加的磁場為環(huán)形磁場，在濺射時(shí)會(huì)產(chǎn)生沖蝕現(xiàn)象（圖1），導(dǎo)致板狀靶材的利用率不到30%，而管狀靶材的利用率能達(dá)到80%[1,5]。此外，靶材的尺寸越大，可濺射面積越大，鍍膜效率越高，因此大尺寸和管狀化是靶材生產(chǎn)發(fā)展的重要方向。目前，國內(nèi)缺乏相關(guān)技術(shù)儲(chǔ)備，難以生產(chǎn)一體化且組織均勻的大尺寸及管狀靶材[6]。現(xiàn)階段，生產(chǎn)上使用的靶材均由多塊小尺寸拼接而成（圖2），拼接靶材因各塊微觀組織存在差異，導(dǎo)致鍍膜性能不一致[7-8]。

等離子噴涂作為一種表面技術(shù)，不受尺寸和空間的限制，可在大型工件表面生產(chǎn)出具有一定厚度的涂層，已逐漸應(yīng)用于靶材生產(chǎn)中。基于等離子噴涂的特點(diǎn)，導(dǎo)致靶材的致密度難以達(dá)到95%以上，靶體中存在大量不連續(xù)的孔隙，限制了等離子噴涂在靶材生產(chǎn)中的應(yīng)用。這里將目光聚焦于等離子噴涂近終成形法制備靶材，在介紹靶材的制備方法和技術(shù)要求的基礎(chǔ)上，結(jié)合等離子噴涂的原理和特點(diǎn)，綜述了國內(nèi)外有關(guān)等離子噴涂制備靶材的研究現(xiàn)狀，并針對等離子噴涂制備靶材的研究進(jìn)行展望。

1、靶材的制備

1.1靶材的技術(shù)要求

按照成分可將靶材分為純金屬靶材、合金靶材和氧化物陶瓷靶材等。雖然成分不同，但對靶材的性能要求趨于一致。性能優(yōu)異的靶材具有濺射壽命長，所鍍膜更均勻、性能更優(yōu)越等優(yōu)點(diǎn)。

1.1.1靶材的純度

靶材的純度決定著薄膜的光學(xué)、電學(xué)、力學(xué)和耐腐蝕性能。不同行業(yè)對靶材純度的要求不同，玻璃鍍膜對純度要求相對較低[9]。用于納米互連工藝中的導(dǎo)電薄膜、阻擋層和金屬柵，以及先進(jìn)封裝工藝中的重布線層和硅通孔等，均需采用不同種類的高純金屬靶材。在半導(dǎo)體行業(yè)中，堿金屬元素是危害最大的一類雜質(zhì)，它在阻擋層中可以自由移動(dòng)，會(huì)影響絕緣效果，通電后釋放的高能射線會(huì)直接擊穿芯片，所以應(yīng)盡可能控制靶材中雜質(zhì)的含量，純度要求達(dá)到4N—6N（99.99%~99.9999%）[10]。Glebovsky等[11]制備了高純鉬靶，并研究了其鍍膜性能，結(jié)果表明，薄膜的導(dǎo)電能力與靶材的純度呈線性相關(guān)，純度越高，電阻率越小；靶材與薄膜導(dǎo)電性的差異僅取決于濺射條件。

1.1.2靶材的致密度

靶材的致密度影響著磁控濺射沉積速率和鍍膜質(zhì)量。對于致密度較低的靶材，在鍍膜時(shí)孔隙中的氣體會(huì)干擾二次電子和其他粒子的飛行路線，被干擾的電子轟擊薄膜上的粒子，造成微粒飛濺，會(huì)破壞鍍膜。

Gehman等[12]使用12組致密度和化學(xué)組分不同的靶材，在相同條件下進(jìn)行濺射鍍膜時(shí)發(fā)現(xiàn)，濺射速率與靶材致密度存在相關(guān)性，致密度越高，靶材的濺射效率越高。Lo等[13]制備了致密度分別為82.5%、89.8%、99.5%的鎢靶，并測試了其鍍膜性能。結(jié)果表明，在濺射過程中晶界處的原子優(yōu)先逸出。致密度較低的靶材（如圖3所示）會(huì)隨著濺射時(shí)間的增大，出現(xiàn)晶粒脫落現(xiàn)象，從而污染薄膜。所制備的薄膜呈層狀結(jié)構(gòu)，薄膜內(nèi)部應(yīng)力較大，隨著薄膜厚度的增加，薄膜易發(fā)生脫落現(xiàn)象。由此可見，提高靶材的致密度，可顯著提高鍍膜的效率和質(zhì)量。

1.1.3靶材的晶粒尺寸及分布均勻性

晶粒尺寸及分布均勻性影響著靶材的濺射速率和鍍膜質(zhì)量。由于晶界處的能量比晶粒內(nèi)部的能量高，在鍍膜時(shí)晶界處的原子優(yōu)先被濺射，因此晶粒尺寸越小，晶界密度越高，濺射速率越高，靶材中晶粒的大小和分布越均勻，得到的薄膜厚度均勻性越好[14]。

Chen等[15]研制了軋制態(tài)鉬靶和再結(jié)晶鉬靶濺射薄膜，軋制態(tài)鉬靶的濺射速率比再結(jié)晶鉬靶的濺射速率高11%，結(jié)果表明，細(xì)小、穩(wěn)定且均勻分布的晶粒結(jié)構(gòu)不僅提高了靶材的濺射速率，同時(shí)使得薄膜更致密、性能更一致。

1.1.4靶材的織構(gòu)

織構(gòu)影響著靶材的性能和鍍膜均勻性。靶材在濺射時(shí)，原子優(yōu)先從最密排方向?yàn)R射出來，為了提高濺射速率，需要獲得最優(yōu)織構(gòu)取向[16]。此外，選擇合適的織構(gòu)取向還可改善濺射靶的磁學(xué)性能，提高靶材的利用率[17]。具有先進(jìn)制程的集成電路芯片對阻擋層的厚度均勻性要求很高，通過控制靶材織構(gòu)分布的均勻性及優(yōu)勢織構(gòu)取向的占比可以縮小織構(gòu)分布梯度，提高鍍膜的均勻性[18]。鄧超等[19]通過交叉軋制對Ta靶進(jìn)行加工，研究了變形區(qū)形狀參數(shù)l/h（l為軋輥與試樣的接觸長度，h為軋制后樣品的厚度）對靶材中間層和表面層織構(gòu)取向的影響。當(dāng)變形區(qū)的形狀參數(shù)較大時(shí)，靶材產(chǎn)生了非常嚴(yán)重的織構(gòu)梯度，發(fā)生了不均勻變形，再結(jié)晶異常長大。當(dāng)變形區(qū)形狀參數(shù)變小時(shí)，可以減弱中間層的優(yōu)勢織構(gòu)，并且使晶粒細(xì)化，減弱了Ta靶垂直方向上的織構(gòu)梯度。通過減弱織構(gòu)分布的梯度，鍍膜的均勻性得到明顯提高。

由此可見，靶材的純度、致密性、晶粒尺寸、晶粒均勻性及織構(gòu)會(huì)對薄膜的沉積效率和性能產(chǎn)生影響，因此靶材質(zhì)量的好壞常用這些指標(biāo)來衡量。

1.2靶材的制備方法

1.2.1熔融鑄造法

采用熔融鑄造法制備靶材的流程如圖4所示。采用熔融鑄造法制備靶材的優(yōu)點(diǎn)是雜質(zhì)含量少、致密度高，還可制備高純金屬靶材[20-22]。缺點(diǎn)：制備難熔金屬靶材耗能較高；在制備熔點(diǎn)相差較大的合金靶材時(shí)，容易出現(xiàn)成分偏析[23]；在制備大尺寸靶材時(shí)，軋制加工易導(dǎo)致不同區(qū)域的微觀組織變化不一致[24]；在熱處理時(shí)，難以控制靶材的晶粒尺寸。劉仁智[25]研究了變形量和熱處理溫度對鉬板的影響，發(fā)現(xiàn)變形量大的鉬板的晶粒細(xì)小，且制備薄膜的晶化程度較好；熱處理溫度過高，易導(dǎo)致薄膜顆粒粗大，孔隙增加，堆垛嚴(yán)重。吳孟海等[26]對純度為99.99%的鈮錠進(jìn)行了冷鍛、交叉軋制，使其變形率分別達(dá)到89%和81%，然后在1100℃下保溫1h后真空退火，其平均晶粒尺寸為28.57μm。該研究通過冷變形加工使粗大的晶粒破碎，降低了臨界形核能，退火后發(fā)生再結(jié)晶，減少了缺陷，得到了晶粒尺寸細(xì)小且均勻的靶材，但是其工藝流程繁瑣，熱處理工藝制度難以控制。熔融鑄造法適合制備用于半導(dǎo)體和集成電路等行業(yè)的超高純金屬靶材，如Ta靶、Ti靶和W靶等。

1.2.2粉末冶金法

采用粉末冶金法制備靶材的流程如圖5所示。采用粉末冶金法制備靶材的優(yōu)點(diǎn)：可制備組分不同的合金靶材；燒結(jié)溫度遠(yuǎn)小于材料熔點(diǎn)，耗能低，可制備難熔金屬和陶瓷靶材[27-28]；制備的靶材晶粒細(xì)小且分布均勻。缺點(diǎn)：粉末體積較小，表面能高，容易與氧氣發(fā)生反應(yīng)，引入雜質(zhì)，且難以去除；在燒結(jié)過程中，顆粒間逐漸接觸，形成燒結(jié)頸，之后形成相互獨(dú)立封閉的孔隙，孔隙不斷收縮直至消失，但不會(huì)全部消失，致使靶材的致密度偏低。梁俊才等[29]分別采用粉末冶金法和熔融鑄造法制備了TiAl合金靶材，并利用磁控濺射工藝鍍膜。結(jié)果表明，通過粉末冶金法制備的靶材中，元素以單質(zhì)形式存在，濺射速率更高，鍍膜以Ti2AlN相為主；通過熔融鑄造法制備的靶材中，合金元素以片層狀的TiAl和Ti3Al相出現(xiàn)，濺射速率較低，鍍膜以Ti2AlN相和TiN相為主。該研究表明，粉末靶單質(zhì)相的存在使晶粒更加細(xì)小、均勻，鍍膜效率和質(zhì)量優(yōu)于熔煉靶。張明杰等[30]采用真空電阻燒結(jié)法制備了氧化銦錫（IndiumTinOxide,ITO）靶材，研究了燒結(jié)階段溫度、升溫速率和氣氛壓力對靶材致密度的影響。結(jié)果表明，燒結(jié)溫度對致密度具有明顯影響，當(dāng)溫度達(dá)到1550℃時(shí)，致密度（99.44%）最大，電阻率為1.829×10^?4?·cm，此時(shí)靶材的電子遷移能力增強(qiáng)；當(dāng)溫度達(dá)到1600℃時(shí)，致密度為98.30%，電阻率為3.116×10^?4?·cm。這是由于隨著燒結(jié)溫度的升高，部分銦錫氧化物分解，導(dǎo)致孔隙率增大，電阻率升高。粉末冶金法是目前常見的陶瓷靶材及合金靶材的制備方法。常見的如ITO、Mo-Ti和Mo-Nb靶，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。

1.2.3等離子噴涂法

等離子噴涂的原理如圖6所示[31]，將噴槍的電極和噴嘴分別接電源負(fù)極和正極，通過高頻振蕩器激發(fā)引燃電弧，使供給噴槍的工作氣體在電弧的作用下電離成等離子體[32]。在熱收縮效應(yīng)、自磁收縮效應(yīng)和機(jī)械收縮效應(yīng)的聯(lián)合作用下，壓縮電弧形成了非轉(zhuǎn)移型等離子弧[33]。一般等離子火焰的中心溫度可達(dá)30000K，粉末噴涂材料進(jìn)入等離子弧后會(huì)被迅速加熱至熔融的液滴狀態(tài)，隨著等離子流高速撞擊經(jīng)預(yù)處理的基底表面，并不斷累積，形成了致密的涂層。

等離子噴涂分為大氣等離子噴涂（AtmosphericPlasmaSpraying,APS）、低壓等離子噴涂（LowPressurePlasmaSpraying,LPPS）和超低壓等離子噴涂（Vary-Low-PressurePlasmaSpraying,VLPPS）。超低壓等離子噴涂又稱等離子噴涂物理氣相沉積（PlasmaSpraying-PhysicalVaporDeposition,PS-PVD）[34]。APS在大氣氣氛中工作無需真空裝置，是最早發(fā)展起來的等離子噴涂技術(shù)，已經(jīng)在生產(chǎn)上廣泛使用。由于在噴涂過程中原料會(huì)與氧氣反應(yīng)，會(huì)引入雜質(zhì)，從而降低純度，所以不適合制備純金屬靶材。LPPS在惰性氣氛或真空環(huán)境中進(jìn)行噴涂，工作壓力為4~40kPa，具有低壓密閉的工作環(huán)境，能保護(hù)粉料在噴涂過程中不被氧化。此外，粉料在低壓環(huán)境中的動(dòng)能增加，提高了涂層的致密度，其結(jié)合強(qiáng)度更好。VLPPS在1kPa下的超低壓環(huán)境下工作，通過調(diào)整噴涂參數(shù)，粉末能夠以液態(tài)、固液共存和氣態(tài)的方式在基板上沉積，得到不同結(jié)構(gòu)的涂層[34]。通過VLPPS沉積的涂層在基底上以柱狀晶的方式生長，厚度可達(dá)數(shù)十微米[35]。

采用等離子噴涂法制備靶材具有如下特點(diǎn)：等離子射流的超高工作溫度可以快速熔化具有高熔點(diǎn)的陶瓷材料和各種難熔合金；不受尺寸的限制，可以生產(chǎn)大尺寸板狀和管狀靶材[36]；工藝步驟簡單，噴涂靶材接近最終產(chǎn)品，節(jié)約原材料，避免浪費(fèi)；靶材組織均勻，缺陷較少，性能穩(wěn)定；通過改變工作環(huán)境，避免噴涂過程中發(fā)生氧化，減少了雜質(zhì)的產(chǎn)生，得到了純度較高的靶材；溫度可控，可以熔融具有不同熔點(diǎn)的粉末，易于制備合金靶材；廢靶材可通過噴涂修復(fù)進(jìn)行再利用，在濺射過的殘靶上進(jìn)行表面處理，再進(jìn)行噴涂，修復(fù)靶材，達(dá)到重復(fù)使用的目的，提高了產(chǎn)品的利用率。

采用等離子噴涂法制備的靶材存在孔隙率高、致密度低和組織不連續(xù)等問題。如圖7所示，涂層內(nèi)部存在大量孔洞，大致分為3類：顆粒之間未完全結(jié)合的層狀孔隙；高溫熔滴在飛行過程中吸收氣體冷卻后的球狀孔洞；在冷卻過程中，由應(yīng)力所致的豎直方向上的微裂紋[31]。在噴涂過程中，熔融狀態(tài)的粉料液滴撞擊基底，最理想的狀態(tài)是熔滴迅速鋪展，呈圓形，在實(shí)際過程中熔滴基于自身的狀態(tài)、大小和速度等因素，導(dǎo)致它在基底上發(fā)生濺射反彈，呈散射狀，沉積效率降低，孔隙率增加[37]。另一方面，熔化的粉料在到達(dá)基底之前可能發(fā)生部分凝固，呈半熔融狀態(tài)，或完全凝固（呈固態(tài)），在基板上不能完全鋪展，導(dǎo)致孔隙率升高[38]。此外，熔滴在撞擊基底后幾毫秒內(nèi)就會(huì)發(fā)生凝固，后續(xù)熔滴未完全潤濕并覆蓋已鋪展凝固的顆粒，導(dǎo)致顆粒之間存在一定縫隙，使得涂層的平均結(jié)合率僅能達(dá)到1/3[39]。由此可見，解決等離子噴涂的孔隙率等問題的關(guān)鍵在于研究顆粒狀態(tài)和界面結(jié)合等，需通過合理控制工藝參數(shù)，調(diào)整粉末的粒徑、速度和熔融狀態(tài)，以及基底的溫度、材質(zhì)和粗糙度，達(dá)到改善涂層的微觀組織、提高致密度、降低孔隙率的目的[40]。Yao等[41]通過調(diào)整沉積溫度（即在熔滴撞擊前，基底表面包括已經(jīng)凝固顆粒的表面溫度）可以有效地提高涂層的顆粒結(jié)合率。臨界沉積溫度隨著材料的熔點(diǎn)呈線性增加趨勢，當(dāng)沉積溫度超過臨界溫度時(shí)，顆粒之間的平均結(jié)合率大幅提高。隨著現(xiàn)代電子工業(yè)的發(fā)展，等離子噴涂在靶材制造方面顯示出巨大潛力，得到了越來越多國內(nèi)外學(xué)者的關(guān)注。

2、等離子噴涂制備靶材

2.1等離子噴涂制備難熔金屬靶材

2.1.1鉭靶

Ta是一類難熔金屬，具有高導(dǎo)電性和高熱穩(wěn)定性等特點(diǎn)，可用于集成電路和半導(dǎo)體等領(lǐng)域[42]。制備Ta靶的主要方法為電子束熔煉和電弧熔煉等，這些方法可以制備出純度較高、成分均勻和致密度較高的靶材，同時(shí)也存在晶粒粗大、尺寸分布不均勻、易產(chǎn)生帶狀織構(gòu)、耗能高等問題[24]。Locker等[43]以低壓等離子噴涂的方式成功制備了面積為15cm2、厚度為0.5mm的Ta-Hf板狀合金靶材。原慷等[44]采用低壓等離子噴涂技術(shù)制備了鉭靶，并探究了原料粉末的球化工藝、噴涂原料粒徑和基底預(yù)熱溫度對靶材的影響，在合適的工藝參數(shù)下得到了厚度為2mm、純度為99.999%、氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.0095%、致密度為99.5%的Ta靶。

2.1.2鉬靶

鉬具有熱膨脹系數(shù)高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性能優(yōu)異、耐腐蝕性好等特點(diǎn)，并且鉬薄膜的比阻抗和膜應(yīng)力較低[45]。

純鉬及鉬合金靶材通過磁控濺射的方式得到的薄膜通常用于顯示屏、觸摸屏和太陽能電池板等領(lǐng)域。目前，板狀鉬靶的主要生產(chǎn)方法為粉末冶金法，所制備靶材的晶粒細(xì)小均勻，同時(shí)存在純度和致密度不高等缺陷。在制備管狀鉬靶的工藝路線中，需要用到價(jià)格高昂的擠壓設(shè)備，且綁定工序的難度隨著靶材長度的增加而驟增。采用等離子噴涂方法制作大尺寸板狀和管狀鉬靶具有顯著優(yōu)勢。王躍明等[46]通過低壓等離子噴涂法制備了尺寸為300mm×90mm×3.5mm的板狀鉬靶和?100mm×200mm×10mm的管狀鉬靶，并將其與通過大氣等離子噴涂法制備的鉬靶進(jìn)行了對比。如圖8所示，采用LPPS所制鉬靶為定向凝固柱狀晶結(jié)構(gòu)，其組織中存在大量粒子層片界面，氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)、孔隙率分別為0.18%、1.1%，平均顯微硬度為361.8HV，抗拉強(qiáng)度達(dá)到373.2MPa。采用APS制備的靶材的各項(xiàng)指標(biāo)均弱于LPPS，其氧含量、孔隙率分別為2.39%、9.5%。說明采用等離子噴涂法制備純金屬靶材在制備過程中對環(huán)境氣氛較敏感，需要嚴(yán)格控制噴涂室的氧氣含量或保持高真空狀態(tài)，避免氧氣和其他雜質(zhì)對靶材的污染。通過LPPS制備的鉬靶可以得到平整、致密且均勻的鉬薄膜。

2.1.3鎢靶

鎢具有熔點(diǎn)高、抗電子遷移性好和熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點(diǎn)，常用于半導(dǎo)體和平面顯示等行業(yè)[47]。隨著該行業(yè)的發(fā)展，板狀靶材難以滿足大尺寸鍍膜的要求，且利用率不高。通過粉末冶金法制備管狀鎢靶的難度較高，采用等離子噴涂技術(shù)制備大尺寸工件具有顯著優(yōu)勢，因此Wang等[48]通過低壓等離子噴涂制備了板狀和管狀鎢靶，并研究了真空室壓力對鎢靶質(zhì)量的影響。鎢靶的微觀結(jié)構(gòu)為定向凝固柱狀晶層片結(jié)構(gòu)。當(dāng)真空室的壓力為13kPa時(shí)，等離子射流的能量密度較低，無法完全熔化原料，靶材存在部分未完全熔化的顆粒，相對密度為93.4%；當(dāng)壓力增至39kPa時(shí)，鎢粉完全熔化，靶材中僅有極少的未熔融顆粒，相對密度為97.2%，氧的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.18%，晶粒的平均尺寸為1μm；當(dāng)壓力增至65kPa時(shí)，靶材的氧化程度增加，表面有片狀WO3生成，靶材的相對密度降至92.6%，其他指標(biāo)也不同程度地下降。由此可見，當(dāng)真空室壓力為39kPa時(shí)，靶材的性能優(yōu)良，可以得到致密、平整和光滑的薄膜。

2.2等離子噴涂制備合金靶材

硅屬于半導(dǎo)體材料，具有獨(dú)特的光學(xué)和物理特性，廣泛應(yīng)用于觸摸屏、顯示器、低輻射（Low-Emissivity，Low-E）玻璃和汽車鍍膜等領(lǐng)域。然而，硅系薄膜的硬度較低，需要與金屬材料復(fù)合，以提高薄膜的耐磨性。剛爽等[49]用大氣等離子噴涂制備了硅鋁管狀靶材，研究了粉末粒徑對靶材致密度的影響。

結(jié)果表明，在粉末粒徑較小時(shí)，熔化更充分，動(dòng)能更大，可以得到致密的涂層，但是熱應(yīng)力也隨之增加，涂層容易開裂；在粉末粒徑較大時(shí)，熔化不充分，沉積速度降低，涂層孔隙率較高，但熱應(yīng)力可以充分釋放。通過調(diào)整粉末的粒徑，將靶材的致密度由90%提高至93%左右，檢測靶材未出現(xiàn)裂紋，電阻率為9m?·cm，鍍膜質(zhì)量和效率均有所提高。陳欽忠等[50]通過等離子噴涂制備了硅鎂管狀靶材，該靶材的純度為99.99%，相對密度為95%，電阻率為0.05?·cm，與硅鋁管狀靶材相比，其濺射速率提高了20%。石煜等[51]通過低壓等離子噴涂制備了硅鉻管狀靶材，并采用激光熔覆處理，進(jìn)一步改善了靶材的性能。由于硅、鉻粉末的密度相差較大，導(dǎo)致在噴涂過程中出現(xiàn)了不同密度水平的微粒束，使得靶材組織不均勻、孔隙率增高。在原料處理階段，通過對硅、鉻粉末混合造粒，并在制備造粒漿料時(shí)使用超聲輔助均質(zhì)，有效解決了因硅、鉻粉末密度相差較大引起靶材組織不均勻的問題。在噴涂后增加激光熔覆處理步驟，使靶材的致密度從94.7%升至98.1%，氧含量從0.88%降至0.19%，效果顯著。

2.3等離子噴涂制備陶瓷靶材

2.3.1氧化物陶瓷靶材

二氧化鈦是一類具有半導(dǎo)體性質(zhì)的材料，具有高禁帶寬度、高折射率和高催化活性等特點(diǎn)，對紫外線具有較強(qiáng)的阻隔作用，被廣泛用作隔熱節(jié)能材料和光催化材料等[52]。通過鈦靶在氧氣中反應(yīng)磁控濺射制備二氧化鈦薄膜的效率較低，反應(yīng)的穩(wěn)定性難以控制。Tachibana等[53]以等離子噴涂制備的TiO₂–x靶材為濺射源，通過直流磁控濺射進(jìn)行鍍膜，其濺射效率較Ti靶在氧氣中反應(yīng)濺射提高了約8倍，TiO₂薄膜的性能與通過反應(yīng)濺射得到的薄膜一致。該研究說明以等離子噴涂制備半導(dǎo)體氧化物靶材，相較于傳統(tǒng)的粉末冶金方式，其生產(chǎn)效率更高，生產(chǎn)成本更低，對工業(yè)生產(chǎn)具有重要意義。

氧化鈮具有高禁帶寬度、高折射率、耐腐蝕性等特點(diǎn)，可以作為介質(zhì)薄膜材料，并應(yīng)用于low-E玻璃、平板顯示、太陽能電池等領(lǐng)域。陳佳[54]通過低壓等離子噴涂制備了管狀氧化鈮靶材，并探究了噴涂參數(shù)對靶材質(zhì)量的影響。在噴涂距離為90mm時(shí)，靶材表面出現(xiàn)了許多未熔化的顆粒，表明粉末加熱時(shí)間較短，且未完全熔化；在噴涂距離為100mm時(shí)，原料完全熔化，熔融液滴鋪展性較好，提高了涂層的致密度；在噴涂距離為110mm時(shí)，靶材的致密度下降。

這是由于顆粒的飛行時(shí)間過長，部分粉末重新凝固，鋪展能力和結(jié)合能力變差，因此最佳噴涂距離為100mm。采用優(yōu)化后的噴涂參數(shù)，得到的靶材尺寸為?229mm×1773mm×12mm，致密度大于95%，純度為99.95%。該研究成功制備出大尺寸的Nb2O5管狀靶材，符合靶材的技術(shù)要求，可應(yīng)用于大型玻璃鍍膜。Tului等[55]通過大氣等離子噴涂和低壓等離子噴涂制備了2組氧化鋅陶瓷靶材，并研究了噴涂工藝對靶材質(zhì)量的影響。通過實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，LPPS的噴涂速率明顯高于APS的噴涂速率，薄膜的電阻率更低。LPPS靶材出現(xiàn)了部分金屬鋅，說明在溫度超過1400K時(shí)，部分ZnO被氣流中的H2還原，或發(fā)生了高溫?zé)岱纸狻τ贚PPS制備的氧化鋅靶材濺射鍍膜，發(fā)現(xiàn)薄膜中含有質(zhì)量分?jǐn)?shù)為25%的ZnO1–x，未發(fā)現(xiàn)單質(zhì)鋅。鈣鋁石電子化合物是一類透明的導(dǎo)電化合物，其化學(xué)穩(wěn)定性較好，在450℃下可穩(wěn)定存在，具有較低的逸出功、較好的耐離子轟擊能力和可控的電性能，可應(yīng)用于電子器件、催化劑和超導(dǎo)等領(lǐng)域[56]。七鋁酸十二鈣陶瓷靶材存在制備周期長、流程繁瑣等缺點(diǎn)，制約了它在磁控濺射領(lǐng)域的應(yīng)用。楊永添等[57]通過APS方式制備了12CaO·7Al₂O₃陶瓷管狀靶材，并測試了不同的鈣化合物和鋁化合物原料對靶材性能的影響。當(dāng)原料為碳酸鈣和α-氧化鋁時(shí)，靶材的性能優(yōu)良；在噴涂過程中加入體積分?jǐn)?shù)為0.5%~2.6%的氫氣對粉體進(jìn)行輕度還原，提高了靶材的導(dǎo)電性；在靶材背管中通入80℃的熱水，控制溫度梯度，防止涂層開裂，制作出尺寸為?1220mm×88mm×3mm的靶材，其表面光滑平整、無裂紋，相對密度為95%，電阻率為0.01~0.02?·cm，粉體利用率達(dá)到70%。氧化鋅鎂（ZincMagnesiumOxide,ZMO）屬于寬帶隙半導(dǎo)體材料。ZnO和MgO均為滿價(jià)化合物，其導(dǎo)電能力較差，可通過摻雜Al₂O₃控制其禁帶寬度和導(dǎo)電性，并應(yīng)用于紫外光電器件等領(lǐng)域。通過冷等靜壓燒結(jié)可以獲得高質(zhì)量的ZMO靶材，但是存在設(shè)備昂貴、工藝復(fù)雜、成本較高等缺點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)規(guī)模化生產(chǎn)。張玉玲等[58]通過低壓等離子噴涂方法制備了ZMO靶材，研究了不同方法制備的靶材在性能上的差異，LPPS靶材的相對密度為92.6%，電阻率為2.7×10^?3?·cm；APS靶材的相對密度為91.5%，電阻率為6.8×10^?3?·cm；通過冷等靜壓燒結(jié)（Cold PressingandSintering,CPS）方法制備的靶材的相對密度為90.8%，電阻率為7.2×10^?3?·cm。由此可見，LPPS靶材的性能顯著優(yōu)于通過冷壓燒結(jié)法和大氣等離子噴涂法制備的靶材。

氧化鋁具有高硬度的特點(diǎn)，可以用作手機(jī)后殼的保護(hù)層。由于氧化鋁具有絕緣性，Al₂O₃靶材只適用于生產(chǎn)效率低的射頻磁控濺射，通過反應(yīng)濺射純Al靶材時(shí)容易出現(xiàn)氧中毒現(xiàn)象，且薄膜的均勻性較差。林志河等[59]在Al₂O₃粉末中摻雜了少量TiO₂粉末，通過等離子噴涂法制備了Al₂O₃-TiOx靶材，并研究了TiO₂摻雜量對靶材導(dǎo)電性的影響。當(dāng)TiO₂摻雜量（質(zhì)量分?jǐn)?shù)）達(dá)到70%時(shí)，靶材的表面電阻率為38?·cm。當(dāng)TiO₂摻雜量達(dá)到50%時(shí)，靶材的表面電阻率為10.8?·cm。說明TiO₂摻雜量越大，靶材的導(dǎo)電性越好。

通過中頻磁控濺射制備的Al₂O₃-TiOx薄膜在保證薄膜硬度的同時(shí)，不僅可提高其導(dǎo)電性，還能提高生產(chǎn)效率。

2.3.2其他陶瓷靶材

羥基磷灰石（Hydroxyapatite，HA）是人體骨骼的主要成分，具有絕佳的生物相容性，在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。Hung等[60]通過等離子噴涂法制備了直徑為50.8mm、厚度為2mm、密度為2.83g/cm³的HA靶材，并與通過熱等靜壓（HotIsostaticPressing,HIP）和CPS制備的靶材進(jìn)行對比，濺射后靶材的形貌如圖9所示。HIP靶材的密度雖然達(dá)到了3.1g/cm³，接近于理論密度（3.16g/cm³），但是在50W的濺射功率下，由于HA靶材在熱等靜壓階段（1100℃左右）會(huì)產(chǎn)生殘余應(yīng)力，使得靶材在濺射時(shí)出現(xiàn)了裂紋。此外，HA靶材與銅背板的熱膨脹系數(shù)不匹配，也導(dǎo)致靶材出現(xiàn)了裂紋。CPS靶只能承受70W的濺射功率，但是因其密度相對較低（1.43g/cm³），在濺射時(shí)并未出現(xiàn)裂紋。APS靶可以承受300W的濺射功率，濺射速率達(dá)到4.62nm/min，遠(yuǎn)高于CPS靶的0.578nm/min。這是由于噴涂靶材的組織分布均勻，使其在大功率射頻濺射下表現(xiàn)更優(yōu)異。

YBa2Cu3O7-x(YBCO)是一類高溫超導(dǎo)材料，在微電子封裝、超導(dǎo)電線和磁屏蔽等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用。

管狀靶材可以提高生產(chǎn)效率，但是YBCO是一類脆性陶瓷材料，難以通過塑性變形貼合到管狀背管上，因此VanDriessche等[61]嘗試用超音速火焰噴涂法和大氣等離子噴涂法制備YBCO管狀靶材，并對比了二者的性能。采用超音速火焰噴涂法制備靶材的孔隙率高達(dá)26%，與基底的臨界結(jié)合力為78N；APS靶材的孔隙率僅為5%，與基底的臨界結(jié)合力為151N。在靶材中摻雜少量Ag可以提高電導(dǎo)率和導(dǎo)熱系數(shù)，使濺射速率提高到10nm/min。

2.4噴涂修復(fù)靶材

靶材在濺射后會(huì)產(chǎn)生環(huán)形跑道狀的蝕坑（如圖10所示），導(dǎo)致靶材的利用率較低[62]。其中，圓形板靶的利用率僅為10%，矩形板靶的利用率為20%，均難以超過30%，而管狀靶材的利用率可達(dá)到80%。目前，對廢靶的回收再利用需要經(jīng)過復(fù)雜的工藝步驟，不僅經(jīng)濟(jì)效益低，而且會(huì)使用強(qiáng)酸等危險(xiǎn)化學(xué)藥品，對環(huán)境的污染較大。直接對靶材進(jìn)行修復(fù)再利用，可以簡化工藝流程，提高生產(chǎn)效益，避免浪費(fèi)，實(shí)現(xiàn)綠色制造。王瑜等[63]采用真空燒結(jié)法，將鏑、鋱合金粉末和兩性金屬粉末填充到待修復(fù)靶材的損耗區(qū)進(jìn)行燒結(jié)，其中兩性金屬起到了釬焊作用，提高了修復(fù)靶強(qiáng)度，降低了燒結(jié)溫度。張久興等[64]采用放電等離子燒結(jié)的方法，在石墨模具內(nèi)將W粉放在待修復(fù)的W靶上進(jìn)行預(yù)壓后，再進(jìn)行燒結(jié)，得到了修復(fù)后的靶材。Huang等[65]利用放電等離子燒結(jié)對W-10%Ti靶進(jìn)行了修復(fù)，研究了原始靶和修復(fù)靶的中心、邊緣的性能，靶材的表面輪廓及形貌如圖11所示。結(jié)果表明，修復(fù)靶的βTi(W)相含量低于原始靶，且再生靶的晶粒尺寸、相對密度和維氏硬度均略高于原靶。這些方法雖然成功修復(fù)了靶材，但是仍然存在組織不均勻、修復(fù)部分與原始靶界面未完全結(jié)合等問題。

等離子噴涂技術(shù)可以為復(fù)雜幾何形狀的工件制備涂層，并且得到的組織較均勻，可以對破損涂層進(jìn)行二次修復(fù)。劉志強(qiáng)[66]研究了等離子噴涂NiAl、NiCrAl涂層的再涂覆性能，對原涂層進(jìn)行了剝離，并檢測了背板元素成分，再對背板進(jìn)行了二次噴涂，新涂層的致密度和結(jié)合強(qiáng)度等與原涂層一致，且外觀和成分無明顯變化。采用等離子噴涂法制備靶材是材料不斷累積的過程，對濺射后的殘靶通過等離子噴涂再修復(fù)具有技術(shù)上的延續(xù)性，在對殘靶表面進(jìn)行預(yù)處理和合理選擇噴涂參數(shù)的前提下，可以保證修復(fù)靶組織與原靶組織的一致性。林志河等[67]通過等離子噴涂技術(shù)對管狀鈮靶的殘靶進(jìn)行了修復(fù)，在修復(fù)前削去了濺射造成的凹凸層，并對殘靶表面積累的非導(dǎo)電化合物和導(dǎo)電性較差的化合物進(jìn)行了清洗活化，提高了殘靶的表面自由能，增強(qiáng)了新涂層與殘廢靶的結(jié)合力。

采用等離子噴涂法將純度為99.9%的鈮粉進(jìn)行再加工，可以得到修復(fù)完整的管狀鈮靶材。在硅鋁靶材濺射至4mm左右時(shí)，其表面會(huì)被污染，生成導(dǎo)電性較差的化合物，影響了薄膜的質(zhì)量，通過殘靶修復(fù)可以提高靶材的利用率。為了解決新噴涂粉末與殘靶的結(jié)合力低問題，葛源等[68]在殘靶表面進(jìn)行了激光表面處理，使電阻率較高的化合物熔化，并快速冷卻，發(fā)生再結(jié)晶，在殘靶表面生成了球狀顆粒，增強(qiáng)了噴涂硅鋁粉末的結(jié)合力，形成結(jié)構(gòu)趨于一致的硅鋁靶材。

3、結(jié)語

目前，采用等離子噴涂法可以制備金屬靶材和陶瓷靶材等，但是仍處于研究階段，且制備靶材的性能難以滿足生產(chǎn)需求。針對鍍膜對靶材性能的要求，等離子噴涂制備靶材在以下方面還有待進(jìn)一步研究。

1）等離子噴涂氣氛對靶材成分和性能的影響，如在惰性氣體和稀薄氣體中噴涂可以減少靶材的污染，提高靶材的純度和致密度，這對制備高純靶材具有重要意義。此外，利用噴涂氣氛，使粉體在飛行過程中與氣氛發(fā)生反應(yīng)，可得到所需的化合物靶材。由此可見，研究噴涂氣氛對涂層成分和性能的影響，可以節(jié)省前端原料，也可滿足制備不同靶材的需求。

2）等離子噴涂原料對靶材性能具有較大的影響，如原料粒徑、分布和形態(tài)對涂層致密度的影響。合金粉末密度相差較大，會(huì)導(dǎo)致噴涂過程中粉末的飛行狀態(tài)不一致，使實(shí)際成分偏離靶材成分。粉末的粒徑分布直接影響靶材的致密化，可以通過大、小顆粒粉末的混合，提高靶材的致密度。原料粉體的形態(tài)也會(huì)影響靶材的質(zhì)量，應(yīng)著力研究粉體的制備方法，改善粉體的表面形態(tài)，進(jìn)一步研究它對涂層性能的影響，提高噴涂靶材的致密度。

3）噴涂參數(shù)（如噴槍距離和設(shè)備功率等）直接影響靶材的性能。目前，噴涂參數(shù)與靶材質(zhì)量的關(guān)系大都局限于簡單分析，缺乏系統(tǒng)性的研究。通過優(yōu)化噴涂參數(shù)可以得到質(zhì)量優(yōu)異的靶材，如通過調(diào)控噴涂參數(shù)研究粉末的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、粉末在涂層中的沉積機(jī)制、涂層的致密度和結(jié)合力等問題，得到靶材涂層的形成機(jī)制和質(zhì)量差異原因，從噴涂沉積涂層的原理方面入手選擇噴涂參數(shù)。

4）修復(fù)靶材是等離子噴涂制備靶材的重要優(yōu)勢，但是相關(guān)的工作仍較少。如殘靶表面活性化處理，新粉體與殘靶的結(jié)合力等問題，仍然缺乏全面而深入的研究，下一步需對殘靶修復(fù)前的處理機(jī)制及后期新粉補(bǔ)充工作機(jī)制進(jìn)行更深入的研究。

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