引言
磁控濺射技術(shù)利用電子源產(chǎn)生電子，其在真空中通過(guò)加速聚焦形成高速能量粒子束轟擊固體表面(靶材)，被激發(fā)出來(lái)的原子沉積在基底表面形成覆膜。該技術(shù)具有成膜致密度高、附著性好、綠色環(huán)保等諸多優(yōu)點(diǎn)，已成為國(guó)內(nèi)外新材料領(lǐng)域研發(fā)和關(guān)注的一大熱點(diǎn)。金基合金是為適應(yīng)現(xiàn)代微電子技術(shù)和首飾業(yè)的發(fā)展而研發(fā)的一種新型功能材料，它既保持了純金原有的抗氧化、耐腐蝕等優(yōu)異性能，又大幅提高了其再結(jié)晶溫度。利用真空磁控濺射技術(shù)將金基合金鍍覆于各種基體部件表面，鍍金后的部件由于具有耐高溫和耐酸性介質(zhì)腐蝕的特點(diǎn)，因此被廣泛應(yīng)用于電子工業(yè)和尖端科技等領(lǐng)域，例如航空航天飛行器上的各種儀器部件、宇航員的裝備、噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)、熱反射器、紅外裝置等都常使用此種鍍金材料。金基合金靶材作為磁控濺射過(guò)程中的源材料，其質(zhì)量對(duì)濺射鍍金薄膜的性能起著至關(guān)重要的作用，因此如何改善靶材制備技術(shù)來(lái)提高靶材質(zhì)量，研發(fā)滿足市場(chǎng)需求的新型高附加值磁控濺射金基合金靶材具有十分重要的意義。
本文主要介紹幾種常用金基合金的種類，金基合金濺射靶材的制備及國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀，高端金基合金濺射靶材制備的技術(shù)要求、存在的問(wèn)題及未來(lái)的發(fā)展思路和方向。
1、金基合金的種類及應(yīng)用
根據(jù)合金化原理及工業(yè)應(yīng)用的要求，人們以金為基體，加入不同合金元素構(gòu)成了豐富的二元、三元和多元金基合金等功能材料，廣泛應(yīng)用于工業(yè)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異也非常大。
幾種常用的金基合金介紹如下。
1.1金-銅合金
ACu合金在液相和固相均可形成連續(xù)固溶體，且隨著Cu溶質(zhì)含量的增加(ω (Cu)≤20)，合金的液相線降低，從高溫到低溫緩慢冷卻時(shí)，原子排列發(fā)生有序轉(zhuǎn)變，形成中間化合物AuCu、Au。Cu或AuCu。。Au-Cu合金的用途十分廣泛，除Au-(8～10％)Cu(質(zhì)量分?jǐn)?shù))作為國(guó)際通用的貨幣合金以外，還可用作K金飾品、電接觸材料、牙科材料以及真空釬焊材料。
1.2金一鎳合金
Au—Ni合金的液相線隨溶質(zhì)濃度升高而降低，隨后又升高，含42.5Ni(摩爾分?jǐn)?shù))的合金具有最低熔點(diǎn)(955℃)。
固相線以下和約810℃以上存在連續(xù)固溶體區(qū)間，750℃以下單相固溶體分解為具有不同對(duì)稱固溶度曲線的兩相區(qū)，兩相區(qū)內(nèi)存在調(diào)幅分解。Au—Ni合金有廣泛的工業(yè)應(yīng)用，可用作電真空器件與航空發(fā)動(dòng)機(jī)釬焊材料、輕負(fù)荷電接觸材料、K白金飾品材料等。
1.3金-鉑合金
Au—Pt合金稍低于固相線以下為連續(xù)固溶體，APt合金固液相線間隔較大，在1200℃以下，由于相互間溶解度減少析出中間相而形成兩相區(qū)，對(duì)合金的材料性能產(chǎn)生影響。Au—Pt合金可用作貴金屬首飾材料、化學(xué)試驗(yàn)用坩堝與器皿、滑動(dòng)觸頭材料、儀表用張絲、彈簧材料、導(dǎo)電漿料、電阻漿料、薄膜電阻和其他薄膜器件。
1.4金-鈀合金
Au—Pd合金在固相線以下高溫區(qū)為連續(xù)固溶體，固相區(qū)內(nèi)存在Au。Pd、AuPd和AuPd。長(zhǎng)程有序相。Au—Pd合金及其改進(jìn)型合金可用作K金飾品、中溫測(cè)溫?zé)犭娕荚⑩F料、催化劑、電接觸材料和不同電阻率的精密電阻材料等。
1.5金一銀一銅合金
Au-A差}_Cu合金除靠Au角的富Au合金為單相固溶體外，幾乎所有合金都為兩相合金。在ALl_Ag—Cu合金中，Au是影響合金化學(xué)穩(wěn)定性的主要組元，Ag與Cu的比例則影響合金的熔化溫度與強(qiáng)度性質(zhì)。三元合金的顏色隨金、銀、銅含量不同而從紅、微紅、紅黃、黃、淺黃、黃綠、淺黃綠直至白色。該合金廣泛應(yīng)用于彩色K金飾品、精密電阻材料、電位器繞組材料和輕載荷接觸材料。常用的合金有75Au-13A12Cu、60Au-35Ag-5Cu以及50Au-20Ag-30Cu(質(zhì)量分?jǐn)?shù))等。
它們具有較低的電阻率和較高的強(qiáng)度，已成功地替代某些鉑合金和鈀合金。在合金中添加少量Mn可提高合金的電阻率，添加少量Ni和稀土元素可進(jìn)一步提高合金的耐磨性和強(qiáng)度。
1.6金一鎳一銅和金-銅一鎳合金
所有的Au—Ni-Cu合金在固相面以下均為面心立方結(jié)構(gòu)的單相固溶體。在較低溫度時(shí)，其大都分解為兩相固溶體。
高Ni的Au—Ni—Cu合金是現(xiàn)代流行的“K白金”飾品材料，顏色與鉑金很接近，是非常好的鉑金代用品。與Au—Cu合金相比，ACu_Ni合金的熔點(diǎn)及其與基底的潤(rùn)濕性提高了，在此基礎(chǔ)上，再添加Zn、Mn、Pd、Rh和RE元素中的一種或兩種構(gòu)成四元與五元合金，可進(jìn)一步改善合金的力學(xué)、電學(xué)和耐磨性能，Au-Cu-Ni-Zn、Au-Cu-Ni—Mn等四元與五元合金，常用作電接觸材料。金基合金品種多樣，性能各異，在此不做過(guò)多贅述。隨著經(jīng)濟(jì)發(fā)展及人們生活水平的提高，其除了在首飾業(yè)和鍍金工藝品等傳統(tǒng)領(lǐng)域需求量增加以外，在尖端科技方面的儀表接觸器、開關(guān)觸點(diǎn)、電阻測(cè)溫、夜視儀等高端鍍膜制品上的應(yīng)用也日益廣泛。因而如何將磁控濺射技術(shù)與金基合金的優(yōu)良品質(zhì)結(jié)合起來(lái)，更好地提高金基合金鍍膜產(chǎn)品的質(zhì)量，成為現(xiàn)今眾多科研工作者關(guān)注的熱點(diǎn)。
2、金基合金濺射靶材的類型、制備方法及國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)現(xiàn)狀
2.1靶材的類型
根據(jù)幾何形狀可將金基合金濺射靶材分為長(zhǎng)方體、正方體、圓柱體以及不規(guī)則形狀靶材；根據(jù)用途則可將其分為裝飾鍍膜靶材、微電子靶材、薄膜電阻靶材、導(dǎo)電膜靶材。
目前，為了提高靶材的利用率，國(guó)內(nèi)外都在推廣可圍繞固定的條狀磁鐵組件旋轉(zhuǎn)的空心圓管型濺射靶材，此種靶材由于靶面360。都可被均勻刻蝕，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備方法眾所周知，磁控濺射靶材坯料的制備工藝主要分為熔融鑄造法和粉末冶金法。現(xiàn)實(shí)生產(chǎn)中，金基合金坯料的制備多采用熔融鑄造法，它避免了粉末冶金法所造成的雜質(zhì)含量高、致密度低、氣孔率高等缺點(diǎn)。但也必須正視：金基合金在液態(tài)與凝固時(shí)溶解氣體的差異大；金與某些合金元素之間熔點(diǎn)和密度差大；合金凝固時(shí)體收縮和線收縮大等原因所導(dǎo)致的坯料結(jié)晶組織宏觀和微觀偏析嚴(yán)重、枝晶發(fā)達(dá)、晶粒尺寸及分布差異大、氣孔率高、夾雜嚴(yán)重、中心縮孔和中心疏松嚴(yán)重、冒口深度大、表面缺陷嚴(yán)重、鑄造裂紋導(dǎo)致的廢品率高等眾多問(wèn)題。
目前，雖然還有一部分金基合金坯料采用非真空冶煉和澆鑄方式，但是高端產(chǎn)品的冶煉和澆鑄通常都在真空或保護(hù)性氣氛下進(jìn)行。與非真空冶煉和澆鑄相比，真空或保護(hù)性氣 氛下的冶煉和澆鑄在一定程度上降低了結(jié)晶組織內(nèi)部的氣體含量、氧化物夾雜、孔隙率和晶間低熔點(diǎn)化合物的數(shù)量，但是仍需在合金熔煉、鑄造以及后續(xù)的熱加工和熱處理工序中，根據(jù)金基合金的特點(diǎn)，采用適當(dāng)?shù)墓に囘B接，來(lái)達(dá)到提高靶材質(zhì)量的目的。
2.3金基合金靶材與陰極背板的連接復(fù)合制備技術(shù)在濺射過(guò)程中背板起到強(qiáng)度支撐、導(dǎo)電、導(dǎo)熱的作用。
靶材與陰極背板的連接是濺射靶材制備技術(shù)中非常重要的一個(gè)環(huán)節(jié)。復(fù)合質(zhì)量直接影響濺射工藝和產(chǎn)品膜的質(zhì)量。
靶材與背板連接的方式通常有機(jī)械固定法、真空釬焊法、導(dǎo)電膠粘接法、公差配合法和鑲嵌復(fù)合法等。具體到金基合金靶材，目前采用得較多的是鑲嵌復(fù)合法和真空釬焊法。
2.3.1鑲嵌復(fù)合法
鑲嵌復(fù)合法對(duì)矩形靶材來(lái)說(shuō)是將陰極背板按設(shè)計(jì)要求銑槽，對(duì)靶材表面進(jìn)行處理后，將靶材置于銑槽中，在常溫下用軋機(jī)進(jìn)行固相軋制，制成鑲嵌式復(fù)合靶材。這種工藝不 僅能使靶材牢固地固定在背板上，而且當(dāng)靶材受到離子轟擊時(shí)也不會(huì)產(chǎn)生變形與脫落。對(duì)圓柱形靶而言，有兩種方式，既可采用先將金基合金拉伸沖制成內(nèi)徑與陰極背管外徑一致的金管，然后再切削復(fù)合；又可采用全包覆的辦法把靶材接頭處鑲嵌在預(yù)先銑好的陰極背管槽中使靶材緊貼于陰極背管上，這兩種方法不僅連接牢固而且都可極大地提高靶材的利用率。
2.3.2真空釬焊法
真空釬焊因不用釬劑而節(jié)約了成本，還提高了產(chǎn)品的抗腐蝕性，免除了各種污染。此外真空釬焊釬料的濕潤(rùn)性和流動(dòng)性良好，從而提高了產(chǎn)品的成品率，獲得堅(jiān)固的清潔工作面。
2.4金基合金靶材的國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)現(xiàn)狀
20世紀(jì)90年代以來(lái)，隨著磁控濺射技術(shù)日益成熟，電子薄膜、光學(xué)薄膜、光電薄膜、磁性薄膜和超導(dǎo)薄膜在高新技術(shù)和工業(yè)上開始大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用，靶材的品種和市場(chǎng)規(guī)模也大幅擴(kuò)大。這反過(guò)來(lái)又極大地帶動(dòng)了微電子半導(dǎo)體集成電路、薄膜混合集成電路、片式原電器、液晶顯示器、磁盤、光盤等技術(shù)領(lǐng)域的飛速發(fā)展。
金基合金覆膜材料以其優(yōu)異的性能和特點(diǎn)，應(yīng)用范圍越來(lái)越廣，需求量也迅速增加。但令人遺憾的是，到目前為止，高端金基合金的生產(chǎn)仍主要集中在幾大公司，包括霍尼韋爾、威廉姆斯、優(yōu)美科、賀利氏、日礦材料和光洋。這些知名靶材公司擁有幾十年的靶材研發(fā)和生產(chǎn)經(jīng)驗(yàn)，引領(lǐng)著國(guó)際靶材技術(shù)方向，也占據(jù)著世界大部分靶材市場(chǎng)。
國(guó)內(nèi)靶材研發(fā)和生產(chǎn)基地主要集中在北京和廣東。近些年來(lái)，其他省份不少企業(yè)也陸續(xù)開展相關(guān)工作。僅就金基合金靶材而言，目前主要有貴研鉑業(yè)、東北大學(xué)、沈陽(yáng)東創(chuàng)貴 金屬材料有限公司、工程院核物理與化學(xué)研究所、北京有色金屬研究總院等機(jī)構(gòu)。經(jīng)過(guò)10多年的努力，國(guó)內(nèi)在貴金屬金基合金生產(chǎn)領(lǐng)域取得了長(zhǎng)足的進(jìn)步，生產(chǎn)出了高純金、1N14、2N18、玫瑰金、金鈀合金等一系列靶材產(chǎn)品，發(fā)表了“一種磁控濺射玫瑰金靶材及其制備方法”、“一種用于真空磁控濺射的香檳色金靶材及其制備方法”等數(shù)十項(xiàng)發(fā)明專利及研究論文，滿足了國(guó)內(nèi)一部分市場(chǎng)的需要，并取得了較好的經(jīng)濟(jì)效益。但是我國(guó)這些靶材公司普遍起步較晚，資金實(shí)力、裝備水平、技術(shù)能力、人員素質(zhì)等與國(guó)外的知名大公司相比仍有較大差距，尤其是在新材料的創(chuàng)新開發(fā)方面難以滿足靶材市場(chǎng)的迅速發(fā)展及變化要求。盡管我國(guó)各種小靶材公司很多，但從嚴(yán)格意義上講，還沒有一個(gè)規(guī)模化的專業(yè)公司可以在高端的靶材市場(chǎng)占據(jù)一席之地。
隨著中國(guó)在全球制造領(lǐng)域的中心地位進(jìn)一步加強(qiáng)，我國(guó)已成為世界上薄膜靶材最大需求地區(qū)之一。國(guó)外一些大的靶材供應(yīng)商出于生產(chǎn)成本、市場(chǎng)對(duì)接、交貨周期等方面的考 慮，紛紛在國(guó)內(nèi)建廠，一方面搶占中國(guó)市場(chǎng)，另一方面希望在國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)中保持及提高優(yōu)勢(shì)，這將使包括金基合金靶材生產(chǎn)和研發(fā)在內(nèi)的國(guó)內(nèi)靶材制造業(yè)面臨更加嚴(yán)峻的競(jìng)爭(zhēng)。
3、高端金基合金濺射靶材制備的技術(shù)要求
國(guó)內(nèi)外對(duì)高附加值金基合金材料的制備技術(shù)要求很高，大致可歸納為以下幾個(gè)方面：
(1)開發(fā)新型高附加值的產(chǎn)品，努力降低Au的用量，綜合利用主體添加金屬和微合金化元素對(duì)金基合金靶材的影響，提高合金的色度、耐磨、耐蝕性以及好的光學(xué)和熱力學(xué)性 能，滿足市場(chǎng)對(duì)金基合金鍍膜產(chǎn)品不斷提高和變化的標(biāo)準(zhǔn)與要求；(2)低雜質(zhì)含量，嚴(yán)格控制金基合金中C、H、O、N及其化合物的含量，特別是對(duì)重金屬元素Ni、Cd以及砷含量有嚴(yán)格的限制；(3)控制材料的微觀組織，要求金基合金材料表面質(zhì)量高、氣孔率少、中心縮孔和疏松程度低、致密度高、溶質(zhì)元素偏析小、晶粒細(xì)小均勻等軸以及適當(dāng)?shù)慕Y(jié)晶取向；(4)嚴(yán)格控制加工過(guò)程參數(shù)及參數(shù)的一致性，只有嚴(yán)格選擇并控制金基合金靶材制備過(guò)程中工藝參數(shù)的一致性，才能有效地控制相同種類和不同批次的金基合金鍍膜產(chǎn)品的色度、耐磨、耐蝕性等各項(xiàng)指標(biāo)和性能的均一性；(5)合理的靶型，利用旋轉(zhuǎn)空心圓管磁控濺射靶型，可將金基合金靶材的利用率提高到80以上；(6)高質(zhì)量的金基合金與背板材料的連接復(fù)合技術(shù)，開發(fā)金基合金與背板之間高復(fù)合率、高復(fù)合強(qiáng)度、抗變形和高可靠性的連接技術(shù)，從而提高靶材在使用過(guò)程中的導(dǎo)熱導(dǎo)電效果和安全性；(7)提高金基合金靶材制備過(guò)程中的成材率，采用合理的金基合金坯料鑄造、開坯、軋制、退火熱處理、脫溶轉(zhuǎn)變與時(shí)效強(qiáng)化處理、與背板的連接復(fù)合等制備和加工工藝，通過(guò)減少偏析、提高坯料表面質(zhì)量、減少鑄造和加工裂紋，降低冒口深度、防止過(guò)燒等方式既保持材料的強(qiáng)度、提高合金材料的成材率又適當(dāng)提高材料的加工性能；(8)先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)和嚴(yán)格的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)，采用ICP—MS、GDMS等先進(jìn)設(shè)備以及美國(guó)ASTM標(biāo)準(zhǔn)(ASTMF1539—1997、AST—MF1845—1997)對(duì)金基合金中各種微量元素進(jìn)行嚴(yán)格的分析 和檢測(cè)，以克服產(chǎn)品進(jìn)入國(guó)內(nèi)和國(guó)際市場(chǎng)所遇到的各種阻力。
4、我國(guó)在高端金基合金濺射靶材制備過(guò)程中所存在的問(wèn)題及發(fā)展思路
目前，我國(guó)在高端金基合金濺射靶材制備過(guò)程中存在如下問(wèn)題：(1)基礎(chǔ)研究薄弱以及創(chuàng)新能力不足困擾和制約著高端金基合金靶材及其鍍膜的發(fā)展和應(yīng)用；(2)不能根據(jù)市場(chǎng)和應(yīng)用過(guò)程的需求來(lái)迅速調(diào)整高端金基合金靶材和膜產(chǎn)品的設(shè)計(jì)；(3)應(yīng)用成本高，使用壽命短且很多金基合金薄膜沒有達(dá)到理想的應(yīng)用程度；(4)一些產(chǎn)品長(zhǎng)期處于實(shí)驗(yàn)室和中試階段，工業(yè)化產(chǎn)品性能與實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)相差甚遠(yuǎn)，難以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)；(5)在金基合金靶材應(yīng)用過(guò)程中，存在諸如微粒飛濺降低薄膜品質(zhì)，靶材利用率低，難以采用成型方法和 熱處理工藝控制靶材結(jié)晶取向等技術(shù)瓶頸。
今后我國(guó)靶材企業(yè)要想增強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)力，則必須做到：
(1)進(jìn)一步重視人才培養(yǎng)；(2)將技術(shù)引進(jìn)與自主研發(fā)相結(jié)合；(3)加強(qiáng)基礎(chǔ)研究和應(yīng)用研究的統(tǒng)一，把金基合金靶材的研究(組成、結(jié)構(gòu)、性能、制備工藝等)與濺射薄膜性能之間的關(guān)系緊密地聯(lián)系起來(lái)；(4)根據(jù)市場(chǎng)的最新發(fā)展動(dòng)態(tài)，不斷研制開發(fā)滿足薄膜性能要求的新型高附加值金基合金靶材；(5)在掌握核心技術(shù)，擁有特色產(chǎn)品的前提下，不斷提高企業(yè)的服務(wù)質(zhì)量。只有這樣才能打破國(guó)際大公司對(duì)高端金基合金靶材和鍍膜產(chǎn)品的掌控和壟斷，使企業(yè)和自主產(chǎn)品在市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地。
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