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用于裝飾、工模具、節(jié)能玻璃、集成電路、半導體、磁記錄、平面顯示、太陽能電池等領域[2-4]。隨著消費市場需求的增大及產(chǎn)業(yè)技術的升級，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，在濺射時會產(chǎn)生沖蝕現(xiàn)象（圖1），導致板狀靶材的利用率不到30%，而管狀靶材的利用率能達到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，國內缺乏相關技術儲備，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，導致鍍膜性能不一致[7-8]。

等離子噴涂作為一種表面技術，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，已逐漸應用于靶材生產(chǎn)中?；诘入x子噴涂的特點，導致靶材的致密度難以達到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要求的基礎上，結合等離子噴涂的原理和特點，綜述了國內外有關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行展望。

1、靶材的制備

1.1靶材的技術要求

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。

1.1.1靶材的純度

靶材的純度決定著薄膜的光學、電學、力學和耐腐蝕性能。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電薄膜、阻擋層和金屬柵，以及先進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。在半導體行業(yè)中，堿金屬元素是危害最大的一類雜質，它在阻擋層中可以自由移動，會影響絕緣效果，通電后釋放的高能射線會直接擊穿芯片，所以應盡可能控制靶材中雜質的含量，純度要求達到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，結果表明，薄膜的導電能力與靶材的純度呈線性相關，純度越高，電阻率越小；靶材與薄膜導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量。對于致密度較低的靶材，在鍍膜時孔隙中的氣體會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，會破壞鍍膜。

Gehman等[12]使用12組致密度和化學組分不同的靶材，在相同條件下進行濺射鍍膜時發(fā)現(xiàn)，濺射速率與靶材致密度存在相關性，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）會隨著濺射時間的增大，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構，薄膜內部應力較大，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量。由于晶界處的能量比晶粒內部的能量高，在鍍膜時晶界處的原子優(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)鉬靶和再結晶鉬靶濺射薄膜，軋制態(tài)鉬靶的濺射速率比再結晶鉬靶的濺射速率高11%，結果表明，細小、穩(wěn)定且均勻分布的晶粒結構不僅提高了靶材的濺射速率，同時使得薄膜更致密、性能更一致。

1.1.4靶材的織構

織構影響著靶材的性能和鍍膜均勻性。靶材在濺射時，原子優(yōu)先從最密排方向濺射出來，為了提高濺射速率，需要獲得最優(yōu)織構取向[16]。此外，選擇合適的織構取向還可改善濺射靶的磁學性能，提高靶材的利用率[17]。具有先進制程的集成電路芯片對阻擋層的厚度均勻性要求很高，通過控制靶材織構分布的均勻性及優(yōu)勢織構取向的占比可以縮小織構分布梯度，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取向的影響。當變形區(qū)的形狀參數(shù)較大時，靶材產(chǎn)生了非常嚴重的織構梯度，發(fā)生了不均勻變形，再結晶異常長大。當變形區(qū)形狀參數(shù)變小時，可以減弱中間層的優(yōu)勢織構，并且使晶粒細化，減弱了Ta靶垂直方向上的織構梯度。通過減弱織構分布的梯度，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、晶粒均勻性及織構會對薄膜的沉積效率和性能產(chǎn)生影響，因此靶材質量的好壞常用這些指標來衡量。

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)點是雜質含量少、致密度高，還可制備高純金屬靶材[20-22]。缺點：制備難熔金屬靶材耗能較高；在制備熔點相差較大的合金靶材時，容易出現(xiàn)成分偏析[23]；在制備大尺寸靶材時，軋制加工易導致不同區(qū)域的微觀組織變化不一致[24]；在熱處理時，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小，且制備薄膜的晶化程度較好；熱處理溫度過高，易導致薄膜顆粒粗大，孔隙增加，堆垛嚴重。吳孟海等[26]對純度為99.99%的鈮錠進行了冷鍛、交叉軋制，使其變形率分別達到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)生再結晶，減少了缺陷，得到了晶粒尺寸細小且均勻的靶材，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：可制備組分不同的合金靶材；燒結溫度遠小于材料熔點，耗能低，可制備難熔金屬和陶瓷靶材[27-28]；制備的靶材晶粒細小且分布均勻。缺點：粉末體積較小，表面能高，容易與氧氣發(fā)生反應，引入雜質，且難以去除；在燒結過程中，顆粒間逐漸接觸，形成燒結頸，之后形成相互獨立封閉的孔隙，孔隙不斷收縮直至消失，但不會全部消失，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。結果表明，通過粉末冶金法制備的靶材中，元素以單質形式存在，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，粉末靶單質相的存在使晶粒更加細小、均勻，鍍膜效率和質量優(yōu)于熔煉靶。張明杰等[30]采用真空電阻燒結法制備了氧化銦錫（IndiumTinOxide,ITO）靶材，研究了燒結階段溫度、升溫速率和氣氛壓力對靶材致密度的影響。結果表明，燒結溫度對致密度具有明顯影響，當溫度達到1550℃時，致密度（99.44%）最大，電阻率為1.829×10^?4?·cm，此時靶材的電子遷移能力增強；當溫度達到1600℃時，致密度為98.30%，電阻率為3.116×10^?4?·cm。這是由于隨著燒結溫度的升高，部分銦錫氧化物分解，導致孔隙率增大，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、自磁收縮效應和機械收縮效應的聯(lián)合作用下，壓縮電弧形成了非轉移型等離子弧[33]。一般等離子火焰的中心溫度可達30000K，粉末噴涂材料進入等離子弧后會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，已經(jīng)在生產(chǎn)上廣泛使用。由于在噴涂過程中原料會與氧氣反應，會引入雜質，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)境中的動能增加，提高了涂層的致密度，其結合強度更好。VLPPS在1kPa下的超低壓環(huán)境下工作，通過調整噴涂參數(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，得到不同結構的涂層[34]。通過VLPPS沉積的涂層在基底上以柱狀晶的方式生長，厚度可達數(shù)十微米[35]。

采用等離子噴涂法制備靶材具有如下特點：等離子射流的超高工作溫度可以快速熔化具有高熔點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；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的粉末，易于制備合金靶材；廢靶材可通過噴涂修復進行再利用，在濺射過的殘靶上進行表面處理，再進行噴涂，修復靶材，達到重復使用的目的，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，涂層內部存在大量孔洞，大致分為3類：顆粒之間未完全結合的層狀孔隙；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，在實際過程中熔滴基于自身的狀態(tài)、大小和速度等因素，導致它在基底上發(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，導致孔隙率升高[38]。此外，熔滴在撞擊基底后幾毫秒內就會發(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，導致顆粒之間存在一定縫隙，使得涂層的平均結合率僅能達到1/3[39]。由此可見，解決等離子噴涂的孔隙率等問題的關鍵在于研究顆粒狀態(tài)和界面結合等，需通過合理控制工藝參數(shù)，調整粉末的粒徑、速度和熔融狀態(tài)，以及基底的溫度、材質和粗糙度，達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合率。臨界沉積溫度隨著材料的熔點呈線性增加趨勢，當沉積溫度超過臨界溫度時，顆粒之間的平均結合率大幅提高。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外學者的關注。

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，具有高導電性和高熱穩(wěn)定性等特點，可用于集成電路和半導體等領域[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，同時也存在晶粒粗大、尺寸分布不均勻、易產(chǎn)生帶狀織構、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%、氧的質量分數(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、導電導熱性能優(yōu)異、耐腐蝕性好等特點，并且鉬薄膜的比阻抗和膜應力較低[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小均勻，同時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，需要用到價格高昂的擠壓設備，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構，其組織中存在大量粒子層片界面，氧的質量分數(shù)、孔隙率分別為0.18%、1.1%，平均顯微硬度為361.8HV，抗拉強度達到373.2MPa。采用APS制備的靶材的各項指標均弱于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

鎢具有熔點高、抗電子遷移性好和熱穩(wěn)定性好等優(yōu)點，常用于半導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量的影響。鎢靶的微觀結構為定向凝固柱狀晶層片結構。當真空室的壓力為13kPa時，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%；當壓力增至39kPa時，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%，氧的質量分數(shù)為0.18%，晶粒的平均尺寸為1μm；當壓力增至65kPa時，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%，其他指標也不同程度地下降。由此可見，當真空室壓力為39kPa時，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

硅屬于半導體材料，具有獨特的光學和物理特性，廣泛應用于觸摸屏、顯示器、低輻射（Low-Emissivity，Low-E）玻璃和汽車鍍膜等領域。然而，硅系薄膜的硬度較低，需要與金屬材料復合，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。

結果表明，在粉末粒徑較小時，熔化更充分，動能更大，可以得到致密的涂層，但是熱應力也隨之增加，涂層容易開裂；在粉末粒徑較大時，熔化不充分，沉積速度降低，涂層孔隙率較高，但熱應力可以充分釋放。通過調整粉末的粒徑，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，進一步改善了靶材的性能。由于硅、鉻粉末的密度相差較大，導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使用超聲輔助均質，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體性質的材料，具有高禁帶寬度、高折射率和高催化活性等特點，對紫外線具有較強的阻隔作用，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磁控濺射制備二氧化鈦薄膜的效率較低，反應的穩(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行鍍膜，其濺射效率較Ti靶在氧氣中反應濺射提高了約8倍，TiO₂薄膜的性能與通過反應濺射得到的薄膜一致。該研究說明以等離子噴涂制備半導體氧化物靶材，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，可以作為介質薄膜材料，并應用于low-E玻璃、平板顯示、太陽能電池等領域。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)對靶材質量的影響。在噴涂距離為90mm時，靶材表面出現(xiàn)了許多未熔化的顆粒，表明粉末加熱時間較短，且未完全熔化；在噴涂距離為100mm時，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，靶材的致密度下降。

這是由于顆粒的飛行時間過長，部分粉末重新凝固，鋪展能力和結合能力變差，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，符合靶材的技術要求，可應用于大型玻璃鍍膜。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量的影響。通過實驗發(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，部分ZnO被氣流中的H2還原，或發(fā)生了高溫熱分解。對于LPPS制備的氧化鋅靶材濺射鍍膜，發(fā)現(xiàn)薄膜中含有質量分數(shù)為25%的ZnO1–x，未發(fā)現(xiàn)單質鋅。鈣鋁石電子化合物是一類透明的導電化合物，其化學穩(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，可應用于電子器件、催化劑和超導等領域[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，制約了它在磁控濺射領域的應用。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。當原料為碳酸鈣和α-氧化鋁時，靶材的性能優(yōu)良；在噴涂過程中加入體積分數(shù)為0.5%~2.6%的氫氣對粉體進行輕度還原，提高了靶材的導電性；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，粉體利用率達到70%。氧化鋅鎂（ZincMagnesiumOxide,ZMO）屬于寬帶隙半導體材料。ZnO和MgO均為滿價化合物，其導電能力較差，可通過摻雜Al₂O₃控制其禁帶寬度和導電性，并應用于紫外光電器件等領域。通過冷等靜壓燒結可以獲得高質量的ZMO靶材，但是存在設備昂貴、工藝復雜、成本較高等缺點，難以實現(xiàn)規(guī)?；a(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（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，可以用作手機后殼的保護層。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，通過反應濺射純Al靶材時容易出現(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摻雜量對靶材導電性的影響。當TiO₂摻雜量（質量分數(shù)）達到70%時，靶材的表面電阻率為38?·cm。當TiO₂摻雜量達到50%時，靶材的表面電阻率為10.8?·cm。說明TiO₂摻雜量越大，靶材的導電性越好。

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，不僅可提高其導電性，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)學領域應用廣泛。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）會產(chǎn)生殘余應力，使得靶材在濺射時出現(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），在濺射時并未出現(xiàn)裂紋。APS靶可以承受300W的濺射功率，濺射速率達到4.62nm/min，遠高于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)是一類高溫超導材料，在微電子封裝、超導電線和磁屏蔽等領域具有重要應用。

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26%，與基底的臨界結合力為78N；APS靶材的孔隙率僅為5%，與基底的臨界結合力為151N。在靶材中摻雜少量Ag可以提高電導率和導熱系數(shù)，使濺射速率提高到10nm/min。

2.4噴涂修復靶材

靶材在濺射后會產(chǎn)生環(huán)形跑道狀的蝕坑（如圖10所示），導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到80%。目前，對廢靶的回收再利用需要經(jīng)過復雜的工藝步驟，不僅經(jīng)濟效益低，而且會使用強酸等危險化學藥品，對環(huán)境的污染較大。直接對靶材進行修復再利用，可以簡化工藝流程，提高生產(chǎn)效益，避免浪費，實現(xiàn)綠色制造。王瑜等[63]采用真空燒結法，將鏑、鋱合金粉末和兩性金屬粉末填充到待修復靶材的損耗區(qū)進行燒結，其中兩性金屬起到了釬焊作用，提高了修復靶強度，降低了燒結溫度。張久興等[64]采用放電等離子燒結的方法，在石墨模具內將W粉放在待修復的W靶上進行預壓后，再進行燒結，得到了修復后的靶材。Huang等[65]利用放電等離子燒結對W-10%Ti靶進行了修復，研究了原始靶和修復靶的中心、邊緣的性能，靶材的表面輪廓及形貌如圖11所示。結果表明，修復靶的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了靶材，但是仍然存在組織不均勻、修復部分與原始靶界面未完全結合等問題。

等離子噴涂技術可以為復雜幾何形狀的工件制備涂層，并且得到的組織較均勻，可以對破損涂層進行二次修復。劉志強[66]研究了等離子噴涂NiAl、NiCrAl涂層的再涂覆性能，對原涂層進行了剝離，并檢測了背板元素成分，再對背板進行了二次噴涂，新涂層的致密度和結合強度等與原涂層一致，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具有技術上的延續(xù)性，在對殘靶表面進行預處理和合理選擇噴涂參數(shù)的前提下，可以保證修復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對管狀鈮靶的殘靶進行了修復，在修復前削去了濺射造成的凹凸層，并對殘靶表面積累的非導電化合物和導電性較差的化合物進行了清洗活化，提高了殘靶的表面自由能，增強了新涂層與殘廢靶的結合力。

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

3、結語

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，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，會導致噴涂過程中粉末的飛行狀態(tài)不一致，使實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)也會影響靶材的質量，應著力研究粉體的制備方法，改善粉體的表面形態(tài)，進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)（如噴槍距離和設備功率等）直接影響靶材的性能。目前，噴涂參數(shù)與靶材質量的關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)可以得到質量優(yōu)異的靶材，如通過調控噴涂參數(shù)研究粉末的運動規(guī)律、粉末在涂層中的沉積機制、涂層的致密度和結合力等問題，得到靶材涂層的形成機制和質量差異原因，從噴涂沉積涂層的原理方面入手選擇噴涂參數(shù)。

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

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