高纯硼靶材是一种用于物理气相沉积（PVD）技术，特别是溅射镀膜工艺的关键性基础材料。它通常由高纯度的硼（B）粉末经过一系列复杂的工艺（如热压、热等静压等）制成具有一定形状（如圆形、矩形）和机械强度的固体靶材，并背靶焊接在金属垫片上，以便安装在溅射设备中使用。

“高纯”是硼靶材的核心指标之一，通常要求纯度在99.95%（3N5）以上，甚至达到99.999%（5N）级别。高纯度确保了沉积薄膜的化学成分精确、性能稳定，避免杂质对薄膜电学、光学等性能产生负面影响。

一、 核心特性

1.  高熔点和高热稳定性：

硼的熔点高达2076°C，这使得硼靶材在溅射过程中能够保持结构稳定，不易因高温而变形或开裂，适用于高温溅射工艺。

2.  高硬度和高耐磨性：

硼是自然界中硬度仅次于金刚石和立方氮化硼的材料之一。因此，由它制备的薄膜极其坚硬、耐磨，能显著提高基材的表面硬度和使用寿命。

3.  低密度：

硼的密度很低（约2.34 g/cm³），这一特性使其在制备轻量化防护涂层方面具有独特优势。

4.  优异的中子吸收能力：

同位素硼-10（¹⁰B）具有很高的热中子吸收截面（~3840 barns）。即使是天然硼（约含20% ¹⁰B），其中子吸收能力也非常突出。这是其在核工业中应用的基础。

5.  良好的化学惰性：

硼在常温下比较稳定，能与氟反应，高温下能与氧、氮、碳及许多金属反应生成硼化物。其薄膜能提供良好的耐腐蚀保护。

6.  半导体特性：

硼是典型的p型掺杂剂。在半导体工业中，硼靶材可用于沉积含硼薄膜，实现对半导体材料（如硅）的p型掺杂，调节其电学性能。

二、 主要应用领域

基于以上特性，高纯硼靶材在多个高科技领域发挥着不可替代的作用。

1. 半导体与微电子工业

①p型掺杂：通过溅射沉积含硼薄膜（如硼硅玻璃），并经过退火工艺，硼原子可以扩散进入硅晶圆，形成p型区，用于制造PN结、晶体管等核心元器件。

②扩散阻挡层：硼化物薄膜（如TiB₂, 通常使用复合靶材共溅射制备）可用作集成电路中铜互连线的扩散阻挡层，防止铜原子扩散到电介质中导致电路失效。

2. 核工业与辐射防护

①中子吸收涂层：这是高纯硼靶材最重要和最特殊的应用。通过在核反应堆部件、核废料储存容器、辐射屏蔽装备等表面溅射沉积一层富集硼-10（¹⁰B）的硼薄膜，可以高效吸收热中子，极大地提高核设施的安全性和防护水平。

②中子探测器：硼薄膜可用于制造中子探测器的转换层。中子与硼-10发生核反应后会产生带电粒子，从而被探测到。

3. 表面工程与防护涂层

超硬耐磨涂层：利用硼的高硬度，将其与碳、氮、金属等元素结合（使用复合靶或反应溅射），可以制备出超硬的硼基陶瓷涂层，如二硼化钛（TiB₂）、二硼化锆（ZrB₂）、硼碳氮（BCN）等。这些涂层广泛应用于切削刀具、模具、精密零部件表面，显著提高其耐磨性、抗腐蚀性和使用寿命。

4. 新材料研发

①二维材料：硼烯（Borophene）是一种理论预言且已被部分实验证实的新型二维材料，具有优异的电学、力学和热学性能。高纯硼靶材是制备硼烯的潜在溅射源之一，尽管目前更多采用其他方法（如分子束外延MBE）。

②高温材料：硼化物是一类重要的超高温陶瓷材料，用于航空航天领域。通过溅射制备硼化物薄膜是研究其性能和应用的重要途径。

三、 制备工艺与技术挑战

制备工艺：由于硼本身硬度高、脆性大，且熔点极高，将其制成高密度、高强度的溅射靶材非常困难。主要工艺包括：

1.  粉末冶金法：将高纯硼粉通过冷压/热压（HP）、热等静压（HIP）等方式烧结成型。这是最常用的方法。

2.  熔炼法：难度极高，因硼的熔点高且液态硼腐蚀性强，对坩埚材料要求苛刻。