一種鉬平面靶材的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于難熔金屬冶金制備領(lǐng)域，特別涉及一種鑰平面靶材的制造方法，其特 別適于磁控濺射用。
【背景技術(shù)】
[0002] 平板型顯示設(shè)備的響應(yīng)時間快，功耗低，清晰、明亮、可移動、耐用成為發(fā)展平板顯 示工藝的主要推動力。鑰使用在液晶顯示屏的元器件中，可使液晶顯示屏在亮度、對比度、 色彩以及壽命方面的性能大大提升，并且用鑰的液晶平板顯示和觸摸屏環(huán)保性能強，體積 小，省電，在歐、美、等國家的LCD顯示器生產(chǎn)鏈中，鑰已經(jīng)逐步替代傳統(tǒng)材料鎳、鉻等的應(yīng) 用。在超大型集成電路中鑰用作金屬氧化物半導(dǎo)體柵極，把集成電路安裝在鑰上可以消除 "雙金屬效應(yīng)"。
[0003] 鑰作為平板顯示和集成電路膜層中非常重要的一層，用量非常大。傳統(tǒng)的粉末冶 金方法作出的鑰平面不能滿足靶材的要求，而變形法制作的靶材材料利用率非常低，成本 非常高，所以開發(fā)一種低成本，短流程，高材料利用率的鑰平面靶材十分迫切。
[0004] 目前，制造鑰平面靶材的方法有兩種，粉末燒結(jié)法和變形法：
[0005] (1)粉末燒結(jié)法：目前粉末燒結(jié)法有兩種，一種是采用一定粒度的鑰粉，經(jīng)混粉， 裝粉，冷等靜壓成型，燒結(jié)，再經(jīng)機械加工制成成品。該方法的優(yōu)點是工藝流程短，易于控 制；該方法的缺點是產(chǎn)品密度低，孔隙率高。另外一種如公開號CN103140600A，采用混合鑰 粉，裝到加壓容器中，進(jìn)行加壓燒結(jié)，得到低氧含量的鑰靶材，氧含量能降到300ppm以下， 85ppm以上，由于沒有進(jìn)行氫氣還原，氧含量較高，較高的氧含量會造成靶材濺射時中毒； 且密度低于10. 19g/cm3。
[0006] (2)變形法：如公開號CN102392222A中所采用的方法：鑰粉分析，選粉，配粉， 裝模；壓制，燒結(jié)，乳制，退火，銑寬度，線切割端面及倒，磨床加工，得到成品靶材；公開號 CN102127741A中，采用了大功率電子束熔煉提純燒結(jié)鑰錠，再經(jīng)鍛造，熱軋，熱處理，機械加 工得到成品靶材；公開號CN103132033A，采用壓制，低溫?zé)Y(jié)，高溫?zé)Y(jié)，熱軋，機械加工， 得到成品靶材；公開號CN101792897A，低溫下采用高純氫氣一次還原，1950~2000°C下氫 氣燒結(jié)，1400~1450°C熱鍛，1350~1400°C熱軋，最后機械加工到規(guī)定規(guī)格，得到純度大于 99. 97%，密度大于10. 18g/cm3,雜質(zhì)氧小于等于40ppm的成品靶材。公開號CN102922225A， 其鑰坯經(jīng)熱擠壓，加熱鍛造和加熱軋之后矯平，再根據(jù)成品尺寸下料，得到平均晶粒120~ 160 μ m的靶材。這些方法的優(yōu)點是可生產(chǎn)出符合尺寸要求的鑰平面靶，密度達(dá)到99 %以 上。這些方法的缺點是工藝流程長，電子束熔煉時會有能源和材料損耗，晶粒粗大，鍛造和 熱擠壓時容易開裂；由于鑰是體心立方結(jié)構(gòu)，塑性較差，鍛造和軋制時容易開裂；材料利用 率低，在70%以下，產(chǎn)生大量廢料，成本很高，造成大量的材料浪費，給環(huán)境造成污染。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提供一種鑰平面靶材的制造方法，該方 法工藝簡單，工藝路程短，質(zhì)量易于控制，生產(chǎn)成本低，靶材純度高，氣體含量低，組織均勻、 晶粒細(xì)小，其靶材特別適合于磁控濺射用。
[0008] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：
[0009] 一種鑰平面靶材的制造方法，該制造方法以鑰粉為原料，依次包括：
[0010] 裝粉步驟，將鑰粉裝入預(yù)先制作好的模具中；
[0011] 冷等靜壓步驟，將裝好鑰粉的模具放入冷等靜壓機中進(jìn)行冷等靜壓處理，卸壓脫 模后獲得冷等靜壓錠坯；
[0012] 燒結(jié)步驟，將所述冷等靜壓錠坯放入燒結(jié)爐進(jìn)行燒結(jié)處理，燒結(jié)后隨爐冷卻得到 燒結(jié)后錠還；和
[0013] 熱等靜壓步驟，將所述燒結(jié)錠坯直接放入熱等靜壓機中進(jìn)行熱等靜壓處理。
[0014] 在本發(fā)明中采用燒結(jié)和熱等靜壓聯(lián)合的工藝進(jìn)行鑰平面靶材的制造，單就燒結(jié)工 藝而言，燒結(jié)溫度主要是實現(xiàn)錠坯的燒結(jié)，但經(jīng)過燒結(jié)的錠坯，其密度最高也達(dá)不到理論密 度的99%，需要后續(xù)的加工，或進(jìn)行軋制，而且材料收得率低，且有一定技術(shù)難度，存在報廢 風(fēng)險；而燒結(jié)后選用熱等靜壓主要是使錠坯進(jìn)一步致密化，方便易行，技術(shù)難度低。如果熱 等靜壓前不進(jìn)行燒結(jié)而即直接選用熱等靜壓，即裝粉、脫氣、封焊，工藝比較復(fù)雜，且包套材 料不易選取，如果要使其完全致密化，熱等靜壓溫度要高，Mo會與包套材料發(fā)生反應(yīng)。本發(fā) 明在燒結(jié)工藝后將燒結(jié)坯直接放入熱等靜壓機中進(jìn)行熱等靜壓處理，無需將錠坯先放入包 套中封焊后再進(jìn)行熱等靜壓處理，而且本發(fā)明熱等靜壓處理溫度相對較低，不會發(fā)生鑰與 包套材料發(fā)生反應(yīng)的情況，同時，本發(fā)明采用燒結(jié)與熱等靜壓聯(lián)合的工藝即可使錠坯完全 致密化，方便易行，技術(shù)難度低。
[0015] 在上述制造方法中，作為一種優(yōu)選實施方式，在所述冷等靜壓步驟和所述燒結(jié)步 驟之間存在整形步驟，在所述整形步驟中，用銑床將脫模后的冷等靜壓錠坯整形。在燒結(jié)前 進(jìn)行整形加工的目的是加工下來的鑰粉可以還原再用，提高原料利用率，另外也可以減少 成品的加工量，因為燒結(jié)后的鑰坯，難于加工。
[0016] 在上述制造方法中，作為一種優(yōu)選實施方式，在所述熱等靜壓步驟后還包括機械 加工步驟，在所述機械加工步驟中對熱等靜壓處理處理過的錠坯進(jìn)行機械加工以得到目標(biāo) 尺寸的鑰平面靶材。
[0017] 在上述制造方法中，作為一種優(yōu)選實施方式，所述原料鑰粉為平均晶粒尺寸2~ 10 μ m、純度大于99. 95%的Mo-I粉；更優(yōu)選所述鑰粉的平均晶粒尺寸為2~4μπι。采用市 售的Mo-I粉可以很好地保證靶材的純度。選擇粒度為2~10 μ m的范圍是因為選用粒度 低于2 μ m的極細(xì)粉末時難以提高燒結(jié)密度，并且粒度越小，吸附于表面的氧量變多，阻礙 低氧化，當(dāng)選用粒度高于10 μ m的鑰粉時，最終靶材產(chǎn)品晶粒偏大，而是不易購買。
[0018] 在上述制造方法中，作為一種優(yōu)選實施方式，在所述冷等靜壓步驟中，冷等靜壓力 為200~250MPa，保壓時間為20~40分鐘，更優(yōu)選冷等靜壓力為230~250MPa，保壓時間 為20~30分鐘。
[0019] 在上述制造方法中，作為一種優(yōu)選實施方式，在所述燒結(jié)步驟中，燒結(jié)爐的燒結(jié)溫 度控制在1800°C~2200°C，燒結(jié)時間控制在6~12h ;更優(yōu)選：燒結(jié)爐的燒結(jié)溫度控制在 1900°C~2KKTC，燒結(jié)時間控制在8~12h，所述燒結(jié)后隨爐冷卻到200°C以下。
[0020] 在上述制造方法中，作為一種優(yōu)選實施方式，在所述燒結(jié)步驟中，所述燒結(jié)時通入 氫氣，氫氣流量控制在3~5m3/h ;更優(yōu)選氫氣流量控制在4~5m3/h。
[0021] 在上述制造方法中，作為一種優(yōu)選實施方式，在所述熱等靜壓步驟中，所述熱等靜 壓機的熱等靜壓溫度控制在1200~1600°C，熱等靜壓壓力控制在150~200MPa，熱等靜壓 保溫時間為1~6h。更優(yōu)選地，所述熱等靜壓溫度控制在1250~1450°C，所述熱等靜壓壓 力控制在170~200MPa，所述熱等靜壓保溫時間為2~4h。
[0022] 在上述制造方法中，作為一種優(yōu)選實施方式，所述熱等靜壓步驟在惰性氣體保護(hù) 氣氛下進(jìn)行，進(jìn)一步優(yōu)選在氬氣保護(hù)氣氛下進(jìn)行。
[0023] 為了更加詳細(xì)的對上述方法進(jìn)行說明，上述方法可以示例性地描述為：
[0024] 在所述冷等靜壓步驟中，將裝粉后的模具在200Ma、210MPa、220MPa、230MPa、 240MPa或250MPa條件下保壓20分鐘、25分鐘、30分鐘、35分鐘或40分鐘進(jìn)行壓制，然后 卸壓脫模；
[0025] 在所述燒結(jié)步驟中，將整形后的錠坯在1800°C、1850°C、1900°C、1950°C、2000°C、 20501：、21001：、21501：、21801：或 22001：條件下保溫611、711、811、911、1011、1111或1211進(jìn)行燒 結(jié)，氫氣流量為3m3/h、3. 5m3/h、4m3/h、4. 5m3/h或3~5m3/h，然后隨爐冷卻；采用較大量的 氫氣可以降低模錠坯中的氧含量。
[0026] 在所述熱等靜壓步驟中，將燒結(jié)后的錠坯在1200°C、1250°C、130(TC、135(rC、 14001：、14501：、15001：、15501：或 16001：條件下保溫111、211、311、411、511或611進(jìn)行燒結(jié)，保 壓壓力為150MPa、160MPa、170MPa、180MPa、190MPa或200MPa，然后隨爐冷卻；優(yōu)選所述惰性 氣體為氬氣。燒結(jié)后的錠坯再經(jīng)過上述熱等靜壓工藝處理可以很好地提高鑰平面靶材的密 度。
[0027] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有工藝簡單，工藝流程短，另外，由于增加了材料利用 率，所以降低了生產(chǎn)成本，靶材純度高，密度高，氧含量低，組織均勻、晶粒細(xì)小。上述優(yōu)點具 體如下：燒結(jié)過程中通入較大量的氫氣降低了模錠坯中的氧含量，氧含量低于50ppm，實現(xiàn) 了一般粉末冶金工藝很難達(dá)到的氧含量目標(biāo)；燒結(jié)后的錠坯再經(jīng)過熱等靜壓提高鑰平面靶 材的密度，使其密度達(dá)到10. 2g/cm3以上，可以有效地防止靶材濺射過程中產(chǎn)生對薄膜質(zhì)量 有惡劣影響的微粒，可以成功地應(yīng)用于微電子產(chǎn)業(yè)。
【附圖說明】
[0028] 圖1是本發(fā)明實施例1制備的鑰平面靶材的金相組織圖。
【具體實施方式】
[0029] 下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明，但本發(fā)明并不限于此。
[0030] 實施例1-4是根據(jù)本發(fā)明所述的磁控濺射用鑰平面靶的制造方法，制備了 4種規(guī) 格的鑰平面靶材。
[0031] 實施例1
[0032] 本實施例制備的鑰平面靶材成品的規(guī)格為：長2200_，寬1200_，厚22_。
[0033] 具體制備方法如下：
[0034] (1)裝粉：采用3 μ m的Mo-I粉，純度99. 98 %，按冷等靜壓工序要求將上述鑰粉裝 入模具后等待冷等靜壓；
[0035] (2)冷等靜壓：按冷等靜壓要求將裝好粉后的模具放入冷等靜壓機中進(jìn)行冷等靜 壓處理，冷等靜壓處理過程中的壓力為220MPa，保壓時間為20分鐘，然后進(jìn)行卸壓脫模獲 得冷等靜壓后的錠坯；
[0036] (3)整形：將冷等靜壓后的錠坯放到銑床上進(jìn)行整形，整形后的尺寸為：長 2750mm，寬 15