粉末冶金法制高纯溅射铬靶材的方法VIP

总第150期 2014年第4期 山西冶金 50 ，2014 粉末冶金法制高纯溅射铬靶材的方法 张新房 (深圳正和忠信股份有限公司， 深圳51 1400) 摘要：通过试验重点对粉末冶金法制备高纯溅射铬靶材的传统烧结工艺进行了分析和优化研究。试验结果 表明，采用“模压+烧结”或者“冷等静压+烧结”的方式加工靶材，并合理控制烧结温度，能够有效保证靶材的 密度。 关键词：粉末冶金法高纯溅射铬靶材方法 中图分类号：献标识码：A 文章编号：16721152(2014)040013纯溅射铬靶材是近年来新研制和开发的一种 靶材，先后在集成电路、液晶显示屏、真空镀膜及电子 控制器件等多个领域得到了广泛的应用，市场规模不 断扩大。铬靶材可以采用多种方法制备，而针对市场 的大量需求，在进行铬靶批量生产时，通常要求其纯 度能够达到85左右，因此，需要在选择合理制备工 艺的同时，有效控制高纯溅射铬靶材的生产成本。 1试验原材料及试验方法 11试验原材料的选择 在试验过程中，我们选择电解铬粉作为试验原 材料，其主要化学成分为杂质元素含量为： w(0001，w(002，w(O001， ( 0001 5，w(O002， (C)=O004，W(S)=O001， (O)=O3。 12试验方法及试验设备 常用的粉末冶金工艺包括传统烧结、热压、真空 热压和热等静压等多种方法 。本试验选择传统烧 结法和热压法。 121成型及烧结试验 传统的烧结方法能够用于大尺寸靶材的制备， 但是致密度通常不高，在采用该方法制备靶材时，为 了提高靶材的密度，通常需要增加烧结时间，或者在 烧结之后进行轧制处理。这里首先将电解铬粉与成 型剂按一定比例放置于轧制模具中，然后利用300 t 的液压机将铬粉轧制成型或者包套，并进行等静压 成型。模压压坯的标准尺寸为 65 mm收稿日期：20140707 作者简介：张新房(197 )男，研究方向：粉末冶金、靶材。 E87693949qq6 压制成型的压块放入真空碳管炉中，在真 空条件下对其进行低温烧结；如果进行高温烧结，则 需要在惰性气体环境中进行，一般选择氩气，烧结温 度为1 300和1 450两种，烧结时间均为7 h。 在烧结完成后，对比靶坯的尺寸、密度变化情况。 122热压试验 热压法具有工艺简单、致密度高的特点。在采用 热压试验进行靶材制备时，首先将混合后的铬合金 粉末放置到热压模具中，然后在惰性气体(氩气)环 境下将其加热到1 300左右，之后进行1 保温，最后冷却至600出炉。靶坯的标准尺寸为 60 mm成之后对靶坯的尺寸变化情 况进行分析，并计算出靶坯的密度。热压法一般为 单向加压，因此，采用该方法制备的铬靶材通常整体 致密度不均匀，可见该方法只能适用于小尺寸靶材 的制备。为了保证靶材的纯度，通常在制备过程中不 需要添加其他成型剂，而直接利用高纯度的金属粉 末进行制备。 2试验结果分析 21靶坯压制过程 在进行靶坯轧制的过程中，由于各种摩擦因素 的影响，压力损失，导致靶坯各部分受压不均匀，从 而影响到靶材成型后的密度分布 。通过采用双向 压制的方法，能够有效避免因压力损失导致的靶材 密度分布不均匀的问题。 22加工方法对铬靶材密度的影响 在进行铬靶材制备的过程中，加工方法会直接 影响到靶材的密度。目前，常用的铬靶材加工方法主 要包括热等静压、真空熔炼、热压、冷等静压+烧结 山西冶金 E2637卷 以及机压+烧结的方法。表1给出了在不同加工方 法下铬靶材的密度数据。 表1不同靶材尺寸量 密度 纯度 种类 加工方法 外径 内径 局 ，g (g ， 558 457 38O 1718 5168 790 压+烧结 559 458 378 1755 5758 81O 559 459 379 1690 5580 780 550 458 38O 1641 5928 823 冷等静压+ 60 460 354 162740 797 烧结 559 460 364 5820 808 282 5875 820 等静压+ 1001【)【】48 烧结热压 90030 709 8363 984 压 6O30 706 8357 981 6030 793 9354 995 压 6030 786 9253 988 C 管(样品) 热等静压 980 品) 真空熔炼 980 从表1中的数据可以看出，采用不同的加工方 法，所制备的铬靶材的密度差距比较明显，其中采用 热等静压、真空熔炼以及热压三种方法，基本能够保 证铬靶材的纯度达到98以上，但是这三种加工方 法的成本相对较高，不适合应用到大规模生产中。在 一般的铬靶材批量生产中，通常要求纯度达到80 85。针对这种要求，我们可以选择“冷等静压+烧 结”以及“机压+烧结”的方法对铬靶材进行加工，这 样既能满足批量生产的密度要求，又能很好地控制 制造成本。 23烧结过程的控制 铬粉烧结属于单元系烧结，其烧结机制以扩散 为主3_。当温度在400以下时，应力恢复，吸附的 水气和水分会挥发，压块的尺寸基本不会发生变化， 而随着温度的不断升高，靶坯中的成型剂逐渐分解 并释放出来，使炉内的真空度下降。当温度升高至 400800 行1 后炉内开始 出现再结晶，颗粒的内变形会逐渐恢复，从而形成 新的结晶体，颗粒界面会随着扩散逐渐发生黏结， 靶坯的强度逐渐增加。当真空度上升到102后， 向炉内注入氩气，避免铬被氧化，然后继续升温至 1 1001 200，并对温度上升的速度进行控制，保 持2 保证粉末颗粒黏结的充分进 行，提高靶坯的密度和强度。之后继续加温并控制升 温速度，使温度在2 00 1 450 之后进行0515 靶坯的烧结时间降低 到7 h，不会影响靶坯的烧结密度，还能降低大约 30的成本。在烧结的过程中需要对加热速度进行 控制，避免因过快的加热速度导致吸附气体不能被 彻底排除而影响到铬环的收缩不均匀，造成变形，影 响到铬靶材的烧结密度。另外，过快的加热速度还可 能导致压制过程中的高内应力，使铬靶材出现裂纹。 因此，在高温烧结阶段，对升温速度和最高温度的控 制尤为重要。 24保护气体对铬靶材烧结密度的影响 在进行铬靶材的烧结时，在通常情况下，需要将 烧结温度提高到1 2501 450 能形成 纯铬粉靶环的烧结。此时，其他因素对靶材烧结的影 响较低。经过实践发现，当烧结温度在1 250 1 450 果没有惰性气体进行烧结保护，就可能 会发生一定的氧化现象，而且铬的蒸发量也较大。为 了避免这种情况，在进行高温烧结时，必须向炉内加 人隋性气体进行保护，适当控制炉内压力。同时，真 空度对靶坯的烧结密度会产生一定程度的影响。 3结论 1)不同的加工方式所制备的靶材密度存在较大 差异，通常情况下，在进行批量铬靶材生产时，要求 靶材纯度达到8085，此时可以采用“模压+烧 结”或者“冷等静压+烧结”的方式进行加工；而铬合 金靶材的纯度要求一般需要在98以上，此时可以 选择真空熔炼、热压及热等静压的方式进行加工。 2)在进行靶坯的压制过程中，只需要采用双向 压制方法，不需要向铬粉中添加任何成型剂，即能很 好保证靶坯的密度。 3)通过对烧结的时间、温度的变化进行合理的 控制，能够在保证烧结密度的情况下，大幅度降低烧 结成本。 参考文献 1罗俊峰粉术冶金靶材的制备与应用J中国金属通报，2011 (31)：4041 【2张冷，张维佳，宋登元，等铜铟镓硒薄膜的真空制备工艺及靶 材研究现状013，44(14)：1 9901 994 3储志强国内外磁控溅射靶材的现状及发展趋势J金属材料 与冶金工程，2011(4)：44_49 (编辑：胡玉香) (下转第17页) 2014年第4期 白晋钢，等：以铁水为主原料生产管坯 17 对部分管坯进行了穿孔检验，结果管内壁质量 良好，荒管照片见图2。 图2 结论 1)为保证用铁水为主原料，从 而保证了残余元素及有害元素被控制在极低水平。 2)为保证钢质均匀且低的氧含量、氢含量，采用了 “顶底复吹转炉+艺，从检验结果看，低倍 组织纯净，气体含量低，完全满足石油管坯的要求。 3)采用双电磁搅拌工艺生产的方坯，低倍组 织良好，未见裂纹等缺陷，管坯经穿孔试验内壁无 缺陷。 4)以铁水为主原料采用“转炉+F+方坯” 的工艺路线可以生产高均质纯净钢。 参考文献 1王起江，邹凤呜宝钢宝钢技 术，2003(增刊)：282王福晶，易丹青，王斌，等冷却方式对的影响J粉末冶金材料科学与工程，2012(5)：634638 3王利伟，张璨，郭晓军，等特钢 技术，2012(4)：1215 4张克强