粉末冶金法制高纯溅射铬靶材的方法.pdf

总第 1 5 0期 2 0 1 4年第4期 山西 冶 金 S HANXI META L L U RGY To t a l 1 5 0 No ． 4， 2 0 1 4 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5 1 1 4 0 0 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 T F 1 2 3 文献标识码 A 文章编号 1 6 7 2 1 1 5 2 2 0 1 4 0 4 0 0 1 3 - 0 2 高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 8 5 ％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 1 ． 1 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 c r ， 其杂质元素含量为 w A 1 0 ． 0 0 1 ％， w F e 0 ． 0 2 ％， w P b O ． 0 0 1 ％， S i 0 ． 0 0 1 5 ％， w C u O ． 0 0 2 ％， C O ． 0 0 4 ％， W S O ． 0 0 1 ％， O O ． 3 ％。 1 ．2 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。 1 ．2 ． 1 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 3 0 0 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 6 5 mmq b 4 5 mm 收稿 日期 2 0 1 4 0 7 0 7 作者 简 介 张新 房 1 9 7 男 ， 研 究 方 向 粉 末 冶金 、 靶 材 。 E ma i 1 3 8 7 6 9 3 9 4 9 q q ．c o m 4 6 m m 。将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 3 0 0℃和 1 4 5 0℃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。 1 ．2 ．2 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 3 0 0℃左右 ，之后进行 1 h左 右 的保温， 最后冷却至 6 0 0℃出炉。 靶坯的标准尺寸为 6 0 mmq b 3 0 mm。完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 2 ． 1 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 。 2 ．2 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 E ma i l s x y j b j b 1 2 6 ． C O IT I 第 3 7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J j n - r 方法下铬靶材密度数据 铬靶材尺寸 ／ ra m 质量 密度 纯度 种类 加 工方法 外径 内径 局 ， g ／ g c m。 ， ％ 5 5 ． 8 4 5 ． 7 3 8 ． O 1 71 ． 8 5 ． 1 6 8 79 ．0 C r -管 模压 烧结 5 5 ． 9 4 5 ． 8 3 7 ． 8 1 7 5 ． 5 5 ． 7 5 8 8 1 ．O 5 5 ． 9 4 5 ． 9 3 7 ． 9 1 6 9 ． 0 5 ． 5 8 0 78 ．0 5 5 ． 0 4 5 ． 8 3 8 ． O 1 6 4 ． 1 5 ． 9 2 8 8 23 冷等静压 C r _ 管 5 6 ．0 4 6 ． 0 3 5 ． 4 1 6 2 - 8 5 ． 7 4 0 7 9 ．7 烧结 5 5 ．9 4 6 ． 0 3 6 ．4 l 6 7 ． 9 5 ． 8 2 0 8 0 ． 8 2 8 2 5 ． 8 7 5 8 2 ． 0 c r 板 冷等静压 1 0 01 【 【 】 4 ．8 烧结 ／ 热压 9 0 - 9 5 6 03 0 7 0 9 8 ． 3 6 3 98 ．4 C r _ c o 棒 热压 6 O3 0 7 0 6 8 ． 3 5 7 98 ． 1 6 03 0 7 9 3 9 ． 3 5 4 9 9．5 C r - C o T a 棒 热压 6 03 0 7 8 6 9 ． 2 5 3 98 ．8 C 管 样品 热等静 压 ≥9 8 ． 0 c r _板 f { 羊品 真空熔炼 ≥9 8 ． 0 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 9 8 ％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 8 0 ％～ 8 5 ％。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 。 2 ． 3 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 4 0 0℃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 4 0 0 8 0 0 q C 之 间时 ， 进行 1 h的保温 ， 然后炉 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 1 0 ～ 2后 ， 向炉 内注入氩气 ， 避免铬被氧化 ， 然后继续 升温至 1 1 0 0 ～ 1 2 0 0℃，并对温度上升的速度进行控制， 保 持 2 h左右 的时间，以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 h左右上升至 1 3 0 0 1 4 5 0 o C， 之后进行 0 ． 5 ～ 1 ． 5 h的保温。 将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 3 0 ％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。 2 ．4 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 2 5 0 ～ 1 4 5 0 o C 之间时 ，才能形成 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 2 5 0 1 4 5 0 q C 之间时， 如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 8 0 ％～ 8 5 ％， 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 9 8 ％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 ， 2 0 1 1 3 1 4 0 4 1 ． 【 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 [ n 功能材料 ， 2 0 1 3 ， 4 4 1 4 1 9 9 0 1 9 9 4 ． [ 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 ， 2 0 1 1 4 4 4 _ 4 9 ． 编辑 胡玉香 下转第 1 7页 2 0 1 4年第 4期 白晋钢 ， 等 以铁水为主原料生产管坯 T 9 1 钢的试制 1 7 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 T g 1 荒 管 7 结论 1 为保证 I 9 1 钢材质量， 采用铁水为主原料 ， 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 V O D冶炼” 工艺， 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 V 0 D L 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 T 9 1 高压锅炉管的研制与开发[ J ] ． 宝钢技 术 ， 2 0 0 3 增刊 2 8 - 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pur i t y Chr o m i um Sp ut t e r i ng Ta r g e t Zh a n g Xi n f a n g S h e n z h e n Z h e n g h e Z h o n g x i n C o ． L t d ． ． S h e n z h e n 5 1 1 4 0 0 Ab s t r a c t T h i s p a p e r a n aly z e s a n d c o n d u c t o p t i ma t i o n r e s e a r c h o f t r a d i t i o n a l p r e p a r a t i o n o f h i g h - p u ri t y c h r o mi u m s p u t t e rin g t a r g e t t h r o u g h p o w d e r me t a l l u r g y ． E x p e ri me n t a l r e s u l t s s h o w t h a t the “ mo l d i n g s i n t e r i n g ’ ’ o r“ c o l d i s o s t a t i c p r e s s i n gs i n t e r i n g ”p r o c e s s i n g a p p roa c h o f t a r g e t c a n r e a s o n a b l y c o n t r o l the s i n t e r i n g t e mp e r a t u r e ． a n d the d e n s i t y o f t h e t a r g e t c a n b e e ff e c t i v e l y g u a r a n t e e d ． Ke y wo r d s p o wd e r me t a l l u r g y ， h i s h p u ri t y c h r o mi u m s p u t t e r i n g t arg e t ， me t h o d