一种钽硅合金溅射靶材及其制备方法与流程

本发明涉及靶材及靶材制备领域，具体地说，涉及一种钽硅合金溅射靶材及其制备方法。
背景技术：
：物理气相沉积(physicalvapourdeposition，pvd)指的是，在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使材料源蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，然后通过电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上形成某种特殊功能的薄膜。pvd技术半导体芯片制造业、太阳能行业、lcd制造业等多种行业的核心技术，主要方法有真空蒸镀、电弧等离子体镀、离子镀膜、分子束外延和溅射镀膜等。溅射是制备薄膜材料的主要技术之一，它利用离子源产生的离子，在真空中经过加速聚集，而形成高速度能的离子束流，轰击固体表面，离子和固体表面原子发生动能交换，使固体表面的原子离开固体并沉积在基底表面，被轰击的固体是制备溅射法沉积薄膜的原材料，一般被称为溅射靶材。溅射靶材一般通过粉末冶金烧结成型工艺获得，因为该工艺制备的溅射靶材具有独特的化学组成和机械、物理性能，而这些性能是用传统的熔铸方法无法获得的。粉末冶金烧结成型工艺分为热压烧结和热等静压两种方法：热压烧结是指将干燥粉料充填入模型内，再从单轴方向边加压边加热，使成型和烧结同时完成；热等静压是指将制品放置到密闭的容器中，然后施加各向同等的压力，同时施以高温，在高温高压的作用下，制品得以烧结和致密化。钽硅合金溅射靶材是一种新型的溅射靶材，作为一种真空溅镀的良好导体，可以用于电子栅门材料以及电子薄膜领域。为了使钽硅合金溅射靶材在进行真空溅镀时发挥良好的性能，要求钽硅合金溅射靶材具有较高的致密度，且内部组织结构较为均匀。但是，目前没有出现一种制备方法，使得制备得到的钽硅合金溅射靶材满足上述要求。目前，现有技术公开了一些溅射靶材的制备方法。例如cn102321871a公开了一种热等静压生产平板显示器用钼合金溅射靶材的方法，该方法包括粉体准备、液压成型、冷等静压、烧结、机械加工、包套、热等静压等步骤，在高温高压的共同作用下，使得被加工件的各向均衡受压，靶材的致密度高、均匀性好、性能优异。但是该制备方法流程复杂，生产周期较长，而且没有针对非金属粉末的混粉工艺，适用范围比较局限。cn105624619a公开了一种平板显示器触摸屏用铝稀土合金旋转溅射靶材的制备方法及其制备靶材，该制备方法包括粉末制备，冷等静压，真空烧结，热等静压，机械加工，铟绑定。虽然该制备方法简化了工艺，操作方便，但是仍没有针对非金属粉末的混粉工艺。以上现有技术中的制备方法，虽然均采用热等静压工艺，但是因为没有针对非金属粉末的混粉工艺，无法保证最终溅射靶材的纯度要求，又因为钽和硅两者熔点及比重等物理性能相差巨大，对混粉工艺、脱气处理和热等静压等工艺参数提出了更高的要求，无法满足钽硅合金溅射靶材对致密度和内部组织结构均匀性的要求。因此，目前亟需开发一种行之有效的钽硅合金溅射靶材的制备方法。技术实现要素：鉴于现有技术中存在的问题，本发明提出一种钽硅合金溅射靶材及其制备方法。所述制备方法包括混粉、装模、冷等静压、脱气处理、热等静压和机加工六个步骤，不仅有效防止了硅粉氧化，保证了产品纯度，还可以达到钽硅合金溅射靶材致密度和内部组织结构均匀的要求，而且具有工艺简单、操作方便、生产周期短的特点。利用所述制备方法制备的钽硅合金溅射靶材不仅钽硅合金内部组织结构均匀，还可以达到99％以上的致密度，为后续溅射使用提供更优良的性能保障。为达此目的，本发明采用以下技术方案：本发明的目的之一在于提供一种钽硅合金溅射靶材的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：(1)将钽粉和硅粉按照原子比例混合；(2)将步骤(1)混合后的钽硅粉末装入模具并封口；(3)对步骤(2)封口后的模具进行冷等静压处理，得到钽硅坯料；(4)将步骤(3)得到的钽硅坯料装入包套并封口，进行脱气处理；(5)将步骤(4)脱气后的包套在1050-1350℃下进行热等静压处理，得到钽硅合金溅射靶材粗品；(6)将步骤(5)得到的钽硅合金溅射靶材粗品进行机加工，得到钽硅合金溅射靶材。本发明中所提供的制备方法采用冷等静压、脱气处理和热等静压三者相结合的方式，使得钽硅合金溅射靶材各向均衡受压，达到致密度99％以上和内部组织结构均匀的高要求。同时，本发明在进行热等静压处理时，采用了1050-1350℃的高温来进行，如此高的热等静压处理温度能够使得钽硅合金溅射靶材的致密度大幅提高，同时还能有效地控制氧含量，有效地避免污染，从而保证了产品的纯度。本发明中所述热等静压的处理温度为1050-1350℃，例如1050℃、1100℃、1150℃、1200℃、1250℃、1300℃或1350℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述混合在惰性气体保护下进行。优选地，所述惰性气体包括氦气、氮气或氩气中的任意一种或至少两种的组合，所述组合典型但非限制性的实例是：氦气和氩气的组合，氮气和氩气的组合或氦气和氮气的组合等，优选为氩气。优选地，所述惰性气体的压力为0.02-0.06mpa，例如0.02mpa、0.03mpa、0.04mpa、0.05mpa或0.06mpa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为0.03-0.05mpa。本发明在进行钽粉和硅粉的混合操作时，采用了在惰性气体保护下进行，并控制惰性气体的压力在0.02-0.06mpa范围内，其一方面保证了混粉的均一性，但更为主要的目的在于减少空气含量，减少非金属硅粉由于粒度较细而带来的吸附空气并被氧化的风险，从而最终提高了钽硅合金溅射靶材的产品纯度。作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述混合的时间为12-48h，例如12h、18h、24h、30h、36h、42h或48h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为12-24h。优选地，步骤(1)所述混合在混粉机中进行。优选地，所述混粉机为v型混粉机。优选地，所述混粉机设置内衬。优选地，所述内衬为聚氨酯内衬。本发明中所述混粉机设置有聚氨酯内衬，可以防止钽硅粉末和混粉机内壁的直接接触，有效地避免了钽硅粉末的污染，进一步保证了产品的纯度。优选地，所述混粉机的混合速率为5-20r/min，例如5r/min、8r/min、10r/min、12r/min、15r/min、17r/min或20r/min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为8-12r/min。优选地，步骤(1)所述混合包括停机、敲打处理。优选地，所述停机的间隔时间为3-6h，例如3h、3.5h、4h、4.5h、5h、5.5h或6h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为4-5h。优选地，所述敲打采用橡胶锤。本发明中所述停机、敲打处理，间隔时间3-6h，且橡胶锤主要敲击混粉机棱角处的外壁，可以有效避免硅粉吸附在混粉机上，保证了混粉均匀。优选地，在步骤(1)所述混合前还包括清洗步骤。优选地，所述清洗是将混粉机清洗干净，以保证混粉机内无污染。作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述模具为橡胶套。优选地，步骤(2)所述装入模具后，用工具夯实，然后盖上模具盖再封口。作为本发明优选的技术方案，步骤(3)所述冷等静压的压力为140-250mpa，例如140mpa、160mpa、180mpa、200mpa、220mpa或250mpa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为160-200mpa。优选地，步骤(3)所述冷等静压的保压时间为15-60min，例如15min、20min、25min、30min、35min、40min、45min、50min、55min或60min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为20-40min。优选地，步骤(3)所述冷等静压处理是在冷等静压机中进行。冷等静压是一种在常温下，采用橡胶或塑料作包套模具材料，以液体为压力介质，主要用于粉体材料成型的工艺方法，为进一步烧结、煅造或热等静压工序提供坯体。作为本发明优选的技术方案，步骤(4)所述包套为不锈钢包套。本发明所述不锈钢包套采用氩弧焊接，将不锈钢盖板和包套焊接牢固进行封口处理，为后续脱气处理提供基本保障。优选地，步骤(4)所述脱气处理的温度为400-600℃，例如400℃、450℃、500℃、550℃或600℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为450-550℃。优选地，步骤(4)所述脱气处理的真空度为5-1.5e-3pa，例如5e-3pa、4.5e-3pa、4e-3pa、3.5e-3pa、3e-3pa、2.5e-3pa、2e-3pa或1.5e-3pa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为4-2e-3pa。本发明中通过将脱气处理的真空度提高到5-1.5e-3pa，其可实现包套内气体的充分脱除，把气体排出干净，从而进一步保证了硅粉不被空气氧化，使得最终钽硅合金溅射靶材的产品性能得到进一步的提升；另外，在所述真空度下能够更好地保证脱气效果，也能最大程度地降低能耗，减少成本的投入。作为本发明优选的技术方案，步骤(5)所述热等静压处理的温度为1150-1250℃，例如1150℃、1170℃、1200℃、1230℃或1250℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。优选地，步骤(5)所述热等静压的压力为130-180mpa，例如130mpa、140mpa、150mpa、160mpa、170mpa或180mpa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为140-165mpa。优选地，步骤(5)所述热等静压的保温保压时间为2-6h，例如2h、3h、4h、5h或6h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用，优选为3-5h。优选地，步骤(5)所述热等静压处理在热等静压炉中进行。本发明中所提供的热等静压工艺，是针对钽和硅两者的熔点及比重等物理性能上的巨大差异，结合测定的钽硅合金配比图进行设计的。采用1050-1350℃的高温和130-180mpa的高压，并保温保压时间为2-6h，不仅使得钽硅合金溅射靶材的致密度大幅提高，钽硅合金内部组织结构均匀更加均匀，还可以尽可能地降低能耗，最大限度地降低成本。作为本发明优选的技术方案，所述制备方法包括如下步骤：(1)将钽粉和硅粉按照原子比例，加入带有聚氨酯内衬的v型混粉机中，在压力为0.02-0.06mpa的惰性气体保护下，以8-12r/min的混合速率混合12-24h，混合期间每间隔4-5h，就停机并采用橡胶锤敲打v型混粉机；(2)将步骤(1)混合后的钽硅粉末装入橡胶套模具后，用工具夯实，然后封口；(3)将步骤(2)封口后的模具放入冷等静压机中，加压至160-200mpa并保压20-40min进行冷等静压处理，得到钽硅坯料；(4)将步骤(3)得到的钽硅坯料装入不锈钢包套并封口，加热至400-600℃，并在真空度为4-2e-3pa下进行脱气处理；(5)将步骤(4)脱气后的包套放入热等静压炉中，升温至1050-1350℃，加压至130-180mpa，然后保温保压2-6h进行热等静压处理，得到钽硅合金溅射靶材粗品；(6)将步骤(5)得到的钽硅合金溅射靶材粗品进行机加工，得到钽硅合金溅射靶材。作为本发明优选的技术方案，步骤(6)所述钽硅合金溅射靶材经过尺寸检测合格后，依次进行清洗、干燥和包装流程，即可达到出货标准。本发明的目的之二在于提供一种钽硅合金溅射靶材，利用目的之一所述制备方法制备。作为本发明优选的技术方案，所述钽硅合金溅射靶材的致密度＞99％，例如99.2％、99.5％、99.6％、99.8％或99.9％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：(1)本发明所提供的钽硅合金溅射靶材的制备方法，通过将冷等静压处理、脱气处理和热等静压处理相结合，并进一步将热等静压处理的温度控制在1050-1350℃，其能够获得致密度在99％以上、微观组织均匀的可用于半导体靶材制作的钽硅靶坯；(2)本发明所述制备方法中，通过在惰性气氛下进行混粉工艺，并控制惰性气体的压力在0.02-0.06mpa范围内，同时在混粉过程中进行停机、敲打处理，还为混粉机设置聚氨酯内衬，不仅可以避免硅粉吸附在混粉机上，保证混粉均一性，还有效地减少了混合后钽硅粉末中的空气含量，保证了产品的纯度；(3)本发明所述制备方法中，通过将脱气工艺的真空度控制在5-1.5e-3pa范围内，实现了更好的脱气效果，尽可能避免了硅粉被空气氧化，也进一步保证了产品的纯度；(4)本发明所述钽硅合金溅射靶材的制备方法，还具有工艺简单、操作方便、生产周期短的特点。附图说明图1是本发明提供的钽硅合金溅射靶材制备方法的流程图。具体实施方式下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。图1示出了本发明所提供的钽硅合金溅射靶材制备方法的流程图，其具体包括如下步骤：(1)将钽粉和硅粉进行混粉；(2)将步骤(1)混合后的钽硅粉末装模，并封口；(3)将步骤(2)封口后的模具进行冷等静压处理，得到钽硅坯料；(4)将步骤(3)得到的钽硅坯料通过焊接包套，再进行脱气处理；(5)将步骤(4)脱气后的包套在1050-1350℃下进行热等静压处理，得到钽硅合金溅射靶材粗品；(6)将步骤(5)得到的钽硅合金溅射靶材粗品进行机加工，得到钽硅合金溅射靶材；(7)将步骤(6)得到的钽硅合金溅射靶材进行尺寸检测，对于合格产品依次进行清洗、干燥和包装操作；(8)将包装后的产品进行出货。为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。实施例1本实施例提供了一种钽硅合金溅射靶材的制备方法，包括如下步骤：(1)将钽粉和硅粉按照si(at％)＝50％的原子比例，加入带有聚氨酯内衬的v型混粉机中，在压力为0.04mpa的氩气保护下，以6r/min的混合速率混合36h，混合期间每间隔6h，就停机并采用橡胶锤敲打v型混粉机；(2)将步骤(1)混合后的钽硅粉末装入橡胶套模具后，用工具夯实，然后封口；(3)将步骤(2)封口后的橡胶套模具放入冷等静压机中，加压至200mpa并保压15min进行冷等静压处理，得到钽硅坯料；(4)将步骤(3)得到的钽硅坯料装入不锈钢包套，采用氩弧焊接将不锈钢盖板与包套焊接进行封口处理，加热至550℃，并在真空度为2e-3pa下进行脱气处理；(5)将步骤(4)脱气后的包套放入热等静压炉中，升温至1250℃，加压至175mpa，然后保温保压3h进行热等静压处理，得到钽硅合金溅射靶材粗品；(6)将步骤(5)得到的钽硅合金溅射靶材粗品进行机加工，得到钽硅合金溅射靶材；(7)将步骤(6)得到的钽硅合金溅射靶材进行尺寸检测，对于合格产品依次进行清洗、干燥和包装操作；(8)将包装后的产品进行出货。实施例2本实施例提供了一种钽硅合金溅射靶材的制备方法，包括如下步骤：(1)将钽粉和硅粉按照si(at％)＝50％的原子比例，加入带有聚氨酯内衬的v型混粉机中，在压力为0.05mpa的氩气保护下，以20r/min的混合速率混合20h，混合期间没有进行停机、敲打处理；(2)将步骤(1)混合后的钽硅粉末装入橡胶套模具后，用工具夯实，然后封口；(3)将步骤(2)封口后的橡胶套模具放入冷等静压机中，加压至160mpa并保压20min进行冷等静压处理，得到钽硅坯料；(4)将步骤(3)得到的钽硅坯料装入不锈钢包套，采用氩弧焊接将不锈钢盖板与包套焊接进行封口处理，加热至550℃，并在真空度为2e-3pa下进行脱气处理；(5)将步骤(4)脱气后的包套放入热等静压炉中，升温至1300℃，加压至165mpa，然后保温保压3h进行热等静压处理，得到钽硅合金溅射靶材粗品；(6)将步骤(5)得到的钽硅合金溅射靶材粗品进行机加工，得到钽硅合金溅射靶材；(7)将步骤(6)得到的钽硅合金溅射靶材进行尺寸检测，对于合格产品依次进行清洗、干燥和包装操作；(8)将包装后的产品进行出货。实施例3本实施例提供了一种钽硅合金溅射靶材的制备方法，包括如下步骤：(1)将钽粉和硅粉按照si(at％)＝56％的原子比例，加入带有聚氨酯内衬的v型混粉机中，在压力为0.06mpa的氩气保护下，以12r/min的混合速率混合12h，混合期间每间隔3h，就停机并采用橡胶锤敲打v型混粉机；(2)将步骤(1)混合后的钽硅粉末装入橡胶套模具后，用工具夯实，然后封口；(3)将步骤(2)封口后的橡胶套模具放入冷等静压机中，加压至250mpa并保压40min进行冷等静压处理，得到钽硅坯料；(4)将步骤(3)得到的钽硅坯料装入不锈钢包套，采用氩弧焊接将不锈钢盖板与包套焊接进行封口处理，加热至450℃，并在真空度为5.5e-3pa下进行脱气处理；(5)将步骤(4)脱气后的包套放入热等静压炉中，升温至1150℃，加压至150mpa，然后保温保压4h进行热等静压处理，得到钽硅合金溅射靶材粗品；(6)将步骤(5)得到的钽硅合金溅射靶材粗品进行机加工，得到钽硅合金溅射靶材；(7)将步骤(6)得到的钽硅合金溅射靶材进行尺寸检测，对于合格产品依次进行清洗、干燥和包装操作；(8)将包装后的产品进行出货。实施例4本实施例提供了一种钽硅合金溅射靶材的制备方法，包括如下步骤：(1)将钽粉和硅粉按照si(at％)＝65％的原子比例，加入带有聚氨酯内衬的v型混粉机中，在压力为0.05mpa的氩气保护下，以10r/min的混合速率混合20h，混合期间每间隔4h，就停机并采用橡胶锤敲打v型混粉机；(2)将步骤(1)混合后的钽硅粉末装入橡胶套模具后，用工具夯实，然后封口；(3)将步骤(2)封口后的橡胶套模具放入冷等静压机中，加压至140mpa并保压60min进行冷等静压处理，得到钽硅坯料；(4)将步骤(3)得到的钽硅坯料装入不锈钢包套，采用氩弧焊接将不锈钢盖板与包套焊接进行封口处理，加热至500℃，并在真空度为5e-3pa下进行脱气处理；(5)将步骤(4)脱气后的包套放入热等静压炉中，升温至1200℃，加压至140mpa，然后保温保压4h进行热等静压处理，得到钽硅合金溅射靶材粗品；(6)将步骤(5)得到的钽硅合金溅射靶材粗品进行机加工，得到钽硅合金溅射靶材；(7)将步骤(6)得到的钽硅合金溅射靶材进行尺寸检测，对于合格产品依次进行清洗、干燥和包装操作；(8)将包装后的产品进行出货。对比例1本对比例除了将步骤(5)中热等静压的温度替换为1400℃，其他工艺条件和实施例1相同。对比例2本对比例除了将步骤(5)中热等静压的温度替换为1000℃，其他工艺条件和实施例1相同。将上述实施例和对比例所得钽硅合金溅射靶材进行致密度、内部组织结构均匀性和产品外观进行测试，具体结果见表1。表1组别致密度内部组织结构均匀性产品外观实施例199.5％产品微观均匀致密，无空洞、无分层结构无黑点实施例299.2％产品微观均匀致密，无空洞、无分层结构有黑点实施例399.1％产品微观均匀致密，无空洞、无分层结构无黑点实施例499.4％产品微观均匀致密，无空洞、无分层结构无黑点对比例190.3％产品微观有空洞，且产品硬脆、易开裂无黑点对比例284.5％产品微观有空洞，有分层结构无黑点由表1可以得出以下结论：(1)由实施例1-4得到的钽硅合金溅射靶坯，不仅致密度在99％以上，还在产品微观上具有均匀致密、无空洞、无分层结构的特点，满足半导体靶材的制备要求；(2)实施例2由于在钽硅粉末混合期间没有进行停机、敲打处理，造成了少量硅粉聚结的现象，导致制备得到的钽硅合金溅射靶材的产品外观上出现少量且细小的黑点；实施例3由于在脱气处理过程中，真空度仅为5.5e-3pa，导致脱气效果稍差，制备得到的钽硅合金溅射靶材的致密度刚刚达到99.1％；(3)对比例1由于热等静压的温度较高为1400℃，不仅造成了产品致密度不高，还导致了产品微观有空洞，且产品硬脆、易开裂的不良现象；对比例2由于热等静压的温度较低为1000℃，不仅造成了产品致密度很低，还导致了产品微观有空洞，有分层结构的不良现象。因此，两个对比例得到的钽硅合金溅射靶材在致密度和内部组织结构均匀性上均不达标。综上所述，本发明提供的制备方法，不仅有效防止了硅粉氧化，保证了产品纯度，还可以达到钽硅合金溅射靶材致密度＞99％和内部组织结构均匀的要求，而且具有工艺简单、操作方便、生产周期短的特点。申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属
技术领域：
的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。当前第1页1 2 3