CN101052740A - 管形靶 - Google Patents

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CN101052740A CNA2006800002725A CN200680000272A CN101052740A CN 101052740 A CN101052740 A CN 101052740A CN A2006800002725 A CNA2006800002725 A CN A2006800002725A CN 200680000272 A CN200680000272 A CN 200680000272A CN 101052740 A CN101052740 A CN 101052740A
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Abstract

本发明涉及一种生产管形靶的方法，该管形靶包含钼或钼合金，其含氧量低于50μg/g，密度大于理论密度的99％，且平均粒径小于100μm，并且该管形靶与一支承管相连接，通过挤压完成生产。

Description

管形靶
技术领域
本发明涉及一种生产管形靶的方法，该管形靶包含一钼管或一钼合金管，其含氧量不超过50μg/g，密度大于理论密度的99％，并且轴向方向上的横向平均粒径小于100μm，该管形靶还包含一支承管，该支承管由非磁性材料制成。
背景技术
靶可以理解为，表示阴极溅射系统中被溅射的材料。例如在US4,422,916和US 4,356,073中，公开并描述了旋转式管形靶。在溅射的过程中，管形靶围绕一磁控管进行旋转，该磁控管位于靶管之内。管形靶主要用于实施大面积涂敷。由于管形靶的旋转，溅射材料获得了均匀刻蚀的效果。因此，管形靶对于靶材具有高利用率和较长的使用寿命，尤其对于昂贵的涂敷材料具有重要的意义，比如在使用钼的情况下。因此，平面靶的利用率约为15％～40％，而管形靶的利用率则约为75％～90％。
在管形靶内部空间进行靶冷却比在平面靶的情况下更加有效，其结果是更为有利的管内热传递，并可能达到较高的涂敷率。为了确保所述溅射系统，即使在靶高利用率的情况下，也无冷却水流出，并且提高了溅射系统的机械承载能力以及方便了安装，管形靶通常与一支承管连接。在这种情况下，该支承管必须由无磁性材料制成，以便不与磁场互相影响，该磁场确定刻蚀的区域。
正如以上所述，无论何时对大面积的基材进行涂敷，使用管形靶是具有优势的。在靶材为钼的情况下，比如在LCD-TFT产品和玻璃涂层中，管形靶是金属合金的外层。
针对管形靶的生产，人们描述了多种生产方法。在这些方法中许多都采取液相途径，例如连铸和离心浇铸。后者在DE 199 53 470中进行了描述。考虑到钼的熔点比较高，随之产生的问题是寻找一种合适的铸模材料，这些实现管形靶生产的方法不能用于钼及其合金。
通过将一厚板条绕中心卷绕，并焊接接合的方法，同样可以进行管形靶的生产。但是，焊缝具有更多粗糙的细微结构及气孔，其引起刻蚀的不均匀，并导致涂层厚度不一致的后果。此外，在使用钼的情况下，被焊接的区域极其脆弱，因此存在断裂的危险。
由US 4,356,073公开了另一种管形靶。在这种情况中，溅射材料通过等离子喷涂沉积在支承管上进行生产。甚至采用真空等离子喷涂技术，但是，却不能生产出密度十分高且含气量足够低的管形靶。用于铬和锡的电化学沉积，但不适用于钼及其合金。
在EP 0 500 031中，描述了通过热等压压制法生产管形靶。在这种情况下，一支承管放置在一圆柱形容器中，以便在支承管与铸模之间形成间隙，在该间隙中填入靶材粉末。在填塞圆柱形容器后，对其施加热等压压紧工序。与所完成的管形靶的重量相比，在这种情况中，所使用的粉末量是多的，其不具备优势。
US 6,878,250及US 6,946,039描述了生产溅射靶所采用的ECAP(等道角压法)。在钼合金的情况下，由于相对高的kf值，这种方法导致刀具高度磨损。
发明内容
因此本发明的目的是提供一种生产管形靶的方法，该方法一方面价格便宜，另一方面可以生产出在溅射过程中均匀刻蚀的产品，本发明不倾向于引起溅射率的局部增加，且不会引起基材或沉积层受到任何污染。
上述目的将通过独立权利要求予以实现。
为了获得足够细的颗粒结构、烧结活性以及相应的密度，依据费希尔(Fisher)之说，使用单个粒径为0.5至10μm的金属粉末。为了生产纯钼的管形靶，具有优势的是使用按重量计金属纯度大于99.9％的钼粉。如果管形靶由钼合金制成，或使用粉末混合物，或使用预制合金粉末，无论如何其粒径同样也介于0.5至10μm的范围。将粉末填入挠性铸模中，该模具内已放置了砂芯。考虑到压制过程中的压缩及烧结收缩，砂芯决定了靶管坯的内径。常规工具钢适合用作砂芯的材料。在用金属粉末填塞挠性铸模并用封闭液密封挠性铸模后，将其放入一个冷等压压制的压力容器内，在100至500MPa的压力下进行压制。然后，从挠性铸模中取出生坯，并移走砂芯。接着，在还原空气或真空中，在1600℃至2500℃的温度范围内对生坯进行烧结。当低于1600℃时，无法获得足够的密度。当高于2500℃时，则形成不理想的颗粒粗化。烧结温度的选择取决于粉末的粒径。依据费希尔之说，粒径为0.5μm的粉末制成的生坯，可以在烧结温度低至1600℃的温度中进行烧结，而所达到的密度超过理论密度的95％。然而，依据费希尔之说，粒径为10μm的粉末制成的生坯压坯，其要求的烧结温度大约为2500℃。如果压制过程的尺寸精度不足以满足要求，其通常出现对烧结毛坯要进行机械加工的情况。此时，烧结毛坯的外径取决于挤压机容器的内径。为了能将挤压毛坯成功地放入挤压机的容器中，烧结毛坯的外径稍微小于容器的内径。反之，内径则取决于心轴的直径。
为了减少挤压过程中钼的流出损耗，有利的方法是将一钢制尾端件通过机械方式固定在钼管毛坯的一端。例如，可以使用螺钉或螺栓连接来实现这种机械固定。在这种情况下，管毛坯的钢制尾端件的内外径与钼管毛坯的内外径相对应。
就挤压而言，管毛坯被加热到温度T，此时DBTT＜T＜(TS-800℃)。在此，DBTT可理解为表示韧-脆转化温度。在较低温度时，会愈加发生断裂。通过钼合金的熔化温度(TS)减去800℃，计算出上限温度点。这就确保了在挤压过程中不会出现不理想的颗粒粗化。在这种情况下，可在常规的煤气或电加热炉(例如转炉)中进行初步加热，必须考虑选择对气流的控制，以便使Λ(lambda)值为中性或阴性。为了获得较高的挤压温度，可进行感应再加热。在实施了初步加热后，管毛坯在玻璃粉混合物中滚动。随后，将管毛坯放入挤压机的容器中，对穿过冲模的心轴进行压制，获得相应的外径或内径。
如果挤压管在还原空气或真空中，在温度T为700℃＜T＜1600℃时，经过回收或再结晶退火处理是具有优势的。如果温度处于下限值以下，则应力极少减低。当温度高于1600℃时，出现颗粒粗化现象。对挤压管的管外侧、端面进行机械加工，而对管内侧进行加工更具有优势。
将按本方法生产的钼管与一由非磁性材料制成的支承管相连接，该支承管的外径大约相当于钼管的内径。另外，支承管在钼管各个末端伸出。作为特别适用于支承管的材料，可以采用铜合金、奥氏体钢、钛或钛合金。
适用于作为连接方法的，不仅指那些使材料结合的方法，而且指那些形状适合的连接方法。然而，所出现的一种情况是钼管与支承管之间的接触面积，至少为理论上可能接触面积的30％。如果接触面积较少的话，则会太多地阻碍热量的排出。同时还必须考虑到钼的热膨胀系数。因此，必须选择尽可能低的连接物温度。举例来说，如果通过锻造方法完成钼管与支承管间的连接，那么将支承管放入钼管中，并对心轴进行锻造，还必须选择500℃至800℃的温度为可能的最低成型温度。此外，如果支承管的材料具有低的屈服强度，它是具有优势的，这样便可降低因塑性流动所产生的应力。
根据本发明的另一种方法，将钼管毛坯与支承管毛坯进行复合挤压。在这种情况下，钼管的生产仍是以按费希尔之说，平均粒径为0.5至10μm的金属粉末为基础。该管毛坯的生产，仍就通过在一具有砂芯的挠性铸模中，对金属粉末进行冷等压挤压，并在1600℃至2500℃的温度范围内进行烧结。
在烧结之后，对管毛坯进行加工。在管毛坯内部放置一个奥氏体钢的支承管毛坯。在管毛坯的一个或两个尾端件处，通过机械连接(例如螺丝或螺栓连接)连接一钢制管尾端件。在这种情况下，该管尾端件具有与管毛坯近似的内径和外径。该管尾端件的厚度最好介于10至100mm。反之，与管尾端件固定的则是支承管毛坯。这种固定最好采用焊接连接。
支承管毛坯的外径可近似相当于钼管毛坯的内径，或进行其它选择，以便在钼管毛坯与支承管毛坯之间形成具有轮廓的间隙。在该间隙中填入钢粉末，最好为奥氏体钢粉末。将通过这种方式生产的复合管体加热至一个成型温度，该成型温度为900℃至1350℃。只有钼合金管形靶可以通过这种方式进行生产，钼合金在上述温度时可以进行适当的变形。因为是钢的缘故，所以不能选择更高的挤压温度。
通过这种方式生产的复合管毛坯在心轴上进行挤压(混合挤压)，从而生产出复合管。可选择地是，在此之后可进行退火工艺，退火温度最好为800℃至1300℃左右。
在混合挤压过程中，使用钢粉末填塞位于支承管与钼管之间的间隙，具有改善支承管与钼管间结合的效果。从3mm至20mm的间隙宽度被证明是具有优势的。
既在挤压又在混合挤压两种情况下，将玻璃粉末用作润滑剂，获得管形靶显著的表面效果，由此可使机械加工量降至最小程度。此外，它确保管形靶没有气孔，也没有颗粒边界裂缝。在挤压过程中，40％至80％已被认为是具有优势的成型度。此时的成型度由以下公式确定：〔(挤压前初始横截面减去挤压后横截面)/初始横截面〕×100。在挤压/混合挤压过程后，可能有利地是，挤压管进行了拉直。所述拉直可通过对心轴的锻造过程得以实现。
此外，钼管或复合管长度上的管壁厚度也可通过后面的锻造过程进行改变。在这种情况下，具有优势的是，在管端区域的管壁厚度可以更厚些。管端区域同时是使用过程中刻蚀量最大的区域。
表面质量和尺寸公差通过适当的机械加工加以调整。
按本发明的方法，确保钼合金中的含氧量＜50μg/g，最好小于20μg/g；密度大于理论密度的99％，最好大于理论密度的99.8％；轴向方向上的横向平均粒径小于100μm，最好小于50μm。因为在变形的非再结晶微结构的情况中，平均粒径在横向上取决于轴向的方向，颗粒在轴向方向上进行拉伸，因此在轴向方向上更不易精确确定粒径。如上两种方法所述，就有可能生产出钼管形靶，按重量计该钼管形靶的金属纯度大于99.99％。在这种情况下，金属纯度可以理解为表示不含气体(O、H、N)和C的钼管形靶纯度。在这个数值中同样不考虑钨，对应用来说其是无关紧要的。
对于按本发明的管形靶应用于TFT-LCD产品领域，按重量计，尤其包含了0.5％～30％的钒、铌、钛、铬和/或钨的钼合金同样适用。
具体实施方式
本发明通过以下一个实施例进行详细说明。
实施例：
MoO3粉在600℃和1000℃时经两级还原过程进行还原，所产生的钼金属粉末具有3.9μm的粒径。在一个直径为420mm且一端封闭的橡胶管中，在其中心处放置一个直径为141mm的钢制心轴。在钢芯与橡胶壁之间的中间空隙中填入钼金属粉末。
随后，在橡胶管开口端用一橡胶帽封闭橡皮管。将封闭的橡胶管放进冷等压挤压机中，在210Mpa的压力下进行压制。
生坯的密度为理论密度的64％，其外径大约为300mm。按此方式生产的生坯，在间接烧结炉中在1900℃温度下进行烧结。烧结密度为理论密度的94.9％。
在实施了烧结后，对管毛坯的各个面进行加工，其外径为243mm，内径为123mm，长度为1060mm。在2500t的间接挤压机上进行挤压。在燃气加热的转炉中将管毛坯加热至1100℃的温度。在这种情况下，对A值进行设定，以便略微减少空气，以防止钼发生氧化。经过在转炉中的初步加热，通过感应方式将挤压好的毛坯加热到1250℃的温度，并在玻璃粉末疏松填料中滚压，以便玻璃粉末在各个面上粘附在毛坯外面。
然后在心轴上方进行挤压，由此获得的挤压管的长度为2700mm，外径为170mm，内径为129mm。
在挤压管中放置一奥氏体钢支承管，其壁厚为6mm。在三爪锻压机上，当温度为500℃时，在心轴上对该装置进行拉直并轻微地进行变形，由此产生钼管和支承管间的粘接。

Claims (20)

1.一种管形靶的生产方法，该管形靶包含一钼管或一钼合金管，其含氧量低于50μg/g，密度大于理论密度的99％，在轴向方向的横向平均粒径小于100μm，该管形靶还包含一由非磁性材料制成的支承管，其特征在于，本方法至少包含以下生产步骤：
由钼或钼合金生产出金属粉末，该粉末具有按费希尔之说从0.5至10μm的平均粒径；
生坯以管毛坯的形式进行生产，在使用砂芯的挠性铸模中，在压力P下，对金属粉末进行冷等压挤压，其中，压力为100MPa＜p＜500Mpa；
在温度T下的还原空气或真空中，通过烧结生压制坯进行管毛坯的生产，其中，温度为1600℃＜T＜2500℃；
通过将管毛坯加热到成型温度T，并对心轴挤压进行靶管的生产，其中，温度为DBTT＜T＜(TS-800℃)；
靶管与支承管进行连接；
机械加工。
2.按照权利要求1所述的管形靶的生产方法，其特征在于，对烧结管毛坯进行机械加工。
3.按照权利要求2所述的管形靶的生产方法，其特征在于，一钢制管尾端件至少固定在管毛坯的一端，它具有与管毛坯近似相同的外径和内径。
4.按照权利要求1至3中任一项所述的管形靶的生产方法，其特征在于，挤压管在还原空气或真空中进行退火，退火温度T为800℃＜T＜1600℃。
5.按照权利要求1至4中任一项所述的管形靶的生产方法，其特征在于，所述支承管由铜合金制成，最好由铜-铬-锆合金、奥氏体钢、钛或者钛合金制成。
6.按照权利要求1至5中任一项所述的管形靶的生产方法，其特征在于，所述支承管通过连接的方法同钼管或钼合金管相连接，该连接导致支承管的塑性变形。
7.按照权利要求6所述的管形靶的生产方法，其特征在于，所述支承管通过一成型工序与钼管或钼合金管相连接。
8.一种管形靶的生产方法，该管形靶包含一钼管或一钼合金管，其含氧量低于50μg/g，密度大于理论密度的99％，在轴向方向的横向平均粒径小于100μm，该管形靶还包含一由非磁性材料制成的支承管，其特征在于，本方法至少包含以下生产步骤：
由钼或钼合金生产出金属粉末，该粉末具有按费希尔之说从0.5至10μm的平均粒径；
生坯以管毛坯的形式进行生产，在使用砂芯的挠性铸模中，在压力P下，对金属粉末进行冷等压挤压，其中，压力为100MPa＜p＜500Mpa；
在温度T下的还原空气或真空中，通过烧结生压制坯进行管毛坯的生产，其中，温度为1600℃＜T＜2500℃；
对管毛坯进行加工，并至少连接一个钢制管尾端件，其中，对位于管毛坯中的一支承管进行固定，该支承管为奥氏体钢毛坯；
对复合管的生产通过加热至成型温度T，并对心轴进行混合挤压，其中，温度为900＜T＜1350℃；
机械加工。
9.按照权利要求8所述的管形靶的生产方法，其特征在于，所述复合管是在还原空气或真空中进行退火，退火温度为800℃＜T＜1300℃。
10.按照权利要求8和9中任一项所述的管形靶的生产方法，其特征在于，在管毛坯与支承管毛坯之间存在一间隙，该间隙为0.2至1mm。
11.按照权利要求8和9中任一项所述的管形靶的生产方法，其特征在于，在管毛坯与支承管之间存在一间隙，该间隙为3mm至20mm，使用钢粉末进行填塞。
12.按照权利要求1至11中任一项所述的管形靶的生产方法，其特征在于，在挤压过程中，玻璃粉末用于润滑。
13.按照权利要求1至12中任一项所述的管形靶的生产方法，其特征在于，在挤压过程中，成型度为40％至80％。
14.按照权利要求1至13中任一项所述的管形靶的生产方法，其特征在于，挤压管或复合管通过锻造处理，在心轴上进行拉直。
15.按照权利要求1至14中任一项所述的管形靶的生产方法，其特征在于，挤压管或复合管通过锻造处理，在心轴上进行变形，使得管在长度上的壁厚有所不同。
16.按照权利要求15所述的管形靶的生产方法，其特征在于，挤压管或复合管按照这样一种方式进行变形，使得管在接近管末端处具有较大的壁厚度。
17.按照权利要求1至16中任一项所述的管形靶的生产方法，其特征在于，所述钼管包含的纯钼具有除钨之外的金属纯度，按重量计其纯度超过99.99％。
18.按照权利要求1至16中任一项所述的管形靶的生产方法，其特征在于，所述钼管包含钼合金，按重量计其包含了0.5％至30％的钒、铌、钛、铬和/或钨。
19.按照权利要求1至18中任一项所述的管形靶的生产方法，其特征在于，所述管形靶应用于LCD-TFT平面屏幕产品。
20.按照权利要求1至18中任一项所述的管形靶的生产方法，其特征在于，所述管形靶用于玻璃涂层。
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