CN102358935B - 一种包覆热压制备砷靶材的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种利用金属模具包覆热压制备物理气相沉积用砷靶材的方法。砷靶材的制备工艺为：在惰性气体气氛保护下利用液压式粉末压片机将颗粒状砷原料初步冷压成型，压片机的压力为20~40MPa，初始冷压后砷靶材的相对密度在85~92%之间。之后利用黄铜或低碳钢模具对冷压成型后的砷进行包覆，并对模具进行密封。最后对包覆的金属模具进行热压致密化过程，热压温度为400~600℃，热压压力为400~600MPa。砷的热压过程进行完毕之后，自然冷却并在惰性气体气氛保护下将包覆模具内的砷靶材取出。测试结果表明，采用上述包覆热压工艺制备的砷靶材，其相对密度可达99.5~99.9%，且未在靶材内引入新的杂质。
Description
技术领域：
本发明涉及一种利用金属模具进行包覆热压制备砷靶材的方法，该砷靶材可应用于热蒸发、溅射蒸发等物理气相沉积工艺制备含砷薄膜领域。
背景技术：
在利用物理气相沉积方法制备含砷薄膜（如GaAs）时，首先需将砷原料制备成特定形状的靶材，并要求该靶材具有高的纯度和致密度。和其他金属、非金属靶材的制备相比，由于砷具有独特的物理、化学性质，因此给砷靶材的制备带来了如下困难：①由于砷（其常见同素异形体-灰砷）在常压下于613℃便不经液态直接升华成为蒸汽，欲使其出现液相必须在 28个大气压以上的压力下将其加热到817℃以上，因此这就这决定了砷靶材不能像金属一样采用常压大气气氛下进行熔炼制备。②砷的性质活泼，在室温下即可与大气中的氧发生反应，同时也易与大多数金属和非金属发生反应，因此砷靶材的制备不能像制备氧化物靶材那样，在大气环境下进行常压或热压烧结，否则极易引起砷的氧化和杂质的引入。③砷的氧化物、氢化物、砷酸等均为剧毒物质，因此在制备过程中要特别注意防护，防止操作人员中毒。
传统的制备砷靶材的方法主要有机械压制成型法、液相凝固法、气相凝聚法等，这些方法的主要缺点如表1所示。
表1 传统砷靶材制备加工方法的主要缺点
| 方法 | 主要缺点 |
| 机械压制、切削 | 砷直接暴露在空气环境中容易氧化、且容易引入杂质 |
| 液相凝固 | 常压下砷于613℃不出现液相而直接升华，欲使其出现液相需施加28个大气压以上的压力，因此采用液相凝固需使用高温高压设备，设备复杂，成本较高；高温下砷具有毒性、化学反应活性强；凝聚过程还可能导致成分偏聚和表面裂纹的形成 |
| 气相凝聚 | 通过化学方法，将砷蒸汽直接冷凝成特定形状的靶材；主要缺点是材料生产速度慢、效率低、大量蒸汽浪费 |
发明内容：
为克服上述传统砷靶材制备过程中容易引入杂质、设备成本高、生产速率慢、效率低等问题，本发明中采用惰性气体保护下冷压成型和之后的金属模具包覆、热压工艺，制备满足物理气相沉积工艺所需的砷靶材。
本发明的技术方案是采用金属模具包覆热压的方法制备砷靶材，即首先在惰性气体气氛保护下对砷原料进行初步冷压成型，之后将冷压成型后的砷包覆在金属模具内并对模具进行密封，防止高温下外界气体的进入与砷发生反应。最后对包覆模具进行热压操作，通过热压过程中温度和压力的联合控制，使砷靶材的致密度满足蒸发镀膜的需要。为防止高温下砷和金属模具材料发生扩散和反应，在两者之间添加了隔离剂材料。通过上述措施，既防止了砷的氧化、有毒砷化物的挥发，又可以制备出性能满足蒸发镀膜所需的砷靶材。
为达到上述目的，本发明的具体制备步骤包括：（如图1所示。）
（1）砷的冷压成型：在惰性气体气氛保护下，将纯度为99.99%的高纯砷，在压力为20MPa~40MPa的条件下压制成片状，得到的初始冷压后片状砷靶材的相对密度为85%~92%。
（2）砷的热压致密化：在惰性气体气氛保护下,将冷压成型后的片状砷靶材放入金属模具内，并在靶材和金属模具之间放入隔离剂，之后对金属模具进行密封。然后在大气条件下，将密封完成后的金属模具放入热压模具内，并待热压模具加热至400~600℃后对热压模具内的金属模具进行热压，热压压力为400~600MPa，热压时间为1~30min。
（3）冷却及脱模过程：将步骤（2）中的热压模具停止热压并使模具自然冷却，将金属模具从热压模具内取出，并在惰性气体气氛保护下将砷靶材从金属模具中取出，得到致密的砷靶材。
所述步骤（1）中惰性气体为He、Ne或Ar的一种或任意几种的混合气体。
所述步骤（1）中得到的片状靶材的形状为圆柱状或棱柱状等形状，圆柱状片的高度与直径的比值≤3，棱柱状片的高度与横截面对角线的比值≤3。
所述步骤（1）中的金属模具的材料是黄铜或低碳钢。
所述步骤（2）中隔离剂材料为CaCl2粉末或石墨。
与其他砷靶材的制备方法（包括机械压制成型法、液相凝固法、气相凝聚法等）相比，本发明中所用金属模具包覆热压方法具有如下优势和有益效果：
（1）整个过程在惰性气体保护和金属模具包覆条件下进行，可以有效防止有毒砷化物的挥发和毒害；
（2）由于热压压制可以在较高的温度下进行，砷原子之间的化学结合力与变形抗力已显著降低，因此有利于致密化过程；
（3）由于采用了惰性气体保护措施，可以有效防止砷的氧化；
（4）适合于大尺寸砷靶材的制备，整个加工过程简单，相对成本较低；
（5）在加热模具和高纯砷之间放入隔离剂，可以防止模具材料和砷的扩散反应，有利于脱模；
（6）对经过包覆热压后的砷靶材进行纯度和密度测试，测试结果表明，经过上述工艺制备的砷靶材，其相对密度可达99.5~99.9%，且经包覆热压加工后未在靶材内引入新的杂质。
附图说明：
图1是本发明砷靶材的包覆热压加工工艺流程图。
图2是本发明实施例1冷压成型后的砷片照片。
图3是本发明实施例1包覆用金属模具照片。
图4是本发明实施例1热压后的砷靶材照片。
图中标号为：（1）模具底座，（2）模具盖板，（3）封装后的模具。
具体实施方式
实施例1:
（1）砷的冷压成型：利用液压式粉末压片机，在Ar气气氛保护下将纯度为99.99%的颗粒状砷压制成圆片状，圆片的高度和直径比例为1。压片机的压力为20MPa，初始冷压后砷靶材的相对密度为85%。
（2）砷的热压致密化：砷靶材冷压成型后，根据其尺寸设计加工了金属模具（如图3），模具的材料为黄铜，模具由底座（1）和盖板（2）组成。在Ar气气氛保护下，将冷压成型后的砷放置于底座后，在金属模具和砷之间放置隔离剂CaCl2粉末。利用螺栓将模具底座和盖板连接在一起，并在两者之间涂以高温密封胶，从而保证其高温下不与外界气体发生反应。冷压成型后的砷如图2所示。
冷压成型后的砷完成金属模具包覆之后，将该金属模具连同其内部的砷块一起放入热压模具内，并对热压模具进行加热，当加热温度达到400℃后，采用液压机对热压模具内的金属模具进行加压，压力为400MPa，热压时间为20min。
（3）冷却及脱模过程：砷的热压过程进行完毕之后，停止加热并使模具自然冷却。之后将金属模具从热压模具内取出，并在Ar气气氛保护下将砷靶材从金属模具中取出。对经过包覆热压后的砷靶材（如图4所示）进行纯度和密度测试。测试结果表明，经过上述工艺制备的砷靶材，其相对密度可达99.5%，且经包覆热压加工后未在靶材内引入新的杂质。
实施例2：
（1）砷的冷压成型：在He气和Ne气混合气氛保护下，将纯度为99.99%的高纯砷，在压力为40MPa的条件下压制成棱柱片状，棱柱状片的高度与横截面对角线的比值为3，得到的初始冷压后片状砷靶材的相对密度在92%。
（2）砷的热压致密化：在He气和Ne气混合气氛保护下,将冷压成型后的片状砷靶材放入材料为黄铜的金属模具内，并在靶材和金属模具之间放入石墨隔离剂，之后对金属模具进行密封。然后在大气条件下，将密封完成后的金属模具放入热压模具内，并待热压模具加热至500℃后对热压模具内的金属模具进行热压，热压压力为600MPa，热压时间为1min。
（3）冷却及脱模过程：将步骤（2）中的热压模具停止热压并使模具自然冷却，将金属模具从热压模具内取出，并在He气和Ne气混合气氛保护下将砷靶材从金属模具中取出，得到致密的砷靶材。对经过包覆热压后的砷靶材进行纯度和密度测试。测试结果表明，经过上述工艺制备的砷靶材，其相对密度可达99.7%，且经包覆热压加工后未在靶材内引入新的杂质。
实施例3：
（1）砷的冷压成型：在He气气氛保护下，将纯度为99.99%的高纯砷，在压力为30MPa的条件下压制成圆柱片状，圆柱片的高度与直径的比值为2，得到的初始冷压后片状砷靶材的相对密度在90%。
（2）砷的热压致密化：在He气气氛保护下,将冷压成型后的片状砷靶材放入材料为低碳钢的金属模具内，并在靶材和金属模具之间放入石墨隔离剂，之后对金属模具进行密封。然后在大气条件下，将密封完成后的金属模具放入热压模具内，并待热压模具加热至600℃后对热压模具内的金属模具进行热压，热压压力为500MPa，热压时间为30min。
（3）冷却及脱模过程：将步骤（2）中的热压模具停止热压并使模具自然冷却，将金属模具从热压模具内取出，并在He气气氛保护下将砷靶材从金属模具中取出，得到致密的砷靶材。对经过包覆热压后的砷靶材进行纯度和密度测试。测试结果表明，经过上述工艺制备的砷靶材，其相对密度可达99.9%，且经包覆热压加工后未在靶材内引入新的杂质。
Claims (7)
1.一种包覆热压制备砷靶材的方法，其特征在于具体制备步骤包括如下：
（1）砷的冷压成型：在惰性气体气氛保护下，将高纯砷压制成片状；
（2）砷的热压致密化：在惰性气体气氛保护下，将冷压成型后的片状砷靶材放入金属模具内，并在靶材和金属模具之间放入隔离剂，之后对金属模具进行密封，然后在大气条件下，将密封完成后的金属模具放入热压模具内，并待热压模具加热至一定温度后对热压模具内的金属模具进行热压；隔离剂为CaCl2 粉末或石墨；
（3）冷却及脱模过程：将步骤（2）中的热压模具停止热压并使金属模具自然冷却，将金属模具从热压模具内取出，并在惰性气体气氛保护下将砷靶材从金属模具中取出，得到致密化的砷靶材。
2.根据权利要求1 所述的包覆热压制备砷靶材的方法，其特征在于：所述惰性气体包括He、Ne 或Ar 的一种或任意几种的混合气体。
3.根据权利要求1 所述的包覆热压制备砷靶材的方法，其特征在于：所述步骤（1）中高纯砷的纯度为99.99%。
4.根据权利要求1 所述的包覆热压制备砷靶材的方法，其特征在于：所述步骤（1）中压制片状高纯砷的压力为20MPa~40MPa。
5.根据权利要求1 所述的包覆热压制备砷靶材的方法，其特征在于：所述步骤（1）中得到的片状靶材的形状为圆柱状或棱柱状，圆柱状片的高度与直径的比值≤ 3，棱柱状片的高度与横截面对角线的比值≤ 3。
6.根据权利要求1 所述的包覆热压制备砷靶材的方法，其特征在于：所述步骤（2）中热压模具的加热温度为400 ～ 600℃，对热压模具内的金属模具施加的压力为400 ～600MPa，热压时间为1 ～ 30min。
7.根据权利要求1 所述的包覆热压制备砷靶材的方法，其特征在于：所述金属模具和热压模具的材料是黄铜或低碳钢。
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