CN103691953B - 钨钛靶材的制造方法和钨钛靶材组合的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了钨钛靶材的制造方法和钨钛靶材组合的制造方法。其中，所述钨钛靶材的制造方法包括：在模具中装入钨粉和钛粉的混合粉末；对所述混合粉末进行冷压成型处理，形成钨钛靶材坯料；将所述钨钛靶材坯料进行真空热压烧结处理，形成钨钛靶材。本发明所公开的钨钛靶材的制造方法通过冷压成型处理和真空热压烧结及相关工艺参数的设定，制得的靶材致密度大于或者等于99%的钨钛靶材，并且所获得的钨钛靶材微观结构均匀，具有优异的溅射使用性能。同时，本发明的制造方法工艺步骤少，生产速度快。

Description

钨钛靶材的制造方法和钨钛靶材组合的制造方法

技术领域

本发明属于溅射靶材技术领域，特别涉及一种钨钛靶材的制造方法和一种钨钛靶材组合的制造方法。

背景技术

物理气相沉积（PVD，PhysicalVaporDeposition）被广泛地应用在光学、电子、信息等高端产业中，例如：集成电路、液晶显示器（LCD，LiquidCrystalDisplay）、工业玻璃、照相机镜头、信息存储、船舶、化工等。PVD中使用的合金靶材则是集成电路、液晶显示器等制造过程中最重要的原材料之一。

随着PVD技术的不断发展，对合金靶材需求量及质量要求日益提高，合金靶材的晶粒越细，成分组织越均匀，其表面粗糙度越小，通过PVD在硅片上形成的薄膜就越均匀。此外，形成的薄膜的纯度与合金靶材的纯度也密切相关，故PVD后薄膜质量的好坏主要取决于合金靶材的纯度、密度、晶粒度、微观结构等因素。

钨钛靶材是一种比较典型的合金靶材，大规模半导体集成电路、太阳能电池等都会使用钨钛靶材进行PVD镀膜，形成阻挡层。就目前而言，对于溅射用的钨钛靶材的要求通常为钨钛靶材纯度≥99.9％，相对致密度≥99%，微观结构均匀，无裂纹缺陷。

现有技术中，通常采用粉末冶金工艺生产钨钛靶材，但是通过现有的粉末冶金工艺的工艺参数获得的钨钛靶材的硬度值偏高，易出现裂纹，进而使得最终获得的钨钛靶材达不到半导体集成电路及太阳能电池等使用的钨钛靶材的要求。因此，如何可以制造出符合半导体溅射用的钨钛靶材成为目前亟待解决的问题之一。

发明内容

本发明的目的在于提供符合半导体溅射用的钨钛靶材，有鉴于此，本发明提供一种钨钛靶材的制造方法，包括：

在模具中装入钨粉和钛粉的混合粉末；

对所述混合粉末进行冷压成型处理，形成钨钛靶材坯料；

将所述钨钛靶材坯料进行真空热压烧结处理，形成钨钛靶材；

所述真空热压烧结处理包括：

将装有所述钨钛靶材坯料的所述模具放置在真空热压炉内；

将所述真空热压炉抽真空至绝对压强100Pa以下，以5℃/min~10℃/min的升温速度升温至900℃~1100℃，保温60min~90min；

经上述保温处理后，充入惰性气体至所述真空热压炉的相对气压为-0.08MPa~-0.06MPa；利用真空热压炉的压柱对所述模具内的所述钨钛靶材坯料进行加压，所述加压以0.1MPa/min~0.4MPa/min的加压速度加压至最大压强，所述最大压强在20MPa~30MPa之间；以5℃/min~10℃/min的升温速度升温至最高温度，所述最高温度在1100℃~1250℃之间，在所述最大压强和所述最高温度条件下保温保压30min~60min。

可选的，所述冷压成型处理包括将装有所述混合粉末2的所述模具放入静压机进行冷压，所加压强在1MPa～2MPa之间。

可选的，在所述真空热压烧结工艺后，关炉冷却；当所述真空热压炉内温度冷却到200℃以下后，将所述钨钛靶材从模具中取出。

可选的，将所述钨钛靶材进行机械加工，去除其表面的氧化皮、杂质及余量，使得所述钨钛靶材达到所需的尺寸。

可选的，所述模具为石墨模具，在所述模具中包括有多层所述混合粉末时，相邻两层所述混合粉末之间以隔板隔开。

可选的，所述石墨模具包括外模、内模及上、下压头，所述上压头包括能够伸入所述内模的垫片，所述内模限定了模具腔体；真空热压烧结处理后，所述上压头的所述垫片仍凸出于所述模具腔体。

可选的，所述混合粉末中所述钨粉和所述钛粉的质量比为9:1。

本发明还公开了一种钨钛靶材组合的制造方法，包括：

将由如上所述的钨钛靶材的制造方法制得的钨钛靶材进行表面处理，增大其表面粗糙度；

将所述钨钛靶材放到镀镍槽内进行镀镍；

将镀镍后的所述钨钛靶材与背板焊接在一起，形成钨钛靶材组合。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明所公开的钨钛靶材的制造方法通过冷压成型处理和真空热压烧结及相关工艺参数的设定，制得的靶材致密度大于或者等于99%的钨钛靶材，并且所获得的钨钛靶材微观结构均匀，具有优异的溅射性能。同时，本发明的制造方法工艺步骤少，生产速度快。

本发明所公开的钨钛靶材的制造方法，于加压升温阶段在所述真空热压炉内通入惰性气体，该通入气体作为传热介质可以起到对流传热的目的，从而使得所述真空热压炉内部的温度更加均匀，从而使得制得的所述钨钛靶材的性能更好。

本发明所公开的钨钛靶材的制造方法，在装模时，可以在一个模具内装入多层所述混合粉末，从而可以一次成型多个钨钛靶材，提高了生产效率。

附图说明

图1为本发明实施例装有混合粉末的石墨模具的示意图。

具体实施方式

本发明公开了一种钨钛靶材的制造方法，通过在模具中装入钨粉和钛粉的混合粉末，然后对所述混合粉末进行冷压成型处理，形成钨钛靶材坯料，再将所述钨钛靶材坯料进行真空热压烧结处理，形成钨钛靶材。其中，所述真空热压烧结处理包括：将真空热压炉抽真空至绝对压强100Pa以下，以5℃/min~10℃/min的升温速度升温至900℃~1100℃，保温60min~90min。然后充入惰性气体至所述真空热压炉的相对气压为-0.08MPa~-0.06MPa。最后以0.1MPa/min~0.4MPa/min的加压速度加压至最大压强，以5℃/min~10℃/min的升温速度升温至最高温度，所述最高温度在1100℃~1250℃之间，所述最大压强在20MPa~30MPa之间，在所述最大压强和所述最高温度条件下保温保压30min~60min。

以下将结合具体实施例对本发明的具体实施过程作详细描述。

首先选取纯度适宜的钨粉和钛粉作为原材料。优选的，所选钨粉纯度大于或等于3N（钨质量含量不低于99.9%），所述钛粉纯度大于或等于3N（钛质量含量不低于99.9%）。在选择高纯钨粉和所述高纯钛粉的质量比时，通常根据所要制得的靶材的成分来决定相应地质量比。作为一种具体的实施方式，本实施例中所述高纯钨粉和所述高纯钛粉按的质量比9:1，并用混粉机将其进行机械混合。混合均匀后，可以暂时真空包装待用。

请参考图1，图1为本发明实施例装有混合粉末2的石墨模具1的示意图。本实施例中，石墨模具1具有最底部的托盘15，托盘15上设置有下压头14，从图1中的剖示图可以看出，石墨模具1的左右两侧为侧壁12，侧壁12包括内模121和外模122。需要说明的是，内模121的内径通常略大于要形成的钨钛靶材的直径，这样使得拆模后的钨钛靶材具有一定余量供后续机械加工去除。石墨模具1还包括上压头11。其中上压头11包括顶盖111和垫片112，垫片112为可伸入石墨模具1的内模121所形成的腔体内，并且垫片112凸出于内模121所限定出的腔体外一段高度，此高度为图1中所示的H。本实施例中，将混合粉末2装入事先预备的石墨模具1中。如果所述混合粉末2包括有多层，则将相邻的两层混合粉末2之间用隔板隔开，如现在图1所述，在两层混合粉末2之间有隔板13隔开。如果有多层的混合粉末2(如图1中所显示的有五层混合粉末2)，根据要制得的钨钛靶材的尺寸要求，各层混合粉末2的高度可以相等，也可以不相等。

在将所述混合粉末2装入后，保证所述混合粉末2的平面度在2mm以下（即在装入的时候注意摊平混合粉末2使其在所述石墨模具1内尽量平整铺实）。本实施例中，石墨模具1的尺寸根据最终形成钨钛靶材的尺寸来选择。石墨模具1起到成型和保护所述混合粉末2的作用。

在将混合粉末2装入石墨模具1之后，将石墨模具1放入静压机内，所述静压机内设有压柱，当压柱向下移动时即可压实放入石墨模具1内的混合粉末2，形成钨钛靶材坯料。

对所述混合粉末2进行冷压处理是为了向石墨模具1填充更多的所述混合粉末2，使得每个模具多装所述混合粉末2，为后续形成致密的钨钛靶材提供足够的钨钛原料。静压机对所述混合粉末2的压力作用(压力的作用以压强表示)为1MPa~2MPa之间，在压力作用下所述混合粉末2开始产生塑性形变，并且使得压实后的所述混合粉末2的位错密度大幅度增加，有的混合粉末2颗粒间以点接触，有的混合粉末2颗粒相互分开，混合粉末2中钨颗粒与钛颗粒之间保留着较多的空隙。

随着冷压时间的延长，开始产生钨颗粒和钛颗粒间的键连和重排过程，这时钨颗粒和钛颗粒因重排而相互靠拢，晶粒长大，钨颗粒和钛颗粒之间的空隙逐渐消失，即钨颗粒和钛颗粒之间的空隙的总体积迅速减少，钨颗粒和钛颗粒之间的晶界面积逐渐增加，但是这时颗粒间仍以点接触为主，颗粒之间的空隙仍然连通。在这个过程中，钨原子和钛原子发生迁移。钨原子和钛原子的迁移是在表面张力作用下实现的，钨原子和钛原子的迁移可能通过钨原子和钛原子之间的错位滑移、攀移、扩散、扩散蠕变等多种机制完成。其中，扩散机制起主要作用，钨原子和钛原子的扩散使钨颗粒和钛颗粒之间的连通的空隙成为孤立的闭孔，钨颗粒和钛颗粒之间形成的晶界面积较大，所述闭孔大部分位于晶界相交处，少数存在于钨颗粒和钛颗粒的内部。本实施例中，经过上述冷压工艺形成钨钛靶材坯料，制得的所述钨钛靶材坯料结构稳定，具有一定的致密度。因而该静压机的压力作用可将所述混合粉末2预压成型。预压成型是为了将所述混合粉末2压实，调整人工装模造成的表面不平整，以及进一步压实可以多装粉末。

将经过上述冷压工艺后，装有钨钛靶材坯料的石墨模具1放入真空热压炉中。为了石墨模具1固定在真空热压炉，可以通过将托盘15放在真空热压炉的平面内使下压头14固定，再将真空热压炉的压柱固定在上压头11上面，使得上压头11的位置固定。然后抽真空至所述真空热压炉内的绝对压强在100Pa以下。然后以5℃/min~20℃/min的速率将炉温升至900℃~1100℃，并保温60min~90min。

在上述加热过程中，所述钨钛靶材坯料在加热到约1000℃时会发生膨胀。膨胀的原因一方面是因为物体的热胀冷缩性质，但是更重要的是因为，到达一定的温度后，预压成型的所述钨钛靶材坯料内部的原子重排。

本发明利用上述原子重排机制，在发生相应膨胀的时候使所述钨钛靶材坯料充分地保温，并使得整个所述钨钛靶材坯料的体积保持不变(即阻止钨钛靶材坯料膨胀)，这样，一方面使得原子发生相应重排，以产生晶形转变，从而使所述钨钛靶材坯料生成相溶性更好的固溶体，另一方面又防止钨钛靶材坯料体积扩大而破坏整齐的微观结构。本实施例通过将真空热压炉的压柱固定在与石墨模具1刚好相接触的位置，从而防止所述钨钛靶材坯料发生膨胀，即当所述钨钛靶材坯料要发生膨胀时，被所述压柱抵住而无法膨胀，所述能够使得所述钨钛靶材坯料保持体积不变。在该阶段升温速度可以比较大一些，例如选择在10℃/min。

在上述加热升温阶段和保温过后，本实施例开始进行下一阶段的加压和升温。

本实施例为保证该加压和升温阶段温度能够分布均匀，采取在真空热压炉内充入惰性气体作为传热介质的方法，来使得真空热压炉内的温度较为均匀，从而使得所述钨钛靶材坯料的各部分能够被均匀烧结，形成性能良好的钨钛靶材。本实施例通过在所述真空热压炉内通入氩气，使炉内的相对压强达到-0.08MPa~-0.06MPa之间，该部分氩气在炉内进行对流传热，使得炉内温度更均匀。

在通入所述氩气之后缓慢加压，同时进行升温。需要说明的是，在1000℃以下时，真空热压炉采用热电偶来侦测温度。但是温度一旦高于1000℃，热电偶就容易烧坏。因而当温度高于1000℃时，就需要换成红外感应器来测定温度。而由于红外感应器测量温度是利用从炉体传出的红外线来测定的，因而要保证测定到的温度准确和均匀，就需要适当降低升温速度。因而，在此阶段的升温过程中，优选的，升温速度可以在5℃/min~10℃/min之间。本实施例进一步优选的，升温速度选择为5℃/min。当升温至到最高温度后停止升温，最高温度优选为1100℃~1250℃之间。此阶段的加压是通过真空热压炉内的压柱下压来实现的。具体的，通过压柱下压石墨模具1的上压头11，以对模具内的所述钨钛靶材坯料产生压力，加压速度可以在0.1MPa/min~0.4MPa/min之间。本实施例优选的，加压速度选择为0.2MPa/min。当加压至最大压强后停止加压，最大压强优选为20MPa~30MPa之间。当温度和压强都达到最大值时，保温保压30min~60min，然后关炉冷却。

需要说明的是，上面已经说到内模121限定了石墨模具1的模具腔体，在真空热压烧结处理后，上压头11的垫片112(前面已经提到，垫片112为上压头11中可伸入内模121形成的腔体内)未伸入内模121形成的腔体的高度大于后续所述钨钛靶材坯料因烧结而引起的收缩，即在真空热压烧结之后，图1中显示的高度H的值仍然大于零。这样，一方面能够保证在热压烧结过程中，上压头11能够持续提供压力，另一方面保证在热压烧结之后上压头11容易从内模121上取下来(亦即容易进行拆模)。

本制造方法用时390min~450min，可批量化生产，提高效率。

关炉冷却之后，当炉内温度冷却到温度低于200℃时，可开炉取出模具，将钨钛靶材从模具中取出。之后可对所述钨钛靶材进行机械加工，例如将钨钛靶材进行磨削、车削或者线切割等方法，去除表面氧化皮及杂质，在所述机械加工过程中，所述钨钛靶材的单面磨削量大于1mm，从而制得最终尺寸需要的钨钛靶材成品。机械加工后需对成品进行清洗、干燥处理等。

本发明的制造方法工艺步骤少，生产速度快。采用本发明的制造方法能够获得了致密度大于或者等于99%的钨钛靶材，并且所获得的钨钛靶材微观结构均匀，具有优异的溅射使用性能。

本发明还提供了一种钨钛靶材组合的制造方法。钨钛靶材组合通常是指将钨钛靶材与背板焊接在一起形成的整体。本发明钨钛靶材组合的制造方法的实施例中，采用以上所述的钨钛靶材的制造方法制得的钨钛靶材为原料，将所述钨钛靶材进行表面处理，可以采用46#白刚玉，用2kg~4kg的压力对所述钨钛靶材表面进行处理，以增大其表面粗糙度。然后将表面处理后的所述钨钛靶材放到镀镍槽内进行镀镍。所述钨钛靶材表面粗糙度的增大，有利于提高镀镍效率，增加镀镍层厚度。之后将镀镍后的所述钨钛靶材与背板进行焊接，制得钨钛靶材组合。

本说明书中各个部分采用递进的方式描述，每个部分重点说明的都是与其他部分的不同之处，各个部分之间相同相似部分互相参见即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (7)

1.一种钨钛靶材的制造方法，其特征在于，包括：

在模具中装入钨粉和钛粉的混合粉末；

对所述混合粉末进行冷压成型处理，形成钨钛靶材坯料，所述冷压成型处理包括将装有所述混合粉末的所述模具放入静压机进行冷压，所加压强在1MPa～2MPa之间；

将所述钨钛靶材坯料进行真空热压烧结处理，形成钨钛靶材；

所述真空热压烧结处理包括：

将装有所述钨钛靶材坯料的所述模具放置在真空热压炉内；

将所述真空热压炉抽真空至绝对压强100Pa以下，以5℃/min～10℃/min的升温速度升温至900℃～1100℃，保温60min～90min；

经上述保温处理后，充入惰性气体至所述真空热压炉的相对气压为-0.08MPa～-0.06MPa；利用真空热压炉的压柱对所述模具内的所述钨钛靶材坯料进行加压，所述加压以0.1MPa/min～0.4MPa/min的加压速度加压至最大压强，所述最大压强在20MPa～30MPa之间；在1000℃以下时，真空热压炉采用热电偶来侦测温度，当温度高于1000℃时，采用红外感应器来测定温度，以5℃/min～10℃/min的升温速度升温至最高温度，所述最高温度在1100℃～1250℃之间，在所述最大压强和所述最高温度条件下保温保压30min～60min。

2.如权利要求1所述的钨钛靶材的制造方法，其特征在于，在所述真空热压烧结工艺后，关炉冷却；当所述真空热压炉内温度冷却到200℃以下后，将所述钨钛靶材从模具中取出。

3.如权利要求2所述的钨钛靶材的制造方法，其特征在于，将所述钨钛靶材进行机械加工，去除其表面的氧化皮、杂质及余量，使得所述钨钛靶材达到所需的尺寸。

4.如权利要求1所述的钨钛靶材的制造方法，其特征在于，所述模具为石墨模具，在所述模具中包括有多层所述混合粉末时，相邻两层所述混合粉末之间以隔板隔开。

5.如权利要求4所述的钨钛靶材的制造方法，其特征在于，所述石墨模具包括外模、内模及上、下压头，所述上压头包括能够伸入所述内模的垫片，所述内模限定了模具腔体；真空热压烧结处理后，所述上压头的所述垫片仍凸出于所述模具腔体。

6.如权利要求1所述的钨钛靶材的制造方法，其特征在于，所述混合粉末中所述钨粉和所述钛粉的质量比为9:1。

7.一种钨钛靶材组合的制造方法，其特征在于，包括：

将由如权利要求1至6任意一项所述的钨钛靶材的制造方法制得的钨钛靶材进行表面处理，增大其表面粗糙度；

将所述钨钛靶材放到镀镍槽内进行镀镍；

将镀镍后的所述钨钛靶材与背板焊接在一起，形成钨钛靶材组合。