CN104152853B - 玻璃陶瓷靶材及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种玻璃陶瓷靶材，包括合金背板和玻璃陶瓷本体，合金背板为耐高温镍基合金，玻璃陶瓷本体是通过丝网印刷工艺转移玻璃陶瓷粉体在前述合金背板上后烧结制备而成，合金背板与所述玻璃陶瓷本体通过固相扩散方式结合；其制备方法包括：将各原材料粉体混合，高温熔炼后进行淬冷，再通过球磨，烘干、过筛后得到玻璃粉；取有机载体和玻璃粉混合，球磨后得到玻璃浆料；在一合金背板上通过丝网印刷上述玻璃浆料，烘干后进行烧结处理；重复上述步骤直至得到所需厚度的玻璃陶瓷本体，将表面进行抛磨处理，得到玻璃陶瓷靶材。本发明能综合利用合金背板的导电性和导热性，降低靶材电荷积累和降温过程中靶材开裂失效的风险。
Description
技术领域
本发明属于靶材及其制造技术领域，尤其涉及一种磁控溅射用玻璃陶瓷靶材及其制备方法。
背景技术
磁控溅射法是制备薄膜材料的主要技术之一，溅射沉积薄膜的原材料即为靶材。用靶材溅射沉积薄膜的致密度高、附着性好，现已得到广泛应用。根据成份靶材可分为金属靶材、合金靶材和陶瓷化合物靶材三类。玻璃陶瓷是区别于以上三类材料的新型复合材料，由于具有机械强度高、热膨胀性能可调、耐化学腐蚀、低介电损耗等优点，被广泛应用于机械制造、光学、电子、航空航天等工业领域。
玻璃陶瓷是由结晶相和玻璃相组成的新材料，兼具陶瓷和玻璃的优点。因此，将玻璃陶瓷制备成靶材后，通过磁控溅射方法可得到性能优异的玻璃陶瓷涂层。目前，尚无有关玻璃陶瓷靶材制备的报道。由于玻璃陶瓷靶材制备技术要求高，采用铸造法制备的靶材胚体对设备要求苛刻；而粉末冶金法制备的靶材胚体需要的成型压力大，且烧结完成后孔隙率高。因此，玻璃陶瓷靶材不适合采用传统的铸造法与粉末冶金法进行制备。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供一种能综合利用合金背板导电性和导热性、降低靶材电荷积累和降温过程靶材开裂失效风险的玻璃陶瓷靶材，该靶材特别适于用作溅射阴极靶材，还相应提供一种步骤简单、工艺效率高、成本低的前述玻璃陶瓷靶材的制备工艺。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为一种玻璃陶瓷靶材，包括合金背板和玻璃陶瓷本体，所述合金背板为耐高温镍基合金，所述玻璃陶瓷本体是通过丝网印刷工艺转移玻璃陶瓷粉体在前述合金背板上后烧结制备而成，所述合金背板与所述玻璃陶瓷本体通过固相扩散方式结合。
上述的玻璃陶瓷靶材中，优选的，所述玻璃陶瓷本体的厚度为0.5mm～1.5mm，所述合金背板的厚度为1.5mm～2.5mm。
上述的玻璃陶瓷靶材中，优选的，所述靶材为磁控溅射用阴极靶材；其形状可为矩形或圆形。
上述的玻璃陶瓷靶材中，优选的，所述玻璃陶瓷本体为ZnO-Al2O3-SiO2玻璃陶瓷，该玻璃陶瓷本体主要由ZnO、Al2O3、SiO2、BaO、CaCO3、TiO2、Co2O3按38～46∶15～25∶27～31∶1.8～2.7∶1～3∶3～6∶0.2～0.4的质量比混合熔炼制得。
本发明的上述玻璃陶瓷靶材根据溅射沉积原理提出，即带电粒子轰击阴极靶材，使靶材粒子(团)被击溅出并沉积到衬底上成膜；然而，靶材的工作环境严酷，首先靶材需要置于高压电场、磁场环境中，其次是靶材表面工作温度高达300℃～500℃，而另一侧为冷却水强冷，靶材需要承受剧烈的温差，因此作为溅射阴极材料，首先要求阴极靶材能够及时将带电轰击粒子转移，以避免电荷积累而影响溅射效果；其次阴极靶材需要将热量传导至强冷区域，以避免高温造成靶头失效。本发明提出双层结构设计，利用合金材料优秀的导电和导热特性，将合金材料作为玻璃陶瓷靶材的背板使用，从而很好地满足了上述靶材的各项使用要求。
作为一个总的技术构思，本发明还提供一种上述玻璃陶瓷靶材的制备方法，包括如下步骤：
(1)粉体的制备：将包含ZnO、Al2O3、SiO2、BaO、CaCO3、TiO2、Co2O3的各原材料粉体混合均匀，高温熔炼后使用去离子水进行淬冷，再通过球磨进行细化，烘干、过筛后即得到粒度均匀的玻璃粉；
(2)浆料的制备：将有机载体和上述步骤(1)获得的玻璃粉混合，球磨分散均匀后即得到玻璃浆料；
(3)涂层的制备：在一合金背板上通过丝网印刷上述步骤(2)获得的玻璃浆料，烘干后进行烧结处理；
(4)重复上述步骤(3)，直至得到所需厚度的玻璃陶瓷本体，获得靶材胚体；
(5)将上述步骤(4)获得的靶材胚体的表面进行抛磨处理，得到玻璃陶瓷靶材。
上述的制备方法，优选的，所述步骤(1)中，ZnO、Al2O3、SiO2、BaO、CaCO3、TiO2、Co2O3在混合时的质量比为38～46∶15～25∶27～31∶1.8～2.7∶1～3∶3～6∶0.2～0.4，各原材料粉体的纯度均大于99.9％；高温熔炼时温度为1500℃～1600℃(熔炼时间一般为3h左右即可)；所述球磨时的球料比为2～3∶1，球磨时间为8h～12h；所述烘干时的温度为100℃～150℃，烘干时间为20min～30min；所述过筛是指过400～600目筛。
上述的制备方法，优选的，所述步骤(2)中，有机载体与玻璃粉的混合质量比为2～3∶1。所述有机载体的配方包括：丁基卡必醇、柠檬酸三丁酯、羟乙基纤维素、蔗糖酯、聚山梨酯和曲拉通X-100，各成分的质量比为1∶0.165～0.175∶0.015～0.017∶0.04～0.06∶0.04～0.06∶0.014～0.017。
上述的制备方法，优选的，所述步骤(3)中，所述丝网印刷是采用150目～300目丝网；所述烘干过程一般是指丝网印刷后，将涂层在150℃下烘干30min；所述烧结处理过程中，烧结温度为800℃～900℃，烧结时间为10min～15min，升温速度为3℃/min～5℃/min。
上述的制备方法，优选的，所述步骤(4)中，重复次数为5次～25次。
上述的制备方法，优选的，所述步骤(5)中，所述抛磨处理过程所用砂纸为400目～1000目砂纸。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1、本发明的玻璃陶瓷靶材采用合金背板和玻璃陶瓷一体化技术，利用合金背板导电性和导热性好的优势，达到制备玻璃陶瓷靶材的目的，降低了靶材电荷积累和降温过程靶材开裂失效的风险。
2、本发明的玻璃陶瓷靶材采用丝网印刷技术制备在合金背板上，由于尺寸效应，丝网印刷技术显著降低了玻璃陶瓷本体材料的烧结温度，并且致密度高，较铸造法和粉末冶金法制备得到的玻璃陶瓷胚体更适合用作溅射靶材。
3、本发明的玻璃陶瓷靶材烧结处理后的玻璃陶瓷本体表面平整度和粗糙度低，经砂纸抛磨处理即可使用，靶材胚体无需进行机械铣磨加工。
总的来说，本发明利用玻璃陶瓷成型尺寸稳定以及可与金属焊接的特性，通过丝网印刷在合金背板上涂覆溅射本体，再进行烧结处理，可制备成具有合金背板结构的新型玻璃陶瓷靶材，为玻璃陶瓷靶材制备成型和应用提供了一种新的途径。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中玻璃陶瓷靶材的截面示意图。
图2为本发明实施例1中玻璃陶瓷靶材的实物照片。
图例说明：
1、合金背板；2、玻璃陶瓷本体。
具体实施方式
为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。
除非另有定义，下文中所使用的所有专业术语与本领域技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的专业术语只是为了描述具体实施例的目的，并不是旨在限制本发明的保护范围。
除有特别说明，本发明中用到的各种试剂、原料均为可以从市场上购买的商品或者可以通过公知的方法制得的产品。
实施例1：
一种如图1、图2所示本发明的玻璃陶瓷靶材，由下至上包括合金背板1和玻璃陶瓷本体2，为双层结构，其中，合金背板1为Inconel600耐高温镍基合金，厚度为1.5mm；玻璃陶瓷本体2是通过丝网印刷工艺转移陶瓷粉体在前述合金背板上后烧结制备而成，玻璃陶瓷本体2为ZnO-Al2O3-SiO2玻璃陶瓷，该玻璃陶瓷本体主要由ZnO、Al2O3、SiO2、BaO、CaCO3、TiO2、Co2O3按40∶20∶30∶2.7∶3∶4∶0.3的质量比混合熔炼制得，玻璃陶瓷本体的厚度为0.5mm。合金背板1与玻璃陶瓷本体2通过化学结合连接。本实施例中的玻璃陶瓷靶材为直径60mm的圆形靶材，其主要作为磁控溅射用阴极靶材。
本实施例中上述玻璃陶瓷靶材的制备方法，包括以下步骤：
(1)玻璃粉的制备：将包含ZnO、Al2O3、SiO2、BaO、CaCO3、TiO2、Co2O3各原材料粉体按以下质量分数配比混合均匀，各原材料的纯度均大于99.9％，将上述混合料装入刚玉坩埚中，再置于马弗炉中在1500℃下保温3h，高温熔炼后使用去离子水进行淬冷得到玻璃渣，将玻璃渣置于玛瑙球磨罐中，以无水乙醇作为球磨介质，球料比2.5∶1，球磨时间为12h，通过球磨进行细化；球磨完成后将玻璃粉烘干，烘干过程使用温度为150℃，烘干时间为25min，烘干完成后采用400目的分样筛进行过筛处理，得到粒度均匀的玻璃粉；
各原材料粉体的质量分数配比如下：
(2)浆料的制备：取有机载体和上述步骤(1)获得的玻璃粉体混合，有机载体与玻璃粉体的质量比为3∶1，球磨分散均匀后即得到玻璃浆料；球磨转速为400r/min，球磨时间为5h；有机载体的配方包括：丁基卡必醇、柠檬酸三丁酯、羟乙基纤维素、蔗糖酯、聚山梨酯和曲拉通X-100，质量比为1∶0.165∶0.015∶0.06∶0.06∶0.014；
(3)涂层的制备：采用丝网印刷工艺在一合金背板(Inconel600镍基合金板)上均匀印刷上述步骤(2)获得的玻璃浆料，在150℃中烘干30min，其中丝网印刷采用150目丝网；烘干后的涂层进行烧结处理，烧结过程的工艺参数为：烧结温度为900℃，烧结时间为10min，升温速度为3℃/min，烧结处理后获得玻璃陶瓷涂层；
(4)玻璃陶瓷本体的制备：重复上述步骤(3)的过程5次，即可制备得到玻璃陶瓷主体，获得靶材胚体；
(5)表面处理：将上述步骤(4)制备得到的靶材胚体表面用1000目的砂纸进行抛磨处理，即制备得到玻璃陶瓷靶材。
通过上述本实施例方法制得的玻璃陶瓷靶材如图2所示，将其应用于磁控溅射设备上采用射频溅射方式进行镀膜，玻璃陶瓷靶材正常工作，无闪烁、脱落、辉光不均等不良现象。
实施例2：
一种如图1所示本发明的玻璃陶瓷靶材，由下至上包括合金背板1和玻璃陶瓷本体2，为双层结构，其中，合金背板1为Inconel715耐高温镍基合金，厚度为2.0mm；玻璃陶瓷本体2是通过丝网印刷工艺转移陶瓷粉体在前述合金背板1上后烧结制备而成，玻璃陶瓷本体2为ZnO-Al2O3-SiO2玻璃陶瓷，该玻璃陶瓷本体主要由ZnO、Al2O3、SiO2、BaO、CaCO3、TiO2、Co2O3按38∶25∶27∶2.6∶1∶6∶0.4的质量比混合熔炼制得，玻璃陶瓷本体的厚度为1.0mm。合金背板1与玻璃陶瓷本体2通过化学结合连接。本实施例中的玻璃陶瓷靶材为边长为80mm的正方形靶材，其主要作为磁控溅射用阴极靶材。
本实施例中上述玻璃陶瓷靶材的制备方法，包括以下步骤：
(1)玻璃粉的制备：将包含ZnO、Al2O3、SiO2、BaO、CaCO3、TiO2、Co2O3各原材料粉体按以下质量分数配比混合均匀，各原材料的纯度均大于99.9％，将上述混合料装入刚玉坩埚中，再置于马弗炉中在1600℃下保温3h，高温熔炼后使用去离子水进行淬冷得到玻璃渣，将玻璃渣置于玛瑙球磨罐中，以无水乙醇作为球磨介质，球料比2∶1，球磨时间为8h，通过球磨进行细化；球磨完成后将玻璃粉烘干，烘干过程使用温度为100℃，烘干时间为20min，烘干完成后采用600目的分样筛进行过筛处理，得到粒度均匀的玻璃粉；
各原材料粉体的质量分数配比如下：
(2)浆料的制备：取有机载体和上述步骤(1)获得的玻璃粉体混合，有机载体与玻璃粉体的质量比为2∶1，球磨分散均匀后即得到玻璃浆料；球磨转速为400r/min，球磨时间为5h；有机载体的配方包括：丁基卡必醇、柠檬酸三丁酯、羟乙基纤维素、蔗糖酯、聚山梨酯和曲拉通X-100，质量比为1∶0.175∶0.017∶0.04∶0.04∶0.017；
(3)涂层的制备：采用丝网印刷工艺在一合金背板(Inconel715镍基合金板)上均匀印刷上述步骤(2)获得的玻璃浆料，在150℃中烘干30min，其中丝网印刷采用300目丝网；烘干后的涂层进行烧结处理，烧结过程的工艺参数为：烧结温度为800℃，烧结时间为15min，升温速度为5℃/min，烧结处理后获得玻璃陶瓷涂层；
(4)玻璃陶瓷本体的制备：重复上述步骤(3)的过程10次，即可制备得到玻璃陶瓷主体，获得靶材胚体；
(5)表面处理：将上述步骤(4)制备得到的靶材胚体表面用400目的砂纸进行抛磨处理，即制备得到玻璃陶瓷靶材。
通过上述本实施例方法制得的玻璃陶瓷靶材，将其应用于磁控溅射设备上采用射频溅射方式进行镀膜，玻璃陶瓷靶材正常工作，无闪烁、脱落、辉光不均等不良现象。
实施例3：
一种如图1所示本发明的玻璃陶瓷靶材，由下至上包括合金背板1和玻璃陶瓷本体2，为双层结构，其中，合金背板1为GH3030耐高温镍基合金，厚度为2.5mm；玻璃陶瓷本体2是通过丝网印刷工艺转移陶瓷粉体在前述合金背板1上后烧结制备而成，玻璃陶瓷本体2为ZnO-Al2O3-SiO2玻璃陶瓷，该玻璃陶瓷本体主要由ZnO、Al2O3、SiO2、BaO、CaCO3、TiO2、Co2O3按46∶15∶31∶1.8∶3∶3∶0.2的质量比混合熔炼制得，玻璃陶瓷本体的厚度为1.5mm。合金背板1与玻璃陶瓷本体2通过化学结合连接。本实施例中的玻璃陶瓷靶材为直径为76.2mm的圆形靶材，其主要作为磁控溅射用阴极靶材。
本实施例中上述玻璃陶瓷靶材的制备方法，包括以下步骤：
(1)玻璃粉的制备：将包含ZnO、Al2O3、SiO2、BaO、CaCO3、TiO2、Co2O3各原材料粉体按以下质量分数配比混合均匀，各原材料的纯度均大于99.9％，将上述混合料装入刚玉坩埚中，再置于马弗炉中在1550℃下保温3h，高温熔炼后使用去离子水进行淬冷得到玻璃渣，将玻璃渣置于玛瑙球磨罐中，以无水乙醇作为球磨介质，球料比3∶1，球磨时间为10h，通过球磨进行细化；球磨完成后将玻璃粉烘干，烘干过程使用温度为150℃，烘干时间为30min，烘干完成后采用500目的分样筛进行过筛处理，得到粒度均匀的玻璃粉；
各原材料粉体的质量分数配比如下：
(2)浆料的制备：取有机载体和上述步骤(1)获得的玻璃粉体混合，有机载体与玻璃粉体的质量比为2.5∶1，球磨分散均匀后即得到玻璃浆料；球磨转速为400r/min，球磨时间为5h；有机载体的配方包括：丁基卡必醇、柠檬酸三丁酯、羟乙基纤维素、蔗糖酯、聚山梨酯和曲拉通X-100，质量比为1∶0.17∶0.016∶0.05∶0.05∶0.016；
(3)涂层的制备：采用丝网印刷工艺在一合金背板(GH3030镍基合金板)上均匀印刷上述步骤(2)获得的玻璃浆料，在150℃中烘干30min，其中丝网印刷采用250目丝网；烘干后的涂层进行烧结处理，烧结过程的工艺参数为：烧结温度为850℃，烧结时间为12min，升温速度为4℃/min，烧结处理后获得玻璃陶瓷涂层；
(4)玻璃陶瓷本体的制备：重复上述步骤(3)的过程25次，即可制备得到玻璃陶瓷主体，获得靶材胚体；
(5)表面处理：将上述步骤(4)制备得到的靶材胚体表面用800目的砂纸进行抛磨处理，即制备得到玻璃陶瓷靶材。
通过上述本实施例方法制得的玻璃陶瓷靶材，将其应用于磁控溅射设备上采用射频溅射方式进行镀膜，玻璃陶瓷靶材正常工作，无闪烁、脱落、辉光不均等不良现象。
Claims (9)
1.一种玻璃陶瓷靶材，包括合金背板和玻璃陶瓷本体，其特征在于，所述合金背板为耐高温镍基合金，所述玻璃陶瓷本体是通过丝网印刷工艺转移玻璃陶瓷粉体在前述合金背板上后烧结制备而成，所述合金背板与所述玻璃陶瓷本体通过固相扩散方式结合；
所述玻璃陶瓷本体为ZnO-Al2O3-SiO2玻璃陶瓷，该玻璃陶瓷本体主要由ZnO、Al2O3、SiO2、BaO、CaCO3、TiO2、Co2O3按38～46∶15～25∶27～31∶1.8～2.7∶1～3∶3～6∶0.2～0.4的质量比混合熔炼制得。
2.根据权利要求1所述的玻璃陶瓷靶材，其特征在于，所述玻璃陶瓷本体的厚度为0.5mm～1.5mm，所述合金背板的厚度为1.5mm～2.5mm。
3.根据权利要求1所述的玻璃陶瓷靶材，其特征在于，所述玻璃陶瓷靶材为磁控溅射用阴极靶材。
4.一种如权利要求1～3中任一项所述玻璃陶瓷靶材的制备方法，包括如下步骤：
（1）粉体的制备：将包含ZnO、Al2O3、SiO2、BaO、CaCO3、TiO2、Co2O3的各原材料粉体混合均匀，高温熔炼后使用去离子水进行淬冷，再通过球磨进行细化，烘干、过筛后即得到粒度均匀的玻璃粉；本步骤（1）中，ZnO、Al2O3、SiO2、BaO、CaCO3、TiO2、Co2O3在混合时的质量比为38～46∶15～25∶27～31∶1.8～2.7∶1～3∶3～6∶0.2～0.4；高温熔炼时温度为1500℃～1600℃；
（2）浆料的制备：取有机载体和上述步骤（1）获得的玻璃粉混合，球磨分散均匀后即得到玻璃浆料；
（3）涂层的制备：在所述合金背板上通过丝网印刷上述步骤（2）获得的玻璃浆料，烘干后进行烧结处理；
（4）重复上述步骤（3），直至得到所需厚度的玻璃陶瓷本体，获得靶材胚体；
（5）将上述步骤（4）获得的靶材胚体的表面进行抛磨处理，得到玻璃陶瓷靶材。
5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，各原材料粉体的纯度均大于99.9%；所述球磨时的球料比为2～3∶1，球磨时间为8h～12h；所述烘干时的温度为100℃～150℃，烘干时间为20min～30min；所述过筛是指过400～600目筛。
6.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（2）中，有机载体与玻璃粉的混合质量比为2～3∶1；所述有机载体的配方包括：丁基卡必醇、柠檬酸三丁酯、羟乙基纤维素、蔗糖酯、聚山梨酯和曲拉通X-100，且各成分的质量比为1∶0.165～0.175∶0.015～0.017∶0.04～0.06∶0.04～0.06∶0.014～0.017。
7.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，所述丝网印刷是采用150目～300目丝网；所述烧结处理过程中，烧结温度为800℃～900℃，烧结时间为10min～15min，升温速度为3℃/min～5℃/min。
8.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（4）中，重复次数为5次～25次。
9.根据权利要求4或5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤（5）中，所述抛磨处理过程所用砂纸为400目～1000目砂纸。
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