CN110714142A - 一种Al-Sc-X多元合金靶材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于合金靶材及粉末冶金材料加工技术领域，具体提供了一种Al‑Sc‑X多元合金靶材，所述Al‑Sc‑X合金靶材由以下重量百分比计的组分组成：50％～98％Al，1％～48％Sc，1％～49％X，其中所述X为Si、Mg、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Y、Nb、Mo、Ta、W和Ag中的一种或多种，该合金靶材可以拓展铝钪合金靶材应用范围。本发明进一步提供了一种Al‑Sc‑X多元合金靶材的制备方法，该方法采用粉末冶金热压烧结制备合金靶材，解决了与Al的熔点相差较大的金属与Al难以实现冶金结合的问题，且Sc和X不易发生氧化反应，该方法制备流程短，技术参数控制准确，适合批量生产。

Description

一种Al-Sc-X多元合金靶材及其制备方法

技术领域

本发明涉及合金靶材及粉末冶金材料加工技术领域，具体涉及一种Al-Sc-X多元合金靶材及其制备方法。

背景技术

真空溅射镀膜技术是针对金属、陶瓷、玻璃、高分子等各种材料表面处理和表面改性的一种重要技术，通过在各种材料表面的真空溅射镀膜，可以调整和改善各种材料的表面物理、化学特性，从而提高材料在特定应用场景下的服役性能。目前，真空溅射镀膜技术已经在电子半导体材料、医学材料、建筑用材、工模具材料等众多领域获得广泛应用。

真空溅射镀膜进行材料表面改性处理的关键应用技术之一，是将固态靶材中的元素在电离作用下直接升华，获得在真空环境下的元素离子态，从而沉积在需要进行表面处理的零件表层，实现其表层的性能改进。在此过程中，真空溅射镀膜技术需要使用的重要耗材是靶材，只有性能满足镀膜技术要求的靶材，才能激发出合适的元素离子，获得真空溅射镀膜膜层。

在不同应用领域，真空溅射镀膜会应用到不同种类的靶材。例如在电子半导体行业，会用到高纯度的金属铝靶材、金属钼靶材或者硅铝合金靶材来制备膜层；在低辐射建筑玻璃上，会用到金属硅、金属银靶材或者铟锡合金靶材；在液晶显示屏上会用到氧化锡铟陶瓷靶材；在医学材料、工具模具上会用到金属钛、钛合金、氧化钛等靶材。因此，不同种类的靶材有其专用的真空溅射镀膜应用领域，为不同的材料提供不同的表面膜层特性。因此，开发不同种类的靶材并将其应用到该靶材适合的领域里，是目前从事新材料研发和表面处理新技术应用的重要研究方向。

铝钪合金靶材可以在集成电路配线材料上使用，可以减少使用高纯铝靶材在高温溅镀制造过程中的断线现象，将配线的耐热温度提高到500℃，还可以有效地防止与铝原子流出、断线有关的电子迁移，适用于大规模集成电路制造工艺。

铝钪合金靶材的制备有明显的工艺难度，这是因为铝的熔点是660℃，钪的熔点是1541℃，相差很大，而且钪在高温下极易氧化，很难制备含钪量高的铝钪合金靶材。专利CN201110288762.2和专利CN200410046915.2利用铝热还原法制备铝钪中间合金，但是无法做成靶材。专利CN201510185516.2是制备铝钪旋转靶材，采用电弧喷涂方法在不锈钢管基体上，喷涂铝钪粉末制成旋转靶材，铝钪合金靶材在不锈钢管上的厚度为3～15mm，致密度97％。专利CN201811144477是通过冷坩埚悬浮熔炼结合变频电磁搅拌制备铝钪合金靶坯，铝、钪元素的质量百分数之和＞99.95％，铝钪合金靶坯中二次析出相体积百分数为5～25％。专利CN201711310758是将钪金属和铝金属按配比投入真空熔炼炉中，抽真空至真空度为0.1-1.0Pa；然后充入惰性保护气体进行熔炼。专利CN201810344642.1和专利CN201610677045采用粉末热压烧结制备技术制备了不同钪含量的二元铝钪合金靶材。

上述针对铝钪合金靶材生产采用的铝热还原法、真空熔炼法、粉末喷涂法、热压烧结法，可以获得不同成分的二元铝钪合金，但当需要制备三元甚至三元以上的合金时，这些方法都有其局限性，而在铝钪基合金中，添加更多的合金组元获得多元合金靶材，是拓展铝钪合金应用范围，获得其他特性膜层的关键。因此，如何设计三元及以上的铝钪基合金靶材并制备成靶材在现有技术中少有涉及。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种Al-Sc-X合金靶材及其制备方法，其目的是为了在铝钪二元合金基础上，结合粉末冶金制备Al-Sc-X系列的多元合金靶材，其中X为Si、Mg、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Y、Nb、Mo、Ta、W和Ag中的一种或多种，所述X的选用可以根据实际应用领域进行合理添加，拓宽铝钪合金的应用范围。

为了达到上述目的，本发明首先提供了一种Al-Sc-X多元合金靶材，所述Al-Sc-X合金靶材按以下重量百分比计的组分组成，包括50％～98％Al，1％～48％Sc，1％～49％X，其中所述X为Si、Mg、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Y、Nb、Mo、Ta、W和Ag中的一种或多种

作为总的一个发明构思，本发明进一步提供了一种所述Al-Sc-X多元合金靶材的制备方法，包括如下步骤：

S1:取Al粉、Sc粉和X粉在保护气体保护下进行混合，得混合金属粉末，所述Al的纯度为99.9％以上，所述Sc的纯度为99.9％以上，所述X粉的纯度为99.9％以上；

S2：将步骤S1所述混合金属粉末装入石墨模具中预压制，所述预压制的压力为1MPa～10Mpa；

S3：将步骤S2中所述装有混合金属粉末的石墨模具在烧结炉中进行热压烧结，烧结温度为500℃～1200℃，烧结压力为10Mpa～150Mpa，烧结时间为10min～180min；

S4：将步骤S3所述的热压烧结后装有混合金属粉末的石墨模具降温至50℃以下、卸载压力、破真空及脱模，得到Al-Sc-X合金靶材。

具体的，作为一种优选方案，步骤S1所述Al粉的粒度范围为2μm～100μm，所述Sc粉的粒度范围为10μm～200μm，所述X粉的粒度范围为2μm～100μm。

具体的，作为一种优选方案，步骤S1所述保护气体为惰性气体或氮气。

具体的，作为一种优选方案，所述步骤S2还可以为：将步骤S1所述金属粉末装入钢制模具中压制成型得到粉末坯料，压制的压力为10MPa～100Mpa，然后再将所述粉末坯料转移至石墨模具中进行预压制。

具体的，作为一种优选方案，步骤S3所述热压烧结前先将所述烧结炉进行密封和抽真空，所述烧结炉的真空度为6.7×10^-2～6.7×10^-3Pa。

具体的，作为一种优选方案，步骤S3所述烧结炉中充有惰性气体，所述充惰性气体和抽真空交替进行三次以上。

具体的，作为一种优选方案，步骤S4所述降温速度为2℃/min～20℃/min。

作为总的一个发明构思，本发明进一步提供了所述的制备方法制备得到的Al-Sc-X多元合金靶材在真空溅射镀膜技术上的应用。

本发明具有如下有益效果：

1、本发明提供的一种Al-Sc-X多元合金靶材在铝钪合金靶材的基础上，添加其他合金组元，调整合金靶材的性能，从而在真空溅射时形成新的膜层，可以满足不同应用条件下对合金膜层的需求。例如，在铝钪合金靶材中添加过渡族元素Ti、Cr、V、W等，可以进一步提高膜层的耐热性能；在铝钪合金中添加Nb、Mo、Ta、Co等，可以进一步提高膜层的电磁屏蔽性能；添加Si、Ag、Mg、Ni、Cu、Mn、Y等元素，可以改善合金靶材的导电、耐蚀等物理和化学特性，因此上述第三、第四组元或者更多组元合金元素添加拓宽了铝钪合金的应用范围。

2、本发明提供的所述Al-Sc-X多元合金靶材制备方法可以有效克服熔炼、铸造等制备技术因合金元素熔点差距大、元素润湿性差别大、合金铸造时流动性差、以及合金元素易氧化等原因造成难以实现第三、第四组元元素添加的问题。本发明采用的粉末冶金的制备技术方案，在Al-Sc合金粉末中添加不同性质的第三、第四甚至更多种类元素X，该元素X不仅与Sc不会发生氧化反应而造成Sc的损失，而且可以是熔点与Al相差很大的合金元素，在粉末烧结过程中通过热扩散实现与Al的冶金结合。本发明制备的Al-Sc-X多元合金靶材工艺流程短，技术参数控制准确，质量有保证，同时生产成本低，适合批量化生产。

3、本发明制备方法中，将混合金属粉末装入石墨模具中预压制过程中，中间不进行放置停留，主要是为了减少所述金属粉末的氧化，另外为了减少混合金属粉末在钢制模具中进行压制的过程中发生氧化，或者压制成型困难的情况也可以不需要先将所述混合金属粉末装入钢制模具中进行压制。

附图说明

图1(a)为Al-Sc-Cr合金靶材；(b)为Al-Sc-Cr合金靶材显微组织；

图2(a)为Al-Sc-Mg合金靶材；(b)为Al-Sc-Mg合金靶材显微组织；

图3(a)为Al-Sc-W合金靶材；(b)为Al-Sc-W合金靶材显微组织；

图4(a)为Al-Sc-Y合金靶材；(b)为Al-Sc-Y合金靶材显微组织。

图5(a)为Al-Sc-Cr-Si合金靶材；(b)为Al-Sc-Cr-Si合金靶材显微组织。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。在不背离本发明精神和实质的情况下，对本发明方法、步骤或条件所作的修改或替换，均属于本发明保护的范围。

实施例1

本发明的实施例1提供了一种Al-Sc-Cr三元合金靶材及其制备方法，按照重量百分比计，所述Al-Sc-Cr合金靶材包括75％的Al、3％的Sc和22％的Cr。

所述Al-Sc-Cr三元合金靶材的制备方法步骤如下：

S1：采用电子天平分别称取重量百分含量为75％Al粉，重量百分含量为3％的Sc粉及重量百分含量为22％的Cr粉，其中铝粉的平均粒度是100μm；钪粉的平均粒度是200μm；Cr粉的平均粒度是100μm；

S2：将步骤S1中称取的Al粉、Sc粉和Cr粉放入混料机中进行混料。为确保混合均匀及混料过程中不产生氧化，混料筒需密封并充氩气进行保护，混料的时间为60min；

S3：打开混料筒，将所述混合后的金属粉末装入钢制模具中进行压制成型得到金属粉末坯料，压制的压力为100Mpa；其中，在将混料筒打开后，混合后的金属粉末不要放置停留，而是直接装入钢制模具中进行压制成型，所述方式同样是为了避免混料发生氧化；

S4：将成型后的金属粉末坯料转移至石墨模具中进行预压制，压制的压力为10MPa；

S5：将步骤4中装有金属粉末坯料的石墨模具放置在烧结炉中，将烧结炉进行密封，密封后抽真空，重复抽真空-充氩气三次以上，确保真空度达到6.7×10^-3Pa；

S6：升温烧结，烧结的温度为1200℃，因为铬的熔点高，需要高温高压长时间的条件来确保铝粉、钪粉和铬粉可以实现冶金结合，烧结的压力为150Mpa，烧结的时间为180min，确保在高温和压力下Al-Sc-Cr元素之间扩散均匀；

S7：缓慢降温，降温速度为20℃/min，当温度下降到50℃以下时，可以卸载压力，破真空，脱模，取出烧结好的Al-Sc-Cr合金靶材。温度下降到50℃之前，都要一直保持有一定的压力，确保合金靶材尺寸不发生改变。

采用所述方法制备得到的Al-Sc-Cr三元合金靶材如图1(a)所示，图(b)是所述Al-Sc-Cr三元合金靶材显微组织，由于Cr的高熔点，可以使得溅射的氧化膜耐热性能获得提升。

实施例2

本发明的实施例2提供了一种Al-Sc-Mg三元合金靶材及其制备方法，按照重量百分比计，所述Al-Sc-Mg合金靶材包括98％的Al、1％的Sc和1％的Mg。

所述Al-Sc-Mg三元合金靶材的制备方法步骤如下：

S1：采用电子天平分别称取重量百分含量为98％的Al粉，重量百分含量为1％的Sc粉及重量百分含量为1％的Mg粉，其中铝粉的平均粒度是2μm；钪粉的平均粒度是10μm；Mg粉的平均粒度是2μm；

S2：将步骤S1中称取的Al粉、Sc粉和Mg粉放入混料机中进行混料。为确保混合均匀及混料过程中不产生氧化，混料筒需密封并充氮气进行保护，混料的时间60min；

S3：打开混料筒，将所述混合后的金属粉末直接装入石墨模具中进行预压制，使混合金属粉末可以充分填充到石墨模具的各个部位，在石墨模具中金属粉末的压制压力为1Mpa；其中，在打开混料筒后，将所述混合后的金属粉末直接装入石墨模具中，中间不进行放置停留，主要是为了减少所述金属粉末的氧化，同时为了减少混合金属粉末在钢制模具中进行压制的过程中发生氧化，或者压制成型困难的情况也可以不需要先将所述混合金属粉末装入钢制模具中进行压制。

S4：将步骤S3中装有金属粉末坯料的石墨模具放置在烧结炉中，将烧结炉进行密封，密封后抽真空，重复抽真空-充氮气三次以上，确保真空度为6.7×10^-2Pa；

S5：升温烧结，烧结的温度为500℃，因为Mg的熔点与Al接近，因此烧结时采用较低的烧结温度、压力和较短的烧结时间，确保铝粉、钪粉和镁粉实现冶金结合而不会造成镁粉的过烧和氧化，当烧结的温度上升至500℃以后，保持稳定的烧结温度、烧结压力和烧结时间，烧结的压力为10Mpa，烧结的时间为10min，确保在高温和压力下Al-Sc-Mg元素之间扩散均匀；

S6：缓慢降温，降温速度为2℃/min，当温度下降到50℃以下时，卸载压力，破真空，脱模，取出烧结好的Al-Sc-Mg合金靶材。在温度下降到50℃之前，都要一直保持有一定的压力，确保合金靶材尺寸不发生改变。

采用所述方法制备得到的Al-Sc-Mg三元合金靶材如图2(a)所示，图2(b)是所述Al-Sc-Mg三元合金靶材显微组织，由于镁与铝形成的化合物具有更好的耐蚀性能，因此膜层的导电性和耐腐蚀性能获得提升。

实施例3

本发明的实施例3提供了一种Al-Sc-W三元合金靶材及其制备方法，按照重量百分比计，所述Al-Sc-W合金靶材包括50％的Al、48％的Sc和2％的W。

所述Al-Sc-W三元合金靶材的制备方法步骤如下：

S1：采用电子天平分别称取重量百分含量为50％的Al粉，重量百分含量为48％的Sc粉及重量百分含量为2％的W粉，其中铝粉的平均粒度是20μm；钪粉的平均粒度是20μm；W粉的平均粒度是20μm；

S2：将步骤S1中称取的Al粉、Sc粉和W粉放入混料机中进行混料；为确保混合均匀及混料过程中不产生氧化，混料筒需密封并充氮气进行保护，混料的时间60min；

S3：打开混料筒，将所述混合后的金属粉末装入钢制模具中进行压制成型得到金属粉末坯料，压制的压力为10MPa；

S4：将所述金属粉末坯料装入石墨模具中进行预压制，石墨模具中金属粉末的压制压力为5MPa；

S5：将装有所述金属粉末坯料的石墨模具放置在烧结炉中，将所述烧结炉进行密封，密封后抽真空，重复抽真空-充氩气三次以上，确保真空度达到6.7×10^-3Pa；

S6：升温烧结，烧结温度为1200℃，因为钨的熔点高，需要高温高压长时间的条件来确保铝粉、钪粉和钨粉可以实现冶金结合。当烧结温度升温到设定温度后，保持稳定的烧结温度、烧结压力和烧结时间，一般烧结温度、压力和时间有一定对应关系，压力维持在100MPa，烧结时间控制在120min之间，确保在高温和压力下Al-Sc-W元素之间扩散均匀；

S7：在上述烧结温度和烧结时间完成后，开始缓慢降温，降温速度为10℃/min，在降温过程中，维持恒定的压力或者缓慢降低压力，在温度下降到50℃之前，都要一直保持有一定的压力，确保合金靶材尺寸不发生改变，当温度下降到50℃以下时，可以卸载压力，破真空，脱模，取出烧结好的Al-Sc-W合金靶材。

采用所述方法制备得到的Al-Sc-W三元合金靶材如图3(a)所示，图3(b)是所述Al-Sc-W三元合金靶材显微组织。由于W的熔点很高，膜层中含W可以有效提升膜层的耐热性能。

实施例4

本发明的实施例4提供了一种Al-Sc-Y三元合金靶材及其制备方法，按照重量百分比计，所述Al-Sc-Y合金靶材包括90％的Al、5％的Sc和5％的Y。

所述Al-Sc-Y三元合金靶材的制备方法步骤如下：

S1：采用电子天平分别称取重量百分含量为90％的Al粉，重量百分含量为5％的Sc粉及重量百分含量为5％的Y粉，其中铝粉的平均粒度是50μm；钪粉的平均粒度是100μm；Y粉的平均粒度是50μm；

S2：将步骤S1中称取的Al粉、Sc粉和W粉放入混料机中进行混料；为确保混合均匀及混料过程中不产生氧化，混料筒需密封并充氩气进行保护，混料的时间60min；

S3：打开混料筒后，混合的粉末不要放置停留，将混合好的金属粉末装入钢制模具中进行压制成型，压制压力为10MPa；

S4：将成型后的粉末坯料转移到后续烧结的石墨模具中进行预压制，在石墨模具中，为了减少石墨模具中的空气，一般在石墨模具中金属粉末的压制压力为5MPa；

S5：将装好金属坯料的石墨模具放置在烧结炉中，将烧结炉密封后开始抽真空，重复抽真空-充氩气三次以上，确保真空度达到6.7×10^-2Pa；

S6：升温烧结，烧结温度为1000℃，这样确保铝粉、钪粉和Y粉可以实现冶金结合；当烧结温度升温到设定温度后，保持稳定的烧结温度、烧结压力和烧结时间，压力维持在50MPa，烧结时间控制在30min，确保在高温和压力下Al-Sc-Y元素之间扩散均匀；

S7：缓慢降温，降温速度为10℃/min，在降温过程中，维持恒定的压力或者缓慢降低压力，在温度下降到50℃之前，都要一直保持有一定的压力，确保合金靶材尺寸不发生改变，当温度下降到50℃以下时，可以卸载压力，破真空，脱模，取出烧结好的合金靶材。

采用所述方法制备得到的Al-Sc-Y三元合金靶材如图4(a)所示，图4(b)是所述Al-Sc-Y三元合金靶材显微组织。由于Y与Sc是周期表中同族元素，两者性质相近，加入到Al-Sc合金靶材中，可以加强Sc在膜层中的作用。

实施例5

本发明的实施例1提供了一种Al-Sc-Cr-Si四元合金靶材及其制备方法，按照重量百分比计，所述Al-Sc-Cr-Si合金靶材包括72％的Al、3％的Sc和22％的Cr，3％的Si。

所述Al-Sc-Cr-Si四元合金靶材的制备方法步骤如下：

S1：采用电子天平分别称取重量百分含量为72％Al粉，重量百分含量为3％的Sc粉、重量百分含量为22％的Cr粉、重量百分含量为3％的Si粉，其中铝粉的平均粒度是20μm；钪粉的平均粒度是30μm；铬粉的平均粒度是100μm；硅粉平均粒度是20μm

S2：将步骤S1中称取的Al粉、Sc粉、Cr粉和Si粉放入混料机中进行混料。为确保混合均匀及混料过程中不产生氧化，混料筒需密封并充氩气进行保护，混料的时间为60min；

S3：打开混料筒，将所述混合后的金属粉末装入钢制模具中进行压制成型得到金属粉末坯料，压制的压力为50Mpa；其中，在将混料筒打开后，混合后的金属粉末不要放置停留，而是直接装入钢制模具中进行压制成型，所述方式同样是为了避免混料发生氧化；

S4：将成型后的金属粉末坯料转移至石墨模具中进行预压制，压制的压力为10MPa；

S5：将步骤4中装有金属粉末坯料的石墨模具放置在烧结炉中，将烧结炉进行密封，密封后抽真空，重复抽真空-充氩气三次以上，确保真空度达到6.7×10^-3Pa；

S6：升温烧结，烧结的温度为1000℃，烧结的压力为150Mpa，烧结的时间为180min，确保在高温和压力下Al-Sc-Cr-Si元素之间扩散均匀；

S7：缓慢降温，降温速度为20℃/min，当温度下降到50℃以下时，可以卸载压力，破真空，脱模，取出烧结好的Al-Sc-Cr-Si合金靶材。温度下降到50℃之前，都要一直保持有一定的压力，确保合金靶材尺寸不发生改变。

采用所述方法制备得到的Al-Sc-Cr-Si四元合金靶材如图5(a)所示，图5(b)是所述Al-Sc-Cr-Si四元合金靶材显微组织，由于Cr和Si的配合，可以使得溅射的膜层耐热性能、硬度同时得到提升。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (9)

1.一种Al-Sc-X多元合金靶材，其特征在于，由以下重量百分比计的组分组成：50％～98％Al，1％～48％Sc，1％～49％X，其中所述X为Si、Mg、Ti、V、Cr、Mn、Co、Ni、Cu、Y、Nb、Mo、Ta、W和Ag中的一种或多种。

2.一种如权利要求1所述的Al-Sc-X多元合金靶材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1:取Al粉、Sc粉和X粉在保护气体保护下进行混合，得混合金属粉末，所述Al的纯度为99.9％以上，所述Sc的纯度为99.9％以上，所述X粉的纯度为99.9％以上；

S2：将步骤S1所述混合金属粉末装入石墨模具中预压制，所述预压制的压力为1MPa～10Mpa；

S3：将步骤S2中所述装有混合金属粉末的石墨模具在烧结炉中进行热压烧结，烧结温度为500℃～1200℃，烧结压力为10Mpa～150Mpa，烧结时间为10min～180min；

S4：将步骤S3所述的热压烧结后装有混合金属粉末的石墨模具降温至50℃以下、卸载压力、破真空及脱模，得到Al-Sc-X合金靶材。

3.根据权利要求2所述的Al-Sc-X多元合金靶材的制备方法，其特征在于，步骤S1所述Al粉的粒度范围为2μm～100μm，所述Sc粉的粒度范为10μm～200μm，所述X粉的粒度范围为2μm～100μm。

4.根据权利要求2所述的Al-Sc-X多元合金靶材的制备方法，其特征在于，步骤S1所述保护气体为氮气或惰性气体。

5.根据权利要求2所述的Al-Sc-X多元合金靶材的制备方法，其特征在于，所述步骤S2还可以为：将步骤S1所述金属粉末装入钢制模具中压制成型得到粉末坯料，压制的压力为10MPa～100Mpa，然后再将所述粉末坯料转移至石墨模具中进行预压制。

6.根据权利要求2所述的Al-Sc-X多元合金靶材的制备方法，其特征在于，步骤S3所述热压烧结前先将所述烧结炉进行密封和抽真空，所述烧结炉的真空度为6.7×10^-2～6.7×10^-3Pa。

7.根据权利要求6所述的Al-Sc-X多元合金靶材的制备方法，其特征在于，步骤S3所述烧结炉中充有惰性气体，所述充惰性气体和抽真空交替进行三次以上。

8.根据权利要求2所述的Al-Sc-X多元合金靶材的制备方法，其特征在于，步骤S4所述降温速度为2℃/min～20℃/min。

9.一种如权利要求1所述的Al-Sc-X多元合金靶材或如权利要求2-8所述的制备方法制备得到的Al-Sc-X多元合金靶材在真空溅射镀膜技术上的应用。

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