CN111996507A - 一种铬硅溅射靶材的制备方法 - Google Patents

一种铬硅溅射靶材的制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种铬硅溅射靶材的制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)将铬粉以及硅粉混合，并将混合粉料加入模具内压实；(2)将所述模具在真空条件下烧结，所述烧结包括第一保温阶段、第二保温阶段以及第三保温阶段；(3)烧结后所述模具在惰性气氛下冷却，得到所述铬硅溅射靶材。所述制备方法得到的铬硅溅射靶材的致密度＞99％的铬硅靶材，满足磁控溅射对靶材纯度和密度要求。

Description

一种铬硅溅射靶材的制备方法
技术领域
本发明属于合金靶材领域，涉及一种靶材的制备方法，尤其涉及一种铬硅溅射靶材的制备方法。
背景技术
溅射是制备薄膜材料的主要技术之一，它利用离子源产生的离子，在真空中经过加速聚集，而形成高速度能的离子束流，轰击固体表面，离子和固体表面原子发生动能交换，使固体表面的原子离开固体并沉积在基底表面，被轰击的固体是制备溅射法沉积薄膜的原材料，一般被称为溅射靶材。
铬硅合金靶材是一种新型的合金靶材，作为一种真空溅镀的良好导体，可以用于电子栅门材料及电子薄膜领域。为了使铬硅合金溅射靶材在进行真空溅镀时发挥良好的性能，要求铬硅溅射合金靶材具有较高的致密度，靶材完整无气孔、疏松等内部缺陷且内部组织结构较为均匀。
近年国内对高纯度铬硅靶材的需求量大幅增长，目前国内生产的铬硅靶材密度低，无法满足高端电子行业对于靶材质量的要求，仅仅部分用于低端产品中。目前世界上只有日本、美国等少数发达国家和地区能生产高纯度高密度铬硅靶材，研制开发铬硅靶材生产技术是打破国外垄断，降低微电子行业成本的有力手段。
CN104227000A公开了一种铬靶材的生产方法，具体步骤如下：(1)将粒度为60目～320目和粒度为320目～500目的金属铬粉混合均匀，烘干备用，所述粒度为60目～320目的金属铬粉与粒度为320目～500目的金属铬粉的质量比为5:3～9:2；(2)将步骤(1)混合的金属铬粉加入到冷压模具内，用700Mpa～1000Mpa压力冷压成型，保压10s～120s，压制尺寸为Φ50×5.0mm～Φ120×6.8mm实心圆柱体铬靶材坯料；(3)用包覆纸将铬靶材坯料表面包覆，装入热压模具内，入炉；(4)抽真空至0～15pa，升温至300℃～400℃，保温10min～30min，继续升温至600℃～800℃，停止加热，启动热压设施，对正热压设施的上下压头，对铬靶材坯料8Mpa～12Mpa压力下预热压60s～90s；关闭热压设施，继续升温至1300℃～1600℃，保温30min～120min，停电；(5)启动热压设施，用20Mpa～100Mpa压力热压成型，保压10min～100min，降温至≤100℃后出炉，得到铬靶材。该靶材仅适用于纯铬靶材的制备，并不使用铬硅靶材的制备。
CN107267939A公开了一种旋转铬靶材及其制备方法，制备方法步骤如下：步骤一：将基体表面进行喷砂清理，并喷涂打底层；步骤二：使用热喷涂设备将铬粉末或铬丝喷涂在基体表面；步骤三：对靶材表面进行剖光处理，并对其进行两端进行机加工处理。该旋转铬靶材密度为6.2～6.9g/cm3，所述旋转铬靶材的氧含量为1000～5000ppm，所述旋转铬靶材的氮含量为1000～10000ppm。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种铬硅溅射靶材的制备方法，所述制备方法得到的铬硅溅射靶材的致密度＞99％的铬硅靶材，满足磁控溅射对靶材纯度和密度要求。
为达上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供一种铬硅溅射靶材的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将铬粉以及硅粉混合，并将混合粉料加入模具内压实；
(2)将所述模具在真空条件下烧结，所述烧结包括第一保温阶段、第二保温阶段以及第三保温阶段；
(3)烧结后所述模具在惰性气氛下冷却，得到所述铬硅溅射靶材。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述铬粉以及硅粉在球磨条件下混合。
本发明中，所述铬粉以及硅粉的比例可以根据靶材的溅射需求进行具体调整，因此本发明中不做具体限定。
优选地，步骤(1)所述球磨的球料比为1:10～12，如1:10.2、1:10.5、1:10.8、1:11、1:11.2、1:11.5或1:11.8等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(1)所述混合的时间不低于24h，如28h、32h、36h、40h、44h或48h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述铬粉的粒度＜45μm，如5μm、10μm、15μm、20μm、25μm、30μm、35μm或40μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(1)所述硅粉的粒度为3～5μm，如3.2μm、3.5μm、3.8μm、4μm、4.2μm、4.5μm或4.8μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述压实后模具中粉体的平面度＜0.5mm，如0.1mm、0.2mm、0.3mm或0.4mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述第一保温阶段的真空度小于40Pa，如5Pa、10Pa、15Pa、20Pa、25Pa、30Pa或35Pa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述第一保温阶段的温度为900～1000℃，如910℃、920℃、930℃、940℃、950℃、960℃、970℃、980℃或990℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述第一保温阶段的升温速率为8～10℃/min，如8.2℃/min、8.5℃/min、8.8℃/min、9℃/min、9.2℃/min、9.5℃/min或9.8℃/min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述第一保温阶段的时间为1～2h，如1.1h、1.2h、1.3h、1.4h、1.5h、1.6h、1.7h、1.8h或1.9h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述第一保温阶段升温过程中当真空度大于50Pa时，需泄压至40Pa以下。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述第二保温阶段的温度为1050～1100℃，如1060℃、1070℃、1080℃或1090℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述第一保温阶段升温至第二保温阶段的升温速率为5～6℃/min，如5.1℃/min、5.2℃/min、5.3℃/min、5.4℃/min、5.5℃/min、5.6℃/min、5.7℃/min、5.8℃/min或5.9℃/min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述第二保温阶段的时间为1～2h，如1.1h、1.2h、1.3h、1.4h、1.5h、1.6h、1.7h、1.8h或1.9h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述第二保温结束后在60min内加压至210T进行第三保温阶段。其中，加压的时间可以是10min、15min、20min、25min、30min、35min、40min、45min、50min或55min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述第三保温阶段的时间为2～3h，如2.1h、2.2h、2.3h、2.4h、2.5h、2.6h、2.7h、2.8h或2.9h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，步骤(3)所述惰性气氛包括氩气、氮气或氦气中的任意一种。
优选地，步骤(3)所述惰性气氛的压力为-0.06～-0.08MPa，如-0.062MPa、-0.065MPa、-0.068MPa、-0.07MPa、-0.072MPa、-0.075MPa或-0.078MPa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(3)所述冷却至＜200℃，如50℃、60℃、80℃、100℃、120℃、150℃或180℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，所述制备方法以粉末冶金为基础，结合真空烧结，通过三段保温的煅烧涉及，有效提高了铬硅靶材的致密度，烧结出的铬硅靶材内部无缺陷，且微观结构均匀。
作为本发明优选的技术方案，上述铬硅溅射靶材的制备方法包括以下步骤：
(1)将铬粉以及硅粉在球磨下混合不低于24h，所述球磨的球料比为1:10～12，所述铬粉的粒度＜45μm，所述硅粉的粒度为3～5μm，并将混合粉料加入模具内压实，压实后模具中粉体的平面度＜0.5mm；
(2)将所述模具在真空条件下烧结，所述烧结包括第一保温阶段、第二保温阶段以及第三保温阶段；
所述第一保温阶段的真空度小于40Pa，温度为900～1000℃，升温速率为8～10℃/min，时间为1～2h；
所述第二保温阶段的温度为1050～1100℃，所述第一保温阶段升温至第二保温阶段的升温速率为5～6℃/min，时间为1～2h；
第二保温结束后在60min内加压至210T进行第三保温阶段，时间为2～3h；
(3)烧结后所述模具在惰性气氛下冷却至＜200℃，惰性气氛的压力为-0.06～-0.08MPa，得到所述铬硅溅射靶材。
与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供一种铬硅溅射靶材的制备方法，所述制备方法可以制备得到致密度≥99％，无缺陷且微观结构均匀的靶材，所述铬硅靶材具有优异的溅射使用性能。
附图说明
图1是本发明具体实施方式使用的铬硅溅射靶材的制备方法的流程示意图。
下面对本发明进一步详细说明。但下述的实例仅仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明的保护范围以权利要求书为准。
具体实施方式
下面结合附图并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，本发明的典型但非限制性的实施例如下：
实施例1
本实施例提供一种铬硅溅射靶材的制备方法，其流程如图1所示，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将铬粉以及硅粉在球磨下混合不低于24h，铬粉以及硅粉的质量比为2:3，所述球磨的球料比为1:10，所述铬粉的粒度＜45μm，所述硅粉的粒度为3～5μm，并将混合粉料加入模具内压实，压实后模具中粉体的平面度＜0.5mm；
(2)将所述模具在真空条件下烧结，所述烧结包括第一保温阶段、第二保温阶段以及第三保温阶段；
所述第一保温阶段的真空度40Pa，温度为900℃，升温速率为8℃/min，时间为2h；
所述第二保温阶段的温度为1050℃，所述第一保温阶段升温至第二保温阶段的升温速率为5℃/min，时间为1h；
第二保温结束后在60min内加压至210T进行第三保温阶段，时间为2h；
(3)烧结后所述模具在氩气气氛下冷却至180℃，氩气气氛的压力为-0.06MPa，得到所述铬硅溅射靶材。
实施例2
本实施例提供一种铬硅溅射靶材的制备方法，其流程如图1所示，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将铬粉以及硅粉在球磨下混合不低于24h，铬粉以及硅粉的质量比为4.5:5.5，所述球磨的球料比为1:12，所述铬粉的粒度＜45μm，所述硅粉的粒度为3～5μm，并将混合粉料加入模具内压实，压实后模具中粉体的平面度＜0.5mm；
(2)将所述模具在真空条件下烧结，所述烧结包括第一保温阶段、第二保温阶段以及第三保温阶段；
所述第一保温阶段的真空度35Pa，温度为1000℃，升温速率为10℃/min，时间为1h；
所述第二保温阶段的温度为1100℃，所述第一保温阶段升温至第二保温阶段的升温速率为6℃/min，时间为2h；
第二保温结束后在60min内加压至210T进行第三保温阶段，时间为3h；
(3)烧结后所述模具在氩气气氛下冷却至150℃，氩气气氛的压力为-0.08MPa，得到所述铬硅溅射靶材。
实施例3
本实施例提供一种铬硅溅射靶材的制备方法，其流程如图1所示，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将铬粉以及硅粉在球磨下混合不低于24h，铬粉以及硅粉的质量比为3:7，所述球磨的球料比为1:11，所述铬粉的粒度＜45μm，所述硅粉的粒度为3～5μm，并将混合粉料加入模具内压实，压实后模具中粉体的平面度＜0.5mm；
(2)将所述模具在真空条件下烧结，所述烧结包括第一保温阶段、第二保温阶段以及第三保温阶段；
所述第一保温阶段的真空度30Pa，温度为950℃，升温速率为9℃/min，时间为1.5h；
所述第二保温阶段的温度为1080℃，所述第一保温阶段升温至第二保温阶段的升温速率为5.5℃/min，时间为1.5h；
第二保温结束后在60min内加压至210T进行第三保温阶段，时间为2.5h；
(3)烧结后所述模具在氩气气氛下冷却至＜200℃，氩气气氛的压力为-0.07MPa，得到所述铬硅溅射靶材。
实施例4
本实施例提供一种铬硅溅射靶材的制备方法，其流程如图1所示，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将铬粉以及硅粉在球磨下混合不低于24h，铬粉以及硅粉的质量比为3.5:6.5，所述球磨的球料比为1:10.5，所述铬粉的粒度＜45μm，所述硅粉的粒度为3～5μm，并将混合粉料加入模具内压实，压实后模具中粉体的平面度＜0.5mm；
(2)将所述模具在真空条件下烧结，所述烧结包括第一保温阶段、第二保温阶段以及第三保温阶段；
所述第一保温阶段的真空度30Pa，温度为980℃，升温速率为8.5℃/min，时间为1.2h；
所述第二保温阶段的温度为1060℃，所述第一保温阶段升温至第二保温阶段的升温速率为5.6℃/min，时间为1.3h；
第二保温结束后在60min内加压至210T进行第三保温阶段，时间为2.2h；
(3)烧结后所述模具在氩气气氛下冷却至100℃，氩气气氛的压力为-0.06MPa，得到所述铬硅溅射靶材。
实施例5
本实施例提供一种铬硅溅射靶材的制备方法，其流程如图1所示，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将铬粉以及硅粉在球磨下混合不低于24h，铬粉以及硅粉的质量比为4.2:5.8，所述球磨的球料比为1:11.5，所述铬粉的粒度＜45μm，所述硅粉的粒度为3～5μm，并将混合粉料加入模具内压实，压实后模具中粉体的平面度＜0.5mm；
(2)将所述模具在真空条件下烧结，所述烧结包括第一保温阶段、第二保温阶段以及第三保温阶段；
所述第一保温阶段的真空度25Pa，温度为960℃，升温速率为9.6℃/min，时间为1.8h；
所述第二保温阶段的温度为1060℃，所述第一保温阶段升温至第二保温阶段的升温速率为5.7℃/min，时间为1.6h；
第二保温结束后在60min内加压至210T进行第三保温阶段，时间为2.5h；
(3)烧结后所述模具在液氩气气氛下冷却至50℃，氩气气氛的压力为-0.08MPa，得到所述铬硅溅射靶材。
对比例1
本对比例除了不进行第一保温阶段直接进行第二保温阶段外，其余条件均与实施例3相同。
对比例2
本对比例除了不进行第二保温阶段直接进行第三保温阶段外，其余条件均与实施例3相同。
对比例3
本对比例除了不进行第三保温阶段直接进行冷却阶段外，其余条件均与实施例3相同。
对实施例1-5以及对比例1-3提供的铬硅靶材的致密度进行测试，且测试结果如表1所示。
致密度的测试方法为排水法测密，先用高精度称测出靶材的质量m1，再在量容器中装入适量的水(所谓适量是指既能将物体完全浸没水又不漫出容器)，将靶材置于容器内完全浸没，称出其在水中质量m2；利用密度公式即可求出物体的密度：p＝m1/m2。
表1
Figure BDA0002634020860000101
Figure BDA0002634020860000111
从表1的测试结果看出，本申请实施例1-5中真空烧结均采用三段保温方法，制备得到的靶材的致密度均在99.0％以上。而对比例1-3在真空烧结过程中均采用二段保温，即与对比例1-5相比缺少一段保温，其最终制备得到的靶材的致密度均要低于与其作为对比的实施例3制备得到的靶材的致密度。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (10)

1.一种铬硅溅射靶材的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将铬粉以及硅粉混合，并将混合粉料加入模具内压实；
(2)将所述模具在真空条件下烧结，所述烧结包括第一保温阶段、第二保温阶段以及第三保温阶段；
(3)烧结后所述模具在惰性气氛下冷却，得到所述铬硅溅射靶材。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述铬粉以及硅粉在球磨条件下混合；
优选地，步骤(1)所述球磨的球料比为1:10～12；
优选地，步骤(1)所述混合的时间不低于24h。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述铬粉的粒度＜45μm；
优选地，步骤(1)所述硅粉的粒度为3～5μm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述压实后模具中粉体的平面度＜0.5mm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述第一保温阶段的真空度小于40Pa；
优选地，步骤(2)所述第一保温阶段的温度为900～1000℃；
优选地，步骤(2)所述第一保温阶段的升温速率为8～10℃/min；
优选地，步骤(2)所述第一保温阶段的时间为1～2h。
6.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述第一保温阶段升温过程中当真空度大于50Pa时，需泄压至40Pa以下。
7.根据权利要求1-6任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述第二保温阶段的温度为1050～1100℃；
优选地，步骤(2)所述第一保温阶段升温至第二保温阶段的升温速率为5～6℃/min；
优选地，步骤(2)所述第二保温阶段的时间为1～2h。
8.根据权利要求1-7任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述第二保温结束后在60min内加压至210t进行第三保温阶段；
优选地，步骤(2)所述第三保温阶段的时间为2～3h。
9.根据权利要求1-8任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述惰性气氛包括氩气、氮气或氦气中的任意一种；
优选地，步骤(3)所述惰性气氛的压力为-0.06～-0.08MPa；
优选地，步骤(3)所述冷却至＜200℃。
10.根据权利要求1-9任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)将铬粉以及硅粉在球磨下混合不低于24h，所述球磨的球料比为1:10～12，所述铬粉的粒度＜45μm，所述硅粉的粒度为3～5μm，并将混合粉料加入模具内压实，压实后模具中粉体的平面度＜0.5mm；
(2)将所述模具在真空条件下烧结，所述烧结包括第一保温阶段、第二保温阶段以及第三保温阶段；
所述第一保温阶段的真空度小于40Pa，温度为900～1000℃，升温速率为8～10℃/min，时间为1～2h；
所述第二保温阶段的温度为1050～1100℃，所述第一保温阶段升温至第二保温阶段的升温速率为5～6℃/min，时间为1～2h；
第二保温结束后在60min内加压至210T进行第三保温阶段，时间为2～3h；
(3)烧结后所述模具在惰性气氛下冷却至＜200℃，惰性气氛的压力为-0.06～-0.08MPa，得到所述铬硅溅射靶材。
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