CN112225565A - 一种钨硅靶坯的制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种钨硅靶坯的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：(1)将硅化钨粉和硅粉进行混合，得到混粉；(2)将步骤(2)得到混粉进行热压烧结，得到所述钨硅靶坯；所述热压烧结包括依次进行的第一升温、第二升温和加压处理。本发明提供的方法，通过对制备原料的重新设计，同时采用特定热压烧结过程进行制备钨硅靶坯，制备得到了致密度≥99％的钨硅靶坯，靶坯无缺陷且微观结构均匀，利用其生产的钨硅靶材有优异的溅射使用性能。

Description

一种钨硅靶坯的制备方法
技术领域
本发明涉及靶坯制备领域，具体涉及一种钨硅靶坯的制备方法。
背景技术
目前，钨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。
近年国内外对高纯度钨硅靶材的需求量大幅增长，目前国内生产的钨硅靶材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钨硅靶材，研制开发钨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。
此前采用钨粉和硅粉的HP工艺制备的钨硅靶材，虽然致密度可以达到99％的要求，但是其中游离硅相分布不均。硅属于半导体，导电性能较差，溅射时易在薄膜上形成微粒，严重影响性能及成材率。
如CN105671483A公开了一种钨硅靶材的制造方法，包括：提供钨粉和硅粉；利用混粉工艺将所述钨粉和硅粉混合均匀，以形成混合粉末；利用冷压工艺对所述混合粉末进行致密化处理，以形成钨硅靶材坯料；将所述钨硅靶材坯料置于包套内，利用热等静压工艺对所述包套内的钨硅靶材坯料进行致密化处理；去除所述包套，得到钨硅靶材。能够使形成的钨硅靶材具有较高的致密度、以及均匀的内部组织结构。
CN110714185A公开了一种钨硅靶材的制备方法，以纯度≥6N的多晶硅粒代替硅粉为原料进行钨硅靶材的制备，克服了硅粉纯度偏低、高纯度硅粉成本高的问题；并且，基于多晶硅粒的纯度更容易得到保证的情况，原料更易获取，不仅能够保证制备的钨硅靶材的纯度，还能够降低生产成本。由于硅材料相对于钨材料更容易破碎，以多晶硅粒为原料直接和钨粉进行混合破碎，在对多晶硅粒进行破碎的同时，可与钨粉进行充分混合，进而通过一个步骤即可得到钨硅混合料，提高生产效率。由于多晶硅粒的破碎与钨硅粉体的制备在一台设备(球磨机)上连续进行，避免了因工艺流程过长而对材料造成的污染，有助于保证材料的纯度；同时降低了生产成本。
为了使钨硅合金溅射靶材在进行真空溅镀时发挥良好的性能，要求钨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。
发明内容
鉴于现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供一种钨硅靶坯的制备方法，通过该方法制备得到了致密度≥99％的钨硅靶坯，无缺陷且微观结构均匀的靶材，生产的钨硅靶材有优异的溅射使用性能。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种钨硅靶坯的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将硅化钨粉和硅粉进行混合，得到混粉；
(2)将步骤(2)得到混粉进行热压烧结，得到所述钨硅靶坯；
所述热压烧结包括依次进行的第一升温、第二升温和加压处理。
本发明提供的方法，通过对制备原料的重新设计，同时采用特定热压烧结过程进行制备钨硅靶坯，制备得到了致密度≥99％的钨硅靶坯，靶材无缺陷且微观结构均匀，利用其生产的钨硅靶材有优异的溅射使用性能。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述硅化钨粉和硅粉的质量比为(7-15):1，例如可以是7:1、8:1、9:1、10:1、11:1、12:1、13:1、14:1或15:1等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(1)所述硅化钨粉的粒度＜75μm，例如可以是70μm、60μm、50μm、40μm、30μm、20μm或10μm等，但不限于所列举的数值，该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＜10μm，例如可以是9μm、8μm、7μm、6μm、5μm、4μm、3μm、2μm或1μm等，但不限于所列举的数值，该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)所述混合中采用硅球进行干混。
优选地，步骤(1)所述混合中硅球的添加量为粉料质量的8-12％，例如可以是8％、8.5％、9％、9.5％、10％、10.5％、11％、11.5％或12％等，但不限于所列举的数值，该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≥24h，例如可以是24h、25h、26h、27h、28h、29h、30h、35h或48h等，但不限于所列举的数值，该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)所述热压烧结中粉末加入模具后粉末的平面度＜5mm，例如可以是4.5mm、4mm、3.5mm、3mm、2.5mm、2mm、1.5mm或1mm等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述粉末在模具中压实后的平面度＜0.5mm，例如可以是0.45mm、0.4mm、0.35mm、0.3mm、0.25mm、0.2mm、0.15mm或0.1mm等，但不限于所列举的数值，该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)所述热压烧结开始时进行抽真空至真空度＜40Pa，例如可以是35Pa、30Pa、25Pa、20Pa、15Pa或10Pa等，但不限于所列举的数值，该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，所述第一升温为以8-15℃/min升温至1100-1320℃。
本发明中，第一升温中的升温速度为8-15℃/min，例如可以是8℃/min、8.5℃/min、9℃/min、9.5℃/min、10℃/min、10.5℃/min、11℃/min、11.5℃/min、12℃/min、12.5℃/min、13℃/min、13.5℃/min、14℃/min、14.5℃/min或15℃/min等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，第一升温的终点温度为1100-1320℃，例如可以是1100℃、1120℃、1140℃、1160℃、1180℃、1200℃、1220℃、1240℃、1260℃、1280℃、1300℃或1320℃等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述第一升温的保温时间为1-2h，例如可以是1h、1.1h、1.2h、1.3h、1.4h、1.5h、1.6h、1.7h、1.8h、1.9h或2h等，但不限于所列举的数值，该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，所述第二升温为以3-7℃/min升温至1340-1500℃。
本发明中，所述第二升温的速度为3-7℃/min，例如可以是3℃/min、3.5℃/min、4℃/min、4.5℃/min、5℃/min、5.5℃/min、6℃/min、6.5℃/min或7℃/min等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，第二升温的终点温度为1340-1500℃，例如可以是1340℃、1350℃、1360℃、1370℃、1380℃、1390℃、1400℃、1410℃、1420℃、1430℃、1440℃、1450℃、1460℃、1470℃、1480℃、1490℃或1500℃，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述第二升温的保温时间为1-2h，例如可以是1h、1.1h、1.2h、1.3h、1.4h、1.5h、1.6h、1.7h、1.8h、1.9h或2h等，但不限于所列举的数值，该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，所述加压处理的温度与所述第二升温的保温温度相同。
优选地，所述加压处理的压力为30-60MPa，例如可以是30MPa、35MPa、40MPa、45MPa、50MPa、55MPa或60MPa等，但不限于所列举的数值，该范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述加压处理的时间为1-2h，例如可以是1h、1.1h、1.2h、1.3h、1.4h、1.5h、1.6h、1.7h、1.8h、1.9h或2h等，但不限于所列举的数值，该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)所述热压烧结结束后进行随炉冷却。
优选地，所述随炉冷却中通保护气体。
本发明中的保护气体可以是氮气、氦气、氖气或氩气等不对靶坯造成影响的气体。
优选地，所述保护气体通入的终点为表压P为-0.08MPa≤P≤-0.06MPa，例如可以是-0.08MPa、-0.078MPa、-0.076MPa、-0.074MPa、-0.072MPa、-0.07MPa、-0.068MPa、-0.066MPa、-0.064MPa、-0.062MPa或-0.06MPa等，但不限于所列举的数值，该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，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将硅化钨粉和硅粉进行混合，得到混粉；硅化钨粉和硅粉的质量比为(7-15):1，硅化钨粉的粒度＜75μm，硅粉的粒度＜10μm；
(2)将步骤(2)得到混粉进行热压烧结，得到所述钨硅靶坯；
热压烧结包括依次进行的第一升温、第二升温和加压处理；
所述第一升温为以8-15℃/min升温至1100-1320℃；
所述第二升温为以3-7℃/min升温至1340-1500℃；
所述加压处理的温度与第二升温的保温温度相同；
所述加压处理的压力为30-60MPa。
与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供的方法，通过对制备原料的重新设计，同时采用特定的热压烧结进行制备钨硅靶坯，制备得到了致密度≥99％的钨硅靶坯，靶坯无缺陷且微观结构均匀，生产的钨硅靶材有优异的溅射使用性能。
附图说明
图1是本发明实施例1所得钨硅靶坯的SEM照片；
图2是本发明对比例1所得钨硅靶坯的SEM照片；
图3是本发明对比例2所得钨硅靶坯的SEM照片；
图4是本发明对比例3所得钨硅靶坯的SEM照片；
图5是本发明对比例4所得钨硅靶坯的SEM照片。
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
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
本实施例提供一种钨硅靶坯的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将硅化钨粉和硅粉进行混合，得到混粉；
硅化钨粉和硅粉的质量比为11:1，硅化钨粉的粒度为70μm，硅粉的粒度为9μm；
混合中采用硅球进行干混，混合中硅球的添加量为粉料质量的10％，混合时间为24h；
(2)将步骤(2)得到混粉进行热压烧结，得到所述钨硅靶坯；
热压烧结中粉末加入模具后粉末的平面度为4mm，粉末在模具中压实后的平面度为0.4mm；热压烧结开始时进行抽真空至真空度为35Pa；
热压烧结包括依次进行的第一升温、第二升温和加压处理；
第一升温为以10℃/min升温至1220℃，保温时间为1.5h；
第二升温为以5℃/min升温至1400℃，保温时间为1h；
加压处理的温度与第二升温的保温温度相同，加压处理的压力为47MPa，加压处理的时间为1.2h；
热压烧结结束后进行随炉冷却，随炉冷却中通保护气体，保护气体通入的终点为表压P为-0.08MPa。
所得钨硅靶坯的致密度为99.5％，硅分布均匀，如图1所示。
实施例2
本实施例提供一种钨硅靶坯的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将硅化钨粉和硅粉进行混合，得到混粉；
硅化钨粉和硅粉的质量比为7:1，硅化钨粉的粒度为60μm，硅粉的粒度为5μm；
混合中采用硅球进行干混，混合中硅球的添加量为粉料质量的8％，混合时间为30h；
(2)将步骤(2)得到混粉进行热压烧结，得到所述钨硅靶坯；
热压烧结中粉末加入模具后粉末的平面度为3mm，粉末在模具中压实后的平面度为0.1mm；热压烧结开始时进行抽真空至真空度为20Pa；
热压烧结包括依次进行的第一升温、第二升温和加压处理；
第一升温为以8℃/min升温至1100℃，保温时间为2h；
第二升温为以3℃/min升温至1500℃，保温时间为1.4h；
加压处理的温度与第二升温的保温温度相同，加压处理的压力为60MPa，加压处理的时间为1.7h；
热压烧结结束后进行随炉冷却，随炉冷却中通保护气体，保护气体通入的终点为表压P为-0.06MPa。
所得钨硅靶坯的致密度为99.8％，硅分布均匀。
实施例3
本实施例提供一种钨硅靶坯的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将硅化钨粉和硅粉进行混合，得到混粉；
硅化钨粉和硅粉的质量比为15:1，硅化钨粉的粒度为45μm，硅粉的粒度为7μm；
混合中采用硅球进行干混，混合中硅球的添加量为粉料质量的12％，混合时间为34h；
(2)将步骤(2)得到混粉进行热压烧结，得到所述钨硅靶坯；
热压烧结中粉末加入模具后粉末的平面度为1mm，粉末在模具中压实后的平面度为0.3mm；热压烧结开始时进行抽真空至真空度为33Pa；
热压烧结包括依次进行的第一升温、第二升温和加压处理；
第一升温为以15℃/min升温至1320℃，保温时间为1h；
第二升温为以7℃/min升温至1340℃，保温时间为1.7h；
加压处理的温度与第二升温的保温温度相同，加压处理的压力为30MPa，加压处理的时间为2h；
热压烧结结束后进行随炉冷却，随炉冷却中通保护气体，保护气体通入的终点为表压P为-0.07MPa。
所得钨硅靶坯的致密度为99.2％，硅分布均匀。
对比例1
与实施例1的区别仅在于将硅化钨粉替换为钨粉，同时保证混粉中钨和硅的摩尔比和实施例1相同，所得钨硅靶坯的致密度为92％，靶坯中硅分布不均匀，如图2所示。
对比例2
与实施例1的区别仅在于第二升温的升温速度为10℃/min，所得钨硅靶坯的致密度为91％，靶坯中硅分布不均匀，如图3所示。
对比例3
与实施例1的区别仅在于第一升温的升温速度为5℃/min，所得钨硅靶坯的致密度为93％，靶坯中硅分布不均匀，如图4所示。
对比例4
与实施例1的区别仅在于第一升温的终点温度为1400℃，所得钨硅靶坯的致密度为90％，靶坯中硅分布不均匀，如图5所示。
通过上述实施例和对比例的结果可知，本发明提供的方法，通过对制备原料的重新设计，同时采用二段特定的热压烧结进行制备钨硅靶坯，制备得到了致密度≥99％的钨硅靶坯，无缺陷且微观结构均匀的靶材，生产的钨硅靶材有优异的溅射使用性能。
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)

1.一种钨硅靶坯的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将硅化钨粉和硅粉进行混合，得到混粉；
(2)将步骤(2)得到混粉进行热压烧结，得到所述钨硅靶坯；
所述热压烧结包括依次进行的第一升温、第二升温和加压处理。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述硅化钨粉和硅粉的质量比为(7-15):1；
优选地，步骤(1)所述硅化钨粉的粒度＜75μm；
优选地，步骤(1)所述硅粉的粒度＜10μm。
3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述混合中采用硅球进行干混；
优选地，步骤(1)所述混合中硅球的添加量为粉料质量的8-12％；
优选地，步骤(1)所述混合的时间≥24h。
4.如权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述热压烧结中粉末加入模具后粉末的平面度＜5mm；
优选地，所述粉末在模具中压实后的平面度＜0.5mm。
5.如权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述热压烧结开始时进行抽真空至真空度＜40Pa。
6.如权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于，所述第一升温为以8-15℃/min升温至1100-1320℃；
优选地，所述第一升温的保温时间为1-2h。
7.如权利要求1-6任一项所述的制备方法，其特征在于，所述第二升温为以3-7℃/min升温至1340-1500℃；
优选地，所述第二升温的保温时间为1-2h。
8.如权利要求1-7任一项所述的制备方法，其特征在于，所述加压处理的温度与所述第二升温的保温温度相同；
优选地，所述加压处理的压力为30-60MPa；
优选地，所述加压处理的时间为1-2h。
9.如权利要求1-8任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述热压烧结结束后进行随炉冷却；
优选地，所述随炉冷却中通保护气体；
优选地，所述保护气体通入的终点为表压P为-0.08MPa≤P≤-0.06MPa。
10.如权利要求1-9任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1)将硅化钨粉和硅粉进行混合，得到混粉；硅化钨粉和硅粉的质量比为(7-15):1，硅化钨粉的粒度＜75μm，硅粉的粒度＜10μm；
(2)将步骤(2)得到混粉进行热压烧结，得到所述钨硅靶坯；
热压烧结包括依次进行的第一升温、第二升温和加压处理；
所述第一升温为以8-15℃/min升温至1100-1320℃；
所述第二升温为以3-7℃/min升温至1340-1500℃；
所述加压处理的温度与第二升温的保温温度相同；
所述加压处理的压力为30-60MPa。
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