CN113547390A - 一种钨靶材组件及其表面加工方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种钨靶材组件及其表面加工方法，所述加工方法包括如下步骤：对钨靶材的溅射面依次进行粗磨和精磨，然后对精磨后的钨靶材溅射面进行抛光；所述加工方法将两种打磨工艺相结合，避免了使用刀具进行车削时引起的卡屑、崩角等问题，提高了加工的稳定性和成品率，降低了加工成本，在保证表面加工质量的条件下提高了生产效率，具有较好的工业化应用前景。
Description
技术领域
本发明属于溅射靶材技术领域，具体涉及一种钨靶材组件及其表面加工方法。
背景技术
真空溅射是由电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，其中，电子飞向基片，氩离子在电场的作用下加速轰击靶，所述靶是由靶材和支撑靶材的背板组成，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶材原子(或分子)沉积在基片上成膜，而最终达到对基片表面镀膜的目的。
大规模集成电路经常使用钨靶材进行真空溅射，钨具有如下机械物理性能：钨是一种难熔金属，它具有熔点高、密度大、耐化学腐蚀性好等特点。对钨靶材进行切削加工具备以下特点：钨在室温呈脆性，切削加工过程易产生崩角等现象从而使加工面粗糙；且硬度很高，切削阻力大，易产生卡屑、刀纹痕迹残留等问题，同时加剧了刀具的磨损。
目前，在对钨靶材坯料进行加工，以形成钨靶材的过程中，通常采用普通的刀具(如钨钢刀片或者陶瓷刀片)进行加工。然而，在加工过程中，由于应力的缘故，钨靶材坯料在加工过程中容易出现掉角，所形成钨靶材的表面粗糙，影响后续溅射工艺的溅射效果，甚至会出现放电，对进行镀膜的基片造成损伤。而且，由于钨的硬度很高，刀具损耗严重，刀具断裂比较频繁，导致钨靶材的制作成本过高。因此，提供一种新的钨靶材的加工工艺以提高加工稳定性，降低制作成本具有重要的意义。
CN104416325A公开了一种钨靶材的制作方法，包括：提供钨靶材坯料，所述钨靶材坯料包括溅射面和背面；采用金刚石砂轮对所述溅射面和所述背面进行粗磨；采用金刚石砂轮对所述溅射面和所述背面进行半精磨；采用金刚石砂轮对所述溅射面进行精磨。该方法仅采用砂轮进行多次打磨，表面的加工痕迹明显较为，无法达到镜面效果，影响产品外观，同时在后续清洗过程难以清除表面污垢，影响后续溅射效果。
CN107322466A公开了一种钨靶靶面研磨方法，包括以下次序步骤：步骤1，根据钨靶靶面的表面粗糙度初始状况选择砂纸粒数；步骤2，采用600#砂纸研磨钨靶靶面至表面纹路一致且均匀；步骤3，采用800#砂纸研磨钨靶靶面去除钨靶靶面的表面纹路高点；步骤4，采用1200#砂纸研磨步骤3研磨后的钨靶靶面至Ra值小于或等于0.4；步骤5，采用1800#砂纸研磨步骤4研磨后的钨靶靶面至钨靶靶面的表面粗糙度≤Ra0.2；步骤6，采用2000#砂纸研磨步骤5研磨后的钨靶靶面3-5分钟；步骤2-6中，研磨为平推研磨，其方法为：将砂纸平放在平板上并压平紧固于该平板上，然后将钨靶靶面与砂纸压紧，直线平推钨靶，推时施加压力于钨靶，退回时不施加压力于钨靶；平板的平面度≤0.05；该方法采用砂纸多次打磨，人工成本高，且生产效率较低。
综上所述，如何提供一种保证钨靶材表面加工质量的同时，提升生产效率和成品率，同时降低生产成本的表面加工方法成为当前亟待解决的问题。
发明内容
针对现有钨靶表面加工技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种钨靶材组件及其表面加工方法，所述加工方法将两种打磨工艺相结合，在保证加工质量的情况下提高了加工效率，适用于工业化生产。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一方面，本发明提供了一种钨靶材组件表面的加工方法，所述钨靶材组件包括钨靶材以及与所述钨靶材相连接的靶材背板，其特征在于，所述加工方法包括以下步骤：
对钨靶材的溅射面依次进行粗磨和精磨，然后对精磨后的钨靶材溅射面进行抛光。
本发明中，所述加工方法采用磨加工和抛光加工相结合的工艺，避免了使用刀具进行车削时引起的卡屑、崩角等问题，提高了加工的稳定性和成品率，降低了加工成本，在保证表面加工质量的条件下提高了生产效率，具有较好的工业化应用前景。
以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
作为本发明优选的技术方案，所述粗磨和精磨分别独立地采用砂轮进行。
优选地，所述砂轮包括金刚石砂轮。
本发明中，所述砂轮的宽度为40mm。
作为本发明优选的技术方案，所述粗磨使用的砂轮粒度为80-100#，例如80#、85#、90#、95#或100#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，砂轮的粒度对打磨效果具有一定的影响。若砂轮粒度过小，易造成砂轮被磨屑堵塞，如果磨削加工时热量无法及时散除，易在钨靶表面形成烧灼现象，严重时会导致钨靶面产生微裂纹；若砂轮粒度过大，则会加工表面粗糙度较高，增加后续砂带抛光的加工时间。
优选地，所述粗磨时砂轮的转速为1350-1650r/min，例如1350r/min、1450r/min、1500r/min、1550r/min、1600r/min或1650r/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，所述精磨使用的砂轮粒度为80-100#，例如80#、85#、90#、95#或100#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，所述精磨时砂轮的转速为1350-1650r/min，例如1350r/min、1450r/min、1500r/min、1550r/min、1600r/min或1650r/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。
作为本发明优选的技术方案，所述粗磨的垂直给进量为0.02-0.04mm/次，例如0.02mm/次、0.025mm/次、0.03mm/次、0.035mm/次或0.04mm/次地等，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。
所述精磨的垂直给进量为0.01-0.02mm/次，例如0.01mm/次、0.015mm/次、0.02mm/次、0.025mm/次或0.04mm/次等，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，粗磨过程中的垂直进给量需进行控制。若进给量过大，会易形成较大的加工应力，由于钨靶硬脆的特性，加工时应力过大极易导致微裂纹等缺陷的形成，造成产品报废，同时砂轮损耗更为严重；若进给量过小，则会成倍的增加加工时间。
而精磨时较粗磨时降低进给量可进一步降低粗糙度，且精磨本身余量较小，耗费短。
优选地，进行所述粗磨时，所述砂轮平行于所述钨靶材溅射面方向的进给量为0.2B/行程，其中，B为所述砂轮的宽度，量纲为mm；所述行程为所述钨靶材的直径，量纲为mm。
本发明中，采用砂轮进行粗磨时水平进给量为0.2B/行程，也就是1个行程内每块区域可以被砂轮磨削5次，以保证靶坯得到充分的磨削。
优选地，进行所述精磨时，所述砂轮平行于所述钨靶材溅射面方向的进给量为0.1B/行程，其中，B为所述砂轮的宽度，量纲为mm；所述行程为所述钨靶材的直径，量纲为mm。
本发明中，采用砂轮进行精磨时水平进给量为0.1B/行程，有利于提高靶坯表面外观质量，改善磨削加工留下的痕迹。
作为本发明优选的技术方案，所述抛光采用砂带进行。
优选地，所述砂带的粗糙度为100-320#，例如100#、150#、200#、250#、300#或320#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，所述砂带的线速度为20-30m/s，例如20m/s、22m/s、24m/s、26m/s、28m/s或30m/s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，且所述传送带的移动方向与所述砂带的转动方向一致。
作为本发明优选的技术方案，所述抛光的次数为5-10次，例如5次、6次、7次、8次、9次或10次等，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，进行所述抛光前对所述靶材组件进行标记，且每次抛光均按照同一标记方向进行。
本发明中，按照同一标记方向打磨多次才能使表面抛光至接近镜面、满足使用要求。
作为本发明优选的技术方案，将钨靶材组件固定于操作平台上，对钨靶材的溅射面依次进行粗磨和精磨；然后将钨靶材组件转移至传送装置上，使用砂带对精磨后的钨靶材溅射面进行抛光。
优选地，进行所述粗磨时，操作平台的移动速度为15-25m/min，例如15m/min、17m/min、19m/min、20m/min、21m/min、23m/min或25m/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，移动方向水平垂直于所述砂轮的水平进给方向。
优选地，进行所述精磨时，操作平台的移动速度为15-25m/min，例如15m/min、17m/min、19m/min、20m/min、21m/min、23m/min或25m/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，移动方向水平垂直于所述砂轮的水平进给方向。
作为本发明优选的技术方案，所述传送装置包括传送带。
优选地，所述传送带的传送速度为5-10m/min，例如5m/min、10m/min、6m/min、7m/min、8m/min、9m/min或10m/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，且传送带的移动方向与砂带的转动方向一致。
优选地，所述抛光后钨靶材溅射面的粗糙度≤0.8μm，例如0.3μm、0.4μm、0.5μm、0.6μm或0.7μm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，所述靶材背板的材质包括Cu-Zn合金或Cu-Cr合金。
优选地，所述靶材背板的焊接面平面度小于0.15mm，例如0.09mm、0.1mm、0.11mm、0.12mm、0.13mm或0.14mm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，精磨过程中涉及到的使用参数均不可过大，若使用的参数过大达不到精磨的效果且易在磨削过程中造成尺寸偏差。
另一方面，本发明提供了一种采用上述的加工方法制备得到的钨靶材组件。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明所述加工方法采用磨加工和抛光加工相结合的工艺，避免了使用刀具进行车削时引起的卡屑、崩角等问题，提高了加工的稳定性、成品率以及生产效率，使成品率达100％，加工时间均在4h以下；并且通过进一步控制加工过程中的工艺条件，使粗糙度均在0.7μm以下，加工时间达1.9h以下；
(2)本发明所述加工方法工艺流程简单，成本较低，适用于工业化生产。
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，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例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，本发明保护范围以权利要求书为准。
以下实施例和对比例中所用砂轮的宽度均为40mm。
以下为本发明典型但非限制性实施例：
实施例1：
本实施例提供了一种钨靶材组件表面的加工方法，所述靶材组件包括钨靶材以及与所述钨靶材相连接的Cu-Zn合金背板，其中，钨靶材的直径为320mm，Cu-Zn合金背板焊接面平面度为0.1mm，所述加工方法包括以下步骤：
(1)将所述钨靶材组件固定于磨床台上，先采用宽度为40mm，粒度为80#的金刚石砂轮进行粗磨，粗磨时砂轮的转速为1500r/min，垂直于所述钨靶材溅射面方向的进给量为0.02mm/次，平行于所述钨靶材溅射面方向的进给量为0.2B行程，磨床台的移动速度为15m/min；
(2)粗磨完成后采用宽度为40mm，粒度为80#的金刚石砂轮进行精磨，精磨时砂轮的转速为1500r/min，垂直于所述钨靶材溅射面方向的进给量为0.01mm/次，平行于所述钨靶材溅射面方向的进给量为0.1B/行程，磨床台的移动速度为15m/min；
(3)精磨完成后，对钨靶材组件进行标记，然后转移至传送带上，采用粗糙度为100#的砂带沿同一标记方向抛光5次，抛光过程中所述砂带的线速度为25m/s，所述传送带的速度为5m/min。
实施例2：
本实施例提供了一种钨靶材组件表面的加工方法，所述靶材组件包括钨靶材以及与所述钨靶材相连接的Cu-Zn合金背板，其中，钨靶材的直径为320mm，Cu-Zn合金背板焊接面平面度为0.12mm，所述加工方法包括以下步骤：
(1)将所述钨靶材组件固定于磨床台上，先采用宽度为40mm，粒度为100#的金刚石砂轮进行粗磨，粗磨时砂轮的转速为1350r/min，垂直于所述钨靶材溅射面方向的进给量为0.04mm/次，平行于所述钨靶材溅射面方向的进给量为0.2B/行程，磨床台的移动速度为25m/min；
(2)粗磨完成后采用宽度为40mm，粒度为100#的金刚石砂轮进行精磨，精磨时砂轮的转速为13500r/min，垂直于所述钨靶材溅射面方向的进给量为0.02mm/次，平行于所述钨靶材溅射面方向的进给量为0.1B/行程，磨床台的移动速度为25m/min；
(3)精磨完成后，对钨靶材组件进行标记，然后转移至传送带上，采用粗糙度为320#的砂带沿同一标记方向抛光10次，抛光过程中所述砂带的线速度为20m/s，所述传送带的速度为10m/min。
实施例3：
本实施例提供了一种钨靶材组件表面的加工方法，所述靶材组件包括钨靶材以及与所述钨靶材相连接的Cu-Zn合金背板，其中，钨靶材的直径为320mm，Cu-Zn合金背板焊接面平面度为0.13mm，所述加工方法包括以下步骤：
(1)将所述钨靶材组件固定于磨床台上，先采用宽度为40mm，粒度为90#的金刚石砂轮进行粗磨，粗磨时砂轮的转速为1650r/min，垂直于所述钨靶材溅射面方向的进给量为0.03mm/次，平行于所述钨靶材溅射面方向的进给量为0.2B/行程，磨床台的移动速度为20m/min；
(2)粗磨完成后采用宽度为40mm，粒度为90#的金刚石砂轮进行精磨，精磨时砂轮的转速为1650r/min，垂直于所述钨靶材溅射面方向的进给量为0.015mm/次，平行于所述钨靶材溅射面方向的进给量为0.1B/行程，磨床台的移动速度为20m/min；
(3)精磨完成后，对钨靶材组件进行标记，然后转移至传送带上，采用粗糙度为200#的砂带沿同一标记方向抛光8次，抛光过程中所述砂带的线速度为30m/s，所述传送带的速度为7m/min。
实施例4：
本实施例提供了一种钨靶材组件表面的加工方法，所述钨靶材组件与实施例1中的钨靶材组件相同，所述加工方法参照实施例1中的加工方法，区别仅在于：粗磨和精磨使用的砂轮的粒度均为60#。
实施例5：
本实施例提供了一种钨靶材组件表面的加工方法，所述钨靶材组件与实施例2中的钨靶材组件相同，所述加工方法参照实施例2中的加工方法，区别仅在于：粗磨和精磨使用的砂轮的粒度均为320#。
实施例6：
本实施例提供了一种钨靶材组件表面的加工方法，所述钨靶材组件与实施例1中的钨靶材组件相同，所述加工方法参照实施例1中的加工方法，区别仅在于：粗磨时垂直于所述钨靶材溅射面方向的进给量为0.01mm/次。
实施例7：
本实施例提供了一种钨靶材组件表面的加工方法，所述钨靶材组件与实施例2中的钨靶材组件相同，所述加工方法参照实施例2中的加工方法，区别仅在于：粗磨时垂直于所述钨靶材溅射面方向的进给量为0.05mm/次。
实施例8：
本实施例提供了一种钨靶材组件表面的加工方法，所述钨靶材组件与实施例1中的钨靶材组件相同，所述加工方法参照实施例1中的加工方法，区别仅在于：粗磨时平行于所述钨靶材溅射面方向的进给量为0.1B/行程。
实施例9：
本实施例提供了一种钨靶材组件表面的加工方法，所述钨靶材组件与实施例2中的钨靶材组件相同，所述加工方法参照实施例2中的加工方法，区别仅在于：粗磨时平行于所述钨靶材溅射面方向的进给量为0.3B/行程。
实施例10：
本实施例提供了一种钨靶材组件表面的加工方法，所述钨靶材组件与实施例1中的钨靶材组件相同，所述加工方法参照实施例1中的加工方法，区别仅在于：抛光时采用的砂带粗糙度为60#。
实施例11：
本实施例提供了一种钨靶材组件表面的加工方法，所述钨靶材组件与实施例2中的钨靶材组件相同，所述加工方法参照实施例2中的加工方法，区别仅在于：抛光时采用的砂带粗糙度为350#。
实施例12：
本实施例提供了一种钨靶材组件表面的加工方法，所述钨靶材组件与实施例1中的钨靶材组件相同，所述加工方法参照实施例1中的加工方法，区别仅在于：每次抛光的方向均不相同。
对比例1：
本对比例提供了一种钨靶材组件表面的加工方法，所述钨靶材组件与实施例1中的钨靶材组件相同，所述加工方法参照实施例1中的加工方法，区别仅在于：精磨后不采用砂带进行抛光。
对比例2：
本对比例提供了一种钨靶材组件表面的加工方法，所述钨靶材组件与实施例1中的钨靶材组件相同，所述加工方法参照实施例1中的加工方法，区别仅在于：不采用砂轮进行粗磨和精磨，只采用砂带进行抛光。
测定实施例1-12和对比例1-2中加工后的钨靶材组件溅射面的粗糙度以及加工时间，结果如表1所示。
表1
实施例1-3采用本发明所述表面加工方法在保证表面质量的条件下有效提升了成品率以及生产效率，使得加工后的表面粗糙度均在0.7μm以下，成品率达100％，生产效率提升了100％。
实施例4中进行粗磨和精磨时的选用的砂轮粒度过小，导致钨靶表面粗糙度变大；实施例5中进行粗磨和精磨时的选用的砂轮粒度过大，导致表面产生裂纹；实施例6中进行粗磨时垂直进给量过小，导致加工时间较长；实施例7中进行粗磨时垂直进给量过大，由于钨靶硬脆的特性，导致钨靶表面产生微裂纹；实施例8中进行粗磨时水平进给量过小，导致加工时间较长；实施例9中进行粗磨时水平进给量过大，导致粗糙度较大。
实施例10中抛光采用的砂带粗糙度过小，使得钨靶表面暗沉，不光亮；实施例11中抛光采用的砂带粗糙度过大，使得钨靶表面过光亮，整体外观不美观且可能引起靶材初期溅射困难；实施例12中没有按照同一标记方向进行抛光，导致钨靶表面形成波纹痕迹。
对比例1-2中仅采用单种工艺，表面的加工质量难以保证；即使达到所需标准也会花费大量的时间，降低生产效率。
综合上述实施例和对比例可以看出，本发明所述加工方法采用砂轮磨加工和砂带抛光相结合的工艺，避免了使用刀具进行车削时引起的卡屑、崩角等问题，提高了加工的稳定性、成品率以及生产效率，使成品率达100％，加工时间均在4h以下；并且通过进一步控制加工过程中的工艺条件，使粗糙度均在0.7μm以下，加工时间达1.9h以下；所述加工方法工艺流程简单，成本较低，适用于工业化生产。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明操作的等效替换及辅助操作的添加、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。
Claims (10)
1.一种钨靶材组件表面的加工方法，所述钨靶材组件包括钨靶材以及与所述钨靶材相连的靶材背板，其特征在于，所述加工方法包括如下步骤：
对钨靶材的溅射面依次进行粗磨和精磨，然后对精磨后的钨靶材溅射面进行抛光。
2.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述粗磨和精磨分别独立地采用砂轮进行；
优选地，所述砂轮包括金刚石砂轮。
3.根据权利要求2所述的加工方法，其特征在于，所述粗磨使用的砂轮粒度为80-100#；
优选地，所述粗磨时砂轮的转速为1350-1650r/min；
优选地，所述精磨使用的砂轮粒度为80-100#；
优选地，所述精磨时砂轮的转速为1350-1650r/min。
4.根据权利要求2或3所述的加工方法，其特征在于，所述粗磨的垂直给进量为0.02-0.04mm/次；
优选地，所述精磨的垂直给进量为0.01-0.02mm/次；
优选地，进行所述粗磨时，砂轮平行于所述钨靶材溅射面方向的进给量为0.2B/行程，其中，B为所述砂轮的宽度，量纲为mm；所述行程为所述钨靶材的直径，量纲为mm；
优选地，进行所述精磨时，砂轮平行于所述钨靶材溅射面方向的进给量为0.1B/行程，其中，B为所述砂轮的宽度，量纲为mm；所述行程为所述钨靶材的直径，量纲为mm。
5.根据权利要求1-4任一项所述的加工方法，其特征在于，所述抛光采用砂带进行；
优选地，所述砂带的粗糙度为100-320#；
优选地，所述砂带的线速度为20-30m/s。
6.根据权利要求1-5任一项所述的加工方法，其特征在于，所述抛光的次数为5-10次；
优选地，每次抛光前对靶材组件进行标记，每次抛光均按照同一标记方向进行。
7.根据权利要求2所述的加工方法，其特征在于，将钨靶材组件固定于操作平台上，对钨靶材的溅射面依次进行粗磨和精磨；然后将钨靶材组件转移至传送装置上，使用砂带对精磨后的钨靶材溅射面进行抛光；
优选地，进行所述粗磨时，操作平台的移动速度为15-25m/min，移动方向水平垂直于所述砂轮的水平进给方向；
优选地，进行所述精磨时，操作平台的移动速度为15-25m/min，移动方向水平垂直于所述砂轮的水平进给方向。
8.根据权利要求7所述的加工方法，其特征在于，所述传送装置包括传送带；
优选地，所述传送带的传送速度为5-10m/min，且传送带的移动方向与砂带的转动方向一致；
优选地，所述抛光后钨靶材溅射面的粗糙度≤0.8μm。
9.根据权利要求1-8任一项所述的加工方法，其特征在于，所述靶材背板的材质包括Cu-Zn合金或Cu-Cr合金；
优选地，所述靶材背板的焊接面平面度小于0.15mm。
10.一种钨靶材组件，其特征在于，所述钨靶材组件由权利要求1-9任一项所述的加工方法制备得到。
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