TWI803154B - 靶材之製造方法 - Google Patents

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TWI803154B TW111102011A TW111102011A TWI803154B TW I803154 B TWI803154 B TW I803154B TW 111102011 A TW111102011 A TW 111102011A TW 111102011 A TW111102011 A TW 111102011A TW I803154 B TWI803154 B TW I803154B
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Abstract

一種靶材之製造方法，係包括安裝基板、提供原料粉末至基板、以雷射熔融基板上之原料粉末、重複執行提供原料粉末至基板以對基板上之原料粉末進行雷射熔融之步驟至形成靶材以及對所形成之靶材進行急速冷卻。本發明以積層製造之方式製作靶材透過其進行急速冷卻之特性，以避解決習知技術中高成本、長工時以及靶材品質不佳之問題。

Description

靶材之製造方法
本發明係關於靶材之製造方法，尤指一種以積層製造製程之方式形成靶材且使所形成之靶材進行急速凝固之靶材之製造方法。
濺鍍係為一種物理氣相沉積技術，其係用以將所設置之靶材沉積於目標物件之表面上，以形成對應靶材之材料的薄膜。舉例而言，電腦設備之零組件的應用上，其可利用由鐵、鈷、鉻、硼所形成之合金濺鍍靶材，應用於硬碟裝置(Hard Disk Drive，HDD)上之軟磁層，其中，軟磁層之厚度幾乎為其他膜層厚度之總和，為需求量最大之靶材。
於實施濺鍍之過程中，所使用之靶材的品質往往決定濺鍍結果之優劣。近二十年來，靶材之製作自真空感應熔煉製程(Vacuum Induction Melting，VIM)演進，目前已為傳統粉末冶金(Powder Metallurgy，PM)所取代，其中，PM之製程所製作之靶材具有細小晶粒，可提升濺鍍膜性能之優點，是以，目前濺鍍靶材通常以PM之製程進行製作。惟，於習知靶材之製程上，易生硼析出之問題，將造成靶材之品質不佳之問題，再者，習知靶材之製程復存在人力和電力成本高、工時長、易衍生燒結體重要部位扭曲變形以及後加工材料損耗之問題。
由上可知，如何提供一種較佳之靶材之製法，以避免於製造過程中發生硼析出而影響靶材品質、降低製造成本、工時以及減少其他造成靶材品質不佳之問題著實重要，因此，如何克服上述現有技術之種種缺失，將成目前亟欲解決的課題。
有鑑於上述問題，本發明提出一種靶材之製造方法，係於電腦設備執行，其包括以下步驟：安裝基板；利用刮刀將原料粉末平鋪於該基板上，以形成鋪粉層；依該靶材之平面尺寸，以雷射熔融該鋪粉層之原料粉末；在該基板及經熔融之原料粉末上形成另一鋪粉層；依該靶材之平面尺寸以該雷射熔融該另一鋪粉層之原料粉末，以形成該靶材所欲的高度；以及冷卻該靶材，於一具體實施例中，該靶材係可為硬碟濺鍍用靶材。
於一實施例中，該原料粉末為包含鐵、鈷、鉻以及硼之粉末。
於另一實施例中，本發明於該形成鋪粉層於基板上之步驟前，復包括以下步驟：透過粗篩網對該原料粉末進行粗粉篩分之粗篩，以得到細粉狀之該原料粉末；以及透過細篩網對細粉狀之該原料粉末進行細粉篩分之細篩，以獲得粒徑約20至70μm且粉體流動性為小於16%之該原料粉末。
於另一實施例中，該粗粉篩分之粗篩以及該細粉篩分之細篩係以震盪篩設備為之。
於另一實施例中，該原料粉末係存放於餵粉缸中，且形成該鋪粉層於該基板上之步驟係使該刮刀自該餵粉缸依次取出足以平鋪於該基板上形成該鋪粉層之原料粉末。
於另一實施例中，該雷射之功率係140W，且掃略速度為900mm/s。
於另一實施例中，該基板係安裝於建造艙中，且形成鋪粉層於該基板上、該雷射熔融該鋪粉層以及冷卻該靶材之步驟係於該建造艙中執行。
於另一實施例中，該建造艙中填充有惰性氣體或氮氣。
於另一實施例中，該刮刀與該基板之表面係以該鋪粉層所形成之厚度為距離保持相互平行。
於又一實施例中，本發明於執行該安裝基板之步驟前，復包括以下步驟：對該基板進行表面研磨；以及清潔該刮刀及該基板經研磨之表面。
綜上所述，本發明之靶材之製造方法，係以重複執行於基板上平鋪原料粉末以形成鋪粉層以及以雷射對鋪粉層進行熔融之方式，形成所需之靶材，最後，使靶材急速冷卻，據之達到提升靶材緻密度、品質之目的，且可達到避免硼析出之功效。另外，本發明利用積層製造製程，即透過雷射高溫將原料粉末熔融且急速凝固製程，使得所製作之靶材具有更細緻且更均勻之硬碟靶顯微組織，可提供更良好的薄膜特性與濺鍍效率，以於例如製作硬碟之碟片時，更有助於碟片品質的掌控。
1:加工機台
11:基板
12:基板載台
13:加工槽
14:刮刀
15:餵粉缸
16:雷射
2:原料粉末
21:鋪粉層
22:靶材層
3、3':靶材
D:間隙
H、T:高度
L:雷射光
S101-S105:步驟
圖1係本發明之靶材之製造方法的步驟流程圖。
圖2A至2E係本發明之靶材之製造方法之實施狀態示意圖。
圖3A至3C係本發明之靶材之製造方法所製成之靶材之結構示意圖。
以下藉由特定的具體實施形態說明本發明之技術內容，熟悉此技藝之人士可由本說明書所揭示之內容輕易地瞭解本發明之優點與功效。然本發明亦可藉由其他不同的具體實施形態加以施行或應用。
圖1係本發明之靶材之製造方法的步驟流程圖，圖2A至2C係本發明之靶材之製造方法之實施狀態示意圖，以及圖3A至3C係本發明之靶材之製造方法所製成之靶材之結構示意圖。本發明之靶材之製造方法係可於電腦設備或利用具有電腦設備之加工設備執行，亦即，藉由電腦設備基於所設定之參數發出對應之控制指令，使如刮刀或雷射之加工元件產生對應之操作。
如圖1所示，本發明之靶材之製造方法包括以下步驟。於步驟S101中，安裝基板11，以將基板11固定(例如以螺絲鎖固)於欲進行加工處。基板11係為金屬基板，用於提供進行加工之作業區域，以於作業區域上逐步形成所欲之靶材。於一具體實施中，如圖2A至2C所示，本發明係可將基板11安裝固定於用以加工製作靶材之加工機台1上，但不以此為限。
詳言之，如圖2A所示，加工機台1係可包括位於加工槽13內且可於加工槽13內升降之基板載台12，供基板11固定於基板載台12上。基板載台12於靶材之製程中係依設定帶動基板11於加工槽13內升降。於基板11安裝時，先將基板11以如鎖固的方式固定於基板載台12上，利用厚薄規校正基板與刮刀間之間隙D以及基板之水平度，避免後續發生鋪粉不均勻之情形。於基板11安裝於加工機台1上後，可使得安裝後之基板11下降至加工槽13內，使基板11之表面與加工槽13之開口齊平。
另外，於安裝基板11前，可預先進行前置作業，有關前置作業之步驟詳述如下。
首先整備基板11，即將基板11進行表面研磨，如基板11已執行過靶材之製程，則先將基板11上先前打印之靶材的製品移除後，再利用平面磨床研磨基板之上下平面，以得到較佳之平面度及平行度之基板11，以減少後續打印生產之變因。
再而，清理加工機台1，係利用防靜電刷清除加工機台1中前次靶材之製程所遺留之原料粉末，並以擦拭紙配合無水酒精進行清潔。
又，可清潔刮刀14或更換刮刀14。如僅為清潔刮刀14時，係以無水酒精清潔刮刀14之表面，以避免接觸原料粉末接觸之接觸面上殘留粉末，造成刮刀14不平之問題；如為更換刮刀14，則須先將刮刀14卸下，藉由刷子去除沾附於刮刀14表面上之原料粉末，且於拆除位於加工機台1上用以供刮刀11安裝之上座(圖未繪示)及刮刀14後，亦須以無水酒精清潔之，避免接觸面上有粉末殘留而造成刮刀14安裝不平的狀況。
於步驟S102中，提供原料粉末2，再利用刮刀14將原料粉末2平鋪於基板11上，以形成鋪粉層21。原料粉末2係可包括鐵粉、鈷粉、鉻粉以及硼粉的混合粉末。具體而言，如圖2A及2B所示，刮刀14係可左右(如圖2A以及圖2B之向左或向右之箭頭方向所示)自如移動地安裝於加工機台1上，且使刮刀14與基板11之表面間以間隙D作為形成鋪粉層21之厚度，即以間隙D(或形成鋪粉層之厚度)為距離，使刮刀14與基板11之表面之間保持相互平行，於一具體實施例中，原料粉末2係存放於餵粉缸15中，使刮刀14自餵粉缸15依次取出足以平鋪於基板11上以形成鋪粉層21之原料粉末2，亦即，加工機台1於鄰近加工槽13處係 可凹設用以存放原料粉末2之餵粉缸15，於原料粉末2添加進入餵粉缸15後，可利用刮刀14將表面整平，並在基板11上留下一層之鋪粉層21；餵粉缸15於進行提供原料粉末2時，是向上升起存放於其中之原料粉末2，使位於餵粉缸15上部之原料粉末2露出餵粉缸15一高度H(高度H係大於間隙D)，以於刮刀14向左移動(如圖2A之箭頭所示)時，將露出餵粉缸15之原料粉末2刮向基板11，且藉由刮刀14之移動使位於基板11上之原料粉末2平整，以使原料粉末2平鋪於基板11上而形成鋪粉層21。
於一實施例中，於提供原料粉末2前，可先對原料粉末2進行篩分，以獲得較佳之原料粉末2，據之提升所製作之靶材之品質。具體地，本發明係利用震盪篩設備執行原料粉末2之篩分。對原料粉末2所進行篩分的步驟如下所述。
粗粉篩分係透過粗篩網對原料粉末進行粗篩，以得到細粉狀之原料粉末2。亦即，透過篩網，利用機械式震盪篩來篩除粒徑過大的粉末(例如粒徑大於70μm之粉末)，且於原料粉末有結塊之現象時，使結塊之原料分料碎裂，以進行粗篩。舉例而言，初始之原料粉末2可能包括塊狀、顆粒狀或粒徑較大之粉末，故利用具有小於前述較大粒徑之粉末的篩網將之篩除，以保留細粉狀之原料粉末2。
細粉篩分係透過細篩網對細粉狀之該原料粉末2進行細篩，以獲得粒徑約20至70μm且粉體流動性為小於16%之該原料粉末2。具體而言，本發明復可利用旋風式粉末分級機，以藉由離心力篩分粒徑過小之細粉，以確保後續程序之加工品質。
於步驟S103中，進行雷射熔融。其係利用雷射16對鋪粉層依靶材之平面尺寸進行熔融，且靶材之平面尺寸為靶材之俯視平面的尺寸參數，例如，靶材為方餅狀時，其平面尺寸即為方餅狀之靶材的邊長或長度與寬度之參數。於另一實施例中，如圖3A所示，若靶材3為圓餅狀時，其平面尺寸即為直徑R(或半徑)。本發明在此係以圓餅狀之靶材形狀為例進行說明。於一實施例中，如圖2C所示，雷射16係可安裝於加工機台1上，經加工機台1控制而可向位於基板上之原料粉末發射雷射光L，且依設定對原料粉末2進行掃略，使得經雷射光L掃略之原料粉末2熔融燒結，具體而言，如圖2D所示，雷射光L可透過一行一行掃略的方式對原料粉末2進行熔融燒結，以於雷射16完成掃略作業後，在鋪粉層21中形成一層靶材層22。於一具體實施例中，雷射16之功率係140W，且掃略速度為900mm/s。
於步驟S104中，為了達到靶材3所欲之高度尺寸，重複執行提供原料粉末以及雷射熔融，亦即，持續在該基板及經熔融之原料粉末(即已形成之靶材層22)上，提供另一鋪粉層以及依該靶材之平面尺寸以該雷射熔融該另一鋪粉層之原料粉末的步驟，具體地，如圖2E所示，透過雷射光L一行一行地掃略該另一鋪粉層，以於已形成之靶材層22上形成另一靶材層，藉由堆疊多層靶材層以達到該靶材所欲形成的高度。在此，於執行完一次之提供原料粉末，即形成鋪粉層以及雷射熔融之步驟而獲得靶材層22後，須先使加工機台1之基板載台12下降高度D的距離，以使靶材層22之表面與加工槽13之開口齊平，接著，再進行形成另一鋪粉層以及雷射熔融之步驟，以獲得疊積於靶材層22上之另一靶材層；另外，使餵粉缸13向上露出更多之原料粉末2，以執行另一次提供原料粉末以及雷射熔融之步驟，待重複之複數靶材層22所積層之高度達到靶材之高度 T時，即形成靶材3，且如圖3A所示，靶材3之高度尺寸為靶材3側視時之高度T，另外，又如圖3C所示，亦可進一步形成高度尺寸為5T的柱狀之靶材3'，即前述高度T之5倍的高度。舉例而言，若所欲得到之靶材厚度為3cm，而執行一次提供原料以及雷射熔融之步驟所能獲得之靶材層22之厚度為3mm，則需執行十次提供原料粉末以及雷射熔融之步驟。
於步驟S105中，冷卻靶材。較佳地，係可對靶材3進行急速降溫，使靶材3急速凝固，具體而言，本發明以106℃/sec高冷卻速率進行靶材3之冷卻，以使靶材3急速凝固，且可透過雷射掃描速率等參數，控制冷卻速率，即藉由雷射參數最佳化，以確認細化靶材晶粒之最佳化冷卻速率，據之避免硼材之析出。
如圖3A所示，本發明可於單次製程中形成單一靶材3，或如圖3B所示，亦可於單次製程中，形成複數靶材3，其中，所形成之靶材係可具體為硬碟濺鍍用靶材。亦即，本發明可依需求於單次得到單一靶材3或複數靶材3。
於一具體實施例中，本發明之加工機台1係可包括用以提供加工作業環境之建造艙(圖未繪示)，建造艙係為密閉且可填充惰性氣體或氮氣之艙體，且包括供使用者操作之艙門。因此，基板11係安裝於建造艙中，提供原料粉末、雷射熔融以及冷卻靶材之步驟係於建造艙中執行，故本發明之靶材之製造方法能透過具有建造艙之加工機台1以自動化之方式進行，亦即，於安裝基板11及於餵粉缸15中添加足以進行加工之原料粉末2後，執行以下步驟。
首先，執行關閉艙門之步驟。即於硬體設置(例如安裝基板、添加原料粉末)皆已完成後，關閉建造艙之艙門開始，進而輸入氮氣且將基板11加溫，待其達到所設定之條件(例如150℃)，即完成隨時進行打印(即製作靶材)之 準備。於一實施例中，加工機台1係包括供輸入設定之參數以進行自動化控制之電腦設備，藉以供使用者輸入進行本發明之靶材之製造方法所需之參數(例如上述之雷射之功率、掃略速度等)。
再而，進行圖面準備之步驟，由使用者先利用繪圖軟體完成所需製品之3D(3 Dimensions)幾何圖形，再將其匯入加工機台1之電腦設備所對應之軟體，以進行後續之設定。
最後，執行軟體之設定。於待圖面準備完成且匯入於加工機台1之電腦設備後，須決定基板之擺放位置以及設定打印之參數，該參數係包含粉層厚度、基板溫度、雷射功率、以及掃描速率等。
於一具體實施例中，本發明係可利用選擇性雷射燒熔(Selective Laser Melting，SLM)設備以設定上述之參數及執行上述之各項步驟。
因此，本發明係可適用於鐵鈷鉻硼合金之濺鍍靶材之加工製程，其利用篩分機取得適當粒徑之原料粉末2(如粒徑約20至70μm且粉體流動性為小於16%之該原料粉末)，接著，選用適當參數(如140W之雷射功率，或900mm/s之雷射掃略速度)將原料粉末2藉加工機台1製作成靶材3，再於後製程中對靶材3進行調質再加工。是以，本發明利用對原料粉末2熔融後進行急速凝固之製程的獨特性來製成靶材，能有效提升所製成之靶材的緻密度及減小硼化物之析出。亦即，本發明係為透過雷射積層製造急速凝固之製程(Rapid Solidification Process，RSP)，故能提升合金添加能力，並細微化顯微組織；再者相較於傳統粉末冶金製程，本發明更能讓靶材3顯微組織更細緻、更均勻、更緻密，提升濺鍍靶材品質而形成更優異性能之濺鍍膜，且可達到靶材3之使用壽命最大化之目的。本發明利用積層製造製程一次淨成形(One Net Shape Forming)製程 優點，復可減少材料後加工製程之損耗，且可縮減製作工序，也具備單批次量產生產靶材之商業化能力，故相對於傳統粉末冶金製程，本發明之製法能大幅降低生產成本。
綜上所述，本發明之靶材的製造方法，係透過積層製造之方式，以重複執行於基板11上平鋪原料粉末2以形成鋪粉層21以及以雷射對鋪粉層21進行熔融，據之形成靶材，最後，使靶材3急速冷卻，以達到提升靶材3緻密度、品質之目的，且可達到避免硼析出之功效，進言之，本發明透過使用積層製造製程，以雷射高溫將原料粉末熔融以及急速凝固之製程製作靶材，俾令所製作之靶材具有更細緻且更均勻之硬碟靶顯微組織，以提供更良好的薄膜特性與濺鍍效率，於例如製作硬碟之碟片時，更有助於碟片品質的掌控。另外，本發明雖以加工設備執行本發明之上述步驟進行說明，但加工設備不以所述者為限。
上述實施形態僅例示性說明本發明之原理及其功效，而非用於限制本發明。任何熟習此項技藝之人士均可在不違背本發明之精神及範疇下，對上述實施形態進行修飾與改變。因此，本發明之權利保護範圍，應如後述之申請專利範圍所列。
S101-S105:步驟

Claims (8)

  1. 一種靶材之製造方法，係以電腦設備執行，其包括以下步驟：透過粗篩網對原料粉末進行粗粉篩分之粗篩，以得到細粉狀之該原料粉末，其中，該原料粉末係由鐵、鈷、鉻及硼之粉末所組成；透過細篩網對細粉狀之該原料粉末進行細粉篩分之細篩，以獲得粒徑約20至70μm且粉體流動性為小於16%之該原料粉末；安裝基板；利用刮刀將該原料粉末平鋪於該基板上，以形成鋪粉層；依該靶材之平面尺寸，以雷射熔融該鋪粉層之原料粉末；在該基板及經熔融之原料粉末上形成另一鋪粉層；依該靶材之平面尺寸以該雷射熔融該另一鋪粉層之原料粉末，以形成該靶材所欲的高度；以及利用106℃/sec之冷卻速率冷卻該靶材，以令該靶材凝固。
  2. 如請求項1所述之靶材之製造方法，其中，該粗粉篩分之粗篩以及該細粉篩分之細篩係以震盪篩設備為之。
  3. 如請求項1所述之靶材之製造方法，其中，該原料粉末係存放於餵粉缸中，且形成該鋪粉層於該基板上之步驟係使該刮刀自該餵粉缸依次取出足以平鋪於該基板上形成該鋪粉層之原料粉末。
  4. 如請求項1所述之靶材之製造方法，其中，該雷射之功率係140W，且掃略速度為900mm/s。
  5. 如請求項1所述之靶材之製造方法，其中，該基板係安裝於建造艙中，且該形成鋪粉層於該基板上、該雷射熔融該鋪粉層以及冷卻該靶材之步驟係於該建造艙中執行。
  6. 如請求項5所述之靶材之製造方法，其中，該建造艙中填充有惰性氣體或氮氣。
  7. 如請求項1所述之靶材之製造方法，其中，該刮刀與該基板之表面係以該鋪粉層所形成之厚度為距離保持相互平行。
  8. 如請求項1所述之靶材之製造方法，於執行該安裝基板之步驟前，復包括以下步驟：對該基板進行表面研磨；以及清潔該刮刀及該基板經研磨之表面。
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