高(gao)纯(chun)钽(tan)靶(ba)材的制备(bei)及(ji)其(qi)织构研(yan)究(jiu)

近几(ji)年(nian),集成(cheng)电(dian)路制造获得(de)快(kuai)速(su)发展,随着(zhe)器(qi)件(jian)技术的(de)进步(bu)和器件尺(chi)寸的缩(suo)小(xiao),高级逻辑(ji)器件如微(wei)处理(li)器(qi)(MPU)和数(shu)字(zi)信(xin)号(hao)处理器(DPU)等(deng)需更(geng)高的(de)运(yun)行(xing)速度(du),这(zhe)就要(yao)求其内(nei)部导线电(dian)阻(zu)更小,能(neng)传(chuan)送(song)更大(da)的(de)电(dian)流(liu)密(mi)度。为(wei)此,逻辑(ji)器(qi)件(jian)的内部导(dao)线(xian)材(cai)料由铝(lv)替换(huan)为铜(tong),虽(sui)然铜有更好的(de)导(dao)电、导热(re)性(xing),但也(ye)带(dai)来了新(xin)问(wen)题(ti):Cu元素能快(kuai)速(su)地扩(kuo)散到硅(SiO₂)中破坏绝(jue)缘(yuan)层。为(wei)防止(zhi)Cu扩散,集(ji)成电(dian)路(lu)导(dao)线槽底部和侧面(mian)的阻(zu)挡(dang)层不(bu)能(neng)再使(shi)用原来(lai)的氮(dan)化钛材料(liao),目(mu)前(qian)使用的是(shi)Ta和(he)TaN薄(bao)膜(mo),而此(ci)类(lei)薄膜(mo)由钽靶(ba)通(tong)过(guo)PVD方法(fa)溅射(she)形成。

稀(xi)有金属钽(tan)具(ju)有(you)高(gao)熔(rong)点(2996℃)、高密度(16.6g/cm³)以(yi)及(ji)优(you)异(yi)的塑(su)性(xing)和耐腐(fu)蚀(shi)性(xing),其(qi)两次退火(huo)间(jian)的总(zong)加工率可达到(dao)95%以上(shang),且纯度越(yue)高,塑(su)性越好,因(yin)此钽(tan)是(shi)极易(yi)进行塑性加工的(de)材(cai)料(liao)。溅射(she)用(yong)靶(ba)材通(tong)常有板(ban)状和管状(又称(cheng)柱状),用于集成电(dian)路(lu)制造(zao)的(de)钽(tan)靶材(cai)通(tong)常为(wei)板(ban)状,又分为(wei)圆(yuan)板靶和方(fang)板靶(ba)。板状钽靶材一般是(shi)通(tong)过(guo)将(jiang)真(zhen)空(kong)电子束熔(rong)炼(lian)的高(gao)纯钽(tan)锭(ding)进(jin)行塑(su)性(xing)加工和真(zhen)空(kong)退(tui)火(huo)得到(dao)。目前,对(dui)PVD用(yong)钽(tan)靶材(cai)的研究主要(yao)集中(zhong)在钽(tan)靶材(cai)晶(jing)粒度(du)和织(zhi)构(gou)对(dui)其(qi)溅射(she)性(xing)能(neng)的影响方(fang)面(mian)。溅射靶材的(de)晶(jing)粒(li)度(du)越细小、越均匀,溅射(she)速(su)率越快(kuai),薄膜厚(hou)度越(yue)均(jun)匀;晶(jing)体取向(xiang)越(yue)趋(qu)于一(yi)致(zhi),溅射时薄(bao)膜(mo)沉积速(su)率(lv)越(yue)快(kuai),薄膜(mo)均匀性(xing)越(yue)好[1]。然而(er),在(zai)实际(ji)生产中由于(yu)铸(zhu)锭(ding)原始组织和(he)塑(su)性(xing)变形(xing)的(de)不(bu)均(jun)匀(yun)性(xing),要(yao)得(de)到(dao)晶(jing)粒尺(chi)寸(cun)细(xi)小(xiao)而(er)均匀的组织并不容易,特别(bie)是要(yao)得到晶体取(qu)向趋于一致(zhi)的组(zu)织(zhi)更加(jia)困(kun)难。本(ben)文(wen)根据(ju)国内(nei)外(wai)研(yan)究(jiu)结(jie)果(guo)对溅射用(yong)钽靶(ba)材的(de)性能要求(qiu)进(jin)行(xing)了分析,并通(tong)过试(shi)验对钽(tan)靶材(cai)的制(zhi)备(bei)和(he)微(wei)观组(zu)织进行(xing)研(yan)究。

1、晶粒度和织(zhi)构(gou)对(dui)钽(tan)靶材溅(jian)射产(chan)出率(lv)的(de)影响(xiang)

国内(nei)不少(shao)学(xue)者(zhe)对(dui)钽靶材的(de)性能要求(qiu)进(jin)行(xing)了研(yan)究(jiu)。钟(zhong)景(jing)明等(deng)[2]研究认为,对于(yu)65nm、45nm及以下芯(xin)片(pian)制(zhi)程而言(yan),有(you)的(de)溅射(she)机(ji)台(tai)要(yao)求钽(tan)靶(ba)材具有{100}、{111}织构组(zu)分(fen)的(de)体(ti)积(ji)分数(shu)为(wei)20%~35%、{110}织构组分(fen)比(bi)例尽量少(shao)的组(zu)织,有(you)的溅射机(ji)台(tai)要(yao)求钽(tan)靶材(cai)具有(you){111}织构(gou)占优的组织,有(you)的(de)溅(jian)射机(ji)台(tai)要求(qiu)钽(tan)靶(ba)材具(ju)有{100}织构(gou)占优(you)的组(zu)织。郝小雷(lei)[3]研究(jiu)认(ren)为(wei),溅(jian)射(she)靶材的晶粒大(da)小和晶(jing)粒(li)取向(xiang)直(zhi)接(jie)影(ying)响其溅射(she)性能和溅(jian)射薄膜的(de)品质,主(zhu)要表现(xian)在(zai)随着晶(jing)粒尺寸(cun)的增(zeng)大(da),薄(bao)膜(mo)沉(chen)积(ji)速率(lv)呈(cheng)现逐(zhu)渐(jian)降低(di)的趋(qu)势(shi)。靶(ba)材的平均(jun)晶粒尺(chi)寸(cun)和(he)晶(jing)粒(li)尺(chi)寸的均匀性(xing)是影响(xiang)靶材溅射性(xing)能的要素(su)之一。极(ji)大规(gui)模(mo)集(ji)成(cheng)电路用(yong)半导体溅(jian)射靶(ba)材(cai)不仅(jin)要(yao)具(ju)有合适(shi)的(de)晶(jing)粒(li)尺(chi)寸(cun),还(hai)要(yao)保(bao)证(zheng)其(qi)均(jun)匀(yun)性(xing)。宜楠(nan)等[4]研究认(ren)为(wei),钽靶材(cai)晶粒(li)尺寸(cun)应小于(yu)100μm,再(zai)结晶(jing)率(lv)达到(dao)95%以(yi)上,且在(zai)靶材整个厚(hou)度(du)范(fan)围(wei)内应以(yi)(111)织(zhi)构(gou)为主。刘宁等(deng)[5]研究认为(wei)钽靶材(cai)的(de)晶(jing)粒尺(chi)寸一(yi)般要(yao)求(qiu)控制在(zai)50~80μm左右,均(jun)匀(yun)性控制(zhi)在(zai)±10μm以(yi)内(nei)。以上研究虽然(ran)指出(chu)晶粒度和织构(gou)对溅(jian)射(she)后(hou)沉积(ji)的薄(bao)膜性能均有影(ying)响(xiang),但是(shi)对于哪一(yi)个因素(su)的(de)影(ying)响更(geng)大以及何(he)种组(zu)织和(he)织构(gou)最(zui)有(you)利(li)于(yu)钽靶材溅射后的沉(chen)积(ji)并没有(you)给出明(ming)确(que)的(de)答案(an)。国(guo)外(wai)学者(zhe)在这方(fang)面(mian)的(de)研究(jiu)则(ze)更加(jia)系统,特(te)别是对于(yu)钽(tan)的(de)溅(jian)射产(chan)出(chu)率方面的研(yan)究更加深入。

美(mei)国Cabot公(gong)司(si)的(de)ZHANG等[6]对(dui)(110)织(zhi)构占优(you)和(111)织构占优(you)的(de)大(da)晶(jing)粒(li)钽靶材(cai)进行了溅(jian)射试验,结(jie)果(guo)表明(ming):近(111)取向(xiang)的晶(jing)粒具(ju)有较低(di)的(de)溅射产出(chu)率(lv),近(jin)(110)取(qu)向的(de)晶(jing)粒具有较高(gao)的溅射产(chan)出(chu)率,(110)取(qu)向(xiang)(垂(chui)直(zhi)于(yu)氩(ya)离子(zi)入射(she)方(fang)向(xiang))的(de)溅(jian)射(she)产出率是(111)取向的(de)2倍(bei)。但(dan)该试(shi)验并(bing)未研究(jiu)(100)织构占(zhan)优的钽(tan)靶(ba)材的(de)溅(jian)射产出(chu)率(lv),也就(jiu)不能(neng)比(bi)较(jiao)(111)织构占优(you)和(100)织(zhi)构占优(you)的钽(tan)靶材(cai)溅射(she)产(chan)出率(lv)。

MICHALUK[7]研(yan)究了(le)钽(tan)的(de)晶(jing)体(ti)取向和晶粒(li)度与(yu)钽靶(ba)材的物理(li)溅射表(biao)现的关(guan)系,结果(guo)表明(ming):细小均匀(yun)的(de)晶粒度和良好的晶体取向可以增强钽(tan)的沉积性(xing)能(neng),控制(zhi)显(xian)微组织(zhi)和织(zhi)构(gou)的均匀性是确保钽靶(ba)材可(ke)靠性(xing)和(he)随后(hou)溅射沉(chen)积(ji)得到良好(hao)薄膜(mo)的(de)关键;保(bao)持织(zhi)构不变(bian),减小晶(jing)粒度可提(ti)高钽靶材(cai)的(de)溅(jian)射(she)产(chan)出(chu)率或(huo)沉积(ji)率,而保持晶粒度不(bu)变,改(gai)变钽(tan)靶材溅(jian)射表(biao)面的(de)晶体取向(xiang)也(ye)能影(ying)响沉积率(lv);从(111)占(zhan)优的(de)织构(gou)变为(wei)随机的(de)(111)-(100)织构并没有影(ying)响钽(tan)的(de)溅射(she)表现,即(111)占优(you)织(zhi)构与(yu)随机(ji)的(de)(111)-(100)混合(he)织构的(de)溅射(she)产出(chu)率(lv)相(xiang)当;对于钽的溅(jian)射产(chan)出率而言,改变晶(jing)粒(li)度比改变织(zhi)构(gou)产生(sheng)的(de)影响更(geng)为显著;晶(jing)粒度(du)对薄膜质(zhi)量的影响是(shi)晶体(ti)取向(xiang)和(he)溅射(she)产出率(lv)(以(yi)每个(ge)离(li)子溅(jian)射出的(de)原(yuan)子(zi)数(shu)量(liang)表(biao)示(shi))之间(jian)影响关(guan)系的(de)延(yan)伸。

溅(jian)射产出率(lv)S(hkl)的概念被MAGNUSON和(he)CARLSON[8]首次(ci)提(ti)出(chu):

式中:K(hkl)表(biao)示体系的系数(shu),E1/2表示(shi)入(ru)射(she)离(li)子(zi)能(neng)量(liang)的平方根,Pc(hkl)表示(shi)入(ru)射(she)离子在(zai)垂直于(yu)(hkl)晶(jing)面方(fang)向(xiang)运动(dong)后到达靶(ba)材(cai)表(biao)面(mian)与(yu)其(qi)原(yuan)子(zi)发生碰(peng)撞(zhuang)的可能(neng)性(xing)(概(gai)率)。对于面心(xin)立(li)方(fang)(fcc)晶(jing)体(ti),具(ju)有最(zui)大(da)表(biao)面自(zi)由(you)原子密(mi)度(du)(free atom surface density,FASD)的晶(jing)体(ti)取(qu)向其(qi)溅(jian)射(she)产出率(lv)最大,因(yin)此(ci)S(111)>S(100)>S(110);而对于(yu)体(ti)心立方(fang)晶(jing)体(bcc),溅射产出率(lv)与晶体(ti)取(qu)向(xiang)的(de)关系(xi)也(ye)可以根据表面(mian)自由(you)原(yuan)子密(mi)度推导(dao)[8]。钽金属中三个低指(zhi)数(shu)晶面(mian)(110)、(100)和(he)(111)的原(yuan)子密(mi)度分(fen)别为2.8/a2、2.0/a2和1.7/a2[7],由(you)此(ci)可(ke)见,钽的(de)溅(jian)射(she)产(chan)出(chu)率与(yu)晶(jing)体(ti)取向(xiang)之(zhi)间的(de)关系可(ke)能(neng)为(wei)S(110)>S(100)>S(111)。虽然对(dui)于(yu)bcc金属(shu)溅射性(xing)能(neng)的研究(jiu)未(wei)达(da)到fcc金属(shu)的(de)程度,但(dan)对(dui)于(yu)bcc多(duo)晶(jing)体(ti)靶(ba)材溅(jian)射(she)沉积物的研(yan)究结(jie)果(guo)[9-13]支(zhi)持(chi)了这(zhe)种关系(xi)。

MICHALUK的研究[7]还(hai)表明:钽(tan)中的(100)织(zhi)构带是(shi)抗(kang)溅射(she)的(de),且(qie)钽(tan)中(zhong)(111)织(zhi)构的(de)沉(chen)积率(lv)稍强(qiang)于(100)织(zhi)构(gou),即(ji)实际(ji)的溅(jian)射产(chan)出率与(yu)晶体取向之间的(de)关(guan)系为(wei)S(110)>S(111)>S(100);(100)织(zhi)构(gou)带(dai)之(zhi)所(suo)以抗(kang)溅(jian)射,不(bu)是因为其(qi)织(zhi)构(gou)特性,而(er)是(shi)因为(wei)其(qi)具(ju)有较大的有效(xiao)晶(jing)粒度(du);局部集(ji)中存(cun)在的(100)织构(gou)通常(chang)会(hui)形(xing)成(cheng)条(tiao)带织构或称(cheng)带(dai)状(zhuang)组(zu)织;(100)织构带具(ju)有(you)小(xiao)角(jiao)度晶(jing)界(jie),这种(zhong)小(xiao)角(jiao)度(du)晶(jing)界(jie)不利(li)于钽(tan)的溅(jian)射。CLARK等[14]认为(wei)(100)织构(gou)可(ke)能遗传(chuan)于原(yuan)始(shi)铸锭中(zhong)的(de)大柱(zhu)状晶(jing)。

钽(tan)是(shi)bcc金(jin)属(shu),最密(mi)排面(mian)是(shi){110},最密排(pai)方(fang)向是<111>。MICHALUK的另一(yi)项研(yan)究(jiu)[15]表明(ming),钽的加(jia)工(gong)态(tai)和再结晶(jing)态(tai)均(jun)不(bu)能得(de)到{110}为主(zhu)的(de)织构,而是主要(yao)由{100}织构和(he){111}织(zhi)构组(zu)成(cheng),很少有(you){110}织(zhi)构出(chu)现(xian);钽靶(ba)材表(biao)层(ceng)主要(yao)以{100}织构为(wei)主(zhu),而(er)靶(ba)材厚(hou)度中心则以{111}织构(gou)为主,这(zhe)种织构(gou)分布(bu)不(bu)均匀不(bu)利(li)于靶材的(de)溅(jian)射(she);钽(tan)的(de)晶(jing)粒(li)度与(yu)织(zhi)构间(jian)有独特的(de)联系:{111}织构为(wei)主的(de)加工(gong)钽材(cai)由细(xi)小(xiao)而均匀(yun)的(de)晶(jing)粒(li)组成,而具有大的(de)再(zai)结晶(jing)或(huo)多(duo)边(bian)形晶粒的(de)钽材(cai)为{100}织(zhi)构,这种(zhong)织(zhi)构与加(jia)工(gong)产品(pin)在(zai)厚(hou)度方(fang)向上具有(you)显(xian)微组(zu)织(zhi)和织(zhi)构不(bu)均性(xing)密(mi)切相(xiang)关(guan)。采(cai)用(yong)目前的(de)加(jia)工(gong)工(gong)艺(yi)生产(chan)的(de)钽靶(ba)材还易存在织(zhi)构在(zai)靶材厚(hou)度(du)方向上分布不(bu)均(jun)匀(yun)的问(wen)题(ti)。

通(tong)过以(yi)上(shang)分析(xi)可以得出,最(zui)有利(li)于溅(jian)射后(hou)沉(chen)积的(de)钽(tan)靶材应(ying)具(ju)备以下(xia)特(te)点(dian):(1)晶粒(li)细(xi)小(xiao)而(er)均(jun)匀,无(wu)带(dai)状(zhuang)组织;(2){111}占(zhan)优织构或{100}-{111}混(hun)合(he)随机织构(gou)均具(ju)备(bei)较好的(de)溅射性(xing)能(neng);(3)具有(you)细(xi)小(xiao)而均(jun)匀(yun)晶粒组(zu)织(zhi)的(de){100}占优(you)织构(gou)对溅射(she)性(xing)能的影响也不(bu)大(da)。实际(ji)上(shang)很难得(de)到(dao){100}织构(gou)占(zhan)优(you)且(qie)具(ju)备(bei)细(xi)小而均匀(yun)的晶粒组(zu)织(zhi),因(yin)为(wei){100}织构的(de)存在(zai)常伴随着(zhe)带状或不均匀(yun)的(de)大晶(jing)粒组织(zhi)。

2、试验(yan)材料(liao)与(yu)方法

本(ben)试(shi)验(yan)所用高(gao)纯(chun)钽(tan)锭是(shi)将钽(tan)条经过(guo)真空电(dian)子束(shu)炉熔炼两次后所(suo)得,其机(ji)械加(jia)工(gong)尺(chi)寸(cun)为ϕ110mm×165mm,钽的(de)纯(chun)度(du)为(wei)大于99.95%,化(hua)学(xue)成分(fen)如(ru)表(biao)1所(suo)示(shi)。

钽锭在(zai)室温下经(jing)过(guo)多(duo)次(ci)镦拔(ba),总加工率(lv)达到(dao)了约(yue)96%,锻(duan)造后(hou)板坯(pi)尺寸(cun)约(yue)为60mm×162mm×162mm。锻(duan)造(zao)板(ban)坯经(jing)过950℃保温(wen)1h的真空(kong)退火(huo)后(hou)在四(si)辊轧(ya)机(ji)上(shang)进行轧制(zhi),先(xian)进(jin)行交叉(cha)轧(ya)制(zhi),轧制至(zhi)一定(ding)宽(kuan)度(du)后(hou)再(zai)沿一(yi)侧(ce)方(fang)向(xiang)一(yi)直(zhi)轧(ya)制(zhi)至(zhi)8.7mm厚,总加(jia)工(gong)率(lv)达(da)到(dao)约85%。轧制(zhi)板(ban)坯使用(yong)水(shui)刀(dao)切(qie)割成(cheng)多块(kuai)成(cheng)品靶坯(pi),再(zai)经(jing)过(guo)真(zhen)空(kong)成品退火(huo)(在(zai)1050℃温度(du)下(xia)保温1.5h)、校平、铣圆(yuan)角(jiao)和四边(bian)以及表(biao)面抛(pao)光(guang)处(chu)理(li)后制成(cheng)320mm×100mm×8mm的钽靶(ba)材(cai)成(cheng)品(pin)。

如(ru)图(tu)1(a)所(suo)示,在(zai)成品靶(ba)材(cai)上连(lian)续截取(qu)3块试样,其(qi)中(zhong)2块为(wei)金相试(shi)样,尺(chi)寸(cun)20mm×20mm×8mm,另(ling)一(yi)块为(wei)EBSD样(yang),尺寸(cun)10mm×5mm×8mm。金相(xiang)试(shi)样一块进行轧(ya)制(zhi)面(RD-TD)试验,另一(yi)块进(jin)行(xing)侧面(RD-ND)试验,每一(yi)个(ge)试样的截面(mian)均采(cai)取标准金(jin)相(xiang)制(zhi)样方法处(chu)理,随后(hou)采(cai)用(yong)WY—20倒(dao)置(zhi)金相(xiang)显(xian)微(wei)镜观察金(jin)相组(zu)织(zhi)。平(ping)均晶(jing)粒(li)度(du)分别在(zai)金(jin)相(xiang)试样的轧制面(mian)和侧面(mian)上按照(zhao)GB∕T6394—2017《金(jin)属(shu)平均(jun)晶(jing)粒(li)度(du)测(ce)定(ding)方法》采(cai)用截点法测定(ding)。EBSD试(shi)样经(jing)过(guo)标(biao)准(zhun)的制(zhi)样(yang)方法(fa)处(chu)理(li)后(hou)尺寸(cun)大(da)小(xiao)为(wei)10mm×3mm×8mm,采用(yong)GeminiSEM300场(chang)发射扫描电子(zi)显(xian)微(wei)镜观(guan)察钽靶材的(de)侧面(RD-ND),分别在图(tu)1(b)所(suo)示(shi)的(de)A、B(靠近靶(ba)材(cai)轧(ya)制表(biao)面)以(yi)及(ji)C(靶(ba)材厚(hou)度中(zhong)心)三个微(wei)区进行(xing)扫(sao)描(miao),扫描步长(zhang)控制为1.2μm。

3、试(shi)验(yan)结(jie)果(guo)与(yu)讨(tao)论(lun)

3.1金(jin)相组(zu)织(zhi)及晶粒度(du)

钽靶材试(shi)样的金(jin)相(xiang)照片见图(tu)2。从图(tu)中(zhong)可(ke)以(yi)看出(chu),无论(lun)是(shi)钽(tan)靶材(cai)的轧制(zhi)面还(hai)是(shi)厚(hou)度方向各处(chu),均(jun)无(wu)明显的粗(cu)晶(jing)或细(xi)晶(jing)区(qu),晶粒(li)均(jun)细小(xiao)而均匀且无带状(zhuang)组织(zhi)。钽(tan)靶材(cai)各处平均晶粒(li)度(du)统计结果见(jian)表(biao)2。由(you)表(biao)2可(ke)知,厚(hou)度方向近表面(mian)、1/4处(chu)和(he)1/2处(chu)的晶粒(li)度(du)最(zui)大(da)相(xiang)差约4μm,平(ping)均值为27.30μm,与(yu)轧面(mian)的平(ping)均(jun)晶(jing)粒度相差0.11μm;厚(hou)度(du)方(fang)向的(de)最(zui)大晶(jing)粒度(du)与轧(ya)面平均晶粒度(du)相(xiang)差(cha)约1.3μm;各处(chu)平均(jun)晶粒度级(ji)别(bie)为7~7.5级。

3.2织构(gou)

EBSD收集的(de)数(shu)据采(cai)用(yong)AZtecCrystal软(ruan)件进(jin)行分析(xi),分别得到(dao)试样中A、B、C三区(qu)的极图和反(fan)极(ji)图(tu)、织(zhi)构(gou)组(zu)成(cheng)以(yi)及(ji)取向差(cha)角分布(bu)和晶粒(li)尺寸分(fen)布,如(ru)图3~图(tu)5所(suo)示。

从(cong)图3可以看出(chu),A区(qu)和(he)C区的主要(yao)织(zhi)构均为{111}和(he){100},且A区和C区两(liang)者的(de){111}和(he){100}织构(gou)的含(han)量(liang)均(jun)接(jie)近(jin);B区(qu){100}和{111}也(ye)是(shi)主(zhu)要(yao)织构,但(dan)A区(qu)和C区的(de){111}织(zhi)构含(han)量高于{100},而(er)B区(qu)的(de){100}和(he){111}织构(gou)含量相当,可能(neng)与(yu)变形(xing)的(de)不均匀性和(he)再结(jie)晶(jing)退火(huo)不(bu)完(wan)全有关。钽(tan)单晶研(yan)究[16]显(xian)示(shi),相比其(qi)他(ta)取向(xiang),{100}取(qu)向(xiang)的(de)晶(jing)粒加(jia)工硬化(hua)更小,再(zai)结晶更困难,而(er){111}取(qu)向的晶粒更(geng)易发(fa)生(sheng)大量的再结晶(jing)。三(san)个(ge)区(qu)的{110}织构(gou)含(han)量(liang)均较低(di),可(ke)从(cong)图(tu)4所示(shi)各(ge)织(zhi)构(gou)含(han)量(liang)得(de)到(dao)证实(shi)。在图(tu)4中,钽靶(ba)材(cai)含(han)量较高的(de)织构(gou)依次(ci)是(shi){111}、{112}、{310}、{123}和(he){100},其(qi)中{111}织(zhi)构的(de)含(han)量(liang)是{100}织(zhi)构的(de)3倍以(yi)上(shang),前三种(zhong)织构(gou)的(de)含量(liang)均(jun)较高,比(bi)较符(fu)合织(zhi)构(gou)随(sui)机分布(bu)的(de)结(jie)论(lun)。A区(qu)与C区(qu)的(de)织构(gou)类型(xing)和(he)含量(liang)均(jun)相(xiang)似,说明(ming)在(zai)钽靶材厚(hou)度方向(xiang)上(shang),无论(lun)是轧制面(mian)附(fu)近(jin)还(hai)是(shi)厚度方向(xiang)中(zhong)间处(chu),其织(zhi)构类(lei)型相似且(qie)分(fen)布(bu)均(jun)匀。

从图5所示取(qu)向差角分(fen)布(bu)可以(yi)看(kan)到,三个区(qu)的取向(xiang)差角随(sui)机对分布(bu)与理(li)论(lun)曲线相似(shi)度均很(hen)高,这说明三(san)个(ge)区(qu)的晶(jing)粒(li)取(qu)向呈(cheng)随机分布(bu)[17];同(tong)时,10°以下(xia)取(qu)向(xiang)差(cha)角的相(xiang)对(dui)频(pin)率(lv)较高(gao),说(shuo)明存在(zai)大量(liang)小(xiao)角(jiao)度(du)晶(jing)界(jie)的晶(jing)粒(li),这(zhe)些晶粒(li)有(you)相(xiang)同或相(xiang)近(jin)的晶体取(qu)向。小角度晶界(jie)是(shi)由位错(cuo)构成的,为(wei)位错的(de)塞积(ji)区,大(da)量小(xiao)角度(du)晶(jing)界(jie)的(de)出现说(shuo)明材(cai)料的再结晶(jing)程度(du)并不完全(quan)。从图(tu)5所示晶(jing)粒(li)尺(chi)寸(cun)分(fen)布可以看(kan)出(chu),各区(qu)晶(jing)粒(li)度(du)分(fen)布较(jiao)为(wei)均匀,大(da)致(zhi)呈(cheng)正(zheng)态(tai)分(fen)布(bu);A、B、C区的平(ping)均(jun)晶(jing)粒度分别为22.2、17.1、14.9μm,对(dui)应(ying)的晶(jing)粒(li)度(du)级别分(fen)别(bie)达(da)到了8.0级、8.5级(ji)和(he)8.9级(ji)(ASTME2627标(biao)准)。

3.3高(gao)溅射(she)产(chan)出(chu)率(lv)的钽(tan)靶(ba)材(cai)制(zhi)备工艺探讨(tao)

真空(kong)电子(zi)束熔(rong)炼的高纯钽铸(zhu)锭(ding)通(tong)常(chang)以(yi)粗大(da)的(de)柱状(zhuang)晶(jing)为主,柱(zhu)状(zhuang)晶通(tong)常为(wei){100}织构,其长度(du)方向(xiang)几(ji)乎(hu)平行于(yu)铸锭(ding)中(zhong)心(xin)线(xian),这(zhe)种织(zhi)构(gou)取向对于(yu)变(bian)形(xing)加(jia)工(gong)是(shi)极(ji)其不(bu)利(li)的(de),也会(hui)对(dui)钽(tan)靶(ba)材(cai)成(cheng)品的(de)织构组成产生重要影(ying)响,因此(ci)铸(zhu)锭(ding)开坯(pi)就显得极(ji)为(wei)重(zhong)要(yao)。根据前(qian)面的(de)分析(xi),钽靶材的晶(jing)粒(li)度大小(xiao)和(he)均匀(yun)性对(dui)其溅射(she)产(chan)出率的(de)影(ying)响比织构组(zu)成(cheng)更为显(xian)著(zhu),故(gu)获得(de)晶粒(li)细(xi)小而均(jun)匀的(de)组(zu)织(zhi)是(shi)制备合(he)格钽(tan)靶材的(de)关键(jian)。相(xiang)比于后(hou)续的轧制(zhi),铸锭的(de)变(bian)形加(jia)工更(geng)容(rong)易改(gai)善组(zu)织(zhi),须制(zhi)定(ding)最(zui)佳的铸(zhu)锭变(bian)形工(gong)艺以(yi)获(huo)得具(ju)有良(liang)好组(zu)织结(jie)构(gou)的(de)轧(ya)制坯。

纯钽(tan)具有(you)良好(hao)的塑(su)性(xing),可(ke)以在室(shi)温(wen)下(xia)进行冷加(jia)工(gong),因此本(ben)试(shi)验(yan)制(zhi)定的开坯工(gong)艺选(xuan)择(ze)在(zai)室温(wen)下(xia)进行(xing)多向(xiang)锻(duan)造(zao)。为(wei)最(zui)大(da)程度(du)地(di)破(po)碎铸(zhu)锭(ding)的柱(zhu)状(zhuang)晶(jing)组织(zhi),须加大(da)冷(leng)变形加工的变(bian)形量(liang)。多(duo)向锻(duan)造首先(xian)沿(yan)着(zhe)铸锭(ding)中(zhong)心线(xian)的方(fang)向(xiang)进(jin)行(xing)镦粗,然后沿着铸锭中(zhong)心线(xian)方向进行拔(ba)长(zhang),如此进行(xing)三次(ci)镦粗(cu)和(he)两次拔(ba)长(zhang)操作(zuo),最后一(yi)次沿着(zhe)铸(zhu)锭(ding)中(zhong)心(xin)线(xian)镦(dui)粗至60mm厚。镦粗锻造对(dui)于(yu)铸锭柱状晶(jing)的(de)破(po)碎(sui)具有(you)重(zhong)要(yao)作用,增加镦(dui)粗的(de)加工(gong)变形量有利(li)于(yu)破碎柱状晶(jing)。CLARK等(deng)[14]研(yan)究(jiu)认(ren)为(wei),沿(yan)铸锭(ding)中(zhong)心线锻造(zao)能(neng)破碎铸(zhu)锭(ding)的(de)柱(zhu)状晶,为(wei)随后的退(tui)火创(chuang)造(zao)大(da)量的形(xing)核位点,从而(er)有利(li)于(yu)再(zai)结晶。沿(yan)径向(xiang)锻(duan)造(zao)的轧(ya)制(zhi)坯在后(hou)续轧制(zhi)中(zhong)的应变不能(neng)增(zeng)加(jia)足(zu)够的(de)变(bian)形(xing)量(liang)以(yi)消除(chu)铸(zhu)锭的(de)柱(zhu)状(zhuang)晶(jing)。为(wei)此(ci),本试(shi)验(yan)将钽铸(zhu)锭锻(duan)造的总变(bian)形(xing)量(liang)增大(da)到(dao)约(yue)96%,充分(fen)破碎了(le)铸(zhu)锭(ding)的柱(zhu)状晶(jing),同时(shi)弥(mi)补(bu)了(le)后续(xu)轧制(zhi)变形(xing)量的(de)不(bu)足(zu)。

材料(liao)的变形(xing)加工(gong)须配合(he)最(zui)佳的(de)热(re)处(chu)理工艺才(cai)能(neng)获得(de)良好的组(zu)织和(he)织(zhi)构(gou)。锻造(zao)后(hou)的(de)轧(ya)制(zhi)坯应采(cai)取(qu)较(jiao)低(di)的中(zhong)间(jian)退火温度,以(yi)形(xing)成(cheng)部分(fen)再(zai)结晶或仅(jin)起(qi)到(dao)回(hui)复作用(yong),从而为(wei)后续成(cheng)品退火(huo)提(ti)供较(jiao)大的储存能以增加(jia)更多(duo)的形(xing)核机会;而(er)较高的(de)中(zhong)间退(tui)火温(wen)度(du)会增(zeng)加(jia)成(cheng)品(pin)钽(tan)靶(ba)材晶粒粗(cu)化(hua)和(he)尺寸(cun)不均匀的概率(lv)。

从本试(shi)验的(de)结(jie)果(guo)来看,大变(bian)形量的(de)铸(zhu)锭锻(duan)造结合较低(di)温(wen)度(du)的中间(jian)退火工艺以及后(hou)续轧(ya)制和(he)成品(pin)退(tui)火(huo)得(de)到(dao)的钽(tan)靶材,其金相照(zhao)片显示(shi)轧制(zhi)面以(yi)及(ji)沿(yan)靶(ba)材(cai)厚(hou)度方(fang)向的(de)晶(jing)粒细(xi)小(xiao)而(er)均匀(yun)且(qie)无带(dai)状组(zu)织(zhi),反(fan)映(ying)出(chu)钽(tan)靶(ba)材(cai)达到(dao)了(le)完(wan)全再结(jie)晶,说(shuo)明通过(guo)大变(bian)形量(liang)的铸锭锻造加(jia)工(gong)可(ke)以(yi)得(de)到(dao)晶(jing)粒细小且均(jun)匀(yun)的组(zu)织(zhi)。但EBSD分析结果却显示上述(shu)工艺得(de)到(dao)的钽(tan)靶材(cai)再结(jie)晶(jing)不完全,这(zhe)是因(yin)为EBSD分(fen)析的(de)精度(du)更(geng)高(gao),其通(tong)过(guo)非(fei)弹(dan)性(xing)背散射电子(zi)的(de)衍射(she)获得样品(pin)表(biao)面每(mei)个极其微(wei)小区(qu)域(yu)的菊池花(hua)样(yang),进而(er)得到(dao)该微(wei)区的晶(jing)体学(xue)信(xin)息(晶(jing)体(ti)结构(gou)、晶体(ti)取向(xiang)等),因(yin)此(ci)EBSD分析更微观,比(bi)金相组(zu)织(zhi)观察(cha)更(geng)准(zhun)确。通(tong)过(guo)EBSD结(jie)果分(fen)析(xi)退(tui)火态(tai)钽靶材(cai)α取(qu)向线(xian)和γ取(qu)向(xiang)线(xian)上的织构(gou)组成(cheng),结果如图(tu)6所(suo)示(shi)。

通常(chang),大(da)变形量(liang)的(de)单(dan)向(xiang)轧(ya)制(zhi)会(hui)增(zeng)强(qiang){111}取向织(zhi)构(gou)的含(han)量,从而(er)获(huo)得(de){111}织(zhi)构(gou)占优的(de)钽靶(ba)材(cai)[17],而(er)交(jiao)叉(cha)轧制(zhi)会使(shi)各种(zhong)织构分(fen)布更均(jun)衡,对(dui)细化晶粒作用不(bu)大(da)[18]。本试(shi)验采(cai)取(qu)交叉(cha)轧(ya)制(zhi)工艺(yi)制备(bei)钽靶材,得到的(de)织构(gou)是{100}-{111}混合(he)随机织构(gou)。一般(ban)而言(yan),bcc金(jin)属经(jing)过(guo)再(zai)结(jie)晶退(tui)火后,α取(qu)向(xiang)线(xian)上(shang)的织(zhi)构会消(xiao)失(shi),γ取向(xiang)线(xian)上的(de)织构(gou)会(hui)增强[19]。但(dan)从图6可(ke)以(yi)看(kan)出(chu),退(tui)火(huo)钽(tan)靶材中α取向线上的(de)织(zhi)构(gou)含(han)量仍然(ran)较(jiao)高(gao),γ取(qu)向(xiang)线上(shang)的(de)织构(gou)含(han)量(liang)却不高,也(ye)说明成(cheng)品(pin)退(tui)火再结晶不充(chong)分。如果(guo)延(yan)长(zhang)退(tui)火(huo)保温时(shi)间(jian)或提高退(tui)火温(wen)度,使(shi)钽靶材达(da)到(dao)完全(quan)再结晶,那么(me)α取(qu)向线(xian)上的织构含(han)量(liang)会降低,γ取向线上(shang)的(de)织(zhi)构(gou)含量会增(zeng)加(jia),但(dan)也会增(zeng)加晶(jing)粒长(zhang)大(da)的(de)概(gai)率,这(zhe)需(xu)要(yao)在今后的试(shi)验中进一(yi)步验(yan)证(zheng)。

4、结(jie)论(lun)

1)通过增(zeng)大(da)铸锭(ding)开坯(pi)变(bian)形量可使(shi)钽(tan)靶材(cai)在(zai)厚度方向(xiang)获得细小而(er)均(jun)匀的晶(jing)粒组(zu)织(zhi)。

2)细(xi)小(xiao)而(er)均(jun)匀(yun)的晶(jing)粒(li)组(zu)织有(you)利于(yu)织构在厚度方(fang)向上(shang)均匀地随机分(fen)布(bu)。

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