高(gao)纯(chun)溅射铬(ge)靶(ba)材(cai)是近(jin)年来新(xin)研(yan)制(zhi)和开发的一(yi)种(zhong)靶(ba)材，先后在集(ji)成(cheng)电路、液(ye)晶(jing)显示屏(ping)、真空镀(du)膜(mo)及电(dian)子控(kong)制器(qi)件等(deng)多个(ge)领域(yu)得(de)到(dao)了(le)广(guang)泛(fan)的(de)应(ying)用，市场(chang)规(gui)模不(bu)断扩(kuo)大。铬靶材(cai)可以(yi)采用多(duo)种(zhong)方法(fa)制(zhi)备(bei)，而针(zhen)对市(shi)场的(de)大量(liang)需求(qiu)，在进(jin)行(xing)铬靶批(pi)量(liang)生(sheng)产时(shi)，通常要求(qiu)其纯(chun)度(du)能够(gou)达(da)到(dao)85％左右(you)，因此(ci)，需(xu)要(yao)在(zai)选择(ze)合(he)理制(zhi)备(bei)工(gong)艺(yi)的(de)同(tong)时(shi)，有效控制(zhi)高(gao)纯溅射(she)铬(ge)靶(ba)材的生(sheng)产成(cheng)本(ben)。
1、试(shi)验(yan)原材(cai)料(liao)及(ji)试验方(fang)法(fa)
1.1 试验(yan)原(yuan)材(cai)料的(de)选(xuan)择(ze)
在试(shi)验(yan)过(guo)程中(zhong)，我(wo)们(men)选择(ze)电(dian)解铬(ge)粉(fen)作(zuo)为(wei)试(shi)验原材料(liao)，其主(zhu)要(yao)化(hua)学(xue)成(cheng)分(fen)为(wei)Cr，其(qi)杂(za)质元(yuan)素(su)含量为：w(A1)--O．001％，w(Fe)--O．02％，w(Pb)=0．001％，w(Si)=0．0015％，w(Cu)=O．002％，w(C)一0.004％，w(S)=0.001％，w(O)=0.3％。
1.2 试(shi)验(yan)方法(fa)及试(shi)验堤备
常用(yong)的粉(fen)末(mo)冶(ye)金(jin)工(gong)艺包括传(chuan)统烧结(jie)、热压(ya)、真(zhen)空热压(ya)和(he)热(re)等静(jing)压等多种(zhong)方法[1]。本试(shi)验(yan)选(xuan)择传(chuan)统(tong)烧(shao)结法(fa)和(he)热压(ya)法(fa)。
1.2.1 成型(xing)及(ji)烧结(jie)试(shi)验(yan)
传统的烧(shao)结方(fang)法(fa)能够用于(yu)大(da)尺寸靶材(cai)的制备(bei)，但(dan)是致(zhi)密(mi)度(du)通(tong)常(chang)不高，在(zai)采(cai)用该方(fang)法制(zhi)备靶(ba)材时(shi)，为了(le)提高靶材的(de)密度，通(tong)常(chang)需要增(zeng)加(jia)烧结时间，或(huo)者(zhe)在烧(shao)结(jie)之后(hou)进(jin)行(xing)轧(ya)制处(chu)理(li)。这里首(shou)先(xian)将(jiang)电解铬粉与成(cheng)型剂(ji)按(an)一(yi)定(ding)比(bi)例放(fang)置(zhi)于轧(ya)制(zhi)模(mo)具(ju)中(zhong)，然(ran)后利(li)用300 t的(de)液(ye)压(ya)机(ji)将铬(ge)粉轧制(zhi)成型(xing)或(huo)者包套(tao)，并进行等(deng)静压成型。模(mo)压压坯(pi)的标(biao)准尺(chi)寸为φ65mm x φ45 mm x
46 mm。将(jiang)压制成(cheng)型(xing)的(de)压(ya)块放(fang)人真空碳管(guan)炉中，在(zai)真(zhen)空(kong)条(tiao)件(jian)下(xia)对(dui)其(qi)进行低温(wen)烧结(jie)；如(ru)果(guo)进(jin)行(xing)高(gao)温(wen)烧结(jie)，则需要(yao)在惰(duo)性(xing)气体(ti)环(huan)境(jing)中进行，一(yi)般(ban)选(xuan)择(ze)氩气，烧结温(wen)度为(wei)1300℃和1450℃两(liang)种(zhong)，烧结(jie)时间(jian)均(jun)为7h。
在烧(shao)结完(wan)成(cheng)后，对(dui)比靶(ba)坯(pi)的尺(chi)寸(cun)、密度变(bian)化情(qing)况。
1.2.2热(re)压试(shi)验(yan)
热(re)压法具有工艺(yi)简单(dan)、致密度高的特点(dian)。在采(cai)用热压(ya)试验(yan)进(jin)行(xing)靶材制备时，首先将(jiang)混(hun)合(he)后(hou)的(de)铬(ge)合金粉末放(fang)置(zhi)到(dao)热压(ya)模具(ju)中，然(ran)后(hou)在(zai)惰(duo)性(xing)气体(ti)(氩(ya)气)环(huan)境(jing)下将(jiang)其加(jia)热(re)到(dao)1300℃左(zuo)右(you)，之(zhi)后(hou)进行1 h左右(you)的(de)保(bao)温(wen)，最后冷(leng)却至(zhi)600 ℃出(chu)炉。靶(ba)坯的标准(zhun)尺(chi)寸(cun)为(wei)φ60mm×φ30mm。完(wan)成之(zhi)后对靶坯(pi)的(de)尺寸变化(hua)情(qing)况进(jin)行分(fen)析(xi)，并(bing)计算出(chu)靶坯(pi)的(de)密度。热(re)压(ya)法(fa)一(yi)般为(wei)
单向加压(ya)，因此(ci)，采用该(gai)方(fang)法制备(bei)的铬靶材(cai)通常整体(ti)致(zhi)密度不(bu)均(jun)匀(yun)，可(ke)见该(gai)方(fang)法只能(neng)适用于(yu)小(xiao)尺(chi)寸(cun)靶(ba)材(cai)的(de)制(zhi)备。为(wei)了(le)保证(zheng)靶材(cai)的(de)纯度，通(tong)常在(zai)制(zhi)备(bei)过程(cheng)中(zhong)不需(xu)要添(tian)加其(qi)他(ta)成(cheng)型剂(ji)，而直接利(li)用高纯(chun)度的金(jin)属粉末(mo)进行(xing)制备(bei)。
2、试(shi)验结(jie)果(guo)分(fen)析
2.1 靶(ba)坯(pi)压(ya)制(zhi)过程
在进(jin)行靶坯轧制(zhi)的(de)过程中(zhong)，由(you)于各(ge)种(zhong)摩(mo)擦因(yin)素的(de)影(ying)响(xiang)，压(ya)力(li)损失，导(dao)致(zhi)靶坯(pi)各部(bu)分(fen)受(shou)压(ya)不(bu)均(jun)匀(yun)，从(cong)而(er)影(ying)响到靶(ba)材成(cheng)型后的密度(du)分布(bu)[引。通(tong)过(guo)采(cai)用(yong)双(shuang)向压制(zhi)的方法(fa)，能够有(you)效避(bi)免(mian)因压力损失(shi)导致(zhi)的(de)靶材(cai)密(mi)度分(fen)布不(bu)均匀(yun)的问题。
2.2 加工(gong)方(fang)法对(dui)铬(ge)靶(ba)材(cai)密(mi)度(du)的影响
在(zai)进行(xing)铬(ge)靶(ba)材(cai)制备(bei)的(de)过程(cheng)中(zhong)，加工方(fang)法(fa)会(hui)直接影(ying)响(xiang)到靶材的密度(du)。目(mu)前(qian)，常(chang)用的铬靶材(cai)加(jia)工方(fang)法主要(yao)包(bao)括热(re)等静(jing)压(ya)、真(zhen)空(kong)熔(rong)炼(lian)、热压、冷等静压(ya)+烧结(jie)以(yi)及(ji)机压(ya)+烧(shao)结(jie)的方(fang)法。表1给出(chu)了在不同(tong)加(jia)工(gong)方(fang)法下铬靶材(cai)的密度(du)数(shu)据。
从(cong)表1中(zhong)的(de)数(shu)据可(ke)以看(kan)出(chu)，采(cai)用不(bu)同(tong)的加工(gong)方法(fa)，所(suo)制备(bei)的(de)铬(ge)靶材的密度差(cha)距比(bi)较明(ming)显(xian)，其中采用(yong)热(re)等(deng)静(jing)压、真(zhen)空(kong)熔(rong)炼以及热压(ya)三种(zhong)方法，基(ji)本能(neng)够保证铬(ge)靶(ba)材(cai)的纯(chun)度(du)达到(dao)98％以上(shang)，但(dan)是这(zhe)三种加工方法的(de)成(cheng)本相对较(jiao)高，不适(shi)合应用(yong)到大规(gui)模(mo)生(sheng)产中(zhong)。在一般(ban)的(de)铬靶(ba)材(cai)批量(liang)生产(chan)中，通(tong)常(chang)要求(qiu)纯度(du)达到80％～85％。针对(dui)这种要(yao)求(qiu)，我们(men)可以(yi)选(xuan)择“冷等(deng)静压+烧结”以(yi)及“机压(ya)+烧(shao)结”的方法对(dui)铬靶(ba)材(cai)进行(xing)加(jia)工(gong)，这(zhe)样(yang)既能(neng)满(man)足(zu)批量生(sheng)产的密(mi)度要(yao)求，又能(neng)很(hen)好地(di)控(kong)制(zhi)制(zhi)造成本(ben)。
2.3 烧(shao)结过程的(de)控制
铬(ge)粉烧(shao)结(jie)属于(yu)单元系烧(shao)结(jie)，其烧(shao)结(jie)机(ji)制(zhi)以扩(kuo)散为(wei)主。当温(wen)度在400℃以(yi)下时(shi)，应力(li)恢复(fu)，吸附(fu)的(de)水(shui)气(qi)和(he)水(shui)分(fen)会(hui)挥(hui)发(fa)，压(ya)块的尺寸(cun)基(ji)本不(bu)会发生变(bian)化，而随(sui)着温(wen)度的(de)不(bu)断(duan)升高(gao)，靶坯(pi)中(zhong)的成(cheng)型(xing)剂(ji)逐渐(jian)分(fen)解并释(shi)放出(chu)来，使炉内(nei)的(de)真(zhen)空度(du)下降(jiang)。当温度升(sheng)高至(zhi)400～800℃之间时(shi)，进(jin)行(xing)l h的(de)保温(wen)，然(ran)后炉内开始出现再(zai)结晶(jing)，颗(ke)粒(li)的内变形(xing)会(hui)逐(zhu)渐(jian)恢(hui)复(fu)，从(cong)而形(xing)成(cheng)
新的(de)结(jie)晶体，颗(ke)粒界面(mian)会随(sui)着(zhe)扩散逐渐(jian)发生(sheng)黏结(jie)，靶坯的(de)强(qiang)度(du)逐渐增加。当真(zhen)空度(du)上(shang)升(sheng)到10～2后(hou)，向炉内(nei)注入氩(ya)气，避免(mian)铬被(bei)氧化，然(ran)后继(ji)续(xu)升(sheng)温(wen)至(zhi)1100～1200℃，并(bing)对温(wen)度(du)上升(sheng)的(de)速(su)度(du)进行(xing)控(kong)制，保持(chi)2 h左(zuo)右的时(shi)间(jian)，以保证(zheng)粉(fen)末(mo)颗(ke)粒(li)黏结(jie)的(de)充(chong)分(fen)进行，提高(gao)靶坯的密度(du)和强(qiang)度(du)。之后继续加(jia)温(wen)并控制(zhi)升(sheng)温(wen)速(su)度，使(shi)温(wen)度(du)在2 h左(zuo)右上(shang)升(sheng)至1300～1450℃，
之后(hou)进行0.5—1.5 h的(de)保(bao)温。将(jiang)靶坯的(de)烧(shao)结(jie)时(shi)间(jian)降低到7 h，不会影(ying)响靶(ba)坯(pi)的(de)烧结密度(du)，还能降(jiang)低大约(yue)30％的(de)成(cheng)本。在烧(shao)结的(de)过程中需(xu)要对(dui)加(jia)热速度进行控制(zhi)，避(bi)免(mian)因过快的加(jia)热(re)速(su)度导(dao)致吸附气(qi)体(ti)不(bu)能(neng)被(bei)彻底(di)排(pai)除(chu)而(er)影响(xiang)到(dao)铬(ge)环的(de)收缩不(bu)均(jun)匀，造成(cheng)变形，影(ying)响到铬(ge)靶材的(de)烧(shao)结(jie)密度。另外，过快(kuai)的加(jia)热(re)速(su)度还(hai)可(ke)能导(dao)致压制(zhi)过(guo)程(cheng)中的(de)高(gao)内应(ying)力(li)，使(shi)铬靶材(cai)出(chu)现裂纹。
因(yin)此，在(zai)高温(wen)烧结(jie)阶(jie)段，对(dui)升(sheng)温速度和最高(gao)温度(du)的(de)控制(zhi)尤(you)为重(zhong)要(yao)。
2.4 保护气体(ti)对铬(ge)靶材烧(shao)结密(mi)度的影响(xiang)
在(zai)进(jin)行(xing)铬(ge)靶材(cai)的烧结(jie)时(shi)，在(zai)通常情况下，需(xu)要(yao)将(jiang)烧(shao)结温(wen)度提(ti)高(gao)到(dao)1250～1 450℃之间(jian)时，才(cai)能形成(cheng)纯铬(ge)粉(fen)靶环的(de)烧(shao)结。此(ci)时，其(qi)他因素对靶(ba)材(cai)烧(shao)结的影响较低。经过实践(jian)发(fa)现(xian)，当(dang)烧结温度(du)在1250~1 450℃之间(jian)时(shi)，如(ru)果没(mei)有惰(duo)性气(qi)体进(jin)行(xing)烧(shao)结保护，就(jiu)可能会(hui)发(fa)生一定(ding)的(de)氧(yang)化(hua)现象，而且(qie)铬的蒸(zheng)发(fa)量也较大。为(wei)了(le)避(bi)免这(zhe)种情(qing)况(kuang)，在(zai)进(jin)行高温(wen)烧(shao)结(jie)时(shi)，必(bi)须(xu)向炉(lu)内(nei)加入(ru)惰性气体进行(xing)保(bao)护，适(shi)当控制炉内(nei)压(ya)力(li)。同时(shi)，真空(kong)度对(dui)靶坯(pi)的(de)烧(shao)结(jie)密度会(hui)产(chan)生(sheng)一定(ding)程(cheng)度(du)的(de)影(ying)响。
3、结(jie)论(lun)
1)不(bu)同(tong)的加工(gong)方式(shi)所制备的靶材密度存在较大(da)差异(yi)，通(tong)常(chang)情况(kuang)下(xia)，在(zai)进行批(pi)量铬(ge)靶(ba)材生产时，要求靶材纯(chun)度达到80％～85％，此时可(ke)以(yi)采用(yong)“模压+烧结(jie)”或(huo)者“冷等静压+烧结(jie)”的方(fang)式(shi)进(jin)行(xing)加工(gong)；而(er)铬(ge)合金靶材(cai)的纯(chun)度(du)要(yao)求(qiu)一般需(xu)要在(zai)98％以(yi)上(shang)，此时(shi)可以(yi)选(xuan)择(ze)真空熔炼(lian)、热(re)压及热(re)等静压的方(fang)式进(jin)行加(jia)工。
2)在(zai)进行靶(ba)坯(pi)的压(ya)制过(guo)程(cheng)中，只需(xu)要(yao)采用双(shuang)向(xiang)压(ya)制方(fang)法(fa)，不需要向(xiang)铬粉(fen)中添(tian)加任何(he)成型剂(ji)，即能(neng)很好保(bao)证靶坯(pi)的(de)密度。
3)通过(guo)对(dui)烧结(jie)的时间、温度的变化进(jin)行合(he)理的控(kong)制，能够在(zai)保证(zheng)烧结(jie)密(mi)度(du)的情况下(xia)，大(da)幅(fu)度(du)降低烧结(jie)成(cheng)本。
参(can)考(kao)文献(xian)
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相关(guan)链(lian)接
