随着(zhe)微(wei)电子(zi)技术(shu)、光学和(he)光(guang)电子(zi)技术(shu)等高(gao)科技(ji)产(chan)业的(de)快速(su)发展，特别(bie)是(shi)表面技(ji)术(shu)和(he)薄膜材料的发(fa)展，薄(bao)膜科(ke)学应用(yong)日益广(guang)泛。靶(ba)材作为(wei)溅(jian)射沉(chen)积(ji)薄(bao)膜的(de)关键(jian)材料(liao)，对(dui)金(jin)属(shu)薄(bao)膜(mo)的性能(neng)起着(zhe)至(zhi)关重要的作用。晶粒尺(chi)寸、取(qu)向(xiang)控(kong)制和(he)均匀性(xing)是高纯(chun)溅射靶材制(zhi)备技(ji)术(shu)开发最主要(yao)的3个方(fang)面(mian)。近(jin)年来，对钨(wu)靶、钼靶(ba)和(he)铌靶(ba)的(de)制备(bei)工(gong)艺(yi)研究(jiu)较多(duo)［1-3］，而有关纯(chun)钛(tai)靶(ba)材制备(bei)工艺的(de)研究却(que)鲜(xian)有(you)报道。
目前(qian)，制(zhi)备(bei)纯(chun)金属靶材(cai)的方法有(you)熔(rong)炼(lian)法(fa)和(he)粉(fen)末(mo)冶金(jin)法。采(cai)用(yong)真(zhen)空熔(rong)炼方(fang)法制(zhi)造的(de)靶(ba)材可确(que)保(bao)块材(cai)内(nei)部无(wu)气(qi)孔存(cun)在。而(er)粉(fen)末(mo)冶金方法制造的(de)靶材(cai)，则(ze)极有可能(neng)含(han)有(you)一定数(shu)量(liang)的气(qi)孔，气(qi)孔(kong)的(de)存在，会导致(zhi)溅射时不正常(chang)放(fang)电(dian)，而产(chan)生杂(za)质(zhi)粒(li)子(zi)。另(ling)外(wai)含(han)有(you)气(qi)孔的靶材因其密度较(jiao)低(di)，在(zai)搬运、安(an)装和(he)操(cao)作(zuo)时，也(ye)极(ji)易发(fa)生(sheng)碎(sui)裂［4-5］。对于纯(chun)钛板(ban)来(lai)说(shuo)，目(mu)前工业(ye)化常用(yong)的(de)板(ban)坯(pi)通常采用(yong)真(zhen)空(kong)自(zi)耗(hao)电弧炉熔炼(lian)+锻(duan)造(zao)法和(he)电子(zi)束(shu)熔炼(lian)法制得。本(ben)文主要(yao)从(cong)制(zhi)坯方(fang)式(shi)和热(re)处理(li)温(wen)度(du)着手(shou)，探(tan)索适合靶(ba)材(cai)用钛(tai)板(ban)的最(zui)佳(jia)制(zhi)备(bei)工(gong)艺，以期为(wei)工业生产(chan)提供(gong)可靠的(de)理论(lun)指(zhi)导(dao)和(he)依据。
1、试验(yan)材料(liao)与(yu)方法(fa)
本试(shi)验选用(yong)板坯(pi)的名义成分(fen)均为(wei)工(gong)业纯(chun)钛(tai)(TA1)，一(yi)种为真空自(zi)耗电(dian)弧炉(lu)熔(rong)炼+锻(duan)造(zao)坯，简称(VAＲ+F)坯(pi);一种(zhong)为(wei)电子束(shu)熔炼坯，简称(cheng)EB坯(pi)，两种(zhong)板坯厚200mm。将两(liang)板(ban)坯(pi)分别(bie)经(jing)2800mm四(si)辊可(ke)逆轧机一火轧制成(cheng)13mm厚板(ban)材，经退火(huo)和表(biao)面(mian)处理(li)后(hou)制成成(cheng)品板(ban)材(cai)。将板(ban)坯的(de)长度进行(xing)5等分，依(yi)次(ci)在(zai)这(zhe)5处取样(yang)，分(fen)析(xi)板坯不同部(bu)位的(de)成分，同(tong)时对扒皮后(hou)的光(guang)亮板(ban)坯进(jin)行(xing)维(wei)氏硬(ying)度(du)测试(shi)，加(jia)载(zai)载荷砝(fa)码(ma)5kg。比较不(bu)同(tong)制(zhi)坯方(fang)式(shi)下所得板(ban)坯及成(cheng)品(pin)板材的(de)组织及(ji)性(xing)能(neng)，以期获(huo)得(de)适(shi)合靶材(cai)用纯钛板材(cai)的制(zhi)坯方(fang)式(shi)。
用箱式电(dian)阻(zu)炉(lu)将(jiang)制得的(de)13mm厚热(re)轧(ya)板(ban)材(cai)加(jia)热到650～800℃，保(bao)温(wen)30min，空(kong)冷(leng)，研究(jiu)热处(chu)理(li)温(wen)度对(dui)板(ban)材(cai)组(zu)织及(ji)性能(neng)的(de)影(ying)响，探(tan)索(suo)适合(he)靶(ba)材(cai)用钛板(ban)晶(jing)粒尺寸(cun)及(ji)硬度(du)匹配的最佳(jia)热处理(li)温度。
2、试验(yan)结(jie)果(guo)与(yu)讨论
2.1制(zhi)坯(pi)方式(shi)对钛靶(ba)材(cai)组(zu)织(zhi)与性能(neng)的(de)影(ying)响(xiang)
表1给(gei)出了(le)真(zhen)空自耗电(dian)弧(hu)炉(lu)熔炼+锻(duan)造法和电子束法(fa)制(zhi)得板坯的(de)化(hua)学成分。从(cong)表(biao)1可(ke)以看出(chu)，其平均氧含量分别(bie)为(wei)0.06%和(he)0.07%，能够满足靶(ba)材用(yong)钛板氧(yang)含量不大(da)于(yu)0.18%的(de)技术(shu)要(yao)求(qiu)。但(dan)(VAＲ+F)板(ban)坯氧(yang)含(han)量的最(zui)大(da)偏(pian)差仅(jin)为(wei)0.02%，远(yuan)远小(xiao)于(yu)EB板(ban)坯最(zui)大氧(yang)含(han)量(liang)偏(pian)差(cha)0.06%。同(tong)样(yang)，其他(ta)元(yuan)素如(ru)Fe、C、N和(he)H的(de)含(han)量(liang)均(jun)能(neng)满足(zu)技术要(yao)求(qiu)，但(dan)是EB板(ban)坯的成分偏(pian)差要(yao)略(lve)大于(yu)(VAＲ+F)板(ban)坯。一(yi)般来(lai)说(shuo)，电(dian)子束熔炼因采用(yong)水(shui)冷(leng)铜坩埚(guo)，因此和(he)炉(lu)材(cai)的(de)反应和(he)污(wu)染(ran)少(shao);而(er)且(qie)由(you)于电(dian)子束易控制，熔(rong)炼速度(du)和能(neng)量(liang)可任(ren)意选(xuan)择，因(yin)此(ci)提纯效果较好(hao)［6-7］。但是(shi)电(dian)子(zi)束熔炼也(ye)存(cun)在(zai)一些(xie)缺(que)点，如除Fe、Ni和(he)O效(xiao)果不佳，故(gu)如(ru)果配(pei)料(liao)的原(yuan)料(liao)成分(fen)不(bu)均匀，也(ye)会(hui)导(dao)致(zhi)板(ban)坯(pi)的成分(fen)存在(zai)偏差(cha);而且(qie)重(zhong)金(jin)属也必(bi)须(xu)在电(dian)子束熔(rong)炼前用融盐电(dian)解法或碘化(hua)法(fa)除(chu)去(qu)。
表2是(VAＲ+F)坯和EB坯(pi)制(zhi)得(de)的(de)TA1板坯的(de)维氏硬度测试值。从板坯硬(ying)度(du)的(de)均匀(yun)性(xing)来(lai)看(kan)，(VAＲ+F)坯的最(zui)大硬度为(wei)192MPa，最(zui)小(xiao)值为(wei)151MPa，其偏差为(wei)41MPa;而(er)EB坯的(de)最大(da)硬(ying)度(du)为223MPa，最小值为107MPa，其(qi)偏(pian)差(cha)为(wei)116MPa。EB坯(pi)的硬度偏(pian)差(cha)明(ming)显大(da)于(yu)(VAＲ+F)坯(pi)，这与(yu)成(cheng)分偏(pian)差的规律(lv)相吻(wen)合(he)。
由(you)表2还可(ke)看(kan)出，(VAＲ+F)坯(pi)的(de)平均硬度为(wei)164MPa，略(lve)高于(yu)EB坯(pi)的平(ping)均(jun)硬度(du)155MPa。这可能是(shi)因(yin)为(wei)在(zai)氧(yang)含(han)量接近的情(qing)况下，EB坯(pi)为(wei)铸态组(zu)织，而(er)(VAＲ+F)坯(pi)是锻(duan)造(zao)组织，锻(duan)坯(pi)因(yin)在(zai)高温(wen)锻(duan)造过程(cheng)中发(fa)生(sheng)了(le)动态再结(jie)晶(jing)，不(bu)仅(jin)使锭(ding)坯中(zhong)的微气(qi)孔进行焊(han)合(he)，而(er)且大(da)大(da)细(xi)化(hua)了(le)晶(jing)粒(li)，导(dao)致其(qi)组织较铸(zhu)态(tai)会(hui)有(you)所(suo)细(xi)化，故在(zai)一(yi)定(ding)程度(du)上(shang)提高(gao)了(le)(VAＲ+F)坯的(de)硬(ying)度(du)。同(tong)时细化晶粒(li)也为(wei)板(ban)坯(pi)轧(ya)制后(hou)获得(de)细(xi)小晶(jing)粒(li)提(ti)供(gong)了(le)基础，充分保(bao)证(zheng)了(le)晶(jing)粒尺寸(cun)分(fen)布(bu)的(de)均(jun)匀性(xing)。
图1是两(liang)种(zhong)坯料经轧制和(he)退(tui)火后的成(cheng)品(pin)板(ban)组织。
图(tu)1(a)为(wei)(VAＲ+F)坯(pi)成(cheng)品板退火后(hou)组(zu)织(zhi)，可(ke)见其(qi)组(zu)织均(jun)匀，平(ping)均(jun)晶(jing)粒(li)尺(chi)寸(cun)约为(wei)62.5μm。从(cong)图(tu)1(b)可见，EB坯成(cheng)品板(ban)组(zu)织(zhi)晶粒(li)大(da)小(xiao)不一(yi)，其最大(da)晶粒(li)尺寸约130μm，最小(xiao)晶粒(li)尺(chi)寸约为(wei)33μm。
综合来看，(VAＲ+F)坯(pi)的成分及(ji)成(cheng)品组(zu)织(zhi)均(jun)匀性要(yao)明显(xian)优(you)于(yu)EB坯(pi)。对(dui)于靶(ba)材来(lai)说，成分及组织均(jun)匀是镀(du)膜质量(liang)稳定(ding)的重(zhong)要参(can)数，故(gu)下(xia)文(wen)中的(de)靶(ba)材用(yong)TA1板坯(pi)以(VAＲ+F)坯(pi)为研究对象。
2.2退火温度(du)对钛靶(ba)材组(zu)织(zhi)与性(xing)能(neng)的影(ying)响
表(biao)3是经(jing)不(bu)同(tong)温(wen)度退(tui)火后的钛(tai)板(ban)室温(wen)力学(xue)性能(neng)。
可(ke)见(jian)，随(sui)退火(huo)温度由(you)650℃升高(gao)至(zhi)800℃，抗拉(la)强度及规(gui)定(ding)非比(bi)例延(yan)伸强(qiang)度逐(zhu)渐(jian)降(jiang)低(di)，伸(shen)长(zhang)率(lv)逐(zhu)渐升(sheng)高。较之(zhi)于(yu)热(re)轧(ya)态，当(dang)650℃退(tui)火(huo)时，抗拉(la)强度(du)和规定非(fei)比(bi)例延伸(shen)强(qiang)度(du)分别降(jiang)低(di)了约72MPa和128MPa，伸(shen)长率提(ti)高(gao)了15%;当(dang)继续(xu)升温(wen)至800℃时，抗拉强(qiang)度(du)和规(gui)定非(fei)比例(li)延(yan)伸强度分别(bie)降低(di)了113MPa和168MPa，伸长率(lv)提高了(le)34.5%。在(zai)650～800℃之(zhi)间退(tui)火后(hou)，钛板的抗(kang)拉强(qiang)度，规(gui)定非(fei)比例(li)延(yan)伸(shen)强(qiang)度(du)和伸(shen)长(zhang)率均能(neng)满(man)足技术(shu)要求中对室(shi)温(wen)力(li)学(xue)性(xing)能(neng)的要(yao)求。考(kao)虑(lv)到靶(ba)材(cai)对钛板硬度(du)的要求，当(dang)退火温度在650℃时(shi)，维(wei)氏硬(ying)度值(zhi)约为(wei)104MPa，虽(sui)然其较热轧态降低(di)了(le)33%，但仍(reng)不(bu)能(neng)满足靶材(cai)中维(wei)氏(shi)硬(ying)度(du)不(bu)大于(yu)100MPa的要(yao)求。当在(zai)700～800℃退火时，维氏硬(ying)度(du)值(zhi)均(jun)降至(zhi)100MPa以(yi)下。
图(tu)2是(shi)热轧(ya)态(tai)和不(bu)同(tong)温(wen)度(du)退(tui)火态钛(tai)板(ban)的横向(xiang)组织(zhi)。由(you)图2(a)可(ke)以(yi)看到(dao)，热(re)轧(ya)态(tai)是完(wan)全(quan)杂乱的加(jia)工(gong)态(tai)组织。经650℃退(tui)火(huo)后，其(qi)平均(jun)晶(jing)粒尺(chi)寸(cun)为31.8μm，随(sui)退(tui)火(huo)温度继续升(sheng)高至700、750和800℃，其(qi)平(ping)均(jun)晶(jing)粒尺(chi)寸(cun)分别增加至(zhi)44.9、63.5和151μm。据日本Energy公司研究(jiu)，若将钛靶(ba)的晶(jing)粒(li)尺(chi)寸控制在(zai)100μm以下，且晶(jing)粒大小(xiao)的(de)变(bian)化保(bao)持(chi)在20μm以内(nei)，其(qi)溅射所(suo)得(de)薄(bao)膜(mo)的(de)质(zhi)量可(ke)得到(dao)大幅度(du)改(gai)善(shan)［8］。
随着退(tui)火(huo)温(wen)度(du)的继续增加，个(ge)别(bie)晶(jing)粒(li)发生了吞(tun)并(bing)和长(zhang)大，在图2(d，e)中可(ke)以明显(xian)看(kan)到(dao)异(yi)常(chang)长(zhang)大的晶(jing)粒(li)，导致板(ban)材(cai)内(nei)部组织的不均匀。而且(qie)图2(f)中(zhong)的晶粒(li)度评级为2.5级，不(bu)能满足(zu)靶(ba)材(cai)对(dui)板(ban)材(cai)组(zu)织晶粒度≥5级的(de)要求。一(yi)般(ban)来(lai)说，同(tong)一(yi)成分(fen)的靶(ba)材，细(xi)小尺(chi)寸晶(jing)粒(li)靶材(cai)的溅射(she)速(su)率要比(bi)粗(cu)晶快，溅射(she)镀(du)膜(mo)的厚(hou)度分(fen)布越(yue)均匀;而(er)晶粒(li)尺寸相差较小的靶材，淀(dian)积(ji)薄膜的(de)厚(hou)度分(fen)布也较(jiao)均(jun)匀(yun)［9］。故(gu)成(cheng)品板选择700℃，保(bao)温(wen)30min，空(kong)冷退火后可以(yi)实(shi)现钛靶(ba)材组(zu)织和(he)性(xing)能的最佳匹(pi)配(pei)。
3、结论
1)真空自(zi)耗电弧炉(lu)熔炼(lian)+锻造法制(zhi)得(de)的(de)板坯(pi)成分(fen)及(ji)组(zu)织均匀性(xing)要(yao)优(you)于(yu)电(dian)子(zi)束(shu)熔(rong)炼(lian)制(zhi)得(de)的板(ban)坯(pi)，且硬度较高(gao)，靶材用钛板坯(pi)选(xuan)用(yong)真空(kong)自耗(hao)电(dian)弧(hu)炉(lu)熔炼(lian)+锻造法制得(de)。
2)真(zhen)空(kong)自耗电弧炉(lu)熔(rong)炼+锻(duan)造(zao)法(fa)制得的板坯(pi)，经650～800℃退(tui)火处(chu)理(li)后，强(qiang)度(du)及伸长(zhang)率(lv)均满足(zu)要(yao)求，但650℃退(tui)火时(shi)，硬(ying)度(du)较(jiao)大。综(zong)合(he)分(fen)析经(jing)轧(ya)制(zhi)及700℃保(bao)温30min空(kong)冷(leng)退(tui)火(huo)后，可以(yi)实(shi)现(xian)靶(ba)材(cai)用(yong)钛(tai)板组(zu)织(zhi)和(he)性(xing)能(neng)的最(zui)佳匹(pi)配(pei)。
参(can)考(kao)文(wen)献:
［1］郭(guo)让(rang)民(min).高(gao)纯钨(wu)溅(jian)射靶材(cai)制取(qu)工(gong)艺研究［J］.稀(xi)有金属(shu)材料与工(gong)程，1998，27(S1):70-72.
［2］李(li)晶(jing)，王锦，安(an)耿，等(deng).不(bu)同(tong)锻(duan)造变形(xing)量(liang)对管状(zhuang)溅射靶(ba)材(cai)晶(jing)粒组织(zhi)的(de)影响(xiang)［J］.中(zhong)国(guo)钼业(ye)，2012，36(4):48-51.
［3］李(li)兆博(bo)，张(zhang)春(chun)恒(heng)，李桂(gui)鹏(peng)，等.溅射镀膜(mo)用(yong)铌靶(ba)材(cai)晶粒尺(chi)寸控(kong)制(zhi)工(gong)艺研(yan)究(jiu)［J］.材(cai)料开发(fa)与(yu)应用(yong)，2010，25(6):33-35.
［4］杨(yang)邦朝，胡永(yong)达，崔(cui)红玲(ling).溅(jian)射靶材的应(ying)用和(he)发展(zhan)趋势(shi)［J］.真(zhen)空，2002(2):1-4.
［5］刘(liu)志(zhi)坚，陈远(yuan)星(xing)，黄(huang)伟(wei)嘉(jia)，等(deng).溅射(she)靶材(cai)的应(ying)用及(ji)制(zhi)备(bei)初探(tan)［J］.南方金属，2003(135):23-24.
［6］马(ma)立(li)蒲(pu)，刘(liu)为超(chao).电(dian)子束熔炼技术(shu)及(ji)其应(ying)用［J］.有色(se)金属加工，2008，37(6):28-31.
［7］张英(ying)明，周(zhou)廉，孙(sun)军，等(deng).钛合金冷床(chuang)熔(rong)炼技术(shu)进(jin)展(zhan)［J］.钛工业(ye)进展，2007，24(4):1-3.
［8］禹(yu)泽(ze)海，孙(sun)鹏，汪(wang)春平(ping)，等(deng).高纯(chun)铜溅(jian)射靶(ba)材的(de)发展及现状(zhuang)［J］.山(shan)西(xi)冶(ye)金(jin)，2007(5):4-6.
［9］尚再(zai)艳，江轩，李(li)勇(yong)军，等.集成(cheng)电路制(zhi)造(zao)用(yong)溅(jian)射(she)靶(ba)材［J］.稀有金(jin)属(shu)，2005，29(4):475-477.
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