磁(ci)控溅(jian)射是制备(bei)薄(bao)膜材(cai)料(liao)的(de)主要(yao)技(ji)术(shu)之一(yi)，其 中(zhong)，被粒(li)子(zi)轰击(ji)的固(gu)体(ti)是用(yong)溅射(she)法沉积薄(bao)膜的(de)原材 料(liao)，称(cheng)为(wei)溅射靶材[1-2]。钼合金靶(ba)材是市(shi)面上(shang)常见的 靶(ba)材(cai)之一(yi)，它具有熔(rong)点(dian)高(gao)、导电率(lv)高、比(bi)阻抗低、耐(nai) 腐(fu)蚀(shi)性(xing)好、环保(bao)性好等特点，从而广泛(fan)应用(yong)于大规 模(mo)集(ji)成电路(lu)，TFT-LCD（Thin Film Transitor-Liquid Crystal Displays，薄(bao)膜半(ban)导体管(guan)-液(ye)晶(jing)显示(shi)器(qi)）、等离 子(zi)显(xian)示屏等。目(mu)前TFT-LCD中的导(dao)电膜(mo)材料主(zhu)要(yao) 是铝，阻(zu)挡层材(cai)料(liao)主要用钼(mu)作(zuo)为溅射(she)靶(ba)材形(xing)成钼(mu)薄 膜(mo)[3-4]。溅(jian)射靶材(cai)对(dui)材料的纯度、内(nei)部(bu)组织(zhi)结(jie)构、力学(xue)强(qiang)度、致密(mi)度(du)等要求较(jiao)高(gao)，同时，靶材的成(cheng)分也会 对(dui)性(xing)能产生重(zhong)要的影响[5-7]。 然而(er)，随着(zhe)TFT-LCD面板(ban)尺(chi)寸的(de)大型化(hua)，需要电(dian)阻率更小(xiao)的导(dao)电膜(mo)材(cai)料(liao)，因而(er)铜代替铝的趋势正(zheng)在形成。但(dan)是(shi)，用(yong)于(yu)铜导(dao)电膜(mo)的底(di)层(ceng)或(huo)覆盖层时，纯钼(mu)由(you)于再结晶温(wen)度(du)低、室温(wen)强(qiang)度低、脆性(xing)大(da)等(deng)缺点(dian)，存在各种(zhong)各样的问(wen)题(ti)[8]，因此(ci)，需(xu)要(yao)添(tian)加合(he)金(jin)元(yuan) 素(su)来改善纯钼(mu)的(de)性(xing)能(neng)。合金元素(su)的固溶强化是(shi)提高钼(mu)性能最典型的方(fang)法(fa)[9-10]。钛是(shi)最(zui)有(you)效和最常(chang)用(yong) 的合金(jin)添加元素之(zhi)一(yi)[11- 12]，它是钼基(ji) VIB（第四副(fu)族(zu)），bcc结(jie)构(gou)的(de)金属(shu)元素(su)，可(ke)以(yi)与钼(mu)形成(cheng)连续固溶(rong) 体[13]。当钼(mu)钛(tai)形(xing)成固(gu)溶体(ti)之后，不仅(jin)能(neng)提(ti)高(gao)钼(mu)合(he)金(jin) 的高温性能，而(er)且(qie)能(neng)提高(gao)钼(mu)的再(zai)结(jie)晶温度，降低钼的脆(cui)性。而(er)且(qie)，金(jin)属钛(tai)良好的(de)耐(nai)腐(fu)蚀性(xing)也使(shi)得钼(mu)钛 合金(jin)具有比纯(chun)钼(mu)更加(jia)良(liang)好的(de)耐腐(fu)蚀(shi)性(xing)能(neng)[14- 15]。另(ling)外，钛和铜(tong)具有优异的(de)附(fu)着(zhe)性(xing)，钼有利(li)于致密(mi)阻挡 层的稳定(ding)性，因(yin)此，钼(mu)钛合金(jin)薄(bao)膜作(zuo)为(wei)铜(tong)导电膜(mo)的(de) 底(di)层或(huo)覆(fu)盖层(ceng)，可(ke)以(yi)避(bi)免隆(long)起，控(kong)制(zhi)反射(she)率(lv)，使(shi)其(qi)在(zai) 光(guang)刻过程(cheng)中(zhong)免(mian)受化学(xue)侵蚀。
目(mu)前，市场上常见(jian)的纯钼(mu)靶(ba)材(cai)普(pu)遍采用的(de)生产(chan) 工艺包(bao)括冷(leng)等(deng)静压(ya)-氢(qing)气(qi)烧结-热(re)轧(ya)-机(ji)加(jia)工(gong)等步(bu)骤(zhou)。 但(dan)由于(yu)钛(tai)吸(xi)氢后(hou)变(bian)脆(cui)，造成(cheng)钼(mu)钛(tai)合金(jin)轧(ya)制(zhi)时(shi)极易(yi)开(kai)裂(lie)，该(gai)工(gong)艺不(bu)能(neng)用(yong)于钼(mu)钛(tai)合金(jin)靶(ba)材的生产[16-17]。另(ling)外(wai)，钛(tai)原子分数对钼钛(tai)合(he)金靶(ba)材性(xing)能的影响(xiang)尚不明(ming)了(le)。为了探(tan)索(suo)新(xin)的生产(chan)工(gong)艺(yi)，确定(ding)合适(shi)的(de)钛(tai)原子(zi)分数(shu)，本(ben)文采用热压(ya)烧(shao)结法制(zhi)备(bei)了不(bu)同钛原子分数(shu)的 钼(mu)钛(tai)合金靶材(cai)，研究(jiu)了钛(tai)原子分数(shu)对(dui)合金组(zu)织(zhi)和力学性能(neng)的(de)影响(xiang)，以探寻最佳的(de)钼钛比(bi)例。
1、 实(shi)验
1.1 样品(pin)制备(bei)
本实(shi)验(yan)原料(liao)为纯(chun)度(du)为(wei)99.95%（质量分(fen)数）的(de)高纯(chun) 钼粉(fen)（粒(li)径为6.8 μm，如图(tu)1（a）所(suo)示(shi)）和纯(chun)度为(wei)99.5%（质(zhi)量分数(shu)）的高纯(chun)钛(tai)粉（粒径为3.7μm，如图(tu)1（b）所(suo)示）。按表1所(suo)示5种比例称取(qu)粉末配料混(hun)合，然后(hou)在GMS3-8型球(qiu)磨(mo)机上进(jin)行(xing)球(qiu)磨(mo)。球(qiu)磨采用(yong)直径(jing)3、8和15 mm的(de)3种(zhong)氧化(hua)锆球(qiu)体(ti)，3种(zhong)球(qiu)体(ti)的质(zhi)量比(bi)为1：1：1，球(qiu)料(liao)质量比为(wei) 4:1，球(qiu)磨(mo)转(zhuan)速(su)为(wei) 150 r/min，以(yi)乙(yi)醇为介质。球(qiu)磨(mo)20 h后(hou)进(jin)行真空(kong)干(gan)燥，最(zui)终制备(bei)出(chu) 不(bu)同(tong)原子比(bi)（组成(cheng)见表(biao)1）的(de)Mo-xTi粉末。
图2为(wei)真(zhen)空热压(ya)模(mo)具(ju)结(jie)构。将(jiang)制备(bei)的(de)粉(fen)末置(zhi)于(yu) 如图(tu) 2[18]所(suo)示的(de)表面涂(tu)有(you) BN[19-20]的圆(yuan)柱(zhu)形石(shi)墨(mo)模(mo)具(ju) 中（模(mo)具(ju)的(de)内(nei)径(jing)为(wei)50 mm），然后将模(mo)具置(zhi)入真(zhen)空热压 烧结炉(lu)（ZT-120-22Y）中(zhong)进(jin)行(xing)热压(ya)烧(shao)结(jie)。烧结参(can)数(shu)如 图3所示：起(qi)始温(wen)度(du)为室(shi)温，终(zhong)止温度(du)为(wei)1600℃，升(sheng) 温(wen)速率(lv)为10℃/min，初(chu)始压(ya)力为5.75MP（a 仪(yi)器设(she)定 的最低(di)压力(li)），抽(chou)真(zhen)空(kong)并加入(ru)氩气为(wei)保护气(qi)后开(kai)始升 温(wen)。当温(wen)度(du)升至(zhi)1 250℃时(shi)开始加压，20min内加(jia)压 至(zhi)40MPa 并保(bao)压3.5h。温(wen)度(du)升至1600℃开(kai)始(shi)保(bao) 温(wen)，3 h之后开始(shi)随(sui)炉(lu)冷(leng)却。 压(ya)坯(pi)的(de)最(zui)终(zhong)尺(chi)寸为直径50mm，厚(hou)度(du)7 mm，将 其线切(qie)割成条状(zhuang)样品用(yong)于(yu)后(hou)续实验。从钼(mu)钛合金的 二(er)元相图（如(ru)图(tu)4所示）可知，在(zai)1600℃热压(ya)温(wen)度下(xia)， 所(suo)选的5种钼(mu)钛(tai)合(he)金均处于(yu)（β-Ti，Mo）固溶(rong)区(qu)内(nei)。
1.2 测试(shi)方法(fa)
采用(yong)布(bu)鲁(lu)克X射线衍射仪(yi)（D8 ADVANCE，德(de)国）进(jin)行(xing)物(wu)相(xiang)成分(fen)检测(ce)，衍射(she)参数(shu)为(wei)电(dian)压40kN，电(dian)流20 mA，Cukα辐(fu)射。在(zai)2θ为(wei)30o～90o的(de)范围内，采用台阶计(ji)数(shu)法（步(bu)骤0.01o，每步时(shi)间(jian)0.1s）收集(ji)强(qiang)度(du)数(shu)据(ju)。
采(cai)用阿基(ji)米德(de)排水法(fa)测(ce)定(ding)样品(pin)密度(du)，密度(du)仪(yi)型 号为(wei)Mettler Toledo New Balance New Classic MS。 在(zai)万(wan)能拉(la)伸(shen)试验机（AG-I 250KN）上(shang)采用(yong)三点(dian) 弯曲法测(ce)试(shi)试样的(de)室(shi)温(wen)弯(wan)曲(qu)强度。采(cai)用(yong)扫(sao)描电(dian)镜(jing) （SEM，JSM-5610LV）观(guan)察试样断口(kou)。用罗克(ke)韦尔(er)硬(ying) 度测(ce)试(shi)装(zhuang)置（D-150）测试试样(yang)的硬度(du)。
2、 结(jie)果(guo)与(yu)讨论(lun)
2.1 Mo-Ti合金(jin)的(de)物(wu)相分析
图 5 为 5 个(ge)样(yang)品及(ji)原(yuan)料（Mo 和 Ti）的 XRD 图。 由图(tu)可知，烧(shao)结后(hou)产(chan)物的物(wu)相主要(yao)为Mo相，未(wei)观(guan)察 到Ti相(xiang)的存在(zai)，表明(ming)Ti和Mo形成(cheng)了(le)固溶(rong)体(ti)。由于(yu)β-Ti与(yu)Mo的(de)晶体结构(gou)相似，同为体心立方结构(gou)，且Ti原子半径(jing)为(wei)147 pm，Mo原子(zi)半径为(wei)136 pm，非(fei)常 接近(jin)，所以它们(men)在一(yi)定(ding)温度(du)下(xia)可形(xing)成连(lian)续的(de)置(zhi)换固(gu) 溶(rong)体(ti)。随(sui)着(zhe)Ti原(yuan)子分数(shu)的(de)增(zeng)加(jia)，衍射角(jiao)度（2θ）的(de)值 逐(zhu)渐(jian)减小，表(biao)明(ming)晶(jing)格常(chang)数逐渐(jian)增大(da)。由(you)Mo-Ti相(xiang)图(tu) 可知(zhi)，温(wen)度(du)高(gao)于1 200 ℃时，Ti发(fa)生β相(xiang)变，并(bing)且β-Ti与(yu)Mo可(ke)以在(zai)1200 ℃以(yi)上形成(cheng)无限(xian)固(gu)溶(rong)体。在实验(yan)中(zhong)，在(zai)Ti发(fa)生(sheng)β相(xiang)变时(shi)加压，可(ke)以促(cu)使β-Ti与(yu)Mo的晶体(ti)接(jie)触得(de)更加(jia)充(chong)分(fen)，从而(er)促(cu)进两(liang)种物(wu)相(xiang)形成Mo-βTi无限固溶体。
2.2 Mo-Ti合金(jin)的断(duan)口分析(xi)
图(tu)6为不同(tong)样品在(zai)室温3点(dian)弯曲实验后(hou)形(xing)成(cheng)的 断口(kou)扫描(miao)电镜照(zhao)片。由图(tu)可知，无论Ti原子分(fen)数为(wei) 多少，材(cai)料(liao)在(zai)室(shi)温下经(jing)3点(dian)弯曲试验后均(jun)出现(xian)脆(cui)性 断(duan)裂(lie)。由断口可知，晶(jing)粒尺(chi)寸随Ti原子(zi)分(fen)数(shu)的(de)增(zeng)加 而增(zeng)大，孔隙(xi)数减少。这是因为(wei)烧(shao)结温(wen)度(du)接(jie)近(jin)Ti的 熔(rong)点(dian)，这使得 Ti 软化(hua)更多(duo)，流动更(geng)好(hao)，促进晶粒(li)生(sheng) 长，更容易(yi)填充孔隙。而且，由(you)于Mo的(de)熔(rong)点高，在(zai)1600 ℃烧结(jie)时(shi)，若(ruo)Mo的原(yuan)子(zi)分(fen)数(shu)很(hen)高(gao)，则会(hui)出现(xian) 烧结(jie)不(bu)充(chong)分的现象，如照片中许(xu)多细(xi)碎(sui)的晶(jing)粒(li)所 示(shi)。随(sui)着(zhe)Ti原(yuan)子(zi)分(fen)数的(de)增(zeng)加(jia)，晶粒(li)尺(chi)寸(cun)从7μm左右 增(zeng)大到(dao)15μm。样(yang)品(pin)Mo-50%Ti为解理(li)断裂，其余的 样品为沿晶(jing)断裂。
2.3 Ti原子分数对(dui)Mo-Ti合(he)金致(zhi)密(mi)度的(de)影响
图(tu) 7 为 Ti 原(yuan)子(zi)分数对(dui) Mo-Ti 合金致密(mi)度(du)的影 响(xiang)。由(you)图可(ke)知(zhi)，随(sui)着 Ti 的(de)原(yuan)子(zi)分数(shu)从(cong) 10%增(zeng)大(da)到50%，Mo-Ti 合(he)金的(de)致(zhi)密度(du)从95.8%提(ti)升至(zhi) 99.5%。 产(chan)生(sheng)此现象的原(yuan)因(yin)是(shi)由(you)于Ti的(de)熔点(dian)远低(di)于(yu)Mo的(de)熔 点，而烧结(jie)温度1600 ℃与Ti的熔(rong)点(dian)很接(jie)近，在(zai)此(ci)温 度(du)以及 40 MPa 的压(ya)力(li)下(xia)，金(jin)属Ti会(hui)被软化并且与Mo进行(xing)结合(he)，形成固溶体(ti)。Ti的(de)原(yuan)子分(fen)数(shu)越(yue)高，被(bei) 软(ruan)化(hua)的(de)金(jin)属(shu)比例(li)也(ye)就越(yue)高(gao)，此(ci)时(shi)，被(bei)软(ruan)化的(de)金(jin)属(shu)流 动(dong)性(xing)更(geng)好(hao)从(cong)而更容易填(tian)充样品(pin)的(de)空(kong)隙。由(you)图6也(ye)可 观察(cha)到，Ti原(yuan)子(zi)分数越大，Mo-Ti合金(jin)之(zhi)间的(de)孔(kong)隙(xi)数(shu) 量(liang)越少，致(zhi)密度越(yue)高。
2.4 Ti原子(zi)分(fen)数(shu)对(dui)Mo-Ti合金(jin)力(li)学(xue)性(xing)能(neng)的(de)影响
图8为3点弯曲(qu)试验(yan)得到的材(cai)料(liao)的(de)载(zai)荷(he)位(wei)移曲 线，表明(ming)该材料在室(shi)温下呈脆(cui)性(xing)，这(zhe)是粉(fen)末(mo)冶金烧结(jie) 制品的(de)普遍(bian)特点。图(tu)9为(wei)硬度、抗(kang)弯(wan)强度与(yu)Ti原子(zi)分(fen) 数(shu)的(de)关(guan)系(xi)。由图(tu)可知，随(sui)着Ti原子分数从(cong)10%增(zeng)加 到50%，试(shi)样(yang)的(de)洛(luo)氏(shi)硬(ying)度(du)从(cong)22.4HRC增加(jia)到(dao)45.5HRC，抗(kang)弯强度从396 MPa增(zeng)加(jia)到(dao)680MPa。产生(sheng)以(yi)上(shang)现象(xiang)的原(yuan)因，是由于(yu)Ti的(de)熔点相(xiang)对(dui)较(jiao)低(di)，在相(xiang) 同(tong)烧结条(tiao)件(jian)下，Ti原子(zi)分数(shu)越高，金属(shu)越(yue)容易(yi)被软化(hua)，粉末(mo)的(de)流(liu)动性越(yue)好，越容(rong)易获(huo)得更(geng)高(gao)的致密(mi)度。 由(you)图5可(ke)知，当Ti原(yuan)子(zi)分数(shu)较(jiao)低时(shi)，样(yang)品(pin)中存在许(xu)多(duo)孔隙，致(zhi)密(mi)度较差，使(shi)脆性(xing)材(cai)料(liao)在外力(li)作用(yong)下更容易开裂，导致(zhi)力学(xue)性能较(jiao)差。此外(wai)，Ti原子分(fen)数的增加也会(hui)导致固溶强(qiang)化(hua)现(xian)象(xiang)更加明显。
3 、结论
（1）在1600 ℃的(de)烧结条(tiao)件(jian)下(xia)，随(sui)着(zhe) Ti 原(yuan)子分数的(de)增加，晶粒尺寸增大，钼钛(tai)合金(jin)致密度(du)增加，晶(jing) 格常(chang)数(shu)变大(da)，硬(ying)度和抗弯强度逐渐提(ti)高(gao)。
（2）Mo-50%Ti的(de)断(duan)裂(lie)类型(xing)为解理(li)断裂(lie)，Ti原(yuan)子(zi)分数(shu)较(jiao)低的(de)合金均(jun)为晶(jing)间(jian)断(duan)裂(lie)。
（3）与其(qi)他(ta)试(shi)样(yang)相(xiang)比，Mo-50%Ti的(de)各(ge)方面(mian)性(xing)能 最佳，对后(hou)续(xu)钼(mu)钛合(he)金靶(ba)材的制(zhi)备(bei)及(ji)溅射(she)性能(neng)研究 具有一定(ding)的参(can)考(kao)意(yi)义(yi)。
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相(xiang)关(guan)链(lian)接(jie)
