前言
隨著電子信息產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展, 薄膜科學(xué)應(yīng)用日益廣泛。濺射法是制備薄膜材料的主要技術(shù)之一, 濺射沉積薄膜的源材料即為靶材。用靶材濺射沉積的薄膜致密度高, 附著性好。20 世紀(jì) 90 年代以來, 微電子行業(yè)新器件和新材料發(fā)展迅速, 電子 、磁性 、光學(xué) 、光電和超導(dǎo)薄膜等已經(jīng)廣泛應(yīng)用于高新技術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域, 促使濺射靶材市場(chǎng)規(guī)模日益擴(kuò)大。如今, 靶材已蓬勃發(fā)展成為一個(gè)專業(yè)化產(chǎn)業(yè)。
目前, 全世界的靶材主要由日本、美國(guó)和德國(guó)生產(chǎn), 我國(guó)靶材產(chǎn)業(yè)的研發(fā)則相對(duì)滯后 。雖然國(guó)內(nèi)也有一些大學(xué)和研究院對(duì)靶材進(jìn)行了研制, 但仍處于理論研究和試制階段, 尚沒有專業(yè)生產(chǎn)靶材的大公司, 大量靶材還需進(jìn)口。如今, 微電子等高科技產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展促進(jìn)了中國(guó)靶材市場(chǎng)日益擴(kuò)大, 從而為中國(guó)靶材產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供了機(jī)遇 。靶材是微
電子行業(yè)的重要支撐產(chǎn)業(yè)之一, 如果我們能及時(shí)抓住機(jī)遇發(fā)展我國(guó)的靶材產(chǎn)業(yè), 不僅會(huì)縮短與國(guó)際靶材水平的差距, 參與國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng), 還能降低我國(guó)微電子行業(yè)的生產(chǎn)成本, 提高我國(guó)電子產(chǎn)品的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。
有關(guān)靶材應(yīng)用和市場(chǎng)前景方面的綜述已有多篇, 本文重點(diǎn)總結(jié)靶材的制備工藝, 為靶材制備研究者提供有價(jià)值的參考。文中首次詳細(xì)列出我國(guó)靶材研究單位和生產(chǎn)企業(yè), 對(duì)其研究方向和產(chǎn)品進(jìn)行了系統(tǒng)歸納;并分析了國(guó)內(nèi)外靶材專利對(duì)我國(guó)靶材產(chǎn)業(yè)化的影響 。
1、 靶材的分類
根據(jù)應(yīng)用主要包括半導(dǎo)體領(lǐng)域應(yīng)用靶材、記錄介質(zhì)用靶材、顯示薄膜用靶材、光學(xué)靶材、超導(dǎo)靶材等。上海鋼鐵研究所張青來等人對(duì)靶材的分類及其對(duì)應(yīng)的材料種類和應(yīng)用領(lǐng)域劃分得較為詳細(xì), 本文整表引用( 見表 1) 。其中半導(dǎo)體領(lǐng)域應(yīng)用靶材、記錄介質(zhì)用靶材和顯示靶材是市場(chǎng)規(guī)模最大的三類靶材。
靶材形狀有長(zhǎng)方體、正方體 、圓柱體和不規(guī)則形狀 。長(zhǎng)方體 、正方體和圓柱體形靶材為實(shí)心, 濺射過程中, 圓環(huán)形永磁體在靶材表面建立環(huán)形磁場(chǎng), 在軸間等距離的環(huán)形表面上形成刻蝕區(qū), 其缺點(diǎn)是薄膜沉積厚度均勻性不易控制, 靶材的利用率較低, 僅為20%～ 30%。目前國(guó)內(nèi)外都在推廣應(yīng)用旋轉(zhuǎn)空心圓管磁控濺射靶, 其優(yōu)點(diǎn)是靶材可繞固定
的條狀磁鐵組件旋轉(zhuǎn), 因而 360°靶面可被均勻刻蝕, 利用率高達(dá) 80%。
2、靶材的性能要求
靶材制約著濺鍍薄膜的物理 、力學(xué)性能, 影響鍍膜質(zhì)量, 因而靶材質(zhì)量評(píng)價(jià)較為嚴(yán)格, 主要應(yīng)滿足如下要求:
1) 雜質(zhì)含量低, 純度高 。靶材的純度影響薄膜的均勻性 。
2) 高致密度。高致密度靶材具有導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好、強(qiáng)度高等優(yōu)點(diǎn), 使用這種靶材鍍膜, 濺射功率小, 成膜速率高, 薄膜不易開裂, 靶材使用壽命長(zhǎng),而且濺鍍薄膜的電阻率低, 透光率高。
3) 成分與組織結(jié)構(gòu)均勻。靶材成分均勻是鍍膜質(zhì)量穩(wěn)定的重要保證 。
4) 晶粒尺寸細(xì)小。靶的晶粒尺寸越細(xì)小, 濺鍍薄膜的厚度分布越均勻, 濺射速率越快 。
正因?yàn)榘胁脑谛阅苌嫌猩鲜鲋T多特殊要求, 導(dǎo)致其制備工藝較為復(fù)雜。
3、靶材的制備工藝
目前制備靶材的方法主要有鑄造法和粉末冶金法 。
鑄造法 :將一定成分配比的合金原料熔煉, 再將合金熔液澆注于模具中, 形成鑄錠, 最后經(jīng)機(jī)械加工制成靶材。鑄造法在真空中熔煉、鑄造。常用的熔煉方法有真空感應(yīng)熔煉 、真空電弧熔煉和真空電子轟擊熔煉等 。其優(yōu)點(diǎn)是靶材雜質(zhì)含量( 特別是氣體雜質(zhì)含量) 低, 密度高, 可大型化;缺點(diǎn)是對(duì)熔點(diǎn)和密度相差較大的兩種或兩種以上金屬, 普通熔
煉法難以獲得成分均勻的合金靶材 。
粉末冶金法:將一定成分配比的合金原料熔煉, 澆注成鑄錠后再粉碎, 將粉碎形成的粉末經(jīng)等靜壓成形, 再高溫?zé)Y(jié), 最終形成靶材 。粉末冶金法的優(yōu)點(diǎn)是靶材成分均勻 ;缺點(diǎn)是密度低, 雜質(zhì)含量高等。常用的粉末冶金工藝包括冷壓、真空熱壓和熱等靜壓等 。
3.1 鑄造法
3.1 .1 NiCrSi 高阻濺射靶材
該靶材主要用于制備金屬膜電阻器和金屬氧化膜高阻電阻器, 集成電路布線及傳感器等, 應(yīng)用于電子計(jì)算機(jī) 、通訊儀器 、電子交換機(jī)中, 逐漸成為替代碳膜電阻的新一代通用電阻器。目前用于生產(chǎn)高穩(wěn)定性金屬膜電阻器的高阻靶材, 主要依靠進(jìn)口, 價(jià)格昂貴, 制約了我國(guó)電子工業(yè)的發(fā)展 。
上海交通大學(xué)在 NICrSi 合金內(nèi)添加稀土以改良靶材性能, 其制備工藝如下:
1) 備料:Cr 、Ni 元素純度大于 99.5%;Si 元素純度大于 99.9 %;稀土元素混合物純度大于 98 %。
2) 將 Ni 、Cr 及少量的 Si 熔煉成中間合金, 電弧爐熔煉時(shí)的電壓為 20V, 電流為 500 ～ 600A, 時(shí)間為 2～ 5min。
3) 然后進(jìn)行整個(gè)靶材的真空感應(yīng)熔煉, 即采用特殊真空感應(yīng)熔煉石蠟熔模精密澆鑄 :在真空感應(yīng)熔煉中將制備好的中間合金放在加料器的底部, 難熔材料在上部, 在真空感應(yīng)熔煉中使中間合金先熔化, 然后再將難熔 Si 材料加入。真空感應(yīng)熔煉時(shí)的真空度為 2×10 -2 torr, 功率為 35kW, 時(shí)間為 1h。
4) 隨后進(jìn)行精煉, 精煉時(shí)功率為 20kW, 時(shí)間為30min 。
5) 稀土元素在精練階段加入, 并用電磁感應(yīng)將溶液均勻攪拌, 注入熔模, 熔模冷卻后經(jīng)脫模工序得到靶材的鑄造件 。
6) 對(duì)靶材鑄造件熱處理和機(jī)械加工。熱處理工藝為:在 800 ℃下保溫 2h 。
天津大學(xué)在 NICrSi 合金內(nèi)加入 Ti, 并調(diào)整了各元 素的含 量 ( 成分 :Si45% ～ 55%, Cr40% ～50%, Ni3%～ 6%, Ti0.1%～ 0 .3%) , 所制備的靶材具有表面光滑、平整、外部無裂紋, 內(nèi)部無氣孔等優(yōu)點(diǎn) 。用該靶材生產(chǎn)的金屬膜電阻器具有較高的穩(wěn)定性。所采用的制備工藝如下 :
1) 采用剛玉 -石墨 -鎂砂復(fù)合型中頻真空感應(yīng)爐, 將配好的料放入剛玉坩鍋內(nèi), 在 1 ×10 -2 torr真空條件下冶煉, 熔煉溫度為 1 500 ～ 1 550 ℃, 時(shí)間為 1h。中頻感應(yīng)爐的功率為 10～ 40kW, 感應(yīng)圈電壓和電流分別為 100～ 400V 和 200 ～ 380A 。
2) 模殼內(nèi)設(shè)置管口伸至模殼底面的澆鑄管, 烘烤模殼, 使其溫度達(dá)到 650～ 700℃時(shí), 料液通過澆鑄管底面而澆鑄 。澆鑄后模殼緩慢冷卻至 850 ～800℃, 保溫 1h, 然后再以 10～ 15 ℃/h 的速度冷卻至室溫。
為提高強(qiáng)度, NiCrSi 靶材的背面需覆加襯板,即在背面焊接一塊銅板。銅板形狀和尺寸與靶材相同, 厚度為 1～ 3mm 。用銦錫釬焊或環(huán)氧樹脂粘接的方法將靶材和銅板焊接牢固, 焊接溫度為 250～ 270℃, 時(shí)間為 4h。
3.1.2 Ag 及 Ag 合金靶材
Ag 靶材主要應(yīng)用于光盤介質(zhì)的反射膜;STN液晶顯示裝置或有機(jī) EL 顯示裝置等的光反射性薄膜。在 Ag 合金中添加少量的 In、Sn、Zn 或 Au 、Pd、Pt, 或根據(jù)情況添加少量的 Cu, 可將低濺射靶材電阻, 提高靶材圖案形成性 、耐熱性、反射率和耐硫化性等 。
日本石福金屬興業(yè)株式會(huì)社采用燃?xì)鉅t、高頻熔煉爐, 在空氣( 或惰性氣體環(huán)境或真空下) 冶煉 、制備 Ag 合金靶材, 熔煉溫度為 1 000～ 1 050℃。
3.1.3 鎳基變形合金靶材
該靶材主要應(yīng)用于合金鋼領(lǐng)域, 適用于建筑裝飾玻璃鍍膜用。
冶金工業(yè)部鋼鐵研究總院采用如下工藝制備該靶材:
1) 真空感應(yīng)爐或非真空感應(yīng)爐加電渣重熔方法冶煉。
2) 采用熱鍛方法進(jìn)行熱加工, 或采用熱鍛加熱軋方法進(jìn)行加工成型 。開鍛溫度為 1230℃, 終鍛溫度為 980 ℃;開 軋溫度為 1 130℃, 終軋溫度 為1 000℃。
3.1.4 純金屬鋁、鈦 、銅, 或其合金靶材
由純金屬鋁、鈦或銅, 或是添加銅 、硅、鈦、鋯 、錒、鉬 、鎢 、白金 、金、鈮、鉭 、鈷 、錸 、鈧等至少一種不同金屬所形成的合金靶材主要應(yīng)用于半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)及光電產(chǎn)業(yè)。
光洋應(yīng)用材料科技股份有限公司采用雙 V 熔煉法制備該類靶材:
1) 將純金屬或合金進(jìn)行真空感應(yīng)熔煉。
2) 對(duì)鑄件進(jìn)行高溫鍛造加工, 產(chǎn)生晶粒細(xì)小及二次相微細(xì)化的高均質(zhì)化材料。
3) 真空電弧精煉。 將鍛造后的材料當(dāng)作電極, 利用一高直流電源, 在此電極與一導(dǎo)電坩鍋之間產(chǎn)生電弧, 融化由單一金屬或合金所形成的電極, 熔融物落至導(dǎo)電坩鍋中固化而獲得靶材 。
3.1 .5 鋁系合金靶材
鋁系合金靶材主要應(yīng)用于光碟和液晶顯示屏上。
三井金屬工業(yè)株式會(huì)社采用濺射方法制備鋁-碳合金靶材, 其制備工藝如下:
1) 分別準(zhǔn)備鋁和碳的靶材, 對(duì)這些靶材進(jìn)行同時(shí)或交替濺射, 將其堆積在基板上, 形成鋁 -碳合金靶材 。
2) 將該通過濺射形成的鋁-碳合金塊材再熔化, 加入合金元素, 然后冷卻凝固, 從而制造成具有優(yōu)異特性薄膜的鋁系合金靶材。
然而該工藝存在如下缺點(diǎn);靶材內(nèi)易形成粗大的 Al4C3 相;由于利用濺射裝置, 生產(chǎn)效率低, 制造成本高。
因而, 三井金屬工業(yè)株式會(huì)社又對(duì)鋁系合金靶材的制備工藝進(jìn)行了深入研究, 重新制訂了制備工藝:
1) 鋁 -碳二元系合金靶材的制造 :將鋁放入碳坩鍋中, 加熱至 1 600～ 2 500℃, 將鋁熔化, 在碳坩鍋中形成 Al-C 合金, 使該溶液冷卻凝固, 冷卻速度為 3 ～ 2×10 5 ℃/S, 從而形成 Al -C 相均勻微細(xì)分散在鋁母相中的 Al-C 合金。冷卻速度越大, 鋁-碳相越越細(xì)小, 分布越均勻。可將熔液澆入鑄模中鑄造 ;也可采用驟冷凝固法形成非晶態(tài)金屬, 如
單輥法、雙輥法等熔融旋壓成形法 。將熔融旋壓成形法驟冷凝固得到的線狀或箔狀材料再熔化, 形成塊狀體, 用作靶材 。
2) 鋁 -碳 -X 三元系合金靶材的制造:先將該Al-C 合金錠進(jìn)行冷軋等冷加工, 然后在 660 ～900 ℃下二次熔化( 優(yōu)良在惰性氣體氣氛中進(jìn)行) ,并加入鎂等添加元素, 攪拌后進(jìn)行鑄造。二次熔化時(shí), 只要使Al -C 合金達(dá)到添加元素進(jìn)行攪拌的流動(dòng)狀態(tài)即可, 以免鋁母相中的Al -C 相粗化 。冷加工的目的是預(yù)先使鋁-碳針狀析出相微細(xì)化, 防止最終成形加工時(shí)出現(xiàn)開裂。
該制備工藝的難點(diǎn)是:如何控制合金的含量。
三井金屬工業(yè)株式會(huì)社預(yù)先在碳坩堝中生成含碳量較高的鋁 -碳合金;再熔化時(shí), 將鋁 -碳合金錠與添加元素一起加入鋁內(nèi), 從而精確地控制合金元素的含量 。
采用該工藝, 能夠獲得組成均勻的鈦鋁合金靶, 并能降低靶材內(nèi)部缺陷, 抑制材料氧化 。因而使用該靶材能夠形成耐熱性及低電阻性優(yōu)異的鋁合金薄膜 。
3.2 粉末冶金法
粉末冶金制備靶材流程見圖 1。
3.2.1 鋱鐵鈷 -稀土系列磁光靶材
西南交通大學(xué)張喜燕等人采用磁懸浮熔煉技術(shù)熔煉靶材合金, 通過磁場(chǎng)攪拌熔體, 保證合金成分均勻 。可避免使用石英坩堝所導(dǎo)致的高成本、低效率問題 。
制造工藝如下。
1) 料處理及配料:處理工業(yè)純鐵和鈷表面, 然后將鋱 、輕稀土 、鐵放入磁懸浮爐內(nèi)精練, 最后在氣體保護(hù)下配料。采用磁懸浮熔煉技術(shù)熔煉基靶合金, 基靶合金成分為鐵鈷合金, 將純鋱和輕稀土線切割成扇片或圓片, 對(duì)稱地鑲嵌在鐵轱合金基靶刻蝕最大的圓環(huán)內(nèi)制成復(fù)合靶( 見圖 2) , 通過調(diào)節(jié)鋱片、輕稀土片的數(shù)量與位置或改變基靶合金含量,
來改變靶材成分 。
2) 熔煉:將原料置于坩堝內(nèi), 磁懸浮熔煉 2～ 3次。
3) 制粉:在有氬氣保護(hù)的真空配料箱內(nèi)將合金錠粗碎, 然后球磨 。
4) 冷壓成型:用冷等靜壓技術(shù)將純凈合金粉料壓制成型 。
5) 燒結(jié):將裝靶的石英容器置于高溫真空燒結(jié)爐內(nèi), 在 1 000℃以上保溫?zé)Y(jié) 5h, 然后爐冷 。
6) 封裝:在真空箱內(nèi)將靶材打磨, 拋光, 測(cè)尺寸, 稱質(zhì)量后, 取出封裝成型 。
3.2 .2 銦錫氧化物靶材( ITO)
銦錫氧化物薄膜具有透明和導(dǎo)電雙重優(yōu)點(diǎn), 被廣泛用于太陽能電池、觸摸屏、液晶顯示器和等離子顯示器等領(lǐng)域。近年來, 電子行業(yè)的迅速發(fā)展促進(jìn)了銦錫氧化物靶材的需求量逐年大幅增加。
銦錫氧化物靶材的制備工藝相對(duì)較為復(fù)雜, 分為兩部分 :首先制成氧化銦錫粉末, 然后再將粉末燒結(jié)成靶材。
中南工業(yè)大學(xué)于 1999 年提出了如下制備工藝:
1) 首先用化學(xué)方法制成銦錫氧化物化學(xué)復(fù)合粉末, 或者將單體氧化銦粉末和單體氧化錫粉末按9:1 質(zhì)量比混合, 制成機(jī)械復(fù)合粉末 。粉末呈球形或準(zhǔn) 球 形, 平 均 粒 徑 為 30 ～ 200nm, 純 度 為99.99%, 無硬團(tuán)聚 。
2) 將復(fù)合粉末在 1 350℃氧氣氛中進(jìn)行脫氧處理 。
3) 把復(fù)合粉末裝入包套內(nèi)進(jìn)行冷等靜壓。冷等靜壓介質(zhì)為油, 壓力為 200～ 280MPa, 保壓時(shí)間為 10min。獲得的粗坯密度為理論密度的45 %～55%。
4) 粗坯裝入相應(yīng)尺寸的容器內(nèi)。容器與粗坯間隔以金屬鉭膜或鎳膜或鈮膜或鉑膜, 以阻止它們?cè)诟邷馗邏合掳l(fā)生反應(yīng)。
5) 抽真空, 封裝有粗坯的容器。
6) 將上述容器放入熱等靜壓爐中進(jìn)行熱等靜壓處理 。熱等靜壓溫度為 1 100～ 1 300℃, 保溫時(shí)間為 0.5～ 6h, 氬氣氛壓力為 100 ～ 120MPa 。
7) 熱等靜壓后用稀硝酸酸洗去除碳鋼容器,剝離金屬箔隔層, 獲得靶材。
8) 用線切割方法切割靶材, 獲得所需尺寸的產(chǎn)品 。
冷等靜壓包套( 用橡膠制成) 和熱等靜壓容器( 由碳鋼制成, 為方拄形或圓柱形) 是由中南工業(yè)大學(xué)根據(jù)靶材特點(diǎn)而專門設(shè)計(jì)。
采用該方法制備的銦錫氧化物靶材具有密度高、純度高 、尺寸大, 生產(chǎn)效率高、成本低等優(yōu)點(diǎn)。
北京市東燕郊隧道局二處防疫站蔣政等人于2001 年提出如下 ITO 制粉和靶材制備工藝 。
氧化銦錫粉末的制造工藝 :
1) 將金屬銦和金屬錫用硫酸、硝酸、鹽酸中的任一種溶解。混合比例為氧化銦與氧化錫之比為 9∶1。
2) 溶液混合后, 配置成[ In 3 + ] 為 1 -3M 的溶液。
3) 溶液中加入濃度為 5%的氨水直至溶液的PH 值達(dá)到 7 -7.5。
4) 將生成的白色沉淀經(jīng)洗滌 、過濾, 然后在 80-120℃烘干。
5) 最后在 500-800 ℃焙燒, 得到 ITO 粉。
所獲得的氧化銦錫粉末的 BET 比表面積在 25-40m2 /g 之間 。
氧化銦錫靶材的制備工藝 :
1) 研磨 ITO 粉( 如球磨) 。
2) 將研磨后的 ITO 粉放入石墨模具中。
3) 在真空或惰性氣體環(huán)境中, 800 ～ 960℃條件下, 加壓燒結(jié) 1～ 2h, 壓力為 15～ 30MPa。
4) 加工研磨后得到銦錫氧化物靶材。
為防止銦錫氧化物粉與石墨模具發(fā)生反應(yīng), 在石墨模具內(nèi)表面噴涂一層金屬鎳和一層氧化鋁, 每層厚 300μm 。
株洲冶煉集團(tuán)有限責(zé)任公司龔鳴明等人于2003 年也提出銦錫氧化物的制備工藝, 如下
1) 制備銦錫混合鹽溶液 。
2) 溶液的均相共沉淀。添加劑為檸檬酸或酒石酸, 加熱溫度為 92 ℃。
3) 沉淀物的煅燒 。在 400 ～ 1 200℃, 22%～35%氧氣濃度下, 于隧道窯中煅燒 。
4) 銦錫氧化物預(yù)還原脫氧。脫氧是在溫度 300～ 600℃, 氫氣流量 1 ～ 3m 3 /h, 反 應(yīng)時(shí)間 15 ～60min, 脫氧率控制 6%～ 20 %的管道爐中進(jìn)行 。
5) 銦錫氧化物冷等靜壓二次成形 。將銦錫氧化物粉末, 在壓力 80 ～ 120MPa, 保壓時(shí)間 1～ 5min條件下, 于冷等靜壓機(jī)中預(yù)壓成粗坯, 再將粗坯破碎成粒, 在壓力 150 ～ 200MPa、保壓時(shí)間 5 ～ 10min條件下, 于冷等靜壓機(jī)中壓制成坯件。
6) 銦錫氧化物坯件的熱等靜壓燒結(jié) 。熱等靜壓是將坯件置于具有隔離材料的包套中, 在熱等靜壓機(jī)中進(jìn)行燒結(jié)。隔離材料為氧化鋯和銅箔( 或氧化鋁和銅箔) 等。
7) 將靶材脫模。
8) 將靶材切割成產(chǎn)品 。
3.2 .3 稀土過渡族金屬合金靶材
稀土族指重稀土族鋱、鏑元素中的至少一種元素, 輕稀土族指釹 、釤元素中的至少一種元素, 過渡族指鐵、鈷 、鉻元素中的至少一種元素。稀土過渡族金屬合金靶材主要應(yīng)用于磁光盤記錄介質(zhì)。
熔煉稀土過渡族金屬合金材料的常用方法有電爐熔煉和石英管真空保護(hù)熔煉等。
電爐熔煉 :將裝有合金原料的坩鍋放入熔煉電爐中, 再對(duì)坩鍋和爐膛抽真空或抽真空后充入惰性氣體, 隨后加熱熔化合金, 再將合金熔液倒入澆注模具中。其缺點(diǎn)是 :易造成坩鍋材料的污染, 及成份和均勻性不易控制。
石英管真空保護(hù)熔煉:將合金原料放入石英管中后, 抽真空后密封, 然后加熱至一定溫度將合金熔化 ;熔煉過程中需不斷轉(zhuǎn)動(dòng)石英管, 待冷卻后打碎石英管 。其缺點(diǎn)是:成分難以均勻化, 成本高, 效率低 。
西南交通大學(xué)采用磁力攪拌懸浮熔煉和粉末燒結(jié)技術(shù)制備稀土過渡族金屬合金靶, 工藝如下 :
1) 將稀土族和過渡族金屬原料或預(yù)先煉制的中間合金按設(shè)計(jì)重量稱好放入磁力攪拌懸浮熔煉爐的水冷坩鍋中進(jìn)行感應(yīng)加熱懸浮熔煉, 對(duì)坩鍋抽真空, 再充入 99.5%純度的氬氣后進(jìn)行熔煉。熔煉過程中借助磁場(chǎng)作用攪拌熔體, 使合金成份更加均勻。稱量稀土元素時(shí)應(yīng)考慮熔煉時(shí)的燒損量 。
2) 在真空環(huán)境下將合金鑄錠粉碎, 然后放入球磨機(jī)中研磨, 獲得粒徑在 0.5 ～ 400μm 之間的合金粉末。
3) 將合金粉末放入模具中進(jìn)行冷壓成型。
4) 對(duì)冷壓成型體放入熱等靜壓燒結(jié)爐中進(jìn)行高溫?zé)Y(jié), 燒結(jié)環(huán)境為真空或惰性氣體 。用真空電子束焊接技術(shù)密封燒結(jié)包套。
5) 對(duì)燒結(jié)后的成型體進(jìn)行機(jī)械加工。
6) 將靶材進(jìn)行真空塑料封裝 。
所使用的靶材等靜壓成型模具由定位鋼圈, 定位板和橡膠壓板組成, 并由螺栓緊固密封。熱等靜壓燒結(jié)包套用真空電子束焊接密封, 可有效解決已有技術(shù)中合金熔煉時(shí)的材料污染 、成分均勻性不易控制等問題, 提高了效率, 降低了成本。
3.2.4 鋅鎵氧化物陶瓷靶材
清華大學(xué)莊大明等人提出的鋅鎵氧化物陶瓷靶材制備工藝如下:
1) 將 93.8%( 質(zhì)量百分比) 的氧化鋅粉末和2%～ 7 %的氧化 鎵粉 末混均 ( 粉末 純 度均 為99.9 %) 。
2) 將混合粉末冷壓成型, 壓力為 2.5×10 6 N 。
3) 將成形的塊體在 1 000 ～ 1 700℃、常壓 、常氣氛下燒結(jié)成密度為理論密度 96%的塊體 。
該制作工藝相對(duì)簡(jiǎn)單 、經(jīng)濟(jì), 制成的靶材成分均勻, 性能穩(wěn)定 。
3.2.5 鋁合金濺鍍靶材
本文在鑄造法一節(jié)中介紹了用鑄造法和濺射成形法制備鋁合金濺鍍靶材, 鑄造法的缺點(diǎn)是靶材易發(fā)生偏析現(xiàn)象, 影響濺鍍薄膜的質(zhì)量, 且濺鍍靶表面易產(chǎn)生微顆粒, 影響薄膜性質(zhì)的均勻性。濺射成形法雖然能避免鑄造法的缺點(diǎn), 但工藝復(fù)雜, 制備成本較高, 質(zhì)量不易控制。中國(guó)臺(tái)灣財(cái)團(tuán)法人工業(yè)技術(shù)研究院采用氣噴粉末方法制備鋁合金濺鍍靶材, 能夠避免材料偏析和微顆粒現(xiàn)象, 生產(chǎn)效率高, 成本較低。其制備工藝如下:
1) 熔熔金屬原料。
2) 然后以氣噴法將該金屬熔液制成金屬粉末。
3) 篩分合金粉, 獲得適當(dāng)粒徑的粉末。
4) 最后, 以真空熱壓法將該篩分后的金屬粉末成形, 制成鋁合金濺鍍靶材。熱壓成形溫度為500 ～ 650℃, 時(shí)間為 80 ～ 100min, 壓力為 20 ～50MPa ;通入氬氣作為保護(hù)氣體, 氫氣作為還原氣體。
4、靶材的研究熱點(diǎn)
近年來, 越來越多的國(guó)內(nèi)外研究人員通過向基靶內(nèi)添加稀土元素來改良靶材性能, 進(jìn)而提高濺鍍薄膜的綜合性能。
Ag 金屬膜具有低電阻 、高光反射率等優(yōu)點(diǎn), 但其缺點(diǎn)是對(duì)基板的附著性低, 易產(chǎn)生應(yīng)力變形, 且耐熱性和耐腐蝕性均較低。日立金屬株式會(huì)社在Ag 合金中添加 Sm( 杉) 、Dy( 鏑) 、Tb( 鋱) 稀土元素, 應(yīng)用該 Ag 合金靶材獲得了低電阻 、高反射率、高耐熱性 、耐環(huán)境性, 高附著性的 Ag 合金膜 。
傳統(tǒng)制備金屬膜或金屬氧化膜電阻器的常用濺射靶材為 Cr-Ni-Si, Cr -Ni, Cr -Ni, Cr -SiO x系合金和化合物, 但上述靶材的通用性較差, 無法達(dá)到用一種濺射靶材能同時(shí)適合于制備金屬膜電阻器和金屬氧化膜電阻器, 致使工藝復(fù)雜, 生產(chǎn)成本高 。上海交通大學(xué)吳建生等人通過向 CrNiSi 三元合金加入 0.1%～ 3 %的鑭系和錒系稀土元素, 提
高了靶材的通用性 、精密性和穩(wěn)定性。
但添加稀土元素也帶來了一些負(fù)面效應(yīng), 如 :
1) 電阻增大, 并且電阻值隨著稀土含量的增加而上升 。
2) 膜的平均反射率下降。
由于不同種類稀土元素對(duì)電阻值和反射率的影響不同, 可通過優(yōu)化稀土元素來降低上述負(fù)面作用, 提高濺鍍薄膜的整體性能。
5、 靶材的技術(shù)問題
當(dāng)前濺射靶材制備方面面臨的主要技術(shù)問題是:
1) 提高濺射靶材利用率。
2) 在保證高密度、高致密性、微觀結(jié)構(gòu)均勻條件下, 大面積濺射靶材制作技術(shù)。
3) 提高濺鍍靶材的致密度 。
4) 降低靶材內(nèi)晶粒的尺寸 。
5) 提高濺射速率及濺射過程的穩(wěn)定性。
6、 國(guó)內(nèi)靶材的主要研究單位及國(guó)內(nèi)外主要生產(chǎn)商
國(guó)內(nèi)靶材的主要研究單位及其研究方向見表2。對(duì)國(guó)內(nèi)研究單位的詳細(xì)掌握, 可以尋求恰當(dāng)?shù)募夹g(shù)合作伙伴。國(guó)內(nèi)外主要靶材生產(chǎn)商見表 3 和表 4。由表 2 和表 4 可見, 我國(guó)大學(xué)和研究所已經(jīng)開發(fā)的許多種類靶材并沒有見諸于市場(chǎng), 如北京工業(yè)大學(xué)研制的復(fù)合梯度靶, 清華大學(xué)和西南交通大學(xué)研制的鋁摻雜氧化鋅陶瓷靶材等, 即靶材產(chǎn)品研
發(fā)和市場(chǎng)嚴(yán)重脫節(jié) 。
7、靶材專利問題
目前靶材專利不多, 主要為日本和美國(guó)所有( 日本最多) , 歐洲和中國(guó)也有一些, 但數(shù)量較少。
已公示靶材專利主要集中于保護(hù)靶材的制備工藝,少量專利保護(hù)靶材材料設(shè)計(jì)( 且主要集中于添加稀土元素, 改良原有基靶的性能) 。從中國(guó)目前國(guó)情來看, 制備工藝專利僅具有形式上的約束作用, 而很難有實(shí)質(zhì)性的制約。因而, 靶材的生產(chǎn)不會(huì)出現(xiàn)無鉛釬料面對(duì)的國(guó)外專利規(guī)避問題。
8、靶材的發(fā)展趨勢(shì)
靶材服務(wù)于濺鍍薄膜, 單一的靶材研究毫無應(yīng)用意義。為適應(yīng)微電子 、信息等行業(yè)的發(fā)展需求,需要將靶材研究和薄膜研究結(jié)合起來, 研究靶材成份、性能與濺射薄膜性能間的關(guān)系, 不斷研發(fā)滿足薄膜性能要求的新型靶材, 促進(jìn)靶材產(chǎn)業(yè)迅速發(fā)展。
納米材料是未來材料領(lǐng)域的主導(dǎo)產(chǎn)品, 如何將靶材研究與納米科技相結(jié)合, 研制出高性能靶材,將是靶材研發(fā)的主要發(fā)展趨勢(shì)。
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