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。當(dāng)今，制備薄膜材料的主要技術(shù)之一為濺射法，靶材則是采用濺射法制備薄膜材料的主要損耗材料。因此，靶材質(zhì)量的好壞直接影響制備薄膜的使用性能。我國早已認(rèn)識(shí)到靶材對于電子信息產(chǎn)業(yè)的重要性，因此，高性能靶材的研制被列入到國家十二五新材料發(fā)展規(guī)劃中，高純鎢靶材產(chǎn)品的開發(fā)就是其中的一個(gè)研究方向[1]。

鎢金屬靶材在微電子技術(shù)、光學(xué)和光電子技術(shù)，特別是表面技術(shù)和薄膜材料方面有重要的應(yīng)用。由于鎢具有良好的物化性能、高熔點(diǎn)、高導(dǎo)電性、高抗電移性、逸出功近于硅的頻帶及優(yōu)良的熱穩(wěn)定性與硅結(jié)合性良好，使鎢成為微電子技術(shù)的最佳材料，大規(guī)模集成電路的門電路電極材料、布線材料正在被高純鎢取代。鎢的優(yōu)良性能使之能在微電子技術(shù)、光電技術(shù)中具有廣泛的應(yīng)用前景[2]。

本項(xiàng)目的研究正是在國家倡導(dǎo)開發(fā)高性能靶材的大背景下，以生產(chǎn)實(shí)驗(yàn)設(shè)備為支撐，在現(xiàn)有成熟的鎢產(chǎn)品的研發(fā)技術(shù)、生產(chǎn)的基礎(chǔ)上來進(jìn)行。本課題立項(xiàng)的目的和意義在于通過粉末冶金法，對鎢原材料的選型、壓制工藝、燒結(jié)工藝和后處理工藝(鍛造和軋制)等方面的研究，開發(fā)出新型鎢金屬靶材，推廣應(yīng)用市場，創(chuàng)收經(jīng)濟(jì)效益。

1、解決的關(guān)鍵技術(shù)及采用的研究方案

1.1 采用粉末冶金方式解決制備靶材的關(guān)鍵技術(shù)有以下幾點(diǎn)：

靶材制備過程中的純度保證，包括原材料的選型，制備過程中的控制雜質(zhì)元素的引入，后續(xù)機(jī)加工對于材料的污染控制。

選擇能實(shí)現(xiàn)快速致密化的成形燒結(jié)技術(shù)，以保證靶材的孔隙率低，并控制晶粒度的大小。合適的熱處理工藝能夠改善靶材內(nèi)部組織和性能。

1.2 采用的研究方案

原材料選擇(包括純度和晶粒尺寸)--->坯體壓制工藝(等靜壓、熱壓)--->燒結(jié)工藝(包括溫度、時(shí)間)--->成型(鍛造、軋制)--->機(jī)械加工。

2、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容分析

2.1燒結(jié)溫度對靶材性能的影響

牌號為FWA6.0-6.5，1.8-2.2和0.8—1.2的鎢靶坯體的成型工藝選用的是冷等靜壓方式制取。在等靜壓工藝下制備的坯體經(jīng)測定質(zhì)量，經(jīng)過中頻感應(yīng)燒結(jié)爐2150℃下進(jìn)行燒結(jié)．再通過模鍛處理后制成成品。圖1為經(jīng)預(yù)成型后鎢靶相對密度與燒結(jié)次數(shù)之間的關(guān)系。從圖中可以看出，等靜壓后牌號為FWA6.0—6.5、FWA1.8-2.2和FWA0.8-1.2的鎢靶材的密度都隨燒結(jié)次數(shù)的增多而增加。靶材密度的增加可能為鎢晶粒在燒結(jié)的過程中會(huì)發(fā)生長大現(xiàn)象，鎢晶粒的長大會(huì)填補(bǔ)晶界之間的空隙，從而提高鎢靶材的密度。從兩次燒結(jié)來看，隨著燒結(jié)次數(shù)的增加，鎢靶材的密度增加逐漸放緩。其原因主要是在多次燒結(jié)后，鎢靶材的質(zhì)量已變化不太，由于晶界中的空隙大多數(shù)被鎢晶體所填滿，在每次燒結(jié)后，鎢靶材的整體尺寸變化率已經(jīng)很小，從而導(dǎo)致鎢靶材的密度提升的空間有限。另外，從圖中能看出，在經(jīng)過兩次燒結(jié)后，ρ0.8—1.2>ρ1.8—2.2>ρ6.0-6.5。其原因可能為小粒徑的鎢粉在成型過程中會(huì)產(chǎn)生更多的空隙，隨著燒結(jié)的進(jìn)行，長大的鎢晶粒填充到空隙中，導(dǎo)致粒度小的靶材致命性更高。

圖2為不同壓制方式下。FWA1.8—2.2鎢坯原材料在2150度下燒結(jié)時(shí)，相對密度與燒結(jié)次數(shù)的關(guān)系。從圖中能看出，在不同壓制方式，預(yù)成型坯體密度不同的情況下，經(jīng)過兩次燒結(jié)后密度相差不多。這說明不同的壓制方式對最終靶材的密宴度影響不大。在影響靶材密實(shí)度的三個(gè)主要工藝(壓制、燒結(jié)、鍛造后處理)中，對靶材的密度影響最小。考慮到靶材市場逐漸向大型化發(fā)展，以及等靜壓壓制和機(jī)械壓制的各自的特點(diǎn)，成品靶材的制備一般選用等靜壓方式來進(jìn)行。

2.2保溫時(shí)間對靶材性能的影響

相同燒結(jié)溫度下保溫，鎢靶坯燒結(jié)體的燒結(jié)時(shí)間和相對密度關(guān)系見表1。隨著燒結(jié)保溫時(shí)間的延長，鎢靶材的致密性得到相應(yīng)的提高，但是密度提高的空間不是很大。進(jìn)一步說明了對于提高靶材致密度來說。燒結(jié)溫度的影響大于保溫時(shí)間的影響。相同燒結(jié)溫度下，保溫兩小時(shí)內(nèi)，靶材的密度增加的較快，保溫兩小時(shí)以上后，密度增加很緩慢。

圖3給出了在2150度下燒結(jié)時(shí)，不同保溫時(shí)間下，鎢晶粒尺寸的變化規(guī)律。從圖中能夠看出隨著保溫時(shí)間的延長，鎢晶粒尺寸都有所增加，并且隨著保溫時(shí)間的延長，晶粒尺寸長大倍數(shù)逐漸變惺。由于鎢粉原始尺寸較小，僅為0.8—1.2μm，細(xì)粉顆粒燒結(jié)后晶粒長大倍數(shù)更大，能夠更好的填充晶粒間的空隙，這也說明細(xì)粉能夠降低燒結(jié)致密化溫度。

2.3軋制對靶材性能的影響

為了提高鎢靶材材料的致密度，同時(shí)使鎢靶材獲得加工組織，鎢靶材的中溫軋制必須在再結(jié)晶溫度以下進(jìn)行。同時(shí)，中溫軋制的過程不像冷變形，在軋制過程中產(chǎn)生的加工硬化也伴有一定的恢復(fù)過程，而且溫軋工藝對材料組織性能的影響較大。因?yàn)榘信鞯能堉茰囟雀撸信鞯睦w維組織就較粗大，反之靶材的纖維組織就較細(xì)。當(dāng)溫軋加工率到95％以上時(shí)。盡管燒結(jié)的原始晶粒不同或者由于軋制溫度不同造成的纖維組織差異就會(huì)消除，靶材內(nèi)部組織就形成了較為均勻的纖維組織。圖4為鎢靶坯經(jīng)過中溫軋制退火后的電鏡照片。

不同的退火溫度對于鎢靶材的顯微組織也是有影響的。經(jīng)查資料了解到，當(dāng)退火溫度為800℃時(shí)，鎢靶材的內(nèi)部組織沒有明顯的變化，表現(xiàn)為原始的纖維加工組織。當(dāng)退火溫度為1000℃時(shí)，鎢靶材的組織出現(xiàn)了明顯的粗化現(xiàn)象，呈現(xiàn)了很明顯的恢復(fù)現(xiàn)象，繼續(xù)提高退火溫度至1200℃時(shí)，鎢靶材的纖維組織進(jìn)一步粗化，最初的加工組織被破壞，出現(xiàn)了初晶現(xiàn)象。進(jìn)一步提高退火溫度，鎢靶材會(huì)出現(xiàn)再結(jié)晶。

3、結(jié)論

在制備靶材過程中，優(yōu)良選用高純原材料，以保證靶材的純度；隨著燒結(jié)次數(shù)的增加，靶材密度也逐漸增加，但是靶材密度增加的幅度不大；在靶材燒結(jié)過程中，粒度小的粉體燒結(jié)溫度低，能夠得到致密度較高的燒結(jié)坯體材料；對于鎢靶燒結(jié)來說，最佳的燒結(jié)溫度是2100℃到2200℃，保溫時(shí)間在3h左右。燒結(jié)溫度和保溫時(shí)間都對靶材燒結(jié)致密度有影響，但相對于保溫時(shí)間來說，燒結(jié)溫度對靶材密度的影響更大；在燒結(jié)過程中，第一次的燒結(jié)對于靶材的致密度的提高尤為重要，后續(xù)的多次燒結(jié)對于靶材的致密度影響不大；鎢靶坯的合適的軋制工藝為1500℃進(jìn)行高溫開坯，中溫軋制經(jīng)6-7個(gè)道次，溫度由1350℃逐道次降低到1000℃左右，去應(yīng)力退火溫度在1100～1200℃之間。

參考文獻(xiàn)：

[1] 呂大銘.鎢銅材料的生產(chǎn).應(yīng)用與發(fā)展[J].中國鎢業(yè),2004,19(5):69-74.

[2] 殷為宏,劉建章.鎢材加工技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展[J].我國鎢業(yè),2004,19(5):44-48

相關(guān)鏈接