一种钛铌合金溅射靶材及其制备方法与应用与流程

1.本发明涉及溅射靶材制备技术领域，具体涉及一种钛铌合金溅射靶材及其制备方法与应用。


背景技术：

2.钛铌合金溅射靶材在用于半导体磁控溅射的过程中对靶材的纯度、内部组织结构、力学强度以及外观尺寸的要求极高，同时靶材的成分和制备工艺又对膜层的各项性能起到决定性影响。
3.现有技术中的钛铌合金一般是通过熔炼连铸连轧方式生产，但钛铌合金溅射靶材中的铌熔点为2469℃，密度为8.57g/cm3，而活性金属钛的熔点为1670℃，密度为4.50g/cm3，二者熔点和密度存在较大差异，采用真空熔炼生产钛铌合金时容易使得成分不均匀，而粉末冶金烧结法制备靶坯可以提高坯体的致密度与内部均匀性。
4.cn 115637412a公开了一种钼合金靶材及其制作工艺，所述钼合金靶材配方各成分的质量百分数为：mo 55～65％，ni 15～25％，ti 15～25％，re 0.1～5％，w 0.1～2％，nb 0.1～2％，mn 0.1～0.2％，co 0.1～0.2％，采用冷等静压压制成胚，然后使用热等静压烧结，然后机械加工、绑定。但该合金靶材由于烧结工艺的设置，容易造成靶坯中产生气孔、成分不均等微观缺陷，合金靶材的致密度还有待进一步提升。
5.cn 104439247a公开了一种钼合金靶材的制备方法，使用金属钼粉与其它金属粉通过机械合金化的方式获得合金粉体，合金粉体后处理，即得。所述的其它金属粉为铌、钽、钨、钒、钕、钛、锆、钒或铬中的一种或几种，其它金属粉的含量为0.1-40at％。采用机械合金化处理工艺，结合冷等静压处理与热等静压处理，提高产品的品质。该制备方法中涉及的工艺步骤较为繁琐，限制了其在工业规模化生产的应用。
6.cn 103060762a公开了一种钼铌合金靶材的生产工艺，把高纯的钼粉和铌粉在混料机内混合均匀，在高温真空煅烧炉内煅烧成钼铌合金，把烧结块用油压机破碎成小块后在玛瑙球磨机中，在氦气保护下研磨。在真空加压烧结装置中压制成型，得到靶坯，在磨床上修整得到成品靶材。该发明制得的靶材纯度较高，但由于烧结工艺的选取，使得靶材的相对密度较低，难以满足作为高性能溅射靶材的要求。
7.针对现有技术的不足，需要提供一种致密度高、内部成分均匀且纯度高的钛铌合金溅射靶材。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种钛铌合金溅射靶材及其制备方法与应用，通过将钛粉与铌粉球磨混合后所得混合粉进行预热处理与热等静压处理，同时控制各项工艺参数，进而制备出致密度高、纯度高且内部组织结构优异的钛铌合金溅射靶材。
9.为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
10.本发明提供了一种钛铌合金溅射靶材的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：
11.(1)球磨混合钛粉与铌粉，得到混合粉；
12.(2)步骤(1)所得混合粉依次经夯实处理、真空脱气处理、预热处理、热等静压处理以及机加工处理，得到所述钛铌合金溅射靶材。
13.本发明提供的钛铌合金溅射靶材的制备方法，预先混合钛粉与铌粉，所得混合粉依次进行预热处理与热等静压处理，相较于直接进行热等静压处理，制得的钛铌合金溅射靶材致密度更高，且内部组织均匀，能够满足作为溅射靶材的高性能要求。
14.优选地，步骤(1)所述钛粉的纯度＞99.98％，例如可以是99.985％、99.99％或99.995％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
15.优选地，步骤(1)所述钛粉的平均粒径＜75μm，例如可以是70μm、65μm、60μm、55μm或50μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
16.优选地，步骤(1)所述铌粉的纯度＞99.95％，例如可以是99.96％、99.97％或99.98％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
17.优选地，步骤(1)所述铌粉的平均粒径＜10μm，例如可以是9μm、8μm、7μm、6μm或5μm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
18.优选地，步骤(1)所述球磨混合在氩气气氛中进行。
19.所述混合在氩气气氛中进行，是为了防止空气对粉末的纯度产生影响，进而降低制得钛铌合金溅射靶材的纯度。
20.优选地，步骤(1)所述球磨混合的料球比为10:(1-3)，例如可以是10:1、10:1.5、10:2、10:2.5或10:3，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
21.优选地，步骤(1)所述球磨混合的混粉球包括硬质锆球和/或氧化锆球。
22.优选地，步骤(1)所述球磨混合的时间≥48h，例如可以是48h、52h、56h、60h或65h，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为48-56h。
23.优选地，步骤(2)所述夯实处理在不锈钢包套中进行。
24.优选地，步骤(2)所述真空脱气处理的温度为200-350℃，例如可以是200℃、230℃、250℃、300℃或350℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
25.优选地，步骤(2)所述真空脱气处理的时间为4-8h，例如可以是4h、5h、6h、7h或8h，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
26.优选地，步骤(2)所述真空脱气处理的终点为真空度＜5
×
10-3
pa，例如可以是4.5
×
10-3
pa、4
×
10-3
pa、3
×
10-3
pa、2
×
10-3
pa或1
×
10-3
pa，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
27.优选地，步骤(2)所述预热处理的温度为900-1000℃，例如可以是900℃、920℃、950℃、980℃或1000℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
28.优选地，步骤(2)所述预热处理的时间为55-65min，例如可以是55min、58min、60min、62min或65min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
29.优选地，步骤(2)所述热等静压处理的温度为1150-1350℃，例如可以是1150℃、1200℃、1250℃、1300℃或1350℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
30.优选地，步骤(2)所述热等静压处理的压力为90-170mpa，例如可以是90mpa、
110mpa、130mpa、150mpa或170mpa，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
31.优选地，步骤(2)所述热等静压处理的时间为3-6h，例如可以是3h、3.5h、4h、5h或6h，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
32.优选地，步骤(2)所述机加工处理包括磨加工和/或线切割。
33.作为本发明第一方面所述的制备方法的优选技术方案，所述制备方法包括如下步骤：
34.(1)在氩气气氛中球磨混合纯度＞99.98％、平均粒径＜75μm的钛粉与纯度＞99.95％、平均粒径＜10μm的铌粉≥48h，料球比为10:(1-3)，得到混合粉；
35.(2)步骤(1)所得混合粉依次经不锈钢包套中的夯实处理、200-350℃真空脱气处理4-8h至真空度＜5
×
10-3
pa、900-1000℃预热处理55-65min、1150-1350℃与90-170mpa下热等静压处理3-6h以及机加工处理，得到所述钛铌合金溅射靶材。
36.第二方面，本发明提供了一种钛铌合金溅射靶材，所述钛铌合金溅射靶材通过第一方面所述的制备方法制备得到；
37.所述钛铌合金溅射靶材中铌的质量百分含量为1-20wt％，其余为钛。
38.所述钛铌合金溅射靶材中铌的质量百分含量为1-20wt％，例如可以是1wt％、5wt％、10wt％、15wt％或20wt％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
39.本发明通过控制所述钛铌合金溅射靶材中铌与钛的质量百分含量比例，结合热等静压处理的工艺参数，制得的钛铌合金溅射靶材的致密度≥99％、纯度≥99.9％且内部组织均匀。
40.第三方面，本发明提供了一种如第二方面所述的钛铌合金溅射靶材的应用，所述钛铌合金溅射靶材用于半导体磁控溅射中。
41.相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
42.本发明提供的钛铌合金溅射靶材的制备方法，预先混合钛粉与铌粉，所得混合粉依次进行预热处理与热等静压处理，相较于直接进行热等静压处理，制得的钛铌合金溅射靶材致密度较高，且内部组织均匀，纯度在99.95％，能够满足作为溅射靶材的高性能要求。
具体实施方式
43.下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
44.实施例1
45.本实施例提供了一种钛铌合金溅射靶材，所述钛铌合金溅射靶材中铌的质量百分含量为10wt％，其余为钛。
46.所述钛铌合金溅射靶材的制备方法包括如下步骤：
47.(1)在氩气气氛中按配方量球磨混合纯度为99.995％、平均粒径为60μm的钛粉与纯度为99.98％、平均粒径为7μm的铌粉52h，料球比为10:2，得到混合粉；
48.(2)步骤(1)所得混合粉依次经不锈钢包套中的夯实处理、250℃真空脱气处理6h至真空度为3
×
10-3
pa、920℃预热处理60min、1250℃与130mpa下热等静压处理4h以及磨加
工，得到所述钛铌合金溅射靶材。
49.实施例2
50.本实施例提供了一种钛铌合金溅射靶材，所述钛铌合金溅射靶材中铌的质量百分含量为1wt％，其余为钛。
51.所述钛铌合金溅射靶材的制备方法包括如下步骤：
52.(1)在氩气气氛中按配方量球磨混合纯度为99.99％、平均粒径为50μm的钛粉与纯度为99.97％、平均粒径为5μm的铌粉48h，料球比为10:1，得到混合粉；
53.(2)步骤(1)所得混合粉依次经不锈钢包套中的夯实处理、200℃真空脱气处理8h至真空度为1
×
10-3
pa、900℃预热处理65min、1150℃与90mpa下热等静压处理6h以及磨加工，得到所述钛铌合金溅射靶材。
54.实施例3
55.本实施例提供了一种钛铌合金溅射靶材，所述钛铌合金溅射靶材中铌的质量百分含量为20wt％，其余为钛。
56.所述钛铌合金溅射靶材的制备方法包括如下步骤：
57.(1)在氩气气氛中按配方量球磨混合纯度为99.985％、平均粒径为70μm的钛粉与纯度为99.96％、平均粒径为9μm的铌粉56h，料球比为10:3，得到混合粉；
58.(2)步骤(1)所得混合粉依次经不锈钢包套中的夯实处理、350℃真空脱气处理4h至真空度为4
×
10-3
pa、1000℃预热处理55min、1350℃与170mpa下热等静压处理3h以及磨加工，得到所述钛铌合金溅射靶材。
59.实施例4
60.本实施例提供了一种钛铌合金溅射靶材，所述钛铌合金溅射靶材的制备方法与实施例1的区别在于，除将步骤(1)所述球磨混合的时间调整为45h，其余均与实施例1相同。
61.实施例5
62.本实施例提供了一种钛铌合金溅射靶材，所述钛铌合金溅射靶材的制备方法与实施例1的区别在于，除将步骤(2)所述预热处理的温度调整为850℃外，其余均与实施例1相同。
63.实施例6
64.本实施例提供了一种钛铌合金溅射靶材，所述钛铌合金溅射靶材的制备方法与实施例1的区别在于，除将步骤(2)所述预热处理的温度调整为1050℃外，其余均与实施例1相同。
65.实施例7
66.本实施例提供了一种钛铌合金溅射靶材，所述钛铌合金溅射靶材的制备方法与实施例1的区别在于，除将步骤(2)所述热等静压处理的温度调整为1100℃、压力调整为85mpa、时间调整为7h外，其余均与实施例1相同。
67.实施例8
68.本实施例提供了一种钛铌合金溅射靶材，所述钛铌合金溅射靶材的制备方法与实施例1的区别在于，除将步骤(2)所述热等静压处理的温度调整为1400℃、压力调整为175mpa、时间调整为2h外，其余均与实施例1相同。
69.对比例1
70.本对比例提供了一种钛铌合金溅射靶材，所述钛铌合金溅射靶材的制备方法与实施例1的区别在于，步骤(2)无预热处理，其余均与实施例1相同。
71.对比例2
72.本对比例提供了一种钛铌合金溅射靶材，与实施例1的区别在于，所述钛铌合金溅射靶材中铌的质量百分含量调整为0.5wt％，其余为钛，所述钛铌合金溅射靶材的制备方法均与实施例1相同。
73.对比例3
74.本对比例提供了一种钛铌合金溅射靶材，与实施例1的区别在于，所述钛铌合金溅射靶材中铌的质量百分含量调整为22wt％，其余为钛，所述钛铌合金溅射靶材的制备方法均与实施例1相同。
75.将实施例1-8以及对比例1-3提供的钛铌合金溅射靶材按照阿基米德排水法进行致密度测试，按照辉光放电质谱法进行纯度测试，所得结果如表1所示；采用扫描电镜观察钛铌合金溅射靶材内部组织均匀性，结果分为三个等级，分别为“均匀”、“较均匀”、“不均匀”，所得结果如表1所示。
76.表1
[0077] 致密度(％)纯度(％)内部组织均匀性实施例1100.8599.95均匀实施例2100.3499.95均匀实施例3100.4699.95均匀实施例498.7199.95较均匀实施例597.9499.95较均匀实施例698.4699.95较均匀实施例796.7899.95较均匀实施例896.5799.95较均匀对比例195.6899.95不均匀对比例295.2499.95不均匀对比例396.6899.95不均匀
[0078]
通过表1可以看出，由实施例1-3对比可知，本发明通过在热等静压处理前设置预热处理，同时结合各项工艺参数的控制，制得的钛铌合金溅射靶材的纯度与致密度较高，内部组织均匀；
[0079]
由实施例1与实施例4对比可知，球磨混合的时间过短，粉末混合不均匀且存在大颗粒团聚，进而导致致密度有所下降；由实施例1与实施例5、6对比可知，预热处理的温度过低或过高，致密度有所下降且内部组织均匀性有所降低；由实施例1与实施例7、8对比可知，热等静压处理的温度、压力及时间超过限定范围，会降低坯体的烧结效果，进而导致制得靶材的致密度及内部组织均匀性下降；
[0080]
由实施例1与对比例1对比可知，不进行预热处理，会造成靶坯烧结不致密，成分不均匀；由实施例1与对比例2、3对比可知，钛铌合金溅射靶材中铌含量与钛含量需控制在合理范围内，过低的铌含量或过低的钛含量均会降低钛铌合金溅射靶材的内部组织均匀性，影响产品的性能。
[0081]
综上所述，本发明提供的钛铌合金溅射靶材的制备方法，预先混合钛粉与铌粉，所得混合粉依次进行预热处理与热等静压处理，相较于直接进行热等静压处理，制得的钛铌合金溅射靶材致密度可达100.85％，且内部组织均匀，纯度在99.95％，能够满足作为溅射靶材的高性能要求。
[0082]
以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

技术特征：
1.一种钛铌合金溅射靶材的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：(1)球磨混合钛粉与铌粉，得到混合粉；(2)步骤(1)所得混合粉依次经夯实处理、真空脱气处理、预热处理、热等静压处理以及机加工处理，得到所述钛铌合金溅射靶材。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述钛粉的纯度＞99.98％；优选地，步骤(1)所述钛粉的平均粒径＜75μm。3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述铌粉的纯度＞99.95％；优选地，步骤(1)所述铌粉的平均粒径＜10μm。4.根据权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述球磨混合在氩气气氛中进行；优选地，步骤(1)所述球磨混合的料球比为10:(1-3)；优选地，步骤(1)所述球磨混合的混粉球包括硬质锆球和/或氧化锆球；优选地，步骤(1)所述球磨混合的时间≥48h，优选为48-56h。5.根据权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述夯实处理在不锈钢包套中进行；优选地，步骤(2)所述真空脱气处理的温度为200-350℃；优选地，步骤(2)所述真空脱气处理的时间为4-8h；优选地，步骤(2)所述真空脱气处理的终点为真空度＜5
×
10-3
pa。6.根据权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述预热处理的温度为900-1000℃；优选地，步骤(2)所述预热处理的时间为55-65min。7.根据权利要求1-6任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述热等静压处理的温度为1150-1350℃；优选地，步骤(2)所述热等静压处理的压力为90-170mpa；优选地，步骤(2)所述热等静压处理的时间为3-6h。8.根据权利要求1-7任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述机加工处理包括磨加工和/或线切割。9.一种钛铌合金溅射靶材，其特征在于，所述钛铌合金溅射靶材通过权利要求1-8任一项所述的制备方法制备得到；所述钛铌合金溅射靶材中铌的质量百分含量为1-20wt％，其余为钛。10.一种如权利要求9所述的钛铌合金溅射靶材的应用，其特征在于，所述钛铌合金溅射靶材用于半导体磁控溅射中。

技术总结
本发明涉及一种钛铌合金溅射靶材及其制备方法与应用，所述钛铌合金溅射靶材的制备方法包括如下步骤：(1)球磨混合钛粉与铌粉，得到混合粉；(2)步骤(1)所得混合粉依次经夯实处理、真空脱气处理、预热处理、热等静压处理以及机加工处理，得到所述钛铌合金溅射靶材。本发明通过预先混合钛粉与铌粉，所得混合粉依次进行预热处理与热等静压处理，相较于直接进行热等静压处理，制得的钛铌合金溅射靶材致密度与纯度较高，且内部组织均匀，能够满足作为溅射靶材的高性能要求。靶材的高性能要求。


技术研发人员：姚力军 潘杰 廖培君 黄东长 张怡忠
受保护的技术使用者：宁波江丰电子材料股份有限公司
技术研发日：2023.07.31
技术公布日：2023/10/5