一种钽铝合金溅射靶材及其制备方法与流程

本发明涉及金属材料
技术领域：
，具体涉及合金靶材的粉末冶金材料加工
技术领域：
，尤其涉及一种钽铝合金溅射靶材及其制备方法。
背景技术：
：物理气相沉积(physicalvapourdeposition，pvd)指的是，在真空条件下，采用低电压、大电流的电弧放电技术，利用气体放电使材料源蒸发并使被蒸发物质与气体都发生电离，然后通过电场的加速作用，使被蒸发物质及其反应产物沉积在工件上形成某种特殊功能的薄膜。pvd技术半导体芯片制造业、太阳能行业、lcd制造业等多种行业的核心技术，主要方法有真空蒸镀、电弧等离子体镀、离子镀膜、分子束外延和溅射镀膜等。溅射是制备薄膜材料的主要技术之一，它利用离子源产生的离子，在真空中经过加速聚集，而形成高速度能的离子束流，轰击固体表面，离子和固体表面原子发生动能交换，使固体表面的原子离开固体并沉积在基底表面，被轰击的固体是制备溅射法沉积薄膜的原材料，一般被称为溅射靶材。目前，制备溅射靶材的工艺主要有熔铸后经过塑性变形工艺以及粉末冶金工艺两种方式，其中粉末冶金工艺制备的溅射靶材具有独特的化学组成和机械、物理性能，而这些性能是用传统的熔铸方法无法获得的。运用粉末冶金烧结成型工艺可以直接制备多孔、半致密或全致密材料和制品。粉末冶金烧结成型工艺分为热压烧结(hotpressing，hp)和热等静压(hotisostaticpressing，hip)两种方法：hp工艺是指将干燥粉料充填入模型内，然后置于真空热压炉中，在真空或者惰性条件下，从单轴方向边加压边加热，使成型和烧结同时完成；hip工艺是指将制品放置到密闭的容器中，在一定温度和真空度下对包套内的粉末坯料进行脱气处理，保证包套内真空氛围，然后施加各向同等的压力，同时施以高温，在高温高压的作用下，制品得以烧结和致密化。粉末热等静压材料一般具有均匀的细晶粒组织，能避免铸锭的宏观偏析，提高材料的工艺性能和机械性能。hip工艺的优点在于集热压和等静压于一身，成形温度低，产品致密，性能优良。钽铝合金溅射靶材是一种新型的溅射靶材，主要用于真空磁控溅射镀膜和真空多弧离子镀膜，要求溅射靶材具有较高的致密度和优异的机加工性能。目前，现有技术仅公开了铝钽旋转靶材和铝合金溅射靶材的制备方法。例如cn104831244a公开了一种铝钽旋转靶材及可控气氛冷喷涂制备铝钽旋转靶材的方法，所述制备方法包括：对不锈钢基体进行超声清洗、喷砂处理，使基体达到合适的粗糙度；在惰性气体保护氛围中，使用等离子喷涂方法喷涂合金过渡涂层；以纯度不低于99.99％铝钽粉末为原料，将粉末球磨处理3～8h，过筛得到铝钽喷涂粉末；冷喷涂铝钽粉，喷涂腔体内先抽真空再通入循环惰性气体，气体流量为200～1500scch，基体以60～150r/min的速度围绕中心轴旋转，喷枪的移动速度为500～1500mm/min。利用所述制备方法得到的铝钽旋转靶材纯度高、密度大、成分均匀，长度可达到4000mm，厚度为3～15mm，但是所述制备方法仅适合制备厚度较薄的铝钽旋转靶材，适用范围相当有限。cn105296945a公开了一种铝合金溅射靶材及其制备方法，所述铝合金溅射靶材由难熔金属的一种或一种以上、al和cu组成；其中，cu含量为0.1～4wt％，难熔金属含量为0.05～0.5wt％，余量为al；所述难熔金属是指熔点高于1650℃的金属；所述难熔金属为w、mo、ta、hf或ru。所述制备方法包括熔炼、热机械化处理和成型加工三个步骤，其中，热机械化处理指的是对高纯合金铸锭依次进行固溶处理和三向锻造，随后通过中间退火处理消除锻造应力，最后进行多道次往复冷轧。所述制备方法操作繁琐，能耗较高，不适合大规模推广。综上所述，目前亟需开发一种利用热等静压且行之有效的钽铝合金溅射靶材的制备方法。技术实现要素：鉴于现有技术中存在的问题，本发明提出一种钽铝合金溅射靶材及其制备方法。所述制备方法采用热等静压工艺，不仅可以减少外界对靶材的氧化作用，还具有工艺简单、成本较低等优点，而且制备得到的钽铝合金溅射靶材具有致密度高，晶粒细小，靶材内部结构均匀，机加工性能优异等优点。为达此目的，本发明采用以下技术方案：本发明的目的之一在于提供一种钽铝合金溅射靶材的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：(1)将具有目标质量比例的钽铝合金粉末装入模具并封口；(2)将步骤(1)封口后的模具进行脱气处理；(3)将步骤(2)脱气后的模具在500-950℃下进行热等静压处理，得到钽铝合金溅射靶材粗品；(4)将步骤(3)得到的钽铝合金溅射靶材粗品进行机加工，得到钽铝合金溅射靶材。本发明所述制备方法采用热等静压工艺，先通过脱气处理使得模具内的钽铝合金粉末达到一定密度，然后施加各向同等的压力，同时施以高温，使得钽铝合金粉末在高温高压的作用下得以烧结和致密化。所述制备方法不仅可以减少外界对靶材的氧化作用，还具有工艺简单、成本较低等优点；此外，制备得到的钽铝合金溅射靶材具有致密度≥99.0％，晶粒尺寸≤50μm，靶材内部结构均匀，机加工性能优异等优点。作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述目标质量比例中铝的质量比例为12.5-13.5％，其余为钽。本发明所述铝的质量比例为12.5-13.5％，例如12.5％、12.6％、12.7％、12.8％、12.9％、13.0％、13.1％、13.2％、13.3％、13.4％或13.5％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样使用。优选地，步骤(1)所述模具为不锈钢包套。优选地，在步骤(1)所述装入模具后，依次进行夯实和封口。本发明所述不锈钢包套采用氩弧焊接，将不锈钢盖板和包套焊接牢固进行封口处理，为后续脱气处理提供基本保障。作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述钽铝合金粉末由钽粉和铝粉按照目标质量比例混合得到。优选地，所述钽粉的纯度为99.95-99.99％，例如99.95％、99.96％、99.97％、99.98％或99.99％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样使用。优选地，所述钽粉的粒径≤75μm，例如75μm、70μm、65μm、60μm、55μm、50μm或40μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样使用。优选地，所述铝粉的纯度为99.95-99.99％，例如99.95％、99.96％、99.97％、99.98％或99.99％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样使用。优选地，所述铝粉的粒径≤75μm，例如75μm、70μm、65μm、60μm、55μm、50μm或40μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样使用。本发明所述钽铝合金粉末的制备对钽粉和铝粉的纯度和粒径进行限定，不仅可以保证制备得到的钽铝合金溅射靶材具有较高的纯度，还可以保证合金粉末在热等静压工艺中充分熔化并混合均匀，进而保证了制备得到的钽铝合金溅射靶材内部结构的均匀性。作为本发明优选的技术方案，所述混合在惰性气体保护下进行。优选地，所述惰性气体为氦气和/或氩气，优选为氩气。优选地，所述惰性气体的绝压为0.02-0.06mpa，例如0.02mpa、0.03mpa、0.04mpa、0.05mpa或0.06mpa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。本发明在进行钽粉和铝粉的混合操作时，采用了在惰性气体保护下进行，并控制惰性气体的绝压在0.02-0.06mpa范围内，不仅保证了合金粉末的均一性，还可以尽可能地减少合金粉末中的空气含量，减少铝粉由于粒度较细而被氧化的风险，从而提高了钽铝合金溅射靶材的产品纯度。作为本发明优选的技术方案，所述混合在v型混粉机中进行。优选地，在所述混合前将所述v型混粉机清洗干净，以保证v型混粉机内无污染。优选地，所述v型混粉机的混合速率为5-15r/min，例如5r/min、6r/min、8r/min、10r/min、12r/min、14r/min或15r/min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。优选地，所述混合的混合时间为12-36h，例如12h、16h、20h、24h、28h、30h、32h或36h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述脱气处理的温度为300-500℃，例如300℃、330℃、350℃、370℃、400℃、420℃、450℃、480℃或500℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。优选地，步骤(2)所述脱气处理的时间为4-8h，例如4h、4.5h、5h、5.5h、6h、6.5h、7h、7.5h或8h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。优选地，步骤(2)所述脱气处理的真空度在5.0e-3pa以下。优选地，步骤(2)所述脱气处理在加热炉中进行。本发明所述脱气处理通过对温度、时间和真空度的合理控制，可以将不锈钢包套中的气体充分脱除，从而保证了钽铝合金粉末不被空气氧化，使得最终钽铝合金溅射靶材的纯度达到质量要求；另外，对脱气处理的温度、时间和真空度的合理控制，可以使得模具内的钽铝合金粉末达到一定密度，便于后续热等静压处理的进行，可以最大程度地降低能耗，减少成本的投入。作为本发明优选的技术方案，步骤(3)所述热等静压处理在热等静压炉中进行。优选地，在步骤(3)所述热等静压处理前进行冷态增压烧结。本发明所述冷态增压烧结属于常规操作，本领域技术人员可以根据实际情况进行合理选择。优选地，步骤(3)所述热等静压处理包括依次进行的第一段热等静压和第二段热等静压。优选地，所述第一段热等静压处理的温度为500-600℃，例如500℃、520℃、530℃、550℃、560℃、580℃或600℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。优选地，所述第一段热等静压处理的时间为1-2h，例如1h、1.2h、1.4h、1.5h、1.8h或2h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。优选地，所述第二段热等静压处理的温度为750-950℃，例如750℃、780℃、800℃、820℃、850℃、880℃、900℃、920℃或950℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。优选地，所述第二段热等静压处理的时间为3-6h，例如3h、3.5h、4h、4.5h、5h、5.5h或6h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。本发明所述制备方法基于金属铝的熔点较低的特点，采用两段式热等静压处理工艺，先在低于铝的熔点的500-600℃下进行钽铝合金溅射靶材的预成型，可以使得致密度达到95.0％以上，然后在750-950℃下进一步提高致密度，使得钽铝合金溅射靶材的致密度≥99.0％。优选地，步骤(3)所述热等静压处理的压力为90-170mpa，例如90mpa、100mpa、110mpa、120mpa、130mpa、140mpa、150mpa、160mpa或170mpa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。优选地，在步骤(3)所述热等静压处理后，将所述模具去掉，得到钽铝合金溅射靶材粗品。本发明所述热等静压处理是针对钽和铝两者的熔点及比重等物理性能上的巨大差异，采用90-170mpa高压下的两段式热等静压处理，不仅使得钽铝合金溅射靶材的致密度大幅提高，钽铝合金内部组织结构更加均匀，还可以尽可能地降低能耗，最大限度地降低成本。作为本发明优选的技术方案，在步骤(4)所述机加工后，依次进行检测、清洗、干燥、包装，得到钽铝合金溅射靶材。作为本发明优选的技术方案，所述制备方法包括如下步骤：(1)将钽粉和铝粉按照目标质量比例混合得到钽铝合金粉末，然后装入不锈钢包套，依次进行夯实和封口；其中，所述目标质量比例中铝的质量比例为12.5-13.5％，其余为钽；所述钽粉的纯度为99.95-99.99％，粒径≤75μm；所述铝粉的纯度为99.95-99.99％，粒径≤75μm；所述混合在惰性气体保护下进行，所述惰性气体优选为氩气，所述惰性气体的绝压为0.02-0.06mpa，所述混合在v型混粉机中进行，所述v型混粉机的混合速率为5-15r/min，所述混合的混合时间为12-36h；(2)将步骤(1)封口后的模具放入加热炉中，加热至300-500℃，并控制真空度在5.0e-3pa以下，进行4-8h的脱气处理；(3)将步骤(2)脱气后的模具放入热等静压炉中进行冷态增压烧结，先升温至500-600℃，在90-170mpa压力下保温保压1-2h进行第一段热等静压处理，然后升温至750-950℃，在90-170mpa压力下保温保压3-6h进行第二段热等静压处理，得到钽铝合金溅射靶材粗品；(4)将步骤(3)得到的钽铝合金溅射靶材粗品进行机加工，然后依次进行检测、清洗、干燥、包装，得到钽铝合金溅射靶材。本发明所述优选的制备方法包括在惰性气体保护下的混粉处理、将具有目标质量比例的钽铝合金粉末装入模具并封口、脱气处理、热等静压处理、机加工，最终得到钽铝合金溅射靶材。所述制备方法首先通过在惰性气体保护下的混粉处理，保证了钽铝合金粉末的成分均匀一致；然后通过脱气处理，增大了钽铝合金粉末的密度，有效保证后续热等静压处理前的密度要求；随后通过热等静压处理防止了致密度不高、晶粒尺寸较大等产品问题。所述制备方法不仅工艺流程简单，降低了产品被氧化的风险，提高了产品加工效率，还减少了能量消耗，适用于工业化推广。本发明的目的之二在于提供一种钽铝合金溅射靶材，利用目的之一所述制备方法制备。与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：(1)本发明所述制备方法采用热等静压工艺，使得钽铝合金粉末在高温高压的作用下得以烧结和致密化，不仅可以减少外界对靶材的氧化作用，还具有工艺简单、成本较低等优点；(2)本发明所述制备方法基于金属铝的熔点较低的特点，采取两段式热等静压处理，先在较低温度下预成型，再在较高温度下达到致密度要求，制备得到的钽铝合金溅射靶材具有致密度≥99.0％，晶粒尺寸≤50μm，靶材内部结构均匀，机加工性能优异等优点。附图说明图1是本发明提供的钽铝合金溅射靶材制备方法的流程图。具体实施方式下面结合附图并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。图1示出了本发明提供的钽铝合金溅射靶材制备方法的流程图，其具体包括如下步骤：(1)将具有目标质量比例的钽铝合金粉末装入模具并封口；(2)将步骤(1)封口后的模具进行脱气处理；(3)将步骤(2)脱气后的模具进行热等静压处理，得到钽铝合金溅射靶材粗品；(4)将步骤(3)得到的钽铝合金溅射靶材粗品进行机加工，然后依次进行检测、清洗、干燥、包装，得到钽铝合金溅射靶材。为便于理解本发明，本发明列举实施例如下：实施例1本实施例提供了一种钽铝合金溅射靶材的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：(1)将纯度为99.97％、粒径为70μm的钽粉和纯度为99.99％、粒径为65μm的铝粉，按照目标质量比例中铝的质量比例为12.5％，加入v型混粉机中，在压力为0.04mpa的氩气保护下，以8r/min的混合速率混合24h，随后将混合得到的钽铝合金粉末装入预先清洗过的不锈钢包套，依次进行夯实和封口；(2)将步骤(1)封口后的模具放入加热炉中，加热至300℃，并控制真空度在5.0e-3pa以下，进行8h的脱气处理；(3)将步骤(2)脱气后的模具放入热等静压炉中进行冷态增压烧结，先升温至600℃，在170mpa压力下保温保压2h进行第一段热等静压处理，然后升温至950℃，在170mpa压力下保温保压6h进行第二段热等静压处理，得到钽铝合金溅射靶材粗品；(4)将步骤(3)得到的钽铝合金溅射靶材粗品进行机加工，然后依次进行检测、清洗、干燥、包装，得到钽铝合金溅射靶材。实施例2本实施例提供了一种钽铝合金溅射靶材的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：(1)将纯度为99.95％、粒径为50μm的钽粉和纯度为99.95％、粒径为50μm的铝粉，按照目标质量比例中铝的质量比例为13.0％，加入v型混粉机中，在压力为0.02mpa的氩气保护下，以5r/min的混合速率混合36h，随后将混合得到的钽铝合金粉末装入预先清洗过的不锈钢包套，依次进行夯实和封口；(2)将步骤(1)封口后的模具放入加热炉中，加热至400℃，并控制真空度在5.0e-3pa以下，进行6h的脱气处理；(3)将步骤(2)脱气后的模具放入热等静压炉中进行冷态增压烧结，先升温至550℃，在130mpa压力下保温保压1.5h进行第一段热等静压处理，然后升温至850℃，在130mpa压力下保温保压4h进行第二段热等静压处理，得到钽铝合金溅射靶材粗品；(4)将步骤(3)得到的钽铝合金溅射靶材粗品进行机加工，然后依次进行检测、清洗、干燥、包装，得到钽铝合金溅射靶材。实施例3本实施例提供了一种钽铝合金溅射靶材的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：(1)将纯度为99.99％、粒径为60μm的钽粉和纯度为99.99％、粒径为60μm的铝粉，按照目标质量比例中铝的质量比例为13.5％，加入v型混粉机中，在压力为0.06mpa的氩气保护下，以15r/min的混合速率混合12h，随后将混合得到的钽铝合金粉末装入预先清洗过的不锈钢包套，依次进行夯实和封口；(2)将步骤(1)封口后的模具放入加热炉中，加热至500℃，并控制真空度在5.0e-3pa以下，进行4h的脱气处理；(3)将步骤(2)脱气后的模具放入热等静压炉中进行冷态增压烧结，先升温至500℃，在90mpa压力下保温保压1h进行第一段热等静压处理，然后升温至750℃，在90mpa压力下保温保压3h进行第二段热等静压处理，得到钽铝合金溅射靶材粗品；(4)将步骤(3)得到的钽铝合金溅射靶材粗品进行机加工，然后依次进行检测、清洗、干燥、包装，得到钽铝合金溅射靶材。实施例4本实施例提供了一种钽铝合金溅射靶材的制备方法，除了将步骤(3)中热等静压采用一段式热等静压处理，其他工艺条件和实施例2完全相同，具体如下：(3)将步骤(2)脱气后的模具放入热等静压炉中，先进行冷态增压烧结，然后升温至750℃，在130mpa压力下保温保压6h进行热等静压处理，得到铬铝合金溅射靶材粗品。对比例1本对比例提供了一种钽铝合金溅射靶材的制备方法，除了将步骤(3)中热等静压的温度由750℃替换为450℃，其他工艺条件和实施例4完全相同。对比例2本对比例提供了一种钽铝合金溅射靶材的制备方法，除了将步骤(3)中热等静压的温度由750℃替换为1000℃，其他工艺条件和实施例4完全相同。将上述实施例和对比例所得钽铝合金溅射靶材进行如下性能测试：致密度：按照国标gb/t3850-2015《致密烧结金属材料与硬质合金密度测量方法》中公开的吊篓方法进行测定；晶粒尺寸：按照国标gb/t6394-2017《金属平均晶粒度测定方法》中公开的截面法进行测定；靶材内部结构均匀性：首先以目视标样为准，然后经精密加工后，表面清洁，色泽均一，不出现束状或者点状花斑，则表明内部结构均匀未出现偏析现象；机加工性能：根据机加工过程中是否出现崩角、凹坑以及机加工难易程度判断钽铝合金溅射靶材的机加工性能；有关上述实施例和对比例所得钽铝合金溅射靶材的相关测试结果见表1。表1组别致密度晶粒尺寸靶材内部结构均匀性机加工性能实施例199.8％32μm表面清洁，色泽均一易加工实施例299.5％23μm表面清洁，色泽均一易加工实施例399.3％28μm表面清洁，色泽均一易加工实施例499.1％40μm表面清洁，色泽均一较难加工对比例196.0％20μm表面清洁，色泽均一易加工对比例299.5％64μm表面清洁，色泽均一难加工由表1可以看出以下几点：(1)本发明所述制备方法采用热等静压工艺，使得钽铝合金粉末在高温高压的作用下得以烧结和致密化，不仅可以减少外界对靶材的氧化作用，还具有工艺简单、成本较低等优点；而且，制备得到的钽铝合金溅射靶材具有致密度≥99.0％，晶粒尺寸≤50μm，靶材内部结构均匀，机加工性能优异等优点；(2)对比实施例2和实施例4可以看出，实施例2基于金属铝的熔点较低的特点，采取两段式热等静压处理，先在较低温度下预成型，再在较高温度下达到致密度要求，相比于采用一段式热等静压处理的实施例4，实施例2制备得到的钽铝合金溅射靶材的致密度更高、晶粒尺寸更小、机加工性能更加优良；(3)对比实施例4和对比例1可以看出，对比例1采用450℃下的热等静压，致密处理的温度较低，导致制备得到的钽铝合金溅射靶材的致密度仅为96.0％，无法满足溅射靶材的性能要求；对比例2采用1000℃下的热等静压，超过了铝的熔点导致其熔化，使得制备得到的钽铝合金溅射靶材虽然致密度超过了99.0％，但是晶粒会异常长大，晶粒尺寸高达64μm，而且难加工。申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细结构特征，但本发明并不局限于上述详细结构特征，即不意味着本发明必须依赖上述详细结构特征才能实施。所属
技术领域：
的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用部件的等效替换以及辅助部件的增加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。当前第1页12