一种高性能锆基稀土合金靶材及其制备方法与流程

本发明涉及mems芯片的传感器器件真空吸气部件领域，特别涉及一种高性能锆基稀土合金靶材及其制备方法。

背景技术：

在芯片器件及芯片生态链上，吸气薄膜是实现芯片晶元基真空封装的关键材料。而目前生产吸气薄膜的合金靶材的专利，几乎被西方国家及其欧洲控制。在以西方国家对中国芯片器件及芯片生态链上关键材料日益限制、制裁的今天，中国吸气材料合金靶材的自主研发及自主产权迫在眉睫。

本发明的“高性能锆基稀土合金薄膜吸气靶材”显示了高的真空极限、吸气性能和低的激活温度。低的激活温度，可以使其应用的范围更加广泛；同时，高的吸气性能，可以使其保证真空器件的高寿命、高稳定化和高可靠性，特别是可以实现芯片器件传感器件小型化和灵敏化方面，具有非常好优势。

技术实现要素：

本发明制备的吸气薄膜的激活温度更低、吸氢速率更快，可以实现在2～50秒内，实现真空腔体的极限真空达到10^-4pa，本发明的吸气合金靶材，分别是锆基稀土二元合金、锆基稀土三元合金、锆基稀土四元合金、锆基多元稀土元素的复合添加靶材。此合金靶材兼顾锆和稀土合金具有吸气量的特点，通过稀土合金对锆的合金化处理，应用稀土元素的4f电子轨道与气体原子(如h)电子轨道容易发生杂化，实现其吸氢薄膜低激活温度和对气体的高响应性，以达到维持mems芯片器件腔体的高真空性。

本发明的目的是这样实现的：一种高性能锆基稀土合金靶材及其制备方法，所述锆基稀土合金薄膜吸气剂靶材的合金配方如下：以质量百分比分别配比钛基二元合金配方锆基二元合金zr1-xrex(wt％)、锆基三元合金zr1-x-yre1xre2y(wt％)、锆基四元合金zr1-x-y-zre1xre2yre3z、大于四元合金的锆基多元稀土元素的复合添加；所述锆基稀土合金薄膜吸气靶材采用如下制备方法制成，包括以下步骤：

a.熔炼：将配比好的原料装入真空熔炼炉，熔炼炉中用坩埚尺寸为直径×高度20～200mm；将炉内真空度抽至0.01～1pa以下；熔炼电流为800～2000a；熔炼过程中施加磁搅拌，熔炼成铸锭；

b.致密化处理：在高纯氩气的气氛炉中，对铸锭进行致密化处理；升温加压，温度为900～1200℃,高纯氩气的压力为1～2.5mpa,持续时间为1～4h；获得高致密度及成分均匀的锆基稀土合金铸锭靶坯；

c.吸气剂靶材的机加工：对合金靶坯进行加工，获得所需的锆基稀土合金薄膜吸气剂靶材，合金靶材的尺寸：直径为1～8英寸靶材；或者矩形靶材，尺寸为长0～990mm×宽0～230mm×厚度4～10mm；

d.吸气薄膜样品制备：用其合金靶材，在磁控溅射上，在硅晶元基体样品上进行溅射，制备成吸气薄膜；吸气剂薄膜的激活温度200～400℃，激活时间15～60min，初始吸氢速率18～90ml/s.cm²。并且该吸气薄膜在短的时间内可达到极限真空1.0×10^-4～5×10^-5pa。

优选的，所述锆基稀土合金薄膜吸气剂靶材的二元锆基稀土合金配方为：zr1-xrex(wt％)，稀土re的含量在0.01～45-wt％，余量是zr元素，其中re代表稀土元素，re分别为la、ce、nd、pr、pm、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb、lu、sc、y中的任意一种稀土元素或者混合稀土元素的复合添加。

优选的，所述锆基稀土合金薄膜吸气剂靶材的合金配方为锆基三元合金配方zr1-x-yre1xre2y(wt％)，稀土re1的含量x在0.01～25wt％，稀土re2的含量y在0.01～20wt％，余量是zr元素；其中re1、re2代表稀土元素，为la、ce、nd、pr、pm、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb、lu、sc、y中的任意一种稀土元素或者混合稀土元素的复合添加。

优选的，所述锆基稀土合金薄膜吸气剂靶材的合金配方为锆基四元合金配方zr1-x-y-zre1xre2yre3z(wt％)，稀土re1的含量x在0.01～20wt％、稀土re2的含量y在0.01～20wt％、稀土re3的含量z在0.01～5wt％，余量是zr元素；其中re1、re2、re3代表稀土元素，为la、ce、nd、pr、pm、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb、lu、sc、y中的任意一种稀土元素或者混合稀土元素的复合添加。

优选的，所述锆基稀土合金薄膜吸气剂靶材的合金配方为大于四元合金的锆基多元稀土元素的复合添加；其中稀土元素的总含量在0～45wt％之间，为la、ce、nd、pr、pm、sm、eu、gd、tb、dy、ho、er、tm、yb、lu、sc、y中的任意一种稀土元素或者混合稀土元素的复合添加。

优选的，所述钛基二元合金配方锆基二元合金zr1-xrex(wt％)、锆基三元合金zr1-x-yre1xre2y(wt％)、锆基四元合金zr1-x-y-zre1xre2yre3z、大于四元合金的锆基多元稀土元素的复合添加的纯度均大于99.90％。

具体实施方式

实施例1

直径为2英寸的锆基稀土二元合金薄膜吸气剂靶材，具体步骤如下：

按照锆基稀土二元合金薄膜吸气剂靶材的成分zr1-xrex(x＝0.01～30wt％)，其中re＝nd，x＝5wt％，余量为zr；

a.配比原料：按质量比zr95nd5式计算zr、ce的质量比进行配料，原材料的纯度为99.90％；

b.熔炼：将配比好的原料置于炼炉中，坩埚尺寸为直径×高度150mm；将炉内真空度抽至0.06pa以下。熔炼电流为1400a；熔炼过程中施加磁搅拌，熔炼铸锭；

c.致密化处理：在高纯氩气的气氛炉中，对铸锭进行致密化处理；升温加压，温度为920℃,高纯氩气的压力为2.0mpa,持续时间为1.2h；获得高致密度及成分均匀的锆基稀土合金铸锭靶坯；

d.吸气剂靶材的机加工：对合金靶铸锭坯进行加工，获得所需的锆基稀土合金薄膜吸气剂靶材，合金靶材的尺寸：直径为2英寸靶材；

e.用其合金靶材，在磁控溅射上进行溅射，吸气薄膜在300℃保温15min后，初始吸氢速率为32ml/s.cm²,极限真空可达到2.9×10^-4pa。

实施例2

直径为4英寸的锆基稀土三元合金薄膜吸气剂靶材，具体步骤如下：

按照锆基稀土三元合金zr1-x-yre1xre2y(wt％)，其中re1＝ce、re2＝nd、x＝10wt％、y＝5wt％、余量为zr；

a.配比原料：按质量比zr85ce10nd5式计算zr、ce、nd的质量比进行配料，原材料的纯度为99.90％；

b.将配比好的原料置于炉熔炼中，熔炼的坩埚尺寸为直径×高度50mm，将炉内真空度抽至0.06pa以下；熔炼电流为1420a；熔炼过程中施加磁搅拌，熔炼铸锭；

c.致密化处理：在高纯氩气的气氛炉中，对铸锭进行致密化处理；升温加压，温度为950℃,高纯氩气的压力为1.5mpa,持续时间为1.5h；获得高致密度及成分均匀的锆基稀土合金铸锭靶坯；

d.吸气剂靶材的机加工：对合金靶坯进行加工，获得所需的锆基稀土合金薄膜吸气剂靶材，合金靶材的尺寸：直径为4英寸靶材；

e.用其合金靶材，在磁控溅射上进行溅射，吸气薄膜在310℃保温15min后，初始吸氢速率为36ml/s.cm²,极限真空可达到1.8×10^-4pa。

实施例3

直径为8英寸的锆基稀土四元合金薄膜吸气剂靶材，具体步骤如下：

按照锆基稀土四元合金配方zr1-x-y-zre1xre2yre3z(wt％)，其中re1＝dy、其中re2＝tb其中re3＝er、x＝15wt％、y＝5wt％、z＝5wt％，余量为zr；

a.按质量比zr75dy15tb5er5(wt％)式计算zr、dy、tb、er的质量比进行配料，原材料的纯度为99.90％；

b.熔炼：将配比好的原料置于熔炼炉中，熔炼的坩埚尺寸为直径×高度150mm，将炉内真空度抽至0.07pa以下；熔炼电流1500a；熔炼过程中施加磁搅拌，熔炼成铸锭；

c.致密化处理：在高纯氩气的气氛炉中，对铸锭进行致密化处理；升温加压，温度为930℃,压力为2.1mpa,持续时间为1.5h；获得高致密度及成分均匀的锆基稀土合金铸锭靶坯；

d.吸气剂靶材的机加工：对合金靶坯进行加工，获得所需的锆基稀土合金薄膜吸气剂靶材，合金靶材的尺寸：直径为8英寸靶材；

e.用其合金靶材，在磁控溅射上进行溅射，吸气薄膜在350℃保温15min后，初始吸氢速率为48ml/s.cm²,极限真空可达到1.0×10^-4pa。

本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。