一种碗形靶材的机加工辅助工装及加工方法与流程

本发明涉及溅射靶材领域，具体涉及一种碗形靶材的机加工辅助工装及加工方法。

背景技术：

1、近年来随着微电子器件集成度日益提高，材料的尺寸向着微型化趋势发展，镀膜器件也随之快速发展。溅射法是制备高质量薄膜材料的主要技术手段，溅射沉积薄膜的原材料即为靶材，是一种具有高附加价值的特种电子材料。

2、目前，溅射靶材的形状及规格主要受与之匹配的溅射机台限制，常见的尺寸规格如圆形、方形、管形及各种异形等。在异形溅射靶材的机加工过程中，由于其形状不规则，结构复杂，使得其机加工难度远大于普通形状的溅射靶材。同时，由于溅射靶材是通过电场和磁场共同作用使得靶材表面的原子、分子或离子受到高能氩离子轰击而脱离靶材束缚，并沉积到衬底表面形成薄膜。因此，针对于靶材尤其是磁性靶材，其厚度的均匀性将直接影响其溅射的均匀性和稳定性，从而影响镀膜质量。归根到底，控制好溅射靶材的尺寸精度也是靶材制备的重要工作之一。

3、cn113547334a公开了一种多边形靶材及其加工方法，具体方法：采用车削螺纹的靶材与车削焊接凹槽的背板相装配，进行热等静压后得到焊接组件，再按照尺寸要求采用铣床将外圆车削后的焊接组件铣削成所需的多边形结构。该发明侧重于靶材与背板的扩散焊接工艺，对多边形靶材加工未提及具体方法。

4、cn113319342a公开了一种quantum系列靶材的机械加工方法，具体方法：采用立铣刀对靶材的侧面进行切削处理；随后，采用数控机床对上述步骤得到的靶材斜面进行切削处理；两步加工处理分别采用独立地切削液冷却。该发明侧重于对切削处理的刀具选择、给进速度等机械参数进行调整，从而获得表面光滑、无震刀纹且外观及尺寸符合要求的靶材。而本发明主要是借助夹具和关键坐标参数推导来辅助靶材车削加工，这可大幅提高了靶材的加工精度。

5、cn114131380a公开了一种异形靶材的定位夹具及其加工方法，具体方法：通过定位夹具中呈锅形的凹槽结构及夹具侧面相应贯穿孔的设计,使之能够与异形靶材的结构相匹配，放入异形靶材后可使用螺钉将其固定，便于异形靶材内壁的精确加工，降低加工难度，提高其加工效率及合格率。而本发明主要是采用碗形内撑夹具来辅助装夹碗形靶坯，以确保靶坯外侧壁的精密加工。

6、cn110592540a公开了一种靶材加工装置和加工方法，具体方法：先使用底板+内定位销固定靶坯，加工靶坯外侧曲面；再将内定位销取下，安装压板+外定位销后，铣削加工靶坯内曲面和定位槽，最终获得定位精度高的异型溅射靶材。该发明加工的靶材能保证加工尺寸和精度，同时效率高，成本低，但其主要针对的是截面呈类梯形的环状矩形溅射靶材。

7、综上所述，目前异形溅射靶材的机加工方面，部分专利侧重于刀具选择、进刀量、给进速度等机械参数的调整，从而确保靶材的尺寸精度及低震刀纹；部分专利文献针对其尺寸形状的不同，选择了截然不同的加工装置及加工方法。然而，针对于类似碗形的溅射靶材的加工余量小、结构复杂，且靶材尺寸精度高、壁厚薄且均匀、表面粗糙度小等要求，急需开发适合该规格靶材的机加工工装及加工方法。

技术实现思路

1、针对本发明要解决的技术问题是克服上述现有技术存在的不足，提供一种碗形靶材的机加工辅助工装及加工方法，以实现在尽可能少的加工余量基础上，制备出尺寸精度高、壁厚薄且均匀、表面粗糙度小的碗形溅射靶材。

2、本发明的碗形靶材的机加工辅助工装为一个辅助实现对靶坯外表面进行加工的碗形内撑夹具，所述碗形内撑夹具将碗形靶坯的内壁撑住，保证在对碗形靶坯外表面机械加工过程(装夹和车削)时，靶坯不因壁厚较薄且内部中空发生局部变形，最终达到提高外表面粗糙度及加工精度、降低震刀纹的作用。

3、具体的，本发明的一种碗形靶材的机加工辅助工装包括碗形弹性组件、内撑件及紧固螺栓；所述碗形弹性组件具有弹性组件外侧面和弹性组件内侧面，所述弹性组件外侧面由相互连接的外侧斜面a和外侧斜面b构成，所述外侧斜面a呈一定锥度，弹性组件内侧面与外侧斜面a的锥度相同，外侧斜面b与靶坯内侧斜面平行；所述碗形弹性组件的大直径端中心区域设有下凹部分，沿着碗形弹性组件的大直径端的外边缘均分有数条沟槽；所述内撑件呈锥台状，其外侧面的锥度与碗形弹性组件内侧面的锥度相同；所述碗形弹性组件的中心处设有供紧固螺栓穿过的通孔，所述内撑件的中心处设有与紧固螺栓匹配的螺纹孔，紧固螺栓穿过碗形弹性组件中心过孔并紧固内撑件，使得碗形弹性组件向外扩张并夹持住碗形靶坯。

4、进一步地，所述弹性组件外侧面的斜面a呈6°、8°、10°、12°、15°任一锥度。

5、进一步地，所述沟槽均分设置有8条，沟槽(34)的宽度为4-6mm。

6、进一步地，所述沟槽的槽深向内延伸至碗形弹性组件的凹底部内径r1的1/2处。

7、进一步地，所述内撑件小直径端的直径r3介于碗形弹性组件下凹部分的凹底部内径r1和凹顶部内径r2之间。

8、进一步地，所述紧固螺栓的规格为m10、m12、m14、m16、m18、m20任一种。

9、一种碗形靶材的加工方法，利用本发明的碗形靶材的机加工辅助工装，该方法包括如下步骤：

10、步骤1，将碗形弹性组件放入碗形靶坯内部，通过拧紧紧固螺栓将内撑件沿着一定锥度贴合于碗形弹性组件，使得碗形弹性组件在内撑件的挤压作用下产生弹性变形，将碗形靶坯的靶坯内侧面撑住；

11、步骤2，碗形靶坯的靶坯外侧面加工：将装配后的碗形靶坯固定在数控车床的三爪中空卡盘上，设置机加工程序对碗形靶坯的靶坯外侧面进行加工；

12、步骤3，碗形靶坯的靶坯内侧面加工：将与碗形靶材的机加工辅助工装分离后的碗形靶坯反向安装于车床的三爪中空卡盘上，碗形靶坯的靶坯内侧底部的弧形面采用类双曲线的平滑过渡方式进行车削加工，以确保溅射面平滑且粗糙度小。

13、进一步地，所述采用类双曲线的平滑过渡方式包括：

14、在xy坐标系中，靶坯内侧底部的弧形面的圆弧起点为a、终点为b，其坐标分别为(xa，ya)、(xb，yb)，将ab圆弧表示为由圆心分别为o1和o2的二段圆弧ac和cb组成，其中ac弧段为圆弧a、cb弧段为圆弧b，则a点与圆弧a相切、b点与圆弧b相切，c点和b点的圆弧切线相交于d点，两切线的夹角α’，圆弧a的圆弧角为β，其直径r1由压制成型时凸模的倒圆角半径决定，圆弧b的圆弧角为α，其直径r2，则：

15、xb-xa＝(r2-r1)×sinα+r1          (1)

16、r2-(ya-yb)＝(r2-r1)×cosα           (2)

17、由公式(1)-(2)，计算求得α、β角度：

18、β＝90°-α            (3)

19、将公式(3)带入公式(2)，可求出圆弧b的直径r2：

20、

21、则圆弧a和圆弧b的相交点c的坐标(xc，yc)为：

22、xc＝xa+r1×(1-cosβ)           (5)

23、yc＝ya-r1×sinβ           (6)

24、式中：ya＝yo1，xb＝xo2，α＝α’，α+β＝90°；

25、将求得的α角、β角、r2及c点坐标编程进行碗形靶坯内侧底部加工。

26、进一步地，所述碗形靶材的壁厚为1.5-3mm，碗形靶坯的内、外侧加工余量均为0.2-0.8mm。

27、进一步地，所述碗形靶材加工后的表面粗糙度满足ra≤1.6μm。

28、与现有技术相比较，本发明的有益效果在于：

29、(1)本发明采用碗形内撑夹具辅助靶坯外表面加工，使得卡盘在装夹后，碗形靶坯的受力相对较为均匀；同时，刀具在对外表面进行加工时，碗形靶坯的受力也相对均匀，刀具也不易产生振动；最终使得碗形靶坯在外表面的加工过程中不易发生变形，从而确保了靶材壁厚的均匀度、高的加工精度及小的外表面粗糙度；

30、(2)本发明采用靶坯内侧底部类双曲线平滑过渡的内表面加工方式，使得圆弧与平面、圆弧与圆弧之间的过渡趋于平缓，减小了靶材内表面的粗糙度；同时，该方法可有效减少加工余量，大幅节约材料用量，降低材料损耗，对于原料价格昂贵的溅射靶材，如稀贵金属及合金溅射靶材尤为适用。

31、总之，本发明制备的碗形靶材，壁厚均匀且仅为1.5-3mm，内外表面粗糙度ra≤1.6μm，尺寸精度高，可显著提高靶材溅射时的均匀性和稳定性，从而提高镀膜质量。