专利名称：一种W-Ti合金靶材的制备方法
技术领域：
本发明属于冶金制备技术领域，具体涉及一种W-Ti合金靶材的制备方法。
背景技术：
W-Ti合金是制备微电子材料中Cu、Ag布线的扩散阻挡层的主导材料之一。当前， W-Ti合金靶材主要的制备方法有热压法和热等静压法。热压法制备出的靶材受热压模具 尺寸限制，且存在着温度分布不均的现象，影响合金组织的均勻性；而热等静压法虽然可以 得到致密度接近100%的靶材，但设备复杂，成本较高。因此开发出成本较低且性能优越的 W-Ti合金靶材的制备方法具有现实意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种W-Ti合金靶材的制备方法，解决了现有方法制备出的 W-Ti合金组织不均勻、致密度低、性能差、制备成本高的问题。本发明所采用的技术方案是，一种W-Ti合金靶材的制备方法，该方法包括以下操 作步骤
步骤1，粉末的制备
按照W-Ti合金的化学成分质量百分比为W :Ti=70 9Γ90 %10 9Γ30 %的比例分别称取 纯度高于99. 9%的W粉和纯度高于96. 7%的TiH2粉；再将TiH2粉装入球磨罐中，添加无水 乙醇作为过程控制剂，将球磨罐内的空气排除，然后密封球磨罐进行球磨；选用WC球作为 研磨球，球料比为30:1 40:1，球磨时间为36 48 h，球磨罐转速为200r/min ； 步骤2，混粉
将球磨好的TiH2粉末与W粉进行混合，混粉时间为4 IOh ； 步骤3，压坯
将混合好的粉末装入冷等静压模具中，采用冷等静压机压制坯料，压力为25CT280 MPa，保压时间为3 6 min ； 步骤4，烧结
将压坯置于高温真空烧结炉中，先对炉内抽真空，保证炉体内的真空度小于10_3帕；然 后对炉内进行加热，控制加热速度为10°C/min，当炉内温度达到50(T60(TC时，保温30min ； 再以10°C/min的加热速度继续升温，最终烧结温度为120(Γ1300 ，保温8(Tl20min后，随 炉自然冷却到室温； 步骤5，固溶退火
再将烧结后的合金进行固溶退火，退火温度为90(T110(TC，保温12 24h，随后淬火冷
却；
步骤6，机加工
最后对W-Ti合金进行机加工，使之成为W-Ti靶材成品。其中，步骤1中添加的无水乙醇浓度为99. 7%，其质量为TiH2粉质量的1. 5%。
其中，步骤1中球磨前TiH2粉的粒径为1(Γ30 μ m ；步骤1和步骤2中W粉的粒径 为 1 30μ 。其中，步骤1的球磨过程中，球磨罐外壁始终采用循环水冷却。其特征还在于，控制W-Ti合金杂质C、N和0的含量不高于1000 ppm。
本发明的有益效果是，提供一种能够制备出合金组织均勻、单相结构、高密度的W-Ti 合金靶材的制备方法，且本发明方法制备成本较低、工艺简单、容易实施。
图1是本发明制备方法的流程图； 图2是本发明TiH2球磨粉的形貌图3是本发明TiH2球磨粉的DSC曲线图； 图4是本发明实施例1中W-21Ti合金烧结后的SEM照片； 图5是本发明实施例1中W-21Ti合金烧结后的XRD图谱；
图6中，a是本发明实施例1中W_21Ti合金烧结后的线扫描照片；b是a图中横线处 W、Ti的浓度分布曲线图。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明进行详细说明。如图1所示，为本发明制备W-Ti合金靶材的流程图，其具体方法为 步骤1，粉末的制备
按照W-Ti合金的化学成分质量百分比为W :Ti=70 9Γ90 %10 9Γ30 %的比例分别称取 粒径为广30 μ m、纯度高于99. 9%的W粉和粒径为10 30 μ m、纯度高于96. 7%的TiH2粉；
再将TiH2粉装入球磨罐中，为了平衡冷焊和断裂，添加无水乙醇作为过程控制剂，为了 防止TiH2粉末在球磨过程中被氧化，将球磨罐内的空气排除，然后密封球磨罐进行球磨；选 用WC球作为研磨球，球料比为30:1 40:1，球磨时间为36 48 h，球磨罐转速为200r/ min,添加无水乙醇的质量为TiH2粉质量的1. 5% ；由图2可以看出，球磨可以使TiH2粉末明 显得到细化，从图3可以看出细化后的TiH2粉末分解温度明显降低，球磨后的TiH2粉末颗 粒尺寸大量分布在100 500nm的范畴； 步骤2，混粉
将球磨好的TiH2粉末与W粉进行混合，混粉时间为4 10h。步骤3，压坯
将混合好的粉末装入冷等静压模具中，采用冷等静压机压制坯料，压力为25CT280 MPa，保压时间为3 6 min ； 步骤4，烧结
将压坯置于高温真空烧结炉中，先对炉内抽真空，保证炉体内的真空度小于10_3帕；然 后对炉内进行加热，控制加热速度为10°C/min，当炉内温度达到50(T60(TC时，保温30min ； 再以10°C/min的加热速度继续升温，最终烧结温度为120(T130(TC，保温8(Tl20min后，随 炉自然冷却到室温；合金在烧结过程中不被附加任何压力；步骤5，固溶退火
再将烧结后的合金进行固溶退火，退火温度为90(Γ1100 ，保温12 24h，随后淬火冷
却；
步骤6，机加工
最后对W-Ti合金进行机加工，先线切割成规定尺寸的圆片，再用磨床磨成符合尺寸精 度的W-Ti合金靶材成品。在上述制备方法过程中，控制W-Ti合金杂质C、N和0的含量不高于1000 ppm。实施例1
按照W-Ti合金的化学成分质量百分比为W :Ti=79% 21%的比例分别称取粒径为广30 μ m、纯度高于99. 9%的W粉和粒径为10 30 μ m、纯度高于96. 7%的TiH2粉末。然后将TiH2 粉末装入滚筒式球磨罐中，添加质量为TiH2粉1. 5%的无水乙醇作为过程控制剂，向球磨罐 内通氩气将罐内空气排除，然后停止通气并密封球磨罐进行球磨；选用WC球为研磨球，球 料比为40: 1，球磨48 h，球磨罐转速为200r/min ；球磨过程中，球磨罐外壁始终采用循环 水冷却。再将球磨好的TiH2粉末与W粉进行混合，混粉时间为4h。将混合好的粉末装入冷 等静压模具中，采用冷等静压机压制坯料，压力为280 Mpa，保压时间为5min。再将压坯置 于高温真空烧结炉中，先对炉内抽真空，保证炉体内的真空度小于10_3帕，然后对炉内进行 加热，控制加热速度为10 V /min,当炉内温度达到500°C时，保温30min ；再以10°C /min的 加热速度继续升温，最终烧结温度定为1200°C，保温IOOmin后，随炉自然冷却到室温，合金 在烧结过程中不被附加任何压力。再将烧结后的合金进行固溶退火，退火温度为1000°C，保 温15h，随后淬火冷却；最后对W-Ti合金进行机加工，使之成为靶材成品。如图4所示，可以看出烧结后试样的显微组织比较均勻，没有明显的孔隙存在；如 图5和图6所示，可以看出烧结后的试样已存在部分固溶，但还未形成完全单相固溶体，需 对其做进一步的固溶退火处理。实施例2
按照W-Ti合金的化学成分质量百分比为W :Ti=90% 10%的比例分别称取粒径为广30 μ m、纯度高于99. 9%的W粉和粒径为10 30 μ m、纯度高于96. 7%的TiH2粉末。然后将TiH2 粉末装入滚筒式球磨罐中，添加质量为TiH2粉1. 5%的无水乙醇作为过程控制剂，向球磨罐 内通氩气将罐内空气排除，然后停止通气并密封球磨罐进行球磨；选用WC球为研磨球，球 料比为30: 1，球磨36 h，球磨罐转速为200r/min ；球磨过程中，球磨罐外壁始终采用循环 水冷却。再将球磨好的TiH2粉末与W粉进行混合，混粉时间为6h。然后将混合好的粉末装入 冷等静压模具中，采用冷等静压机压制坯料，压力为250 MPa，保压时间为3 min。再将压坯 置于高温真空烧结炉中，先对炉内抽真空，保证炉体内的真空度小于10_3帕；然后对炉内进 行加热，控制加热速度为10 °C/min，当炉内温度达到500°C时，保温30min ；再以10°C/min 的加热速度继续升温，最终烧结温度定为1200°C，保温SOmin后，随炉自然冷却到室温，合 金在烧结过程中不被附加任何压力。再将烧结后的合金进行固溶退火，退火温度为900°C， 保温12h，随后淬火冷却；最后对W-Ti合金进行机加工，使之成为靶材成品。实施例3
按照W-Ti合金的化学成分质量百分比为W :Ti=70% 30%的比例分别称取粒径为广30 μ m、纯度高于99. 9%的W粉和粒径为10 30 μ m、纯度高于96. 7%的TiH2粉末。然后将TiH2粉末装入滚筒式球磨罐中，添加质量为TiH2粉1. 5%的无水乙醇作为过程控制剂，先对球磨 罐抽真空再通入氩气再抽真空以确保罐内空气完全排除，然后停止抽真空和通氩气并密封 球磨罐进行球磨；选用WC球为研磨球，球料比为35: 1，球磨40 h，球磨罐转速为200r/min ； 球磨过程中，球磨罐外壁始终采用循环水冷却。再将球磨好的TiH2粉末与W粉进行混合， 混粉时间为10h。将混合好的粉末装入冷等静压模具中，采用冷等静压机压制坯料，压力为 260 MPa，保压时间为6min。再将压坯置于高温真空烧结炉中，先对炉内抽真空，保证炉体 内的真空度小于10_3帕；然后对炉内进行加热，控制加热速度为10。C /min,当炉内温度达 到600°C时，保温30min ；再以10°C /min的加热速度继续升温，最终烧结温度定为1300°C， 保温120min后，随炉自然冷却到室温，合金在烧结过程中不被附加任何压力。再将烧结后 的合金进行固溶退火，退火温度为1100°C，保温24h，随后淬火冷却；最后对W-Ti合金进行 机加工，使之成为靶材成品。同样，在实施例2与实施例3中得到的烧结试样，组织均勻，不存在明显的空隙，且 存在部分固溶，只是由于三个实施例中的W粉与！！吐粉的配比不同，故得到的合金组织烧 结后的形貌图及XRD分析图谱略有差别。下表为上述三个实施例制备出的WTi合金的致密度
权利要求
一种W Ti合金靶材的制备方法，其特征在于，该方法包括以下操作步骤步骤1，粉末的制备按照W Ti合金的化学成分质量百分比为WTi=70 % 90 %10 % 30 %的比例分别称取纯度高于99.9%的W粉和纯度高于96.7%的TiH2粉；再将TiH2粉装入球磨罐中，添加无水乙醇作为过程控制剂，将球磨罐内的空气排除，然后密封球磨罐进行球磨；选用WC球作为研磨球，球料比为30:1～40:1，球磨时间为36～48 h，球磨罐转速为200r/min；步骤2，混粉将球磨好的TiH2粉末与W粉进行混合，混粉时间为4 10h；步骤3，压坯将混合好的粉末装入冷等静压模具中，采用冷等静压机压制坯料，压力为250 280 MPa，保压时间为3 6 min；步骤4，烧结 将压坯置于高温真空烧结炉中，先对炉内抽真空，保证炉体内的真空度小于10 3帕；然后对炉内进行加热，控制加热速度为10℃/min，当炉内温度达到500 600℃时，保温30min；再以10℃/min的加热速度继续升温，最终烧结温度为1200 1300℃，保温80 120min后，随炉自然冷却到室温；步骤5，固溶退火 再将烧结后的合金进行固溶退火，退火温度为900 1100℃，保温12 24h，随后淬火冷却； 步骤6，机加工最后对W Ti合金进行机加工，使之成为W Ti靶材成品。
2.根据权利要求1所述的一种W-Ti合金靶材的制备方法，其特征在于步骤1中添加 的无水乙醇浓度为99. 7%，其质量为TiH2粉质量的1. 5%。
3.根据权利要求1所述的一种W-Ti合金靶材的制备方法，其特征在于步骤1中球磨 前TiH2粉的粒径为10-30 μ m ；步骤1和步骤2中W粉的粒径为1_30 μ m。
4.根据权利要求1所述的一种W-Ti合金靶材的制备方法，其特征在于所述步骤1的 球磨过程中，球磨罐外壁始终采用循环水冷却。
5.根据权利要求1所述制造WTi预合金粉末的方法，其特征在于所述步骤1中通过 向球磨罐中通入保护气体氩气将罐内空气排除。
6.根据权利要求1所述制造WTi预合金粉末的方法，其特征在于控制W-Ti合金杂质 C、N和0的含量不高于1000 ppmo
全文摘要
本发明公开了一种W-Ti合金靶材的制造方法，该方法以纯度高于99.9%的W粉和纯度高于96.7%的TiH2粉为原料，经过对TiH2粉末的高能球磨，随后与W粉进行混粉；然后在压力为250~280MPa，保压时间为3~6min的条件下进行压坯，再对压胚进行真空无压烧结，然后将烧结后的合金进行固溶退火，随后淬火冷却；最后将W-Ti合金机加工成靶材成品即可。本发明与现有技术相比，工艺方法上烧结温度低，烧结过程中不附加任何压力，且所制备的合金靶材合金组织均匀、致密度高、可控尺寸大。
文档编号C23C14/14GK101928850SQ20101015914
公开日2010年12月29日 申请日期2010年4月29日 优先权日2010年4月29日
发明者梁淑华, 王庆相, 王献辉, 邹军涛, 陈鑫 申请人:西安理工大学