一种10B富集的ZrB2溅射靶材的制备方法及应用与流程

本发明属于溅射靶材制备及应用领域，具体涉及一种10B富集的ZrB2溅射靶材的制备方法及应用。
背景技术：
：ZrB2材料由于具有高熔点、高硬度、良好的导电性、耐高温氧化等特点在高温结构陶瓷上有广泛的应用，其薄膜在航空航天、太阳能、核能等领域也有突出的应用，当ZrB2中的B以10B富集的形式存在时，具有优异的中子吸收性能，使得ZrB2薄膜在核反应堆中得到应用。ZrB2的薄膜一般都利用直流磁控溅射来制备的，直流磁控溅射是将ZrB2靶材作为阴极、基体作为阳极，通过离子束轰击靶材表面，使得靶材表面以原子团、簇的形式沉积到基体的表面，形成ZrB2薄膜。ZrB2靶材的制备主要包括原料制备和靶材烧结成型，原料制备的方法有多种，包括直接合成法、碳热还原法、金属热还原法、高温自蔓延合成法、电化学合成法、溶胶-凝胶法(Sol-Gel)、PVD、CVD等。在各种ZrB2粉体的制备方法中，碳热还原法和高温自蔓延合成法是最常用的两种方法，也是操作简单易行的两种方法。但高温自蔓延法采用单质Zr和B为原料，原料成本高，特别是10B富集的B粉原料难以获得，且制备的ZrB2粉体纯度低，在要求ZrB2高纯化的应用领域制约了应用。靶材烧结成型方法主要有无压烧结、热压烧结和热等静压烧结等，无压烧结需要添加烧结助剂，易在最终产品中引入杂质，降低了靶材的化学纯度；热等静压烧结由于设备昂贵，操作成本高；而热压烧结工艺灵活，操作简单而易于实现。技术实现要素：本发明针对现有ZrB2靶材制备技术的不足，提供了一种10B富集的ZrB2靶材的制备方法及应用，其特征在于，该方法包括以下步骤：(1)制备10B富集的ZrB2粉体；(2)将10B富集的ZrB2粉体装入高强石墨模具中；(3)在惰性气氛保护下高温热压烧结；(4)热压烧结的ZrB2陶瓷坯体进行加工后处理，得到10B富集的ZrB2溅射靶材。所述步骤(1)采用碳热还原反应制备10B富集的ZrB2粉体，利用纯度均大于99.9％的ZrO2、10B富集的H3BO3、C及B为合成原料，且ZrO2：H3BO3：C：B的质量比为100:(100～180):40～70:(0～5)，其中，10B富集的H3BO3中10B的富集度为40～99％；将原料脱水、球磨后，于真空碳管炉中碳热还原反应得到10B富集的ZrB2粉体，其中，反应真空度小于10-1Pa，反应温度为1500～2000℃，反应时间为1～6h。步骤(2)中所述高强石墨模具的抗压强度大于80MPa，优选大于120MPa，抗折强度大于20MPa，优选大于40MPa。步骤(2)中将粉体装入石墨模具后，预压后测定料层高度，计算靶材热压烧结到设计密度值时压头所需的行程。步骤(3)中所述惰性气氛是高纯氩气，纯度>99.999％。步骤(3)中所述高温热压烧结的温度为1800～2100℃；加热方式为中频感应加热，加热功率大于350KW。步骤(3)中所述高温热压烧结的压力为30～100MPa，优选为50～70MPa，通过双向加压的方式实现，当上下压头总行程达到计算值时热压烧结结束。步骤(4)中所述加工后处理是利用树脂基金刚石砂轮进行平面磨削，电火花进行切割，超声洗涤脱除磨削污染，真空干燥进行烘干。一种10B富集的ZrB2溅射靶材用于直流磁控溅射制备10B富集的ZrB2薄膜。10B富集的ZrB2靶材的制备原理为：通过结合利用硼热和碳热还原反应工艺制备10B富集的ZrB2粉体原料，该原料粉体具有良好的致密化性能，通过高温热压实现靶材的深度致密化，通过切割、洗涤、烘干得到靶材。本发明的优点有：(1)采用硼热和碳热还原反应工艺的结合制备10B富集的ZrB2粉体，克服了单一碳热还原法制备的粉体烧结性能差的缺点，且粉体制备工艺过程简单，与自蔓延法相比具有明显的高纯度、低成本优势；(2)采用真空热压烧结进行靶材压制成型，不需要添加烧结助剂即可得到相对密度大于90％的高密度10B富集的ZrB2靶材，该靶材的导电性好，电阻率小于0.01Ω·cm，适于直流磁控溅射镀膜。附图说明图1为10B富集的ZrB2靶材制备流程；图2为10B富集的ZrB2薄膜的断面形貌。具体实施方式本发明提供了一种10B富集的ZrB2溅射靶材的制备方法及应用，下面结合实施例对本发明作进一步说明，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。实施例1按照图1所示的工艺流程，取ZrO2粉体230g、10B富集的H3BO3粉体250g、C粉100g，B粉6.5g，混合均匀后，在碳管炉中高温反应合成，合成温度为1700℃，反应时间为2小时；将制备的粉体210g装入直径为80mm的高强石墨模具中，石墨模具的抗压强度110MPa，预压后测得料层高度35mm，按照95％的密度计算，压头行程约为28mm，将模具装入热压烧结炉中，抽真空，当真空度达到10-2Pa后开始升温，当温度达到1000℃时，关闭真空系统，打开充气阀，充入高纯氩气直至炉内压力升到与外界压力平衡，关闭充气阀，当温度达到1800℃时开始双向加压，按照3吨/5min的速度施加压力，直到压力达到30吨、温度达到1900℃时开始保温保压，当上下压头行程总和达到28mm后开始卸载压力，冷却后取出靶材，采用金刚石砂轮平面磨削后测得制备的靶材相对密度为92％。实施例2按照图1所示的工艺流程，取ZrO2粉体230g、10B富集的H3BO3粉体250g、C粉100g，B粉5g，混合均匀后，在碳管炉中高温反应合成，合成温度为1800℃，反应时间为2小时；将制备的粉体210g装入直径为80mm的高强石墨模具中，石墨模具的抗压强度120MPa，预压后测得料层高度37mm，按照95％的密度计算，压头行程约为30mm，将模具装入热压烧结炉中，抽真空，当真空度达到10-2Pa后开始升温，当温度达到1000℃时，关闭真空系统，打开充气阀，充入高纯氩气直至炉内压力升到与外界压力平衡，关闭充气阀，当温度达到1800℃时开始双向加压，按照3吨/5min的速度施加压力，直到压力达到35吨、温度达到1900℃时开始保温保压，当上下压头行程总和达到30mm后开始卸载压力，冷却后取出靶材，采用金刚石砂轮平面磨削后测得制备的靶材相对密度为94％。实施例3取ZrO2粉体1500g、H3BO3粉体2000g、C粉1000g，B粉60g，混合均匀后，在碳管炉中高温反应合成，合成温度为1900℃，反应时间为4小时；将制备的粉体1100g装入尺寸为193(长)×75(宽)mm的长方形高强石墨模具中，石墨模具的抗压强度120MPa，预压后测得料层高度46mm，按照95％的密度计算，压头行程约为33mm，将模具装入热压烧结炉中，抽真空，当真空度达到10-2Pa后开始升温，当温度达到1000℃时，关闭真空系统，打开充气阀，充入高纯氩气直至炉内压力升到与外界压力平衡，关闭充气阀，当温度达到1800℃时开始双向加压，按照3吨/5min的速度施加压力，直到压力达到100吨、温度达到1900℃时开始保温保压，当上下压头行程总和达到33mm后开始卸载压力，冷却后取出靶材，采用金刚石砂轮平面磨削后测得制备的靶材相对密度为95％。实施例4采用电火花切割，将实施例2制备的靶材切割成直径为60mm的靶材，将切割剩余料取样进行ICP-MS分析，结果如表1所示。采用直流磁控溅射镀膜机进行镀膜验证实验，镀膜机典型工艺参数如下：背底真空：5×10-3Pa工作气压：0.3Pa靶基距：55mm溅射功率：170W基片：单晶硅，直径采用以上工艺参数，在单晶硅衬底上沉积10B富集的ZrB2薄膜，连续溅射3hr后，采用扫描电镜进行薄膜的断面分析，如图2所示，可见薄膜沉积均匀，厚度约9μm。通过研究发现，本发明提供的ZrB2粉体制备新工艺以及采用该粉体制备的溅射靶材方法中，ZrO2、H3BO3、C及B的比例，合成温度，保温时间，成型压力，保压时间等对得到的ZrB2粉体物相及靶材密度等均有一定的影响。在优选工艺条件下，得到的ZrB2粉体及靶材质量较好。申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺流程才能实施。所属
技术领域：
的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、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。表110B富集的ZrB2溅射靶材的纯度分析杂质元素含量ppm杂质元素含量ppm杂质元素含量ppmMg3Al45Si46Ca70V<10Cr10Mn<5Fe76Ni<5Co<5Cu<3Zn<5As<1Mo20Cd<3Sn<1Sb<10Pb<5当前第1页1 2 3