隨著微電子技術(shù)、光學(xué)和光電子技術(shù)等高科技產(chǎn)業(yè)的快速發(fā)展，特別是表面技術(shù)和薄膜材料的發(fā)展，薄膜科學(xué)應(yīng)用日益廣泛。靶材作為濺射沉積薄膜的關(guān)鍵材料，對金屬薄膜的性能起著至關(guān)重要的作用。晶粒尺寸、取向控制和均勻性是高純?yōu)R射靶材制備技術(shù)開發(fā)最主要的3個方面。近年來，對鎢靶、鉬靶和鈮靶的制備工藝研究較多［1-3］，而有關(guān)純鈦靶材制備工藝的研究卻鮮有報道。
目前，制備純金屬靶材的方法有熔煉法和粉末冶金法。采用真空熔煉方法制造的靶材可確保塊材內(nèi)部無氣孔存在。而粉末冶金方法制造的靶材，則極有可能含有一定數(shù)量的氣孔，氣孔的存在，會導(dǎo)致濺射時不正常放電，而產(chǎn)生雜質(zhì)粒子。另外含有氣孔的靶材因其密度較低，在搬運、安裝和操作時，也極易發(fā)生碎裂［4-5］。對于純鈦板來說，目前工業(yè)化常用的板坯通常采用真空自耗電弧爐熔煉+鍛造法和電子束熔煉法制得。本文主要從制坯方式和熱處理溫度著手，探索適合靶材用鈦板的最佳制備工藝，以期為工業(yè)生產(chǎn)提供可靠的理論指導(dǎo)和依據(jù)。
1、試驗材料與方法
本試驗選用板坯的名義成分均為工業(yè)純鈦(TA1)，一種為真空自耗電弧爐熔煉+鍛造坯，簡稱(VAＲ+F)坯;一種為電子束熔煉坯，簡稱EB坯，兩種板坯厚200mm。將兩板坯分別經(jīng)2800mm四輥可逆軋機一火軋制成13mm厚板材，經(jīng)退火和表面處理后制成成品板材。將板坯的長度進行5等分，依次在這5處取樣，分析板坯不同部位的成分，同時對扒皮后的光亮板坯進行維氏硬度測試，加載載荷砝碼5kg。比較不同制坯方式下所得板坯及成品板材的組織及性能，以期獲得適合靶材用純鈦板材的制坯方式。
用箱式電阻爐將制得的13mm厚熱軋板材加熱到650～800℃，保溫30min，空冷，研究熱處理溫度對板材組織及性能的影響，探索適合靶材用鈦板晶粒尺寸及硬度匹配的最佳熱處理溫度。
2、試驗結(jié)果與討論
2.1制坯方式對鈦靶材組織與性能的影響
表1給出了真空自耗電弧爐熔煉+鍛造法和電子束法制得板坯的化學(xué)成分。從表1可以看出，其平均氧含量分別為0.06%和0.07%，能夠滿足靶材用鈦板氧含量不大于0.18%的技術(shù)要求。但(VAＲ+F)板坯氧含量的最大偏差僅為0.02%，遠遠小于EB板坯最大氧含量偏差0.06%。同樣，其他元素如Fe、C、N和H的含量均能滿足技術(shù)要求，但是EB板坯的成分偏差要略大于(VAＲ+F)板坯。一般來說，電子束熔煉因采用水冷銅坩堝，因此和爐材的反應(yīng)和污染少;而且由于電子束易控制，熔煉速度和能量可任意選擇，因此提純效果較好［6-7］。但是電子束熔煉也存在一些缺點，如除Fe、Ni和O效果不佳，故如果配料的原料成分不均勻，也會導(dǎo)致板坯的成分存在偏差;而且重金屬也必須在電子束熔煉前用融鹽電解法或碘化法除去。
表2是(VAＲ+F)坯和EB坯制得的TA1板坯的維氏硬度測試值。從板坯硬度的均勻性來看，(VAＲ+F)坯的最大硬度為192MPa，最小值為151MPa，其偏差為41MPa;而EB坯的最大硬度為223MPa，最小值為107MPa，其偏差為116MPa。EB坯的硬度偏差明顯大于(VAＲ+F)坯，這與成分偏差的規(guī)律相吻合。
由表2還可看出，(VAＲ+F)坯的平均硬度為164MPa，略高于EB坯的平均硬度155MPa。這可能是因為在氧含量接近的情況下，EB坯為鑄態(tài)組織，而(VAＲ+F)坯是鍛造組織，鍛坯因在高溫鍛造過程中發(fā)生了動態(tài)再結(jié)晶，不僅使錠坯中的微氣孔進行焊合，而且大大細化了晶粒，導(dǎo)致其組織較鑄態(tài)會有所細化，故在一定程度上提高了(VAＲ+F)坯的硬度。同時細化晶粒也為板坯軋制后獲得細小晶粒提供了基礎(chǔ)，充分保證了晶粒尺寸分布的均勻性。
圖1是兩種坯料經(jīng)軋制和退火后的成品板組織。
圖1(a)為(VAＲ+F)坯成品板退火后組織，可見其組織均勻，平均晶粒尺寸約為62.5μm。從圖1(b)可見，EB坯成品板組織晶粒大小不一，其最大晶粒尺寸約130μm，最小晶粒尺寸約為33μm。
綜合來看，(VAＲ+F)坯的成分及成品組織均勻性要明顯優(yōu)于EB坯。對于靶材來說，成分及組織均勻是鍍膜質(zhì)量穩(wěn)定的重要參數(shù)，故下文中的靶材用TA1板坯以(VAＲ+F)坯為研究對象。
2.2退火溫度對鈦靶材組織與性能的影響
表3是經(jīng)不同溫度退火后的鈦板室溫力學(xué)性能。
可見，隨退火溫度由650℃升高至800℃，抗拉強度及規(guī)定非比例延伸強度逐漸降低，伸長率逐漸升高。較之于熱軋態(tài)，當(dāng)650℃退火時，抗拉強度和規(guī)定非比例延伸強度分別降低了約72MPa和128MPa，伸長率提高了15%;當(dāng)繼續(xù)升溫至800℃時，抗拉強度和規(guī)定非比例延伸強度分別降低了113MPa和168MPa，伸長率提高了34.5%。在650～800℃之間退火后，鈦板的抗拉強度，規(guī)定非比例延伸強度和伸長率均能滿足技術(shù)要求中對室溫力學(xué)性能的要求。考慮到靶材對鈦板硬度的要求，當(dāng)退火溫度在650℃時，維氏硬度值約為104MPa，雖然其較熱軋態(tài)降低了33%，但仍不能滿足靶材中維氏硬度不大于100MPa的要求。當(dāng)在700～800℃退火時，維氏硬度值均降至100MPa以下。
圖2是熱軋態(tài)和不同溫度退火態(tài)鈦板的橫向組織。由圖2(a)可以看到，熱軋態(tài)是完全雜亂的加工態(tài)組織。經(jīng)650℃退火后，其平均晶粒尺寸為31.8μm，隨退火溫度繼續(xù)升高至700、750和800℃，其平均晶粒尺寸分別增加至44.9、63.5和151μm。據(jù)日本Energy公司研究，若將鈦靶的晶粒尺寸控制在100μm以下，且晶粒大小的變化保持在20μm以內(nèi)，其濺射所得薄膜的質(zhì)量可得到大幅度改善［8］。
隨著退火溫度的繼續(xù)增加，個別晶粒發(fā)生了吞并和長大，在圖2(d，e)中可以明顯看到異常長大的晶粒，導(dǎo)致板材內(nèi)部組織的不均勻。而且圖2(f)中的晶粒度評級為2.5級，不能滿足靶材對板材組織晶粒度≥5級的要求。一般來說，同一成分的靶材，細小尺寸晶粒靶材的濺射速率要比粗晶快，濺射鍍膜的厚度分布越均勻;而晶粒尺寸相差較小的靶材，淀積薄膜的厚度分布也較均勻［9］。故成品板選擇700℃，保溫30min，空冷退火后可以實現(xiàn)鈦靶材組織和性能的最佳匹配。
3、結(jié)論
1)真空自耗電弧爐熔煉+鍛造法制得的板坯成分及組織均勻性要優(yōu)于電子束熔煉制得的板坯，且硬度較高，靶材用鈦板坯選用真空自耗電弧爐熔煉+鍛造法制得。
2)真空自耗電弧爐熔煉+鍛造法制得的板坯，經(jīng)650～800℃退火處理后，強度及伸長率均滿足要求，但650℃退火時，硬度較大。綜合分析經(jīng)軋制及700℃保溫30min空冷退火后，可以實現(xiàn)靶材用鈦板組織和性能的最佳匹配。
參考文獻:
［1］郭讓民.高純鎢濺射靶材制取工藝研究［J］.稀有金屬材料與工程，1998，27(S1):70-72.
［2］李晶，王錦，安耿，等.不同鍛造變形量對管狀濺射靶材晶粒組織的影響［J］.中國鉬業(yè)，2012，36(4):48-51.
［3］李兆博，張春恒，李桂鵬，等.濺射鍍膜用鈮靶材晶粒尺寸控制工藝研究［J］.材料開發(fā)與應(yīng)用，2010，25(6):33-35.
［4］楊邦朝，胡永達，崔紅玲.濺射靶材的應(yīng)用和發(fā)展趨勢［J］.真空，2002(2):1-4.
［5］劉志堅，陳遠星，黃偉嘉，等.濺射靶材的應(yīng)用及制備初探［J］.南方金屬，2003(135):23-24.
［6］馬立蒲，劉為超.電子束熔煉技術(shù)及其應(yīng)用［J］.有色金屬加工，2008，37(6):28-31.
［7］張英明，周廉，孫軍，等.鈦合金冷床熔煉技術(shù)進展［J］.鈦工業(yè)進展，2007，24(4):1-3.
［8］禹澤海，孫鵬，汪春平，等.高純銅濺射靶材的發(fā)展及現(xiàn)狀［J］.山西冶金，2007(5):4-6.
［9］尚再艷，江軒，李勇軍，等.集成電路制造用濺射靶材［J］.稀有金屬，2005，29(4):475-477.
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