高純?yōu)R射鉻靶材是近年來新研制和開發(fā)的一種靶材，先后在集成電路、液晶顯示屏、真空鍍膜及電子控制器件等多個領域得到了廣泛的應用，市場規(guī)模不斷擴大。鉻靶材可以采用多種方法制備，而針對市場的大量需求，在進行鉻靶批量生產時，通常要求其純度能夠達到85％左右，因此，需要在選擇合理制備工藝的同時，有效控制高純?yōu)R射鉻靶材的生產成本。

1、試驗原材料及試驗方法

1.1 試驗原材料的選擇

在試驗過程中，我們選擇電解鉻粉作為試驗原材料，其主要化學成分為Cr，其雜質元素含量為：

_w(A1)=0.01%，_w(Fe)-=0.02%，_w(Pb)=0.01%，_w(Si)=0.0015％，_w(Cu)=0.002％，_w(C)=0.004％，_w(S)=0.001％，_w(O)=0.3％。

1.2 試驗方法及試驗制備

常用的粉末冶金工藝包括傳統(tǒng)燒結、熱壓、真空熱壓和熱等靜壓等多種方法[1]。本試驗選擇傳統(tǒng)燒結法和熱壓法。

1.2.1成型及燒結試驗

傳統(tǒng)的燒結方法能夠用于大尺寸靶材的制備，但是致密度通常不高，在采用該方法制備靶材時，為了提高靶材的密度，通常需要增加燒結時間，或者在燒結之后進行軋制處理。這里首先將電解鉻粉與成型劑按一定比例放置于軋制模具中，然后利用300t的液壓機將鉻粉軋制成型或者包套，并進行等靜壓成型。模壓壓坯的標準尺寸為φ65mm x φ45mm x 46mm。將壓制成型的壓塊放人真空碳管爐中，在真

空條件下對其進行低溫燒結；如果進行高溫燒結，則需要在惰性氣體環(huán)境中進行，一般選擇氬氣，燒結溫度為1300℃和1450℃兩種，燒結時間均為7h。在燒結完成后，對比靶坯的尺寸、密度變化情況。

1.2.2熱壓試驗

熱壓法具有工藝簡單、致密度高的特點。在采用熱壓試驗進行靶材制備時，首先將混合后的鉻合金粉末放置到熱壓模具中，然后在惰性氣體(氬氣)環(huán)境下將其加熱到1300℃左右，之后進行1h左右的保溫，最后冷卻至600℃出爐。靶坯的標準尺寸為φ60mm x φ30mm。完成之后對靶坯的尺寸變化情況進行分析，并計算出靶坯的密度。熱壓法一般為單向加壓，因此，采用該方法制備的鉻靶材通常整體致密度不均勻，可見該方法只能適用于小尺寸靶材的制備。為了保證靶材的純度，通常在制備過程中不需要添加其他成型劑，而直接利用高純度的金屬粉末進行制備。

2、試驗結果分析

2.1 靶坯壓制過程

在進行靶坯軋制的過程中，由于各種摩擦因素的影響，壓力損失，導致靶坯各部分受壓不均勻，從而影響到靶材成型后的密度分布[引。通過采用雙向壓制的方法，能夠有效避免因壓力損失導致的靶材密度分布不均勻的問題。

2.2 加工方法對鉻靶材密度的影響

在進行鉻靶材制備的過程中，加工方法會直接影響到靶材的密度。目前，常用的鉻靶材加工方法主要包括熱等靜壓、真空熔煉、熱壓、冷等靜壓+燒結以及機壓+燒結的方法。表1給出了在不同加工方法下鉻靶材的密度數(shù)據。

從表1中的數(shù)據可以看出，采用不同的加工方法，所制備的鉻靶材的密度差距比較明顯，其中采用熱等靜壓、真空熔煉以及熱壓三種方法，基本能夠保證鉻靶材的純度達到98％以上，但是這三種加工方法的成本相對較高，不適合應用到大規(guī)模生產中。在一般的鉻靶材批量生產中，通常要求純度達到80％～85％。針對這種要求，我們可以選擇“冷等靜壓+燒結”以及“機壓+燒結”的方法對鉻靶材進行加工，這樣既能滿足批量生產的密度要求，又能很好地控制制造成本。

2.3 燒結過程的控制

鉻粉燒結屬于單元系燒結，其燒結機制以擴散為主[引。當溫度在400℃以下時，應力恢復，吸附的水氣和水分會揮發(fā)，壓塊的尺寸基本不會發(fā)生變化，而隨著溫度的不斷升高，靶坯中的成型劑逐漸分解并釋放出來，使爐內的真空度下降。當溫度升高至400～800℃之間時，進行1h的保溫，然后爐內開始出現(xiàn)再結晶，顆粒的內變形會逐漸恢復，從而形成新的結晶體，顆粒界面會隨著擴散逐漸發(fā)生黏結，

靶坯的強度逐漸增加。當真空度上升到10～2后，向爐內注入氬氣，避免鉻被氧化，然后繼續(xù)升溫至1100～1 200℃，并對溫度上升的速度進行控制，保持2h左右的時間，以保證粉末顆粒黏結的充分進行，提高靶坯的密度和強度。之后繼續(xù)加溫并控制升溫速度，使溫度在2h左右上升至1300～1450℃，之后進行0.5—1.5h的保溫。將靶坯的燒結時間降低到7h，不會影響靶坯的燒結密度，還能降低大約30％的成本。在燒結的過程中需要對加熱速度進行控制，避免因過快的加熱速度導致吸附氣體不能被徹底排除而影響到鉻環(huán)的收縮不均勻，造成變形，影響到鉻靶材的燒結密度。另外，過快的加熱速度還可能導致壓制過程中的高內應力，使鉻靶材出現(xiàn)裂紋。

因此，在高溫燒結階段，對升溫速度和最高溫度的控制尤為重要。

2.4 保護氣體對鉻靶材燒結密度的影響

在進行鉻靶材的燒結時，在通常情況下，需要將燒結溫度提高到1250～1450℃之間時，才能形成純鉻粉靶環(huán)的燒結。此時，其他因素對靶材燒結的影響較低。經過實踐發(fā)現(xiàn)，當燒結溫度在1250~1 450℃之間時，如果沒有惰性氣體進行燒結保護，就可能會發(fā)生一定的氧化現(xiàn)象，而且鉻的蒸發(fā)量也較大。為了避免這種情況，在進行高溫燒結時，必須向爐內加入惰性氣體進行保護，適當控制爐內壓力。同時，真空度對靶坯的燒結密度會產生一定程度的影響。

3、結論

1)不同的加工方式所制備的靶材密度存在較大差異，通常情況下，在進行批量鉻靶材生產時，要求靶材純度達到80％～85％，此時可以采用“模壓+燒結”或者“冷等靜壓+燒結”的方式進行加工；而鉻合金靶材的純度要求一般需要在98％以上，此時可以選擇真空熔煉、熱壓及熱等靜壓的方式進行加工。

2)在進行靶坯的壓制過程中，只需要采用雙向壓制方法，不需要向鉻粉中添加任何成型劑，即能很好保證靶坯的密度。

3)通過對燒結的時間、溫度的變化進行合理的控制，能夠在保證燒結密度的情況下，大幅度降低燒結成本。

參考文獻

[1]羅俊峰．粉末冶金靶材的制備與應用[J]．中國金屬通報，2011(31)：40—41．

[2]張冷，張維佳，宋登元，等．銅銦鎵硒薄膜的真空制備工藝及靶材研究現(xiàn)狀[J]助能材料，2013，44(14)：1 990—1 994．

[3]儲志強．國內外磁控濺射靶材的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J]．金屬材料與冶金工程，2011(4)：44-49．

相關鏈接