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(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，市場規(guī)模不斷擴(kuò)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(jìn)行鉻靶批量生產(chǎn)時，通常要求其純度能夠達(dá)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(chǎn)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(xué)成分為Cr，其雜質(zhì)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(jié)、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(jié)法和熱壓法。
1.2.1成型及燒結(jié)試驗
傳統(tǒng)的燒結(jié)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(jié)時間，或者在燒結(jié)之后進(jìn)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(jī)將鉻粉軋制成型或者包套，并進(jìn)行等靜壓成型。模壓壓坯的標(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行低溫?zé)Y(jié)；如果進(jìn)行高溫?zé)Y(jié)，則需要在惰性氣體環(huán)境中進(jìn)行，一般選擇氬氣，燒結(jié)溫度為1300℃和1450℃兩種，燒結(jié)時間均為7h。在燒結(jié)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(jìn)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(jìn)行1h左右的保溫，最后冷卻至600℃出爐。靶坯的標(biāo)準(zhǔn)尺寸為φ60mm x φ30mm。完成之后對靶坯的尺寸變化情況進(jìn)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(jìn)行制備。
2、試驗結(jié)果分析
2.1 靶坯壓制過程
在進(jìn)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(dǎo)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(dǎo)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(jìn)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(jié)以及機(jī)壓+燒結(jié)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(jù)。
從表1中的數(shù)據(jù)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(dá)到98％以上，但是這三種加工方法的成本相對較高，不適合應(yīng)用到大規(guī)模生產(chǎn)中。在一般的鉻靶材批量生產(chǎn)中，通常要求純度達(dá)到80％～85％。針對這種要求，我們可以選擇“冷等靜壓+燒結(jié)”以及“機(jī)壓+燒結(jié)”的方法對鉻靶材進(jìn)行加工，這樣既能滿足批量生產(chǎn)的密度要求，又能很好地控制制造成本。
2.3 燒結(jié)過程的控制
鉻粉燒結(jié)屬于單元系燒結(jié)，其燒結(jié)機(jī)制以擴(kuò)散為主[引。當(dāng)溫度在400℃以下時，應(yīng)力恢復(fù)，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?fàn)t內(nèi)的真空度下降。當(dāng)溫度升高至400～800℃之間時，進(jìn)行1h的保溫，然后爐內(nèi)開始出現(xiàn)再結(jié)晶，顆粒的內(nèi)變形會逐漸恢復(fù)，從而形成新的結(jié)晶體，顆粒界面會隨著擴(kuò)散逐漸發(fā)生黏結(jié)，
靶坯的強(qiáng)度逐漸增加。當(dāng)真空度上升到10～2后，向爐內(nèi)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(jìn)行控制，保持2h左右的時間，以保證粉末顆粒黏結(jié)的充分進(jìn)行，提高靶坯的密度和強(qiáng)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(jìn)行0.5—1.5h的保溫。將靶坯的燒結(jié)時間降低到7h，不會影響靶坯的燒結(jié)密度，還能降低大約30％的成本。在燒結(jié)的過程中需要對加熱速度進(jìn)行控制，避免因過快的加熱速度導(dǎo)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(jié)密度。另外，過快的加熱速度還可能導(dǎo)致壓制過程中的高內(nèi)應(yīng)力，使鉻靶材出現(xiàn)裂紋。
因此，在高溫?zé)Y(jié)階段，對升溫速度和最高溫度的控制尤為重要。
2.4 保護(hù)氣體對鉻靶材燒結(jié)密度的影響
在進(jìn)行鉻靶材的燒結(jié)時，在通常情況下，需要將燒結(jié)溫度提高到1250～1450℃之間時，才能形成純鉻粉靶環(huán)的燒結(jié)。此時，其他因素對靶材燒結(jié)的影響較低。經(jīng)過實踐發(fā)現(xiàn)，當(dāng)燒結(jié)溫度在1250~1 450℃之間時，如果沒有惰性氣體進(jìn)行燒結(jié)保護(hù)，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(jìn)行高溫?zé)Y(jié)時，必須向爐內(nèi)加入惰性氣體進(jìn)行保護(hù)，適當(dāng)控制爐內(nèi)壓力。同時，真空度對靶坯的燒結(jié)密度會產(chǎn)生一定程度的影響。
3、結(jié)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(jìn)行批量鉻靶材生產(chǎn)時，要求靶材純度達(dá)到80％～85％，此時可以采用“模壓+燒結(jié)”或者“冷等靜壓+燒結(jié)”的方式進(jìn)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(jìn)行加工。
2)在進(jìn)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(jié)的時間、溫度的變化進(jìn)行合理的控制，能夠在保證燒結(jié)密度的情況下，大幅度降低燒結(jié)成本。
參考文獻(xiàn)
[1]羅俊峰．粉末冶金靶材的制備與應(yīng)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(qiáng)．國內(nèi)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．
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