CN102366833A

CN102366833A - 钨钛靶材坯料的制作方法

Info

Publication number: CN102366833A
Application number: CN2011103723371A
Authority: CN
Inventors: 姚力军; 相原俊夫; 大岩一彦; 潘杰; 王学泽; 宋佳
Original assignee: Ningbo Jiangfeng Electronic Material Co Ltd
Current assignee: Ningbo Jiangfeng Electronic Material Co Ltd
Priority date: 2011-11-21
Filing date: 2011-11-21
Publication date: 2012-03-07
Anticipated expiration: 2031-11-21
Also published as: CN102366833B

Abstract

一种钨钛靶材坯料的制作方法，包括：首先提供钨钛粉末；接着将钨钛粉末放置入真空包套，抽真空；然后采用热等静压工艺进行烧结成型；完成烧结成型后，进行冷却并拆除真空包套取出钨钛靶材坯料。采用本发明提供的钨钛靶材坯料的制作方法，避免使用模具，同时，形成的钨钛靶材坯料的致密度、内部组织结构的均匀性优于采用热压形成的钨钛靶材坯料的致密度、内部组织结构的均匀性。

Description

钨钛靶材坯料的制作方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种钨钛靶材坯料的制作方法。

背景技术

真空溅镀是稀薄气体在异常辉光放电条件下产生的等离子体在电场作用下，对靶材表面进行轰击，将靶材表面的分子、原子、离子以及电子等溅射出来，被溅射的粒子带有一定的动能，沿一定方向射向基体表面形成镀层。

在真空溅镀过程中经常会使用到钨钛靶材坯料。早期的钨钛靶材坯料是通过熔铸法获得的，然而，由于钨的熔点与钛的熔点相差很大，分别为3400℃、1660℃，且两者比重也相差很大，分别为19.35克/每立方厘米、4.5克/每立方厘米，因此，在进行熔铸时，温度难以控制，且钨钛在熔化后，会形成固溶体，容易发生偏析现象，导致形成的钨钛靶材成分不均匀。为了克服这个问题，行业内出现了采用粉末冶金的方法实现加工钨钛靶材坯料，该粉末冶金工艺是通过制取金属粉末(添加或不添加非金属粉末)，实施成形和烧结，制成材料或制品的加工方法。粉末冶金由于其具有独特的机械、物理性能，而这些性能可以实现传统的熔铸方法无法制成的多孔、半致密或全致密的材料和制品。

在具体的粉末冶金过程中，一般通过将准备好的粉末装在特质模具中，然后置于真空热压炉中，先用一定压力将粉末压实，然后抽真空到设定值，接着边升温边加压，直至压力和温度均达到设定值，保温保压一段时间后随炉冷却，出炉。上述过程也称热压(Hot Pressing，HP)。该热压的原理为：高温下粉末的晶格与晶界会进行扩散以及一定程度的塑性流动。

然而，在实现热压过程中，需要根据钨钛靶材坯料的尺寸设计相配套的模具，此模具比较昂贵且较易损耗，此外，采用该法加工的钨钛靶材坯料的内部组织结构的均匀性无法满足要求越来越高的溅射工艺。

有鉴于此，实有必要提出一种新的钨钛靶材坯料的制作方法，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明解决的问题是提出一种新的钨钛靶材坯料的制作方法，以解决现有的实现热压过程中，由于需要根据钨钛靶材坯料的尺寸设计相配套的模具，而该模具比较昂贵且较易损耗，以及采用该法加工的钨钛靶材坯料的内部组织结构的均匀性无法满足要求越来越高的溅射工艺的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种钨钛靶材坯料的制作方法，包括：

提供钨钛粉末；

将钨钛粉末放置入真空包套并抽真空；

采用热等静压工艺进行烧结成型；

完成烧结成型后，进行冷却并拆除真空包套取出钨钛靶材坯料。

可选地，将钨钛粉末放置入真空包套后，还进行封死所述包套，预留所述包套上的脱气管的步骤，所述抽真空步骤是通过所述脱气管完成的。

可选地，所述抽真空步骤中的真空度至少达到2×10^-3Pa。

可选地，所述抽真空步骤中的真空度至少达到2×10^-3Pa后，还进行对所述真空包套加热的步骤。

可选地，所述加热步骤进行至温度达250℃～500℃后，进行保温步骤，所述加热及保温过程中，持续抽真空使真空包套内的真空度至少为2×10^-3Pa，之后进行所述烧结成型步骤。

可选地，所述保温过程持续时间为3-4小时。

可选地，所述热等静压工艺具体参数为：温度800℃～1400℃，环境压强150Mpa～200Mpa，并在此温度压强下保温3小时～6小时，之后冷却4小时～6小时至600℃。

可选地，所述真空包套采用厚度为1.0mm～2.0mm的低碳钢焊接成型。

可选地，所述烧结成型步骤中，所述真空包套的真空度至少为2×10^-3Pa，且处于被封闭状态。

可选地，所述将钨钛粉末放置入真空包套后，对钨钛粉末进行冷压处理，之后进行封死所述包套步骤。

可选地，所述钨钛粉末的纯度至少为99.9％。

可选地，所述钨钛粉末的纯度至少为99.9％，所述钨钛靶材坯料的致密度至少为99％。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：采用真空包套密封钨钛粉末；之后采用热等静压工艺进行烧结成型；完成烧结成型后，进行冷却并拆除真空包套取出钨钛靶材坯料，上述方法形成钨钛靶材坯料过程中，避免了使用模具，同时，形成的钨钛靶材坯料的致密度、内部组织结构的均匀性优于采用热压形成的钨钛靶材坯料的致密度、内部组织结构的均匀性。

附图说明

图1是本发明提供的钨钛靶材坯料的制作方法的流程图。

具体实施方式

如背景技术所述，现有的热压工艺加工的钨钛靶材坯料的内部组织结构的均匀性无法满足要求越来越高的溅射工艺，本发明人分析，这是由于热压是在单轴方向上施加压力(例如竖直方向)，这使得粉末的晶粒在成型成靶材时，各方向受力不均匀。因而，本发明人提出在烧结成型过程中采用热等静压法。具体地，本发明提供的钨钛靶材坯料的制作方法包括：首先采用真空包套密封钨钛粉末；之后采用热等静压工艺进行烧结成型；完成烧结成型后，进行冷却并拆除真空包套取出钨钛靶材坯料，上述方法形成钨钛靶材坯料过程中，避免了使用模具，同时，形成的钨钛靶材坯料的致密度、内部组织结构的均匀性优于采用热压形成的钨钛靶材坯料的致密度、内部组织结构的均匀性。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

图1所示为本发明提供的钨钛靶材坯料的制作方法的流程图，以下结合图1，详细介绍本发明的具体实施方式。

首先，执行步骤S11，提供钨钛粉末。

在具体制作过程中，考虑到之后形成的钨钛靶材坯料的纯度，本步骤中优选提供纯度至少为99.9％钨钛粉末。

接着，执行步骤S12，将钨钛粉末放置入真空包套，抽真空。

本实施例中，真空包套采用厚度为1.0mm～2.0mm的低碳钢焊接成型。需要说明的是，真空包套的材质选择需满足熔点高于加热过程中的温度。另外，一般认为，真空包套的厚度需要够厚，才能保证在抽真空及加热过程中，焊接处不会裂开，而本发明人发现采用低碳钢，结合厚度为1.0mm～2.0mm的包套厚度，即可以实现压力传导效果佳，也不会出现焊接处容易裂开，造成漏气的现象。该真空包套可以通过机械设计，例如CAD，使其形状满足靶材的形状，之后将无缝管材或板材经拼接焊在一起形成。该真空包套一般包括包套本体与盖体，该脱气管设置在该盖体上，具体地，将钨钛粉末放置入真空包套后，使用压机对钨钛粉末进行冷压处理，之后将该盖体焊接在该包套本体上形成完整包套，这个步骤也称封死包套步骤。需要说明的是，封死包套步骤中，该脱气管并不封死，脱气管与抽真空设备连接，还可以对包套内抽真空。焊接的工艺可以通过氩弧焊实现。本步骤的冷压处理可以避免粉末在抽真空过程中被抽出而浪费。

接着开始抽真空，到一定程度，例如真空度达2×10^-3Pa时，开始对包套进行加热。直至加热到一定温度，例如达250℃～500℃后，进行保温步骤，所述加热及保温过程中，持续抽真空，保持真空包套内的真空度至少为2×10^-3Pa。上述边加热边抽真空的目的是，加热使钨钛粉末中的杂质变为气态，被抽真空设备排出包套，提纯了钨钛粉末。钨钛粉末经过上述加热及保温步骤后，基本集结成块状，但此时致密度仍然很差。由于钨、钛的熔点很高，分别达3400℃、1660℃以上，本发明人分析了钨钛粉末中的杂质，优选采用250℃～500℃，基本可以去除大部分的杂质，又不会造成过度耗能。其次，抽真空过程中，真空包套所保持的真空度，如果过小，会造成结块效果差，增加之后热等静压工艺的成本；如果过大，会造成钨钛粉末被抽真空设备抽出，浪费了材料。本发明人发现，当保温时间为3～4小时时，可以实现让整个材料的内部温度都可以均匀的达到设定温度，同时可以确保去除低沸点的杂质的目的。

然后，执行步骤S13，采用热等静压工艺进行烧结成型。

步骤S12中的保温结束后，取出包套，在继续保持其内部真空的状态下进行闭气(即将闭气管封闭，使包套内部形成一个密闭的真空环境)，此时所述真空包套的真空度至少为2×10^-3Pa。之后，将闭气好的包套放置在热等静压(Hot Isostatic Pressing，HIP)炉中进行热等静压步骤。

热等静压是一种在高温下利用各项均等的静压力进行压制的工艺方法。该各项均等的静压力一般是通过惰性气体，例如氩气作为递压介质实现的。本发明人发现，对钨钛粉末采用热等静压方法，能避免铸锭法使材料的晶粒结构发生宏观偏析，从而可以提高成型后的钨钛靶材坯料的工艺性能和机械性能。热等静压法有聚集热压、等静压等诸多优点，然而，要得到采用该法加工出满足标准的靶材的具体工艺参数却并不容易。

上述的参数主要包括：温度、环境压强及保温时间且三者不成比例关系，现有的热等静压工艺中，一般的温度大约在200℃～500℃之间，压强在50～150Mpa即可完成一般金属粉末的结块，然而，对于钨钛粉末，结合真空条件，本发明人发现，该热等静压工艺具体参数采用温度800℃至1400℃，热等静压炉内冲氩气或氮气，保持包套所在的环境压强150Mpa至200Mpa，并在此温度压强下保温3小时～6小时，之后控制冷却速率，使得冷却4小时～6小时热等静压炉内温度至600℃时，该过程中热等静压炉内的压强在150Mpa至200Mpa，所得钨钛靶材坯料的致密度、内部组织结构的均匀性都较现有的钨钛靶材坯料要好且废品率低，易加工性能差，加工时不易掉料，且制造成本较低。

现有的热等静压工艺中一般包套内的真空度需要大于10^-2Pa，而本发明人发现真空度达2×10^-3Pa时，即可开始烧结工艺，同时真空度的要求降低，也使得烧结的加热温度降低，节省了能耗，且达到了制备致密度至少为99％的钨钛靶材坯料的目的。

完成烧结成型后，执行步骤S14，进行冷却并拆除真空包套取出钨钛靶材坯料。

本步骤中，热等静压炉内温度至600℃后，关掉热等静压炉，待该炉冷却到200℃以下时，将包套取出，之后拆除真空包套取出钨钛靶材坯料。本步骤的拆除可以通过化学方法或机械方法实现。取出的钨钛靶材坯料之后还需要经过车削、线切割等方法，从而制得最终需要的钨钛靶材。经过检测，采用上述步骤制作的钨钛靶材坯料的致密度至少为99％，且内部组织结构均匀，晶粒大小满足溅射靶材的要求。

综上所述，本发明具有以下优点：(1)采用真空包套密封钨钛粉末；之后采用热等静压工艺进行烧结成型；完成烧结成型后，进行冷却并拆除真空包套取出钨钛靶材坯料，上述方法形成钨钛靶材坯料过程中，避免了使用模具，同时，形成的钨钛靶材坯料的致密度、内部组织结构的均匀性优于采用热压形成的钨钛靶材坯料的致密度、内部组织结构的均匀性；

(2)一般认为，真空包套的厚度需要够厚，才能保证在抽真空及加热过程中，焊接处不会裂开，而本发明人发现采用低碳钢，结合厚度为1.0mm～2.0mm的包套厚度，即可以实现压力传导效果佳，也不会出现焊接处容易裂开，造成漏气的现象；

(3)热等静压工艺开始前，抽真空步骤中的真空度至少达到2×10^-3Pa后，还进行对所述真空包套加热的步骤，边加热边抽真空的目的是，加热使钨钛粉末中的杂质变为气态，被抽真空设备排出包套，提纯了钨钛粉末；

(4)此外，本发明人分析了钨钛粉末中的杂质，优选采用250℃～500℃，基本可以去除大部分的杂质，又不会造成过度耗能。其次，抽真空过程中，真空包套所保持在的真空度，如果过小，会造成结块效果差，增加之后热等静压工艺的成本；如果过大，会造成钨钛粉末被抽真空设备抽出，浪费了材料。本发明人发现，当保温时间为3～4小时时，可以实现让整个材料的内部温度都可以均匀的达到设定温度，同时可以确保去除低沸点的杂质的目的；

(5)现有的热等静压工艺中一般包套内的真空度需要大于10^-2Pa，而本发明人发现真空度达2×10^-3Pa时，即可开始烧结工艺，同时真空度的要求降低，也使得烧结的加热温度降低，节省了能耗，且达到了制备致密度至少为99％的钨钛靶材坯料的目的。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims

1.一种钨钛靶材坯料的制作方法，其特征在于，包括：

提供钨钛粉末；

将钨钛粉末放置入真空包套，抽真空；

采用热等静压工艺进行烧结成型；

2.根据权利要求1所述的钨钛靶材坯料的制作方法，其特征在于，将钨钛粉末放置入真空包套后，还进行封死所述包套，预留所述包套上的脱气管的步骤，所述抽真空步骤是通过所述脱气管完成的。

3.根据权利要求1所述的钨钛靶材坯料的制作方法，其特征在于，所述抽真空步骤中的真空度至少达到2×10^-3Pa。

4.根据权利要求3所述的钨钛靶材坯料的制作方法，其特征在于，所述抽真空步骤中的真空度至少达到2×10^-3Pa后，还进行对所述真空包套加热步骤。

5.根据权利要求4所述的钨钛靶材坯料的制作方法，其特征在于，所述加热步骤进行至温度达250℃～500℃后，进行保温步骤，所述加热及保温过程中，持续抽真空使真空包套内的真空度至少为2×10^-3Pa，之后进行所述烧结成型步骤。

6.根据权利要求5所述的钨钛靶材坯料的制作方法，其特征在于，所述保温过程持续3～4小时。

7.根据权利要求6所述的钨钛靶材坯料的制作方法，其特征在于，所述热等静压工艺具体参数为：温度800℃～1400℃，环境压强150Mpa～200Mpa，并在此温度压强下保温3小时～6小时，之后冷却4小时～6小时至600℃。

8.根据权利要求1所述的钨钛靶材坯料的制作方法，其特征在于，所述真空包套采用厚度为1.0mm～2.0mm的低碳钢焊接成型。

9.根据权利要求7所述的钨钛靶材坯料的制作方法，其特征在于，所述烧结成型步骤中，所述真空包套的真空度至少为2×10^-3Pa，且处于被封闭状态。

10.根据权利要求2所述的钨钛靶材坯料的制作方法，其特征在于，所述将钨钛粉末放置入真空包套后，对钨钛粉末进行冷压处理，之后进行所述封死所述包套步骤。

11.根据权利要求1所述的钨钛靶材坯料的制作方法，其特征在于，所述钨钛粉末的纯度至少为99.9％。

12.根据权利要求11所述的钨钛靶材坯料的制作方法，其特征在于，制作的所述钨钛靶材坯料的致密度至少为99％。