李 晶，王 錦，安 耿，張常樂，劉仁智

(金堆城鉬業(yè)股份有限公司技術中心，陜西西安710077)

0 前言

隨著微電子技術、光學和光電子技術的飛速發(fā)展，特別是表面技術和薄膜材料的發(fā)展，薄膜科學應用日益廣泛。濺射是制備薄膜材料的主要技術之一，它利用離子源產生的離子，在真空中經過加速聚集，而形成高速度能的離子束流，轟擊固體表面，離子和固體表面原子發(fā)生動能交換，使固體表面的原子離開固體并沉積在基底表面。被轟擊的固體是用濺射法沉積薄膜的原材料，稱為濺射靶材［1～3］。

靶材是一種具有高附加價值的特種電子材料，主要使用在微電子顯示器存儲器以及光學鍍膜等產業(yè)上用以濺射尖端技術的各種薄膜材料。靶材形狀有長方體、正方體、圓柱體和不規(guī)則形狀。長方體、正方體和圓柱體形靶材為實心，濺射過程中，圓環(huán)形永磁體在靶材表面建立環(huán)形磁場，在軸間等距離的環(huán)形表面上形成刻蝕區(qū)，其缺點是薄膜沉積厚度均勻性不易控制，靶材的利用率較低，僅為20% ～30%。目前國內外都在推廣應用旋轉空心圓管磁控濺射靶，其優(yōu)點是靶材可繞固定的條狀磁鐵組件旋轉，因而 360°靶面可被均勻刻蝕，利用率高達80%［2，4］。旋轉矩形磁場圓柱靶是現代圓柱管類靶材的主要結構，廣泛用于大規(guī)模工業(yè)化連續(xù)生產線，在工業(yè)上的應用規(guī)模與矩形平面靶相當。它的優(yōu)勢在于長度方向上極佳的鍍膜均勻性和相對于靜態(tài)靶的高靶材利用率。

本文通過制備出圓柱管狀旋轉靶材，研究靶材的纖維組織結構，探索旋轉靶材最優(yōu)制備工藝，為工業(yè)生產提供可靠的理論指導和依據。

1 試驗過程

選用常規(guī)鉬粉等靜壓壓制成Φ48 mm鉬棒，壓制壓力為180 MPa，保壓時間10 min；壓制好的鉬棒經1 980℃中頻燒結25 h；隨后經過自由鍛造，分別加工出Φ31 mm、Φ21 mm的鉬棒。鉬粉的理化性能指標如表1所示。

表1 鉬粉理化性能指標

鍛造出的鉬棒經過機械加工，制備出厚度分別為3.1 mm、2.1 mm的鉬管，隨后用磨床將鉬管表面進行打磨拋光，經過幾種不同的退火工藝(1 050℃、1 100℃、1 150℃溫度下退火1 h)，得到不同組織的靶材，對幾種靶材分別取樣，并進行金相分析。

2 試驗結果與分析

2.1 濺射原理及靶材組織的要求

磁控濺射是在一相對穩(wěn)定的真空狀態(tài)下，陰陽極間產生輝光放電，極間氣體分子被離子化而產生帶電電荷，其中正離子受陰極之負電位加速運動而撞擊陰極上的靶材，將靶材中的原子濺射出，此濺射出的原子沉積在陽極的基板上形成薄膜。這一原理可以用圖1表示。

圖1 Sputter濺鍍模型

圖1中左邊的代表被電離后的氣體分子，右邊的代表將被濺射的靶材。

靶材上被濺射出的原子經過吸附、凝結、表面擴散遷移、碰撞結合形成穩(wěn)定晶核，再通過吸附使晶核長大成小島，島長大后相互聯結聚結，形成連續(xù)狀薄膜。

由于靶材對晶粒度的大小有著嚴格的要求，細小尺寸的靶材濺射速率比粗晶粒快，晶粒尺寸相差較小的靶材，沉積薄膜的厚度分布也比較均勻。［3］圖2為合格靶材的晶粒組織金相照片。

圖2 靶材金相組織

靶材晶粒組織大小在50～80 μm之間，呈等軸晶均勻分布，晶粒內部及晶界上沒有氣孔。

2.2 變形量對鍛造鉬棒組織的影響

圖3 不同變形量金相組織

從圖3中可以看出，金屬在外力作用下產生塑性變形，隨著變形量的增加，晶粒形狀也發(fā)生變化，晶粒外形由原先的等軸晶粒逐漸改變?yōu)檠刈冃畏较蛏扉L的晶粒，并且變形程度越大，晶粒形狀改變越大。當變形量很大時(圖c、d)，各晶粒被進一步拉長變成細條狀或纖維狀，晶界變得模糊不清，形成纖維組織。晶粒形狀和尺寸的變化與金屬的變形程度有著很大的關系。金屬的變形程度增加使得晶粒的成核速率和長大速率都增加，但成核速率比長大速率快。這是因為在大變形量時生成的形變結構在起作用，如果行變量小于臨界值，則加熱時只能發(fā)生多邊形化，它能降低相鄰晶粒之間的畸變程度，阻滯再結晶的發(fā)生。

2.3 退火溫度對管狀靶材組織的影響

圖4顯示了兩種變形量在3個不同退火溫度下的金相組織，晶粒大小隨著退火溫度的升高而增大。變形量80%的晶粒組織比變形量60%的晶粒組織小，這說明再結晶溫度隨著變形程度的增加而降低。即變形程度越大，再結晶溫度越低。

圖4 不同退火溫度金相組織

圖a－1、b－1、c－1、d－1是在1 050℃溫度下退火的金相組織，在這兩種變形量下都發(fā)生了再結晶，但晶粒大小不均勻，且縱斷面的晶粒仍有少量纖維組織的存在。一般變形程度較大時，再結晶晶核主要來源于亞晶核的合并及亞晶界移動(圖c－1、d－1)；變形程度較小時，再結晶晶核主要來源于現存晶界的突然弓出(圖a－1、b－1)。晶核形成之后，它就借界面的移動向周圍畸變區(qū)域自發(fā)地、穩(wěn)定地生長。

圖a－2、b－2、c－2、d－2是在1 100℃溫度下退火的金相組織，變形量60%的組織比80%的組織晶粒大。晶粒長大過程中晶界始終向其曲率中心移動是以界面能為主要驅動力來源的晶粒長大過程的共同特征。由于在晶粒組織中小晶粒的鄰晶數(即界面數)較少從而具有外凸的晶界，而大晶粒的界面數較多而具有內凹晶界，所以在晶粒長大過程中隨著晶界向其曲率中心的移動，小晶粒將不斷縮小并趨于消亡而大晶粒則不斷長大。

圖a－3、b－3、c－3、d－3是在1 150℃溫度下退火的金相組織，這個溫度下退火的組織與1 100℃下退火的組織呈同樣的規(guī)律，變形量60%的組織比80%的組織晶粒大。完成一次再結晶以后，如果溫度繼續(xù)上升，這些新生成的晶粒在高溫下通過新晶粒之間互相聚合的途徑繼續(xù)長大，這時晶粒尺寸的長大是均勻的。

經過退火后的組織分析，圖4中c－2的組織和圖2標準靶材的晶粒組織形狀及尺寸很接近，符合靶材對晶粒度的要求。

3 結論

金屬鉬濺射靶材目前在LCD、太陽能薄膜電池上應用廣泛，本文采用傳統(tǒng)的粉末冶金技術制備出棒坯，經過鍛造、機加工和熱處理工藝制備出合格的鉬管狀濺射靶材，通過金相分析得出以下結論：

(1)采用鍛造方法制備的管狀旋轉靶材，加工變形量必須大于60%以上，可以獲得靶材要求的晶粒尺寸。

(2)靶材的變形量為80%，且熱處理退火溫度為1 100℃條件下加工出的靶材具有大小均勻、50～80 μm的等軸晶晶粒組織。

［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增)：70－72.

［2］王大勇，顧小龍.靶材制備研究現狀及研發(fā)趨勢［J］.浙江冶金，2007，(4)：1－9.

［3］劉志堅，陳遠星，黃偉嘉，等.濺射靶材的應用及制備初探［J］.南方金屬，2003，(135)：23－24.

［4］楊邦朝，胡永達，蔣明.全球濺射靶材市場及發(fā)展趨勢［J］.電子元件與材料，2002，(6)：29－31.