濺射鍍膜用TA1鈦靶材制備工藝

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(duì)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(kāi)發(fā)最主要的3個(gè)方面。近年來(lái)，對(duì)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(bào)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(wú)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(huì)導(dǎo)致濺射時(shí)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(yùn)、安裝和操作時(shí)，也極易發(fā)生碎裂［4-5］。對(duì)于純鈦板來(lái)說(shuō)，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(yàn)材料與方法

本試驗(yàn)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(jiǎn)稱( VAＲ + F) 坯; 一種為電子束熔煉坯，簡(jiǎn)稱EB 坯，兩種板坯厚200 mm。將兩板坯分別經(jīng)2800 mm 四輥可逆軋機(jī)一火軋制成13 mm 厚板材，經(jīng)退火和表面處理后制成成品板材。將板坯的長(zhǎng)度進(jìn)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(shí)對(duì)扒皮后的光亮板坯進(jìn)行維氏硬度測(cè)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(duì)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(yàn)結(jié)果與討論

2.1 制坯方式對(duì)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0.7%，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(yuǎn)遠(yuǎn)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(lái)說(shuō)，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(diǎn)，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(huì)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(cè)試值。從板坯硬度的均勻性來(lái)看，( VAＲ +F) 坯的最大硬度為192 MPa，最小值為151 MPa，其偏差為41 MPa; 而EB 坯的最大硬度為223 MPa，最小值為107 MPa，其偏差為116 MPa。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164 MPa，略高于EB 坯的平均硬度155 MPa。這可能是因?yàn)樵谘鹾拷咏那闆r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(guò)程中發(fā)生了動(dòng)態(tài)再結(jié)晶，不僅使錠坯中的微氣孔進(jìn)行焊合，而且大大細(xì)化了晶粒，導(dǎo)致其組織較鑄態(tài)會(huì)有所細(xì)化，故在一定程度上提高了( VAＲ + F) 坯的硬度。同時(shí)細(xì)化晶粒也為板坯軋制后獲得細(xì)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(jiàn)其組織均勻，平均晶粒尺寸約為62.5 μm。從圖1 ( b) 可見(jiàn)，EB 坯成品板組織晶粒大小不一，其最大晶粒尺寸約130 μm，最小晶粒尺寸約為33 μm。

綜合來(lái)看，( VAＲ + F) 坯的成分及成品組織均勻性要明顯優(yōu)于EB 坯。對(duì)于靶材來(lái)說(shuō)，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(duì)象。

2.2 退火溫度對(duì)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(jiàn)，隨退火溫度由650 ℃升高至800 ℃，抗拉強(qiáng)度及規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度逐漸降低，伸長(zhǎng)率逐漸升高。較之于熱軋態(tài)，當(dāng)650 ℃退火時(shí)，抗拉強(qiáng)度和規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度分別降低了約72 MPa 和128 MPa，伸長(zhǎng)率提高了15%; 當(dāng)繼續(xù)升溫至800 ℃時(shí)，抗拉強(qiáng)度和規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度分別降低了113 MPa 和168 MPa，伸長(zhǎng)率提高了34．5%。在650 ～800 ℃之間退火后，鈦板的抗拉強(qiáng)度，規(guī)定非比例延伸強(qiáng)度和伸長(zhǎng)率均能滿足技術(shù)要求中對(duì)室溫力學(xué)性能的要求。考慮到靶材對(duì)鈦板硬度的要求，當(dāng)退火溫度在650 ℃時(shí)，維氏硬度值約為104 MPa，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100 MPa 的要求。當(dāng)在700 ～ 800 ℃退火時(shí)，維氏硬度值均降至100 MPa 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31.8 μm，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151 μm。據(jù)日本Energy 公司研究，若將鈦靶的晶粒尺寸控制在100 μm以下，且晶粒大小的變化保持在20 μm 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(gè)別晶粒發(fā)生了吞并和長(zhǎng)大，在圖2( d，e) 中可以明顯看到異常長(zhǎng)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(píng)級(jí)為2.5 級(jí)，不能滿足靶材對(duì)板材組織晶粒度≥5 級(jí)的要求。一般來(lái)說(shuō)，同一成分的靶材，細(xì)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30 min，空冷退火后可以實(shí)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(qiáng)度及伸長(zhǎng)率均滿足要求，但650℃退火時(shí)，硬度較大。綜合分析經(jīng)軋制及700 ℃保溫30 min 空冷退火后，可以實(shí)現(xiàn)靶材用鈦板組織和性能的最佳匹配。

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