一种高纯高致密细晶低氧钨靶材的制备方法技术

本发明专利技术属于磁控溅射靶材制造技术领域，公开了一种高纯高致密细晶低氧钨靶材的制备方法。以纯度大于5N的W粉为原料，先通过真空热压烧结的方式获得相对密度为80％～90％的预成型钨靶坯。然后通过多道次小变形热轧的方式在预成型钨靶坯表面0.5～2mm厚度的范围内形成相对密度为95％～99％的致密化表层，心部密度及组织状态仍保持不变。最后将多道次小变形轧制后的钨靶坯进行无包套热等静压烧结致密化处理，处理后将表层0.5～2mm厚度的轧制态组织去除，获得致密度≥99.5％，平均晶粒尺寸≤10μm，氧含量≤10ppm的高纯W靶坯。氧含量≤10ppm的高纯W靶坯。氧含量≤10ppm的高纯W靶坯。

【技术实现步骤摘要】
一种高纯高致密细晶低氧钨靶材的制备方法


[0001]本专利技术涉及磁控溅射靶材制造
，具体涉及一种高纯高致密细晶低氧钨靶材的制备方法。

技术介绍

[0002]钨靶材具有熔点高(3410℃)、密度高(19.3g/cm3)、热导率高(165W/(m
·
K))、强度高、膨胀系数低(4.6
×
10
‑6mm
‑1)、抗腐蚀能力高等特性，被广泛地应用于先进储存器制造过程中。钨靶材在栅极金属堆垛层中沉积W/WN膜，维持较低的栅极堆垛电阻率，阻止W与多晶硅之间的反应。所以，高纯钨靶是存储器件制作的关键材料，制备高密度、细晶、低氧的高纯W靶材成为实现优良镀膜的关键技术。由于钨具有高硬度、大弹性模量等特性，其加工过程难以发生塑性变形实现致密化，造成密度低、晶粒粗的结果。密度低在后续磁控溅射镀膜过程中会产生电弧放电(Arcing)及微粒(Particle)现象，影响薄膜的良率。晶粒粗影响镀膜厚度均匀性及沉积速度。此外，高纯钨粉的氧含量一般为300～500ppm，易造成烧结后的W靶坯氧含量高的现象，氧含量高影响薄膜的电阻率，进而器件的使用性能。
[0003]W靶材主要采用粉末冶金工艺烧结成型，工艺方法主要包括：(1)钨粉热压(HP)后进行无包套热等静压(HIP)，例如专利US6582535B1、TW201837217A、CN105102670B、CN103567443B；(2)钨粉预成型(可通过热压、冷等静压(CIP)、热等静压工艺进行)达到70％～90％致密度后进行有包套热等静压压制烧结，包套为铌、钽，例如专利CN103124804B；(3)钨粉冷等静压后进行氢气氛无压烧结，最终进行无包套的热等静压压制，例如专利US20070172378A1、CN103567444B；(4)钨粉冷等静压后进行氢气氛无压烧结，最终进行热轧提高致密度，例如专利TW201730360A、CN103805952B；(5)钨粉进行放电等离子烧结(SPS),例如专利CN102046822B。
[0004]以上五种成型工艺各有优缺点：(1)工艺路线一采用热压后无包套热等静压的方式进行高纯W靶材的制备，热压烧结后的预成型W靶坯不能存在通孔，即要求预成型W靶坯的相对密度>95％。为提高预成型W靶坯的密度需要高温来弥补热压压力低的短板，高温会促进钨靶中的晶粒长大，不利于细晶粒钨靶材的获得，最终获得的W靶材的晶粒尺寸为20～70μm；(2)工艺路线二采用铌、钽材料包套，价格昂贵且不易加工、封焊，工艺实施难度高、成品率低；(3)工艺路线三采用氢气氛无压烧结所需温度高(>1900℃)，同样易造成W靶内部晶粒的粗大；(4)工艺路线四最终采用大变形热轧工艺易产生带状组织和择优取向，组织粗大；(5)工艺路线五采用放电等离子烧结工艺现存在于实验室阶段样品制备，无法制备大尺寸钨靶坯。

技术实现思路

[0005]针对上述已有技术存在的不足，本专利技术提供一种高纯高致密细晶低氧钨靶材的制备方法。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案实现的。
[0007]一种高纯高致密细晶低氧钨靶材的制备方法，包括：
[0008](1)以高纯W粉作为原料；
[0009](2)将高纯W粉通过真空热压烧结获得相对密度为80％～90％的预成型钨靶坯；
[0010](3)将预成型钨靶坯进行多道次小变形热轧，在预成型钨靶坯表面0.5～2mm厚度的范围内形成相对密度为95％～99％的致密化表层包套；
[0011](4)将经步骤(3)得到的钨靶坯进行热等静压烧结后，去除表层轧制态组织，获得高纯高致密细晶低氧钨靶材。
[0012]进一步地，步骤(1)高纯W粉纯度>5N，氧含量<500ppm。
[0013]进一步地，步骤(2)真空热压烧结温度为1000～1450℃，烧结压力为20～30MPa，烧结时间为1～2h。
[0014]进一步地，步骤(3)多道次小变形热轧：单道次热轧变形量≤3％，总变形量为10％～15％。若此步骤中的总变形量>15％，则会在靶材内部产生轧制态条状组织，产生轧制取向，晶粒粗大且内应力大；若此步骤中的总变形量<10％，则无法获得相对密度95％以上的致密化表层，靶材的表面仍存在通孔，后续无法采用无包套HIP的方式进行致密化处理。
[0015]进一步地，步骤(4)热等静压烧结处理：将经步骤(3)得到的钨靶坯放入热等静压炉中进行压制烧结，热等静压采用的压制压力为120～150MPa，烧结温度为1600℃～1800℃，保温保压3～4h。
[0016]进一步地，步骤(4)去除表层0.5～2mm厚度的轧制态组织。
[0017]进一步地，获得高纯高致密细晶低氧钨靶材：纯度>5N，致密度≥99.5％，平均晶粒尺寸≤10μm，氧含量≤10ppm。
[0018]本专利技术的有益技术效果：
[0019](1)同时兼顾了高密度与细晶粒的需求：本专利技术先采用低温热压烧结方式获得低密度、细晶粒的预成型W靶坯，后采用多道次小变形热轧方式在预成型W靶坯表层形成致密化包套，最终热等静压致密化的方式获得高密度与细晶粒同时兼顾的高纯W靶材。避免了工艺路线一及工艺路线三中为获得无通孔的预成型W靶坯，通过高温烧结的方式提高致密度，无法获得细晶粒的钨靶材。
[0020](2)工艺简单、成本低：本技术方案通过小变形热轧的方式在预成型W靶坯表层形成致密化包套，避免了工艺路线二采用的昂贵铌、钽材料包套，工艺简单且成本低。
[0021](3)氧含量低：通过真空热压烧结的方式可有效去除钨粉的氧含量，使其降低至10ppm以下。
附图说明
[0022]图1为本专利技术制备方法流程示意图。
具体实施方式
[0023]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。
[0024]本专利技术的专利技术机理为：先采用低温真空热压烧结的方式获得细等轴晶、低氧的预成型W靶坯；然后通过多道次小变形热轧的方式对预成型W靶坯的表层进行致密化处理，消除表层的通孔，同时并不破坏内部预成型W靶坯的低密度、细等轴晶组织；最后将小变形热
轧处理后的W靶坯放入热等静压炉中进行致密化处理，因热轧处理后的W靶坯表层已消除了通孔，热等静压时可将压力传递到内部进行致密化处理，最终获得高密度的W靶坯；且轧制后的W靶坯内部组织仍保持细等轴晶状态，热等静压致密化后仍可获得细轴晶组织，避免了大变形热轧工艺产生的带状粗大组织和择优取向问题。
[0025]一种高纯高致密细晶低氧钨靶材的制备方法，包括：
[0026](1)称重：称量所需的高纯W粉作为原料，纯度>5N，氧含量<500ppm。
[0027](2)真空热压烧结：将高纯W粉通过真空热压烧结预成型，获得相对密度为80％～90％的预成型钨靶坯；其中，烧结温度为1000～1450℃，烧结压力为20～30MPa，本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高纯高致密细晶低氧钨靶材的制备方法，其特征在于，所述方法包括：(1)以高纯W粉作为原料；(2)将高纯W粉通过真空热压烧结获得相对密度为80％～90％的预成型钨靶坯；(3)将预成型钨靶坯进行多道次小变形热轧，在预成型钨靶坯表面0.5～2mm厚度的范围内形成相对密度为95％～99％的致密化表层包套；(4)将经步骤(3)得到的钨靶坯进行热等静压烧结后，去除表层轧制态组织，获得高纯高致密细晶低氧钨靶材。2.根据权利要求1所述的一种高纯高致密细晶低氧钨靶材的制备方法，其特征在于，步骤(1)高纯W粉纯度>5N，氧含量<500ppm。3.根据权利要求1所述的一种高纯高致密细晶低氧钨靶材的制备方法，其特征在于，步骤(2)真空热压烧结温度为1000～1450℃，烧结压力为20～30MPa，烧结时间为1～2h。4.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：何金江，贾倩，王兴权，丁照崇，滕海涛，罗俊锋，李勇军，曹书光，
申请(专利权)人：有研亿金新材料有限公司，
类型：发明
国别省市：