濺射鍍膜用TA1鈦靶材制備工藝

隨著微電子技術、光學和光電子技術等高科技產業的快速發展，特別是表面技術和薄膜材料的發展，薄膜科學應用日益廣泛。靶材作為濺射沉積薄膜的關鍵材料，對金屬薄膜的性能起著至關重要的作用。晶粒尺寸、取向控制和均勻性是高純濺射靶材制備技術開發最主要的3個方面。近年來，對鎢靶、鉬靶和鈮靶的制備工藝研究較多［1-3］，而有關純鈦靶材制備工藝的研究卻鮮有報道。

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部無氣孔存在。而粉末冶金方法制造的靶材，則極有可能含有一定數量的氣孔，氣孔的存在，會導致濺射時不正常放電，而產生雜質粒子。另外含有氣孔的靶材因其密度較低，在搬運、安裝和操作時，也極易發生碎裂［4-5］。對于純鈦板來說，目前工業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，以期為工業生產提供可靠的理論指導和依據。

1、試驗材料與方法

本試驗選用板坯的名義成分均為工業純鈦( TA1) ，一種為真空自耗電弧爐熔煉+ 鍛造坯，簡稱( VAＲ + F) 坯; 一種為電子束熔煉坯，簡稱EB 坯，兩種板坯厚200 mm。將兩板坯分別經2800 mm 四輥可逆軋機一火軋制成13 mm 厚板材，經退火和表面處理后制成成品板材。將板坯的長度進行5 等分，依次在這5 處取樣，分析板坯不同部位的成分，同時對扒皮后的光亮板坯進行維氏硬度測試，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、 試驗結果與討論

2.1 制坯方式對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%的技術要求。但( VAＲ + F) 板坯氧含量的最大偏差僅為0.02%，遠遠小于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要求，但是EB 板坯的成分偏差要略大于( VAＲ + F) 板坯。

一般來說，電子束熔煉因采用水冷銅坩堝，因此和爐材的反應和污染少; 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，如除Fe、Ni 和O 效果不佳，故如果配料的原料成分不均勻，也會導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 板坯的維氏硬度測試值。從板坯硬度的均勻性來看，( 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。這可能是因為在氧含量接近的情況下，EB 坯為鑄態組織，而( VAＲ +F) 坯是鍛造組織，鍛坯因在高溫鍛造過程中發生了動態再結晶，不僅使錠坯中的微氣孔進行焊合，而且大大細化了晶粒，導致其組織較鑄態會有所細化，故在一定程度上提高了( VAＲ + F) 坯的硬度。同時細化晶粒也為板坯軋制后獲得細小晶粒提供了基礎，充分保證了晶粒尺寸分布的均勻性。

圖1 是兩種坯料經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，可見其組織均勻，平均晶粒尺寸約為62.5 μm。從圖1 ( b) 可見，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。

綜合來看，( VAＲ + F) 坯的成分及成品組織均勻性要明顯優于EB 坯。對于靶材來說，成分及組織均勻是鍍膜質量穩定的重要參數，故下文中的靶材用TA1 板坯以( VAＲ + F) 坯為研究對象。

2.2 退火溫度對鈦靶材組織與性能的影響

表3 是經不同溫度退火后的鈦板室溫力學性能。

可見，隨退火溫度由650 ℃升高至800 ℃，抗拉強度及規定非比例延伸強度逐漸降低，伸長率逐漸升高。較之于熱軋態，當650 ℃退火時，抗拉強度和規定非比例延伸強度分別降低了約72 MPa 和128 MPa，伸長率提高了15%; 當繼續升溫至800 ℃時，抗拉強度和規定非比例延伸強度分別降低了113 MPa 和168 MPa，伸長率提高了34．5%。在650 ～800 ℃之間退火后，鈦板的抗拉強度，規定非比例延伸強度和伸長率均能滿足技術要求中對室溫力學性能的要求。考慮到靶材對鈦板硬度的要求，當退火溫度在650 ℃時，維氏硬度值約為104 MPa，雖然其較熱軋態降低了33%，但仍不能滿足靶材中維氏硬度不大于100 MPa 的要求。當在700 ～ 800 ℃退火時，維氏硬度值均降至100 MPa 以下。

圖2 是熱軋態和不同溫度退火態鈦板的橫向組織。由圖2( a) 可以看到，熱軋態是完全雜亂的加工態組織。經650 ℃退火后，其平均晶粒尺寸為31.8 μm，隨退火溫度繼續升高至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，其濺射所得薄膜的質量可得到大幅度改善［8］。

隨著退火溫度的繼續增加，個別晶粒發生了吞并和長大，在圖2( d，e) 中可以明顯看到異常長大的晶粒，導致板材內部組織的不均勻。而且圖2( f) 中的晶粒度評級為2.5 級，不能滿足靶材對板材組織晶粒度≥5 級的要求。一般來說，同一成分的靶材，細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，空冷退火后可以實現鈦靶材組織和性能的最佳匹配。

3 、結論

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650 ～ 800 ℃退火處理后，強度及伸長率均滿足要求，但650℃退火時，硬度較大。綜合分析經軋制及700 ℃保溫30 min 空冷退火后，可以實現靶材用鈦板組織和性能的最佳匹配。

參考文獻:

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