CN103567445A - 钼靶材的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种钼靶材的制作方法，包括：提供钼粉末；采用静压工艺将钼粉末进行第一次致密化处理，形成第一钼靶材坯料；将第一钼靶材坯料放入包套并抽真空；采用冷等静压工艺将包套内的第一钼靶材坯料进行第二次致密化处理，形成第二钼靶材坯料；第二次致密化处理后，去除包套，采用感应烧结工艺将第二钼靶材坯料进行第三次致密化处理，形成第三钼靶材坯料；第三次致密化处理后，采用热轧工艺将第三钼靶材坯料进行轧制，形成第四钼靶材坯料；热轧工艺后，对第四钼靶材坯料进行退火处理形成钼靶材。采用本发明提供的钼靶材的制作方法，能够制作出全致密度钼靶材，钼靶材的内部组织结构的均匀性和晶粒尺寸、纯度和表面尺寸满足要求越来越高的溅射工艺。

Description

钼靶材的制作方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种钼靶材的制作方法。

背景技术

电子行业中，平板型显示设备的显示技术不断发展。采用由钼沉积的发射极端形成的平板型显示设备具有视角宽、响应时间快以及功耗低等优点，成为发展平板显示设备的主力。平板显示工艺大部分使用真空溅镀的方法将钼沉积在发射极端上。

真空溅镀是由电子在电场的作用下加速飞向基片的过程中与氩原子发生碰撞，电离出大量的氩离子和电子，电子飞向基片，氩离子在电场的作用下加速轰击靶材，溅射出大量的靶材原子，呈中性的靶材原子(或分子)沉积在基片上成膜，而最终达到对基片表面镀膜的目的。

沉积钼的真空溅镀工艺中使用钼靶材。早期的钼靶材是通过熔铸法获得的，然而，熔铸法形成的钼靶材的致密度很难控制。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钼靶材，该粉末冶金工艺是通过制取钼粉末(添加或不添加非金属粉末)，对钼粉末实施成形和烧结，然后制成钼靶材的加工方法。钼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、半致密或较高致密度的钼靶材。在公开号为CN101249564A(公开日：2008年8月27日)的中国专利文献中还能发现更多的关于粉末冶金工艺加工钼靶材的信息。

然而，采用现有的粉末冶金工艺制作的钼靶材的致密度只有93％左右，很难实现99％以上的全致密度；采用现有的粉末冶金工艺制作的钼靶材的内部组织结构的均匀性和晶粒尺寸无法满足要求越来越高的溅射工艺；采用现有的粉末冶金工艺制作的钼靶材的纯度无法满足对纯度要求越来越高的溅射工艺；采用现有的粉末冶金工艺制作的钼靶材的尺寸也无法满足对尺寸要求越来越大的溅射工艺。

有鉴于此，实有必要提出一种新的钼靶材的制作方法，以克服现有技术的缺陷。

发明内容

本发明解决的问题是采用现有的粉末冶金工艺制作的钼靶材的致密度只有93％左右，很难实现99％以上的全致密度的问题，采用现有的粉末冶金工艺制作的钼靶材的内部组织结构的均匀性和晶粒尺寸无法满足要求越来越高的溅射工艺；采用现有的粉末冶金工艺制作的钼靶材的纯度无法满足对纯度要求越来越高的溅射工艺；采用现有的粉末冶金工艺制作的钼靶材的尺寸也无法满足对尺寸要求越来越大的溅射工艺。

为解决上述问题，本发明提供一种钼靶材的制作方法，包括：

提供钼粉末；

采用静压工艺将钼粉末进行第一次致密化处理，形成第一钼靶材坯料；

将所述第一钼靶材坯料放入包套并抽真空；

采用冷等静压工艺将包套内的第一钼靶材坯料进行第二次致密化处理，形成第二钼靶材坯料；

第二次致密化处理后，去除包套，采用感应烧结工艺将所述第二钼靶材坯料进行第三次致密化处理，形成第三钼靶材坯料；

第三次致密化处理后，采用热轧工艺将所述第三钼靶材坯料进行轧制，形成第四钼靶材坯料；

热轧工艺后，对第四钼靶材坯料进行退火处理形成钼靶材。

可选的，采用静压工艺将钼粉末进行第一次致密化处理包括：

将静压炉抽真空处理；

抽真空处理后，将钼粉末放入模具中，将所述模具放入静压炉中，所述静压炉中的压头对所述钼粉末施加静压压力，进行压实处理形成第一钼靶材坯料，所述静压压力为20MPa～30MPa。

可选的，将所述第一钼靶材坯料放入包套后，还进行封死所述包套并从所述包套上引出脱气口的步骤，所述抽真空步骤是通过所述脱气口完成的，抽真空完成后，将所述脱气口封死，所述抽真空步骤中将包套内真空度抽至小于等于10^-3Pa。

可选的，采用冷等静压工艺将包套内的第一钼靶材坯料进行第二次致密化处理包括：

将包套置于冷等静压炉内，设置冷等静压炉的冷等静压温度为常温，设置冷等静压炉的冷等静压压力为90MPa～150MPa，并在此压力下保压2小时～8小时。

可选的，采用感应烧结工艺将所述第二钼靶材坯料进行第三次致密化处理包括：

将感应烧结炉进行抽真空处理；

抽真空处理后，向感应烧结炉中填充氢气；

填充氢气后，将第二钼靶材坯料放入所述感应烧结炉中进行烧结处理；

烧结处理结束后，形成第三钼靶材坯料，对所述第三钼靶材坯料进行冷却。

可选的，将所述感应烧结炉进行抽真空处理至感应烧结炉内的真空度小于等于10^-2Pa；

将第二钼靶材坯料放入所述感应烧结炉中进行烧结处理包括；设置所述感应烧结炉的感应烧结温度为1000℃～1900℃，设置感应烧结炉的感应烧结升温速度为5℃/min，并在此感应烧结温度下保温2小时～8小时。

可选的，所述采用热轧工艺将所述第三钼靶材坯料进行轧制包括：

将冷却后的第三钼靶材坯料放入加热炉中进行加热并且保温；

将加热并且保温后的第三钼靶材从加热炉中取出；

将从加热炉取出后的所述第三钼靶材坯料进行轧制。

可选的，设置所述加热炉的温度为1000℃～1300℃，在所述温度下保温0.5小时～1小时。

可选的，所述退火工艺的温度为800℃～1250℃，退火时间为1小时～2小时。

可选的，所述钼粉末的比表面积大于等于1.1，所述钼粉末的纯度大于等于99.95％。

与现有技术相比，本技术方案具有以下优点：

提供钼粉末，采用静压工艺使得钼粉末产生塑性形变并且使得压实后的钼粉末的错位密度大幅度增加，开始产生钼颗粒间的键连和重排，这时钼颗粒相互靠拢，晶粒长大，即钼颗粒之间的空隙的总体积迅速减少，颗粒之间的晶界面积逐渐增加，即进行第一致密化处理形成第一钼靶材坯料。第一钼靶材坯料对后续的形成钼靶材的工艺过程中起准备作用。

接着，将第一钼靶材坯料置于包套内抽真空处理，采用冷等静压工艺将包套内的第一钼靶材坯料进行第二次致密化处理，形成第二钼靶材坯料。第一钼靶材坯料内部的钼颗粒间仍以点接触为主，钼颗粒之间的空隙仍然连通。采用冷等静压工艺使得钼原子之间发生迁移，使钼颗粒之间的连通空隙成为孤立的闭孔，使得第一钼靶材坯料体积进一步收缩，致密度和强度提高，形成第二钼靶材坯料。其中包套一方面可以使第一钼靶材坯料与冷等静压炉进行隔离，防止第一钼靶材坯料与冷等静压炉之间相互污染，以提高后续钼靶材的纯度，另一方面，进行冷等静压工艺的过程中，压力较高，必须由包套的塑性变形来传递冷等静压力，使第一钼靶材坯料能够第二次致密化，否则，第一钼靶材容易被压散或致密化不均匀，再者，还可以防止第一钼靶材坯料在冷等静压工艺中氧化。

接着，第二次致密化处理后，去除包套，采用感应烧结工艺将第二钼靶材坯料进行第三次致密化处理，形成第三钼靶材坯料。采用感应烧结可以使得第二钼靶材坯料中的钼原子进一步迁移，使得钼颗粒之间空隙完全消失，即，使得第三钼靶材坯料之间的空隙率近似等于零。而钼的熔点较高，为2600℃，所以后续将第二钼靶材坯料进行感应烧结工艺中的高温，远远超过包套的熔点，包套很容易在感应烧结炉中熔化，因此第三次致密化处理后需要将包套去除。从另一方面讲，在烧结工艺中去除包套的同时也去除了在后续感应烧结过程中包套与第二钼靶材坯料之间的摩擦力，以使第二钼靶材坯料进行感应烧结后，形成内部结构更加均匀的第三钼靶材坯料。

接着，第三次致密化处理后，采用热轧工艺将第三钼靶材坯料进行轧制，形成第四钼靶材坯料。一方面，对第三钼靶材坯料进行热轧可以细化第三钼靶材坯料内部的晶粒尺寸，另一方面，可以缩小第三钼靶材坯料的高度，从而增加第三钼靶材坯料的上下表面积而形成第四钼靶材坯料，因此，采用热轧可以形成大尺寸的第四钼靶材坯料，进而形成大尺寸的钼靶材，以满足对尺寸要求越来越大的溅射工艺。

最后，热轧工艺后，对第四钼靶材坯料进行退火处理形成钼靶材。对第四钼靶材坯料进行退火处理，可以使得第四钼靶材坯料内部组织进行再结晶以达到平衡状态，进一步使得第四钼靶材坯料内部的晶粒变为更加均匀的等轴晶粒，使得晶粒尺寸小于等于50μm。

本发明经过上述工艺步骤，最终形成致密度至少大于99％，内部组织结构更加均匀(各向晶面所占的比例在20％以下)、晶粒尺寸更加细小(小于50微米)的钼靶材，而且所形成的钼靶材的纯度满足对纯度要求越来越高的溅射工艺，钼靶材的尺寸也无法满足对尺寸要求越来越大的溅射工艺。

附图说明

图1是本发明提供的钼靶材的制作方法的流程图；

图2是本发明实施例的将钼粉末进行静压工艺的示意图；

图3是本发明实施例的静压工艺后形成第一钼靶材坯料的示意图；

图4是本发明实施例的将第一钼靶材坯料放入橡胶包套的示意图；

图5是本发明实施例的将第一钼靶材坯料放入铝包套的示意图；

图6是本发明实施例的将第一钼靶材坯料采用冷等静压工艺的示意图；

图7是本发明实施例的将第一钼靶材坯料采用冷等静压工艺后形成第二钼靶材坯料的示意图；

图8是本发明实施例的将第二钼靶材坯料采用感应烧结工艺的示意图；

图9是本发明实施例的将第三钼靶材坯料采用热轧工艺的立体示意图；

图10是本发明实施例的将第三钼靶材坯料采用热轧工艺的侧面示意图；

图11是本发明实施例的将第三钼靶材坯料采用热轧工艺进行一次挤压的侧面示意图；

图12是本发明实施例的将第三钼靶材坯料采用热轧工艺时的热轧角度标记；

图13是本发明实施例的采用热轧工艺后形成的第四钼靶材坯料的示意图；

图14是本发明实施例的将第四钼靶材坯料进行退火形成钼靶材的示意图。

具体实施方式

发明人发现和分析，现有的粉末冶金工艺常用热压工艺(Hot Pressing，HP)，热压工艺是将准备好的粉末装在模具中，一般是石墨模具，然后将装有粉末的石墨模具置于真空热压炉中，先将粉末压实，然后抽真空到设定值，跟着边升温边加压，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。

钼的熔点高，为2600℃，采用热压工艺，将钼粉末烧结形成全致密度(致密度为99％以上)的钼靶材，所需压力大于等于100MPa，热压工艺为单向加压，一方面会超出石墨模具的压力承受极限，另一方面，造成钼粉末的晶粒在各方向受力不均匀，形成的钼靶材内部组织结构不够均匀，晶粒尺寸粗大。再者，采用热压工艺，由于石墨模具易碎，向石墨模具中填充钼粉末的过程为少量多次填充，每次填充都会对钼粉末造成污染，影响后续钼靶材的纯度。另外，在热压工艺中，形成钼靶材的尺寸受石墨模具的限制，使得热压工艺无法制作出大尺寸的钼靶材。

发明人经过创造性劳动，提出一种新的钼靶材的制作方法，图1为本发明提供的钼靶材的制作方法的流程图，请参考图1，钼靶材的制作方法具体为，

执行步骤S11，提供钼粉末；

执行步骤S12，采用静压工艺将钼粉末进行第一次致密化处理，形成第一钼靶材坯料；

执行步骤S13，将所述第一钼靶材坯料放入包套并抽真空；

执行步骤S14，采用冷等静压工艺将包套内的第一钼靶材坯料进行第二次致密化处理，形成第二钼靶材坯料；

执行步骤S15，第二次致密化处理后，去除包套，采用感应烧结工艺将所述第二钼靶材坯料进行第三次致密化处理，形成第三钼靶材坯料；

执行步骤S16，第三次致密化处理后，采用热轧工艺将所述第三钼靶材坯料进行轧制，形成第四钼靶材坯料；

执行步骤S17，热轧工艺后，对第四钼靶材坯料进行退火处理形成钼靶材。

下面结合附图，通过具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

首先，执行步骤S11，提供钼粉末。

本实施例中，为了制作纯度大于等于99.95％的钼靶材，所述钼粉末的纯度大于等于99.95％。

在后续的静压、冷等静压、感应烧结、热轧和退火工艺中，最终会在表面张力作用下产生钼原子的迁移而形成钼靶材。钼原子的迁移过程需要较高的活化能。可以通过降低钼粉末的粒度来提高活化能。即，钼颗粒的粒径越小，钼比表面积(比表面积为单位质量物料所具有的总面积)越大，钼表面能驱动力就越大，这样就增加了整个工艺的推动力，缩短了钼原子迁移距离而导致整个工艺过程的加速。

钼原子的迁移可能通过滑移、攀移、扩散、扩散蠕变等多种机制完成。其中，起主要作用的为钼原子的扩散，钼原子的扩散包括钼原子的表面扩散和钼原子的体积扩散，只有钼原子的体积扩散才能使钼粉末致密化，表面扩散只能改变气孔形状而不能引起颗粒中心距的逼近，因此不能实现钼粉末致密化过程。若想在后续工艺时间内获得近似全致密的钼靶材，钼粉末颗粒***应当满足：Dv/(2a)³＝1，Dv为颗粒的体积扩散系数，2a为颗粒粒径。Dv的数量级为10^-12cm²/s，则钼粉末粒径需要小于等于1μm，钼粉末的比表面积需大于等于1.1m²/g。

接着，请结合参考图2和图3，执行步骤S12，采用静压工艺将钼粉末20进行第一次致密化处理，形成第一钼靶材坯料24。

图2是本发明实施例的将钼粉末进行静压工艺的示意图；图3是本发明实施例的静压工艺后形成第一钼靶材坯料的示意图。请参考图2，将钼粉末20放入模具23中，然后将模具23放入静压炉21内，静压炉21内设有压头22，当压头22向下移动时即使得模具23内的钼粉末20受到压力。本实施例中，所述模具的形状为圆柱型，后续形成的第一钼靶材坯料也为圆柱型。将盛有钼粉末20的模具23放入静压炉21之前，需要对静压炉21进行抽真空使得静压炉21的真空度小于等于10^-1Pa，抽真空的目的为了防止静压炉21内的钼粉末20在后续加压过程中发生氧化。本实施例中，所述模具23为钢模具，之所以采用钢模具，是因为钢模具强度高、变形小，向钢模具中进行钼粉末的填充只需一次填充步骤，从而避免钼粉末的多次污染，以提高后续钼靶材的纯度来满足对纯度要求越来越高的溅射工艺。

下面结合静压工艺的原理来阐述本发明中使钼粉末20形成第一钼靶材坯料24的静压工艺的原理。

在静压压力作用下，所述静压压力为压头22对模具23中的钼粉末20施加的压力，压实处理后钼粉末20开始产生塑性形变并且使得压实后的钼粉末20的错位密度大幅度增加，此时，有的粉末颗粒间以点接触，有的粉末颗粒相互分开，钼颗粒与钼颗粒之间保留着较多的空隙。随着静压压力的提高和时间的延长，开始产生钼颗粒间的键连和重排，这时钼颗粒因重排而相互靠拢，晶粒长大，即钼颗粒之间的空隙的总体积迅速减少，钼颗粒之间的晶界面积逐渐增加，最终形成第一钼靶材坯料24。

通过选择合适的工艺参数一方面可以在不浪费能量的前提下得到较好致密度的第一钼靶材坯料24。本发明中的静压压力即压头22对模具23中的钼粉末20施加的压力为25MPa～30MPa，施加压力的过程为单轴向加压。静压工艺中采用的静压压力越大，钼粉末中的颗粒堆积越紧密，颗粒之间的接触面积越大，静压工艺被加速；但是如果静压工艺采用的静压压力超过30MPa，模具23承受的压力风险较大，容易造成模具23的破裂。如果静压工艺采用的静压压力不足25MPa，同样使得钼粉末20难以静压成型。

需要说明的是，采用本发明中的静压工艺之后还需要进行冷等静压工艺、感应烧结等工艺以形成钼靶材，静压工艺在本发明的形成钼靶材的工艺过程中起准备作用，考虑到静压工艺中模具23的耐压能力，无需将起准备作用的静压工艺的压力设置很高(现有的静压工艺中的压力设定值为100MPa左右)，而经过本发明的发明人的创造性的研究，设置的上述静压工艺的条件，不仅不会破环模具23，而且后续形成的第一钼靶材坯料24的致密度较好。

静压工艺后，逐渐泄压，取出第一钼靶材坯料24。

然后，请结合参考图4、图5和图6，执行步骤S13，将第一钼靶材坯料24放入包套中并抽真空。

将第一钼靶材坯料24置于包套内，包套的作用一方面可以使第一钼靶材坯料24与冷等静压炉60进行隔离，防止第一钼靶材坯料24与冷等静压炉60之间相互污染，另一方面，进行冷等静压工艺的过程中，压力较高，必须由包套的塑性变形来传递冷等静压力，使第一钼靶材坯料24能够第二次致密化，否则，第一钼靶材24容易被压散或致密化不均匀，再者，包套还可以防止第一钼靶材坯料24在冷等静压工艺中氧化。因此，包套的材质选择需满足两个条件，第一个条件为：包套具有较好的柔韧性，否则包套容易破裂，并且当包套内设置第一钼靶材坯料时，包套能够与第一钼靶材坯料进行很好的贴合，以便包套内空气含量最低。第二个条件为：结合包套的厚度，包套的材质能够实现较佳的压力传导，否则导致钼粉末的致密化不均匀。

本实施例中，包套的材质优选橡胶，请参考图4，橡胶包套251厚度为3mm～5mm，橡胶包套251太薄，后续抽真空步骤中容易碎裂；橡胶包套251太厚，后续冷等静压过程中不容易实现压力传导。将第一钼靶材坯料24装入橡胶包套251中，用绳260系结橡胶包套251进行密封，并在系结橡胶包套251后留脱气口261，用于从所述橡胶包套251上引出脱气管，该脱气管与抽真空设备连接，对所述橡胶包套251抽真空。

密封好橡胶包套251后，对橡胶包套251进行抽真空处理，使得橡胶包套251内的真空度小于等于10^-3Pa。橡胶包套251内的真空度如果大于10^-3Pa，橡胶包套251内的第一钼靶材坯料24会在后续冷等静压过程中被氧化；橡胶包套251内的真空度越小越好。

对橡胶包套251抽真空至真空度小于等于10^-3Pa后，对其进行闭气工艺即将脱气管封闭，继续保持橡胶包套251内部真空的状态，使橡胶包套251内部形成一个密闭的真空环境。所述闭气工艺是用绳子260将橡胶包套251上的脱气口261系结紧，闭气工艺后，所述真空包套的真空度小于等于10^-3Pa。

其它实施例中，包套的材料不仅局限于橡胶，只要满足上述两个条件的材料都可以用作包套，例如，所述包套的材料还可以为铝，请参考图5，例如铝包套252，铝包套252的厚度为2.5mm～3.0mm。铝包套252的形成方法可以通过机械设计，例如CAD，使其形状满足后续形成的钼靶材的形状，之后将铝板拼接，采用氩弧焊密封，并留有脱气口以便对铝包套252抽真空，抽真空步骤是通过从铝包套252的脱气口262引出脱气管完成的。所述铝包套252的闭气工艺是通过机械加工和焊接而实现，例如，可以用铁锤将铝包套252脱气管的尾部砸扁然后用氩弧焊密封。闭气工艺后，所述铝包套252的真空度小于等于10^-3Pa。由于铝包套252的制作工艺比橡胶包套251复杂，结合工艺成本和工作效率，优选橡胶包套251。

和热压工艺中的已固定成型的模具不同，包套可以根据第一钼靶材坯料24的尺寸而设计，在进行钼靶材的制作工艺过程中，可以实现大尺寸钼靶材的致密化处理。

接着，请结合参考图4、图6和图7，采用冷等静压工艺将包套内的第一钼靶材坯料24进行第二次致密化处理，形成第二钼靶材坯料26。

冷等静压(Cold Isostatic Pressing，CIP)工艺为常温下，将装有第一钼靶材坯料24的包套置于密闭的液体环境中，液体传递超高压对第一钼靶材坯料24进行第二次致密化处理，形成第二钼靶材坯料26。

下面结合冷等静压工艺的原理阐述本发明中第一钼靶材坯料24形成第二钼靶材坯料26的原理。

第一钼靶材坯料24内部的钼颗粒间仍以点接触为主，钼颗粒之间的空隙仍然连通。采用冷等静压工艺使得钼原子之间发生迁移，钼原子的迁移是在表面张力作用下实现的，钼原子的迁移可能通过钼原子之间的滑移、攀移、扩散、扩散蠕变等多种机制完成。其中，钼原子的扩散起主要作用，钼原子的扩散使钼颗粒之间的连通空隙成为孤立的闭孔，钼颗粒之间形成的晶界面积较大，所述闭孔大部分位于晶界相交处，少数存在钼颗粒的内部。本实施例中，经过上述冷等静压工艺使得第一钼靶材坯料24体积收缩，致密度和强度提高，形成第二钼靶材坯料26，冷等静压工艺结束。

通过选择合适的工艺参数就可以在第二致密化过程中获得致密度较好的第二靶材坯料26。上述的参数主要包括：冷等静压温度、冷等静压压力及冷等静压保压时间。所述冷等静压温度为冷等静压炉60对橡胶包套251内的钼粉末进行致密化处理时的最高温度。所述冷等静压压力为冷等静压炉60中的密封液体对橡胶包套251内的钼粉末产生的压力。冷等静压保压时间为冷等静压压力的保持时间。然而，本发明人发现和创造性研究，该冷等静压工艺具体参数为：设置冷等静压炉的冷等静压温度为常温，设置冷等静压炉的冷等静压压力为90MPa～150MPa，并且使得橡胶包套251在冷等静压炉60内保压2小时～8小时。

当应用其他单向加压或双向加压的致密设备时，橡胶包套251与第一钼靶材坯料24受压缩程度不一致，第一钼靶材坯料24与橡胶包套251之间发生相对运动，即，第一钼靶材坯料24与橡胶包套251之间产生摩擦阻力而使得形成的第二钼靶材坯料26内部组织不均匀。本实施例中的冷等静压压力为冷等静压炉中的液体对包套25中的第一钼靶材坯料24施加的压力，需要说明的是，冷等静压炉60对橡胶包套251中的钼粉施加的是各向均等的冷等静压力，请参考图6，图6中的四个方向的箭头代表冷等静压炉产生的各向均等压力。相对应用其他单向加压或双向加压的致密设备，本实施例形成的第二钼靶材坯料26的致密度可以提高5～15倍。而且本实施例形成的第二钼靶材坯料26内部组织均匀。

冷等静压压力为90MPa～150MPa。冷等静压压力越大，钼原子的扩散速度越快，钼粉末中的颗粒堆积越紧密，颗粒之间的接触面积越大，冷等静压工艺被加速。如果冷等静压压力超过150MPa，容易造成工艺成本增加；如果冷等静压压力不足90MPa，难以激发第一钼靶材坯料24的迁移活化能，无法在常温下使第一钼靶材坯料24致密成型。

在上述冷等静压压力作用下保压2小时～8小时，这样橡胶包套251可以有足够的时间进行压力传导，实现第一钼靶材坯料24的内部钼原子的扩散更加均匀，使得钼原子的相互结合更加紧密。

接着，请结合参考图7、图8和图9，执行步骤S15，第二次致密化处理后，去除橡胶包套251，采用感应烧结工艺将第二钼靶材坯料26进行第三次致密化处理，形成第三钼靶材坯料27。

钼的熔点较高，为2600℃，所以后续将第二钼靶材坯料26进行感应烧结工艺中的高温，远远超过包套的熔点，包套很容易在感应烧结炉中熔化，因此第二次致密化处理后需要将包套去除。从另一方面讲，在烧结工艺中去除包套的同时也去除了在后续感应烧结过程中包套与第二钼靶材坯料26之间的摩擦力，以使第二钼靶材坯料26进行感应烧结后，形成内部结构更加均匀的第三钼靶材坯料27。再者，感应烧结工艺即使没有包套也不会使形成的第三靶材坯料27的表面氧化，即使在感应烧结工艺操作的过程中发生氧化，也是在第二钼靶材坯料26的表面发生极少的氧化，表面生成的薄氧化皮也会阻止内部的第二钼靶材坯料26进一步氧化，而且该氧化皮会在后续的钼靶材的粗加工和精加工的工艺中被去除。

本实施例中，请继续参考图4和图5，如果包套的材质为橡胶，去除橡胶包套251的方法为解开橡胶包套上的绳子，直接将橡胶包套251从第二靶材坯料26上剥落去除；如果包套的材质为铝，去除铝包套252的方法为采用车削等机械加工去除。因此橡胶包套251的去除工艺较铝包套252的去除工艺简单，本实施例较优选用橡胶包套251。

请继续参考图7、图8和图9，为了防止在感应烧结工艺中，第二钼靶材坯料26发生氧化，先将感应烧结炉80进行抽真空处理至感应烧结炉80中的真空度小于等于10^-2Pa，然后向感应烧结炉80中填充氢气。然后将第二钼靶材坯料26放入感应烧结炉80的坩埚(图未示)中，接着，感应烧结炉80利用中频感应加热的原理对坩埚进行加热至高温，坩埚通过热辐射传导对第二钼靶材坯料进行第三次致密化处理。

下面结合感应烧结工艺的原理来阐述本发明中第二钼靶材坯料26形成第三钼靶材坯料27的原理。

高温条件下，第二钼靶材坯料26进一步塑性变形。这种塑性变形会导致钼颗粒之间的晶界面积进一步增大，从而进一步扩大了钼颗粒之间的接触面，使得表面张力进一步增加，进而产生钼原子的大量迁移，钼原子的迁移同样通过滑移、攀移、扩散、扩散蠕变等多种机制完成。其中，起主要作用的仍为钼原子的扩散，使得钼颗粒之间空隙完全消失，即，使得第三钼靶材坯料27之间的空隙率近似等于零，扩散终止，感应烧结工艺结束，实现了第二钼靶材坯料的完全致密化，形成致密度达99％以上的第三钼靶材坯料27。

本实施例中，所述感应烧结是在氢气中进行的。在感应烧结后期，第二钼靶材坯料26中孤立闭气孔逐渐缩小，逐步抵消了作为感应烧结推动力的表面张力作用，烧结趋于缓慢，在氢气中烧结，闭气孔中的氢气由于分子量比较小，在第二钼靶材坯料26中使得第二钼靶材坯料26内部的空隙容易溶解和扩散，因此有利于闭气孔的消除。

本实施例中，经过上述感应烧结工艺对第二钼靶材坯料26进行第三次致密化，形成第三钼靶材坯料27，感应烧结工艺结束。

通过选择合适的工艺参数一方面可以获得内部组织更加均匀，致密度增加的第三钼靶材坯料。上述的工艺参数主要包括：感应烧结温度、感应烧结升温速度及感应烧结保温时间，且上述参数不成比例关系。所述感应烧结温度为感应烧结炉80烧结第二钼靶材坯料26时的最高温度。所述感应烧结升温速度为感应烧结炉80启动过程中，为使感应烧结炉80内、外壁温差和上、下壁温差引起的应力控制在允许范围内，要求的每分钟感应烧结炉80温度的升高值。感应烧结保温时间为感应烧结炉80内感应烧结温度持续时间。然而，本发明人发现和创造性研究，将第二钼靶材坯料26进行烧结时，该感应烧结工艺具体参数为：设置感应烧结炉80的感应烧结温度为1000℃～1900℃，设置感应烧结炉80的感应烧结升温速度为5℃/min，第二钼靶材坯料26在上述感应烧结温度下保温2小时～8小时。感应烧结温度的升高有利于钼原子的扩散，后续形成的第三钼靶材坯料27内部的空隙率降低，致密度和强度不断提高。但是如果感应烧结温度超过1900℃，不仅浪费燃料，而且还会促使后续形成的第三钼靶材坯料27进行重结晶而使后续第三钼靶材坯料27的性能恶化。如果感应烧结温度太低，低于1000℃，难以激活钼原子的体积扩散，无法形成的第三钼靶材坯料27。

另外，感应烧结炉80在1000℃～1900℃的高温范围内，钼原子的扩散以体积扩散为主，而感应烧结炉80从常温到1000℃的升温阶段，钼原子的扩散以表面扩散为主。本实施例需要设置感应烧结炉80的感应烧结升温速度为5℃/min。第二钼靶材坯料26在感应烧结炉80升温进行第三次致密化的过程中，由于钼颗粒表面受到均匀的表面张力，颗粒之间的空隙由菱形、尖角型等形状逐渐缩小至最终的圆形，圆形的空隙可以使得形成的第三钼靶材坯料27的内部晶粒大小均匀。如果感应烧升温速度过慢，升温时间过长会使得钼原子的表面扩散过多、表面张力受力不均而改变钼粉末的空隙的形状，从而影响了第二钼靶材坯料26第三次致密化效果而且还影响后续的第三钼靶材坯料27性能；如果感应烧结升温速度过快，感应烧结炉80的炉温不容易扩散，造成感应烧结炉内和炉壁的炉温不均匀，产生炉温偏差。因此，在感应烧结炉80的炉温均匀的前提下，应尽可能快的升温至1000℃～1900℃以创造体积扩散的条件。

本发明需要在上述感应烧结温度下保温2小时～8小时，结晶以形成第三钼靶材坯料27。形成的第三钼靶材坯料27比较紧致、晶界明显、没有出现重结晶而导致的晶粒长大现象，晶粒度均匀而且整个感应烧结工艺耗能少。如果保温时间过短，结晶过程不易准确控制；如果保温时间超过8小时，则出现重结晶，即晶粒会长大超出后续钼靶材内部晶粒的尺寸，而且保温时间过长，浪费热能。

感应烧结工艺后，将炉温冷却至200℃以下，取出第三钼靶材坯料27。第三钼靶材坯料的冷却温度如果高于200℃，则无法将温度较高的第三钼靶材坯料从密闭的感应烧结炉80中取出。

接着，请结合参考图9至图13，执行步骤S 16，第三次致密化处理后，采用热轧工艺将第三钼靶材坯料27进行轧制，形成第四钼靶材坯料28。

热轧工艺为在第三钼靶材坯料27再结晶温度以上轧制，一方面可以缩小第三钼靶材坯料27的高度，从而增加第三钼靶材坯料27的上下表面的面积而形成第四钼靶材坯料28，所述第四钼靶材坯料28的尺寸略大于后续钼靶材的尺寸，是为后续钼靶材的尺寸精加工工艺提供加工余量。另一方面，对第三钼靶材坯料27进行热轧可以细化第三靶材坯料27内部的晶粒尺寸，使得形成的第四钼靶材坯料28的晶粒尺寸小于50μm。

首先将冷却后的第三钼靶材坯料27置入温度为1000℃～1300℃的加热炉中进行热处理并保温0.5小时～1小时，使得第三钼靶材坯料27整体受热均匀，有利于后续轧制的进行。如果温度小于1000℃，在后续的轧制过程中，第三钼靶材坯料27会有裂缝；如果温度大于1300℃，进行后续轧制工艺时，第三钼靶材坯料太软而轧制困难。如果保温时间小于0.5小时，则第三钼靶材坯料27内外温度不一致，后续轧制过程中容易产生裂缝；如果保温时间大于1小时，第三钼靶材坯料27中晶粒容易长大，尺寸会超范围(晶粒尺寸需小于等于50微米)。

然后将第三钼靶材坯料27从加热炉中取出，在氢气的保护下，对取出后的第三钼靶材坯料27进行热轧。采用氢气保护下进行热轧，是为了防止第三钼靶材坯料27在热轧的过程中发生氧化，在其他实施例中，也可以用其他惰性气体对第三钼靶材坯料27进行氧化保护。

参考图9，热轧的方式为将第三钼靶材坯料27在压延机(calender)的两个辊筒90a和90b之间进行挤压，其中，需要将第三钼靶材坯料27进行多次挤压才能形成第四钼靶材坯料28。具体为，参考图10和图11，由两个辊筒90a和90b挤压原本厚度为h1的第三钼靶材坯料27的上下表面，缩小第三钼靶材坯料27的厚度为h，而增大上下表面的面积。经过多次的挤压，参考图13，最终把第三钼靶材坯料27展延成厚度为h2的第四钼靶材坯料28。其中，每次挤压的变形率为ΔH1表示，ΔH1＝|h1-h|/h1。总变形率以ΔH表示，ΔH＝|h1-h2|/h1。其中，用总变形率来衡量整个热扎工艺的程度。本实施例中的热轧工艺的每次变形率为8％～10％，总变形率为30％～50％以形成第四钼靶材坯料28。本实施例中的热轧工艺的每次变形率都比较小，避免了第三钼靶材坯料27在热轧这种强烈的塑性变形的过程中发生裂纹或者别的缺陷。

更进一步的，为了使得压延后的第四钼靶材坯料28的各个部分比较均匀和一致，优选地，对所述第三钼靶材坯料27每进行一次热轧，都会对热轧后的第三钼靶材27坯料旋转同样的预设角度后再进行下一次的热轧。本实施例中，所述预设角度在30°～135°之间。

请先参见图12，图12中双向箭头所示的方向为第三钼靶材坯料27直接进行压延的方向，单向箭头所示的方向为第三钼靶材坯料27进行旋转的方向，图12中所示的1～8是为了方便确定对所述第三钼靶材坯料27压延后进行旋转的角度而设定的标记。举例来说，若第三钼靶材坯料27上的某一个点从3的位置逆时针旋转到了8的位置，则可以获知所述第三钼靶材坯料27在热轧过程中逆时针旋转了135°。若第三钼靶材坯料27上的某一个点从3的位置逆时针旋转到了2的位置，则可以获知所述第三钼靶材坯料27在压延过程中逆时针旋转了45°，本实施例中，每对第三钼靶材坯料27进行一次压延后，都会对其进行相同角度的旋转以确保压延后的第三钼靶材坯料27比较均匀，具体采用多大的旋转角度，由实际情况而定。

在实际应用中，每热轧一次的热轧量可以根据实际的需求进行相应地调整，以使得第三钼靶材坯料27可以以最优的方式热轧形成钼靶材坯料28。

本发明的热轧过程不需要对所述第三钼靶材坯料27的温度进行实时地监测。采用本发明的热轧方法，第三钼靶材坯料27的温度离预设值较近时，第三钼靶材坯料27已经变薄，更容易热轧，使得第三钼靶材坯料27能够在预设温度值以上热轧成型，省去对第三钼靶材坯料27进行实时监测的步骤。

本实施例中，对上述第三钼靶材坯料27热轧的作用还可以消除第三钼靶材坯料27内部组织的缺陷，在高温和压力作用下的气泡、裂纹等疏松结构被压实，从而使得形成的第四钼靶材坯料28的内部组织更加密实，力学性能也得到改善。这种改善主要体现在沿轧制方向上，从而使第三钼靶材坯料27在一定程度上不再是各向同性体，即某一物体在不同的方向所测得的性能数值完全相同。

因此，采用热轧可以形成大尺寸的第四钼靶材坯料28，进而形成大尺寸的钼靶材，以满足对尺寸要求越来越大的溅射工艺。

请参考图14，执行步骤S17，热轧工艺后，对第四钼靶材坯料28进行退火处理形成钼靶材。

本步骤的实施方式为在800℃～1250℃的温度下，保温1小时～2小时。

对第四钼靶材坯料28在加热炉170中进行退火处理，一方面可以使得第四钼靶材坯料28内部组织进行再结晶以达到平衡状态，可以进一步使得第四钼靶材坯料28内部的晶粒变为更加均匀的等轴晶粒，从而改善或消除热轧过程中所造成的第四钼靶材坯料28内部组织缺陷以及残余应力，防止第四钼靶材坯料28变形、开裂。另一方面可以进一步减少第四钼靶材坯料28内部组织的分层现象，消除形***化，从而软化第四钼靶材坯料28以便进行切削加工，再者，可以细化第四钼靶材坯料28晶粒，改善组织以提高第四钼靶材坯料28的机械性能。

加热温度过低，第四钼靶材坯料28中晶粒再结晶不充分或无再结晶现象；加热温度过高，第四钼靶材坯料28中晶粒容易长大，尺寸会超范围；保温时间过短，第四钼靶材坯料28中晶粒受热不均匀，再结晶不充分；保温时间过长，第四钼靶材坯料28中晶粒容易长大，尺寸会超范围。

第四钼靶材坯料28在这一步退火过程中形成的晶粒大小和分布即为最终钼靶材的晶粒大小和分布(晶粒尺寸小于等于50μm)。所以，这一步的退火的温度要精细控制。实施过程中，温度公差允许为±5℃。

最后，对退火处理后第四钼靶材坯料进行机械加工，形成最终尺寸的钼靶材。

对所述退火处理后第四钼靶材坯料28进行机械加工包括粗加工、精加工等工艺，制成尺寸符合溅射要求的钼靶材，其中粗加工是指轮廓车削、精加工是指产品尺寸车削，包括周圈线切割，上下平面磨床加工。机械加工后需对成品进行清洗、干燥处理等。

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 (10)

1.一种钼靶材的制作方法，其特征在于，包括：

提供钼粉末；

采用静压工艺将钼粉末进行第一次致密化处理，形成第一钼靶材坯料；

将所述第一钼靶材坯料放入包套并抽真空；

采用冷等静压工艺将包套内的第一钼靶材坯料进行第二次致密化处理，形成第二钼靶材坯料；

第二次致密化处理后，去除包套，采用感应烧结工艺将所述第二钼靶材坯料进行第三次致密化处理，形成第三钼靶材坯料；

第三次致密化处理后，采用热轧工艺将所述第三钼靶材坯料进行轧制，形成第四钼靶材坯料；

热轧工艺后，对第四钼靶材坯料进行退火处理形成钼靶材。

2.根据权利要求1所述的钼靶材的制作方法，其特征在于，采用静压工艺将钼粉末进行第一次致密化处理包括：

将静压炉抽真空处理；

抽真空处理后，将钼粉末放入模具中，将所述模具放入静压炉中，所述静压炉中的压头对所述钼粉末施加静压压力，进行压实处理形成第一钼靶材坯料，所述静压压力为20MPa～30MPa。

3.根据权利要求1所述的钼靶材的制作方法，其特征在于，将所述第一钼靶材坯料放入包套后，还进行封死所述包套并从所述包套上引出脱气口的步骤，所述抽真空步骤是通过所述脱气口完成的，抽真空完成后，将所述脱气口封死，所述抽真空步骤中将包套内真空度抽至小于等于10^-3Pa。

4.根据权利要求1所述的钼靶材的制作方法，其特征在于，采用冷等静压工艺将包套内的第一钼靶材坯料进行第二次致密化处理包括：

将包套置于冷等静压炉内，设置冷等静压炉的冷等静压温度为常温，设置冷等静压炉的冷等静压压力为90MPa～150MPa，并在此压力下保压2小时～8小时。

5.根据利要求1所述的钼靶材的制作方法，其特征在于，采用感应烧结工艺将所述第二钼靶材坯料进行第三次致密化处理包括：

将感应烧结炉进行抽真空处理；

抽真空处理后，向感应烧结炉中填充氢气；

填充氢气后，将第二钼靶材坯料放入所述感应烧结炉中进行烧结处理；

烧结处理结束后，形成第三钼靶材坯料，对所述第三钼靶材坯料进行冷却。

6.根据权利要求5所述的钼靶材的制作方法，其特征在于，

将所述感应烧结炉进行抽真空处理至感应烧结炉内的真空度小于等于10^-2Pa；

将第二钼靶材坯料放入所述感应烧结炉中进行烧结处理包括；设置所述感应烧结炉的感应烧结温度为1000℃～1900℃，设置感应烧结炉的感应烧结升温速度为5℃/min，并在此感应烧结温度下保温2小时～8小时。

7.根据权利要求5所述的钼靶材的制作方法，其特征在于，所述采用热轧工艺将所述第三钼靶材坯料进行轧制包括：

将冷却后的第三钼靶材坯料放入加热炉中进行加热并且保温；

将加热并且保温后的第三钼靶材从加热炉中取出；

将从加热炉取出后的所述第三钼靶材坯料进行轧制。

8.根据权利要求7所述的钼靶材的制作方法，其特征在于，设置所述加热炉的温度为1000℃～1300℃，在所述温度下保温0.5小时～1小时。

9.根据权利要求1所述的钼靶材的制作方法，其特征在于，所述退火工艺的温度为800℃～1250℃，退火时间为1小时～2小时。

10.根据权利要求1所述的钼靶材的制作方法，其特征在于，所述钼粉末的比表面积大于等于1.1，所述钼粉末的纯度大于等于99.95％。

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