CN103805952B - 一种大尺寸高纯钨靶材及其生产方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体用Φ400以上大尺寸高纯钨靶材，直径≥400mm，纯度达到99.999%以上、致密度99.5%以上、晶粒度≤100μm；其制备包括：将纯度99.999%以上、粒度2.2~2.6μm的钨粉均匀混合；180~250MPa、5~10分钟的冷等静压压制成型；2300℃~2400℃、8~12小时的中频感应烧结；1450~1550℃退火90~180分钟后，经多道次热轧至5~15mm厚度，热轧总变形量大于60%；再经经1300~1400℃退火90~150分钟后，进行机械加工，其上下表面的机械加工量均≥1.5mm；最终获得的钨靶材不仅性能优异，且工艺相对简单，对设备的要求不高。
Description
技术领域
本发明涉及一种高纯钨靶材的生产方法，特别适用于大尺寸、半导体用高纯钨靶材的生产。
技术背景
溅射法是制备薄膜材料的主要技术之一，它通过高速运动的离子轰击靶材，产生的原子放射出来累积在基体的表面，形成镀膜，被轰击的固体是用溅射法沉积薄膜的原材料，称为溅射靶材。用靶材溅射沉积的薄膜具有致密度高，附着性好等优点。稀有金属钨由于具有熔点高、强度高、热膨胀系数低、电阻率低、良好的热稳定性等优点，已广泛应用于半导体集成电路、太阳能光伏等溅射镀膜领域。
钨靶材在半导体领域主要用作集成电路扩散阻挡层和大型集成电路存储器电极等。半导体集成电路对靶材的纯度有着很高的要求，一般要求靶材的纯度要在99.999%以上。同时，靶材的密实度也对镀膜过程及膜层的性能有着重要的影响，靶材的密实度不仅影响溅射时的沉积速率、溅射膜粒子的密度和放电现象等，还影响着溅射薄膜的电学和光学性能。靶材越密实，溅射膜粒子的密越低，放电现象越弱，而薄膜的性能也越好。
由于其熔点高，钨靶材主要通过粉末冶金方法制备。目前半导体用钨靶材一般采用热压或热等静压的工艺直接烧结成最终产品，而不进行后续压力加工，所制备的钨靶材密度可达到理论密度的99%左右。随着半导体技术的迅猛发展，集成化程度越来越高，单位面积单晶硅片集成器件数呈指数级增长，主流的硅片尺寸已从12英寸（300mm）逐渐向18英寸（450mm）发展，因而对溅射靶材的尺寸要求也越来越大。要采用热等静压法生产更大尺寸的钨靶材需要高昂的设备投入，同时产品的密度难以达到完全致密。
现有钨靶材相关文献和专利技术中，大部分都是采用热压或热等静压直接生产钨靶材而不通过热加工工序，仅有中国专利申请201110433274.6公开了一项采用烧结+压力加工的方法生产靶材的专利，该专利将热压法制备的钨板坯采用不锈钢套包覆并抽真空，然后进行锻造和轧制等热加工，以避免在空气中直接进行压力加工所可能产生的表面氧化和出现开裂等问题。该方法生产工艺复杂，不太适合大批量工业生产；同时，钨板坯外面包覆的不锈钢套经高温加热后进行热轧变形时，由于其高温强度低于钨板坯，热轧时主要是不锈钢套发生变形，难以达到使钨板坯均匀变形的目的。
发明内容
本发明针对现有技术不足，提供一种半导体用Φ400以上大尺寸高纯钨靶材的制备方法，该方法工艺简单，对设备的要求不高，纯度达到5N（99.999%）以上，产品致密度达到99.5%以上。
本发明的大尺寸高纯钨靶材，直径≥400mm，纯度达到99.999%以上、致密度99.5%以上、晶粒度≤100μm。
本发明的大尺寸高纯钨靶材的生产方法，通过如下技术方案实现：
（1）将纯度达到99.999%以上、粒度2.2~2.6μm的钨粉进行均匀混合；
（2）采用180~250MPa的压制压力、保压5~10分钟进行冷等静压压制成型；
（3）在中频感应烧结炉中，在2300℃~2400℃的范围内烧结8~12小时；
（4）烧结后的钨板坯在1450~1550℃退火90~180分钟后，经多道次热轧至5~15mm厚度，热轧总变形量大于60%；
（5）热轧后的钨板材经1300~1400℃退火90~150分钟后，进行机械加工，其上下表面的机械加工量均≥1.5mm；最终获得的钨靶材直径≥400mm，纯度达到99.999%以上、致密度99.5%以上、晶粒度≤100μm。
由于采用合适的原料、合理的工艺及参数，最终制备出密度达到18.3g/cm3以上的烧结钨板坯，最终通过热轧变形、退火和机加工制备出纯度达到99.999%以上、致密度达到99.5%以上、晶粒尺寸小于100μm的半导体用大尺寸高纯钨靶材。该工艺通过热加工工艺优化，同时对热加工后的钨板材留出合适的机加工余量，以避免热加工过程中的表面氧化和微裂纹的影响。
附图说明
图1是本发明实施例1制备的大尺寸钨靶材表面金相组织图；
图2是本发明实施例2制备的大尺寸钨靶材表面金相组织图；
图3是本发明实施例3制备的大尺寸钨靶材表面金相组织图。
具体实施方式
实施例1：选取粒度2.45μm，纯度99.999%的钨粉38.1kg，采用钢芯模具经过等静压200MPa压制保压5分钟后成形；在中频炉烧结，烧结温度为2350℃，烧结时间为10小时，制备出尺寸为47.3×201×218mm、密度为18.4g/cm3的烧结钨板坯；钨板坯经1500℃/90min退火后，通过多道次热轧成尺寸为11.1×425×419mm、密度为19.27g/cm3（致密度99.6%）的热轧钨板，热轧总变形量为76.5%；热轧钨板经1350℃/120min退火后，进行车、铣、磨等机械加工，其上、下表面的机械加工量分别为1.9和2.2mm；最终加工出Φ400±0.1×7±0.1mm钨靶材，经测定，其表面平均晶粒尺寸为64μm，表面晶粒组织如图1所示，晶粒组织均匀；其纯度99.999%、密度19.27g/cm3、致密度99.6%。
实施例2：选取粒度2.6μm，纯度99.999%的钨粉54.5kg，采用钢芯模具经过等静压250MPa压制保压8分钟后成形；在中频炉烧结，烧结温度为2400℃，烧结时间为8小时，制备出尺寸为60.7×223×219mm、密度为18.4g/cm3的烧结钨板坯；钨板坯经1550℃/120min退火后，通过多道次热轧成尺寸为12.3×476×483mm、密度为19.28g/cm3（致密度99.6%）的热轧钨板，热轧总变形量为79.7%；热轧钨板经1400℃/90min退火后，进行车、铣、磨等机械加工，其上、下表面的机械加工量分别为2.1和2.2mm；最终加工出Φ450±0.1×8±0.1mm钨靶材，经测定，其表面平均晶粒尺寸为58μm，表面晶粒组织如图2所示，晶粒组织均匀；其纯度99.999%、密度19.28g/cm3、致密度99.6%。
实施例3：选取粒度2.2μm，纯度99.999%的钨粉64.3kg，采用钢芯模具经过等静压180MPa压制保压10分钟后成形；在中频炉烧结，烧结温度为2300℃，烧结时间为12小时，制备出尺寸为64.3×235×230mm、密度为18.5g/cm3的烧结钨板坯；钨板坯经1450℃/180min退火后，通过多道次热轧成尺寸为12.1×527×521mm、密度为19.30g/cm3（致密度99.7%）的热轧钨板，热轧总变形量为81.2%；热轧钨板经1300℃/150min退火后，进行车、铣、磨等机械加工，其上、下表面的机械加工量分别为2.0和2.1mm；最终加工出Φ500±0.1×8±0.1mm钨靶材，经测定，其表面平均晶粒尺寸为47μm，表面晶粒组织如图3所示，晶粒组织均匀；其纯度99.999%、密度19.30g/cm3、致密度99.7%。
Claims (8)
1.一种大尺寸高纯钨靶材，直径400~500mm，纯度最高达到99.999%，致密度最大达99.7%，晶粒度最小达47μm。
2.根据权利要求1所述的大尺寸高纯钨靶材，其特征是：所述直径400mm，纯度达到99.999%、致密度99.6%、晶粒度64μm。
3.根据权利要求1所述的大尺寸高纯钨靶材，其特征是：所述直径450mm，纯度达到99.999%、致密度99.6%、晶粒度58μm。
4.根据权利要求1所述的大尺寸高纯钨靶材，其特征是：所述直径500mm，纯度达到99.999%、致密度99.7%、晶粒度47μm。
5.如权利要求1所述的大尺寸高纯钨靶材的生产方法，依次包括：
（1）将纯度达到99.999%以上、粒度2.2~2.6μm的钨粉进行均匀混合；
（2）采用180~250MPa的压制压力、保压5~10分钟进行冷等静压压制成型；
（3）在中频感应烧结炉中，在2300℃~2400℃的范围内烧结8~12小时；
（4）烧结后的钨板坯在1450~1550℃退火90~180分钟后，经多道次热轧至5~15mm厚度，热轧总变形量大于60%；
（5）热轧后的钨板材经1300~1400℃退火90~150分钟后，进行机械加工，其上下表面的机械加工量均≥1.5mm；最终获得的钨靶材直径400~500mm，纯度最高达到99.999%，致密度最大达99.7%，晶粒度最小达47μm。
6.根据权利要求5所述的大尺寸高纯钨靶材的生产方法，其特征是：所述钨粉纯度99.999%，粒度为2.45μm；所述压制压力为200MPa，保压时间为5分钟；所述烧结温度为2350℃，时间为10小时；所述烧结后的钨板坯退火温度为1500℃，时间为90分钟；所述经多道次热轧后的板坯厚度为11.1mm，热轧总变形量为76.5%；所述热轧后退火温度为1350℃，时间为120分钟；所述机械加工上下表面余量分别为1.9、2.2mm；最终获得的钨靶材直径为400mm，纯度达到99.999%、致密度99.6%、晶粒度64μm。
7.根据权利要求5所述的大尺寸高纯钨靶材的生产方法，其特征是：所述钨粉纯度99.999%，粒度为2.6μm；所述压制压力为250MPa，保压时间为8分钟；所述烧结温度为2400℃，时间为8小时；所述烧结后的钨板坯退火温度为1550℃，时间为120分钟；所述经多道次热轧后的板坯厚度为12.3mm，热轧总变形量为79.7%；所述热轧后退火温度为1400℃，时间为90分钟；所述机械加工上下表面余量分别为2.1、2.2mm；最终获得的钨靶材直径450mm，纯度达到99.999%、致密度99.6%、晶粒度58μm。
8.根据权利要求5所述的大尺寸高纯钨靶材的生产方法，其特征是：所述钨粉纯度99.999%，粒度为2.2μm；所述压制压力为180MPa，保压时间为10分钟；所述烧结温度为2300℃，时间为12小时；所述烧结后的钨板坯退火温度为1450℃，时间为180分钟；所述经多道次热轧后的板坯厚度为12.1mm，热轧总变形量为81.2%；所述热轧后退火温度为1300℃，时间为150分钟；所述机械加工上下表面余量分别为2.0、2.1mm；最终获得的钨靶材直径为500mm，纯度达到99.999%、致密度99.7%、晶粒度47μm。
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