CN104418595B - 一种赛隆陶瓷靶材的制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种赛隆陶瓷靶材的制作方法。包括：提供包括氮化硅、氧化铝、氮化铝、助烧剂以及导电剂的原料粉末；并将所述原料粉末混合均匀后，进行热压烧结处理，形成赛隆陶瓷靶材。采用本发明制得的赛隆陶瓷具有良好的导电性和导热性能，从而在线丝切割工艺中，加强赛隆陶瓷与移动中的电极丝之间不断产生脉冲性的火花放电，并在火花放电时瞬时产生高温，加快赛隆陶瓷与电极丝的接触部位的蚀除，改善赛隆陶瓷的切割性能，提高切割赛隆陶瓷的顺畅性，以及赛隆陶瓷的机械加工精度。

Description

一种赛隆陶瓷靶材的制作方法

技术领域

本发明涉及半导体溅射领域，特别涉及一种赛隆陶瓷靶材的制作方法。

背景技术

赛隆（sialon）是一种基本结构单元为（Si，Al）（O，N）₄四面体材料，其常用作于陶瓷材料。赛隆陶瓷包括α-sialon（Me_XSi_12-（m+n）Al_m+n）O_nN_16-n，Me为金属离子，包括钇等）和β-sialon（Si_6-ZAl_ZO_ZN_8-Z）两种变形体。

其中，sialon陶瓷是氮化硅（Si₃N₄）和氧化铝（Al₂O₃）在高温下生成的固溶体，两种sialon陶瓷继承了氮化硅和氧化铝两种物质的晶相的特性具体高硬度、耐磨性的同时，还各具特性。如α-sialon还具抗热震性，而β-sialon相较于普通陶瓷具有更好的断裂韧性。Sialon陶瓷具有良好的热、力、光性能，且化学性质稳定，是重要的无机材料。而由α-sialon和β-sialon组成的复相赛隆陶瓷在高温下也兼具高强度和高韧度。

基于sialon陶瓷良好的机械性能，sialon陶瓷常用于轴承、密封圈、以及光学器件、半导体分立器等半导体器件中的耐磨部件。其中，在半导体领域中，sialon陶瓷通过真空磁控溅射镀膜方式形成光学器件、半导体分立器等元件的耐磨部件。更多关于sialon陶瓷介绍请参考公开号为CN102307827A的中国专利文献。

在真空磁控溅射镀膜工艺中，sialon陶瓷靶材被放置于溅射基台的靶材腔体中，通过离子溅射方式在基材上形成一层纳米级或微米级的sialon陶瓷薄膜。基于sialon陶瓷薄膜的厚度的精确性要求，真空磁控溅射镀膜工艺所采用的sialon陶瓷靶材必须完全与溅射机台的靶材腔体匹配。

现有的sialon陶瓷靶材制作工艺，包括靶材制作以及机械加工程序，先通过热压（HP）、无压（PLS）、气压（GPS）以及高温等静压（HIP）等工艺形成靶材，之后通过线切割等机械加工方式实现sialon陶瓷靶材的结构精确加工，从而使用时与溅射机台的靶材腔体相匹配。

然而，在sialon陶瓷靶材进行线切割过程中，常常出现赛隆陶瓷靶材碎裂情况，且sialon陶瓷靶材的加工的偏差较大，加工精度难以保障，致使赛隆陶瓷靶材的成品率低。

因而，如何提高sialon陶瓷的可切割性，以提高sialon陶瓷切割精度是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种赛隆陶瓷靶材的制作方法，采用本发明获得赛隆陶瓷易于机械加工，从而提高赛隆陶瓷靶材的机械加工精度。

本发明提供的一种赛隆陶瓷靶材的制作方法，包括：

提供包括氮化硅、氧化铝、氮化铝、助烧剂以及导电剂的原料粉末；

将所述原料粉末混合均匀后，进行热压烧结处理，形成赛隆陶瓷靶材。

可选地，所述导电剂为金属氮化物。

可选地，所述金属氮化物为氮化钛或氮化钽。

可选地，所述氮化硅、氧化铝、氮化铝、助烧剂以及导电剂的重量含量为：45～60wt%、2～10wt%、2～5wt%、5～10wt%、30～45wt%。

可选地，所述热压烧结处理工艺包括：

以5～10℃/min的速率加热至1200℃；

之后，以1.5～3℃/min的速率加热至1300～1400℃；

之后，以4～6℃/min的速率加热至1450～1700℃；

以0.3～0.5MPa/min速率持续加压，至预设压强，所述预设压强大于20MPa；

并在温度为1450～1700℃，预设压强条件下保温保压加热4～7h。

可选地，所述预设压强为20～30MPa。

可选地，所述热压烧结处理在保护气氛下进行。

可选地，所述保护气氛包括Ar、He或是N₂气氛。

可选地，将原料粉末混合均匀的方法为球磨工艺。

可选地，所述球磨工艺包括：

将所述原料粉末置于球磨罐中，添入分散介质后，球磨16～24h。

可选地，所述球磨工艺包括：以氧化锆或氧化铝作为球磨介质。

可选地，所述分散介质为无水乙醇和/或甘油。

可选地，还包括：在所述球磨工艺后，对所述原料粉末进行干燥处理。

可选地，所述干燥处理的温度小于分散介质的沸点。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

在氮化硅、氧化铝、氮化铝、助烧剂中加入导电剂，并经热压烧结处理制得赛隆陶瓷的工艺，可有效改善赛隆陶瓷整体的导电性，并在赛隆陶瓷通入电流后，基于赛隆陶瓷整体的良好的导电性提升赛隆陶瓷靶材的导热性能。在如线丝切割工艺中，良好的导电和导热性能加强赛隆陶瓷靶材与移动中的电极丝之间不断产生的脉冲性的火花放电，并在火花放电时瞬时产生高温，加快赛隆陶瓷靶材与电极丝的接触部位的蚀除，改善赛隆陶瓷靶材的切割性能，提高切割赛隆陶瓷靶材的顺畅性，从而提升赛隆陶瓷的机械加工精度。

附图说明

图1为本发明赛隆陶瓷靶材的制作方法的流程图；

图2是本发明制作赛隆陶瓷靶材过程中，采用球磨工艺混合原料的实施例示意图；

图3～图4是本发明制作赛隆陶瓷靶材过程中使用热压烧结处理工艺处理靶材的实施例示意图。

具体实施方式

正如背景技术所述的，鉴于赛隆陶瓷良好的机械性能，在半导体领域，赛隆陶瓷薄膜作为耐磨部件，在光学器件、半导体分立器等元件上得到广泛应用。

然而，在赛隆陶瓷靶材进行线切割时常常出现赛隆陶瓷靶材碎裂等缺陷，致使赛隆陶瓷靶材的切割精度难以保障。分析其原因归结于：在赛隆陶瓷靶材线切割过程中，赛隆陶瓷靶材接高频脉冲电源的正极，电极丝（如钼丝）接负极。当高频脉冲电源通电后，赛隆陶瓷靶材与移动着的电极丝之间需要产生脉冲性的火花放电，并在火花放电时瞬时产生高温热源，由此在赛隆陶瓷靶材上，与电极丝接触的触点部位被电腐蚀，实现赛隆陶瓷靶材的切割。

但现有赛隆陶瓷是介电材料，其导电、导热性能差。在线切割过程中，高频脉冲电源通电后，电流无法顺畅通过赛隆陶瓷靶材，因而在赛隆陶瓷靶材与电极丝之间无法产生足够的脉冲性的火花放电，对赛隆陶瓷靶材实现电腐蚀，实现赛隆陶瓷靶材顺利切割。

为此，本发明提供了一种赛隆陶瓷靶材的制作方法，获得具有良好导电和导热性的赛隆陶瓷靶材，提高赛隆陶瓷靶材的切割顺畅度和切割加工精度。

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，参考图1所示，执行步骤S1：提供包括氮化硅、氧化铝、氮化铝、助烧剂以及导电剂的原料粉末。上述原料粉末用于制作赛隆陶瓷靶材。

在后续制作过程中，氮化硅和氧化铝反应制作赛隆陶瓷。其中，如制作β-sialon时，氮化硅中的Z个Si-N被Z个Al-O取代；制作α-sialon时，氮化硅中的n个Si-N被n个Al-O取代，m个Si-N被m个Al-N取代，且后一个取代引起的电价不平衡由x个金属离子Me补偿。最终获得的赛隆陶瓷具体的结构根据不同的原料配合比例决定。而由α-sialon和β-sialon组成的复相赛隆陶瓷根据原料比例，同时发生上述反应。

所述助烧剂可选为La₂O₃、Y₂O₃以及Al₂O₃。

基于氮化硅是共价键型的材料，因而热压烧结过程中导致赛隆陶瓷难以致密。在原料中添入助烧剂后，在热压烧结过程中，部分助烧剂由固相转变为液相，从而通过液相烧结提高获得的赛隆陶瓷靶材的致密性。

本实施例中，所述助烧剂优选Y₂O₃。所述Y₂O₃呈液相后，与部分其他原料反应，并使得Y₂O₃和部分其他原料呈液相或是熔融状态，以促进烧结致密。

所述导电剂可改善获得的赛隆陶瓷靶材的导电性能。所述导电剂可选为金属化合物，进一步可选为金属氮化物，如TiN和TaN。在烧结过程中，导电剂通过"金属-N”键可以与原料组分如氮化铝、氮化硅相互连接，成为陶瓷靶材中的稳定相。

本实施例中，所述导电剂为TiN。

本实施例中，所述原料粉末中，氮化硅、氧化铝、氮化铝、助烧剂以及导电剂的重量含量为：45～60wt%、2～10wt%、2～5wt%、5～10wt%、30～45wt%。具体的比例按照实际需要获得的赛隆陶瓷的性能作具体配置。

本实施例中，所述原料粉末中各组分的颗粒粒径可选为2～3μm。

继续参考图1所示，执行步骤S2，将原料粉末混合均匀。

本实施例中，所采用的混合工艺可选为球磨工艺。

其中图2表示了球磨工艺，具体包括：将所述原料粉末10置于球磨罐20中，向所述球磨罐20添入分散介质（图中未显示）以及球磨介质30后，球磨16～24h，使所述原料粉末10中各组分混合均匀。

所述球磨介质30粒径远远大于各原料粉末粒径，球磨过程中，晃动所述球磨罐20，使得球磨介质30在所述原料粉末10中充分搅动，从而使得原料粉末中的各组分混合均匀。所述球磨介质30可选为氧化铝和氧化锆。

本实施例中，所述球磨介质30为氧化锆。

所述分散介质可选为醇类、芳香烃类等具有较小表面张力的物质，所述醇类包括乙醇、甘油等，所述芳香烃类物质包括苯、甲苯等。在球磨过程中，所述分散介质可有效降低原料粉末中各个颗粒间的粘附度，从而有效分散各原料小颗粒，使得原料粉末中各组分混合更为均匀。

本实施例中，所述分散介质为无水乙醇、甘油或是两者的混合物。

在将所述原料粉末各组分充分混合后，进行干燥处理，用于去除所述球磨工艺中向所述原料粉末10内添加的分散介质，从而获得干燥的原料粉末。

所述干燥处理工艺所采用的温度小于分散介质的沸点，在干燥处理过程中使分散介质慢慢挥发，避免基于分散介质沸腾而导致原料混合不均匀，从而对设备造成损伤，并致使赛隆陶瓷靶材制作工艺更繁琐。

本实施例中，采用无水乙醇、甘油或是两者的混合物作为分散介质，所述干燥处理工艺采用的温度为70～80℃。

继续参考图1所示，在干燥处理获得干燥的原料粉末后，执行步骤S3，进行热压烧结处理，形成赛隆陶瓷靶材。

具体采用热压烧结处理工艺形成赛隆陶瓷靶材的过程参考图3和图4。

如图3所示，将干燥后的原料粉末10装入石墨模具40后，将所述石墨模具40置于真空热压烧结炉50内，进行热压烧结处理。其中，所述石墨模具40结构根据所要形成的赛隆陶瓷靶材的结构设定。

如图4所示，经热压烧结处理后，制得赛隆陶瓷靶材11。

具体地，所述热压烧结处理工艺包括：

前期升温阶段：由室温起始起升温，调节所述真空热压烧结炉50的加热速率为5～10℃/min，直至所述真空热压烧结炉50的温度达至1200℃。该阶段中，原料粉末形态的不会出现太大的变化，以5～10℃/min的加热速率可使原料粉末各组分均匀受热，稳定升温；

之后，进入中期升温阶段，调节所述真空热压烧结炉50的加热速率1.5～3℃/min，可选为2℃/min左右。相对于所述前期升温阶段，该阶段中，放慢真空热压烧结炉的升温速率，直至1300～1400℃。在1200℃后逐渐升温过程中，Si₃N₄开始出现相变，这期间，1.5～3℃/min的加温速率可使得部分的α-Si₃N₄充分转变成β-Si₃N₄，其他组分与α-Si₃N₄和β-Si₃N₄结合形成包括α-sialon和β-sialon的赛隆陶瓷靶材，而且在上述条件下还可有效提高TiN和其他组分的结合强度，以提高赛隆陶瓷靶材的性能。

中期升温阶段中的，具体的升温终点以及升温速率可根据原料粉末中，各组分的含量而定。

最后，进入后期升温阶段。具体地，当1300～1400℃之后Si₃N₄完成相变转化，在由1300～1400℃升至1400～1700℃的后期升温过程中，可加快升温速率，以4～6℃/min的热速率加热至保温烧结温度1450～1700℃，使得原料各组分充分加热。

而在由室温逐步上升至保温烧结温度过程中，相应地逐步加强热压烧结炉50内的压力，直至所述热压烧结炉50内的压强至预设压强。

本实施例中，所述预设压强大于20MPa便可，进一步地可选为20～30MPa，所述加压速率可控制为0.3～0.5MPa/min，在不断加压期间，可有效去除原料中升温过程中产生的气体，同时逐步加压实现原料压制，从而有效提高最终形成的赛隆陶瓷靶材的致密性。

当所述真空热压烧结炉50内的温度达至1450～1700℃，压强达到预设压强后，保温保压加热4～7h，从而形成赛隆陶瓷靶材。

在热压烧结过程中，氧化钇与部分其他原料组分形成液相或熔融态后，氮化硅与氧化铝以及氮化铝反应，氮化硅中的Si-N被Al-O取代，Si-N被Al-N取代，且后一个取代引起的电价不平衡个钇离子补偿，从而形成赛隆陶瓷。而氮化钛则均匀地分布在赛隆陶瓷中，可有效改善制得的赛隆陶瓷靶材的导电性和导热性。

在大于1700℃条件下，氮化硅会受热分解成氧化硅以及氮气等形态，不仅降低了氮化硅和原料粉末中其他组分反应形成赛隆陶瓷的概率，而且氮气的出现会降低隆陶瓷靶材的致密度。本实施例中，在1450～1700℃条件下，配合大于20MPa的压强下进行加工作业，在确保获得赛隆陶瓷靶材的同时，有效抑制了氮化硅分解，从而提高获得的赛隆陶瓷靶材的质量。

通过上述逐步升温、升压的步骤，本实施例中，只需在1450～1700℃条件下，大于20MPa的条件下保温保压加热4～7h，便可获取致密度高达99%（测试方法：GB3850-83≈ISO3369-1975，致密烧结金属材料与硬质合金密度测定方法）的高致密度赛隆陶瓷靶材，其完全符合磁控溅射要求。相比于与现有的温度达到1900℃以上，压强达到50～60MPa的热压烧结制作赛隆陶瓷靶材的工艺，本实施例大大降低了赛隆陶瓷靶材的制作成本，以及对于设备的要求。

在本实施例中，在所述热压烧结处理过程中，还可向所述真空热压烧结炉50内通入保护气氛，以增强热压烧结处理过程的稳定性。

所述保护气氛可选为氮气、氩气、氦气等。

本实施例中，所述保护气体优选为氮气。在热压烧结过程中的高温条件下，氮化硅会出现分解反应生成氮气和氧化硅等组分。在向所述真空热压烧结炉50内通入氮气后，可通过加大氮气的含量促使氮化硅分解成生成氮气和氧化硅的反应平衡向逆方向进行，抑制氮化硅分解成氮气和氧化硅的反应。从而降低反应体系内的气体量，避免形成的赛隆陶瓷靶材出现针孔等缺陷，从而提高形成的赛隆陶瓷靶材的致密度。

需要说明的是，在其他实施例中，再将所述石墨模具40置于真空热压烧结炉50中进行热压烧结之前，可先对所述石墨模具40内的原料粉末10进行预先冷压处理，预先提高原料粉末10间的致密性。

通过本实施例提供的赛隆陶瓷靶材的制作方法制得的赛隆陶瓷靶材11，其致密度高达99%（测试方法：GB3850-83≈ISO3369-1975，致密烧结金属材料与硬质合金密度测定方法），且具有良好的导电、导热性能。从而在线丝切割工艺中，加强赛隆陶瓷靶材11与电极丝之间不断产生的脉冲性的火花放电效应，以加快赛隆陶瓷靶材11与电极丝的接触部位的蚀除，从而改善切割赛隆陶瓷靶材11的顺畅性，有效提高赛隆陶瓷靶材11的切割性能，进而提高赛隆陶瓷靶材11的机械加工精度。

虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (11)

1.一种赛隆陶瓷靶材的制作方法，其特征在于，包括：

提供包括氮化硅、氧化铝、氮化铝、助烧剂以及导电剂的原料粉末；所述导电剂为氮化钛或氮化钽；所述氮化硅、氧化铝、氮化铝、助烧剂以及导电剂的重量含量为：45～60wt％、2～10wt％、2～5wt％、5～10wt％、30～45wt％；

将所述原料粉末混合均匀后，进行热压烧结处理，形成赛隆陶瓷靶材。

2.根据权利要求1所述的赛隆陶瓷靶材的制作方法，其特征在于，所述热压烧结处理工艺包括：

以5～10℃/min的速率加热至1200℃；

之后，以1.5～3℃/min的速率加热至1300～1400℃；

之后，以4～6℃/min的速率加热至1450～1700℃；

以0.3～0.5MPa/min速率持续加压，至预设压强，所述预设压强大于20MPa；

并在温度为1450～1700℃，预设压强条件下保温保压加热4～7h。

3.根据权利要求2所述的赛隆陶瓷靶材的制作方法，其特征在于，所述预设压强大于20MPa且小于或等于30MPa。

4.根据权利要求1所述的赛隆陶瓷靶材的制作方法，其特征在于，所述热压烧结处理在保护气氛下进行。

5.根据权利要求4述的赛隆陶瓷靶材的制作方法，其特征在于，所述保护气氛包括Ar、He或是N₂气氛。

6.根据权利要求1所述的赛隆陶瓷靶材的制作方法，其特征在于，将原料粉末混合均匀的方法为球磨工艺。

7.根据权利要求6所述的赛隆陶瓷靶材的制作方法，其特征在于，所述球磨工艺包括：

将所述原料粉末置于球磨罐中，添入分散介质后，球磨16～24h。

8.根据权利要求7所述的赛隆陶瓷靶材的制作方法，其特征在于，所述球磨工艺包括：以氧化锆或氧化铝作为球磨介质。

9.根据权利要求7所述的赛隆陶瓷靶材的制作方法，其特征在于，所述分散介质为无水乙醇和/或甘油。

10.根据权利要求9所述的赛隆陶瓷靶材的制作方法，其特征在于，还包括：在所述球磨工艺后，对所述原料粉末进行干燥处理。

11.根据权利要求10所述的赛隆陶瓷靶材的制作方法，其特征在于，所述干燥处理的温度小于分散介质的沸点。