鎢鈦管靶的制造方法與流程

本發明涉及半導體領域，尤其涉及一種鎢鈦管靶的制造方法。

背景技術：

近年來，隨著濺射靶材和濺射技術的日益發展，濺射靶材在濺射技術中起到了越來越重要的作用，濺射靶材的質量直接影響到了濺射后的成膜質量。濺射靶材主要分為平面靶材和管靶，所述管靶通常由濺射靶材和背管組成，與平面靶相比，管靶的利用率更高且濺射后成膜質量更好，在靶材市場具有巨大的發展潛力。

鎢鈦靶材是一種比較典型的合金靶材，鎢鈦合金具有低電阻系數，良好的熱穩定性和抗氧化性；同時，304不銹鋼具有耐高溫800℃，加工性能好，韌性高的特點，因此以鎢、鈦混合粉末作為濺射靶材的原料，304不銹鋼作為背管，由這兩種原料制成的鎢鈦管靶已成為半導體領域用量較大的靶材之一。就目前而言，用于半導體制造用的鎢鈦管靶不僅對致密性、硬度和可加工型有很高的要求，同時對材料的內部組織均勻性也有著很高的要求。

管靶的制造方法有很多，早期主要采用澆鑄冶金。澆鑄冶金為直接將濺射靶材澆鑄到背板上，該方法只能用于熔點較低的靶材材料，而半導體濺射靶材制造用的鎢及鎢合金、Cr、Mo和ITO等靶材材料熔點較高，采用熔鑄冶金的方法成本將大大提高。其次，一般澆鑄工藝過程中靶材材料在各個方向的溫度并不相同，容易發生偏析現象，導致形成的靶材成分不均勻。為了克服這個問題，行業內出現了采用粉末冶金的方法實現鎢鈦靶材的制造，所述粉末冶金是通過制取金屬粉末(添加或不添加非金屬粉末)，實施成形和燒結，制成材料或制品的加工方法。粉末冶金具有獨特的化學組成和機械、物理性能，且該工藝相比澆鑄冶金的管靶成型溫度更低，溫度一般為靶材材料熔點的60％至70％，這些性能可以實現傳統的澆鑄工藝無法制成的多孔、半致密或全致密的，微觀組織均勻的可用于半導體靶材制作的鎢鈦管靶。

在具體的粉末冶金工藝中，一般采用熱壓燒結工藝。所述熱壓燒結工藝 具體為將準備好的粉末裝在特定模具中，然后置于真空熱壓爐中，在真空或者惰性氣體條件下，使用壓力機，通過上下兩個壓頭作用于模具上，邊升溫邊加壓，直至壓力和溫度均達到設定值，在設定的壓力和溫度條件下保持一段時間后隨爐冷卻，出爐。

然而，在實現熱壓燒結過程中，需要根據鎢鈦管靶的尺寸設計相配套的模具，鎢鈦管靶尺寸收到模具尺寸和強度的限制，此模具比較昂貴且較易損耗。此外，熱壓燒結過程中時單軸向加壓，其作用方向僅為單一方向，采用該方法制成的鎢鈦管靶的內部組織結構的均勻性較差、致密度較低，無法滿足要求越來越高的濺射工藝。

因此根據上述情況，有必要提出一種新的鎢鈦管靶的制作方法，以克服現有技術的缺陷。

技術實現要素：

本發明解決的問題是提供一種新的鎢鈦管靶的制作方法，從而提高半導體用鎢鈦管靶的致密度和組織結構均勻性。

為解決上述問題，本發明提供一種鎢鈦管靶的制作方法。包括如下步驟：

提供鎢、鈦混合粉末和不銹鋼；

對所述鎢、鈦混合粉末和所述不銹鋼進行冷等靜壓工藝，形成鎢、鈦混合粉末和不銹鋼初始坯料；

將所述鎢、鈦混合粉末和不銹鋼初始坯料裝入真空包套并對所述真空包套抽真空后，對所述鎢、鈦混合粉末和不銹鋼初始坯料進行熱等靜壓工藝，形成鎢鈦合金；

去除所述真空包套，獲得以所述鎢鈦合金為靶材、以所述不銹鋼為背板的鎢鈦管靶。

可選的，所述冷等靜壓工藝的工藝溫度為25℃至200℃，環境壓強為150MPa至160MPa，在所述工藝溫度和環境壓強下的工藝時間為10分鐘至30分鐘。

可選的，所述熱等靜壓工藝包括加熱工藝和熱等靜壓燒結工藝。

可選的，所述加熱工藝的工藝溫度為250℃至500℃，在該溫度下保溫3小時至4小時。

可選的，所述熱等靜壓燒結工藝的工藝溫度為1050℃至1200℃，環境壓強為150MPa至180MPa，在所述工藝溫度和環境壓強下的工藝時間為3小時至6小時。

可選的，對所述真空包套抽真空的過程中，所述真空包套的真空度至少為2E-3Pa，且在所述熱等靜壓工藝過程中使所述真空包套保持封死狀態。

可選的，將所述冷等靜壓后的鎢、鈦混合粉末和不銹鋼初始坯料裝入真空包套后，對所述真空包套抽真空之前，所述制造方法還包括：采用氬弧焊接的方式封死所述真空包套；在所述真空包套引出一脫氣管；

所述抽真空步驟通過所述脫氣管對真空包套進行抽真空。

可選的，去除所述真空包套前，還包括：對所述真空包套進行去壓冷卻。

可選的，提供鎢、鈦混合粉末的步驟包括：提供鎢粉和鈦粉；采用混粉機對鎢、鈦粉末進行機械混合。

可選的，所述鎢粉和鈦粉的質量比為8.95:1至9.05:1。

可選的，提供鎢、鈦混合粉末的步驟還包括：在用混粉機進行機械混合前，向混粉機內充入惰性氣體使混粉機內達到正壓。

可選的，將鎢粉和鈦粉用混粉機進行機械混合的過程中，向混粉機中加入介質球，所述介質球為鈦球或鎢球。

可選的，所述介質球和所述鎢、鈦混合粉末的質量比為2.5：1至3.5：1。

與現有技術相比，本發明的技術方案具有以下優點：先采用冷等靜壓工藝對鎢、鈦混合粉末和不銹鋼進行首次致密化和預成型，形成致密度在60％左右的鎢、鈦混合粉末和不銹鋼初始坯料，使后續的熱等靜壓工藝對鎢、鈦混合粉末和不銹鋼初始坯料可以進行更好的致密；然后對鎢、鈦混合粉末和不銹鋼初始坯料進行熱等靜壓工藝，所述熱等靜壓工藝包括：先將所述鎢、鈦混合粉末和不銹鋼初始坯料裝入真空包套中并將所述真空包套抽真空，再通過向所述真空包套施加各向均等且全方位的氣體壓力以對所述鎢、鈦混合 粉末和不銹鋼初始坯料進行熱等靜壓燒結工藝。通過所述熱等靜壓工藝，最終獲得致密的、內部結構均勻的、接近所需形狀的管靶。

進一步，采用上述方法形成鎢鈦管靶的過程中，采用真空包套而非模具，且所述包套大小無限制，避免了管靶尺寸受到模具尺寸和強度限制的問題。

更進一步，在冷等靜壓工藝前采用混粉機對鎢、鈦粉末進行機械混合，使所述鎢、鈦粉末更均勻地混合在一起，制備出成分均勻、無偏析的鎢、鈦混合粉末，有效解決了鎢、鈦混合粉末因鎢粉和鈦粉的密度相差較大而引起的偏析分層現象，提高了靶材材料的工藝性能和機械性能。

附圖說明

圖1是本發明實施例的鎢鈦管靶的制作方法的流程示意圖；

圖2是本發明實施例的鎢鈦管靶的制作方法中冷等靜壓工藝的工藝原理圖；

圖3是本發明實施例的鎢鈦管靶的制作方法中真空包套模具的組裝示意圖；

圖4是本發明實施例的鎢鈦管靶的制作方法中熱等靜壓工藝的工藝原理圖。

具體實施方式

在鎢鈦管靶制造工藝中，采用熱壓燒結的方法，需要根據鎢鈦管靶的尺寸設計相配套的模具，因此鎢鈦管靶尺寸收到模具尺寸和強度的限制，此模具比較昂貴且較易損耗。此外，熱壓燒結過程中時單軸向加壓，其作用方向僅為單一方向，采用該方法制成的鎢鈦管靶的內部組織結構的均勻性較差、致密度較低，無法滿足要求越來越高的濺射工藝。

為了使所述鎢鈦管靶的致密度更高、組織結構更均勻，且避免鎢鈦管靶尺寸受到模具尺寸和強度限制的問題，本發明的發明人先對鎢、鈦混合粉末和不銹鋼進行冷等靜壓工藝，形成半致密性且預成型的鎢、鈦混合粉末和不銹鋼初始坯料后，再對所述鎢、鈦混合粉末和不銹鋼初始坯料進行熱等靜壓工藝，獲得致密的、內部結構均勻的鎢鈦管靶。此外，所述熱等靜壓工藝采 用的是真空包套而非模具，避免了鎢鈦管靶尺寸受到模具尺寸和強度限制的問題。

為使本發明的上述目的、特征和優點能夠更為明顯易懂，下面結合附圖對本發明的具體實施例做詳細的說明。

請參考圖1，圖1是本發明實施例的鎢鈦管靶的制作方法一實施例的流程示意圖，本實施例鎢鈦管靶的制作方法包括以下基本步驟：

步驟S1：提供鎢粉、鈦粉和不銹鋼；

步驟S2：將鎢粉與鈦粉進行混合，形成鎢、鈦混合粉末；

步驟S3：對鎢、鈦混合粉末及不銹鋼進行冷等靜壓工藝，形成鎢、鈦混合粉末和不銹鋼初始坯料；

步驟S4：將冷等靜壓后的鎢、鈦混合粉末和不銹鋼初始坯料裝入真空包套內，然后對所述真空包套進行抽真空；

步驟S5：對抽真空后的真空包套進行加熱并保溫，完成再次致密化；

步驟S6：對完成再次致密化的鎢、鈦混合粉末和不銹鋼初始坯料進行熱等靜壓燒結工藝；

步驟S7：對真空包套進行去壓冷卻；

步驟S8：去除真空包套，獲得鎢鈦靶管。

為了更好地說明本發明實施例的鎢鈦管靶的制作方法，下面將結合參考圖2至圖4，對本發明的具體實施例做進一步的描述。

首先步驟S1，提供鎢粉、鈦粉和不銹鋼。

本實施例中，所述鎢粉和鈦粉均為純度99.9％以上的高純粉末，且所述鎢粉和鈦粉的質量比為8.95:1至9.05:1。所述鎢粉的粒度為4μm至5μm，所述鈦粉的粒度為40μm至45μm。

需要說明的是，由于在制備鎢粉和鈦粉時采用的篩網的篩眼大小為45μm，因此通過該篩目的粉末其粒度均小于45μm。

本實施例中，所采用的不銹鋼的材料為304不銹鋼且為實體結構，該不 銹鋼耐高溫800℃以上，具有加工性能好，韌性高的特點。通過車削等機械加工工藝，將所述304不銹鋼材料加工成滿足最終成品需求的不銹鋼。

接著執行步驟S2，將鎢粉與鈦粉進行混合，形成鎢、鈦混合粉末。

本實施例中，形成所述鎢、鈦混合粉末的具體工藝為將鎢粉和鈦粉按照質量比為8.95:1至9.05:1的比例用混粉機進行機械混合，具體質量比根據管靶的尺寸而定。

所述機械混合的混合時間為23小時至25小時。當所述機械混合的混合時間少于23小時時，由于所述鎢粉和鈦粉的混合還不夠均勻，容易引起所述鎢、鈦混合粉末因鎢粉和鈦粉的密度相差較大而引起的偏析分層現象，進而降低靶材材料的工藝性能和機械性能；當所述機械混合的混合時間多于25小時時，由于所述鎢粉和鈦粉已經充分且均勻混合，不會再產生作用，浪費工藝時間，增加工藝成本。

本實施例中，所述混粉工藝采用干混法。在進行所述鎢粉和鈦粉的混合前，本實施例還向混粉機內充入惰性氣體使混粉機內達到正壓，以排除混粉機腔體內的空氣，這樣可以防止混粉過程中所述鎢粉和鈦粉發生氧化。本實施例中采用的惰性氣體為氬氣，在混合過程中保證氬氣充滿混粉機腔體，且所述氬氣的壓力大于大氣壓，以免空氣滲入混粉機腔體內

為了更好的將鎢粉和鈦粉混合均勻，在進行所述鎢粉和鈦粉的混合過程中，加入介質球，混粉均勻后，將所述介質球取出。本實施例中，為了防止引入其他雜質，所述介質球的材料與鎢粉或鈦粉材質相同，即所述介質球為鈦球或鎢球。當所述介質球為鈦球時，所述鈦球和所述鎢、鈦混合粉末的質量比為2.5：1至3.5：1；當所述介質球為鎢球時，所述鎢球和所述鎢、鈦混合粉末的質量比為2.5：1至3.5：1。

結合參考圖2，執行步驟S3，將鎢、鈦混合粉末201裝入空心模具內，模具中心放置不銹鋼202，置入冷等靜壓機內，通過向所述模具施加來自各個方向的壓力，對所述鎢、鈦混合粉末201和不銹鋼202進行冷等靜壓工藝，完成首次致密化，形成鎢、鈦混合粉末和不銹鋼初始坯料203。

本實施例中，所述冷等靜壓工藝的工藝溫度為常溫25℃至200℃，所述 冷等靜壓工藝過程中對所述模具施加的壓力為150MPa至160MPa，在所述工藝溫度和壓力下的工藝時間為10分鐘至30分鐘，由于所述冷等靜壓工藝各方向的溫度、壓力均相同，通過該工藝預先成型，得到致密度約為60％左右的半致密的鎢、鈦混合粉末和不銹鋼初始坯料203，同時使后續成型工藝可以更好的致密。

當環境壓強低于150MPa或工藝時間少于10分鐘時，由于壓力不夠或施加壓力的時間不夠長，無法達到半致密的鎢、鈦混合粉末和不銹鋼初始坯料203。由于冷等靜壓工藝的工藝溫度為室溫，在該溫度下冷等靜壓產品達到一定致密度后增加壓力或工藝時間難以進一步致密，因此壓力高于160MPa或工藝時間多于30分鐘已經不產生作用，使成本變大的同時浪費工藝時間。

結合參考圖3，執行步驟S4，將冷等靜壓好的鎢、鈦混合粉末和不銹鋼初始坯料203裝入包套301內，封死所述包套301，所述包套301引出一個脫氣管305并通過該脫氣管305抽真空，形成真空包套301'。

本實施例中，所述包套301包括包套薄壁302、包套下蓋板303和包套上蓋板304；所述包套301采用的是厚度為2mm至3mm的不銹鋼焊接成型。該不銹鋼材質的包套強度較大，可以防止在后續工藝的受熱條件下所述包套發生形變或開裂。

本實施例中，通過氬弧焊接的方式先將所述包套薄壁302和包套下蓋板303進行焊接，然后將冷等靜壓好的鎢、鈦混合粉末和不銹鋼初始坯料203裝入未焊接所述包套上蓋板304的包套內，蓋上包套上蓋板304后再通過氬弧焊接的方式將包套301焊接至所述包套薄壁302的上表面，使所述包套301被封死。

所述包套301引出一個脫氣管305，將脫氣管305與真空設備相連，將裝有鎢、鈦混合粉末和不銹鋼初始坯料203的包套301放置在加熱爐中，開啟真空設備對所述包套301抽真空形成真空包套301'，使所述真空包套301'內的真空度達到2E-3Pa。

結合參考圖3，執行步驟S5，對所述抽真空后的真空包套301'進行加熱并保溫，完成再次致密化。

本實施例中，當所述真空包套301'內的真空度達到2E-3Pa時，啟動加熱爐對所述真空包套301'進行加熱；將所述真空包套301'由室溫加熱至250℃至500℃后，在該溫度下保溫3小時至4小時,完成再次致密化，形成致密度更好的鎢、鈦混合粉末和不銹鋼初始坯料203。

在加熱爐升溫及保溫過程中，真空設備一直處于開啟狀態，從而使所述真空包套301'內的真空度始終至少維持在2E-3Pa；保溫結束后，從加熱爐中取出所述真空包套301'，在繼續保持其內部真空的狀態下封閉所述脫氣管305，使所述真空包套301'內部形成一個密閉的真空環境。

結合參考圖4，執行步驟S6，對鎢、鈦混合粉末和不銹鋼初始坯料203進行熱等靜壓燒結工藝。

本實施例中，將裝有鎢、鈦混合粉末和不銹鋼初始坯料203且閉氣好的真空包套301'放置在熱等靜壓爐中，先進行升溫升壓，使工藝溫度達到1050℃至1200℃、環境壓強達到150MPa至180MPa，使所述真空包套301'受到來自各向均等且全方位的150MPa至180MPa的氣體壓力；在升溫升壓步驟之后，在所述工藝溫度和環境壓強下保溫3小時至6小時。

本實施例中，將工藝溫度、環境壓強和保溫時間做了最優化的搭配。

當所述工藝溫度低于1050℃時，由于溫度不夠，導致所述鎢、鈦混合粉末和不銹鋼初始坯料203的各材料之間無法徹底地進行擴散，影響燒結成型后的鎢鈦管靶質量；當所述工藝溫度高于1200℃時，過高的工藝溫度使所述真空包套301'處于惡劣的環境中，容易引起真空包套301'的形變或開裂，更甚者可能會使所述真空包套301'熔化或者使所述真空包套301'與所述鎢、鈦混合粉末發生反應，引起鎢鈦管靶的報廢。

當所述環境壓強小于150MPa時，由于在所述真空包套301'上施加的力不夠大，導致所述鎢、鈦混合粉末和不銹鋼初始坯料203無法徹底地燒結成型，且最終獲得的鎢鈦管靶的致密度較差；當所述環境壓強大于180MPa時，對于已經完成最好的燒結成型的所述鎢、鈦混合粉末和不銹鋼初始坯料203，難以進一步致密，再提高環境壓強對獲得致密度高、內部結構均勻的鎢鈦管靶已經沒有意義，反而浪費能源，甚至過高的環境壓強可能使所述真空包套301' 發生形變或開裂。

當所述保溫時間少于3小時時，由于在適當溫度和壓強下施加壓力的時間不夠長，導致所述鎢、鈦混合粉末和不銹鋼初始坯料203無法完全燒結成型，獲得的鎢鈦管靶的致密度較差；當保溫時間多于6小時時，對于已經完成最好的燒結成型的所述鎢、鈦混合粉末和不銹鋼初始坯料203，難以進一步致密，再增加保溫時間反而浪費能源、降低鎢鈦管靶的制造效率。

需要說明的是，升溫升壓的過程中，升溫速率可以為250℃/H至350℃/H，升壓速率可以為20MPa/H至30MPa/H。

當升溫速率高于350℃/H時，熱等靜壓爐內的爐溫不容易擴散，導致熱等靜壓爐內的溫度不均勻，產生爐溫偏差，影響所述鎢、鈦混合粉末和不銹鋼初始坯料203的燒結成型；當升溫速率低于250℃時，升溫時間過長，造成工藝時間加長，生產效率降低，生產成本變高，因此所述升溫速率優選為250℃/H至350℃/H。為了配合所述升溫速率，所述升壓速率優選為20MPa/H至30MPa/H，使所述工藝溫度和環境壓強幾乎在同一時間內達到設定值。

執行步驟S7，對所述真空包套301'(如圖3所示)進行去壓冷卻。

本實施例中，所述鎢、鈦混合粉末和不銹鋼初始坯料203完成熱等靜壓成型后，關閉熱等靜壓爐，使所述真空包套301'(如圖3所示)隨爐自然冷卻至室溫25℃至200℃，這種方法避免了溫度的驟降，使得成型后的鎢鈦合金靶材更加堅實。

執行步驟S8，去除所述真空包套301'(如圖3所示)，獲得所述鎢鈦合金靶材和不銹鋼背管構成的鎢鈦管靶。

將所述真空包套301'(如圖3所示)隨爐冷卻后，通過車削加工等機加工藝將所述鎢鈦靶材表面的包套材料去除，獲得以所述鎢鈦合金為靶材、以所述304不銹鋼為背管的鎢鈦管靶。

雖然本發明己以較佳實施例披露如上，但本發明并非限定于此。任何本領域技術人員，在不脫離本發明的精神和范圍內，均可作各種更動與修改，因此本發明的保護范圍應當以權利要求所限定的范圍為準。