一種大尺寸高純鎢靶材及其生產方法
【專利摘要】本發明公開了一種半導體用Φ400以上大尺寸高純鎢靶材，直徑≥400mm，純度達到99.999%以上、致密度99.5%以上、晶粒度≤100μm；其制備包括：將純度99.999%以上、粒度2.2~2.6μm的鎢粉均勻混合；180~250MPa、5~10分鐘的冷等靜壓壓制成型；2300℃~2400℃、8~12小時的中頻感應燒結；1450~1550℃退火90~180分鐘后，經多道次熱軋至5~15mm厚度，熱軋總變形量大于60%；再經經1300~1400℃退火90~150分鐘后，進行機械加工，其上下表面的機械加工量均≥1.5mm；最終獲得的鎢靶材不僅性能優異，且工藝相對簡單，對設備的要求不高。
【專利說明】一種大尺寸高純鎢靶材及其生產方法
[0001]
【技術領域】
[0002]本發明涉及一種高純鎢靶材的生產方法，特別適用于大尺寸、半導體用高純鎢靶材的生產。
技術背景
[0003]濺射法是制備薄膜材料的主要技術之一，它通過高速運動的離子轟擊靶材，產生的原子放射出來累積在基體的表面，形成鍍膜，被轟擊的固體是用濺射法沉積薄膜的原材料，稱為濺射靶材。用靶材濺射沉積的薄膜具有致密度高，附著性好等優點。稀有金屬鎢由于具有熔點高、強度高、熱膨脹系數低、電阻率低、良好的熱穩定性等優點，已廣泛應用于半導體集成電路、太陽能光伏等濺射鍍膜領域。
[0004]鎢靶材在半導體領域主要用作集成電路擴散阻擋層和大型集成電路存儲器電極等。半導體集成電路對靶材的純度有著很高的要求，一般要求靶材的純度要在99.999%以上。同時，靶材的密實度也對鍍膜過程及膜層的性能有著重要的影響，靶材的密實度不僅影響濺射時的沉積速率、濺射膜粒子的密度和放電現象等，還影響著濺射薄膜的電學和光學性能。靶材越密實，濺射膜粒子的密越低，放電現象越弱，而薄膜的性能也越好。
[0005]由于其熔點高，鎢靶材主要通過粉末冶金方法制備。目前半導體用鎢靶材一般采用熱壓或熱等靜壓的工藝直接燒結成最終產品，而不進行后續壓力加工，所制備的鎢靶材密度可達到理論密度的99%左右。隨著半導體技術的迅猛發展，集成化程度越來越高，單位面積單晶硅片集成器件數呈指數級增長，主流的硅片尺寸已從12英寸(300mm)逐漸向18英寸(450_)發展，因而對濺射靶材的尺寸要求也越來越大。要采用熱等靜壓法生產更大尺寸的鎢靶材需要高昂的設備投入，同時產品的密度難以達到完全致密。
[0006]現有鎢靶材相關文獻和專利技術中，大部分都是采用熱壓或熱等靜壓直接生產鎢靶材而不通過熱加工工序，僅有中國專利申請201110433274.6公開了一項采用燒結+壓力加工的方法生產靶材的專利，該專利將熱壓法制備的鎢板坯采用不銹鋼套包覆并抽真空，然后進行鍛造和軋制等熱加工，以避免在空氣中直接進行壓力加工所可能產生的表面氧化和出現開裂等問題。該方法生產工藝復雜，不太適合大批量工業生產；同時，鎢板坯外面包覆的不銹鋼套經高溫加熱后進行熱軋變形時，由于其高溫強度低于鎢板坯，熱軋時主要是不銹鋼套發生變形，難以達到使鎢板坯均勻變形的目的。
【發明內容】
[0007]本發明針對現有技術不足，提供一種半導體用Φ400以上大尺寸高純鎢靶材的制備方法，該方法工藝簡單，對設備的要求不高，純度達到5N (99.999%)以上，產品致密度達到99.5%以上。
[0008]本發明的大尺寸高純鎢靶材，直徑≤400mm,純度達到99.999%以上、致密度99.5%以上、晶粒度(100 μ m。
[0009]本發明的大尺寸高純鎢靶材的生產方法，通過如下技術方案實現:
(1)將純度達到99.999%以上、粒度2.2~2.6 μ m的鎢粉進行均勻混合；
(2)采用18(T250MPa的壓制壓力、保壓5~10分鐘進行冷等靜壓壓制成型；
(3)在中頻感應燒結爐中，在2300°C~2400°C的范圍內燒結8~12小時；
(4)燒結后的鎢板坯在1450-l550°C退火90-180分鐘后，經多道次熱軋至5~15mm厚度，熱軋總變形量大于60% ；
(5)熱軋后的鎢板材經1300-l400°C退火90-150分鐘后，進行機械加工，其上下表面的機械加工量均≥1.5mm ;最終獲得的鎢靶材直徑≥400mm，純度達到99.999%以上、致密度99.5%以上、晶粒度≤100 μ m。
[0010]由于采用合適的原料、合理的工藝及參數，最終制備出密度達到18.3g/cm3以上的燒結鎢板坯，最終通過熱軋變形、退火和機加工制備出純度達到99.999%以上、致密度達到99.5%以上、晶粒尺寸小于100 μ m的半導體用大尺寸高純鎢靶材。該工藝通過熱加工工藝優化，同時對熱加工后的鎢板材留出合適的機加工余量，以避免熱加工過程中的表面氧化和微裂紋的影響。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0011]圖1是本發明實施例1制備的大尺寸鎢靶材表面金相組織圖；
圖2是本發明實施例2制備的大尺寸鎢靶材表面金相組織圖；
圖3是本發明實施例3制備的大尺寸鎢靶材表面金相組織圖。
【具體實施方式】
[0012]實施例1:選取粒度2.45 μ m，純度99.999%的鎢粉38.lkg，采用鋼芯模具經過等靜壓200MPa壓制保壓5分鐘后成形；在中頻爐燒結，燒結溫度為2350°C，燒結時間為10小時，制備出尺寸為47.3X201X218mm、密度為18.4g/cm3的燒結鎢板坯；鎢板坯經1500°C/90min退火后，通過多道次熱軋成尺寸為11.1 X425X419mm、密度為19.27g/cm3(致密度99.6%)的熱軋鎢板，熱軋總變形量為76.5% ;熱軋鎢板經1350°C /120min退火后，進行車、銑、磨等機械加工，其上、下表面的機械加工量分別為1.9和2.2mm ;最終加工出Φ400±0.1Χ7±0.Imm鎢靶材，經測定，其表面平均晶粒尺寸為64 μ m，表面晶粒組織如圖1所示，晶粒組織均勻；其純度99.999%、密度19.27g/cm3、致密度99.6%。
[0013]實施例2:選取粒度2.6 μ m，純度99.999%的鎢粉54.5kg，采用鋼芯模具經過等靜壓250MPa壓制保壓8分鐘后成形；在中頻爐燒結，燒結溫度為2400°C，燒結時間為8小時，制備出尺寸為60.7X223X219mm、密度為18.4g/cm3的燒結鎢板坯；鎢板坯經15500C /120min退火后，通過多道次熱軋成尺寸為12.3X476X483_、密度為19.28g/cm3(致密度99.6%)的熱軋鎢板，熱軋總變形量為79.7% ;熱軋鎢板經1400°C /90min退火后，進行車、銑、磨等機械加工，其上、下表面的機械加工量分別為2.1和2.2mm ;最終加工出Φ450 + 0.1X8 + 0.1mm鎢靶材，經測定，其表面平均晶粒尺寸為58 μ m，表面晶粒組織如圖2所示，晶粒組織均勻；其純度99.999%、密度19.28g/cm3、致密度99.6%。
[0014]實施例3:選取粒度2.2 μ m，純度99.999%的鎢粉64.3kg，采用鋼芯模具經過等靜壓ISOMPa壓制保壓10分鐘后成形；在中頻爐燒結，燒結溫度為2300°C，燒結時間為12小時，制備出尺寸為64.3X235X230mm、密度為18.5g/cm3的燒結鎢板坯；鎢板坯經14500C /180min退火后，通過多道次熱軋成尺寸為12.1 X 527 X 521_、密度為19.30g/cm3(致密度99.7%)的熱軋鎢板，熱軋總變形量為81.2% ;熱軋鎢板經1300°C /150min退火后，進行車、銑、磨等機械加工，其上、下表面的機械加工量分別為2.0和2.1mm ;最終加工出Φ500 + 0.1X8 + 0.1mm鎢靶材，經測定，其表面平均晶粒尺寸為47 μ m，表面晶粒組織如圖3所示，晶粒組織均勻；其純度99.99`9%、密度19.30g/cm3、致密度99.7%。
【權利要求】
1.一種大尺寸高純鎢靶材，直徑≥400mm,純度達到99.999%以上、致密度99.5%以上、晶粒度< 100 μ m。
2.根據權利要求1所述的大尺寸高純鎢靶材，其特征是:所述直徑400mm，純度達到，99.999%、致密度 99.6%、晶粒度 64 μ m。
3.根據權利要求1所述的大尺寸高純鎢靶材，其特征是:所述直徑450mm，純度達到，99.999%、致密度 99.6%、晶粒度 58 μ m。
4.根據權利要求1所述的大尺寸高純鎢靶材，其特征是:所述直徑400mm，純度達到，99.999%、致密度 99.7%、晶粒度 47 μ m。
5.如權利要求1所述的大尺寸高純鎢靶材的生產方法,依次包括: (1)將純度達到99.999%以上、粒度2.2^2.6 μ m的鎢粉進行均勻混合； (2)采用18(T250MPa的壓制壓力、保壓5~10分鐘進行冷等靜壓壓制成型； (3)在中頻感應燒結爐中，在2300°C~2400°C的范圍內燒結8~12小時； (4)燒結后的鎢板坯在145(Tl550°C退火90-180分鐘后，經多道次熱軋至5~15mm厚度，熱軋總變形量大于60% ； (5)熱軋后的鎢板材經130(Tl40(rC退火90-150分鐘后，進行機械加工，其上下表面的機械加工量均≤1.5mm ;最終獲得的鎢靶材直徑≥400mm，純度達到99.999%以上、致密度99.5%以上、晶粒度≤100 μ m。
6.根據權利要求1所述的大尺寸高純鎢靶材的生產方法，其特征是:所述鎢粉純度，99.999%，粒度為2.45 μ m ;所述壓制壓力為200MPa，保壓時間為5分鐘；所述燒結溫度為，2350°C，時間為10小時；所述燒結后的鎢板坯退火溫度為1500°C，時間為90分鐘；所述經多道次熱軋后的板還厚度為11.1mm,熱軋總變形量為76.5% ;所述熱軋后退火溫度為，1350°C，時間為120分鐘；所述機械加工上下表面余量分別為1.9,2.2mm ;最終獲得的鎢靶材直徑為400mm，純度達到99.999%、致密度99.6%、晶粒度64 μ m。
7.根據權利要求1所述的大尺寸高純鎢靶材的生產方法，其特征是:所述鎢粉純度99.999%，粒度為2.6μπι;所述壓制壓力為250MPa，保壓時間為8分鐘；所述燒結溫度為，2400°C，時間為8小時；所述燒結后的鎢板坯退火溫度為1550°C，時間為120分鐘；所述經多道次熱軋后的板還厚度為12.3mm,熱軋總變形量為79.7% ;所述熱軋后退火溫度為14000C，時間為90分鐘；所述機械加工上下表面余量分別為2.1、2.2mm ;最終獲得的鎢靶材直徑450mm，純度達到99.999%、致密度99.6%、晶粒度58 μ m。
8.根據權利要求1所述的大尺寸高純鎢靶材的生產方法，其特征是:所述鎢粉純度，99.999%，粒度為2.2μπι;所述壓制壓力為180MPa，保壓時間為10分鐘；所述燒結溫度為2300°C，時間為12小時；所述燒結后的鎢板坯退火溫度為1450°C，時間為180分鐘；所述經多道次熱軋后的板還厚度為12.1mm,熱軋總變形量為81.2% ;所述熱軋后退火溫度為，1300°C，時間為150分鐘；所述機械加工上下表面余量分別為2.0,2.1mm ;最終獲得的鎢靶材直徑為500mm，純度達到99.999%、致密度99.7%、晶粒度47 μ m。
【文檔編號】C23C14/34GK103805952SQ201310670912
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年12月12日 優先權日:2013年12月12日
【發明者】魏修宇, 黃江波, 龍堅戰, 張外平, 李光宗, 夏艷成, 常理, 宋立強 申請人:株洲硬質合金集團有限公司