一種採用冷等靜壓和液相燒結製備W-10Ti合金靶材的方法

2023-10-24 05:30:12 2

專利名稱：一種採用冷等靜壓和液相燒結製備W-10Ti合金靶材的方法
一種採用冷等靜壓和液相燒結製備W-IOTi合金靶材的方法技術領域
本發明屬於冶金製備技術領域，具體涉及一種W-IOTi合金靶材的製備方法。
背景技術：
Ti的質量分數為10% 30%的W-Ti合金擴散阻擋層在集成電路Cu和Ag布線技 術中具有較為廣泛地應用。W-Ti合金靶材的緻密度、相組成直接影響W-Ti濺射薄膜性 能，為此如何製備高質量的W-Ti合金靶材已成為人們的研究熱點。目前，W-Ti合金靶 材主要的製備方法有熱壓法和熱等靜壓法。熱壓法製備出的靶材受熱壓模具尺寸限制， 且存在著溫度分布不均的現象，影響合金組織的均勻性；而熱等靜壓法雖然可以得到致 密度接近100%的靶材，但因設備複雜，成本較高而未投入到大量的實際生產中去。因此 開發出一種成本較低、合金組織均勻且性能優越的W-Ti合金靶材的製備方法具有現實意 義。發明內容
本發明的目的是提供一種採用冷等靜壓和液相燒結製備W-IOTi合金靶材的方 法，解決了現有方法製備出的W-IOTi合金緻密度低、組織不均勻、性能差且製備成本高 的問題。
本發明所採用的技術方案是，一種採用冷等靜壓和液相燒結製備W-IOTi合金靶 材的方法，該方法包括以下操作步驟步驟1，粉末的配比按照W-IOTi合金的化學成分質量百分比為W: Ti=90 % 10%的比例分別稱取純度 高於99.9%的級配W粉和純度高於96.7%的TiH2粉；其中，上述級配W粉是按照1 : 1 或者1 2或者1:3的比例，對納米級W粉與微米級W粉進行級配而成； 步驟2，混粉將步驟1得到的TiH2粉末與級配W粉進行充分混合，混粉時間為冊； 步驟3，壓坯將步驟2得到的混合後的粉末裝入冷等靜壓模具中，採用冷等靜壓機壓制坯料，其 中，壓制壓力為210-260 MPa，保壓時間為3_6min ；步驟4，燒結將步驟3得到的壓坯置於高溫真空燒結爐中，先對爐內抽真空，保證爐體內的真 空度小於10_3帕；然後對爐內進行加熱，控制加熱速度為10°C/min，當爐內溫度達 到600-700°C時，保溫30-60min;再以10°C/min的加熱速度繼續升溫，最終燒結溫度 1800-1860°C,保溫90-120min後，隨爐自然冷卻到室溫後，完成燒結，得到W-lOTi合步驟5，機加工最後對步驟4得到的W-IOTi合金進行機加工，使之成為W-IOTi靶材成品。
其中，步驟3中使用的冷等靜壓模具為橡膠包套。
其中，步驟中控制W-IOTi合金中雜質C、N和O的含量不高於1000 ppm。
本發明W-IOTi合金靶材的製備方法製備成本較低，工藝簡單，容易實施，且制 得的W-IOTi合金靶材的合金組織均勻、單相富鎢固溶體多且緻密度高。


圖1是本發明製備方法的流程圖；圖2是本發明實施例1合金燒結後的SEM照片； 圖3是本發明實施例1合金燒結後的XRD圖譜；圖4中，a是本發明實施例1合金燒結後的線掃描照片；b是a圖中橫線處W、Ti元 素的濃度分布曲線圖；圖5是本發明實施例2合金燒結後的SEM照片。
具體實施方式
下面結合附圖和具體實施方式
對本發明進行詳細說明。
如圖1所示，為本發明製備W-IOTi合金靶材的流程圖，其具體步驟為 步驟1，粉末的配比按照W-IOTi合金的化學成分質量百分比為W: Ti=90 % 10%的比例分別稱取純度 高於99.9%的級配W粉和純度高於96.7%的TiH2粉；其中，上述級配W粉是按照1 : 1 或者1 2或者1:3的比例，對納米級W粉與微米級W粉進行級配而成。
其中，常用的納米級W粉的平均粒徑為300nm,微米級W粉的平均粒徑為6 μ m, TiH2粉的平均粒徑為44 μ m。
步驟2，混粉將步驟1得到的TiH2粉末與級配W粉進行充分混合，混粉時間為冊。
步驟3，壓坯將步驟2得到的混合好的粉末裝入冷等靜壓模具中，密封后採用冷等靜壓機壓制坯 料，其中，壓制壓力為210-260 MPa，保壓時間為3-6min。使用的冷等靜壓模具為橡膠 包套。
步驟4，燒結將步驟3得到的壓坯置於高溫真空燒結爐中，先對爐內抽真空，保證爐體內的真空 度小於10_3帕；然後對爐內壓坯進行加熱，控制加熱速度為10°C/min，當爐內溫度達 到600-700°C時，保溫30-60min;再以10°C/min的加熱速度繼續升溫，最終燒結溫度 1800-1860°C,保溫90-120min後，隨爐自然冷卻到室溫後，完成燒結，得到W-lOTi合金。
步驟5，機加工最後對步驟4得到的W-IOTi合金進行機加工，先線切割成規定尺寸的圓片，再用磨 床磨成符合尺寸精度的W-IOTi靶材成品。
在上述各步驟中，控制W-IOTi合金中雜質C、N和O的含量不高於1000 ppm。
TiH2作為摻雜摻到W粉中，由於含量少(質量分數僅為10 %)，並且TiH2的粒 度較大(44μιη)，因而W顆粒會包裹在TiH2顆粒周圍。在質量一定的情況下，一種粉 體粒子的數量與單個粒子的體積成反比，而體積正比於粒徑的3次方。可見，粒子的數 量將與粒徑的3次方成反比，顯然當採取納米級W顆粒燒結時，粒徑減小了 100倍，數 目相當與增加了 1000000倍，因此TiH2顆粒周圍的W顆粒數目將遠遠多於採取微米級W 粉燒結時的W顆粒數目，納米級W顆粒包裹的緊密度也將遠遠高於微米級W顆粒包裹 的緊密度；未燒結前所壓制的壓坯緻密度就比較高。
在燒結的低溫階段，首先是TiH2W分解，從TiH2中分解出來的活性Ti就有很高 的能量和大量的空位，使W和Ti之間的擴散更加容易發生並且進行的更加充分，促進了 W和Ti之間的互擴散，隨著溫度的升高形成W骨架。常規微米級鎢粉一般要經過1900 2000°C預燒才能得到相對密度為89% 90%的坯體。由於納米級W粉活性大可使燒結 緻密化骨架的溫度降低600 700 °C，納米級W粉在1000 1300°C收縮速度最快，從而使 壓坯的密度有大幅度提高。
當全部採取微米級W粉進行燒結時，在Ti的熔點以下燒結後，W骨架緻密度不 高且孔隙較多。當達到Ti的熔點以上溫度時，由於W骨架中有較多開孔孔隙，Ti液在 毛細管力的作用下填充到W骨架孔隙中，並通過液相擴散形成了較多的且含鈦量高的富 鎢固溶體(這是W-Ti靶材所需要的)，但因微米級W骨架本身燒結緻密度不高而在組織 中留下較多孔洞。
如果全部採用納米W粉進行燒結，在Ti的熔點(1668°C)以下1000°C燒結， W顆粒早已燒結成緻密度很高的W骨架，骨架中形成許多閉孔。當達到Ti的熔點以上 時，僅有一小部分的Ti液流入W骨架之間的開孔隙中，通過液相擴散形成了含鈦量較低 的富鎢固溶體，剩餘的大部分Ti液由於與小的W顆粒溶解，形成了富鈦固溶體(這種相 的存在對W-Ti靶材是不利的)。
通過級配不同粒度的W粉後，採用冷等靜壓壓制後，壓坯密度比較均勻且緻密 度高，在Ti的熔點以下燒結後，W骨架的緻密度比較適中，骨架孔隙開孔較多，當溫度 升到Ti的熔點以上後，大量的Ti液可以很順暢地流到W骨架的孔隙中，所以形成的富鎢 固溶體較多而使富鈦固溶體大為減少。所以在級配的情況下在緻密度較高的情況下，組 織中單相富鎢固溶體數量也有較大的提高。
實施例1步驟1，粉末的配比按照W-IOTi合金的化學成分質量百分比為W: Ti=90 % 10%的比例分別稱取級配 W粉和TiH2粉；其中，級配W粉的純度高於99.9%，TiH2粉的純度高於96.7% ；且上 述級配W粉是按照1: 1的比例，對納米級W粉與微米級W粉進行級配而成；使用的納 米級W粉的平均粒徑為300nm，微米級W粉的平均粒徑為6 μ m，TiH2粉的平均粒徑為 44μ m0
步驟2，混粉將步驟1得到的TiH2粉末與級配W粉進行充分混合，混粉時間為冊。
步驟3，壓坯將步驟2得到的混合好的粉末裝入冷等靜壓模具中，密封后採用冷等靜壓機壓制坯料，其中，壓制壓力為210-260 MPa，保壓時間為3-6min。其中，使用的冷等靜壓模具 為橡膠包套。
步驟4，燒結取出壓坯並將其置於高溫真空燒結爐中，先對爐內抽真空，保證爐體內的真空度 小於10_3帕。然後對爐內壓坯進行加熱，控制加熱速度為10°c/min。當爐內溫度達 到600-700°C時，保溫30-60min;再以10°C/min的加熱速度繼續升溫，最終燒結溫度 1800-1860°C,保溫90-120min後，隨爐自然冷卻到室溫，完成燒結，得到W-lOTi合 金。合金在燒結過程中不附加任何壓力。
步驟5，機加工最後對W-IOTi合金進行機加工，先線切割成規定尺寸的圓片，再用磨床磨成符合尺 寸精度的W-IOTi靶材成品。
在上述各步驟中，控制W-IOTi合金中雜質C、N和O的含量不高於1000 ppm。
如圖2所示，可以看出燒結後的W-IOTi合金試樣中沒有明顯的孔隙存在；如圖 3所示，燒結後原料中TiH2粉末的衍射峰消失，取而代之的是大量的單相富鎢β (W-Ti) 固溶體。結合圖4中a和b所示，可以看出燒結後的試樣已存在大部分固溶，但還未形 成完全單相富鎢固溶體。
實施例2本實施例與實施例1所不同的是，步驟1粉末的配比中，級配W粉是按照1: 2的比 例，對納米級W粉與微米級W粉進行級配而成。其他製備工藝和參數同實施例1。
實施例3本實施例與實施例1所不同的是，步驟1粉末的配比中，級配W粉是按照1: 3的比 例，對納米級W粉與微米級W粉進行級配而成。其他製備工藝和參數同實施例1。
下表為上述三個實施例製備出的W-IOTi合金的緻密度
權利要求
1.一種採用冷等靜壓和液相燒結製備W-IOTi合金靶材的方法，其特徵在於，該方法 包括以下操作步驟步驟1，粉末的配比按照W-IOTi合金的化學成分質量百分比為W: Ti=90 % 10%的比例分別稱取純度 高於99.9%的級配W粉和純度高於96.7%的TiH2粉；其中，上述級配W粉是按照1 : 1 或者1 2或者1:3的比例，對納米級W粉與微米級W粉進行級配而成；步驟2，混粉將步驟1得到的TiH2粉末與級配W粉進行充分混合，混粉時間為6h ；步驟3，壓坯將步驟2得到的混合後的粉末裝入冷等靜壓模具中，採用冷等靜壓機壓制坯料，其 中，壓制壓力為210-260 MPa，保壓時間為3_6min ；步驟4，燒結將步驟3得到的壓坯置於高溫真空燒結爐中，先對爐內抽真空，保證爐體內的真空 度小於10_3帕；然後對爐內壓坯進行加熱，控制加熱速度為10°C/min，當爐內溫度達 到600-700°C時，保溫30-60min ；再以10°C /min的加熱速度繼續升溫，最終燒結溫度 1800-1860°C,保溫90-120min後，隨爐自然冷卻到室溫後，完成燒結，得到W-IOTi合步驟5，機加工最後對步驟4得到的W-IOTi合金進行機加工，使之成為W-IOTi靶材成品。
2.按照權利要求1所述的W-IOTi合金靶材的製備方法，其特徵在於，所述步驟3中 使用的冷等靜壓模具為橡膠包套。
3.按照權利要求1所述的W-IOTi合金靶材的製備方法，其特徵在於，步驟中控制 W-IOTi合金中雜質C、N和O的含量不高於1000 ppm。
全文摘要
本發明公開了一種採用冷等靜壓和液相燒結製備W-10Ti合金靶材的方法，該方法以純度高於99.9%的W粉和純度高於96.7%的TiH2粉為原料，先對納米級W粉與微米級W粉的級配，將級配後的W粉與TiH2粉進行混粉；然後在壓力為210-260MPa，保壓時間為3-6min的條件下進行壓坯，再對壓坯進行真空無壓燒結，最後將W-Ti合金機加工成靶材成品即可。本發明與現有技術相比，採取液相燒結，燒結過程中不附加任何壓力，具有可控尺寸大的優點且所製備的合金靶材形成了相對單一的富鎢固溶體相、緻密度較高。
文檔編號C23C14/14GK102021460SQ20101052695
公開日2011年4月20日 申請日期2010年11月1日 優先權日2010年11月1日
發明者孫特, 楊曉紅, 梁淑華, 肖鵬 申請人:西安理工大學