增強濺射靶的製造方法

2023-05-29 18:14:01 1

專利名稱：增強濺射靶的製造方法
技術領域：
本發明申請一般地涉及濺射靶，更具體地，本發明申請涉及生產完好坯料(sound billet stocks)的凝固方法，以用於製造具有增強通過通量(pass through flux)(「PTF」)的無缺陷、化學均勻的濺射靶。
背景技術：
DC磁控濺射工藝廣泛用於各種領域，用以在基底上提供具有精確控制的厚度和窄的原子級別誤差(atomic fraction tolerances)內的薄膜材料沉積，例如塗覆半導體和/或在磁性記錄介質的表面形成膜層。在一種普通的結構中，通過在靶的背表面放置磁鐵來向濺射靶施加跑道形狀的磁場。電子在濺射靶附近被俘獲，增加氬離子產生量並增加濺射速率。等離子體內的離子撞擊濺射靶的表面，使得濺射靶表面放射出原子。陰極濺射靶和待塗覆的陽極基底之間的電壓差使得被放射出的原子在基底表面形成預期的膜層。
典型地，通過傳統的鑄錠冶金(ingot metallurgy)工藝製造基於鈷(Co)合金、鉻(Cr)合金、鐵(Fe)合金和鎳(Ni)合金的濺射靶。這些工藝未曾料到的副作用是，在凝固面(frout)的溶質再分布和液相中的對流可以在鑄造(as-cast)產品中造成嚴重的化學偏析。另外，由於在鑄造工藝過程中發生氣體滯留，並且沒有可利用的熱加工工藝來封閉氣孔，從而造成的另一後果是來自鑄錠的氣孔(gas porosity)。
因為只有通過從錠凝固過程中均勻並快速地排熱才有可能使晶粒均勻生長，所以典型的鑄錠顯微組織是非均勻的。在沒有所述的快速並均勻地排熱的情況下，鑄錠的典型顯微組織具有被在表面的圓柱形(Columnar)晶粒組織所包圍的、在錠中心的等軸晶粒組織。
對於製造基於鈷(Co)合金的濺射靶，傳統工藝包括下列步驟真空感應熔化(「VIM」)中等純度(99.9％)至高純度(≥99.99％)的原材料，並在真空下或在惰性氣體的分壓下於銅(Cu)、石墨或陶瓷模具中澆鑄熔融合金，其中必須預設鑄錠的厚度，以使預定次數通過滾軋機(rolling mill)後得到所需的靶厚度。對於一些在凝固過程中傾向於化學偏析的合金，需要長達72小時的長時間勻化退火以減少缺陷。
在製造過程中，利用熱軋使晶粒細化、使顯微組織均勻化並消除孔隙。熱軋工序經常需要數個壓縮(reduction)步驟，並可持續十小時以上。對於鉻(Cr)含量低於18at.％的合金，也使用冷軋以增加靶PTF，但是在冷軋過程中工件經常開裂，從而嚴重影響了產率。
如上詳述，在材料投入與材料產出的比例方面，濺射靶製造方法顯得費時且低效。對於一些硼(B)、磷(P)含量高或含難熔元素的合金，例如Fe-Co-B、Ni-P和Co-Ta-Zr，合金的固有脆性使得即使在高溫下進行任何金屬加工操作都是困難的。
當涉及含不混溶或不溶成分的合金時，傳統鑄錠冶金法不能提供可靠的鑄錠，其中『不混溶』指液相中發生的不混合。如圖1中的相圖所示，例如，Ag-Co合金系顯示由高於1489℃的兩條液相線L1和L2界定的混溶區(miscibility gap)，因此在1489℃下鈷(Co)中銀(Ag)的液態溶解度實質上為0，並且在1700℃下僅為約1at.％。對於在這個溫度範圍內的熔融Ag-Co合金，銀(Ag)成分傾向於離析(separate)並在液態鈷(Co)中形成隔離的純銀(Ag)區(pool)。取決於銀(Ag)含量，這些區可以在鑄態組織中形成達1釐米的大固體顆粒。
在另一相分離過程中，由於銀(Ag)滲漏到前述的錠表面上，從而證明當凝固的鈷(Co)骨架收縮時剩餘的銀(Ag)被從大部分錠中擠出。圖2的Au-Co相圖和圖3的Co-Cu相圖都說明金(Au)和銅(Cu)在鈷(Co)中的固溶度非常有限。在這兩種情況下，富鈷(Co)合金的平衡相實際上包括純的鈷(εCo)和金(Au)的兩相固溶體或鈷(εCo)和銅(Cu)的兩相固溶體。
金(Au)或銅(Cu)的固溶體通常離析為單獨的晶粒，或傾向於在鈷(Co)合金中的初(εCo)相的晶界處生長。由於銀(Ag)(962℃)、金(Au)(1064℃)和銅(Cu)(1085℃)的熔點低，它們在鈷(Co)中的不混溶性和有限的溶解度又限制了實踐中錠的熱-機械加工溫度與HIP加工溫度。
由於它們的固有脆性，硼(B)含量高且含難熔元素的鈷(Co)合金的熱軋工序在1050℃至1100℃的溫度範圍內進行，以避免開裂及其它軋制失效(rolling failures)。因此，當把錠再加熱以進行熱-機械加工和HIP加工時，必須改變合金相構成以避免銀(Ag)、金(Au)或銅(Cu)的初熔。
因此，希望提供一種濺射靶製造方法來克服傳統製造方法的缺陷。特別地，希望提供一種改進的濺射靶製造方法以生產完好坯料，用於製造具有改進的PTF特性的無缺陷、化學均勻的濺射靶。
發明概述本發明申請一般地涉及濺射靶，更具體地，本發明申請涉及凝固方法及所得的濺射材料。根據本發明的製造方法生產了非常完好的坯料，以用於製造具有增強通過通量(「PTF」)的無缺陷、化學均勻的濺射靶。
根據本發明的製造方法包括粉末冶金合金配方、快速凝固加工方案選項、以及粉末固結與固結後加工步驟，以生產具有改進性能的濺射靶。加工時間大大縮短，靶的化學均勻性、產品的體積固定性(productbulk soundness)或PTF特性沒有降低。所述濺射材料的製造方法與所得性能適用於許多低磁矩(moment)(鉻(Cr)含量＞18at.％)和高磁矩(鉻(Cr)含量＜18at.％)的鈷(Co)合金，以及鉻(Cr)基、鐵(Fe)基或鎳(Ni)基合金。
根據第一方案，本發明是製造鈷(Co)基濺射靶的方法，該鈷(Co)基濺射靶用公式表示為Co-(5-40at.％)Fe-(5-20at.％)B或Co-(5-25at.％)Cr-(5-25at.％)Pt-(5-20at.％)B-(0.2-7.5at.％)X1和非必須的(0.5-7.5at.％)X2，X1代表銅(Cu)、銀(Ag)或金(Au)，且X2代表鈦(Ti)、釩(V)、釔(Y)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉬(Mo)、釕(Ru)、銠(Rh)、鑭(La)、鉿(Hf)、鉭(Ta)、鎢(W)或銥(Ir)。所述方法包括如下步驟將多種原材料製備成為與Co-(5-40at.％)Fe-(5-20at.％)B或Co-(5-25at.％)Cr-(5-25at.％)Pt-(5-20at.％)B-(0.2-7.5at.％)X1和非必須的(0.5-7.5at.％)X2合金系相應的組合物，所述多種原材料包括純單質或母合金，並在真空或氬(Ar)的分壓下加熱所述多種原材料至完全液態，以形成與Co-(5-40at.％)Fe-(5-20at.％)B或Co-(5-25at.％)Cr-(5-25at.％)Pt-(5-20at.％)B-(0.2-7.5at.％)X1和非必須的(0.5-7.5at.％)X2合金系相應的熔融合金。所述方法還包括如下步驟凝固該熔融合金以形成錠，把錠再加熱至完全液態以形成擴散熔融合金，並快速凝固該擴散熔融合金成為均質預合金粉末材料。另外，所述方法包括如下步驟固結所述均質預合金粉末材料成為全緻密均質材料，非必須地熱軋和冷軋該全緻密均質材料，並機械加工該全緻密均質材料以形成濺射靶。
快速凝固提供了用於生產縮小規模的顯微組織特徵的方法，因為減小的晶粒粒度和細粒(finely)分散的次生相有利於優化濺射工藝並使粒子發射最小化。在微觀水平，快速凝固形成高度化學均勻的顯微組織，使得相應的靶材料成為出色的源以用於按照其名義組成沉積介質膜。
快速凝固產生了非平衡的顯微組織，其可以承受高溫凝固和熱-機械加工過程中的大部分熱循環。對於氣體霧化，取決於合金的導熱性和比熱，對於大多數平均粒度達350μm的小粉粒而言，非常高的冷卻速率是可能的。
對於Co-(5-40at.％)Fe-(5-20at.％)B合金系，所述方法還包括在比Co-(5-40at.％)Fe-(5-20at.％)B合金系的固相線溫度低的溫度下熱軋所述全緻密均質材料的步驟。
所述固結步驟還包括在罐中封裝均質預合金粉末材料，在約300℃和約600℃之間的溫度下將罐抽空至真空度在10-2託(torr)和10-3託之間，密封該罐，並在加壓的熱等靜壓容器(hot isostatic pressingvessel)中在300℃和1300℃之間的溫度下使罐經受在10千磅每平方英寸和45千磅每平方英寸之間的壓力。
所述多種原材料中的一種包括在0.2at.％與2.0at.％之間的純單質銀(Ag)，其中在低於962℃的溫度下熱軋所述的全緻密均質材料。另外，所述多種原材料中的一種包括純單質金(Au)，其中在低於1065℃的溫度下熱軋所述的全緻密均質材料。此外，所述多種原材料中的一種包括純單質銅(Cu)，其中在低於1085℃的溫度下熱軋所述的全緻密均質材料。
製備步驟還包括下列步驟混合規定重量分數的Ag-Pt母合金(master alloy)預合金粉末、Co-Cr-B和非必須的X2母合金預合金粉末、和單質鉑(Pt)，形成與Co-(5-25at.％)Cr-(5-25at.％)Pt-(5-20at.％)B-(0.2-7.5at.％)X1和非必須的(0.5-7.5at.％)X2合金系相應的組合物。在低於1186℃的溫度下，或在低於1030℃的溫度下熱軋所述的全緻密均質材料。
製備步驟還包括下列步驟混合規定重量分數的Au-Cr母合金預合金粉末、Co-B-Pt和非必須的X2母合金預合金粉末、以及單質鉻(Cr)或Co-Cr母合金預合金粉末，形成與Co-(5-25at.％)Cr-(5-25at.％)Pt-(5-20at.％)B-(1.5-7.5at.％)X1和非必須的(1.5-7.5at.％)X2合金系相應的組合物。在低於1160℃的溫度下，或在低於1070℃的溫度下熱軋所述的全緻密均質材料。
製備步驟還包括下列步驟混合規定重量分數的Cu-Pt母合金預合金粉末、Co-Cr-B和非必須的X2母合金預合金粉末、和單質鉑(Pt)，形成與Co-(5-25at.％)Cr-(5-25at.％)Pt-(5-20at.％)B-(0.2-7.5at.％)X1和非必須的(0.5-7.5at.％)X2合金系相應的組合物。在低於1186℃的溫度下，或在比Co-Cr-B母合金的固相線溫度低的溫度下熱軋所述的全緻密均質材料。
所述多種原材料包括純單質鈷(Co)、鉻(Cr)、鉑(Pt)、硼(B)、X1和/或X2，和/或Co-Cr、Co-B、Co-Cr-B、Ag-Pt、Au-Cr和/或Cu-Pt母合金。
以達104℃/s或達107℃/s的速率並且通過霧化、熔體旋轉或噴鍍成形(spray forming)發生擴散熔融合金的快速凝固，其中擴散熔融合金被快速凝固成為平均粒度範圍為25μm至350μm的均質預合金粉末材料。在均質預合金粉末材料中形成至少第一硼化物相，其中第一硼化物相包括Co3B或硼化物Co3B與Co2B的混合物，並且其中硼化物粒度小於2μm。
對於Co-(5-25at.％)Cr-(5-25at.％)Pt-(5-20at.％)B-(0.2-7.5at.％)X1和非必須的(0.5-7.5at.％)X2合金系，在均質預合金粉末材料中形成初晶相，其中初晶相為包括Co-Cr-X1-Pt或Co-Cr-X1-X2-Pt的擴展(extended)固溶體。初晶相為包括含最高2at.％銀(Ag)、最高7.5at.％金(Au)或最高7.5at.％銅(Cu)的Co-Cr-X1-Pt或Co-Cr-X1-X2-Pt的擴展的固溶體。
根據第二方案，本發明是製造鉻(Cr)基濺射靶的方法，該鉻(Cr)基濺射靶用公式表示為Cr-(2-20at.％)B或Cr-(2-20at.％)C。所述方法包括如下步驟將多種原材料製備成為與Cr-(7-20at.％)B或Cr-(5-25at.％)C合金系相應的組合物，所述多種原材料包括純單質或母合金，並在真空或氬(Ar)的分壓下加熱所述多種原材料至完全液態，以形成與Cr-(7-20at.％)B或Cr-(5-25at.％)C合金系相應的熔融合金。所述方法還包括如下步驟凝固該熔融合金以形成錠，把錠再加熱至完全液態以形成擴散熔融合金，並快速凝固該擴散熔融合金成為均質預合金粉末材料。所述方法還包括如下步驟固結所述均質預合金粉末材料成為與Cr-(2-20at.％)B或Cr-(2-20at.％)C的混合組成相應的全緻密均質材料，並機械加工該全緻密均質材料以形成濺射靶。
所述方法還包括向均質預合金粉末材料中摻和純單質鉻(Cr)粉末的步驟。均質Cr-(2-20at.％)B預合金粉末材料具有顯微組織，該顯微組織包括超飽和鉻(Cr)固溶體和/或具有亞微米硼化物Cr2B的超飽和鉻(Cr)固溶體；或具有顯微組織，該顯微組織包括具有亞微米碳化物Cr23C6的超飽和鉻(Cr)固溶體。
根據第三方案，本發明是製造鐵(Fe)基濺射靶的方法，該鐵(Fe)基濺射靶用公式表示為Fe-(5-40at.％)Co-(5-20at.％)B、Fe-(5-90at.％)Ni、Fe-(5-70at.％)Co、Fe-(30-50at.％)Pt或Fe-(30-55at.％)Pd。所述方法包括如下步驟將多種原材料製備成為與Fe-(5-40at.％)Co-(5-20at.％)B、Fe-(5-90at.％)Ni、Fe-(5-70at.％)Co、Fe-(30-50at.％)Pt或Fe-(30-55at.％)Pd合金系相應的組合物，所述多種原材料包括純單質或母合金，並在真空或氬(Ar)的分壓下加熱所述多種原材料至完全液態，以形成與Fe-(5-40at.％)Co-(5-20at.％)B、Fe-(5-90at.％)Ni、Fe-(5-70at.％)Co、Fe-(30-50at.％)Pt或Fe-(30-55at.％)Pd合金系相應的熔融合金。所述方法還包括如下步驟凝固該熔融合金以形成錠，把錠再加熱至完全液態以形成擴散熔融合金，並快速凝固該擴散熔融合金成為均質預合金粉末材料。另外，所述方法包括如下步驟固結所述均質預合金粉末材料成為全緻密均質材料，熱軋該全緻密均質材料，並機械加工該全緻密均質材料以形成濺射靶。
對於Fe-(5-40at.％)Co-(5-20at.％)B合金系，在比固相線溫度低的溫度下熱軋所述的全緻密均質材料。在均質預合金粉末材料中形成至少第一硼化物相，其中第一硼化物相包括亞穩硼化物Fe3B或亞穩硼化物Fe3B與平衡硼化物Fe2B的混合物。
根據第四方案，本發明是製造用公式表示為Ni-(10-50at.％)P的鎳(Ni)基濺射靶的方法。所述方法包括如下步驟將多種原材料製備成為與Ni-(10-50at.％)P合金系相應的組合物，所述多種原材料包括純單質或母合金，並在真空或氬(Ar)的分壓下加熱所述多種原材料至完全液態，以形成與Ni-(10-50at.％)P合金系相應的熔融合金。所述方法還包括如下步驟凝固該熔融合金以形成錠，把錠再加熱至完全液態以形成擴散熔融合金，並快速凝固該擴散熔融合金成為均質預合金粉末材料。另外，所述方法包括如下步驟固結所述均質預合金粉末材料成為全緻密均質材料，並機械加工該全緻密均質材料以形成濺射靶。
所述均質預合金粉末材料具有顯微組織，該顯微組織包括具有小於10μm的Ni3P磷化物的超飽和鎳(Ni)固溶體。
下面的優選實施方案將參照附圖進行說明，這些


了本發明實施的特定實施方案。應理解在不偏離本發明的範圍的情況下也可採用其它的實施方案，並可進行改變。
附圖簡要說明現在對本申請的附圖進行說明，其中相同附圖標記表示相同的部件圖1是Ag-Co相圖；圖2是Au-Co相圖；圖3是Co-Cu相圖；圖4是流程圖，表示根據本發明的一個方案製造鈷(Co)基濺射靶的方法；圖5是流程圖，表示根據一個實施例的製備步驟(步驟S402)；圖6是Ag-Pt相圖；圖7是Au-Cr相圖；圖8是Cu-Pt相圖；圖9是流程圖，表示根據一個實施例的固結步驟(步驟S408)；圖10是鑄態Co-(8at.％)Cr-(7at.％)Pt-(8at.％)B合金的掃描電鏡(「SEM」)背散射圖；圖11是快速凝固的Co-(8at.％)Cr-(7at.％)Pt-(8at.％)B合金的SEM背散射圖；圖12表示鑄態的且快速凝固的Co-(8at.％)Cr-(7at.％)Pt-(8at.％)B合金的X射線衍射圖；圖13是流程圖，表示根據本發明的第二個方案製造鉻(Cr)基濺射靶的方法；圖14A和14B是分別在低放大率和高放大率下，氣體霧化的Cr-(13.5at.％)B合金的SEM背散射圖；圖15是氣體霧化的Cr-(14at.％)C合金的SEM背散射圖；圖16是流程圖，表示根據本發明的第三個方案製造鐵(Fe)基濺射靶的方法；圖17是鑄態Fe-(30.6at.％)Co-(12.8at.％)B合金的SEM二次電子圖(secondary electron diagram)；
圖18是快速凝固的Fe-(30.6at.％)Co-(12.8at.％)B合金的SEM二次電子圖；圖19是鑄態的且快速凝固的Fe-(30.6at.％)Co-(12.8at.％)B合金的X射線衍射圖；圖20是流程圖，表示根據本發明的第四個方案製造鎳(Ni)基濺射靶的方法；圖21是氣體霧化的Ni-(20at.％)P合金的SEM二次電子圖。
發明詳述本發明提供了濺射靶製造方法，其克服了傳統製造方法的缺陷。具體地，本發明提供了改進的濺射靶製造方法，其生產非常完好的坯料以用於具有增強PTF特性的無缺陷、化學均勻的濺射靶。
圖4是流程圖，表示製造鈷(Co)基濺射靶的方法，該鈷(Co)基濺射靶用公式表示為Co-(5-40at.％)Fe-(5-20at.％)B或Co-(5-25at.％)Cr-(5-25at.％)Pt-(5-20at.％)B-(0.2-7.5at.％)X1和非必須的(0.5-7.5at.％)X2，X1代表銅(Cu)、銀(Ag)或金(Au)，且X2代表鈦(Ti)、釩(V)、釔(Y)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鋁(Mo)、釕(Ru)、銠(Rh)、鑭(La)、鉿(Hf)、鉭(Ta)、鎢(W)或銥(Ir)。簡言之，所述方法包括如下步驟將多種原材料製備成為與Co-(5-40at.％)Fe-(5-20at.％)B 或Co-(5-25at.％)Cr-(5-25at.％)Pt-(5-20at.％)B-(0.2-7.5at.％)X1和非必須的(0.5-7.5at.％)X2合金系相應的組合物，所述多種原材料包括純單質或母合金，並在真空或氬(Ar)的分壓下加熱所述多種原材料至完全液態，以形成與Co-(5-40at.％)Fe-(5-20at.％)B或Co-(5-25at.％)Cr-(5-25at.％)Pt-(5-20at.％)B-(0.2-7.5at.％)X1和非必須的(0.5-7.5at.％)X2合金系相應的熔融合金。所述方法還包括如下步驟凝固該熔融合金以形成錠，把錠再加熱至完全液態以形成擴散熔融合金，並快速凝固該擴散熔融合金成為均質預合金粉末材料。另外，所述方法包括如下步驟固結所述均質預合金粉末材料成為全緻密均質材料，非必須地熱軋和冷軋該全緻密均質材料，並機械加工該全緻密均質材料以形成濺射靶。從而，所述製造方法是用於生產增強性能濺射靶的可供選擇的合金製備方法，其為傳統鑄造工藝所遇到的問題提供了解決方法。
更具體地，製造鈷(Co)基濺射靶的方法開始(步驟S401)，該鈷(Co)基濺射靶用公式表示為Co-(5-40at.％)Fe-(5-20at.％)B或Co-(5-25at.％)Cr-(5-25at.％)Pt-(5-20at.％)B-(0.2-7.5at.％)X1和非必須的(0.5-7.5at.％)X2，X1代表銅(Cu)、銀(Ag)或金(Au)，且X2代表鈦(Ti)、釩(V)、釔(Y)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉬(Mo)、釕(Ru)、銠(Rh)、鑭(La)、鉿(Hf)、鉭(Ta)、鎢(W)或銥(Ir)。
將多種原材料製備成為與Co-(5-40at.％)Fe-(5-20at.％)B或Co-(5-25at.％)Cr-(5-25at.％)Pt-(5-20at.％)B-(0.2-7.5at.％)X1和非必須的(0.5-7.5at.％)X2合金系相應的組合物，所述多種原材料包括純單質或母合金(步驟S402)。對於鈷(Co)基合金，添加銀(Ag)、金(Au)或銅(Cu)作為信噪比增強器(booster)。因為這些元素在鈷(Co)中不混溶，當使用傳統方法鑄造時，它們傾向於從鈷(Co)液體溶液中離析並形成純銀(Ag)、金(Au)或銅(Cu)區，這些區隨後凝固成明顯的團(cluster)，或滲漏(leak)到錠表面上。
圖5是流程圖，其表示根據本發明的第一方案的一個實施例方面更詳細的製備步驟(步驟S402)。一般地，製備步驟還包括混合規定重量分數的母合金預合金粉末和成合金元素，形成與所需合金系相應的組合物。
更具體地，並根據一個方面，過程開始(步驟S501)，混合規定重量分數的Ag-Pt母合金預合金粉末、Co-Cr-B和非必須的X2母合金預合金粉末、和單質鉑(Pt)，形成與Co-(5-25at.％)Cr-(5-25at.％)Pt-(5-20at.％)B-(0.2-7.5at.％)X1和非必須的(0.5-7.5at.％)X2合金系相應的組合物(步驟S502A)，過程結束(步驟S504)。根據該方面，在低於1186℃的溫度下，或低於1030℃的溫度下熱軋全緻密均質材料(見下文，步驟S409)，雖然非必須地，該熱軋步驟可以省略。
根據這一具體方面，使用包括基本純的銀(Ag)和鉑(Pt)熔料(melt stocks)的多種原材料來製備Ag-Pt合金，其中規定的鉑(Pt)含量為約10at.％至90at.％，優選40at.％至42at.％。加熱所述多種原材料至完全液態，以形成具有基本相同的規定鉑(Pt)含量的熔融合金，並凝固該熔融合金以形成錠。把Ag-Pt錠再加熱至完全液態並快速凝固成為Ag-Pt預合金粉末材料。
圖6是Ag-Pt相圖，其顯示了在約1186℃下發生的富銀(Ag)液體(「L」)與鉑(Pt)固溶體的轉熔反應。對於含約40.6at.％鉑(Pt)的合金，製備相同組成的銀(Ag)固溶體。當加熱時，含低於40.6at.％鉑(Pt)的其它銀(Ag)合金將顯示初熔，其中通過虛線固相線確定初始點。
取決於霧化後加工溫度的要求，用於製造CoCrPtBX1或CoCrPtBX1-X2合金的起始原料可以分為包括Ag-Pt合金和CoCrB(Pt)或CoCrB(Pt)X1合金的兩種預合金粉末，其中為保持平衡可以添加鉑(Pt)粉末。該配方為含銀(Ag)合金提供了最高1186℃的熱加工溫度窗口(window)，並改善了銀(Ag)在整個靶中的分布。使用預合金Au-Cr或Cu-Pt粉末，可以對含金(Au)或銅(Cu)的合金嘗試同樣的方法，以提供如圖7和8的相圖中所示的最高1160℃以及對含銅(Cu)合金而言更高溫度的較寬的加工溫度窗口。
根據第二替代方面，過程開始(步驟S501)，混合規定重量分數的Au-Cr母合金預合金粉末、Co-B-Pt和非必須的X2母合金預合金粉末、和單質鉻(Cr)或Co-Cr母合金預合金粉末，形成與Co-(5-25at.％)Cr-(5-25at.％)Pt-(5-20at.％)B-(1.5-7.5at.％)X1和非必須的(1.5-7.5at.％)X2合金系相應的組合物(步驟S502B)，過程結束(步驟S504)。雖然該熱軋步驟是非必須的且可以省略，但是可以在低於1160℃的溫度下，或低於1070℃的溫度下熱軋全緻密均質材料(見下文，步驟S409)。
根據這一具體方面，使用包括基本純的金(Au)和鉻(Cr)熔料的多種原材料來製備Au-Cr合金，其中規定的鉻(Cr)含量為約10at.％至80at.％，優選47at.％至49at.％。加熱所述多種原材料至完全液態，以形成具有基本相同的規定鉻(Cr)含量的熔融合金，並凝固該熔融合金以形成錠。把Au-Cr錠再加熱至完全液態並快速凝固成為Au-Cr預合金粉末材料。
根據第三替代方面，過程開始(步驟S501)，混合規定重量分數的Cu-Pt母合金預合金粉末、Co-Cr-B和非必須的X2母合金預合金粉末、和單質鉑(Pt)，形成與Co-(5-25at.％)Cr-(5-25at.％)Pt-(5-20at.％)B-(0.2-7.5at.％)X1和非必須的(0.5-7.5at.％)X2合金系相應的組合物(步驟S502C)，過程結束(步驟S504)。雖然熱軋步驟是非必須的且可以省略，但是可以在低於1186℃的溫度下，或在比Co-Cr-B母合金的固相線溫度低的溫度下熱軋全緻密均質材料(見下文，步驟S409)。
根據這一具體方面，使用多種原材料和/或母合金來製備Co-Cr-B和非必須的X2合金，對給定的Cu-Pt合金而言，選擇所述的多種原材料和/或母合金為Co-(5-25at.％)Cr-(5-25at.％)Pt-(5-20at.％)B和非必須的(0.5-7.5at.％)X2合金系提供適當的原子平衡。加熱所述多種原材料至完全液態以形成熔融合金，並凝固該熔融合金以形成錠。把所述錠再加熱至完全液態並快速凝固成為預合金粉末材料。
如上所述，用於製造CoCrPtBX1或CoCrPtBX1-X2合金的起始原料可以分為包括Ag-Pt合金和CoCrB(Pt)或CoCrB(Pt)X1合金的兩種預合金粉末，其中為保持平衡可以添加鉑(Pt)粉末。使用預合金Au-Cr或Cu-Pt粉末，可以對含金(Au)或銅(Cu)的合金嘗試同樣的方法，以提供如圖7和8的相圖中所示的最高1160℃以及對含銅(Cu)合金而言更高溫度的較寬的加工溫度窗口。
作為對上述配方的未描述的替代方案，所述多種原材料中的一種包括0.2at.％與2.0at.％之間的純單質銀(Ag)，其中在低於962℃的溫度下熱軋(下文的步驟S409)全緻密均質材料。或者，所述多種原材料中的一種包括純單質金(Au)，其中在低於1065℃的溫度下熱軋(下文的步驟S409)全緻密均質材料。又或者，所述多種原材料中的一種包括純單質銅(Cu)，其中在低於1085℃的溫度下熱軋(下文的步驟S409)全緻密均質材料。另外，所這多種原材料可以包括純的單質鈷(Co)、鉻(Cr)、鉑(Pt)、硼(B)、X1和/或X2，和/或Co-Cr、Co-B、Co-Cr-B、Ag-Pt、Au-Cr、和/或Cu-Pt母合金。
回到圖4，在真空或氬(Ar)的分壓下加熱所述多種原材料至完全液態，以形成與Co-(5-40at.％)Fe-(5-20at.％)B或Co-(5-25at.％)Cr-(5-25at.％)Pt-(5-20at.％)B-(0.2-7.5at.％)X1和非必須的(0.5-7.5at.％)X2合金系相應的熔融合金(步驟S404)。凝固該熔融合金以形成錠(步驟S405)，把錠再加熱至完全液態以形成擴散熔融合金(步驟S406)。
快速凝固該擴散熔融合金成為均質預合金粉末材料(步驟S407)。快速凝固提供了用於生產極小尺寸的顯微組織特徵的方法，因為減小的晶粒粒度和細粒分散的次生相有利於優化濺射工藝並使粒子發射最小化。在微觀水平，快速凝固形成高度化學均勻的顯微組織，並且相應的靶材料成為出色的源以用於按其名義組成沉積介質膜。顯微組織細化對降低含金屬間合金(intermetallic containing alloys)的脆性有重大影響。一般地，當金屬間相的沉澱物的尺寸大時，脆性更加顯著。
快速凝固產生非平衡的顯微組織，其可以承受高溫凝固與熱-機械加工過程中的大部分熱循環。對於氣體霧化，取決於合金的導熱性和比熱，對於大多數平均粒度達350μm的小粉粒，非常高的冷卻速率是可能的。
以最高104℃/s或最高107℃/s的速率進行擴散熔融合金的快速凝固。通過霧化、熔體旋轉(melt spining)或噴鍍成形發生快速凝固，其中擴散熔融合金被快速凝固成為平均粒度範圍為25μm至350μm的均質預合金粉末材料。
從熱力學角度而言，因為在模子-錠界面的緩慢的熱傳導限制了排熱，所以錠凝固通常遵循相應的相圖中所示的平衡。在許多情況下，鑄態合金相的構成限制了濺射工藝的操作，例如次生相的化學計量將決定靶的PTF，進而影響了所濺射的膜的總體性質。
本發明使用快速凝固技術製備濺射靶合金，其中由熔融態的快速淬火使得任何濺射材料凝固，並同時得到用於進一步加工的顯微組織均勻性、細度和整體性。已知快速凝固可得到高的冷卻速率，因此有利於非平衡的液一固轉化。該快速淬火的產物包括完全無定形的固體合金、相圖中未預測到的含亞穩相的合金和/或擴展的或超飽和的固溶體。
快速凝固技術，例如霧化、熔體旋轉或噴鍍成形，已經被用於航空和航天工業中的各種應用，以及其它特殊應用，因為霧化工藝能夠產生具有非常細化的顯微組織的無偏析(segregation-free)預合金化材料。通常通過霧化工藝，並且對於給定的霧化工藝，通過技術參數本身和合金液體的性質來確定粉末的粒度分布。例如，已知氣體霧化比離心霧化產生更細的粉末。
固結所述均質預合金粉末材料成為全緻密均質材料(步驟S408)。在均質預合金粉末材料中形成至少第一硼化物相，其中第一硼化物相包括硼化物Co3B或硼化物Co3B與Co2B或其它硼化物的混合物，其中硼化物粒度小於2μm。對於Co-(5-25at.％)Cr-(5-25at.％)Pt-(5-20at.％)B-(0.2-7.5at.％)X1和非必須的(0.5-7.5at.％)X2合金系，在均質預合金粉末材料中形成初晶相，其中初晶相為擴展的固溶體，其包括含最高2at.％銀(Ag)、或最高7.5at.％金(Au)、或最高7.5at.％銅(Cu)或其它組分的Co-Cr-X1-Pt或Co-Cr-X1-X2-Pt。
圖9是流程圖，表示根據本方案的一個實施例方面的固結步驟(步驟S408)，雖然也可以使用其它固結工藝。具體地，固結步驟(步驟S408)開始(步驟S901)，在罐中封裝均質預合金粉末材料(步驟S902)。在300℃與600℃之間的溫度下將罐抽空至真空度(vacuum level)在10-2託和10-3託之間(步驟S904)，密封該罐(步驟S905)。在加壓的熱等靜壓容器中在300℃和1300℃之間的溫度下使罐經受10千磅每平方英寸和45千磅每平方英寸之間的壓力(步驟S906)，過程結束(步驟907)。
回到圖4，對於Co-(5-40at.％)Fe-(5-20at.％)B合金系，所述方法還包括在比Co-(5-40at.％)Fe-(5-20at.％)B合金系的固相線溫度低的溫度下熱軋全緻密均質材料(步驟S409)，當然如果需要的話，該熱軋步驟可以省略。冷軋全緻密均質材料(步驟S410)，並機械加工以形成濺射靶(步驟S411)，方法結束(步驟S412)。
對於氣體霧化，使用氦(He)比使用氬(Ar)產生細得多的粉末，因為氦(He)的粘度較低且聲速較高。通過在離心或旋轉電極霧化工藝中增加盤的每分鐘轉數(「RPM」)或電極的RPM來減小平均粒度。在許多霧化情況下，較高的液體合金粘度和/或表面張力導致較大的顆粒。在快速凝固中，冷卻速率與粒度成反比。雖然就最終靶產品而言固體合金的完全無定形化是不容易實現的，但是快速凝固產生非平衡的顯微組織，其可以承受高溫凝固和熱-機械加工過程中的大部分熱循環。
使用快速凝固方法得到了如在一些薄片急冷(splat cooling)的Co-Au合金中所發現的最多18at.％金(Au)的擴展固溶度，並且得到了在經淬火的Co-Cu液體合金中含最多15at.％銅(Cu)的鈷(Co)中銅(Cu)的擴展的固溶體。對於含鈷(Co)的銀(Ag)合金，有可能在鈷(Co)固溶體中保留很少的銀(Ag)原子，但是，對於銀(Ag)含量(2at.％及以上)高的合金，由於液態混溶間隔的存在，當霧化時，銀(Ag)可能將凝固成明顯的顆粒。因此，優選通過與銀(Ag)完全混溶和/或形成中間相的母合金來引入銀(Ag)。
SEM和微探針分析顯示CoCrPtB合金的典型鑄態顯微組織由無硼樹枝狀CoPtCr初晶相構成，該樹枝狀CoPtCr初晶相被包括CoPtCr初晶相與硼化物Co2B的共晶相的較小薄層的集合體所包圍。圖10顯示了鑄態Co-(8at.％)Cr-(7at.％)Pt-(8at.％)B合金的代表性的顯微組織。與之相比，如圖11中所示，鈷(Co)基合金的快速凝固導致形成非常細的顯微組織，其中硼化鈷(Co)相的大小被顯著減小。與在鑄態顯微組織中硼化物相的分布相比，這些硼化物相的分布也比非常均勻。
通過X射線衍射確定了鑄態的且快速凝固的Co-(8at.％)Cr-(7at.％)Pt-(8at.％)B合金的相構成，其中圖12中的衍射圖概括了分析結果。在鑄態合金中，平衡硼化物Co2B和Fe2B與相應的基質(matrix)一起形成，但是快速凝固的合金形成了亞穩硼化物Co3B。已顯示該非平衡硼化物具有相當好的熱穩定性，並且在熱固結過程中即使暴露於1250℃的高溫下也不會被轉化(transformed)。
在所得PTF的增加與均勻性和硼化物相的總體分布方面，Co3B的化學計量要理想得多。以合金組成為基準，在鑄態合金中被保留用於形成硼化物相的鈷(Co)的原子分數為0.16，而對快速凝固的合金而言相應的原子分數為0.24。因此，與鑄態合金相比，對於快速凝固的合金，構成鐵磁相的鈷(Co)合金中基質相的體積分數大為減少。基質體積分數的減少與硼化物相體積分數的增加對PTF的增加及均勻性有重要貢獻。另外，在快速凝固的材料中硼化物相體積分數的增加對實現硼(B)的均勻分布是非常理想的。在鑄態合金中，第二平衡硼化物Co2B與相應的基質一起形成，但是在快速凝固的合金中形成第一平衡硼化物Co3B。
圖13是流程圖，表示根據本發明的第二個方案製造鉻(Cr)基濺射靶的方法，該鉻(Cr)基濺射靶用公式表示為Cr-(2-20at.％)B或Cr-(2-20at.％)C。簡言之，所述方法包括如下步驟將多種原材料製備成為與Cr-(7-20at.％)B或Cr-(5-25at.％)C合金系相應的組合物，所述多種原材料包括純單質或母合金，並在真空或氬(Ar)的分壓下加熱所述多種原材料至完全液態，以形成與Cr-(7-20at.％)B或Cr-(5-25at.％)C合金系相應的熔融合金。所述方法還包括如下步驟凝固該熔融合金以形成錠，把錠再加熱至完全液態以形成擴散熔融合金，並快速凝固該擴散熔融合金成為均質預合金粉末材料。所述方法還包括如下步驟固結所述均質預合金粉末材料成為與Cr-(2-20at.％)B或Cr-(2-20at.％)C的混合組成相應的全緻密均質材料，並機械加工該全緻密均質材料以形成濺射靶。
更具體地，製造鉻(Cr)基濺射靶的方法開始(步驟S1301)，該鉻(Cr)基濺射靶用公式表示為Cr-(2-20at.％)B或Cr-(2-20at.％)C，將多種原材料製備成為與Cr-(7-20at.％)B或Cr-(5-25at.％)C合金系相應的組合物，所述多種原材料包括純單質或母合金(步驟S1302)。
在真空或氬(Ar)的分壓下加熱所述多種原材料至完全液態，以形成與Cr-(7-20at.％)B或Cr-(5-25at.％)C合金系相應的熔融合金(步驟S1304)。凝固該熔融合金以形成錠(步驟S1305)，把錠再加熱至完全液態以形成擴散熔融合金(步驟S1306)。快速凝固該擴散熔融合金成為均質預合金粉末材料(步驟S1307)。
向均質預合金粉末材料中摻和純單質鉻(Cr)粉末(步驟S1308)。均質Cr-(2-20at.％)B預合金粉末材料具有顯微組織，該顯微組織包括溶體(solution)或固溶體，例如超飽和鉻(Cr)固溶體和/或具有亞微米硼化物Cr2B或其它硼化物的超飽和鉻(Cr)固溶體；或具有顯微組織，該顯微組織包括具有亞微米碳化物Cr23C6或其它碳化物的超飽和鉻(Cr)固溶體。在可替換的方面，省略摻和步驟(步驟S1308)。
固結所述均質預合金粉末材料成為與Cr-(2-20at.％)B或Cr-(2-20at.％)C的混合組成相應的全緻密均質材料(步驟S1309)。所述固結步驟(步驟S1309)還包括在罐中封裝均質預合金粉末材料，在300℃和600℃之間的溫度下將罐抽空至真空度在10-2託和10-3託之間，密封該罐，並在加壓的熱等靜壓容器中在300℃和1300℃之間的溫度下使罐經受在10千磅每平方英寸和45千磅每平方英寸之間的壓力。也可以使用其它方法進行所述固結步驟(步驟S1309)。
機械加工所述全緻密均質材料以形成濺射靶(步驟S1310)，過程結束(步驟S1311)。鑄態Cr-(13.5at.％)B顯示粗糙的共晶顯微組織，其包括Cr和Cr2B的交替薄層。已知粗糙的硼化鉻(Cr)在濺射工藝中導致產生大量顆粒，因此除非硼化物粒度被減小，否則應當避免形成這些硼化物。圖14A和14B表示氣體霧化的Cr-(13.5at.％)B的顯微組織，其中顯示了不具有成形硼化物相的充分延伸的固溶體。
Cr-C鑄態合金傾向於形成粗糙的碳化物，其在濺射工藝中導致機械加工拋光(machining finish)效果差並產生顆粒缺陷。例如，圖15表示了氣體霧化的Cr-(14at.％)C的內部顯微組織，其中快速凝固導致碳化鉻(Cr)的粒度減小為約5μm。
圖16是流程圖，表示根據本發明的第三個方案製造鐵(Fe)基濺射靶的方法，該鐵(Fe)基濺射靶用公式表示為Fe-(5-40at.％)Co-(5-20at.％)B、Fe-(5-90at.％)Ni、Fe-(5-70at.％)Co、Fe-(30-50at.％)Pt或Fe-(30-55at.％)Pd。簡言之，所述方法包括如下步驟將多種原材料製備成為與Fe-(5-40at.％)Co-(5-20at.％)B、Fe-(5-90at.％)Ni、Fe-(5-70at.％)Co、Fe-(30-50at.％)Pt或Fe-(30-55at.％)Pd合金系相應的組合物，所述多種原材料包括純單質或母合金，並在真空或氬(Ar)的分壓下加熱所述多種原材料至完全液態，以形成與Fe-(5-40at.％)Co-(5-20at.％)B、Fe-(5-90at.％)Ni、Fe-(5-70at.％)Co、Fe-(30-50at.％)Pt或Fe-(30-55at.％)Pd合金系相應的熔融合金。所述方法還包括如下步驟凝固該熔融合金以形成錠，把錠再加熱至完全液態以形成擴散熔融合金，並快速凝固該擴散熔融合金成為均質預合金粉末材料。所述方法還包括如下步驟圓結所述均質預合金粉末材料成為全緻密均質材料，並機械加工該全緻密均質材料以形成濺射靶。
更具體地，製造鐵(Fe)基濺射靶的方法開始(步驟S1601)，該鐵(Fe)基濺射靶用公式表示為Fe-(5-40at.％)Co-(5-20at.％)B、Fe-(5-90at.％)Ni、Fe-(5-70at.％)Co、Fe-(30-50at.％)Pt或Fe-(30-55at.％)Pd，將多種原材料製備成為與Fe-(5-40at.％)Co-(5-20at.％)B、Fe-(5-90at.％)Ni、Fe-(5-70at.％)Co、Fe-(30-50at.％)Pt或Fe-(30-55at.％)Pd合金系相應的組合物，所述多種原材料包括純單質或母合金(步驟S1602)。
在真空或氬(Ar)的分壓下加熱所述多種原材料至完全液態，以形成與Fe-(5-40at.％)Co-(5-20at.％)B、Fe-(5-90at.％)Ni、Fe-(5-70at.％)Co、Fe-(30-50at.％)Pt或Fe-(30-55at.％)Pd合金系相應的熔融合金(步驟S1604)。凝固該熔融合金以形成錠(步驟S1605)，把錠再加熱至完全液態以形成擴散熔融合金(步驟S1606)。
快速凝固該擴散熔融合金成為均質預合金粉末材料(步驟S1607)。在均質預合金粉末材料中形成至少第一硼化物相，其中第一硼化物相包括亞穩硼化物Fe3B或亞穩硼化物Fe3B與平衡硼化物Fe2B的混合物，或其它硼化物組分。
固結所述均質預合金粉末材料成為全緻密均質材料(步驟S1609)。所述固結步驟(步驟S1609)還包括在罐中封裝均質預合金粉末材料，在300℃與600℃之間的溫度下將罐抽空至真空度在10-2託和10-3託之間，密封該罐，並在加壓的熱等靜壓容器中在300℃與1300℃之間的溫度下使該罐經受在10千磅每平方英寸與45千磅每平方英寸之間的壓力。也可以使用其它方法進行所述固結步驟(步驟S1609)。
熱軋所述的全緻密均質材料(步驟S1610)。對於Fe-(5-40at.％)Co-(5-20at.％)B合金系，在比固相線溫度低的溫度下熱軋全緻密均質材料。機械加工全緻密均質材料以形成濺射靶(步驟S1612)，過程結束(步驟S1614)。
如圖17所示，鑄態Fe-(30.6at.％)Co-(12.8at.％)B的顯微組織包括α』有序的組織基質與硼化物Fe2B。與之相比，如圖18所示，鐵(Fe)基合金的快速凝固導致形成非常細的顯微組織，其中Fe的硼化物相的大小被顯著減小。與在鑄態顯微組織中硼化物相的分布相比，這些硼化物相的分布也非常均勻。
圖19表示鑄態的且快速凝固的Fe-(30.6at.％)Co-(12.8at.％)B合金的相構成的X射線衍射分析。在鑄態合金中，平衡硼化物Fe2B與相應的基質一起形成，但是快速凝固的合金形成了亞穩硼化物Fe3B，其中該非平衡硼化物顯示相當好的熱穩定性，其在熱固結過程中即使暴露於1100℃的高溫下也不會被轉化。
在所得PTF的增加與均勻性和硼化物相的總體分布方面，顯然Fe3B的化學計量是非常理想的。以合金組成為基準，在鑄態合金中被保留用於形成硼化物相的鐵(Fe)的原子分數為0.256，而對快速凝固的合金而言相應的原子分數為0.384。因此，與鑄態合金相比，對快速凝固的合金而言，構成鐵磁相的鐵(Fe)合金中基質相的體積分數大為減少。基質體積分數的減少和硼化物相體積分數的增加對PTF的增加及均勻性有重要貢獻。另外，在快速凝固的材料中硼化物相體積分數的增加對實現硼(B)的均勻分布是非常理想的。
圖20是表示根據本發明的第四個方案製造鎳(Ni)基濺射靶的方法，該鎳(Ni)基濺射靶用公式表示為Ni-(10-50at.％)P。簡言之，所述方法包括如下步驟將多種原材料製備成為與Ni-(10-50at.％)P合金系相應的組合物，所述多種原材料包括純單質或母合金，並在真空或氬(Ar)的分壓下加熱所述多種原材料至完全液態，以形成與Ni-(10-50at.％)P合金系相應的熔融合金。所述方法還包括如下步驟凝固該熔融合金以形成錠，把錠再加熱至完全液態以形成擴散熔融合金，並快速凝固該擴散熔融合金成為均質預合金粉末材料。所述方法還包括如下步驟固結所述均質預合金粉末材料成為全緻密均質材料，並機械加工該全緻密均質材料以形成濺射靶。
更具體地，製造鎳(Ni)基濺射靶的方法開始(步驟S2001)，該鎳(Ni)基濺射靶用公式表示為Ni-(10-50at.％)P，將多種原材料製備成為與Ni-(10-50at.％)P合金系相應的組合物，所述多種原材料包括純單質或母合金(步驟S2002)。
在真空或氬(Ar)的分壓下加熱所述多種原材料至完全液態，以形成與Ni-(10-50at.％)P合金系相應的熔融合金(步驟S2004)。凝固該熔融合金以形成錠(步驟S2005)，把錠再加熱至完全液態以形成擴散熔融合金(步驟S2006)。
快速凝固該擴散熔融合金成為均質預合金粉末材料(步驟S2007)。所述均質預合金粉末材料具有顯微組織，該顯微組織包括具有小於10μm的Ni3P磷化物的超飽和鎳(Ni)固溶體，當然也可能形成其它磷化物。
固結所述均質預合金粉末材料成為全緻密均質材料(步驟S2009)。所述固結步驟(步驟S2009)還包括在罐中封裝均質預合金粉末材料，在300℃和600℃之間的溫度下將罐抽空至真空度在10-2託和10-3託之間，密封該罐，並在加壓的熱等靜壓容器中在300℃與1300℃之間的溫度下使罐經受在10千磅每平方英寸與45千磅每平方英寸之間的壓力。也可以使用其它方法進行所述的固結步驟(步驟S2009)。
機械加工所述的全緻密均質材料(步驟S2010)，過程結束(步驟S2012)。
由於形成了各種磷化鎳(Ni)，所以Ni-P合金非常脆。磷化物次生相的大小是控制脆性的決定性因素。含多於10at.％P的鑄態合金一般非常脆，並且在機械加工過程中很容易在任何載荷下開裂。圖21顯示了氣體霧化的Ni-(20at.％)P的內部顯微組織，說明快速凝固使得磷化鎳(Ni)金屬間相的大小減小為約10μm。
快速凝固提供了用於生產極小尺寸的顯微組織特徵的方法。減小的晶粒粒度和細粒分散的次生相有利於優化濺射工藝並使粒子發射最小化。另外，在微觀水平，快速凝固形成高度化學均勻的顯微組織，並使相應的靶材料成為出色的源以用於按其各義組成沉積介質膜。顯微組織細化對降低含金屬間合金的脆性有重大影響。一般地，當金屬間相的沉澱物的尺寸大時，脆性增強。
最後，在次生相對分布的影響以及靶的固有性質如PTF的增加與均勻性方面，快速凝固過程中液一固轉化的非平衡特性有潛力形成化學計量有利的次生相。
本發明的製造方法，包括鑄造途徑(casting route)、模具設計和模具材料的選擇，提供了實用與快速的加工程序以生產具有改進性能的濺射靶。加工時間顯著縮短，並且沒有損害重要的性能，如靶的化學均勻性、產品的體積固定性和PTF。
本發明已通過特定的實施方案予以說明。應當理解本發明並不限於上述實施方案，本領域所屬普通技術人員可能進行的各種變化和修改並不偏離本發明的精神和範圍。
權利要求
1.一種製造鈷(Co)基濺射靶的方法，該鈷(Co)基濺射靶用公式表示為Co-(5-40at.％)Fe-(5-20at.％)B，或Co-(5-25at.％)Cr-(5-25at.％)Pt-(5-20at-％)B-(0.2-7.5at.％)X1和非必須的(0.5-7.5at.％)X2，X1代表銅(Cu)、銀(Ag)或金(Au)，且X2代表鈦(Ti)、釩(V)、釔(Y)、鋯(Zr)、鈮(Nb)、鉬(Mo)、釕(Ru)、銠(Rh)、鑭(La)、鉿(Hf)、鉭(Ta)、鎢(W)或銥(Ir)，所述方法包括如下步驟將多種原材料製備成為與Co-(5-40at.％)Fe-(5-20at.％)B，或Co-(5-25at.％)Cr-(5-25at.％)Pt-(5-20at.％)B-(0.2-7.5at.％)X1和非必須的(0.5-7.5at.％)X2合金系相應的組合物，所述多種原材料包括純元素或母合金；在真空或氬(Ar)的分壓下加熱所述多種原材料至完全液態，以形成與Co-(5-40at.％)Fe-(5-20at.％)B，或Co-(5-25at.％)Cr-(5-25at.％)Pt-(5-20at.％)B-(0.2-7.5at.％)X1和非必須的(0.5-7.5at.％)X2合金系相應的熔融合金；凝固所述的熔融合金以形成錠；把所述的錠再加熱至完全液態以形成擴散熔融合金；快速凝固所述的擴散熔融合金成為均質預合金粉末材料；固結所述的均質預合金粉末材料成為全緻密均質材料；冷軋所述的全緻密均質材料；以及機械加工所述的全緻密均質材料以形成濺射靶。
2.如權利要求1所述的方法，其中對於Co-(5-40at.％)Fe-(5-20at.％)B合金系，所述方法還包括在比Co-(5-40at.％)Fe-(5-20at.％)B合金系的固相線溫度低的溫度下熱軋所述的全緻密均質材料的步驟。
3.如權利要求1所述的方法，其中所述的固結步驟還包括下列步驟在罐中封裝所述均質預合金粉末材料；在300℃與600℃之間的溫度下把所述的罐抽空至在10-2託與10-3託之間的真空度；密封所述的罐；和在加壓的熱等靜壓容器中，在300℃與1300℃之間的溫度下，使所述的罐經受10千磅每平方英寸至45千磅每平方英寸的壓力。
4.如權利要求1所述的方法，其中所述多種原材料中的一種包括純單質銀(Ag)。
5.如權利要求4所述的方法，其中所述多種原材料中的一種包括0.2at.％至2.0at.％的純單質銀(Ag)。
6.如權利要求2所述的方法，其中在低於962℃的溫度下熱軋所述的全緻密均質材料。
7.如權利要求1所述的方法，其中所述多種原材料中的一種包括純單質金(Au)。
8.如權利要求2所述的方法，其中在低於1065℃的溫度下熱軋所述的全緻密均質材料。
9.如權利要求1所述的方法，其中所述多種原材料中的一種包括純單質銅(Cu)。
10.如權利要求2所述的方法，其中在低於1085℃的溫度下熱軋所述的全緻密均質材料。
11.如權利要求1所述的方法，其中所述的製備步驟還包括下列步驟混合規定重量分數的Ag-Pt母合金預合金粉末、Co-Cr-B和非必須的X2母合金預合金粉末、以及單質鉑(Pt)，形成與Co-(5-25at.％)Cr-(5-25at.％)Pt-(5-20at.％)B-(0.2-7.5at.％)X1和非必須的(0.5-7.5at.％)X2合金系相應的組合物。
12.如權利要求2所述的方法，其中在低於1186℃的溫度下熱軋所述的全緻密均質材料。
13.如權利要求2所述的方法，其中在低於1030℃的溫度下熱軋所述的全緻密均質材料。
14.如權利要求1所述的方法，其中所述的製備步驟還包括下列步驟混合規定重量分數的Au-Cr母合金預合金粉末、Co-B-Pt和非必須的X2母合金預合金粉末、以及單質鉻(Cr)或Co-Cr母合金預合金粉末，形成與Co-(5-25at.％)Cr-(5-25at.％)Pt-(5-20at.％)B-(1.5-7.5at.％)X1和非必須的(1.5-7.5at.％)X2合金系相應的組合物。
15.如權利要求2所述的方法，其中在低於1160℃的溫度下熱軋所述的全緻密均質材料。
16.如權利要求2所述的方法，其中在低於1070℃的溫度下熱軋所述的全緻密均質材料。
17.如權利要求1所述的方法，其中所述的製備步驟還包括下列步驟混合規定重量分數的Cu-Pt母合金預合金粉末、Co-Cr-B和非必須的X2母合金預合金粉末、以及單質鉑(Pt)，形成與Co-(5-25at.％)Cr-(5-25at.％)Pt-(5-20at.％)B-(0.2-7.5at.％)X1和非必須的(0.5-7.5at.％)X2合金系相應的組合物。
18.如權利要求2所述的方法，其中在低於1186℃的溫度下熱軋所述的全緻密均質材料。
19.如權利要求2所述的方法，其中在比Co-Cr-B母合金的固相線溫度低的溫度下熱軋所述的全緻密均質材料。
20.如權利要求1所述的方法，其中所述的多種原材料包括純單質鈷(Co)、鉻(Cr)、鉑(Pt)、硼(B)、X1和/或X2，和/或Co-Cr、Co-B、Co-Cr-B、Ag-Pt、Au-Cr和/或Cu-Pt母合金。
21.如權利要求1所述的方法，其中以最高104℃/s的速率發生所述擴散熔融合金的快速凝固。
22.如權利要求1所述的方法，其中以最高107℃/s的速率發生所述擴散熔融合金的快速凝固。
23.如權利要求1所述的方法，其中通過霧化進行快速凝固。
24.如權利要求23所述的方法，其中所述的擴散熔融合金被快速凝固成為平均粒度範圍為25μm至350μm的均質預合金粉末材料。
25.如權利要求1所述的方法，其中通過熔體旋轉發生快速凝固。
26.如權利要求1所述的方法，其中通過噴鍍成形發生快速凝固。
27.如權利要求1所述的方法，其中在所述均質預合金粉末材料中形成至少第一硼化物相，並且其中所述的第一硼化物相包括硼化物Co3B或硼化物Co3B與Co2B的混合物。
28.如權利要求1所述的方法，其中所述硼化物的粒度小於2μm。
29.如權利要求1所述的方法，其中對於Co-(5-25at.％)Cr-(5-25at.％)Pt-(5-20at.％)B-(0.2-7.5at.％)X1和非必須的(0.5-7.5at.％)X2合金系，在所述均質預合金粉末材料中形成初晶相，其中該初晶相為包括Co-Cr-X1-Pt或Co-Cr-X1-X2-Pt的擴展的固溶體。
30.如權利要求29所述的方法，其中所述的初晶相為包括含最多2at.％銀(Ag)、或最多7.5at.％金(Au)、或最多7.5at.％銅(Cu)的Co-Cr-X1-Pt或Co-Cr-X1-X2-Pt的擴展的固溶體。
31.一種製造鉻(Cr)基濺射靶的方法，該鉻(Cr)基濺射靶用公式表示為Cr-(2-20at.％)B或Cr-(2-20at.％)C，所述方法包括如下步驟將多種原材料製備成為與Cr-(7-20at.％)B或Cr-(5-25at.％)C合金系相應的組合物，所述多種原材料包括純元素或母合金；在真空或氬(Ar)的分壓下加熱所述多種原材料至完全液態，以形成與Cr-(7-20at.％)B或Cr-(5-25at.％)C合金系相應的熔融合金；凝固所述的熔融合金以形成錠；把所述的錠再加熱至完全液態以形成擴散熔融合金；快速凝固所述的擴散熔融合金成為均質預合金粉末材料；固結所述的均質預合金粉末材料成為與Cr-(2-20at.％)B或Cr-(2-20at.％)C的混合組成相應的全緻密均質材料；以及機械加工所述的全緻密均質材料以形成濺射靶。
32.如權利要求31所述的方法，進一步包括向所述均質預合金粉末材料中摻入純單質鉻(Cr)粉末的步驟。
33.如權利要求31所述的方法，其中所述的均質Cr-(2-20at.％)B預合金粉末材料具有顯微組織，該顯微組織包括超飽和鉻(Cr)固溶體和/或具有亞微米硼化物Cr2B的超飽和鉻(Cr)固溶體。
34.如權利要求31所述的方法，其中所述的均質Cr-(2-20at.％)B預合金粉末材料具有顯微組織，該顯微組織包括具有亞微米碳化物Cr23C6的超飽和鉻(Cr)固溶體。
35.一種製造鐵(Fe)基濺射靶的方法，該鐵(Fe)基濺射靶用公式表示為Fe-(5-40at.％)Co-(5-20at.％)B、Fe-(5-90at.％)Ni、Fe-(5-70at.％)Co、Fe-(30-50at.％)Pt或Fe-(30-55at.％)Pd，所述方法包括如下步驟將多種原材料製備成為與Fe-(5-40at.％)Co-(5-20at.％)B、Fe-(5-90at.％)Ni、Fe-(5-70at.％)Co、Fe-(30-50at.％)Pt或Fe-(30-55at.％)Pd合金系相應的組合物，所述多種原材料包括純元素或母合金；在真空或氬(Ar)的分壓下加熱所述多種原材料至完全液態，以形成與Fe-(5-40at.％)Co-(5-20at.％)B、Fe-(5-90at.％)Ni、Fe-(5-70at.％)Co、Fe-(30-50at.％)Pt或Fe-(30-55at.％)Pd合金系相應的熔融合金；凝固所述的熔融合金以形成錠；把所述的錠再加熱至完全液態以形成擴散熔融合金；快速凝固所述的擴散熔融合金成為均質預合金粉末材料；固結所述的均質預合金粉末材料成為全緻密均質材料；熱軋所述的全緻密均質材料；以及機械加工所述的全緻密均質材料以形成濺射靶。
36.如權利要求35所述的方法，其中對於Fe-(5-40at.％)Co-(5-20at.％)B合金系，在比固相線溫度低的溫度下熱軋所述的全緻密均質材料。
37.如權利要求35所述的方法，其中在所述均質預合金粉末材料中形成至少第一硼化物相，並且其中所述的第一硼化物相包括亞穩硼化物Fe3B或亞穩硼化物Fe3B與平衡硼化物Fe2B的混合物。
38.一種製造鎳(Ni)基濺射靶的方法，該鎳(Ni)基濺射靶用公式表示為Ni-(10-50at.％)P，所述方法包括如下步驟將多種原材料製備成為與Ni-(10-50at.％)P合金系相應的組合物，所述多種原材料包括純元素或母合金；在真空或氬(Ar)的分壓下加熱所述多種原材料至完全液態，以形成與Ni-(10-50at.％)P合金系相應的熔融合金；凝固所述的熔融合金以形成錠；把所述的錠再加熱至完全液態以形成擴散熔融合金；快速凝固所述的擴散熔融合金成為均質預合金粉末材料；固結所述的均質預合金粉末材料成為全緻密均質材料；以及機械加工所述的全緻密均質材料以形成濺射靶。
39.如權利要求38所述的方法，其中所述的均質預合金粉末材料具有顯微組織，該顯微組織包括具有小於10μm的磷化物Ni3P的超飽和鎳(Ni)固溶體。
全文摘要
一種製造濺射靶的方法，包括如下步驟將多種原材料製備成為與合金系相應的組合物，所述多種原材料包括純元素或母合金，並在真空或氬(Ar)的分壓下加熱所述多種原材料至完全液態，以形成與合金系相應的熔融合金，凝固該熔融合金以形成錠，把錠再加熱至完全液態以形成擴散熔融合金。所述方法還包括如下步驟快速凝固該擴散熔融合金成為均質預合金粉末材料，向該均質預合金粉末材料中摻和純單質粉末，固結該均質預合金粉末材料成為全緻密均質材料，熱軋該全緻密均質材料。另外，所述方法包括如下步驟冷軋該全緻密均質材料，並機械加工該全緻密均質材料以形成濺射靶。
文檔編號C22C1/03GK1900352SQ20061007546
公開日2007年1月24日 申請日期2006年4月21日 優先權日2005年7月22日
發明者阿卜杜勒瓦哈卜·齊亞尼, 貝恩德·孔克爾 申請人:黑羅伊斯公司