钛铝合金溅射镀膜靶材的研究进展

陈 希,黄 蓉,邬 晔

(湖南稀土金属材料研究院,湖南长沙 410126)

钛铝合金溅射镀膜靶材的研究进展

陈 希,黄 蓉,邬 晔

(湖南稀土金属材料研究院,湖南长沙 410126)

综述了钛铝合金靶材的制备技术及存在的问题。热等静压烧结法,成本较高,不适合广泛推广。热压烧结法工艺效率高,制备的靶材致密度好,成本较低,适合产业化生产。

钛铝合金;溅射靶材;制备方法

随着人们环保意识的增强,材料的表面镀膜技术由传统的电镀及化学镀技术逐渐过渡到真空溅射镀膜技术。真空磁控溅射镀膜技术已经在五金装饰镀层、表面保护镀层、电子产品镀层、电磁屏蔽镀膜以及汽车和建筑玻璃镀膜领域得到了广泛的应用[1]。因此,该领域对相关镀膜靶材的需求也显得极为迫切。

钛铝合金是一种真空镀膜用合金溅射靶材,在该合金中通过调配钛与铝的含量可以获得不同特性的钛铝合金靶材。钛铝金属间化合物属于硬脆材料,具有很好的耐磨性,在普通刀具表面覆着一层钛铝金属间化合物,可以有效延长刀具的使用时间[2]。如配合氮气放电起弧实施溅射,可以获得高硬度低摩擦系数表面膜,特别适合各种刀具、模具和其它易损件的表面涂层,因此在机械加工行业具有较好的应用前景。

钛铝合金靶材的制备较困难。根据钛铝合金相图,钛和铝之间可以形成多种金属间化合物[3],导致钛铝合金存在加工脆性,特别是当合金中铝含量超过50%(原子比)时,合金的抗氧化性骤然降低,氧化严重。同时,合金化过程中的放热膨胀,极易产生气泡、缩孔和缩松,导致合金的孔隙率高,无法满足靶材致密度的要求。

1 溅射镀膜工艺

1.1 溅射靶材

溅射靶材是指通过磁控溅射、多弧离子镀或其他类型的镀膜设备在适当工艺条件下溅射沉积在基板上形成各种功能薄膜的溅射源。溅射靶材广泛应用于装饰、工模具、玻璃、电子器件、半导体、磁记录、平面显示、太阳能电池等众多领域,不同领域需要的靶材各不相同。按照生产方法溅射靶材可分为粉末靶、熔炼靶和喷涂靶;按照形状可分为平面靶材和管状靶材,平面靶材又可分为矩形靶和圆弧靶;根据成分可分为纯金属靶材、合金靶材、氧化物靶材、硅化物靶材等多个品种。

1.2 溅射镀膜原理

用加速的离子轰击固体表面,离子和固体表面原子交换动量,使固体表面的原子离开固体并沉积在基底表面,该过程即为溅射镀膜。图1为溅射镀膜过程示意图[4]。用靶材溅射沉积的薄膜致密度高,与基体之间附着性好。因此,溅射沉积已成为一种广泛应用的薄膜制备技术。

图1 溅射镀膜示意图

2 钛铝合金溅射靶制备技术

溅射合金靶材需要满足纯度、致密度、晶粒度、表面光洁度等要求[5]。其中纯度、致密度及晶粒度与靶材制备工艺直接相关。

金属合金制备通常采用的普通熔炼法。但钛铝合金的制备不适于采用该方法,主要原因如下:(1)钛铝合金熔炼过程易形成多种金属间化合物,如Ti3Al、TiAl、TiAl2、TiAl3等,这些金属间化合物的存在导致钛铝合金的加工脆性,特别是当合金中铝含量超过50%(原子比),该问题尤为明显;(2)熔炼工艺制备钛铝合金靶材,浇注过程中易产生气泡、疏松和偏析,造成合金中成分与组织不均匀,导致靶材品质不稳定[6]。

根据国内外有关钛铝合金靶材的生产工艺研究报道,目前钛铝合金溅射靶材的主要制备技术有:强电流加热法、热等静压烧结法、热压烧结法。

2.1 强电流加热法

学者余鹏发明了一种通过大强度电流生产钛铝合金靶材的方法。该法采用可获得大电流的装置,利用大电流使钛粉和铝粉发热,施以压力,使铝和钛自身反应形成钛铝合金靶材[7]。

该法制备得到的钛铝合金靶材产品的致密度＞99%,晶粒尺寸≤100μm,纯度＞99%。钛铝合金靶材成分范围为:钛含量5%～75%(原子比),其余为铝含量。该法成本低、产品致密度高,完全能满足大规模产业化生产的要求。

该制备法中需要有可获得大电流的装置,装置中的正负电极需要有导电、传压功效,应具备良好的导电性、强韧性及抗高温软化性等。因此,能否具备符合工艺要求、性能稳定的大电流装置是该制备方法的关键。

2.2 热等静压烧结法

学者张凤戈等发明了一种钛铝合金靶材的粉末冶金制备方法。该法将钛粉和铝粉进行混料,然后经过装粉和冷等静压预压制、脱气工艺后再进行热等静压压制成型,最后进行烧结和加工得到钛铝合金靶材[8]。

该法制备的钛铝合金靶材具有致密度高、无气孔、无疏松和偏析、成分均匀、晶粒细小等特点。制备得到的钛铝合金靶材产品的致密度≥99%,纯度＞99%,晶粒尺寸≤100μm,最大规格尺寸可到1 000 mm。钛铝合金靶材成分范围为:钛含量20%～80%(原子比),其余为铝含量。

热等静压制备法是目前制备镀膜产业所需钛铝合金溅射靶材的主要方法。该法制备的靶材产品致密度高、尺寸规格范围广。但该法需要用到关键的压制烧结设备——热等静压烧结炉,该设备价格昂贵,导致制备得到的靶材产品,成本较高,难以进行工业化推广。

2.3 热压烧结法

学者余琨等发明了一种钛铝合金靶材快速热压烧结成型工艺。该工艺使钛铝粉体在热和力的共同作用下烧结成型,利用Ti-Al混合物中铝的熔点低,将钛粉粘结在一起,形成合金溅射靶材[9]。热压烧结示意图如图2所示。

图2 热压烧结示意图

该法制备得到的合金靶材致密度高(≥95%),晶粒尺寸细小(≤100μm),成分均匀。用该工艺可制备出不同成分的钛铝合金靶材。钛铝合金靶材成分范围为:钛含量25%～75%(原子比),其余为铝含量。该工艺流程短、成本低、镀膜效果好,能满足大规模产业化要求。

该工艺的特点是在真空或保护气氛中通过刚性模具来传递压力,使材料在热和力的共同作用下烧结成型,将冷压成型+烧结两步合并为一个步骤,可大大提高工艺效率。

该工艺对设备的要求较高,关键设备是热压烧结炉。制备的靶材以圆形合金靶材为主,直径≤100 mm。此外,该工艺在制备铝含量高的钛铝合金靶材时,存在脱模困难,模具使用寿命低的问题。每块靶材制备过程都要消耗一套模具,使靶材生产成本增加。因而需选择合适的脱模剂,来提高成品率及模具的利用率。

目前,热压烧结是钛铝合金溅射靶材最有潜力的制备技术。该技术工艺效率高,适合产业化生产。然而用热压烧结方式制备钛铝合金溅射靶材,存在脱模困难,模具使用寿命低的问题。每块靶材制备过程都要消耗一套模具,使靶材生产成本增加。钛铝合金烧结过程中,钛属于高熔点的硬质相,铝属于粘接相。高铝型钛铝合金粉末烧结过程中低熔点的铝逐步熔化,能将钛原子粘接在一起,最后形成合金靶材。然而铝液与石墨模具的润湿角是钝角,铝含量越多的钛铝合金,热压烧结冷却后脱模越困难。因此,高铝型钛铝合金靶材的热压烧结制备工艺中需要选择合适的脱模剂,来提高成品率及模具的利用率。

此外,热压烧结过程中的烧结温度、升温速率、热压压力对产品最终的组织和性能都有很大的影响[10]。其中烧结温度太高,将导致固相烧结到液相烧结的过渡,使得高熔点硬质相骨架坍塌,同时浪费动力能源,不利于降低成本;另外烧结温度过高,会导致晶粒长大及第二相的增多及长大,都将降低靶材的溅射镀膜性能。如果靶材晶粒过大,则在溅射时消耗溅射表面,出现在溅射靶材上的侵蚀部表面上的凹凸增大,导致形成的合金膜的膜厚均匀性的下降、投入大电力时成为微小电弧异常放电的频率增加、及随之发生飞溅等问题。同时,第二相与基体相比,由于溅射效率差,容易以突起残留,也会影响溅射成膜的均匀性。烧结温度太低,会导致烧结不完全,靶材产品致密度低。热压过程中如升温速率快,可提高工作效率,但由于部分区域先烧结,导致粘接相流动,造成靶材最终组织成分不均匀的问题。压力较大也可提高效率,但同时使模具损耗严重,降低模具使用寿命[11]。

3 结 语

综上所述,热压烧结是钛铝合金溅射靶材最有潜力的制备技术。该技术工艺效率高,适合产业化

生产。而用该技术制备钛铝合金靶材需反复试验,选择合适的脱模剂,提高成品率及模具的利用率,同时,需优化烧结热压工艺条件(烧结温度、升温速率、热压压力),提高生产效率,从而降低成本。随着溅射镀膜的快速增长,及在国内逐步普及的趋势,每年溅射镀膜用靶材的市场需求量也在迅速增大。因此,对钛铝合金靶材制备技术的研究,具有现实意义和极大的应用前景。

[1] 金永中,刘东亮,陈建.溅射靶材的制备及应用研究[J].四川理工学院学报,2005,18(3):22-24.

[2] 努力古.溅射靶材的制备及发展趋势[J].新疆有色金属, 2008,5:55-56.

[3] 张喜燕,赵永庆,白晨光.钛合金及其应用[M].北京:化学工业出版社,2005.52-53.

[4] 张之圣,白天,王秀宇.薄膜电阻器用磁控溅射高阻靶材[J].压电与声光,2009,31(5):661-663.

[5] J.Sarkar,P.McDonald,P.Gilman.Surface characteristics of titanium targets and their relevance to sputtering performance[J]. Thin Solid Films,2009,517:1970-1976.

[7] 余鹏.一种通过大强度电流生产钛铝合金靶材的方法[P].中国专利:200910044672.1,2010-09-08.

[8] 张凤戈,姚伟,唐培新,等.一种钛铝合金靶材的粉末冶金制备方法[P].中国专利:200710303869.3,2008-07-09.

[9] 余琨,蔡志勇.一种钛铝合金靶材快速热压烧结成型工艺[P].中国专利:200910043144.4,2010-10-13.

[10] 张青来,贺继弘.粉末冶金高纯铬和铬合金溅射靶材烧结工艺研究[J].金属成形工艺,2003,21(6):83-85.

[11] 王赞海,王星明,储茂友,等.惰性气体热压法制备W-Ti合金靶材研究[J].稀有金属,2006,30(5):688-691.

Abstract:The preparation methods and existed problemsof the titanium-aluminum alloy sputtering target were reviewed.The hot isostati pressing method can not be applied widely in the industry for the high cost.The hotpress sintering approach can prepare alloy target with high density effectively,which can be extensively used in the commercial process.

Key words:titanium-aluminum alloy;sputtering target;preparation method

Development of Research on Titanium-Aluminum Alloy Sputtering Coating Target

CHEN Xi,HUANG Rong,WU Ye

(Hunan Rare Earth Metal&Material Research Institute,Changsha410126,China)

TG146.23

A

1003-5540(2012)01-0051-03

2012-01-08

陈希(1984-),女,工程师,主要从事轻合金材料研究。