一种铬硅靶材及其制备方法和应用与流程

1.本发明属于合金靶材技术领域，涉及一种铬硅靶材及其制备方法和应用。


背景技术：

2.近年市场对高纯度铬硅靶材的需求量大幅增长，目前已生产的铬硅靶材微观均匀性差，密度低且内部微裂纹多，成材率低，溅射使用易出现问题，无法满足高端电子行业对于靶材质量的要求，仅仅部分用于低端产品中。
3.目前，大部分铬硅靶材生产成本高，流程复杂，无法提高生产效率，更无法满足更宽行业需求。研发高密度，微观均匀，成材率高，可焊接、加工性能好，溅射性能好，生产成本低的铬硅靶材能够扩宽市场发展，提高竞争力。
4.cn111996507a公开了一种铬硅溅射靶材的制备方法，所述方法包括以下步骤：(1)将铬粉以及硅粉混合，并将混合粉料加入模具内压实；(2)将所述模具在真空条件下烧结，所述烧结包括第一保温阶段、第二保温阶段以及第三保温阶段；(3)烧结后所述模具在惰性气氛下冷却，得到所述铬硅溅射靶材。
5.cn112144024a公开了一种铬硅化物靶材及其制备方法，特点是该crsi靶材相对密度在99％以上，氧含量小于500ppm，其制备方法包括以下步骤：将纯度99.9％以上的铬和硅混合后粉碎成平均粒径10-100μm的粉末；2)将混合后的粉末置于真空热处理炉中反应生成二硅化铬化合物粉末，用此方式产生的粉末作为原材料的一部分；3)然后将步骤1)和步骤2)的混合原料粉末通过真空热压，在惰性气体气氛10-1000pa下，于1200-1350℃和加压力400-600kg/cm2下处理60-480分钟，得到密度97％以上的烧结体；4)再通过热等静压技术得到密度99％以上的烧结体；5)烧结体通过真空热处理炉进行退火后，通过机械加工除去表层的氧化及变质层得到铬硅化物靶材。
6.上述方案制得铬硅靶材微观均匀性差或成材率低的问题，限制了其在实际中的应用。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种铬硅靶材及其制备方法和应用，本发明所述方法可制得致密度＞99％的铬硅靶材，所述铬硅靶材的微观均匀致密，气体含量低，成材率高(降低烧结开裂概率)且溅射性能优良。
8.为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
9.第一方面，本发明提供了一种铬硅靶材的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：
10.(1)将铬粉和硅粉混合后，进行一步真空退火处理得到一烧材料，对所述一烧材料进行二步真空退火处理，得到二烧材料；
11.(2)对步骤(1)所述二烧材料进行研磨处理，装模后进行压实处理，得到装粉模具；
12.(3)对所述装粉模具加压后进行一步真空煅烧处理得到生坯，对所述生坯进行二步真空煅烧处理后进行保温加压处理，冷却后脱模，得到所述铬硅靶材。
13.本发明采用真空处理的方法，辅以常规的退火和研磨工艺，即可以制备出微观均匀、高致密度铬硅靶材，致密度＞99％，满足磁控溅射对靶材纯度和密度要求。
14.优选地，步骤(1)所述铬粉的纯度≥99.9％。
15.优选地，所述硅粉的纯度≥99.9％。
16.优选地，以所述铬粉和硅粉的质量为100％计，所述铬粉的质量分数为50～80％，例如：50％、60％、70％或80％等。
17.优选地，所述混合的装置包括v型混粉机和/或或三维混粉机。
18.优选地，所述混合的气氛包括氮气和/或氩气。
19.优选地，所述混合的时间≥48h。
20.优选地，步骤(1)所述一步真空退火处理的真空度≤1
×
10-3
pa。
21.优选地，所述一步真空退火处理的升温速度为2～5℃/min，例如：2℃/min、3℃/min、4℃/min或5℃/min等。
22.优选地，所述一步真空退火处理的温度为250～450℃，例如：250℃、300℃、350℃、400℃或450℃等。
23.优选地，所述一步真空退火处理的保温时间为1～3h，例如：1h、1.5h、2h、2.5h或3h等。
24.优选地，步骤(1)所述二步真空退火处理的真空度≤1
×
10-2
pa。
25.优选地，所述二步真空退火处理的升温速度为0.5～3℃/min，例如：0.5℃/min、1℃/min、2℃/min、2.5℃/min或3℃/min等。
26.优选地，所述二步真空退火处理的温度为700～950℃，例如：700℃、750℃、800℃、900℃或950℃等。
27.优选地，所述二步真空退火处理的保温时间为3～6h，例如：3h、4h、5h或6h等。
28.优选地，所述二步真空退火处理后随炉冷却至室温，所述室温即25℃。
29.优选地，步骤(2)所述研磨处理包括球磨。
30.优选地，所述球磨的装置包括有陶瓷内衬的球磨机。
31.优选地，所述球磨的球料比为3～8:1，例如：3:1、4:1、5:1、6:1、7:1或8:1等。
32.优选地，所述球磨的速度为20～60rpm，例如：20rpm、30rpm、40rpm、50rpm或60rpm等。
33.优选地，所述球磨的时间≥24h。
34.优选地，步骤(2)所述装模后的平面度≤0.5mm。
35.优选地，所述压实处理的压力为1～3mpa，例如：1mpa、1.5mpa、2mpa、2.5mpa或3mpa等。
36.优选地，所述压实处理的时间为5～10min，例如：5min、6min、7min、8min或10min等。
37.优选地，步骤(3)所述一步真空煅烧处理的真空度≤100pa。
38.优选地，所述一步真空煅烧处理的升温速度为5～9℃/min，例如：5℃/min、6℃/min、7℃/min、8℃/min或9℃/min等。
39.优选地，所述一步真空煅烧处理的温度为900～1150℃，例如：900℃、920℃、950℃、1000℃、1100℃或1150℃等。
40.优选地，所述一步真空煅烧处理的保温时间为1～2h，例如：1、1.2、1.5、1.8或2等。
41.优选地，步骤(3)所述二步真空煅烧处理的真空度≤1
×
10-2
pa。
42.优选地，所述二步真空烧结处理的升温速度为1～4℃/min，例如：1℃/min、2℃/min、3℃/min或4℃/min等。
43.优选地，所述二步真空煅烧处理的温度为1200～1350℃，例如：1200℃、1220℃、1250℃、1300℃或1350℃等。
44.优选地，所述二步真空煅烧处理的保温时间≥2h。
45.优选地，步骤(3)所述保温加压处理包括一步加压、二步加压和保温保压。
46.优选地，所述一步加压的加压速率为0.3～0.7mpa/min，例如：0.3mpa/min、0.4mpa/min、0.5mpa/min、0.6mpa/min或0.7mpa/min等。
47.优选地，所述一步加压至22～26mpa(例如：22mpa、23mpa、24mpa、25mpa或26mpa等)后进行二步加压。
48.优选地，所述二步加压的加压速率为0.1～0.3mpa/min，例如：0.1mpa/min、0.15mpa/min、0.2mpa/min、0.25mpa/min或0.3mpa/min等。
49.优选地，所述二步加压至32～45mpa(例如：32mpa、35mpa、38mpa、40mpa或45mpa等)后进行保温保压。
50.优选地，所述保温保压的时间为2～5h，例如：2h、2.5h、3h、4h或5h等。
51.优选地，所述保温保压后冲入氩气至炉内压力为-0.06～-0.08mpa(例如：-0.06mpa、-0.07mpa或-0.08mpa等)后冷却。
52.优选地，所述冷却的终点为温度《200℃。
53.第二方面，本发明提供了一种铬硅靶材，所述铬硅靶材通过如第一方面所述方法制得。
54.第三方面，本发明提供了一种如第二方面所述铬硅靶材的应用，所述铬硅靶材用于磁控溅射。
55.相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
56.(1)本发明所述方法可制得致密度＞99％的铬硅靶材，所述铬硅靶材的微观均匀致密，气体含量低，成材率高(降低烧结开裂概率)且溅射性能优良。
57.(2)本发明制得铬硅靶材的致密度可达99.94％以上，气体含量可达0.1％以下，成材率可达100％。
具体实施方式
58.下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
59.本发明实施例和对比例使用的铬粉和硅粉纯度均》99.9％。
60.实施例1
61.本实施例提供了一种铬硅靶材，所述铬硅靶材的制备方法如下：
62.(1)在三维混粉机中充满氮气，将铬粉和硅粉按照质量比为70:30在三维混粉机中混合50h，将粉末放入石墨坩埚中，坩埚上需配置带有透气孔的盖子；将石墨坩埚放置于真空热处理炉中，设备抽真空至真空度降到1
×
10-3
pa以下，以3℃/min的速度升温至350℃进
行一步退火保温2h，保证真空度在1
×
10-2
pa以下，以2℃/min的速度升温至800℃进行二步退火保温4h，随炉冷却至室温；
63.(2)从石墨坩埚中取出粉末，放入有陶瓷内衬的球磨机进行球磨，球料比5:1，球磨转速40rpm，球磨时间≥24h，球磨完成后取出粉末，装入石墨模具中压实，保证装模后平面度≤0.5mm；
64.(3)将装粉后的石墨模具放入真空烧结炉内，放置后保证模具水平，施加2mpa压力并保持8min，设备抽真空，真空度降到100pa以下后，开始以7℃/min的速度升温至1000℃，并保温1.5h，保温结束后以2℃/min的速度缓慢升温至1250℃后进行保温，保温时间3h，先以0.5mpa/min速度加压至24mpa，再改变加压速度为0.2mpa/min加压至40mpa后保温保压3h，结束保温保压，真空烧结炉内冲入氩气至炉内压力为-0.07mpa，撤压停炉，随炉冷却至温度＜200℃后，取出模具及靶坯，冷却至室温得到所述铬硅靶材。
65.实施例2
66.本实施例提供了一种铬硅靶材，所述铬硅靶材的制备方法如下：
67.(1)在v型混粉机中充满氮气，将铬粉和硅粉按照质量比为60:40在v型混粉机中混合50h，将粉末放入石墨坩埚中，坩埚上需配置带有透气孔的盖子；将石墨坩埚放置于真空热处理炉中，设备抽真空至真空度降到1
×
10-3
pa以下，以3.5℃/min的速度升温至380℃进行一步退火，保温2.2h，保证真空度在1
×
10-2
pa以下，以2℃/min的速度升温至850℃进行二步退火，保温3.8h，随炉冷却至室温；
68.(2)从石墨坩埚中取出粉末，放入有陶瓷内衬的球磨机进行球磨，球料比6:1，球磨转速50rpm，球磨时间≥24h，球磨完成后取出粉末，装入石墨模具中压实，保证装模后平面度≤0.5mm；
69.(3)将装粉后的石墨模具放入真空烧结炉内，放置后保证模具水平，施加2.2mpa压力并保持8min，设备抽真空，真空度降到100pa以下后，开始以8℃/min的速度升温至1050℃，并保温1.5h，保温结束后以3℃/min的速度缓慢升温至1280℃后进行保温，保温时间3h，先以0.6mpa/min速度加压至25mpa，再改变加压速度为0.25mpa/min加压至42mpa后保温保压3h，结束保温保压，真空烧结炉内冲入氩气至炉内压力为-0.07mpa，撤压停炉，随炉冷却至温度＜200℃后，取出模具及靶坯，冷却至室温得到所述铬硅靶材。
70.实施例3
71.本实施例与实施例1区别仅在于，步骤(1)所述一步退火的温度为200℃，其他条件与参数与实施例1完全相同。
72.实施例4
73.本实施例与实施例1区别仅在于，步骤(1)所述一步退火的温度为500℃，其他条件与参数与实施例1完全相同。
74.实施例5
75.本实施例与实施例1区别仅在于，步骤(1)所述二步退火的温度为600℃，其他条件与参数与实施例1完全相同。
76.实施例6
77.本实施例与实施例1区别仅在于，步骤(1)所述二步退火的温度为1000℃，其他条件与参数与实施例1完全相同。
78.对比例1
79.本对比例与实施例1区别仅在于，不进行步骤(2)的研磨处理，其他条件与参数与实施例1完全相同。
80.对比例2
81.本对比例与实施例1区别仅在于，不进行步骤(1)的两步退火处理，其他条件与参数与实施例1完全相同。
82.性能测试：
83.对实施例1-6和对比例1制得铬硅靶材进行测试，测试结果如表1所示：
84.表1
[0085][0086][0087]
由表1可以看出，由实施例1-2可得，本发明制得铬硅靶材的致密度可达99.94％以上，气体含量可达0.1％以下，成材率可达100％。
[0088]
由实施例1和实施例3-4对比可得，本发明所述铬硅靶材的制备过程中，一步真空退火的温度会影响制得铬硅靶材的性能，将一步真空退火的温度控制在250～450℃，制得铬硅靶材的性能较好，若温度过低或者过高都会影响到粉末间温度均匀性，导致最终粉末间气体及杂质的排出。
[0089]
由实施例1和实施例5-6对比可得，本发明所述铬硅靶材的制备过程中，二步真空退火的温度会影响制得铬硅靶材的性能，将二步真空退火的温度控制在700～950℃，制得铬硅靶材的性能较好，若温度过低，易导致粉末无法充分合金化反应，且不能将粉末间气体完全除去，若温度过高，易导致粉末退火状态时过烧，粉末间强度增加，降低后续球磨效果，进而影响到最终靶材致密度及成材率。
[0090]
由实施例1和对比例1对比可得，本发明对退火的粉料进行研磨处理，粉末高温退火后会出现结块，需要将粉末进行球磨，细化退火后粉末粒度，提高后续热压烧结性能，保
证靶坯烧结致密度。
[0091]
由实施例1和对比例2对比可得，本发明通过退火处理，能够明显降低靶材最终气体含量，粉末通过退火预烧，提高粉末均匀性，进而提高靶材密度及成材率。
[0092]
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

技术特征：
1.一种铬硅靶材的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：(1)将铬粉和硅粉混合后，进行一步真空退火处理得到一烧材料，对所述一烧材料进行二步真空退火处理，得到二烧材料；(2)对步骤(1)所述二烧材料进行研磨处理，装模后进行压实处理，得到装粉模具；(3)对所述装粉模具加压后进行一步真空煅烧处理得到生坯，对所述生坯进行二步真空煅烧处理后进行保温加压处理，冷却后脱模，得到所述铬硅靶材。2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述铬粉的纯度≥99.9％；优选地，所述硅粉的纯度≥99.9％；优选地，以所述铬粉和硅粉的质量为100％计，所述铬粉的质量分数为50～80％；优选地，所述混合的装置包括v型混粉机和/或三维混粉机；优选地，所述混合的气氛包括氮气和/或氩气；优选地，所述混合的时间≥48h。3.如权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述一步真空退火处理的真空度≤1
×
10-3
pa；优选地，所述一步真空退火处理的升温速度为2～5℃/min；优选地，所述一步真空退火处理的温度为250～450℃；优选地，所述一步真空退火处理的保温时间为1～3h。4.如权利要求1-3任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)所述二步真空退火处理的真空度≤1
×
10-2
pa；优选地，所述二步真空退火处理的升温速度为0.5～3℃/min；优选地，所述二步真空退火处理的温度为700～950℃；优选地，所述二步真空退火处理的保温时间为3～6h；优选地，所述二步真空退火处理后随炉冷却至室温。5.如权利要求1-4任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)所述研磨处理包括球磨；优选地，所述球磨的装置包括有陶瓷内衬的球磨机；优选地，所述球磨的球料比为3～8:1；优选地，所述球磨的速度为20～60rpm；优选地，所述球磨的时间≥24h；优选地，所述装模后的平面度≤0.5mm；优选地，所述压实处理的压力为1～3mpa；优选地，所述压实处理的时间为5～10min。6.如权利要求1-5任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述一步真空煅烧处理的真空度≤100pa；优选地，所述一步真空煅烧处理的升温速度为5～9℃/min；优选地，所述一步真空煅烧处理的温度为900～1150℃；优选地，所述一步真空煅烧处理的保温时间为1～2h。7.如权利要求1-6任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述二步真空煅烧处理的真空度≤1
×
10-2
pa；
优选地，所述二步真空煅烧处理的升温速度为1～4℃/min；优选地，所述二步真空煅烧处理的温度为1200～1350℃；优选地，所述二步真空煅烧处理的保温时间≥2h。8.如权利要求1-7任一项所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述保温加压处理包括一步加压、二步加压和保温保压；优选地，所述一步加压的加压速率为0.3～0.7mpa/min；优选地，所述一步加压至22～26mpa后进行二步加压；优选地，所述二步加压的加压速率为0.1～0.3mpa/min；优选地，所述二步加压至32～45mpa后进行保温保压；优选地，所述保温保压的时间为2～5h；优选地，所述保温保压后冲入氩气至炉内压力为-0.06～-0.08mpa后冷却；优选地，所述冷却的终点为温度<200℃。9.一种铬硅靶材，其特征在于，所述铬硅靶材通过如权利要求1-8任一项所述方法制得。10.一种如权利要求9所述铬硅靶材的应用，其特征在于，所述铬硅靶材用于磁控溅射。

技术总结
本发明提供了一种铬硅靶材及其制备方法和应用，所述制备方法包括以下步骤：(1)将铬粉和硅粉混合后，进行一步真空退火处理得到一烧材料，对所述一烧材料进行二步真空退火处理，得到二烧材料；(2)对步骤(1)所述二烧材料进行研磨处理，装模后进行压实处理，得到装粉模具；(3)对所述装粉模具加压后进行一步真空煅烧处理得到生坯，对所述生坯进行二步真空煅烧处理后进行保温加压处理，冷却后脱模，得到所述铬硅靶材，本发明所述方法可制得致密度＞99％的铬硅靶材，所述铬硅靶材的微观均匀致密，气体含量低，成材率高(降低烧结开裂概率)且溅射性能优良。能优良。


技术研发人员：姚力军 潘杰 杨慧珍 廖培君 周友平
受保护的技术使用者：宁波江丰电子材料股份有限公司
技术研发日：2023.07.06
技术公布日：2023/9/25