一种高纯镁溅射靶材及其制备方法

技术领域

本发明属于溅射靶材技术领域，具体涉及一种高纯镁溅射靶材及其制备方法。

背景技术

溅射镀膜是电子和氩气在磁场作用下发生碰撞，电离出的氩离子不断轰击溅射靶材，使靶材原子沉积在镀膜基体表面，从而实现镀膜的过程。靶材的质量决定了镀膜的质量，其中，半导体芯片用溅射靶材对靶材的成分、组织和性能要求最高。

目前关于半导体磁控溅射用镁靶研究甚少，一方面由于镁的加热升温与散热降温都比其他金属快，导致塑性加工过程中温度下降过快且不均匀，容易发生边裂和裂纹；另一方面镁相对于其它金属材料而言，镁的热加工温度范围较窄。因此，这就给镁靶材的加工成形带来了一定的困难。

如现有技术CN113846302A公开了一种镁靶材及其制备方法和用途，其制备方法包括将镁锭进行第一真空热处理后在氩气气氛下进行一次锻造，冷却的镁坯再进行第二真空热处理后进行二次锻造，将得到的镁坯在室温下进行冷轧20～30道次，最后将镁坯经过第三真空热处理，冷却后经机械加工得到镁靶材。该镁靶材的制备方法中，将镁坯在室温下进行多道次轧制，镁坯容易产生边裂和裂纹，会降低材料的成品率。

发明内容

针对现有技术存在问题，本发明目的在于提供一种高纯镁溅射靶材及其制备方法，由本发明方法制得的高纯镁溅射靶材不仅无边裂、裂纹等内部缺陷，并且组织均匀，平均晶粒尺寸≤30μm，且成品率较高。

基于上述目的，本发明采用的技术方案如下：

第一方面，本发明提供一种高纯镁溅射靶材的制备方法，包括如下步骤：

将镁板进行均匀化热处理后，于冷轧机上进行轧制，控制轧制工艺直至镁板总轧制变形量达到50％～60％；随后于200～300℃热处理1～3h，经冷却制得高纯镁溅射靶材。

本发明提供一种与现有技术不同的高纯镁溅射靶材的制备方法，本发明通过对镁板进行热处理，并进行冷轧，使得镁板在镁再结晶温度以下以及室温以上的温度下进行轧制，随后对其进行再结晶热处理，使得镁板内部组织无缺陷，组织均匀，并且晶粒尺寸≤30μm，能够满足半导体芯片用溅射靶材的使用要求，且成品率较高。

本发明通过将均匀化热处理后的镁板直接进行冷轧，使得镁板在轧制过程中的温度介于室温和其再结晶温度之间，细化了晶粒，避免晶粒异常长大，造成靶材组织不均匀；同时提高靶材的塑性，降低其损耗。

本发明通过控制轧制后镁坯的热处理温度，进一步优化靶材的性能，若热处理温度过高，会导致晶粒异常长大；若温度过低，不能完成完全再结晶。作为优选方案，轧制后镁坯的热处理温度为200～300℃，例如可以是200℃、220℃、260℃，280℃等，热处理时间为1～3h，例如可以是1h、1.5h、2h、2.5h、3h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，轧制工艺包括如下步骤：

控制轧制参数，至轧制变形量达15％～20％，对镁板进行第一次轧制热处理；

控制轧制参数，对镁板进行轧制至其总变形量达30％～35％，对镁板进行第二次轧制热处理；

控制轧制参数，对镁板进行轧制，至其总变形量达50％～60％。

优选地，所述轧制工艺过程中，相邻两次轧制变形量不超过20％。

本发明轧制工艺过程中需对两次轧制热处理之间的变形量进行控制，若变形量过大，会导致镁靶轧制过程中出现裂纹；若变形量过小，晶粒细化效果不明显。作为优选的技术方案，两次轧制热处理之间的变形量不能超过20％。例如可以是15％，16％，17％，18％，19％，20％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，第一次轧制热处理的温度为200～400℃，热处理时间为10～30min；所述第二次轧制热处理的温度为200～400℃，热处理时间为10～30min。

本发明轧制工艺过程中需对镁板的轧制热处理温度进行控制，若温度过高，会导致晶粒异常长大，达不到晶粒细化的效果；若温度过低，会导致镁板轧制过程中出现边裂和裂纹。

作为优选的技术方案，轧制热处理温度为200～400℃，例如可以是200℃、250℃、300℃、400℃等；热处理时间为10～30min，例如可以是10min、15min、20min、25min、30min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，轧制参数包括轧制速率和每道次下压量，在所述轧制工艺中，控制轧制速率为10～30m/min，每道次压下量为1～5mm。

本发明通过控制轧制工艺过程及工艺参数，使得由本发明所述轧制工艺制得的镁板无内部缺陷，晶粒尺寸小，性能较优，且成品率较高。

优选地，在轧制工艺以及轧制后的热处理工艺中，将镁板进行热处理时均采用锡纸包裹镁板后进行热处理。

本发明采用在轧制工艺以及轧制后的热处理工艺中，热处理均采用锡纸包裹镁板的方式，目的在于降低热处理过程中镁板的氧化。相对于现有真空加热的方式，本案所述方法更为简单易于操作。

优选地，将镁板进行均匀化热处理的温度为300～500℃，热处理时间为1～3h。

镁板经热挤压后晶粒得到细化，温度过高会导致晶粒异常长大，温度过低无法消除缺陷和应力，给后续变形加工造成困难，故而本发明采用将镁板于300～500℃进行均匀化热处理以消除挤压缺陷和应力，便于后续加工变形。

优选地，镁板的纯度不低于4N。

本发明所用原料镁板的纯度不低于4N，例如可以是4N、4N3、4N5、4N8、5N等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。

优选地，镁板为经过热挤压处理后的镁板。

铸态镁锭的组织为粗大的枝晶结构，晶粒尺寸在几百微米甚至几毫米之间，非常不均匀，仅靠轧制不能有效将晶粒细化，必须要通过大变形手段如锻造或挤压，本发明选用经热挤压后的镁板，晶粒被细化至300μm以下，再通过本发明方法可有效将晶粒细化到30μm以下。

优选地，经轧制及热处理后的靶材的冷却处理，其优选的冷却方式为随炉冷却。

第二方面，本发明提供一种高由上述制备方法制得的纯镁溅射靶材。

优选地，本发明制得的高纯镁溅射靶材内部无缺陷，组织均匀，平均晶粒尺寸≤30μm。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

本发明以经热挤压后镁板为原料，经均匀化热处理后无需冷却至室温而直接入冷轧机进行冷轧，使得镁板在轧制过程中的温度介于室温和其再结晶温度之间，细化了晶粒，避免晶粒异常长大，造成靶材组织不均匀，同时提高靶材的塑性，降低其损耗；本发明通过控制轧制变形量以及轧制温度，进一步有效避免镁材轧制过程中出现边裂和裂纹，并进一步细化晶粒尺寸。由本发明方法制得的高纯镁板靶材内部组织无缺陷，组织均匀，晶粒细小，并且晶粒尺寸≤30μm，能够满足半导体芯片用溅射靶材的使用要求。本发明所述制备方法对设备要求低，且制备工艺流程简单，对于实现镁靶材产业化生产具有重要意义。

附图说明

图1为镁板原料的纵截面金相组织图；

图2为实施例1中镁靶的纵截面金相组织图；

图3为镁靶坯超声C扫描结果图；

图4为实施例2中镁靶的纵截面金相组织图；

图5为实施例3中镁靶的纵截面金相组织图；

图6为对比例1中镁靶的纵截面金相组织图；

图7为对比例2中镁靶的纵截面金相组织图。

具体实施方式

为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。本领域技术人员应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例中所用的试验方法如无特殊说明，均为常规方法；所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。

实施例1

本实施例提供一种高纯镁溅射靶材的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：选取纯度为4N6经热挤压后的镁板为原料，其纵截面金相组织如图1所示，相对于纯镁的铸态粗大的枝晶结构组织(晶粒尺寸在500μm以上)，本发明选用的经热挤压后的镁板，晶粒被细化至300μm以下。

步骤2：将步骤1所得镁板用锡纸包裹严实后，在350℃下保温2h。

步骤3：将步骤2中经热处理后的镁板立即在冷轧机上进行轧制。轧制速率为30m/min，每道次压下量1mm。当轧制变形量达到16％时，将镁板在300℃下保温10min后继续进行轧制，当轧制变形量达到31％时，将镁板在300℃下保温10min后继续进行轧制，直至轧至总变形量达到55％。

步骤4：靶坯热处理。将步骤3所得靶坯在220℃下保温1h后随炉冷却。

步骤5：靶材成品机加工。将步骤4所得靶坯根据图纸要求进行机械加工至成品尺寸。

由本实施例制得的镁靶的纵截面金相组织图如图2所示，晶粒明显被细化，且晶粒分布相对均匀，平均晶粒尺寸30μm，镁靶坯超声C扫描结果图如图3所示，可见由本发明所述方法制得镁靶内部无边裂、裂痕等缺陷。由本发明所述方法制得镁靶成品率高达93％，成品率较高。

实施例2

本实施例提供一种高纯镁溅射靶材的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：选取纯度为4N8经热挤压后的镁板原料。

步骤2：将步骤1所得镁板用锡纸包裹严实后，在350℃下保温2h。

步骤3：将步骤2中经热处理后的镁板立即在冷轧机上进行轧制。轧制速率为20m/min，每道次压下量为1.5mm。当轧制变形量达到15％时，将镁板在300℃下保温20min后继续进行轧制，当轧制变形量达到33％时，将镁板在300℃下保温20min后继续进行轧制，直至轧至总变形量达到50％。

步骤4：靶坯热处理。将步骤3所得靶坯在260℃下保温1h后随炉冷却。

步骤5：靶材成品机加工。将步骤4所得靶坯根据图纸要求进行机械加工至成品尺寸。

由本实施例制得的镁靶的纵截面金相组织图如图4所示，晶粒明显被细化，且晶粒分布相对均匀，平均晶粒尺寸28μm。

实施例3

本实施例提供一种高纯镁溅射靶材的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：选取纯度为4N5经热挤压后的镁板原料。

步骤2：将步骤1所得镁板用锡纸包裹严实后，在350℃下保温2h。

步骤3：将步骤2中经热处理后的镁板立即在冷轧机上进行轧制。轧制速率为10m/min，每道次压下量为2mm。当轧制变形量达到15％时，将镁板在300℃下保温30min后继续进行轧制，当轧制变形量达到34％时，将镁板在300℃下保温30min后继续进行轧制，直至轧至总变形量达到52％。

步骤4：靶坯热处理。将步骤3所得靶坯在260℃下保温1h后随炉冷却。

步骤5：靶材成品机加工。将步骤4所得靶坯根据图纸要求进行机械加工至成品尺寸。

由本实施例制得的镁靶的纵截面金相组织图如图5所示，平均晶粒尺寸被细化至22μm晶粒，晶粒呈现均匀分布。

对比例1

本对比例提供一种高纯镁溅射靶材的制备方法，所述制备方法除了将步骤(4)热处理的温度260℃替换为180℃外，其余均与实施例3相同。

由本对比例制得的镁靶的纵截面金相组织图如图6所示，晶粒虽然被细化，但部分晶粒仍较大，晶粒呈现分布不均匀。

对比例2

本对比例提供一种高纯镁溅射靶材的制备方法，所述制备方法除了将步骤(4)热处理的温度260℃替换为350℃外，其余均与实施例3相同。

由本对比例制得的镁靶的纵截面金相组织图如图7所示，一些晶粒异常长大，晶粒极差增大，平均晶粒尺寸增大。

对比例3

本对比例提供一种镁靶材的制备方法，包括如下步骤：

(1)将纯度为4N的镁锭在300℃、真空条件下保温6h，然后在氩气气氛下依次进行镦粗和拔长，并重复进行2次，再采用水冷冷却至室温，得到第一镁坯；

(2)将步骤(1)得到的第一镁坯在250℃、真空条件下保温3h，然后在氩气气氛下依次进行镦粗和拔长，并重复进行2次，再采用水冷冷却至室温，得到第二镁坯；

(3)将步骤(2)得到的第二镁坯在室温下轧制20道次，得到第三镁坯；

(4)将步骤(3)得到的第三镁坯在100℃、真空条件下保温2h，然后采用水冷冷却至室温，经机械加工后得到镁靶材。

对比例4

本对比例提供一种高纯镁溅射靶材的制备方法，所述制备方法除了将原料由纯度为4N5经热挤压后的镁板原料替换为纯度为4N5的镁锭外，其余均与实施例3相同。

对比例5

本对比例提供一种高纯镁溅射靶材的制备方法，所述制备方法除了将步骤3中镁板的保温温度由300℃调整为410℃外，其余均与实施例3相同。

对比例6

本对比例提供一种高纯镁溅射靶材的制备方法，所述制备方法除了将步骤3中镁板的保温温度由300℃调整为190℃外，其余均与实施例3相同。

对比例7

本对比例提供一种高纯镁溅射靶材的制备方法，所述制备方法除了将步骤3中的轧制变形量由15％、34％、52％分别调整为15％、40％、52％外，其余与实施例3相同。

对比例8

本对比例提供一种高纯镁溅射靶材的制备方法，所述制备方法除了将步骤3中的轧制变形量由15％、34％、52％分别调整为15％、28％、52％外，其余与实施例3相同。

通过对实施例1～3和对比例1～8得到的镁靶材的平均晶粒尺寸和成品率进行检测及统计，其中，成品率是指组织均匀、晶粒尺寸小于30μm、内部无缺陷的镁靶材在总成品中所占的比例，结果如下表所示。

综上，实施例1～3采用本发明所述制备方法，通过在再结晶温度以下又高于室温下轧制后进行再结晶热处理，得到了内部组织均匀的镁靶材，且使得镁靶材的晶粒尺寸≤30μm，工艺流程简单，热处理无需真空环境，对设备要求较低。对比例1减小了靶坯热处理的温度，晶粒未完成完全再结晶，导致平均晶粒尺寸有所增加；对比例2增大了靶坯热处理的温度，导致一些晶粒异常长大，晶粒均匀性变差。对比例3所述靶坯经过了2次锻造，1次轧制和3次温度逐步降低的真空热处理，将晶粒细化至22～30μm。所述制备方法流程复杂，经多次锻造，引入缺陷的可能性增加，从而造成成品率低，而本实施例所述制备方法仅包括轧制和热处理，且热处理不需要真空环境，对设备要求低，有利于实现产业化，成品率相对较高。对比例4选用的原料为未经过热挤压的镁锭，经过本发明工艺制得的晶粒尺寸仍较大。对比例5增加了轧制热处理温度，晶粒在细化的过程中又开始长大，导致晶粒细化不明显，平均晶粒尺寸56μm，晶粒分布不均匀。对比例6降低了轧制热处理温度，轧制过程中板材降温过快，镁板边缘出现明显裂纹。对比例7增加了第一次轧制和第二次轧制之间的总变形量，对比例8增加了第二次轧制和第三次轧制之间的总变形量，轧制过程中导致变形量过大，镁板边缘亦出现裂纹。

最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。