一种低氧高均匀性CoFeB溅射靶材的制备方法与流程

本发明涉及溅射靶材，尤其涉及一种低氧高均匀性cofeb溅射靶材的制备方法。

背景技术：

1、cofeb靶材是制备磁性隧道结（mtj）的核心原材料，主要依靠磁控溅射工艺沉积为铁磁层，是自旋转移矩磁随机存储器（stt-mram）等自旋存储芯片中实现信息写入与读取的关键功能层。同时，该靶材还被广泛用于高灵敏度隧道磁电阻（tmr）传感器，服务于汽车电子、工业电流检测与生物磁场探测等领域。由于磁性隧道结的隧穿磁电阻比率、热稳定性及器件良率对铁磁薄膜的质量极度敏感，这就要求cofeb靶材具备极高纯度（以杜绝杂质对自旋输运的散射）、极窄的硼含量偏差（保证垂直磁各向异性与晶化行为的可重复性）以及近全致密的结构（避免溅射时微颗粒飞溅和薄膜缺陷），从而确保成膜均匀、界面陡峭，满足高端电子器件对纳米级精度和长期可靠性的严苛需求。

2、co、fe、b熔点、密度差异大，硼难固溶，易发生偏析。现有两类主流工艺：单质粉烧结仅宏观混合，硼扩散不足产生偏聚，粉体易吸附氧氮，靶材气孔多、致密度低，溅射薄膜磁性能不稳定；单次熔炼浇铸冷却缓慢，晶粒粗大、枝晶偏析严重，靶材各处成分不均，镀膜性能一致性差。两类工艺无法同时兼顾均质、低氧、高致密需求。中国专利cn116288196a公开了一种cofeb合金靶材的制备方法，先将原料坯料熔融，熔融后二次加料并搅拌混匀熔体，随后直接浇铸得到cofeb合金铸锭，再对铸锭切片、机加工、焊接，最终制成靶材。该方法为一次浇铸成型，冷却慢易生成粗大枝晶，存在严重偏析，铸锭内部易残留缩孔疏松。并且该工艺无致密化工序，组织粗大、致密度不足，易导致溅射刻蚀不均，薄膜磁性能稳定性差，无法满足高精度mram、磁传感器严苛标准。

3、因此，一种低氧、成分均匀、高致密无缺陷的cofeb溅射靶材的制备方法具有重要的研究意义。

技术实现思路

1、鉴于现有技术中存在的问题，本发明提供了一种低氧高均匀性cofeb溅射靶材的制备方法，旨在克服多元素物性差异造成的均质化难题，全程严控氧氮杂质，消除气孔与组织偏析缺陷，制得低氧、成分均匀、高致密无缺陷的cofeb溅射靶材。

2、为达此目的，本发明采用以下技术方案：

3、本发明提供了一种低氧高均匀性cofeb溅射靶材的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

4、（1）在惰性气氛下，对co、fe和b的混合料依次进行一次悬浮熔炼和二次悬浮熔炼，得到cofeb合金锭；

5、（2）将所述cofeb合金锭进行气雾化制粉，得到cofeb合金粉；

6、（3）对所述cofeb合金粉进行热等静压处理，得到所述cofeb溅射靶材。

7、作为本发明优选的技术方案，步骤（1）所述惰性气氛包括氩气。

8、本发明通过两次真空悬浮熔炼，各元素充分固溶的同时有效避免了杂质引入，再通过气雾化制粉，彻底消除熔炼慢冷形成的粗大枝晶与枝晶偏析，使合金成分均匀性大幅提升。全程真空密闭生产，搭配粉末真空脱气，氧氮杂质大幅降低。采用热等静压各向等压成型技术，使靶材致密度大大提升，可保证靶材溅射刻蚀均匀稳定，薄膜磁性能一致性良好，满足mram等高端器件严苛需求。

9、本发明所用原料为4n co原料、4n fe原料、3n b原料，按照比例称重后，将配好的co、fe、b逐层交替放置于水冷铜坩埚中，将熔炼炉抽真空至≤ 6×10-3 pa，随后向炉内充入惰性气体进行一次悬浮熔炼和二次悬浮熔炼。

10、本发明所述一次悬浮熔炼和二次悬浮熔炼的过程中配合电磁搅拌并保温一定时间，使合金元素充分扩散，实现元素充分固溶合金化，消除成分偏析。保温结束后，熔体在坩埚内随炉缓慢冷却，获得成分均匀、组织致密的cofeb合金锭。

11、优选地，步骤（1）所述惰性气氛的压力为0.08-0.12mpa，例如可以是0.08mpa、0.09mpa、0.11mpa或0.12mpa等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

12、作为本发明优选的技术方案，步骤（1）所述混合料中co、fe和b的质量比为（3-6）：（11-15）：（1-2），例如可以是3:11:1、6:15:2、3:11:2、6:11:1或4:13:1等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

13、作为本发明优选的技术方案，所述一次悬浮熔炼的温度为1300-1600℃，例如可以是1300℃、1350℃、1400℃、1450℃、1500℃、1550℃或1600℃等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

14、优选地，所述一次悬浮熔炼的保温时间为5-10min，例如可以是5min、6min、7min、8min、9min或10min等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

15、作为本发明优选的技术方案，所述二次悬浮熔炼的温度为1300-1600℃，例如可以是1300℃、1350℃、1400℃、1450℃、1500℃、1550℃或1600℃等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

16、优选地，所述二次悬浮熔炼的保温时间为15-25min，例如可以是15min、16min、17min、18min、19min、20min、21min、22min、23min、24min或25min等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

17、作为本发明优选的技术方案，步骤（2）所述气雾化制粉包括：在氩气保护下加热熔化所述cofeb合金锭，再以高压氩气雾化熔体，得到cofeb合金粉。

18、本发明所述气雾化制粉具体包括：将悬浮熔炼制备的cofeb合金锭放置于真空气雾化制粉设备的陶瓷坩埚内，熔炼室抽真空至7×10-3 pa，随后向炉内充入纯度 ≥99.999%的高纯氩气作为保护与雾化介质；启动中频感应加热系统，梯度升温熔化cofeb合金锭，待合金完全熔融、熔体成分均匀后，恒温保温一定时间后，开启高压氩气雾化系统，调节雾化压力，高压超音速氩气流冲击稳态下落的合金熔体，将熔体高速破碎、弥散成微细熔滴；熔滴在密闭雾化塔惰性气氛中急速冷却凝固，形成球形度良好的合金粉末；雾化结束后，保持炉内高纯氩气惰性氛围，设备及粉末随炉自然冷却至60℃以下，降温完成后开仓收集原始合金粉。

19、优选地，所述加热熔化后对熔体进行保温30-45min，例如可以是30min、31min、32min、33min、34min、35min、36min、37min、38min、39min、40min、41min、42min、43min、44min或45min等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

20、优选地，所述高压氩气的压力为3.5-5mpa，例如可以是3.5mpa、4mpa、4.5mpa或5mpa等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

21、本发明将所述高压氩气的压力控制在上述范围，可以得到球形度良好的均匀合金粉末；若压力过大，则会导致气流紊乱，影响合金粉末成分均匀性，且生产成本较高；若压力过小，气体无法有效破碎液滴，制得粉末粒径过大，细粉收得率低，且熔体易堆积导致喷嘴堵塞。

22、作为本发明优选的技术方案，所述气雾化制粉后还包括筛分处理和加热处理。

23、本发明所述筛分处理具体包括：将收集得到的合金粗粉依次通过标准试验筛进行多级筛分处理，去除雾化过程中产生的卫星粉、团聚颗粒及少量未完全雾化的粗大片状渣相，再经气流分级机进行精准粒度分级，分离出粒度≤50μm的合金粉末。

24、本发明所述加热处理具体包括：分级完成后采用真空干燥箱保温，彻底去除粉末表面吸附水分与残留气体，降低后续烧结过程中孔隙、夹杂及氧化风险。

25、优选地，所述加热处理的温度为40-60℃，例如可以是40℃、44℃、48℃、52℃、56℃或60℃等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

26、优选地，所述加热处理的时间为2-4h，例如可以是2h、2.2h、2.4h、2.6h、2.8h、3h、3.2h、3.4h、3.6h、3.8h或4h等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

27、作为本发明优选的技术方案，所述热等静压处理的温度为900-1100℃，例如可以是900℃、940℃、980℃、1020℃、1060℃或1100℃等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

28、作为本发明优选的技术方案，所述热等静压处理的压力为90-110mpa，例如可以是90mpa、92mpa、94mpa、96mpa、98mpa、100mpa、102mpa、104mpa、106mpa、108mpa或110mpa等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

29、作为本发明优选的技术方案，所述热等静压处理的保温保压时间为3-5h，例如可以是3h、3.2h、3.4h、3.6h、3.8h、4h、4.2h、4.4h、4.6h、4.8h或5h等，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

30、本发明热等静压处理具体包括：将干燥除气后的高纯cofeb合金粉末均匀装填至定制不锈钢密封包套内，振动夯实使合金粉充分填充包套内部空间，消除粉末间隙、空洞，保证装料密度均匀、无松散空缺。装料完成后对不锈钢包套进行封口、抽真空处理，排出包套内残余气体后密封。将封装完好的粉末包套平稳置入热等静压炉炉膛。以高纯氩气作为传压介质，匀速升温、加压后恒温保压，通过各向均等的静压力促使粉末颗粒充分贴合、滑移、扩散融合，实现粉末冶金致密烧结，最终制备出致密度100%、内部组织均匀无偏析、无气孔裂纹、低气体含量、高纯度的cofeb合金靶材毛坯。对烧结后的合金坯体进行进行数控粗、精加工，确保靶材的平面度≤0.05mm。最后进行抛光处理，经尺寸检测与无损探伤后，得到氧含量极低、组织均匀细小，纯度≥4n的cofeb合金靶材。

31、与现有技术方案相比，本发明至少具有以下有益效果：

32、（1）本发明所提供的低氧高均匀性cofeb溅射靶材的制备方法，所制备的cofeb溅射靶材低氧、成分均匀、无缺陷，氧含量在150ppm以下，纯度在4n1以上；

33、（2）本发明所提供的低氧高均匀性cofeb溅射靶材的制备方法，所制备的cofeb溅射靶材致密度大大提升，可达到96%以上，可保证靶材溅射刻蚀均匀稳定，薄膜磁性能一致性良好，满足mram等高端器件严苛需求。