一种钽靶材及其制备方法与应用与流程

1.本发明属于溅射靶材制备领域，具体涉及一种钽靶材及其制备方法与应用。


背景技术：

2.溅射是制备薄膜材料的主要技术之一，它利用离子源产生的离子，在真空中经过加速聚集，而形成高速度能的离子束流，轰击固体表面，离子和固体表面原子发生动能交换，使固体表面的原子离开固体并沉积在基底表面，被轰击的固体是制备溅射法沉积薄膜的原材料，一般被称为靶材。
3.靶材是制造半导体芯片所必需的一种极其重要的关键材料，靶材产品内部组织结构有严格要求，严重影响溅射速率和沉积薄膜的均匀性。
4.钽作为一种典型的金属材料，其富有延展性，且膨胀系数小，具有极高的抗腐蚀性和韧性。钽靶材是一种比较典型的金属靶材，由于钽靶材的抗腐蚀性能好，电磁屏蔽性能好，并可以作为能源材料使用等重要的特性，故被广泛地应用各个领域。
5.cn103147050a公开了一种高纯钽靶材的生产方法，该方法包括(1)将大小为5～10mm
×
5～10mm的钽块置于氢化炉中进行吸氢；(2)将吸氢完毕的钽破碎成-200目的粉末，置于钢包套中，按一定速率和阶段进行升温和抽气，之后将钢包套置于热等静压机中进行烧结，烧结温度为1100～1500℃，气氛压力为50～200mpa，最后机加工，切割成规定形状。该方法直接将得到的粉末进行脱气处理，粉末松装密度较低，易逸出，影响后续热等静压，且烧结得到的靶材形变量较大，成品率较低。
6.cn113235056a公开了一种高纯钽靶材的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：将高纯钽源置于氢化炉中并抽真空，抽真空后通入氢气加热，待氢化炉内压力不再下降后，停止加热，得到氢化钽源；将得到的氢化钽源破碎，然后依次进行冷等静压、脱气处理以及热等静压，得到高纯钽靶材；所述制备方法采用氢化钽粉，并将冷等静压工艺与热等静压工艺相结合，有效降低了得到的钽靶材的氧含量，提高了钽靶材的成品率，具有较好的工业应用前景。
7.cn103028898a公开了一种高性能钽靶材的制备方法，首先将钽锭采用冷锻结合热锻的方法制成锻造坯料，然后再采用热轧法进行轧制，最后校平，再根据成品尺寸下料、铣削和表面处理得到钽靶材。该方法采用冷锻结合热锻工艺对钽锭进行锻造，然后再采用热轧工艺对锻造坯料进行轧制，从而得到满足高端溅射基台使用要求的高性能钽靶材。
8.cn104419901b公开了一种钽靶材的制造方法，包括，先对钽锭进行热锻处理，之后对所述热锻处理后的钽锭进行一次退火工艺，形成第一钽靶材坯料；对所述第一钽靶材坯料进行轧制处理，形成第二钽靶材坯料；对所述第二钽靶材坯料进行二次退火工艺，获得钽靶材。采用该技术方案形成钽靶材内部晶粒细小，钽靶材内部结构均匀，有效避免钽靶材内部出现分层等缺陷，从而提高后续使用过程中，钽靶材的溅射速率，以及形成的钽薄膜质量。
9.然而，上述技术方案对于钽靶材的再结晶度没有进行详细的研究，且现有技术中
容易出现内部组织不均匀，镀膜不均匀等问题。
10.因此，如何提供一种在保证靶材内部组织均匀，再结晶度可调控的靶材成为当前亟待解决的问题。


技术实现要素：

11.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种钽靶材及其制备方法与应用，所述钽靶材的制备方法包括：将钽锭依次进行第一冷锻、第一热处理、第二冷锻第二热处理和冷轧，得到钽靶材。通过两次冷锻、两次热处理、和冷轧，实现了靶材再结晶度的调控，操作简便，易工业化；制得的钽靶材纯度高，内部组织均匀。
12.为达此目的，本发明采用以下技术方案：
13.本发明的目的之一在于提供一种钽靶材的制备方法，所述钽靶材的制备方法包括如下步骤：
14.将钽锭依次进行第一冷锻、第一热处理、第二冷锻、第二热处理和冷轧，得到钽靶材。
15.本发明通过第一冷锻、第一热处理、第二冷锻、第二热处理和冷轧，实现了靶材再结晶度的调控，且操作简便，易工业化。
16.值得说明的是，本发明所得钽靶材为未完全再结晶的靶材，未完全再结晶的靶材的制备减少了再结晶退火工序，提高生产效率，降低加工成本；在溅射使用中，镀膜更为均匀，效果更为显著。
17.作为本发明优选的技术方案，所述钽锭的纯度≥4n，例如可以是4n，4n2，4n5，4n8，5n，5n2，5n5，5n7，6n等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
18.作为本发明优选的技术方案，所述第一冷锻的温度为10-30℃，例如可以是10℃，12℃，14℃，16℃，18℃，20℃，22℃，24℃，26℃，28℃，30℃等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
19.优选地，所述第一冷锻的锻造比为1.0-2.5，例如可以是1.0，1.1，1.2，1.3，1.4，1.5，1.6，1.7，1.8，1.9，2.0，2.1，2.2，2.3，2.4，2.5等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
20.作为本发明优选的技术方案，所述第一热处理的温度为900-1200℃，例如可以是900℃，920℃，940℃，960℃，980℃，1000℃，1020℃，1040℃，1060℃，1080℃，1100℃，1120℃，1140℃，1160℃，1180℃，1200℃等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
21.值得说明的是，本发明所述第一热处理的温度为900-1200℃，若低于900℃，则会造成退火不完全，导致后续变形出现裂纹等加工问题；若高于1200℃，则会影响最终靶材再结晶度，最终影响靶材的使用效果。
22.优选地，所述第一热处理的时间为30-120min，例如可以是30min，40min，50min，60min，70min，80min，90min，100min，110min，120min等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
23.作为本发明优选的技术方案，所述第二冷锻的温度为10-30℃，例如可以是10℃，
12℃，14℃，16℃，18℃，20℃，22℃，24℃，26℃，28℃，30℃等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
24.优选地，所述第二冷锻的锻造比为1.0-2.5，例如可以是1.0，1.1，1.2，1.3，1.4，1.5，1.6，1.7，1.8，1.9，2.0，2.1，2.2，2.3，2.4，2.5等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
25.作为本发明优选的技术方案，所述第二热处理的温度为1000-1200℃，例如可以是1000℃，1020℃，1040℃，1060℃，1080℃，1100℃，1120℃，1140℃，1160℃，1180℃，1200℃等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
26.值得说明的是，本发明所述第二热处理的温度为1000-1200℃，若低于1000℃，则会造成退火不完全，导致后续变形出现裂纹等加工问题；若高于1200℃，则会影响最终靶材再结晶度，最终影响靶材的使用效果。
27.优选地，所述第二热处理的时间为30-120min，例如可以是30min，40min，50min，60min，70min，80min，90min，100min，110min，120min等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
28.作为本发明优选的技术方案，所述冷轧的温度为10-30℃，例如可以是10℃，12℃，14℃，16℃，18℃，20℃，22℃，24℃，26℃，28℃，30℃等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
29.优选地，所述冷轧的变形量为60-90％，例如可以是60％，62％，64％，66％，68％，70％，72％，74％，76％，78％，80％，82％，84％，86％，88％，90％等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
30.值得说明的是，本发明所述冷轧的变形量为60-90％，若低于60％，则会由于靶材变形率不够，影响整体靶材再结晶度的均匀性；若高于90％，则会由于变形率过大，产品变形，影响后续靶材加工。
31.优选地，所述冷轧时，每道次下压量0.5-5.0mm，例如可以是0.5mm，0.7mm，1.0mm，1.2mm，1.5mm，1.8mm，2.0mm，2.2mm，2.5mm，2.7mm，3.0mm，3.3mm，3.5mm，3.8mm，4.0mm，4.2mm，4.5mm，4.7mm，5.0mm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
32.作为本发明优选的技术方案，所述钽靶材的制备方法包括如下步骤：
33.将纯度≥4n的钽锭在10-30℃进行第一冷锻，控制第一冷锻的锻造比为1.0-2.5；在900-1200℃进行第一热处理30-120min；在10-30℃进行第二冷锻，控制第二冷锻的锻造比为1.0-2.5；在1000-1200℃进行第二热处理30-120min；在10-30℃进行冷轧，控制冷轧时每道次下压量0.5-5.0mm、冷轧的变形量为60-90％，得到钽靶材。
34.本发明的目的之二在于提供一种目的之一所述制备方法得到的钽靶材，所述钽靶材的再结晶度为20-40％，例如可以是20％，22％，25％，28％，30％，33％，35％，37％，40％等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
35.值得说明的是，钽靶材的再结晶度为20-40％，再结晶度为20-40％的靶材在溅射使用中，镀膜更为均匀，效果更为显著。
36.本发明的目的之三在于提供一种目的之二所述钽靶材的应用，所述钽靶材用于溅射镀膜。
37.本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
38.与现有技术相比，本发明的有益效果为：
39.(1)本发明所述钽靶材的制备方法通过第一冷锻、第一热处理、第二冷锻、第二热处理和冷轧，实现了靶材再结晶度的调控，操作简便，易工业化；
40.(2)本发明所述钽靶材纯度高，内部组织均匀。
具体实施方式
41.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。
42.实施例1
43.本实施例提供了一种钽靶材及其制备方法，所述钽靶材的制备方法包括如下步骤：
44.将纯度4n5的钽锭在20℃进行第一冷锻，控制第一冷锻的锻造比为1.6；在1000℃进行第一热处理90min；在20℃进行第二冷锻，控制第二冷锻的锻造比为2.0；在1100℃进行第二热处理60min；在20℃进行冷轧，控制冷轧时每道次下压量2.0mm、冷轧的变形量为80％，得到钽靶材。
45.实施例2
46.本实施例提供了一种钽靶材及其制备方法，所述钽靶材的制备方法包括如下步骤：
47.将纯度5n的钽锭在30℃进行第一冷锻，控制第一冷锻的锻造比为1.0；在1200℃进行第一热处理30min；在30℃进行第二冷锻，控制第二冷锻的锻造比为2.5；在1200℃进行第二热处理30min；在30℃进行冷轧，控制冷轧时每道次下压量0.5mm、冷轧的变形量为70％，得到钽靶材。
48.实施例3
49.本实施例提供了一种钽靶材及其制备方法，所述钽靶材的制备方法包括如下步骤：
50.将纯度4n的钽锭在10℃进行第一冷锻，控制第一冷锻的锻造比为2.5；在900℃进行第一热处理120min；在10℃进行第二冷锻，控制第二冷锻的锻造比为1.5；在1000℃进行第二热处理120min；在10℃进行冷轧，控制冷轧时每道次下压量5.0mm、冷轧的变形量为90％，得到钽靶材。
51.实施例4
52.本实施例提供了一种钽靶材及其制备方法，所述钽靶材的制备方法包括如下步骤：
53.将纯度4n5的钽锭在15℃进行第一冷锻，控制第一冷锻的锻造比为2.0；在1100℃进行第一热处理60min；在15℃进行第二冷锻，控制第二冷锻的锻造比为1.0；在1100℃进行第二热处理90min；在15℃进行冷轧，控制冷轧时每道次下压量3.0mm、冷轧的变形量为60％，得到钽靶材。
54.实施例5
55.本实施例提供了一种钽靶材及其制备方法，所述钽靶材的制备方法参照实施例1所述的制备方法，区别仅在于：所述第一热处理的温度为800℃。
56.实施例6
57.本实施例提供了一种钽靶材及其制备方法，所述钽靶材的制备方法参照实施例1所述的制备方法，区别仅在于：所述第一热处理的温度为1300℃。
58.实施例7
59.本实施例提供了一种钽靶材及其制备方法，所述钽靶材的制备方法参照实施例1所述的制备方法，区别仅在于：所述第二热处理的温度为900℃。
60.实施例8
61.本实施例提供了一种钽靶材及其制备方法，所述钽靶材的制备方法参照实施例1所述的制备方法，区别仅在于：所述第二热处理的温度为1300℃。
62.实施例9
63.本实施例提供了一种钽靶材及其制备方法，所述钽靶材的制备方法参照实施例1所述的制备方法，区别仅在于：所述冷轧的变形量为50％。
64.实施例10
65.本实施例提供了一种钽靶材及其制备方法，所述钽靶材的制备方法参照实施例1所述的制备方法，区别仅在于：所述冷轧的变形量为95％。
66.对比例1
67.本对比例提供了一种钽靶材及其制备方法，参照实施例1所述的制备方法，区别仅在于：进行一次冷锻和一次热处理；即，所述钽靶材的制备方法包括如下步骤：
68.将纯度4n5的钽锭在20℃进行冷锻，控制冷锻的锻造比为1.6；在1000℃进行热处理150min；在20℃进行冷轧，控制冷轧时每道次下压量2.0mm、冷轧的变形量为80％，得到钽靶材。
69.对比例2
70.本对比例提供了一种钽靶材及其制备方法，参照实施例1所述的制备方法，区别仅在于：省略冷轧；即，所述钽靶材的制备方法包括如下步骤：
71.将纯度4n5的钽锭在20℃进行第一冷锻，控制第一冷锻的锻造比为1.6；在1000℃进行第一热处理90min；在20℃进行第二冷锻，控制第二冷锻的锻造比为2.0；在1100℃进行第二热处理60min，得到钽靶材。
72.对比例3
73.本对比例提供了一种钽靶材及其制备方法，参照实施例1所述的制备方法，区别仅在于：在冷轧结束后进行退火；即，所述钽靶材的制备方法包括如下步骤：
74.将纯度4n5的钽锭在20℃进行第一冷锻，控制第一冷锻的锻造比为1.6；在1000℃进行第一热处理90min；在20℃进行第二冷锻，控制第二冷锻的锻造比为2.0；在1100℃进行第二热处理60min；在20℃进行冷轧，控制冷轧时每道次下压量2.0mm、冷轧的变形量为80％；在1200℃退火30min，得到钽靶材。
75.将上述实施例与对比例所得钽靶材进行测试，方法如下：
76.再结晶度：待检测的钽靶材经研磨抛光腐蚀后，利用扫描电镜检测分析其再结晶
度；
77.均匀性：使用电导率仪表征钽靶材内部组织的均匀性，电导率波动越大，靶材均匀性越差，一般波动超过
±
10％，则认为靶材组织不均匀，波动不超过
±
10％，则认为靶材组织均匀；测试n个靶材的电导率波动，均匀性＝(均匀的靶材数/n)
×
100％；
78.将上述实施例与对比例所得钽靶材结晶度的测试结果列于表1。
79.表1
80.项目再结晶度/％均匀性/％实施例12598实施例22496实施例33297实施例42996实施例53489实施例64292实施例72688实施例84392实施例94885实施例102893对比例15182对比例29086对比例39595
81.由表1可以看出以下几点：
82.(1)由实施例1-4可以看出，本发明通过第一冷锻、第一热处理、第二冷锻、第二热处理和冷轧，将钽靶材再结晶度控制在20-40％，且钽靶材纯度高，内部组织均匀；
83.(2)将实施例1与实施例5、6进行比较，可以看出，由于实施例5中第一热处理的温度为800℃，低于本发明优选的900-1200℃，造成退火不完全，导致均匀性下降；由于实施例6中第一热处理的温度为1300℃，超出本发明优选的900-1200℃，导致再结晶度增加；
84.(3)将实施例1与实施例7、8进行比较，可以看出，由于实施例7中第二热处理的温度为900℃，低于本发明优选的1000-1200℃，造成退火不完全，导致均匀性下降；由于实施例8中第二热处理的温度为1300℃，超出本发明优选的1000-1200℃，导致再结晶度增加；
85.(4)将实施例1与实施例9、10进行比较，可以看出，由于实施例9中冷轧的变形量为50％，低于本发明优选的60-90％，由于靶材变形率不够，导致均匀性下降；由于实施例10中冷轧的变形量为95％，超出本发明优选的60-90％，其均匀性和再结晶度变化不大，但变形率过大，会导致产品变形，影响后续靶材加工；
86.(5)将实施例1与对比例1-3进行比较，可以看出，对比例1中仅进行了一次冷锻和一次热处理，导致均匀性下降；对比例2中省略冷轧，靶材再结晶度高，均匀性下降；对比例3在冷轧结束后进行退火，退火使得靶材的再结晶度大幅提升。
87.以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保
护范围之内。