[发明专利]一种低熔点金属旋转靶材及生产技术

说明书

技术领域

本发明涉及一种高纯低熔点金属旋转靶及生产技术，该旋转靶由一个金属内管(衬管)和一个同心包围的金属外管(靶材)组成。该旋转靶衬管材料的熔点高于1000℃，靶材材料的熔点低于800℃，靶材和衬管紧密结合。通过对浇铸的靶材进行区域熔炼，本发明可以降低熔炼浇铸过程中坩埚、流嘴、铸模等对靶材材料造成的接触污染，甚至可以进一步提高靶材材料的纯度。此外，通过重熔、快凝，能够获得细晶组织。用本发明生产的靶材具有纯度高、晶粒细小等特点。 

背景技术

磁控溅射技术在高科技行业正在得到越来越多的应用。高科技行业用户对靶材的纯度、组织等要求也越来越严。例如随着计算机芯片技术的升级换代，对靶材纯度的要求已经从过去的99.9～99.99％增加到了99.999～99.9999％，同时对靶材显微组织也提出了更高的要求。一般来说，溅射晶粒均匀、细小的靶材有利于获得平整、光滑、颗粒少的高质量薄膜。 

溅射靶材一般可分为两种基本类型：静态平面靶材和管状旋转靶材。由于靶材和磁体之间无相对运动，静态平面靶材的材料利用率通常只有20～30％。而管状旋转靶材和磁体之间的相对运动，使得旋转靶材的材料利用率可以高达50～70％。因此，旋转靶得到人们越来越多的青睐。旋转靶的制造方法主要有热喷涂、热等静压、挤压、轧管、熔炼浇铸等。 

1)热喷涂法：热喷涂法更适合用于喷涂熔点较高的金属或合金，由于热喷涂将接近或已经熔融的金属喷涂在温度较低的基体上，容易在接触表面产生热应力，随着应力的聚集，如果热喷涂的厚度过大，外管金属容易开裂，存在微孔形成的气体夹杂，一般可以获得的厚度小于5毫米，而且致密性较低，密度不均，相对密度为80％～90％。 

2)热等静压：热等静压法可以获得高致密的靶材，但旋转靶的制造工艺复杂，需对衬管进行保护处理，包套的制作也较复杂，成本较高。 

3)挤压、轧管：金属锭可以挤压成管，也可以轧制成管。用挤压管和轧制管可以直接做成靶材使用，也可以焊在衬管上使用。用这类方法生产靶材，不仅需要有挤压设备或者轧管设备，而且靶材材质的塑性要好。 

4)熔炼浇铸：通过熔炼浇铸可以获得致密性高、结合性好的靶材。为了提高衬管和靶材的结合性，有时在衬管外径表面涂覆粘附中介层。由于不存在内应力集中问题而引起的开裂，外管靶材的厚度可到10mm以上。该方法多用于低熔点金属或合金靶材的制作。在熔炼、浇铸过程中，靶材材料，特别是高纯靶材材料，因为和坩埚、流嘴、铸模等不同材料的接触，很容易被污染，造成靶材质量下降。 

发明专利申请公开说明书CN1363716A公开了一种旋转靶的熔炼浇铸方法，适用于低熔点金属或合金靶材的制作。但该发明专利没有提出针对熔炼浇铸中可能出现的材料污染问题的解决方案。此外，该发明专利生产的靶材晶粒尺寸为0.3～15mm。这样的粗晶组织不利于 获得高质量的薄膜。 

发明内容

本发明涉及一种低熔点金属旋转靶及生产技术，该旋转靶由一个金属衬管和一个同心包围的金属靶材组成。该旋转靶衬管材料的熔点高于1000℃，靶材的熔点低于800℃，且外管的内径和衬管的外径紧密结合。通过对浇铸的靶材进行区域熔炼，本发明可以降低熔炼浇铸过程中坩埚、流嘴、铸模等对靶材材料造成的接触污染，甚至可以进一步提高靶材材料的纯度。通过重熔、快凝，靶材能够获得细晶组织。用本发明生产的靶材具有纯度高、晶粒细小等特点。此外，本发明涉及这种方法的应用。 

本方法通过把外管靶材材料熔化，利用虹吸的原理，将熔融状态的金属浇入一个圆筒形的、加热的铸模中来制成外管，而后进行提纯、重熔、快凝处理(见图一)。衬管3和一个易拆卸的、内径略大于外管外径的圆筒形铸模2以同轴心的方式，放置在底座7上，共同构成铸模内腔，以供熔融状的外管材料充填。圆筒形铸模外有一个环形的区域熔炼装置1。首先对铸模和衬管进行预加热，然后拔出塞杆4，熔融态的金属通过流管5由下而上地注入铸模内腔，然后用塞子4塞住浇铸口。金属熔液冷凝后，通过区域熔炼的方法将靶材中的杂质排移到靶材一端。这样可以得到高纯度、超大晶粒的靶材。如果进一步重熔，通过注水管6自下而上注入冷却水或外部喷洒冷却水快凝靶材材料，则可以得到高纯度、细晶靶材。脱模后将杂质含量高的端部切除，进而将剩余部分机加工成一定尺寸的旋转靶。用该方法可以生产纯度高达5N～8N的锡、锌、铟、铝、铋、锑等单金属靶材以及由这些低熔点金属为主要元素的合金靶材。 

该方法具备如下优点： 

1)浇铸前对衬管和铸模进行预热处理，防止了浇铸过程中过早凝固而产生的大量气孔，有利于熔融态金属的均匀分布。