[发明专利]一种硅铬旋转溅射靶材及其制备方法

说明书

本发明涉及一种硅铬旋转溅射靶材及其制备方法。本发明靶材由15‑95份的Si和5‑85份的Cr作为原料，采用等离子喷涂工艺制备而成。制备工艺包括：S1粉体制备；S2背管喷砂；S3背管打底；S4等离子喷涂；S5激光熔覆；S6靶材抛光；S7靶材车两端及精修；S8检验、包装。本发明硅铬旋转溅射靶材具有较高的致密度，氧含量低，机械强度、导电率、溅射效率等性能较佳。上述技术效果的取得是产品配方、制备方法等多个技术手段综合作用的结果。

技术领域

本发明涉及金属粉末加工，尤其涉及采用热喷涂方法加工金属粉末制品。

背景技术

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，一般被称为溅射靶材。

靶材是磁控溅射过程中的基本耗材，不仅使用量大，而且靶材质量的好坏对薄膜的性能起着至关重要的决定作用。为提升薄膜制备速率和保证薄膜的生长质量，溅射靶材要达到一定的指标要求。现有技术中，把控制靶材质量的关键因素概括为纯度、致密度、强度、晶粒尺寸及尺寸分布等几个方面。

硅铬溅射靶材是一种新型溅射靶材，作为一种真空溅镀的良好导体，可以用于电子栅门材料以及电子薄膜领域。譬如中国专利文献CN102251222A就披露了一种铬合金靶材，该靶材可用来产生具有硬质薄膜的金属材料。

现有技术中，靶材的制备方法分为传统粉末冶金方法、真空熔炼、热等静压、烧结+绑定等多种方法，但是由于制备工艺的限制，采用现有技术制备靶材存在以下问题：1.要使用高温设备，制备成本高；2.无法满足大尺寸及大长度制作；3.靶材为平面，溅射利用率低约30%，成本高等。譬如，中国专利文献CN105331939A就披露了一种含硅合金靶材的制备方法，该方法主要采用冷等静压的工艺，制备周期长，尤其不适合制备大尺寸或大长度靶材的制作。

等离子喷涂法是将金属或非金属材料粉末送入等离子射流中，利用等离子火焰加热融化喷涂粉末，并在冲击力的作用下将其沉积到基体上。采用等离子喷涂法制备靶材，喷涂层平整光滑，厚度精确可控，直接进行精加工即可获得产品，是一种净尺寸成形制备方法，特别适合制作大尺寸或特殊尺寸的旋转溅射靶材。

但等离子喷涂工艺同时也存在一些缺陷：其一，喷涂组织的多孔性，使其制造的靶材相对密度只能达到85%-99% ，靶材纯度一般在99.5%-99.9%之间。其二，组织的疏松多孔，容易吸附杂质、湿气等妨碍溅射过程中高真空的迅速获得及真空度的稳定，并且导致在溅射过程中，靶材溅射表面瞬间高温使松散颗粒团状掉落，污染被镀件表面，从而影响镀膜质量。其三，若在大气环境下喷涂，靶材表面与空气中的O₂和N₂等气体大面积接触，会产生大量的氧化物和氮化物杂质，即使是真空等离子喷涂技术，也不能完全避免合金靶材中氧化物和氮化物的产生。

等离子喷涂技术还存在一个技术难题，那就是，如果待喷涂的是多组分粉体，且粉体之间的密度相差过大，那么在等离子喷涂时容易造成偏析风险，导致注入前粉末混合物的不均匀性，从而导致靶组成的不均匀性；另外，粉体密度的不均匀性，也容易导致不同的粉末在等离子体管中形成不同的轨迹，造成微粒束按照不同密度水平分离成多束，从而导致靶材的孔隙率增高、靶材组织不均匀。为了解决多组分粉体密度不均匀的问题，中国专利文献CN101115861A披露了一种方法，即根据组分的各自密度调节构成该混合物的每种粉末粒度，以便它们的各自平均质量尽可能接近，这种方法操作难度大、生产成本高。为了解决多组分粉体密度差的问题，现有技术中还披露了一种方法，即采用制粒技术，将多组分预制成喷涂粉体，但普通的制粒技术会带来更多的杂质，在一些纯度要求高的应用领域并不适用。具体到硅铬溅射靶材，硅的密度是2.33g/cm³,而铬的密度是7.19g/cm³，两者相差近3倍，如何解决克服两者的密度差来实施等离子喷涂工艺是个技术难题。