CN101224496B - 溅镀靶材的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种溅镀靶材的制造方法，其是将靶材原料粉末置入模其中，以较低温低压的热压方式进行烧结，然后再将此初胚进行热均压处理；借由低温低压的热压方式让靶材初胚不具开放性孔洞(open pore)，而再经由热均压的方式即可将靶材密度提升至96％以上，因此不需经过成本较高的封罐过程，且低温低压的热压制程易于实施，故此制程采用较低成本的方式即可获得性质良好的靶材。
Description
技术领域
本发明涉及一种溅镀靶材的制造方法。
背景技术
溅镀制程广泛地被使用在薄膜制程中，例如电子组件、储存媒体、玻璃镀膜以及刀具镀膜等产业皆大量使用溅镀制程，因此溅镀制程成为目前各种产业着重的领域。
若想要溅镀后的薄膜质量良好，则溅镀靶材就需要具有高纯度、高密度、成分分布均匀、晶粒小以及高机械强度等特性，而一般制作溅镀靶材的制法大略可分为熔炼(melting)与粉末冶金(powder metallurgy)这两种，其中在粉末冶金的制程中，又可分为以热压(hot pressing，HP)进行烧结(sintering)和以热均压(hot isostatic pressing，HIP)进行烧结。
单独以热压法来烧结粉末原料制成材料体时，若想要得到高密度及高强度的靶材，则热压温度与压力就必须提高，然而，一旦温度增加，就会使模具组成成分扩散至靶材的量及深度增加，致使靶材受到污染而降低纯度，且高温会促使晶粒成长，另外，若压力提高，则会增加模具破裂的风险；另一方面，当单独使用热均压来烧结粉末原料制成材料体时则于制程中须经过封罐(canning)的程序，然而，封罐的程序除费时费工外，尚需耗损大量的靶材材料，因此需要较高的成本；所以单独使用热压或热均压的制程均无法获得兼具有低成本与高密度的靶材，故无法降低以溅镀制程镀膜的产品的价格。
在美国专利号第6165413号的专利案中提到：先利用热压或震动(vibration)的方法制造出密度为理论密度的50-95％的靶材初胚，再将此初胚进行热均压制程，然而，由于以热压或震动方法所制作出来的初胚仍然存有开放孔洞，因此初胚于热均压时尚需进行封罐程序才能提高靶材密度，但如上所述，封罐的程序会增加成本，故此方法还是无法解决成本过高的问题。
而在美国专利号第6582535号的专利案中提到利用热压与热均压的制程来制造高密度的钨(W)靶材，然而，该制程所需的靶材材料粉末的粒径必须很小，才能以较低的温度进行热压制程，以减低晶粒的成长，但小粒径的粉末必须耗费较高的成本，因此亦无法解决成本过高的问题。
另外，有人提到使用热压与热均压制程来制造高密度的硅(Si)烧结体，然而该制程的硅粉须先于高温减压下进行脱氧处理，方能获得高密度烧结体，然而高温的脱氧处理除了会造成粉末彼此间有黏合现象外，亦大幅提高制作成本。
发明内容
本发明所要解决的主要技术问题在于，克服目前制作溅镀靶材的成本在兼顾靶材特性的情况下无法降低的缺点，而提供一种在低成本下制作出高质量的溅镀靶材的制造方法，其可增加靶材得料率，因此可提高靶材的纯度，降低生产成本，能获得成分均匀的靶材。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种溅镀靶材的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：将靶材原料粉末置入模具中，在温度范围于850℃至1400℃之间，而压力范围于3500～8000磅/平方英寸(psi)之间的情形下，进行120～180分钟的热压方式，使靶材原料粉末烧结以形成初胚；将上述的初胚在温度与压力分别为800～1100℃、22000～26000磅/平方英寸的情况下进行150～180分钟的热均压，热均压的温度需低于热压温度，以得到溅镀靶材。
前述的溅镀靶材的制造方法，其中靶材原料是纯钌，其在热压过程中的温度是在1150～1400℃，而压力是在4000～8000磅/平方英寸(psi)。
前述的溅镀靶材的制造方法，其中靶材原料为Co、Cr、Pt、TiO2以制作出Co-Cr-Pt-TiO2的合金靶材，其在热压过程中的温度是在1100～1275℃，而压力在4000～8000磅/平方英寸(psi)。
前述的溅镀靶材的制造方法，其中靶材原料为Co、Cr、Pt、SiO2以制作出Co-Cr-Pt-SiO2的合金靶材，其在热压过程中的温度是在1000～1200℃，而压力在3500～8000磅/平方英寸(psi)。
前述的溅镀靶材的制造方法，其中靶材原料为Co、Cr、Pt、B及SiO2以制作出Co-Cr-Pt-B-SiO2的合金靶材，其在热压过程中的温度是在850～1100℃，而压力在3500～8000磅/平方英寸(psi)。
本发明解决其技术问题还可采用如下技术方案：
一种溅镀靶材的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：将靶材原料粉末混合，然后置入模具中，以热压方式进行烧结以形成初胚，该初胚不具有开放性孔洞；将上述的初胚进行热均压处理，热均压处理时不需封罐，得到最终溅镀靶材的密度不小于理论密度的96％，其中该靶材原料选自Co基合金、钌、钌基合金或Cr基合金。
前述的溅镀靶材的制造方法，其中包括以下步骤：将靶材原料粉末置入模具中，在温度范围于850℃至1400℃之间，而压力范围于3500～8000磅/平方英寸(psi)之间的情形下，进行120～180分钟的热压方式，使靶材原料粉末烧结以形成初胚；将上述的初胚在温度与压力分别为800～1100℃、22000～26000磅/平方英寸的情况下进行150～180分钟的热均压，热均压的温度需低于热压温度，以得到溅镀靶材。
前述的溅镀靶材的制造方法，其中靶材原料是纯钌，其在热压过程中的温度是在1150～1400℃，而压力是在4000～8000磅/平方英寸(psi)。
前述的溅镀靶材的制造方法，其中靶材原料为Co、Cr、Pt、TiO2以制作出Co-Cr-Pt-TiO2的合金靶材，其在热压过程中的温度是在1100～1275℃，而压力在4000～8000磅/平方英寸(psi)。
前述的溅镀靶材的制造方法，其中靶材原料为Co、Cr、Pt、SiO2以制作出Co-Cr-Pt-SiO2的合金靶材，其在热压过程中的温度是在1000～1200℃，而压力在3500～8000磅/平方英寸(psi)。
借由低温低压的热压方式就可以让初胚密度不具有开放性孔洞，再经由热均压的方式即可将靶材密度提升至96％以上，而且所使用的粉末粒径并无限制，因此靶材原料粉末仅需要使用一般可方便获得的材料即可，另外，本发明还具有以下优点：
1、借由降低热压的温度，可降低模具成分向初胚扩散的量与深度，以增加靶材得料率，也因此提高靶材的纯度。
2、借由降低热压的压力，可减少模具破裂的风险，以降低生产成本。
3、由于上述成本的减少，因此工厂可接受小批量、多样的订单，不必担心成本无法负荷，故可快速反应目前靶材市场多变的需求，而且小批量的靶材原料粉末的混料量较少，所以能获得成分较均匀的靶材，以减少巨观偏析(macrosegregation)的问题。
4、由于制作出来的靶材密度提高，故靶材的强度也因此提升，以避免该靶材在的后的溅镀过程中因热应力(thermal stress)及冷却液液压而破裂。
5、本发明的方法用热压取代了热均压的封罐制程，热压时可直接制做近净成形(near net shape)的初胚，不只可省去因封罐而耗费的材料，近净成形亦可节约材料的损耗，借此可大幅提升靶材得料率。
具体实施方式
本发明的溅镀靶材的制造方法，其包括以下步骤：
将靶材原料粉末置入模具中，此原料粉末并不需要求粒径，以低温低压的热压方式进行烧结以形成初胚，如钌(Ru)、钌基合金(Ru-basedalloy)、Co-Cr-Pt-TiO2、Co-Cr-Pt-SiO2、Co-Cr-Pt-B-SiO2以及Cr-Mo-Mn等，该温度范围是在850℃至1400℃之间，该压力范围是在3500～8500磅/平方英寸(psi)之间，而热压的时间需要120～180分钟；
将上述的初胚在温度与压力分别为800～1100℃、22000～26000磅/平方英寸的情况下进行150～180分钟的热均压，以得到溅镀靶材。
上述的温度及压力值会因组成原料及成分比例的不同而有所调整，若组成原料的熔点较高，则所需热压温度要随之调高；另外，热均压的温度需低于热压温度，以确保于热均压时材料不会熔融，此时热均压处理的压力就需提高，以获得非常致密的材料。
实施例一
将纯钌(Ru)或钌基合金(Ru-based alloy)的金属粉末放入模具中，经过120～180分钟的热压后形成初胚，其温度约在1150～1400℃，而压力约在4000～8000磅/平方英寸(psi)，该初胚的抗折强度为950±50百万帕(MPa)，且其已不具开放性孔洞，再将此初胚经过1100℃、22000磅/平方英寸(psi)的热均压过程180分钟后，即可得到溅镀靶材成品，而此时该靶材的密度增加至96～100％，且抗折强度增加为1100±50百万帕(MPa)。
实施例二
将Co、Cr、Pt、TiO2各成份的粉末经过混料后放入模具中，经过180分钟的热压后形成初胚，其温度约在1100～1275℃，而压力在4000～8000磅/平方英寸(psi)之间，该初胚的抗折强度为1200±50百万帕(MPa)，且其已不具开放性孔洞，再将此初胚经过1050℃、24000磅/平方英寸(psi)的热均压过程150分钟后，即可得到Co-Cr-Pt-TiO2的合金溅镀靶材成品，而此时该靶材的密度增加至97～100％，且抗折强度增加为1250±50百万帕(MPa)。
实施例三
将Co、Cr、Pt、SiO2各成份的粉末经过混料后放入模具中，经过180分钟的热压后形成初胚，其温度约在1000～1200℃，而压力在3500～8000磅/平方英寸(psi)之间，该初胚的抗折强度为1200±50百万帕(MPa)，且其已不具开放性孔洞，再将此初胚经过950℃、26000磅/平方英寸(psi)的热均压过程180分钟后，即可得到Co-Cr-Pt-SiO2的合金溅镀靶材成品，而此时该靶材的密度增加至97～100％，且抗折强度增加为1250±50百万帕(MPa)。
实施例四
将Co、Cr、Pt、B及SiO2各成份的粉末经过混料后放入模具中，经过180分钟的热压后形成初胚，其温度约在850～1100℃，而压力在3500～8000磅/平方英寸(psi)之间，该初胚的抗折强度为1250±50百万帕(MPa)，且其已不具开放性孔洞，再将此初胚经过800℃、26000磅/平方英寸(psi)的热均压过程180分钟后，即可得到Co-Cr-Pt-B-SiO2的合金溅镀靶材成品，而此时该靶材的密度增加至96～100％，且抗折强度增加为1300±50百万帕(MPa)。
借由低温低压的热压方式就可以让初胚且其已不具开放性孔洞，而再经由热均压的方式即可将靶材密度提升至96％以上，故不需封罐过程，而且低压与低温的热压方式让模具成分不会大量扩散至初胚内，并降低模具破裂的机会，因此能够节省成本，另外，本发明的方法所使用的原料粉末粒径并无限制，因此靶材原料粉末仅需要使用一般市场上方便购得的材料即可。
Claims (9)
1.一种溅镀靶材的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
将靶材原料粉末置入模具中，在温度范围于850℃至1400℃之间，而压力范围于3500～8000磅/平方英寸(psi)之间的情形下，进行120～180分钟的热压，使靶材原料粉末进行烧结以形成初胚；
将上述的初胚在温度与压力分别为800～1100℃、22000～26000磅/平方英寸的情况下进行150～180分钟的热均压，且热均压的温度需低于热压温度，以得到溅镀靶材。
2.根据权利要求1所述的溅镀靶材的制造方法，其特征在于所述靶材原料是纯钌，其在热压过程中的温度是在1150～1400℃，而压力是在4000～8000磅/平方英寸(psi)。
3.根据权利要求1所述的溅镀靶材的制造方法，其特征在于所述靶材原料为Co、Cr、Pt、TiO2以制作出Co-Cr-Pt-TiO2的合金靶材，其在热压过程中的温度是在1100～1275℃，而压力在4000～8000磅/平方英寸(psi)。
4.根据权利要求1所述的溅镀靶材的制造方法，其特征在于所述靶材原料为Co、Cr、Pt、SiO2以制作出Co-Cr-Pt-SiO2的合金靶材，其在热压过程中的温度是在1000～1200℃，而压力在3500～8000磅/平方英寸(psi)。
5.根据权利要求1所述的溅镀靶材的制造方法，其特征在于所述靶材原料为Co、Cr、Pt、B及SiO2以制作出Co-Cr-Pt-B-SiO2的合金靶材，其在热压过程中的温度是在850～1100℃，而压力在3500～8000磅/平方英寸(psi)。
6.一种溅镀靶材的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
将靶材原料粉末混合，然后置入模具中，在温度范围于850℃至1400℃之间，而压力范围于3500～8000磅/平方英寸(psi)之间的情形下，进行120～180分钟的热压，使靶材原料粉末烧结以形成初胚，该初胚不具有开放性孔洞；
将上述的初胚在温度与压力分别为800～1100℃、22000～26000磅/平方英寸的情况下进行150～180分钟的热均压处理，且热均压的温度需低于热压温度，热均压处理时不需封罐，得到最终溅镀靶材的密度不小于理论密度的96％，其中该靶材原料选自Co基合金、钌、钌基合金或Cr基合金。
7.根据权利要求6所述的溅镀靶材的制造方法，其特征在于所述靶材原料是纯钌，其在热压过程中的温度是在1150～1400℃，而压力是在4000～8000磅/平方英寸(psi)。
8.根据权利要求6所述的溅镀靶材的制造方法，其特征在于所述靶材原料为Co、Cr、Pt、TiO2以制作出Co-Cr-Pt-TiO2的合金靶材，其在热压过程中的温度是在1100～1275℃，而压力在4000～8000磅/平方英寸(psi)。
9.根据权利要求6所述的溅镀靶材的制造方法，其特征在于所述靶材原料为Co、Cr、Pt、SiO2以制作出Co-Cr-Pt-SiO2的合金靶材，其在热压过程中的温度是在1000～1200℃，而压力在3500～8000磅/平方英寸(psi)。
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