熱處理溫度對鉬靶材微觀組織和性能的影響

張國君，馬 杰，安 耿，孫院軍

(1.西安交通大學，陜西 西安 710049)

(2.西安理工大學，陜西 西安 710048)

(3.金堆城鉬業(yè)股份有限公司技術中心，陜西 西安 710077)

0 引言

鉬薄膜因具有良好的導電性能和熱穩(wěn)定性、耐化學腐蝕性、熱膨脹系數(shù)低等眾多優(yōu)點而在太陽能發(fā)電、計算機電路、平板顯示器、存儲介質(zhì)等方面獲得了廣泛應用［1-2］。磁控濺射技術具有沉積薄膜組織致密、表面粗糙度低、膜基結(jié)合力好、沉積率高、基片溫度低、可以方便沉積高熔點物質(zhì)的薄膜等眾多優(yōu)點，是當前鉬薄膜的主要制備手段［3］。

以往的研究表明，不同的磁控濺射設備和工藝參數(shù)(靶電流、靶功率、氣壓、濺射時間等)的選擇對濺射薄膜的組織結(jié)構(gòu)和性能具有較顯著的影響［4-5］。而靶材作為磁控濺射系統(tǒng)中的陰極，為制備沉積薄膜提供物質(zhì)來源，其組織結(jié)構(gòu)和性能的差異對薄膜的組織結(jié)構(gòu)和性能也應該具有密切聯(lián)系。電子顯示器行業(yè)對靶材的技術要求主要包括化學純度、致密度、晶粒尺寸及尺寸分布、晶粒取向及取向分布等指標。近來的研究表明，靶材的晶粒尺寸越細小，濺射速率越高;靶材的晶粒尺寸分布越均勻，越容易獲得厚度均勻的濺射薄膜［6-8］。由于鉬是一種高熔點(2 620 ℃)金屬，粉末冶金法是制備鉬靶材的主要方法，其流程主要包括制粉、壓制、燒結(jié)3個步驟，之后還要通過軋制進一步提高鉬靶材的致密度，但由于塑性變形會導致鉬晶粒的尺寸和形狀發(fā)生劇烈變化，并產(chǎn)生特定織構(gòu)，不利于獲得高質(zhì)量的濺射鉬膜，所以要進行隨后熱處理以對靶材的微觀組織結(jié)構(gòu)進行調(diào)整。本實驗旨在對經(jīng)過不同工藝熱處理的鉬靶材的晶粒尺寸及分布、晶粒形狀、硬度、I-U 曲線等進行表征分析，以研究熱處理工藝對鉬靶材微觀組織結(jié)構(gòu)和性能的影響。

1 實驗材料與實驗過程

實驗所用鉬靶材由金堆城鉬業(yè)股份有限公司提供，鉬靶材的尺寸為長330 mm、寬133 mm、厚6～10 mm的矩形軋制態(tài)鉬靶材。

通過馬弗爐對經(jīng)過軋制的鉬靶材進行熱處理:將變形量同為80%的靶材試樣分別在1 050 ℃、1 100 ℃、1 200 ℃、1 300 ℃進行熱處理，保溫時間1 h，隨爐冷卻。

使用金相顯微鏡對各靶材的金相組織進行觀察，利用定量金相技術對靶材的晶粒尺寸及尺寸分布、晶粒長徑比及分布進行計算。使用TVKONZ100B 維氏硬度計對靶材試樣的顯微維氏硬度進行測量，載荷300 g，保壓時間10 s，測量時取5 個點，取其平均值。

靶材的I-U 曲線測量采用UDP450 型閉合場非平衡磁控濺射離子鍍系統(tǒng)，將靶材安裝好后，抽真空至工作氣壓，調(diào)節(jié)靶電流值，記錄對應的靶電壓值進行繪制。

2 結(jié)果與分析

2.1 熱處理溫度對靶材晶粒尺寸及分布的影響

如圖1 所示是加工變形量同為80%的純鉬靶材分別在1 050 ℃、1 100 ℃、1 200 ℃、1 300 ℃進行1 h 熱處理后的縱截面(平行于靶材濺射面)的EBSD 照片。EBSD 照片中的晶粒不完全同于傳統(tǒng)金相照片晶粒，光學金相顯微鏡受顯像機理、制樣手段和分辨率等因素限制，看到的晶粒往往由大角度晶界圍成，而實際上在同一個晶粒內(nèi)部的不同區(qū)域的取向也并非完全一致，而是存在著許多尺寸小、取向差很小的小塊，它們相互鑲嵌存于晶粒內(nèi)部，稱為亞晶粒。而EBSD 技術可以標識出亞晶晶粒和亞晶界，能夠更準確、真實地表征材料的微觀組織結(jié)構(gòu)［9］?？梢钥闯?，靶材的鉬晶粒均為形狀不規(guī)則的等軸狀組織，已經(jīng)看不到塑性變形加工造成的被拉長的鉬晶粒和纖維狀組織，鉬基體顯微組織為無畸變的、尺寸比較均勻的等軸晶，說明鉬靶材已經(jīng)完成了靜態(tài)回復進程，進入了再結(jié)晶階段，實驗所選定的熱處理溫度均高于鉬靶材的再結(jié)晶溫度，熱處理溫度越高的樣品再結(jié)晶進行的程度越充分。此外，由圖可見存在著相對的粗晶區(qū)和細晶區(qū)，這是由于靶材在加工過程中各個部分受力不均勻和加熱過程中的受熱不均勻所導致的［10-11］。

圖1 鉬靶材在不同溫度進行1 h 熱處理后的濺射面EBSD 照片

圖2 鉬靶材晶粒尺寸隨熱處理溫度變化曲線

采用定量金相技術對靶材的晶粒尺寸進行測量，結(jié)果如圖2 所示。隨著靶材熱處理溫度的升高，鉬晶粒的平均晶粒尺寸由43 μm 逐漸增長至60 μm，樣品組織的最小晶粒尺寸和最大晶粒尺寸整體也呈現(xiàn)出隨熱處理溫度升高而長大的趨勢，且最小晶粒尺寸與最大晶粒尺寸之間的差值也有所增大。這是由于鉬雖然是一種層錯能較高的金屬，再結(jié)晶晶核的形成主要靠相鄰亞晶粒的合并來實現(xiàn)，但再結(jié)晶晶粒的長大必須通過晶界的遷移來實現(xiàn)。熱處理溫度的升高，提高了鉬原子的擴散系數(shù)，使得晶界的移動速度加快，晶界更易遷移，提高了晶粒長大速率，導致晶粒粗化。而隨著再結(jié)晶晶粒長大的同時，還會出現(xiàn)晶粒相互吞并現(xiàn)象，大的再結(jié)晶晶粒顯著長大，小的再結(jié)晶晶粒尺寸下降并逐漸消失，使晶粒間的尺寸差異變大，尺寸分布越不均勻。圖3 是各個鉬靶材樣品的晶粒尺寸分布柱狀圖。可以看出，熱處理溫度為1 050 ℃、1 100 ℃、1 300 ℃時，晶粒尺寸的標準差均在20 以上，而熱處理溫度為1 200 ℃時，標準差最小，說明本實驗條件中，進過1 200 ℃熱處理的樣品晶粒尺寸最均勻。圖4 是鉬晶粒長徑比的統(tǒng)計計算值，4 個樣品的鉬的再結(jié)晶晶粒平均長徑比均在1.74 到1.85 之間，靶材熱處理溫度對其晶粒長徑比影響不顯著，其中1 200 ℃熱處理的靶材晶粒長徑比最接近1 且分布最均勻，有利于獲得高質(zhì)量的濺射鉬膜。

圖3 鉬靶材晶粒尺寸分布隨熱處理溫度的變化

圖4 鉬靶材晶粒長徑比隨熱處理溫度的變化

2.2 熱處理溫度對鉬靶材硬度的影響

圖5 鉬靶材硬度隨熱處理溫度的變化

鉬靶材的顯微維氏硬度測試結(jié)果如圖5 所示。通過鉬靶材在不同溫度下熱處理后的硬度分析結(jié)果，可以看出靶材的致密度較高，所有樣品的硬度值整體較高［12］，均在250～272 HV 之間。而隨著熱處理溫度的升高，靶材的硬度整體呈現(xiàn)下降趨勢，這主要是因為退火溫度的升高，導致鉬靶組織中已經(jīng)形成的再結(jié)晶晶粒尺寸逐漸長大、粗化，根據(jù)霍爾-配奇關系式σs=σ0+K ×d-1/2晶粒的平均直(d)越小，材料的屈服強度(σs)越高，反之，材料平均晶粒尺寸越大，其硬度越低。當材料受外力作用發(fā)生塑性變形時，單位體積內(nèi)晶粒數(shù)越多，變形便可更加均勻地分散在更多的晶粒內(nèi)進行，降低了應力的集中。此外，晶粒尺寸越小，晶界密度就越大，晶界越曲折，能夠增大裂紋擴展的阻力。

2.3 熱處理工藝對靶材I-U 曲線的影響

圖6 為將各個靶材試樣安裝于UDP450 型閉合場非平衡磁控濺射離子鍍系統(tǒng)設備上時，測得的加在其上的電流-電壓變化曲線，反映了熱處理溫度對靶材I-U 曲線的影響。測量過程中固定內(nèi)外磁極磁感強度，工作真空度3.0 ×10-5torr，基片偏壓-50 V。由實際測量值可見，隨著靶電流的提高，每塊靶材上的電壓均呈逐漸遞增趨勢。而熱處理溫度的升高，靶材的I-U 曲線呈先整體右移后左移的趨勢。I-U 曲線的差異反映著各個靶材微觀組織結(jié)構(gòu)的差異。

圖6 各靶材I-U 曲線實際測量值和擬合曲線

表1 經(jīng)不同溫度熱處理的鉬靶材對應的n 值

相關文獻資料表明【13-16】:在氣壓和磁場一定的情況下，靶電壓-電流伏安特性關系通?？捎肨hornton 經(jīng)驗公式描述:I=kVn，式中，I 為放電電流，V 為放電電壓，K、n 則為常數(shù)。其中n 表征等離子體中電子的束縛效率，n 越大，束縛效率越高。通常對于無磁場的標準二級濺射，值一般為1 到2。為了研究本實驗中熱處理工藝對靶材放電特性的影響，對各曲線進行擬合求得n 值，結(jié)果見表1?？梢园l(fā)現(xiàn)，所有樣品的n 值均在7.7～8.8，其中，熱處理溫度為1 200 ℃的靶材對應n 值最大，說明等離子體中電子的束縛效率越高，而其他3 個樣品的數(shù)值較為接近。

3 結(jié)論

(1)變形量同為80% 的鉬靶材，在1 050～1 300 ℃經(jīng)1 h 熱處理后均已發(fā)生了再結(jié)晶，且隨著熱處理溫度的升高，再結(jié)晶晶粒的尺寸逐漸增大。其中經(jīng)1 200 ℃熱處理的靶材的晶粒尺寸均勻性和長徑比一致性最佳，有利于在濺射鍍膜時獲得較高的濺射速率。

(2)所有鉬靶材的硬度值均在250～272 HV，且熱處理溫度的升高將導致靶材硬度下降，符合細晶強化規(guī)律。

(3)所制備鉬靶材的I-U 曲線均符合Thornton經(jīng)驗公式I=kVn，不同溫度熱處理后的樣品中，經(jīng)1 200 ℃熱處理的靶材對應的n 值最大表明等離子體中電子的束縛效率最高。

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