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国内外钼铌合金靶材的研究、制备方法、应用

发布时间:2020-01-15 21:01:16 浏览次数 :

一、钼铌合金靶材的研究进展

在电子行业中,为了提高溅射效率和确保溅射薄膜的质量,要求 Mo-Nb溅射靶材有高纯度、高致密度、晶粒细小及尺寸分布均匀、结晶取向一致等特性。刘等 [58-59] 报道,Mo-Nb 合金靶材的纯度越高,溅射薄膜的性能越好。一般钼溅射靶材的纯度至少需要达到 99.95%(质量分数),而且随着 LCD 行业玻璃基板尺寸的不断提高,要求配线的长度延长、线宽变细,为了保证薄膜的均匀性以及薄膜的质量,要求的钼溅射靶材的纯度也相应提高。

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肖等 [60] 研究表明溅射靶材作为溅射中的阴极源,固体中的杂质和气孔中的氧气和水气是沉积薄膜的主要污染源。此外,在电子行业中,由于碱金属离子(Na + ,K + )易在绝缘层中成为可移动性离子,降低元器件性能;夏等 [61] 的研究表明在磁控溅射过程中铀和钛等元素会释放α射线,

造成器件产生软击穿,铁、镍离子会产生界面漏电及氧元素增加等。因此,在 Mo-Nb 合金靶材的制备过程中,需要严格控制这些杂质元素,最大限度地降低其在靶材中的含量。

钟等 [62] 研究表明在溅射镀膜的过程中,致密度较小的溅射靶材受轰击时,由于靶材内部存在孔隙,突然释放的气体会对沉积颗粒造成影响,或对沉积薄膜造成二次电子轰击。这种情况大大影响了薄膜的品质。为了减少靶材固体中的孔隙以提高薄膜性能,所以要求提高溅射靶材的致密度。李等 [63-64] 报道,对 Mo-Nb 合金溅射靶材而言,其相对致密度应该在 98%以上。

王等 [65-66] 报道,通常 Mo-Nb 合金溅射靶材的晶粒大小一般为微米到毫米量级。刘等 [67] 试验研究表明,靶材晶粒越细小其溅射的速率越大,这是由于晶界处的原子激活能低,受到轰击时优先溅射沉积,而且尺寸分布均一的溅射靶材,其溅射薄膜的厚度分布也比较均匀。

侯等 [68] 在研究中表明由于溅射时靶材原子容易从原子密排面溅射出来,因此为提高溅射速率,通常把靶材结构改变为沿密排晶面择优取向。俞等 [69] 研究结果表明 Mo-Nb 合金靶材一般沿(110)晶面择优取向。此外,靶材的结晶方向对溅射膜层的厚度均匀性影响也较大,所以为了提高薄膜的溅射速率需要取得一定结晶取向的靶材结构。

二、钼铌的制备方法

关于Mo-Nb合金靶材的制备方法,目前主要是采用熔炼铸造法、湿氢烧结法和热等静压(HIP),在 Mo-Nb 合金靶材的制备过程中,不仅要严格控制 Mo-Nb 合金靶材的纯度、致密度以及结晶取向,还需保证热处理工艺条件、后续成型加工过程来控制靶材的质量。

(1)熔炼铸造法

熔炼铸造法是通过将一定比例的 Mo-Nb 合金熔融之后在模具中形成铸锭,再将铸锭机械加工和轧制处理,用来改善 Mo-Nb 合金靶材的致密度和晶粒尺寸。其在制备过程中,为了保证铸锭中杂质元素含量低,需要整个过程在真空或保护性气氛下进行。相比于粉末冶金法生产的Mo-Nb 合金靶材,其靶材杂质含量低、致密度高。但实际铸造制备的 Mo-Nb 合金靶材中难以避免材料内部的孔隙,这些孔隙容易造成溅射中微粒的飞溅,其对溅射薄膜质量有一定的影响 [70] 。

(2)湿氢烧结法

湿氢烧结法是将一定比例的 Mo-Nb 混合粉末成型压坯,再将压坯放入烧结炉中烧结致密化的一种方法 [71] 。烧结过程中通入氢气进行保护,其烧结温度为 2000~2200℃,约为其熔点的 70%。

通过该方法制备的 Mo-Nb 合金靶材杂质含量低、晶粒分布均匀,但面临致密度低的问题。

(3)热等静压法

热等静压法是把混合均匀的 Mo 粉和 Nb 粉装入特制的钼包套内置于热等静压机的高压容器中,在高温和高压环境下使得 Mo-Nb 合金烧结致密化的过程。该方法获得的 Mo-Nb 合金靶材晶粒均匀细小,消除了靶材内部颗粒间的缺陷和孔隙,提高了其致密度,而且降低了烧结温度 [72] 。

但是其对设备要求高,而且其生产成本也高。

三、钼铌合金靶材的应用

通过粉末冶金的方法制备的 Mo-Nb 合金靶材后期需要经过不同的处理(锻造、轧制和挤压)来获得不同性能的 Mo-Nb 合金靶材。

锻造Mo-Nb合金靶材主要用于CT靶的制造。碟形Mo-Nb合金靶主要作为X射线管的旋转阳极。

因为它的使用环境在是高真空、高速度旋转和高温的条件下,需要经受高压电子的轰击,所以对靶面不仅要求有良好电特性,而且得具备良好的高温强度、抗冲击性能和耐热性能[73],并要求无气孔存在,以免射线发生折射和散射,影响CT机成像的清晰度和准确度。为此,在制造Mo-Nb合金靶材时,对其致密度要求较高。

轧制Mo-Nb合金靶材材主要用于平面显示器行业中的TFT-LCD(Thin film transistor- Liquidcrystal display)领域 [74] 。由于Mo具有优良的电导性和热稳定性,使得其被用作TFT制造中的电极、布线材料和阻挡层材料。

与平面 Mo-Nb 合金靶材相比,旋转 Mo-Nb 合金靶结构具有其实质性优点,旋转靶的利用率远高于平面靶,旋转靶如图 1-4 所示 [75] 。 靶的寿命即为溅射功率乘以溅射时间。 从平面靶材到旋转靶材几何结构和设计的改变使得靶材的利用率从 20%到 30%增加到 80%。此外,旋转靶材的寿命一般是平面靶材的 5 倍。 而且由于旋转靶在溅射过程中会不停地旋转,因此其表面不产生重沉积现象 [76] 。

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