高純濺射鉻靶材是近年來新研制和開發的一種靶材，先后在集成電路、液晶顯示屏、真空鍍膜及電子控制器件等多個領域得到了廣泛的應用，市場規模不斷擴大。鉻靶材可以采用多種方法制備，而針對市場的大量需求，在進行鉻靶批量生產時，通常要求其純度能夠達到85％左右，因此，需要在選擇合理制備工藝的同時，有效控制高純濺射鉻靶材的生產成本。
1、試驗原材料及試驗方法
1.1 試驗原材料的選擇
在試驗過程中，我們選擇電解鉻粉作為試驗原材料，其主要化學成分為Cr，其雜質元素含量為：
w(A1)=0.01%，w(Fe)-=0.02%，w(Pb)=0.01%，w(Si)=0.0015％，w(Cu)=0.002％，w(C)=0.004％，w(S)=0.001％，w(O)=0.3％。
1.2 試驗方法及試驗制備
常用的粉末冶金工藝包括傳統燒結、熱壓、真空熱壓和熱等靜壓等多種方法[1]。本試驗選擇傳統燒結法和熱壓法。
1.2.1成型及燒結試驗
傳統的燒結方法能夠用于大尺寸靶材的制備，但是致密度通常不高，在采用該方法制備靶材時，為了提高靶材的密度，通常需要增加燒結時間，或者在燒結之后進行軋制處理。這里首先將電解鉻粉與成型劑按一定比例放置于軋制模具中，然后利用300t的液壓機將鉻粉軋制成型或者包套，并進行等靜壓成型。模壓壓坯的標準尺寸為φ65mm x φ45mm x 46mm。將壓制成型的壓塊放人真空碳管爐中，在真
空條件下對其進行低溫燒結；如果進行高溫燒結，則需要在惰性氣體環境中進行，一般選擇氬氣，燒結溫度為1300℃和1450℃兩種，燒結時間均為7h。在燒結完成后，對比靶坯的尺寸、密度變化情況。
1.2.2熱壓試驗
熱壓法具有工藝簡單、致密度高的特點。在采用熱壓試驗進行靶材制備時，首先將混合后的鉻合金粉末放置到熱壓模具中，然后在惰性氣體(氬氣)環境下將其加熱到1300℃左右，之后進行1h左右的保溫，最后冷卻至600℃出爐。靶坯的標準尺寸為φ60mm x φ30mm。完成之后對靶坯的尺寸變化情況進行分析，并計算出靶坯的密度。熱壓法一般為單向加壓，因此，采用該方法制備的鉻靶材通常整體致密度不均勻，可見該方法只能適用于小尺寸靶材的制備。為了保證靶材的純度，通常在制備過程中不需要添加其他成型劑，而直接利用高純度的金屬粉末進行制備。
2、試驗結果分析
2.1 靶坯壓制過程
在進行靶坯軋制的過程中，由于各種摩擦因素的影響，壓力損失，導致靶坯各部分受壓不均勻，從而影響到靶材成型后的密度分布[引。通過采用雙向壓制的方法，能夠有效避免因壓力損失導致的靶材密度分布不均勻的問題。
2.2 加工方法對鉻靶材密度的影響
在進行鉻靶材制備的過程中，加工方法會直接影響到靶材的密度。目前，常用的鉻靶材加工方法主要包括熱等靜壓、真空熔煉、熱壓、冷等靜壓+燒結以及機壓+燒結的方法。表1給出了在不同加工方法下鉻靶材的密度數據。
從表1中的數據可以看出，采用不同的加工方法，所制備的鉻靶材的密度差距比較明顯，其中采用熱等靜壓、真空熔煉以及熱壓三種方法，基本能夠保證鉻靶材的純度達到98％以上，但是這三種加工方法的成本相對較高，不適合應用到大規模生產中。在一般的鉻靶材批量生產中，通常要求純度達到80％～85％。針對這種要求，我們可以選擇“冷等靜壓+燒結”以及“機壓+燒結”的方法對鉻靶材進行加工，這樣既能滿足批量生產的密度要求，又能很好地控制制造成本。
2.3 燒結過程的控制
鉻粉燒結屬于單元系燒結，其燒結機制以擴散為主[引。當溫度在400℃以下時，應力恢復，吸附的水氣和水分會揮發，壓塊的尺寸基本不會發生變化，而隨著溫度的不斷升高，靶坯中的成型劑逐漸分解并釋放出來，使爐內的真空度下降。當溫度升高至400～800℃之間時，進行1h的保溫，然后爐內開始出現再結晶，顆粒的內變形會逐漸恢復，從而形成新的結晶體，顆粒界面會隨著擴散逐漸發生黏結，
靶坯的強度逐漸增加。當真空度上升到10～2后，向爐內注入氬氣，避免鉻被氧化，然后繼續升溫至1100～1 200℃，并對溫度上升的速度進行控制，保持2h左右的時間，以保證粉末顆粒黏結的充分進行，提高靶坯的密度和強度。之后繼續加溫并控制升溫速度，使溫度在2h左右上升至1300～1450℃，之后進行0.5—1.5h的保溫。將靶坯的燒結時間降低到7h，不會影響靶坯的燒結密度，還能降低大約30％的成本。在燒結的過程中需要對加熱速度進行控制，避免因過快的加熱速度導致吸附氣體不能被徹底排除而影響到鉻環的收縮不均勻，造成變形，影響到鉻靶材的燒結密度。另外，過快的加熱速度還可能導致壓制過程中的高內應力，使鉻靶材出現裂紋。
因此，在高溫燒結階段，對升溫速度和最高溫度的控制尤為重要。
2.4 保護氣體對鉻靶材燒結密度的影響
在進行鉻靶材的燒結時，在通常情況下，需要將燒結溫度提高到1250～1450℃之間時，才能形成純鉻粉靶環的燒結。此時，其他因素對靶材燒結的影響較低。經過實踐發現，當燒結溫度在1250~1 450℃之間時，如果沒有惰性氣體進行燒結保護，就可能會發生一定的氧化現象，而且鉻的蒸發量也較大。為了避免這種情況，在進行高溫燒結時，必須向爐內加入惰性氣體進行保護，適當控制爐內壓力。同時，真空度對靶坯的燒結密度會產生一定程度的影響。
3、結論
1)不同的加工方式所制備的靶材密度存在較大差異，通常情況下，在進行批量鉻靶材生產時，要求靶材純度達到80％～85％，此時可以采用“模壓+燒結”或者“冷等靜壓+燒結”的方式進行加工；而鉻合金靶材的純度要求一般需要在98％以上，此時可以選擇真空熔煉、熱壓及熱等靜壓的方式進行加工。
2)在進行靶坯的壓制過程中，只需要采用雙向壓制方法，不需要向鉻粉中添加任何成型劑，即能很好保證靶坯的密度。
3)通過對燒結的時間、溫度的變化進行合理的控制，能夠在保證燒結密度的情況下，大幅度降低燒結成本。
參考文獻
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[2]張冷，張維佳，宋登元，等．銅銦鎵硒薄膜的真空制備工藝及靶材研究現狀[J]助能材料，2013，44(14)：1 990—1 994．
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