專利名稱：有細(xì)密均勻結(jié)構(gòu)和晶體組織的金屬件和制造它的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及有細(xì)密均勻結(jié)構(gòu)和晶體組織的金屬件和制造這樣物件的方法。尤其是，描述的這類金屬件作為濺蝕靶是特別有用的。
高純度的金屬和合金的濺蝕靶廣泛地用于電子和半導(dǎo)體工業(yè)作為濺蝕薄膜。希望能獲得大尺寸的靶。
發(fā)明的概要按照本發(fā)明，提供一種高純度的鉭件，如有基本均勻晶體組織的濺蝕靶。特別是，本發(fā)明構(gòu)成至少約99.95％純度鉭和基本均勻(100)立體晶體組織的鉭濺蝕靶。
在1998年6月17日提交的申請(qǐng)?zhí)?9/098,761公開了提供該鉭濺蝕靶的方法，所述申請(qǐng)的方法特別插入這里作為參考。該方法包括1)提供一個(gè)金屬坯料；2)把坯料加熱到低于金屬重結(jié)晶溫度的鍛造溫度；3)在要鍛造的坯料兩端和鍛造坯料的鍛造機(jī)的壓板之間加上固體潤(rùn)滑劑，以便在鍛造中減少摩擦；4)鍛造坯料到所需的坯料厚度，有約7％到95％的減??；5)使鍛造的坯料大致回到室內(nèi)溫度；6)將坯料滾軋成板，使每次滾軋?jiān)斐傻暮穸鹊臏p薄足以產(chǎn)生接近均勻的應(yīng)變分布；和7)重結(jié)晶退火該板。
在加上足夠厚度的固體潤(rùn)滑劑之前，在坯料的兩端加工出淺室是有利的。最好是坯料在低于靜態(tài)重結(jié)晶最小溫度的溫度下鍛造，然后滾軋，和在產(chǎn)生靜態(tài)重結(jié)晶初始階段的溫度和時(shí)間下退火。
每道次滾軋的減薄量希望是按照每次滾軋的最小減薄量，輥的直徑和鍛造后所需的坯料厚度的關(guān)系確定。一般來說，在滾軋中每次滾軋的減薄量在約10％到20％。
在本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案中，本發(fā)明構(gòu)成的金屬件，如濺蝕靶，有接近最小的靜態(tài)結(jié)晶的晶粒尺寸，和均勻的晶體組織。
本方法可以應(yīng)用到不同的金屬和合金，只要它們?cè)诘陀谙鄳?yīng)的靜態(tài)重結(jié)晶溫度的溫度下顯示出良好的可延展性和可加工性。本發(fā)明可以應(yīng)用的金屬有Al，Ti，Ta，Cu，Nb，Ni，Mo，Au，Ag，Re，Pt和其他金屬，以及它們的合金。該方法的一個(gè)實(shí)施方案包括把一個(gè)錠塊加工成半成品坯料的各個(gè)步驟，例如包括熔煉，澆錠，鑄造，均質(zhì)化/溶液化熱處理，熱加工粗軋鑄造結(jié)構(gòu)，和坯料制備再加上坯料成形和形變熱處理以便制造成產(chǎn)品，如濺蝕靶，和精煉金相結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)所需的晶體組織。通過本發(fā)明方法的一個(gè)實(shí)施方案，使用冷卻/加熱加工和退火來開發(fā)極其細(xì)密、均勻的結(jié)構(gòu)和堅(jiān)固的均勻晶體組織，從而使濺蝕靶的性能獲得改進(jìn)。
附圖的描述

圖1是顯微金相照片，顯示鉭靶的晶粒結(jié)構(gòu)；在靶的中心區(qū)，100×25微米；圖2是顯微金相照片，顯示鉭靶的晶粒結(jié)構(gòu)；在靶的徑向中間區(qū)；100×25微米；圖3是顯微金相照片，顯示鉭靶的晶粒結(jié)構(gòu)；在靶的邊緣區(qū)，100×25微米；圖4是反板圖，表示{100}立體晶體組織；中心區(qū)；圖5是反極圖，表示{100}立體晶體組織；徑向中間區(qū)；和圖6是反極圖，表示{100}立體晶體組織；邊緣區(qū)。
詳細(xì)描述為了使形變熱處理最優(yōu)化，希望在重結(jié)晶退火之前獲得密集的和均勻的應(yīng)變。典型的是，靶是通過滾軋或縮鍛操作加工由單個(gè)坯料制成薄的圓盤。在兩種情況下，原先的坯料長(zhǎng)度(H0)減薄成最終的厚度(h)，可以應(yīng)用下面的公式計(jì)算出平均應(yīng)變(1)ε＝(I-h/H0)100％＝[1-(M/M0)2/3]100％式中M0＝H0/D0和M＝h/d分別是原先的坯料和加工成的產(chǎn)品的高度-直徑比。由所需的靶的形狀規(guī)定最終比(M)，通常是在M＝0.07到M＝0.5的范圍內(nèi)，同時(shí)原先坯料比M0可以在約1.86到0.5的范圍內(nèi)，在前面描述的方程式(1)中所表示的應(yīng)變極限如下(2)73％＜∈＜95％
方程式(2)中的應(yīng)變只對(duì)薄的靶子足夠高可使靜態(tài)重結(jié)晶最優(yōu)化。但即使對(duì)于這些靶子整個(gè)坯料體積應(yīng)變分布的不均勻性可能顯著地減小在某些區(qū)域內(nèi)的應(yīng)變量。還有對(duì)某些應(yīng)用來說對(duì)大的靶坯料提供上面方程式(2)的應(yīng)變所必需的鍛造壓機(jī)和滾軋機(jī)容量的要求可能太高。因此，通過滾軋式鍛造操作可以得到的應(yīng)變可能有一定的限制。
加工生產(chǎn)薄和大的靶子，滾軋是最適合的。但是原先的坯料比(M0)應(yīng)該小于1將是有利的，不然的話，在長(zhǎng)的圓柱形坯料的滾軋中最終效應(yīng)產(chǎn)生很強(qiáng)的應(yīng)變分布的不均勻性。此外，為了對(duì)薄的坯料提供接近均勻的應(yīng)變，輥的直徑應(yīng)顯著地大于坯料的厚度是有利的，每次滾軋的減薄量的數(shù)字可能影響結(jié)果。由于上述原因，滾軋的坯料可以有緣凹形的形狀，在接觸表面上有最大的應(yīng)變，在坯料的中間部分應(yīng)變最小，這樣就不足以使重結(jié)晶最優(yōu)化和開發(fā)最有用的結(jié)構(gòu)。最近出版的日本專利08-269701號(hào)描述了，通過充分的從坯料到片的冷滾軋和低溫退火所制造的鉭靶。但是這個(gè)技術(shù)不能應(yīng)用到板材，盡管對(duì)靶的某些部分描述有很細(xì)的晶粒尺寸，但日本專利的數(shù)據(jù)顯示在晶粒直徑上有很大的偏差。
從鍛造產(chǎn)生的應(yīng)變不均勻性大大高于滾軋產(chǎn)生的不均勻性。由于接觸摩擦，在坯料的中心區(qū)域存在大量的“死金屬”區(qū)。這造成在這些區(qū)內(nèi)應(yīng)變小和對(duì)薄的坯料高的壓力和負(fù)荷。從有大的厚度對(duì)直徑比的大坯料縮鍛大容積的靶子需要功率很大的壓力機(jī)和昂貴的工具，但是不能生產(chǎn)出有均勻晶粒直徑的產(chǎn)品。這就是為什么鍛造操作大多數(shù)僅用作鑄錠的熱粗軋。
在日本專利08-232061號(hào)中描述了克服這些問題的一種試驗(yàn)。專利描述了在低于相變溫度的溫度下對(duì)鉭靶鍛造和滾軋的組合。該方法使用低于相變溫度的溫度，但大大高于對(duì)粗重加工材料靜態(tài)重結(jié)晶的溫度。結(jié)果，該方法不能使重結(jié)晶最優(yōu)化和開發(fā)出很細(xì)密均勻的結(jié)構(gòu)/晶體組織。
與上述相反，本發(fā)明包括1)以無摩擦的縮鍛進(jìn)行鍛造的步驟，以便提供均勻的應(yīng)力-應(yīng)變和密集的加工而沒有材料斷裂和壓力機(jī)過載；2)在低于相應(yīng)的條件下靜態(tài)重結(jié)晶的最低溫度的溫度下進(jìn)行鍛造的步驟，以便生產(chǎn)最細(xì)密的和最均勻的結(jié)構(gòu)/晶體組織。可以使鍛造，滾軋，退火各步驟最優(yōu)化，從而提供成本有效的加工和靶性能的優(yōu)化。
原先的坯料有圓柱形的形狀和體積以及長(zhǎng)度對(duì)直徑比M0。最好是冷縮鍛，但在某些情況下可以將坯料和工具預(yù)熱到低于靜態(tài)重結(jié)晶溫度的溫度，以便減小工作壓力和負(fù)荷。將兩薄片固體潤(rùn)滑劑(3)放到坯料終端和安裝在壓力機(jī)中的鍛壓板(4)之間。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，用在工作條件下表現(xiàn)出粘彈性行為的潤(rùn)滑劑聚合物可以得到最好的結(jié)果。該聚合物有聚乙烯，聚四氟乙烯或聚氨酯。
按照本發(fā)明，使用粘彈性聚合物膜來完全分離坯料和工具。在縮鍛時(shí)聚合物流動(dòng)進(jìn)入與坯料接觸。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)用本發(fā)明，原先的坯料比(M0)可以大到M0＝1.86，并且聚合物潤(rùn)滑劑膜能使部分減薄量高達(dá)75％。由于原先的坯料比增加到M0＝1.86，可以得到的應(yīng)變(見方程式(1))的極限比方程式(2)要好得多(3)87％＜∈＜95％這與均勻的應(yīng)變分布一起允許人們?cè)诖蠖鄶?shù)情況下可以使重結(jié)晶最優(yōu)化。
滾軋預(yù)備的鍛造坯料以便進(jìn)一步減小厚度。可以應(yīng)用冷的或加熱的滾軋。可以在兩個(gè)或4個(gè)互相垂直的方向上進(jìn)行滾軋以便生產(chǎn)出象圓形的產(chǎn)品。通過在滾軋中控制輥直徑對(duì)坯料厚度比(/H)，坯料厚度對(duì)直徑比(M)和每次滾軋減薄量，產(chǎn)生最均勻的應(yīng)變分布是重要的。一個(gè)重要的方面是在滾軋開始時(shí)防止在圓柱形坯料的自由表面上起皺。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)起皺面積(T)是近似等于坯料-輥的接觸長(zhǎng)度(L)，如果在第一次滾軋之后接觸長(zhǎng)度超過坯料厚度，可消除起皺。換句話說，如果L＞H，那么(4)---φ/H≥4(1-e)2+∈22∈]]>式中φ是輥的直徑，E＝(1-h/H)100％是每次滾軋的減薄量。用公式(4)對(duì)不同的減薄量計(jì)算所得的結(jié)果表示在表1中表1
如可以見到的那樣，若平均減薄量為15％或更少，輥的直徑應(yīng)至少比圓柱形坯料厚度約大10倍(表1中是9.7)。在另一方面，使用薄的坯料進(jìn)行滾軋而沒有縮鍛減少了可能的減薄量(1)。常規(guī)靶的滾軋經(jīng)受兩個(gè)缺點(diǎn)，那就是不均勻性和低的減薄量，對(duì)優(yōu)化結(jié)構(gòu)同樣都是不可接受的。在本發(fā)明，通過將預(yù)備坯料縮鍛到必需的厚度(H)提供了很高的輥直徑對(duì)坯料厚度比(/H)。同時(shí)縮鍛操作提供的滾軋前坯料比(m)少于約0.5，這對(duì)于獲得沿著坯料均勻的滾軋減薄是非常有用的。部分滾軋減薄對(duì)每次滾軋約為10％到20％，對(duì)于在最終產(chǎn)品中接近均勻的應(yīng)變分布也是有用的。滾軋減薄量低于約10％會(huì)在坯料表面產(chǎn)生較高的應(yīng)變，而減薄量大于約18％會(huì)在坯料的中部產(chǎn)生的較高的應(yīng)變。所有這些參數(shù)確定了對(duì)靶進(jìn)行縮鍛和滾軋以便得到最優(yōu)結(jié)果的最好實(shí)施方案。
在靶加工中最后一步是重結(jié)晶退火。對(duì)許多金屬和合金來說，方程式(3)的應(yīng)變足夠使靜態(tài)重結(jié)晶最優(yōu)化。為了達(dá)到這個(gè)目的，應(yīng)該確定首先是開始靜態(tài)重結(jié)晶最低溫度所需的，然后是整個(gè)坯料的體積完成靜態(tài)重結(jié)晶所需的最短時(shí)間。相應(yīng)的結(jié)構(gòu)有最小的晶粒尺寸和在每個(gè)局部區(qū)域內(nèi)最低的晶粒直徑擴(kuò)散。因?yàn)楸痉椒ㄟ€在坯料的任何部分提供均勻的應(yīng)變，所以可以實(shí)現(xiàn)靜態(tài)重結(jié)晶的最低溫度作為整個(gè)坯料在最短的時(shí)間內(nèi)的最佳溫度。這使生產(chǎn)的靶得到非常細(xì)密和均勻的結(jié)構(gòu)和堅(jiān)固的均勻晶體組織。
本發(fā)明的另一個(gè)實(shí)施方案在幾個(gè)步驟中進(jìn)行鍛造，使坯料厚度連續(xù)減少，和在每一步中恢復(fù)薄膜潤(rùn)滑劑。那種方式的鍛造在相對(duì)低的壓力和負(fù)荷下可以對(duì)薄的坯料厚度持續(xù)很長(zhǎng)時(shí)間而不會(huì)破壞無摩擦的條件和應(yīng)變均勻性。如果連續(xù)鍛造到最終的靶子厚度而沒有滾軋，對(duì)靶提供了相應(yīng)的鍛造晶體組織。相似地，在特殊的情況下按照本發(fā)明可以進(jìn)行滾軋而沒有鍛造，使之有接近均勻的應(yīng)變分布。
下面的例子說明本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案。
高純度的鉭(99.95％和更高)以長(zhǎng)度約178mm(毫米)坯料的形式，使用約100mm。
所得到的鉭靶的組份表示在表2中，如表中表示的那樣，靶有99.95％的鉭和其余由其他元素組成。
表2
報(bào)告的單位是PPm。
C.O.N和H由LECO分析Na，Li和K由SIMS分析金屬元素由ICP(感應(yīng)耦合等離子體)或GDMS(輝光放電質(zhì)譜測(cè)定法)分析。坯料在室溫下縮鍛到75mm的厚度。使用150×150mm2和1.2mm厚的聚四氟乙烯薄膜作為無摩擦縮鍛的潤(rùn)滑劑(另一種無摩擦縮鍛也可以在攝氏300度下進(jìn)行)。然后用直徑915mm的輥進(jìn)行冷滾軋16道次，每次部分減薄量為12％，沿著45角的4個(gè)方向。
從滾軋后坯料厚度的中心，徑向中間和外部區(qū)切出試樣，在1小時(shí)(h)內(nèi)不同的溫度下退火，接著對(duì)其結(jié)構(gòu)和晶體組織進(jìn)行研究，其金相照片表示在圖1-6中。圖1-3分別是中心，徑向中間和邊緣的金相照片，顯示鉭靶細(xì)密的晶粒結(jié)構(gòu)。圖4-6是表示(100)立體晶體組織在中心，徑向中間和邊緣的圖。
本發(fā)明一個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)是能生產(chǎn)出在靶的任何一點(diǎn)上都有非常細(xì)密、均勻的結(jié)構(gòu)和堅(jiān)固、均勻的晶體組織，這樣的靶子過去是不能做到的。下面是各種坯料尺寸和加工方法，可以應(yīng)用這些方法制造有均勻微觀結(jié)構(gòu)和均勻結(jié)晶的晶體組織的濺蝕靶。該方法生產(chǎn)的靶在濺蝕靶性能上有很大的提高。
下面的各個(gè)例子是說明性的，各種可能的初始坯料尺寸如下
各種不同坯料尺寸的加工流程步驟如下M0＝1.86第一步在真空中對(duì)坯料退火第二步在室溫或572°F下用聚四氟乙烯作為固體潤(rùn)滑劑將坯料縮鍛到滾軋所需的特定高度。
第三步高速切削鍛造過的坯料的表面第四步在室溫下滾軋坯料到所需的最終厚度第五步在真空中退火，以便獲得細(xì)密的晶粒尺寸和均勻的晶體組織。
對(duì)M0＝1.86的另一種方法第一步用聚四氟乙烯縮鍛到如M0＝1.0的高度第二步對(duì)鍛造過的坯料真空退火第三步用聚四氟乙烯將坯料縮鍛到滾軋操作所需的最終高度第四步高速切削鍛造過坯料的表面第五步在室溫下滾軋坯料到所需的最終厚度第六步在真空中對(duì)滾軋過的靶坯真空退火，以便獲得細(xì)密的晶粒尺寸和均勻的晶體組織。
M0＝1.6第一步在真空中對(duì)坯料退火第二步在室溫或572°F下用聚四氟乙烯作為固體潤(rùn)滑劑縮鍛坯料到適合滾軋所需的最終高度第三步高速切削鍛造過的坯料表面第四步在室溫下滾軋坯料到所需的最終厚度第五步在真空中獲得細(xì)密的晶粒尺寸和均勻的晶體組織。
M0＝1.0第一步在真空下對(duì)坯料退火第二步在室溫或572°F下用聚四氟乙烯作為固體潤(rùn)滑劑縮鍛坯料第三步高速切削鍛造過坯料的表面第四步在室溫下滾軋坯料到所需的最終厚度第五步在真空中退火，以便獲得細(xì)密的晶粒尺寸和均勻的晶體組織。
下面說明該方法的一個(gè)實(shí)施方案，用于獲得鉭(99.95或更高的純度)靶坯，其最大的晶粒尺寸小于50微米和跨過其表面及穿過靶的厚度都有均勻的的結(jié)晶組織{100}1)通過無摩擦縮鍛和滾軋形變熱加工的組合對(duì)坯料加工；2)在縮鍛操作中進(jìn)行無摩擦鍛造，這樣利用沿著接觸表面的確實(shí)的摩擦并增加方法的穩(wěn)定性；3)預(yù)先確定縮鍛操作的參數(shù)，以便增加累積的應(yīng)變，減少壓力機(jī)容量和能夠有效地滾軋；4)預(yù)先確定滾軋條件的參數(shù)，以便能接近均勻的應(yīng)變分布和產(chǎn)品成圓柱形(用于濺蝕靶)；5)使用靜態(tài)重結(jié)晶的最低溫度作為退火溫度；6)生產(chǎn)出有非常細(xì)密、均勻結(jié)構(gòu)和均勻、堅(jiān)固晶體組織的濺蝕靶，這在以前是不可能得到的。
很清楚可以進(jìn)行各種改變和修改而不會(huì)背離本發(fā)明。因此，本發(fā)明的范疇?wèi)?yīng)該由附屬的權(quán)利要求書來限定。
權(quán)利要求
1.一種金屬件，如濺蝕靶，包含至少約99.95％(重量)的鉭和基本均勻(100)的立體晶體組織。
2.一種高純度的鉭濺蝕靶包含至少約99.95％(重量)的鉭和在靶的表面上基本均勻(100)的立體晶體組織。
3.按照權(quán)利要求2所述的高純度的鉭濺蝕靶是無摩擦鍛造的坯料制成。
4.按照權(quán)利要求2所述的高純度的鉭濺蝕靶在靶表面的中心部分，徑向中間部分和邊緣部分有基本均勻(100)的立體晶體組織。
全文摘要
描述了一種金屬件的生產(chǎn),該金屬件有細(xì)密的金相結(jié)構(gòu)和晶體組織,通過包括鍛造和滾軋以及控制鍛造和滾軋條件的方法進(jìn)行生產(chǎn)。還描述了一種金屬件,它有最小的靜態(tài)結(jié)晶的晶粒尺寸和均勻(100)的立體晶體組織。
文檔編號(hào)C22F1/00GK1307646SQ98814118
公開日2001年8月8日 申請(qǐng)日期1998年9月8日 優(yōu)先權(quán)日1998年6月17日
發(fā)明者R·P·沙, V·賽加爾 申請(qǐng)人:莊臣馬太電子公司