專利名稱：組織均勻的高熔點金屬板及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及改進的、用作濺射靶的高熔點金屬板以及為了其他目的制造的純度高、晶粒細、強度高、組織結(jié)構(gòu)均勻的板。
背景技術(shù)：
濺射靶在等離子體濺射過程中用來制造金屬薄膜，這種金屬薄膜可以有各種應(yīng)用，如用在噴墨打印機中作為形成蒸氣泡的表面，用在集成電路中作為銅和硅之間的阻隔層。氧化鉭薄膜也有實際的使用價值，如用于波分復(fù)用(WDM)裝置中，在電容器中也有潛在的用途。
高熔點金屬濺射靶是說明對高熔點金屬板的顯微結(jié)構(gòu)均勻性有更廣需求的例子。采用原有技術(shù)制造的靶，已知方法制造的濺射靶板組織的不均勻性，會導(dǎo)致濺射速度的不可預(yù)知性(濺射速度定義為由每個撞擊的濺射氣體離子，如氬離子產(chǎn)生的，濺射到基片上的金屬原子數(shù)目)。同時，組織的不均勻性也使濺射原子以不同方向離開靶。濺射速度和濺射方向的這種不可預(yù)知性，使得基片上形成的薄膜的在各點上厚度都有差異，還使得每個基片上形成的薄膜的平均厚度也有差異，并且隨靶而不同。
在很多濺射用途中，薄膜厚度是很重要的，必須嚴格控制。比如在集成電路中，太薄的膜無法提供阻擋層，而太厚的膜會堵塞通道或溝渠。在波分復(fù)用(WDM)裝置中，氧化鉭層厚度必須十分接近于通過它的光波長的四分之一。如果沉積的薄膜厚度不在設(shè)計規(guī)定的此范圍內(nèi)，生成的該器件就無法使用，由于通常無法維修或重做，所以在檢驗的這一步以前，其制造成本就全部浪費了。
在濺射效果方面，最難達到的是基片上，通常與靶形狀相同但略小些的整個薄膜范圍內(nèi)厚度的均勻性。通常靶和基片是平行的。任意指定點的薄膜厚度是落在該點的原子數(shù)的結(jié)果。這些原子的大部分來自于靶上直接面向基片該點的周圍圓形區(qū)域。靶上的這個圓形區(qū)域半徑約為1厘米。因此，如果不論這個圓形區(qū)域位于靶表面上的任何位置，該圓形的濺射速度都是相同的話，就能沉積形成一個厚度完全均勻的薄膜，除非設(shè)備本身或其操作方面的問題會導(dǎo)致不均勻性。
這個圓形區(qū)域的濺射速度定義為每秒從它濺射的平均原子數(shù)，是從該圓形區(qū)域中每個晶粒濺射的原子數(shù)的總和值。不同取向的晶粒以不同速度濺射。因此，如果圓形區(qū)域#1主要由取向A的晶粒構(gòu)成，且A是慢濺射方向，而如果圓形區(qū)域#2主要由取向B的晶粒構(gòu)成，且B是快濺射方向的話，那么圓形區(qū)域#1的總體濺射速度比圓形區(qū)域#2慢。不過，如果各個圓形區(qū)域都是由相同比例晶粒混合而成的話(比如主要是A，或者取向A的晶粒和取向B的晶粒以固定比例混合)，則濺射性能會有所提高。因此，均勻組織的濺射速度更可預(yù)知，從而提供了更加可控的薄膜厚度。
Turner在美國專利6331233中聲稱，均勻的組織是指在板材從外邊到中心的厚度范圍內(nèi)。但是材料中心處所受的應(yīng)力經(jīng)歷情況與邊緣處不同。這種區(qū)別是在“形變步驟2”對板材料進行鐓鍛時產(chǎn)生的。在鐓鍛時，在邊緣或大半徑處的材料獲得中等程度的應(yīng)變。板材中心或小半徑處，在接近頂面或底面的材料獲得較小的應(yīng)變，在位于厚度中心的材料則獲得較大的應(yīng)變。甚至在退火、軋制和再退火后，應(yīng)變的這種區(qū)別仍然會影響到組織。
即使現(xiàn)有技術(shù)濺射設(shè)備，用不均勻的靶，也不可能在基片上控制住薄膜從點到點的厚度差異。使用測試片可以部分而非全部地控制基片和基片間、靶和靶間產(chǎn)生的薄膜的厚度的差異。但是使用測試片既耗費時間成本又高。采用鍛造技術(shù)，如，使用再結(jié)晶熱處理的來回鐓鍛，引入了附加操作，可提高顯微結(jié)構(gòu)的均勻性，這廣為人知的。但是，這些技術(shù)容易在加工金屬中引起各種類型的缺陷，如裂紋、褶皺和畸形，這些缺陷都會降低加工的金屬能制成靶的比例(即降低產(chǎn)率)。一般可以通過將鍛造溫度升高到260℃(500°F)到315.6℃(600°F)范圍來減輕材料產(chǎn)生裂紋的傾向，但是這種加熱是昂貴的，會使工件變得更硬，不易處理(因而其最終形狀距離期望的形狀很遠)，并可能導(dǎo)致氧含量升高，特別是表面的氧含量。而且，其他鍛造技術(shù)(通常稱為板的鐓鍛)制得產(chǎn)品的組織雖然是軸對稱的，但是沿著半徑從中心到邊緣，卻是不均勻的。使用粉末冶金技術(shù)獲得均勻組織也是已知的。但是，這種技術(shù)通常不被采用，因為成本太高，而且燒結(jié)的粉末冶金部件可能包含開隙和非金屬夾雜物，這些都有損于濺射性能。

發(fā)明內(nèi)容
就本發(fā)明的用途來說，說物體的組織均勻，上該物體在某一區(qū)域的組織與其他區(qū)域的組織沒有可測量的差別，除了統(tǒng)計學(xué)理論上有望的可能差別外。這個均勻的組織并不依賴于物體的尺寸或其區(qū)域的尺寸。
因此，本發(fā)明的目的是提供這樣一種濺射靶，它能改進制得薄膜厚度的可預(yù)知性，從而提高這種靶的適用性。
本發(fā)明一個進一步目的是提供一系列提高了其顯微結(jié)構(gòu)均勻性的鉭制品和鈮制品及其制造方法。
本發(fā)明一個進一步目的是提供一種從給定重量的鉭錠制得的濺射靶，并改進過程的成本效率。
本發(fā)明包括一種從必要純度的高熔點金屬錠制造濺射靶和其他板材產(chǎn)品的方法，該方法包括將錠切割成較短長度的錠件和將這些錠件交錯地沿著正交加工軸進行壓力加工的步驟。按需要必須采用中間退火的方法使整個靶體包括中心都建立起均勻的組織。該均勻的組織是取向為{100}和{111}的晶粒的基本固定比例的混合，這兩組數(shù)字是與濺射面平行或接近平行的晶面的Miller指數(shù)。這種晶粒取向的固定比例混合為控制薄膜厚度提供了更可預(yù)知的濺射速度，從而改善了濺射效果。
另外，本發(fā)明提供了一種制造具有精細晶粒結(jié)構(gòu)和均勻組織的獨特組合的高純高熔點金屬材料的方法。
本發(fā)明可應(yīng)用于平面或彎曲形狀(包括卷曲成圓筒狀或半圓形或弧形或圓錐形)。這些板材由于其顯微結(jié)構(gòu)和晶粒均勻性的優(yōu)點，而可用作濺射部件、窯爐部件、航空和發(fā)動機部件，強化學(xué)腐蝕環(huán)境用容器和補件。這些板材可以整塊使用或鉆孔或做成網(wǎng)眼板材(細縫和邊緣被拉伸)。
從以下一些優(yōu)選實施例的詳細說明結(jié)合附圖，其他目的、特征和優(yōu)點都將顯而易見的。


圖1是本發(fā)明一個優(yōu)選實施方案的過程流程圖。
圖2是根據(jù)圖1的過程制造的鉭靶的照片。
圖3和圖4是用粗晶?；驐l紋組織材料制作的鉭靶，在使用過以后相似的照片。
圖5是顯示靶的部分截面中晶粒取向的放大顯微鏡照片(400微米刻度尺)，表示了相對于本發(fā)明常規(guī)方向的每個晶粒的取向。
圖6是顯示靶的部分截面中晶粒取向的放大顯微鏡照片(400微米刻度尺)，表示了相對于本發(fā)明平面內(nèi)方向的每個晶粒的取向。
圖7是顯示靶的部分截面中晶粒方向的放大顯微鏡照片(500微米刻度尺)，表示了相對于原有技術(shù)常規(guī)方向的每個晶粒的取向。
圖8是用原有技術(shù)制造的板材表面的宏觀腐蝕照片，表現(xiàn)了表面組織的不均勻性。
圖9是用本發(fā)明方法制造的板材表面的宏觀腐蝕照片，表現(xiàn)了表面組織的均勻性。
具體實施例方式
參見圖1，本發(fā)明一個優(yōu)選實施方案的應(yīng)用(方法步驟10以后)是從高熔點金屬錠11開始，優(yōu)選鉭錠，通常是0.20米(8英寸)直徑，純度很高，優(yōu)選99.999％，雜質(zhì)含量要符合最終用途的要求。采用切削加工法清潔錠表面后，將錠切割成長度介于1.5倍到3倍直徑，或約0.30米(12英寸)到0.61米(24英寸)的初始工件12。第一步鍛造操作(步驟14)將每個初始工件12沿著長度方向壓縮35％到50％，形成第一鍛造的工件16。第一鍛造的工件16然后在高溫下退火(步驟18)，優(yōu)選1370℃，在真空或惰性氣體中退火，引起再結(jié)晶，形成第二工件20。第二步鍛造操作(步驟22)將第二工件20在長度方向鍛造，使其直徑基本恢復(fù)到與初始工件12的大致相同，其直徑在初始工件12直徑的80％到120％范圍內(nèi)。此時是將第二工件20的側(cè)面放在平面的或彎曲的型板如型模中，進行第二步返回鍛造(步驟22)使第二工件20制成第三工件24。通過施加足夠的沖擊壓力來使工件基本恢復(fù)到初始工件12的原始形狀。第二工件20在鍛造循環(huán)中反復(fù)，甚至施加冷加工使在整個工件中產(chǎn)生恒定的應(yīng)變。所有鍛造操作都在室溫下進行，計及工件的自然升溫。但是，最好讓工件溫度不超過426.7℃(800°F)。所有鍛造操作最好使用沖壓機，而不是錘擊，這樣可以降低應(yīng)變率，能夠更好地控制工件的形狀。第三工件24在適合該金屬的溫度下退火(步驟26)，對鉭及其合金優(yōu)選875℃，在真空或惰性氣體中再結(jié)晶獲得第四工件28。來回鐓鍛循環(huán)(步驟14和22)可以按需要重復(fù)多次，直到使板材中的組織均勻。
為了使顯微結(jié)構(gòu)細化，或避免產(chǎn)生裂紋，或消除多余的壓力負荷，可以在鍛造過程中的任何階段，在較低溫度，如1065℃進行額外的退火處理。
第三步鍛造操作(步驟30)，優(yōu)選側(cè)鍛，將第四工件28壓平制得板坯32，其優(yōu)選厚度大約是0.10米(4英寸)。將該板坯橫軋(步驟34)減小厚度，一般達到厚度在0.0063米(0.25英寸)到0.0127米(0.5英寸)范圍內(nèi)，形成板材36。橫軋(步驟34)應(yīng)使在兩個正交方向上獲得大致相等的應(yīng)變。橫軋以后，板材36在介于875℃到1065℃范圍的相對低溫下退火(步驟38)，形成完全再結(jié)晶的、晶粒結(jié)構(gòu)細、組織均勻的板材40。然后，在板材上切割下部件42，并結(jié)合到濺射設(shè)備中的背襯板上作為濺射靶。
本發(fā)明的一個實施方案中優(yōu)選使用沖壓機進行兩個來回鐓鍛步驟，在第二次來回鐓鍛后再進行次退火，然后再將工件壓平制得厚板坯。
本發(fā)明產(chǎn)品和過程的有效性和優(yōu)點將在以下的一些非限制性實施例中作進一步說明。
實施例1本實施例說明，采用傳統(tǒng)技術(shù)的方法(側(cè)鍛和單向軋制)制造的產(chǎn)品，具有30微米線性截距的平均粒徑和如圖7所示的條紋狀組織。
實施例2一塊鉭板，具有通常厚度，純度大約為99.99％，是采用了如前文所述和圖1所示的本發(fā)明優(yōu)選實施方案過程制造的。直徑大約為0.20米(8英寸)的鉭錠被切割成長度約為1.5倍到3倍錠直徑的工件。將工件鐓鍛，減少掉初始長度的40％，在約1370℃退火。然后，工件被返回鍛造，恢復(fù)成原來的0.20米(8英寸)直徑，再次鐓鍛，減少掉初始長度的約40％，又恢復(fù)到大約0.184米(7.25英寸)直徑，并在約1065℃下退火。將工件側(cè)鍛成厚度約0.10米(4英寸)的板坯，橫軋成厚度約0.0127米(0.500英寸)的板材，在約1065℃下退火。制得的板材具有30微米線性截距的平均粒徑，如圖5和圖6所示，組織均勻沒有條紋。
實施例3用純度為99.999％的鉭錠，采用與實施例2相同的過程制得一塊鉭板。制得的板材具有35微米線性截距的平均粒徑，組織均勻沒有條紋。
實施例4
用純度為99.999％的鉭錠，采用與實施例2相同的過程和大約為870℃、稍低的最終退火溫度，也是可行的。制得的板材會具有15微米線性截距的平均粒徑，這是由于退火溫度較低以及雜質(zhì)含量低的原因。由于實施例2的過程證明了組織中沒有條紋，此例的材料基本相同，因此本實施例也有望能獲得均勻組織。
實施例5用純度為99.999％的鉭錠，采用與實施例2相同的步驟，軋制厚度大約為0.02米(0.800英寸)，也是可行的。制得的板材會具有38微米線性截距的平均粒徑。由于本發(fā)明在軋制時引入的應(yīng)力比通常要低，從而保證了組織的均勻性，所以本實施例制得的板材組織也有望是均勻無條紋的。
實施例6用純度為99.99％的鈮錠，采用與實施例2相同的步驟也是可行的。根據(jù)于與鉭的可比結(jié)果，厚度為0.0127米(0.500英寸)的鈮板有望具有30微米線性截距的平均粒徑，該鈮板也應(yīng)具有均勻無條紋的組織。由于它們的物理性質(zhì)相似，因此鈮板的性能有望與鉭板相似。
實施例7這是一種可選用的實施例，用廣為人知的等通道角度擠壓(ECAE)方法代替來回鐓鍛過程；參見美國專利5400633，5513512，5600989和Segal等人的公開美國申請2001/0001401，2001/0054457，2002/0000272和2002/0007880。ECAE方法包括四個C型通道，在800℃下退火，四個C型通道和對99.99％純度的鉭，在800℃下退火。制得的產(chǎn)品具有8微米線性截距的平均粒徑。
顯微結(jié)構(gòu)的均勻性，如圖5和圖6中所示的粒徑和組織，其晶粒取向與圖7(非混亂分布的內(nèi)部不均勻性)所示的原有技術(shù)(相似混亂分布的均勻土案)相比，有所改善。均勻性的另一種表現(xiàn)方式是用含有氫氟酸的酸液對板材表面進行腐蝕，然后觀察板材表面的顯微結(jié)構(gòu)。與圖8所示的原有技術(shù)相比，圖9所示的本發(fā)明有了改善。
由于組織均勻的結(jié)果，在圖2所示的使用過的濺射靶表面就具有均勻的外觀，與之成對比，圖3和圖4所示原有技術(shù)制造的靶，常見的是條紋狀組織引起的粗晶?；驎?dǎo)致斑點外觀產(chǎn)生旋渦狀圖案。具體是，整個板材的組織都是均勻的，板材從中心到邊緣，在整個厚度范圍內(nèi)都是均勻的，板材中沒有擇優(yōu)晶粒取向，如主要是{100}或{111}。此均勻組織是{100}和{111}晶面取向的基本固定比例的混合。板材中任一給定平面(與厚度方向正交或斜交)中，{100}和{111}晶面取向的分布在這個平面表面上的差別小于30％，而且在任意厚度方向上的差別也小于30％。厚度小于0.0127米(0.5英寸)的板材主要是取向{111}，厚度大于等于0.0127米(0.5英寸)的板材主要取向是{100}。另外，圖2表示了用原有技術(shù)過程制造的粗晶粒材料。
而且，此均勻組織同時有精細的粒徑，按照ASTM E112方法來測量時，晶粒尺寸為ASTM 7到8.8。本發(fā)明提供了具有這些期望性質(zhì)的、厚度可達到至少0.02米(0.8英寸)的板材。而在原有技術(shù)中，組織和晶粒尺寸的均勻性，以及晶粒細度，在厚度達到約0.0127米(0.5英寸)時就已變差。
在第一次鐓鍛操作后，引入第一次中間退火，會使材料在以后的金屬加工操作中的破裂傾向顯著降低。這樣也就使得在鍛造操作前不需要加熱材料。
就鉭和鈮所述的，還可適用于鉭合金、鈮合金和鉭鈮合金，以及它們與其他材料的層壓制件和復(fù)合材料。本發(fā)明能適用于制造和使用這些金屬和衍生物(如氧化物)及其制造方法。板材和其他形式的金屬用途包括濺射靶，也包括該板材直接的化學(xué)、醫(yī)學(xué)、電學(xué)、抗高溫用途(窯爐部件、航空用箔、渦輪葉片)。
本領(lǐng)域技術(shù)人員顯然可以作出的其他實施方案、改進、細節(jié)和用途，只要上文公開的內(nèi)容和實質(zhì)一致，并且都在本專利的范圍之內(nèi)，本發(fā)明僅受限于以下用專利法解釋的權(quán)利要求，包括其等同的內(nèi)容。
權(quán)利要求
1.一種高熔點金屬板，它包括厚度、中心和邊緣，其中所述高熔點金屬板具有{100}和{111}晶面取向的晶粒以固定比例混合。
2.如權(quán)利要求1所述的高熔點金屬板，其中，所述高熔點金屬板的平均晶粒尺寸小于40微米。
3.如權(quán)利要求1所述的高熔點金屬板，其中所述的高熔點金屬選自鉭，鈮或其合金。
4.如權(quán)利要求1所述的高熔點金屬板，其中所述高熔點金屬的純度為至少99.99％。
5.如權(quán)利要求1所述的高熔點金屬板，其中所述高熔點金屬的純度為至少99.999％。
6.如權(quán)利要求1所述的高熔點金屬板，其中在其所述的厚度和從所述的中心到所述的邊緣處有均勻的質(zhì)地。
7.如權(quán)利要求1所述的所述高熔點金屬板，其中所述的所述高熔點金屬板具有，i)在所述高熔點金屬板的任何平面的表面上的差別小于30％的{100}和{111}晶面取向的分布，所述的平面選自與所述高熔點金屬板的厚度正交的平面和與所述高熔點金屬板的厚度斜交的平面，和ii)所述高熔點金屬板的任何厚度方向上的差別小于30％的{100}和{111}晶面取向的分布。
8.一種制造高熔點金屬板的方法，其中所述的金屬包括選自鉭、鉭合金、鈮、鈮合金的金屬，所述的金屬純度為至少99.99％，具有精細的金相結(jié)構(gòu)和均勻的組織，所述的方法包括a)提供一個具有初始厚度的高熔點金屬坯；b)首先，通過鍛造所述金屬坯，使所述金屬坯的所述初始厚度減縮掉35％到50％來減少高熔點金屬坯的長度，形成第一工件；c)將第一工件在至少1370℃下再結(jié)晶退火；d)其次，減縮第一工件的直徑(返回鍛造)到與初始的高熔點金屬坯的直徑基本相同，形成第二工件；e)將第二工件在至少875℃下再結(jié)晶退火；f)重復(fù)步驟b)到e)，得到所需的晶粒結(jié)構(gòu)和均勻的質(zhì)地；g)第三，減縮第二工件至第一厚度，形成第一板材；h)第四，通過橫軋到第二厚度來縮減第一板的第一厚度，形成第二板材；和i)將第二板材在至少875℃下再結(jié)晶退火。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的方法，其中步驟b)、c)和d)被等通道角度擠壓替代。
10.如權(quán)利要求9所述的方法，其中等通道角度擠壓包括四個C-型通道，在800℃下退火，四個C-型通道并在800℃下退火。
11.如權(quán)利要求8所述的方法，其中將步驟b)-g)重復(fù)至少一次。
12.如權(quán)利要求8所述的方法，其中金屬坯在低于所述坯的最低再結(jié)晶的溫度下鍛造。
13.如權(quán)利要求8所述的方法，其特征在于金屬坯包含選自純度至少為99.99％的鉭、鉭合金鈮，鈮合金的金屬。
14.一種根據(jù)權(quán)利要求1所述金屬制品作為濺射靶的用途。
15.一種濺射靶，包括根據(jù)權(quán)利要求1所述的金屬制品。
全文摘要
本發(fā)明提供一種高熔點金屬板，它包括厚度、中心和邊緣，其中所述高熔點金屬板具有{100}和{111}晶面取向的晶粒以固定比例混合。本發(fā)明也涉及該金屬板的制造方法，以及該金屬板作為濺射靶的應(yīng)用。該均勻組織是(100)和(111)取向的兩種晶?；竟潭ū壤幕旌希瑸榭刂票∧ず穸忍峁┝艘粋€更可預(yù)知的濺射速度，從而改善濺射效果。
文檔編號C22C27/02GK1789476SQ20051012889
公開日2006年6月21日 申請日期2002年2月20日 優(yōu)先權(quán)日2001年2月20日
發(fā)明者P·R·杰普森, H·烏倫胡特, P·庫馬爾 申請人:H.C.施塔克公司