热压工艺制备硼化物溅射靶材

摘要

热压工艺制备硼化物溅射靶材,制备方法流程步骤依次为：将纯度≥99.9％、粒度≤5μm的硼化物粉制成直径为1～3mm的硼化物粒子；填入石墨模具内，再装入热压炉，升温加压，保温5～10h之后，再降温制成毛坯，经过机加工后制得成品，相对密度为85％～90％，电阻率为1.0～3.5Ω·㎝；硼化物粉在高温高压下获得致密块，使其具有高相对密度，低电阻率，且均匀性好，稳定性高，具有良好的溅射性能，满足靶材使用需求。该制备方法简单易行，避免采用传统粉末冶金压制方法需要的复杂模具设计，极大地提高了成型效率，所得靶材溅射性能优良，杂质少，适用于溅射镀膜。

权利要求

1.一种热压工艺制备硼化物溅射靶材的方法,其特征在于，硼化物溅射靶材的制备方法流程步骤依次为：将纯度为99.95％，粒度为4μm的TiB2粉，检验质量合格后，再使用造粒设备将TiB2粉体制成直径为2mm的TiB2粒子；将耐高温的石墨模具安装在机械设备上，将TiB2粒子填入石墨模具内，石墨模具大小为106×96×220mm，模具压头大小为104×94×

220mm，并使用机械装置振实；将填充TiB2粒子并振实的石墨模具从机械设备上取下并装入真空热压炉中；对真空热压炉进行升温加压，设置最高温度为2000℃，当温度为0～1500℃时，升温速度为5℃/min，当温度为1500℃～2000℃之后，升温速度为2℃/min，施加压力

50MPa；保温5h之后，以2℃/min的降温速度再降温10h，降至200℃后将石墨模具从真空热压炉中取出，静置冷却至室温，从石墨模具中取出已成型TiB2靶材毛坯；对TiB2靶材毛坯进行机加工，即得TiB2溅射靶材成品；测试得TiB2溅射靶材成品相对密度为86.7％，电阻率为

3.31Ω·㎝；其中，从硼化物粒子中解析出的少量硼化物粉在高温高压成形腔体内表面镀

0.2mm的隔绝层，阻止硼化物粒子与模具发生反应和粘连。

说明书

热压工艺制备硼化物溅射靶材

技术领域

[0001] 本发明涉及IPC分类中的C04B陶瓷或者C23C溅射法镀覆技术，尤其是热压工艺制备硼化物溅射靶材。

背景技术

[0002] 硼化物和相应的碳化物在新材料领域中，受到关注并力图以这些材料用于制取碳化钨硬质合金刀具镀层，以达到耐磨的目的，到目前为止获得的成果还是很有限的。

[0003] 由于硼化物中硼原子共价键形成网络，硼原子的电子转移到了金属晶格中，使得硼化物惰性很强，化学性能稳定，并因此在防护镀层等方面表现出高硬度、高熔点、低电阻率等优异应用效果。大多数硼化物镀层是CVD法制取的，但采用直接蒸发法、反应溅射法和直接溅射法也可制取硼化物薄膜。硼化物薄膜涂覆在不同的基体表面上，在耐磨、耐蚀、抗高温、微电子等领域具有广阔的应用前景。

[0004] 典型的几种硼化物有硼化钛(TiB2)、硼化锆(ZrB2)、硼化铊(TaB2)等。其中，由PVD法和CVD法制取的ZrB2都有过报道，TaB2镀层仅能采用CVD法制取，块状体TaB2的硬度值为2500kgf·mm-2。由CVD法生产的ZrB2膜的硬度值与块体材料的硬度值极为接近，但是，ZrB2比TiB2略软，而耐蚀性较好。对于气蚀、腐蚀严重，工作温度很高，工作条件要求苛刻的工程应用工况，TiB2具有硬度高、熔点高、导电率高和热导率高、化学稳定性优良等一系列优异的理化性能，是一种具有较好前景的化合物材料。

[0005] 目前研究制备硼化物溅射靶材的工艺较少，限制硼化物靶材快速发展。

[0006] 现有技术中，已有一种TiB2镀层制备技术，即以乙硼烷为原料，通过CVD法，由熔化烧结块采用直接蒸发法制取TiB2镀层，这种TiB2镀层用于高速铣削刀具和螺纹刀具的表面涂层，虽然，具有较好的减磨性能，但是工艺较落后，镀层品质和工艺效能受到限制。

[0007] 作为新进发展的技术之一，热压技术也在研发中得到进步。在已公开的中国专利申请中有少量文献记载相关知识。

[0008] 中国专利申请200510109055.7公开了一种大尺寸陶瓷溅射靶材的热压烧结成型方法，其方法步骤如下：A)称取制作靶材的粉体原料；B)按制作靶材的直径要求选定同直径的模具；C)将模具放进上加压、固定下压头基准面的热压炉炉体中；D)采用振动漏斗法装料，测量并保证模具内各局部的粉体堆积高度相同；E)热压并附加保护气氛，启动压机，开始加压，使上压头开始下移，在温度650℃～2100℃、压力15～40MPA环境下保温保压20MIN-60MIN，直至靶材相对密度达到设计值；F)采用附加保压工艺保压，进一步制得溅射靶材的烧结坯体。

[0009] 中国专利申请200680054798.1在由银或银合金形成的基质中分散由铝、镁、锡、锌、铟、钛、锆、锰、硅的氮化物、氧化物、复合氧化物、氮氧化物、碳化物、硫化物、氯化物、除硅以外的硅化物、氟化物、硼化物、氢化物、磷化物、硒化物、碲化物中的至少一种形成的化合物相而成的反射膜或半透反射膜用的薄膜。除铝等之外，该薄膜还可以包含银、镓、钯、铜的氮化物、氧化物、复合氧化物、氮氧化物、碳化物、硫化物、氯化物、硅化物、氟化物、硼化物、氢化物、磷化物、硒化物、碲化物中的至少一种。

[0010] 具备以上性质的硼化物粉可以通过热压工艺制备成溅射靶材。热压工艺是利用高温高压将粉粒压制成块，使其成型且具有高相对密度，满足靶材性能需求。经实验验证，由硼化物粉制备硼化物溅射靶材，由硼化物靶材溅射形成硼化物镀层，其中，硼化物粉在真空或惰性气体保护环境下实现高温高压处理，成形腔体内表面镀0.2mm的隔绝层，但在2000℃～2400℃的高温下不和成型模具发生反应，硼化物粉在30～100MPa下获得致密的陶瓷，其相对密度大于85％，而且，不与模具产生粘连。但是，基于现有工艺方面存在的不足仍难以克服，其中包括：硼化物粉原材料成本高，而且难以烧结致密化，制备出的靶材相对密度较低；同时，不能制备尺寸比较大的靶材，大面积靶在制备过程中容易开裂，而且，靶材性能不稳定，在热冲击环境下的抗热震性差。

发明内容

[0011] 本发明的目的是提供一种热压工艺制备硼化物溅射靶材，提出一种针对现有技术存在的缺陷和不足的解决方法，使得硼化物粉在高温高压下获得致密块，且不易和其他成型模具发生反应。

[0012] 本发明的目的将通过以下技术措施来实现：硼化物溅射靶材的制备方法流程步骤依次为：将纯度≥99.9％、粒度≤5μm的硼化物粉制成直径为1～3mm的硼化物粒子；填入石墨模具内，再装入热压炉，升温加压，保温5～10h之后，再降温制成毛坯，经过机加工后制得成品，相对密度为85％～90％，电阻率为1.0～3.5Ω·㎝；具体包含以下步骤：

[0013] ①制粒：将纯度≥99.9％、粒度≤5μm的硼化物粉，检验质量合格后，再使用造粒设备将粉体制成直径为1～3mm的硼化物粒子；

[0014] ②装模：将耐高温的石墨模具安装在机械设备上，将硼化物粒子填入石墨模具内，并使用机械装置振实；

[0015] ③装炉：将填充硼化物粒子并振实的石墨模具从机械设备上取下并装入真空热压炉中；

[0016] ④升温加压：对真空热压炉进行升温加压，当温度为0～1500℃时，升温速度为5～10℃/min，当温度达到1500℃之后，升温速度为1～4℃/min，最高温度为2000℃，施加压力
30～100MPa；从硼化物粒子中解析出的少量硼化物粉在高温高压成形腔体内表面镀0.2mm的隔绝层，阻止硼化物粒子与模具发生反应和粘连；

[0017] ⑤保温5～10h之后，再降温10～15h，从最高温降至低于200℃之后将石墨模具从真空热压炉中取出，静置冷却至室温，从石墨模具中取出已成型的硼化物靶材毛坯；

[0018] ⑥对硼化物靶材毛坯进行表面抛光类机加工，即得硼化物溅射靶材成品。

[0019] 本发明的优点和效果：使得硼化物粉在高温高压下获得致密块，使其具有高相对密度，低电阻率，且均匀性好，稳定性高，具有良好的溅射性能，满足靶材使用需求。该制备方法简单易行，避免采用传统粉末冶金压制方法需要的复杂模具设计，极大地提高了成型效率，所得靶材溅射性能优良，杂质少，适用于溅射镀膜。

附图说明

[0020] 图1为本发明实施例1中的制备方法步骤示意图。

具体实施方式

[0021] 本发明中通过热压工艺制备硼化物溅射靶材的制备方法流程步骤依次为：制粒，装模，装入热压炉，升温加压，毛坯，机加工，成品；具体包含以下步骤：

[0022] ⑦制粒：将纯度≥99.9％、粒度≤5μm的硼化物粉，检验质量合格后，再使用造粒设备将粉体制成直径为1～3mm的硼化物粒子；

[0023] ⑧装模：将耐高温的石墨模具安装在机械设备上，将硼化物粒子填入石墨模具内，并使用机械装置振实；

[0024] ⑨装炉：将填充硼化物粒子并振实的石墨模具从机械设备上取下并装入真空热压炉中；

[0025] ⑩升温加压：对真空热压炉进行升温加压，当温度为0～1500℃时，升温速度为5～10℃/min，当温度达到1500℃之后，升温速度为1～4℃/min，最高温度为2000℃，施加压力
30～100MPa；从硼化物粒子中解析出的少量硼化物粉在高温高压成形腔体内表面镀0.2mm的隔绝层，阻止硼化物粒子与模具发生反应和粘连；

[0026] 11保温5～10h之后，再降温10～15h，从最高温降至低于200℃之后将石墨模具从真空热压炉中取出，静置冷却至室温，从石墨模具中取出已成型的硼化物靶材毛坯；

[0027] 12对硼化物靶材毛坯进行表面抛光类机加工，即得硼化物溅射靶材成品。

[0028] 下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

[0029] 实施例1：如附图1所示，将纯度为99.95％，粒度为4μm的TiB2粉，检验质量合格后，再使用造粒设备将TiB2粉体制成直径为2mm的TiB2粒子；将耐高温的石墨模具安装在机械设备上，将TiB2粒子填入石墨模具内，石墨模具大小为106×96×220mm，模具压头大小为104×94×220mm，并使用机械装置振实；将填充TiB2粒子并振实的石墨模具从机械设备上取下并装入真空热压炉中；对真空热压炉进行升温加压，设置最高温度为2000℃，当温度为0～1500℃时，升温速度为5℃/min，当温度为1500℃～2000℃之后，升温速度为2℃/min，施加压力50MPa；保温5h之后，以2℃/min的降温速度再降温10h，降至200℃后将石墨模具从真空热压炉中取出，静置冷却至室温，从石墨模具中取出已成型TiB2靶材毛坯；对TiB2靶材毛坯进行机加工，即得TiB2溅射靶材成品；测试得TiB2溅射靶材成品相对密度为86.7％，电阻率为3.31Ω·㎝。

[0030] 实施例2：将纯度为99.9％，粒度为3μm的ZrB2粉检验质量合格后再使用造粒设备制成直径为3mm的粒子；将耐高温的石墨模具安装在机械设备上，将ZrB2粒子填入石墨模具内，并使用机械装置振实；将填充ZrB2粒子并振实的石墨模具从机械设备上取下并装入真空热压炉中；对真空热压炉进行升温加压，设置最高温度为1800℃，当温度为0～1500℃时，升温速度为6℃/min，当温度为1500℃～1800℃之后，升温速度为1℃/min，施加压力60MPa；保温6h之后，以1℃/min的降温速度再降温15h，降至200℃后将石墨模具从真空热压炉中取出，静置冷却至室温，从石墨模具中取出已成型ZrB2靶材毛坯；对已成型ZrB2靶材毛坯进行机加工，即得ZrB2溅射靶材成品；测试得ZrB2溅射靶材成品相对密度为88％，电阻率为1.35Ω·㎝。

[0031] 以上所述只是本发明优选的实施方式，其并不构成对本发明保护范围的限制。