СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЗИСТИВНЫХ МИШЕНЕЙ Российский патент 1994 года по МПК B22F3/16 

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к способам изготовления резистивных мишеней для распыления.

Известен способ изготовления керамических мишеней, включающий измельчение материала мишеней, прессование и обжиг заготовок мишеней, повторное измельчение, гранулирование, а затем повторное прессование и обжиг. Этот способ обладает рядом недостатков.

Двухкратное измельчение материала приводит к его загрязнению посторонними примесями. Способ позволяет изготавливать мишени лишь из готовых материалов и не рассчитан на возможность создания новых композиционных материалов. Технология изготовления требует больших затрат времени, трудовых и энергоресурсов.

Наиболее близким к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому положительному эффекту является способ изготовления мишеней из силицида тугоплавкого металла для напыления, включающий взрывное прессование исходных порошков, отжиг в вакууме и спекание.

К недостаткам данного способа относится необходимость применения лишь готовых порошков силицидов, что ограничивает возможность создания мишеней из сложных композиционных материалов. Мишени, полученные этим способом, отличаются напряженным состоянием материала, что приводит к их растрескиванию даже при незначительных тепловых и токовых нагрузках во время процесса распыления.

Целью предлагаемого изобретения является повышение качества мишеней за счет повышения трещиностойкости и эффективности технологии, за счет возможности создания мишеней из новых многокомпонентных силицидных материалов, что позволяет широко варьировать свойствами получаемых при распылении мишеней резистивных пленок.

Способ осуществляется следующим образом.

Исходный порошок приготавливают путем смешивания порошковой смеси, состоящей из порошка кремния и набора порошков металлов заданного количества и состава. Смешивание осуществляют в механическом смесителе до получения смеси с равномерным распределением компонентов.

Смесь порошков размещают в пресс-форме для придания заданной формы и размеров мишеней с учетом усадки и подвергают взрывному прессованию с помощью бризантных взрывчатых веществ. При этом композиционный материал заготовки уплотняется до 80-95% теоретической плотности и активируется за счет повышения дефектности структуры. Контакты между частицами различных компонентов очищаются от окисных пленок и приобретают диффузионный характер связей. Заготовка обладает высокой механической прочностью и позволяет свободно манипулировать ей.

Заготовку подвергают отжигу в вакууме при температуре синтеза силицидов металлов, входящих в композицию, до получения гомогенного композиционного материала, представляющего собой сложный сплав силицидов. При этом плотность заготовки снижается за счет структурных изменений (эффект Френкеля) до 50-65% теоретической плотности, что сопровождается ростом ее геометрических размеров, что также необходимо учитывать при проектировании пресс-формы для взрывного прессования. Заготовка приобретает губчатую структуру с открытой пористостью, что способствует эффективному удалению из материала газовых и летучих металлических примесей (Na, K, Ca, Mg, Li).

После отжига пористую заготовку из синтезированного материала упаковывают в металлическую оболочку и подвергают взрывному прессованию до плотности 85-95% теоретического значения. При этом губчатая структура заготовки разрушается на отдельные беспористые блоки, которые консолидируются между собой за счет механического и диффузионного взаимодействия. Заготовка после взрывного прессования обладает достаточной механической прочностью для свободного манипулирования ей.

Спрессованную заготовку освобождают от металлической оболочки и подвергают спеканию при температуре 0,7-0,8 температуры плавления материала в вакууме или защитной среде.

При этом происходит упрочнение заготовки, дальнейшее уплотнение до 95-98% теоретической плотности, гомогенизация структуры и состава заготовки.

После длительного и плавного охлаждения (6-10 ч) заготовку извлекают из печи и подвергают механической обработке для придания ей заданных габаритов и параметров плоскостности и качества поверхностей.

П р и м е р 1. Порошок кремния, полученный путем размола поликристаллического кремния (ТУ 48-4-319-86), с размерами частиц 40-180 мкм смешивали с порошком хрома (ПХС ТУ 14-1-1474-75) с размерами частиц 20-100 мкм в весовом соотношении: 48% Сr + 52% Si. Смешивание навески 0,5 кг осуществляли в механическом смесителе типа "пьяная бочка" с шарами из твердого сплава ВК8 в течение 4 ч.

Полученную смесь помещали в пресс-форму с внутренними размерами ⊘ 80 х 14 мм. Пресс-форму с порошком подвергали взрывному прессованию зарядов БВВ "Аммонит N 6ЖВ" высотой 100 мм.

При этом смесь уплотнилась до относительной плотности 80%. Заготовка представляла собой прочную пористую прессовку ⊘ 80х7,5 мм.

Окисные пленки в процессе взрывного нагружения были удалены с ювенильных поверхностей частиц хрома и кремния, что обеспечило их плотный контакт и благоприятные условия для диффузионного взаимодействия. Прессовка обладала достаточной прочностью и позволяла свободно манипулировать ей. Затем заготовку извлекали из пресс-формы и подвергали отжигу в вакууме (Р_ост= 2˙10^-5 мм рт.ст.) при температуре 1100^оС в течение 1 ч.

При этом компоненты вступили в реакцию друг с другом по схеме
Cr + 2 Si ->> CrSi₂, т.е. произошел синтез дисилицида хрома. Заготовка представляла собой диск ⊘ 84х10 мм, имела губчатую структуру с открытой пористостью со средним размером пор 0,2-0,5 мм. Относительная плотность заготовки составляла 65%. Проведенный рентгеноструктурный анализ подтвердил, что материал заготовки имел однофазную структуру γ-CrSi₂ (N карт. А ТМ 12-596), обладал металлическим блеском. Кроме того, в процессе отжига после формирования губчатой структуры с открытой пористостью происходило частичное удаление газовых (О₂, N₂, С₂) и металлических примесей (Na, Ca, K, Mg, Li), что подтвердилось при проведении сравнительного химического анализа исходных порошков и материала заготовки после отжига. Содержание этих примесей снизилось примерно на 25-30%.

Полученную заготовку упаковывали в оболочку из стальной фольги толщиной δ = 3 мм и размещали в контейнере с засыпкой из железного порошка марки ПЖ4М, после чего подвергали повторному взрывному прессованию зарядом БВВ типа аммонит N 6ЖВ высотой 120 мм. При этом прессовалась как сама заготовка, так и засыпка из железного порошка, которая образовывала при этом прочную ампулу сохранения. При взрывном нагружении губчатая структура заготовки разрушалась на беспористые блоки, которые консолидировались между собой за счет прочных диффузионных контактов. Ампула сохранения из спрессованного железного порошка обеспечивала защиту заготовки от механических повреждений и загрязнения, а также способствовала плавной разгрузке прессовки после прекращения воздействия импульсного давления. Заготовку извлекали из ампулы сохранения путем механического разрушения последней. Заготовка представляла собой прочную прессовку в виде диска размерами ⊘ 84 х 6,7 мм относительной плотностью 93%.

Затем заготовку подвергали повторному отжигу при 1200^оС в вакууме 2˙10^-5 мм рт. ст. При этом происходило спекание заготовки, ее дальнейшее уплотнение и консолидация. После повторного отжига заготовка имела размеры 82х6,3 мм обладала относительной плотностью 97%, имела серебристый цвет. Рентгеноструктурный анализ показал, что заготовка обладает однофазной структурой γ-CrSi₂. Химический анализ выявил, что химический состав ее не изменился.

Для получения мишени из заготовки ее подвергали токарной обработке с последующим шлифованием с двух сторон. Полученная мишень ⊘ 76 х 5,6 мм подвергалась испытаниям в установке магнетронного распыления. В процессе распыления мишень подвергалась растрескиванию. Полученные пленки соответствовали необходимым требованиям.

П р и м е р 2. Исходную смесь порошков составляли из 43 % (мас.) Cr (ПХС 14-1-1474-75; 8% Та (ТУ 95318-75); 4% Nb (ТУ 48-4-284-73) и 45% Si (ТУ 48-4-319-86). Порошки смешивали в смесителе типа "пьяная бочка" с шарами из твердого сплава ВК-8.

Полученную композицию подвергали взрывному прессованию в пресс-форме размерами ⊘ 165 х 16 мм зарядом БВВ "Аммонит" N 6ЖВ высотой 100 мм. После прессования заготовка имела размеры ⊘ 165х8 мм и относительную плотность 94% . Заготовку подвергали отжигу в вакууме 2˙10^-5 мм рт.ст. при 1150^оС в течение 1 ч. В результате была получена заготовка размерами 168 х 12 мм относительной плотностью 65% . Фазовый состав заготовки имел вид γ-CrSi₂ (12-596); Cr₃Nb₂Si₆ (14-455); Nb₃Si (15-630). Рентгеноструктурный анализ не выявил присутствия Та в системе, однако последующий химический анализ показал его наличие в количестве 7,98% (мас.), что дает основания предположить его присутствие в виде твердого раствора внедрения, не нарушающего параметров кристаллической решетки. Таким образом, все компоненты смеси вступили во взаимодействие с образованием сложного силицидного сплава. Заготовка имела аналогичную структуру, что и в примере 1.

Затем заготовку упаковывали в металлическую оболочку и подвергали повторному прессованию таким же образом, как и в примере 1. После удаления оболочки заготовка имела размеры ⊘ 168х7,5 мм и относительную плотность 95% .

Заготовку подвергали повторному отжигу в вакууме Р=2˙10^-5 мм рт.ст. при 1300^оС в течение 1 ч. В результате была получена заготовка размерами ⊘ 166х6,5 мм, относительной плотностью 98,5%. Для получения мишени заготовку подвергали токарной и шлифовальной обработке. Последующие испытания в установке магнетронного распыления выявили ее достаточную трещиностойкость при тепловых и токовых нагрузках. Полученные пленки отвечали всем требованиям ТПР.

Таким образом, предлагаемый способ позволяет получать мишени из резистивных материалов на основе силицидов металлов практически любого заданного состава с неограниченным количеством компонентов. Мишени обладают трещиностойкостью при токовых и тепловых нагрузках в процессе распыления.

Использование: порошковая металлургия. Смесь порошка кремния с одним или более порошков металлов подвергают взрывному прессованию, полученную прессовку отжигают в вакууме при температуре синтеза силицидов, проводят повторное взрывное прессование и спекание заготовки.

СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ РЕЗИСТИВНЫХ МИШЕНЕЙ для распыления, включающий взрывное прессование исходных порошков, отжиг в вакууме и спекание, отличающийся тем, что прессованию подвергают смесь одного и более металлических порошков с кремнием, отжиг в вакууме производят при температуре синтеза силицидов, а перед спеканием заготовку подвергают повторному взрывному прессованию.