СПОСОБ ИЗГОТОВЛЕНИЯ ТРУБЧАТОЙ МИШЕНИ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ
METHOD FOR MANUFACTURE OF TUBULAR TARGET AND ITS APPLICATION

Изобретение относится к способу изготовления трубчатой мишени, содержащей трубку из молибдена или молибденового сплава с содержанием кислорода менее 50 мкг/г, плотностью более 99% от теоретической плотности и средний размером зерен поперек осевому направлению менее 100 мкм, а также несущую трубку из немагнитного материала.
Под мишенью понимается материал, который будет подвергаться ионному распылению в катодной системе распыления. Вращающиеся трубчатые мишени известны и описаны, например, в патентах США №№ US 4422916 и US 4356073. При ионном распылении трубчатая мишень вращается вокруг находящегося в трубке магнетрона. Трубчатые мишени применяют преимущественно для получения покрытий на больших площадях. Вращением трубчатой мишени достигается эффект однородной эрозии распыляемого материала. Поэтому трубчатые мишени характеризуются высокой степенью расходования материала мишени и большим сроком службы мишени, что имеет значение, в частности, в случае дорогих материалов покрытия, как в случае с молибденом. Так, степень расходования для плоских мишеней составляет примерно от 15 до 40%, а для трубчатых мишеней - примерно от 75 до 90%.
Охлаждение мишени, осуществляемое в пространстве внутри трубчатой мишени, намного более эффективно, чем в случае плоских мишеней, как результат более благоприятного теплопереноса в трубке, что делает возможной более высокие скорости нанесения покрытия. Чтобы гарантировать, что охлаждающая вода не вытечет даже при высоком израсходовании мишени, а также с тем, чтобы повысить способность нести механическую нагрузку и облегчить закрепление в системе ионного распыления, трубчатые мишени обычно соединяют с несущей трубкой. Несущая трубка должна в этом случае быть выполнена из немагнитного материала с тем, чтобы не взаимодействовать с магнитным полем, которое определяет область эрозии.
Как отмечалось, применение трубчатых мишеней выгодно всегда, когда покрывают подложки большой площади. В случае молибдена как материала мишени это имеет место, например, при производстве жидкокристаллических дисплеев по тонкопленочной технологии (LCD-TFT) и для нанесения покрытий на стекла.
Описано множество способов изготовления трубчатых мишеней. Во многих из этих способов принят жидкофазный технологический маршрут, такой как, например, непрерывное и центробежное литье. Последнее описано в документе DE 19953470. Из-за повышенной температуры плавления молибдена и возникающих в результате проблем с поиском подходящего материала пресс-формы эти пути осуществления изготовления мишеней не могут применяться для молибдена и его сплавов.
Трубчатые мишени могут также быть изготовлены путем намотки толстой полосы вокруг стержня и сваривания зонт контакта. Однако сварной шов имеет более крупнозернистую микроструктуру и поры, что ведет к неоднородной эрозии и, как следствие, к разным толщинам нанесенного слоя. Более того, в случае молибдена область сварного соединения является чрезвычайно хрупкой и, следовательно, подвержена риску растрескивания.
Другая трубчатая мишень известна из патента США № US 4356073. Изготовление происходит в этому случае путем осаждения распыляемого материала на опорной трубке-подложке с помощью плазменного напыления. Однако даже при использовании методики вакуумного плазменного напыления полностью плотные трубчатые мишени не могут быть получены при адекватно низком содержании газа. Электрохимическое осаждение, какое используется для Cr и Sn, также не годится для молибдена и его сплавов.
В EP 0500031 описано изготовление трубчатой мишени горячим изостатическим прессованием. В этом случае опорную трубку помещают в контейнер так, чтобы получить между опорной трубкой и пресс-формой промежуточное пространство, которое наполняют порошком материала мишени. После закрывания контейнера его подвергают операции горячего изостатического уплотнения. Количество используемого порошка относительно массы готовой трубчатой мишени является в этом случае неблагоприятно высоким.
f
В патентах США №№ US 6878250 и US 6946039 описано применение РКУЭ (равноканальной угловой экструзии) для изготовления мишени для распыления. В случае молибденовых сплавов со сравнительно высокими значениями k это приводит к высокому уровню износа инструмента.
Поэтому цель изобретения заключается в том, чтобы предложить способ изготовления трубчатой мишени, который, с одной стороны, является недорогим, а, с другой стороны, дает продукт, который однородно эродируется в процессе ионного распыления, не имеет тенденции к локальному повышению скорости распыления и не приводит к какому-либо загрязнению подложки или осажденного слоя.
Эта цель достигается независимыми пунктами формулы изобретения.
Чтобы достичь достаточно тонкозернистой структуры, активности при спекании и, следовательно, плотности, используют металлический порошок с размером частиц по Фишеру от 0,5 до 10 мкм. Для изготовления трубчатых мишеней из чистого Mo благоприятно использовать порошок Mo с чистотой металла более 99,9% по массе. Если трубчатую мишень изготавливают из сплава Mo, то используют либо порошковые смеси, либо предварительно сплавленные порошки, причем размер частиц лежит также в диапазоне от 0,5 до 10 мкм. Порошком заполняют эластичную пресс-форму, в которую уже помещен стержень. Этот стержень определяет внутренний диаметр заготовки трубки, с допуском на уплотнение во время операции прессования и на усадку при спекании. В качестве материала для такого стержня подходит обычная инструментальная сталь. После заполнения эластичной пресс-формы металлическим порошком и закрывания эластичной пресс-формы непроницаемым для жидкостей образом, ее помещают в сосуд высокого давления холодного изостатического пресса. Уплотнение происходит при давлениях от 100 до 500 МПа. После этого неспеченную прессовку вынимают из эластичной пресс-формы и удаляют стержень. Затем эту неспеченную прессовку спекают при температуре в интервале от 1600°C до 2500°C в восстановительной атмосфере или в вакууме. При температуре ниже 1600°C соответствующее уплотнение не достигается. Выше 2500°C начинается нежелательное укрупнение зерна. Выбираемая температура спекания зависит от размера частиц порошка. Неспеченные прессовки, полученные из порошка с размером частиц по Фишеру в 0,5 мкм, могут спекаться при температуре спекания всего 1600°C до плотности более 95% от теоретической плотности, тогда как неспеченные прессовки, которые получены из порошка с размером частиц по Фишеру в 10 мкм, требуют температуры спекания приблизительно 2500°C. Если размерная точность в процессе прессования недостаточна, что обычно имеет место, спеченную заготовку подвергают механической обработке (на станке). Наружный диаметр спеченной заготовки в этом случае определяется внутренним диаметром контейнера экструзионного пресса. Чтобы сделать возможной беспроблемное помещение экструдированной заготовки в контейнер экструзионного пресса, наружный диаметр спеченной заготовки должен быть несколько меньше, чем внутренний диаметр контейнера. В свою очередь, внутренний диаметр определяется диаметром оправки.
Чтобы при экструзии уменьшить потери молибдена на выходе, выгодно механически прикрепить к одному концу заготовки молибденовой трубки концевую стальную деталь. Это механическое прикрепление может быть проведено, например, с помощью винтового или болтового соединения. Наружный и внутренний диаметр стальной концевой детали заготовки трубки в этом случае соответствуют наружному и внутреннему диаметру заготовки молибденовой трубки.
s
s
Для экструзии заготовку трубки нагревают до температуры T, где DBTT < T < (T-800°C). Под DBTT здесь следует понимать температуру перехода от вязкого разрушения к хрупкому разрушению. При более низких температурах в большей степени происходит растрескивание. Верхний предел температуры задается температурой плавления (T) молибденового сплава минус 800°C. Это гарантирует, что при операции экструзии не произойдет нежелательного укрупнения зерна. Начальный нагрев может в этом случае быть проведен в обычной газовой или электрически нагреваемой печи (например, в печи с вращающимся подом), причем следует учесть, что регулирование расхода газа должно быть выбрано так, чтобы значение лямбда было нейтральным или отрицательным. Чтобы получить более высокие температуры экструзии, может проводиться индукционный подогрев. После операции начального нагрева заготовку трубки обкатывают в стеклянной порошковой смеси. После этого заготовку трубки помещают в контейнер экструзионного пресса и прессуют на оправке через экструзионную головку до соответствующего наружного или внутреннего диаметра.
Выгодно, если экструдированную трубку подвергают процессу восстановительного или рекристаллизационного отжига в восстановительной атмосфере или вакууме при температуре T, составляющей 700°C < T < 1600°C. Если температура опускается ниже нижнего предела, снижение механических напряжений является слишком малым. При температуре выше 1600°C происходит укрупнение зерна. Экструдированную трубку обрабатывают механически на внешней стороне трубки, торцевых поверхностях и, выгодным образом, на внутренней стороне трубки.
Полученную таким образом молибденовую трубку соединяют с несущей трубкой из немагнитного материала. Наружный диаметр несущей трубки приблизительно соответствует внутреннему диаметру молибденовой трубки. Кроме того, несущая трубка выходит за соответствующие концы молибденовой трубки. К качестве особо подходящих материалов для несущей трубки следует отметить медные сплавы, аустенитные стали, титан или титановые сплавы.
Подходящими способами соединения являются как те способы, которые приводят к связыванию материала, так и способы, которые ведут к облегающему соединению. Однако одним условием является то, что площадь контакта между молибденовой трубкой и несущей трубкой составляет по меньшей мере 30% от теоретически возможной площади. Если эта площадь меньше, то слишком затруднен отвод тепла. Следует также учитывать низкий коэффициент теплового расширения молибдена. Следовательно, температуру соединения нужно выбирать как можно более низкой. Если, например, соединение между молибденовой трубкой и несущей трубкой проводят с помощью процесса ковки, в ходе того, как несущую трубку помещают в молибденовую трубку и куют на оправке, должны выбираться наинизшие возможные температуры формования примерно от 500°C до 800°C. Кроме того, благоприятно, если материал несущей трубки имеет низкий предел текучести, чтобы можно было уменьшить механические напряжения, возникающие из-за пластической деформации.
В другом способе согласно изобретению заготовку молибденовой трубки экструдируют совместно с заготовкой несущей трубки. Получение молибденовой трубки в этом случае опять же основано на металлическом порошке со средним размером частиц по Фишеру 0,5-10 мкм. Заготовку трубки снова получают холодным изостатическим прессованием металлического порошка в эластичной пресс-форме с использованием стержня и спеканием в интервале от 1600°C до 2500°C.
После спекания заготовку трубки подвергают механической обработке. Внутрь заготовки трубки помещают заготовку несущей трубки из аустенитной стали. К одной или обеим концевым частям заготовки трубки посредством механического соединения (например, винтовое или болтовое соединение) присоединяют стальную трубчатую концевую деталь. Эта трубчатая концевая деталь имеет в этом случае приблизительно тот же внутренний диаметр и наружный диаметр, что и заготовка трубки. Толщина трубчатой концевой детали предпочтительно составляет от 10 до 100 мм. В свою очередь к этой трубчатой концевой детали прикрепляют заготовку несущей трубки. Это прикрепление предпочтительно проводят посредством сварного соединения.
Наружный диаметр заготовки несущей трубки может приблизительно соответствовать внутреннему диаметру заготовки молибденовой трубки или также может быть выбран так, что получают ограниченный зазор между заготовкой молибденовой трубки и заготовкой несущей трубки. Этот ограниченный зазор наполняют стальным порошком, предпочтительно из аустенитной стали. Тело полученной таким образом составной трубки нагревают до температуры формования от 900°C до 1350°C. Таким способом могут быть получены только трубчатые мишени из молибденовых сплавов, которые способны соответствующим образом деформироваться при этой температуре. Более высокую температуру экструзии нельзя выбирать из-за стали.
Полученную таким образом заготовку составной трубки экструдируют на оправке (co-экструзия), посредством чего получают составную трубку. Необязательно, за этим может следовать осуществление процесса отжига, причем температура отжига предпочтительно составляет примерно от 800°C до 1300°C.
Использование расположенного между трубками зазора, заполненного стальным порошком, оказывает эффект улучшения связи между несущей трубкой и молибденовой трубкой во время соэкструзии. Выгодной оказалась ширина зазора от 3 мм до 20 мм.
Использование стеклянного порошка в качестве смазки обеспечивает достижение эффекта отличной поверхности трубчатой мишени в случае как экструзии, так и соэкструзии, благодаря чему механическая обработка может быть сокращена до минимума. Кроме того, это гарантирует то, что трубчатая мишень не содержит пор, а также не имеет трещин по границам зерен. Было найдено, что благоприятной степенью деформации во время процесса экструзии является интервал от 40 до 80%. Степень деформации в этом случае определяется следующим образом: ((начальное поперечное сечение до экструзии минус поперечное сечение после экструзии) / начальное поперечное сечение) x 100.
После процесса экструзии/co-экструзии может быть выгодным выпрямить экструдированную трубку. Это может быть проведено с помощью процесса ковки на оправке.
Кроме того, толщина стенки по длине молибденовой трубки или составной трубки может быть также изменена с помощью последующего процесса ковки. Толщина стенки в этом случае может быть благоприятно сделана толще в области концов трубки. Область концов трубки является также областью самой большой эрозии во время использования.
Качество поверхности и размерные допуски задают соответствующей механической обработкой.
С помощью способа согласно изобретению обеспечивается то, что содержание кислорода в молибденовом сплаве составляет <50 мкг/г, предпочтительно - менее 20 мкг/г, плотность составляет более 99% от теоретической плотности, предпочтительно - более 99,8% от теоретической плотности, а средний размер зерен поперек осевому направлению составляет менее 100 мкм, предпочтительно - менее 50 мкм. Средний размер зерен определяют поперек осевому направлению, так как в случае деформированной нерекристаллизованной микроструктуры зерна вытянуты в осевом направлении, и, следовательно, точное определение размера зерен в осевом направлении становится более трудным. При обоих описанных способах можно получить молибденовые трубчатые мишени с чистотой металла более 99,99% по массе. В этом случае под чистотой металла следует понимать чистоту молибденовой трубчатой мишени без газов (О, Н, N) и С. Вольфрам также не учитывается в этой величине, что некритично для данного применения.
Для трубчатой мишени согласно изобретению, предназначенной для применения в области производства ЖК-дисплеев по тонкопленочной технологии, особенно подходящими являются также молибденовые сплавы, которые содержат от 0,5 до 30% по массе V, Nb, Та, Cr и/или W. Трубчатые мишени согласно изобретению могут также выгодно применяться для нанесения покрытий на стекла, в частности стекла большой площади, например, архитектурные стекла или подложки для фотоэлектрических элементов.
Ниже изобретение поясняется более подробно на одном примере.
Пример
3
Порошок MoO восстанавливали в двухстадийном процессе восстановления при 600 и 1000°C, с получением металлического порошка Mo с размером зерен 3,9 мкм. В центр закрытой на одном конце резиновой трубки диаметром 420 мм помещали стальной стержень диаметром 141 мм. Промежуточное пространство между этим стальным стержнем и резиновой стенкой заполняли порошком металлического молибдена.
После этого резиновую трубку закрывали на открытом конце с помощью резиновой крышки. Закрытую резиновую трубку помещали в холодный изостатический пресс и сжимали при давлении 210 МПа.
Неспеченная прессовка имела плотность 64% от теоретической плотности. Наружный диаметр составлял приблизительно 300 мм. Полученную таким образом неспеченную прессовку спекали в печи непрямого спекания при температуре 1900°C. Плотность после спекания составляла 94,9% от теоретической плотности.
После операции спекания заготовку трубки механически обрабатывали со всех сторон, причем наружный диаметр составлял 243 мм, внутренний диаметр - 123 мм, а длина - 1060 мм. Экструзия проводилась на 2500-тонном прессе непрямой экструзии. Заготовку трубки нагревали до температуры 1100°C в обогреваемой газом печи с вращающимся подом. Значение лямбда в этом случае устанавливали так, что атмосфера была слегка восстановительной, благодаря чему предотвращалось окисление молибдена. После начального нагрева в печи с вращающимся подом экструдированную заготовку подвергали индуктивному нагреву до температуры 1250°C и обкатывали в амортизационном сыпучем материале из стеклянного порошка, так что стеклянный порошок прилипал снаружи ко всем сторонам.
За этим следовало прессование на оправке, благодаря чему получали экструдированную трубку длиной 2700 мм, наружным диаметром 170 мм и внутренним диаметром 129 мм.
В экструдированную трубку помещали несущую трубку из аустенитной стали с толщиной стенки 6 мм. Эту сборку выпрямляли по оправке на трехкулачковой ковочной машине при температуре 500°C и слегка деформировали, в результате чего получали связь между молибденовой трубкой и несущей трубкой.