平面显示用钼及钼合金溅射靶材的专利现状分析
宫溢超1,赵 虎2,梁 靖2,王彩霞1,张家晨1,张国君1
(1.西安理工大学材料科学与工程学院,陕西 西安 710048)
(2.金堆城钼业股份有限公司技术中心,陕西 西安 710077)
摘 要： 本文主要分析了目前公开的钼及钼合金溅射靶材的相关专利,旨在通过对该领域专利申请状况的梳理,为新型组分钼合金靶材的组织设计、制备方法及性能优化提供借鉴。
关键词：钼及钼合金；溅射靶材；专利分析
随着电子及信息产业的迅猛发展,对溅射靶材的需求不断增加,同时对其技术指标及靶材性能的要求也在不断提高。难熔金属钼具有高熔点(2 620±20 ℃)、高弹性模量(280～390 GPa)、低线性热膨胀系数(5.8×10-6～6.2×10-6/K)、高耐磨性、良好的导电/导热性能和热稳定性[1-3]。因此,钼靶材经磁控溅射制成的钼合金薄膜是平面显示用液晶显示器面板的电极或配线的关键材料。
在电子行业中,为了提高溅射效率和确保溅射薄膜的质量,要求溅射靶材具有高纯度、高致密度、晶粒细小且尺寸分布均匀、结晶取向一致等特性。纯钼靶材溅射出的薄膜在耐腐蚀性(变色)和密着性(膜的剥离)等方面仍有待改善。已有研究表明:在钼中加入适量合金元素(V、Nb、W、Ta)可使其比阻抗、应力、耐腐蚀性等各种性能达到均衡。因此,目前钼合金靶材已经取代纯钼靶材成为研究的热点。添加W可以有效提高钼的高温强度和再结晶温度,抑制钼靶材中的晶粒长大,但是钨的比重大且室温脆性大,钨添加量较大时会导致钼合金靶材较重,且塑性降低,容易萌生裂纹[4]。Jorg等[5]的研究表明,在钼中添加20%(原子数分数)Al和10%(原子数分数)Ti可以改善钼的抗氧化性能,并同时保持其低电阻率。由于钼与铌均具有体心立方的晶体结构,两者之间的晶格错配度低,在钼中添加5%～10%(质量分数)Nb可以显著提高溅射薄膜的比电阻、耐腐蚀性能和黏结力[6-7]。由于钽会优先被氧化形成钝化层,所以添加Ta元素可以降低薄膜的腐蚀率,但会造成钼合金薄膜电阻率升高[8]。与钼铌合金薄膜相比,钼钽合金薄膜晶粒细化效果更加显著,薄膜沉积速率更大,薄膜表面粗糙度更小,但薄膜的电阻率更大[9]。
Mo靶材组织对溅射薄膜形貌与性能的影响研究结果表明:靶材组织、择优取向对薄膜形貌与取向影响不大,但靶材晶粒尺寸及均匀性会影响薄膜沉积速率、薄膜厚度及薄膜的方阻[10]。马杰等[11]研究了钼靶材变形量及热处理对薄膜组织与性能的影响,结果显示:相较于变形量小的钼靶材,80%变形量的钼靶材溅射所得薄膜晶化程度更高;钼靶材经1 050 ℃退火后溅射制得薄膜粗糙度最小。
磁控溅射是钼合金薄膜的主要制备技术。靶材作为磁控溅射过程中的关键材料,不仅使用量大,而且靶材质量的好坏对钼合金薄膜的性能起着决定作用。本文从粉体优化、混粉工艺、成型和烧结技术等方面对钼及钼合金溅射靶材相关专利进行了统计与分析,旨在为开发高品质钼合金多元靶材提供借鉴。
专利(CN 103990802 B)[12]通过优化Mo粉末的性状,开发出了一种高密度、高纯度Mo合金溅射靶材的制备方法,所制备Mo合金溅射靶材能够稳定、廉价地制造出低电阻、高耐湿/高耐热性、与基体密合性优异的高品质薄膜。
专利(CN 103173728 B)[13]发明了一种廉价且可稳定制备Mo合金溅射靶材的方法,即将Mo粉与1种或2种以上的Ni合金粉末混合(Ni6Nb7、Ni3Nb),在800～1 500 ℃下加压烧结(10～200 MPa)。Mo合金中Ni与Nb含量低于50%(原子数分数),其中Nb含量低于20%(原子数分数)。该专利避免了使用Mo、Ni、Nb粉末作为原料,解决了合金化不充分造成的Ni铁磁相的残留,稳定了溅射速度,提高了靶材寿命。
专利(CN 102127741 A)[14]提出了一种薄膜太阳能电池用高纯钼靶的制备方法。该方法首先采用钼酸铵为原料,经焙烧获得三氧化钼,随后在450～600 ℃高纯氢气气氛下进行一次还原得到二氧化钼,再在950～1 050 ℃进行二次还原得到Mo粉,然后经过混料、筛分、等静压成型后,在中频感应炉中于1 950～2 000 ℃烧结,通过大功率电子束熔炼提纯,最后经锻造、热轧、热处理退火、机械加工、超声波清洗、钎焊等工序制得高纯度、高密度和均匀性良好的钼靶。该专利的创新之处在于:(1)通过高纯氢气多次还原氧化钼提高钼粉纯度;(2)采用大功率电子束熔炼提纯有利于碳氧充分反应,提高脱氧效果;(3)大变形量热轧可确保钼靶材晶粒平均尺寸小于50 μm。
专利(CN 103160791 B)[15]采用三氧化钼、氢氧化钠和钼金属为原料,经过反应、球磨、过筛和热压工序制成钠掺杂钼平面溅射靶材,其中钠的原子数分数为1%～10%,钠的掺杂能够大幅度提高铜铟镓硒薄膜电池的转换效率。
专利(CN 114411103 A)[16]公开了一种大尺寸钼靶材的制备方法。其方案具有以下优点:(1)采用“氨溶+阳离子交换”对原料粉末进行针对性提纯,可有效去除碱性金属(如K、Na等)和过渡族金属杂质(如Fe、Ni等);(2)通过“预锻+交叉轧制+高温退火”的工艺设计,有利于获得微观组织均匀可控、晶粒细小、晶粒取向分布均匀的靶材;(3)通过表面化学腐蚀解决了传统轧制存在的变形不均匀问题。
专利(CN 114318256 A)[17]公开了大尺寸钼溅射靶材及采用化学气相沉积法的制备工艺。具体为:通过钼与三氟化氮反应制备出粗品六氟化钼,随后经真空蒸馏法和吸附法提纯得到高纯度六氟化钼,再在还原气氛下,经过化学气相沉积在基体材料上沉积金属钼。该方法所制备靶材纯度高(99.999 9%以上),致密度高(不低于99.5%);此外,该方法在化学气相沉积设备中一步完成,产品一致性优于传统钼靶材,且可用于生产直径500 mm以上的大尺寸钼靶材。
专利(CN 105648407 B)[18]公开了一种高致密度钼铌合金靶材的制备工艺。以钼粉为原料,添加5%～15%(质量分数)铌粉、0.1%～0.8%(质量分数)氢化锆进行混合,经过冷等静压成型,再进行真空烧结。该发明的特点在于利用氢化锆的活化作用,通过粉末冶金直接制备高致密钼铌合金靶材。专利(CN 10943990 A)[19]利用氢化铌的活化作用,采用粉末冶金工艺制备高致密度、高含量钼铌合金溅射靶材。专利(CN 110257784 A)[20]同样采用粒度更小、表面积更大的氢化铌替代铌粉,提高扩散速率及烧结致密度,同时氢化铌分解释放的氢气具有还原作用,可降低钼铌合金中的氧含量,提高靶材纯度。
专利(CN 105568236 B)[21]发明了一种高纯、高致密、大尺寸MoTi合金溅射靶材的制备方法。将钼和氢化钛原料在氩气气氛下进行混合并采用冷等静压压制成型,随后在真空烧结炉中进行两段烧结,最后轧制、退火、机械加工获得成分均匀、无偏析且晶粒尺寸小的靶材。
专利(CN 106513664 B)[22]采用钼酸钾为原料制备钼钾合金靶材,避免了杂质的引入,所制备靶材密度高、成分均匀,镀膜效果好。
高世代钼靶材对靶材纯度、晶粒尺寸、致密度提出更高的要求,常规方法生产成本高、成品率低。基于此,专利(CN 108642457 B)[23]公开了一种方法简单、生产成本低、成品率高、利于工业化生产的高世代钼靶材的制备方法。具体为:将两种不同粒径的钼粉在真空下混合后过筛,进行等静压处理,再烧结、热轧、真空退火。该方法制得靶材致密度超过99.5%,靶材内部无气孔、裂纹、分层、夹杂等缺陷,靶材表面粗糙度小于0.6 μm,平均晶粒不超过80 μm。
相比平面靶材,管状钼合金溅射靶材利用率更高(理论上可达70%),得到国内外的广泛研究和应用。专利(CN 110158042 B)[24]先通过制备大颗粒钼铌粉体,提高粉体成型时的流动性,同时采用粗细粉体级配的方式提高松装密度,从而制得成分均匀、无偏析、晶粒细小(小于50 μm)的钼铌合金旋转靶材。
专利(CN 114231940 A)[25]将六羰基钼颗粒在高纯氢气和氩气气氛中加热到40～60 ℃使其气化,再利用化学气相沉积法在预热基体材料上进行沉积,从而制得钼溅射靶材。其优势在于成膜速度和成膜质量可以通过控制气体流速、流向进行调控,同时调整沉积时间、沉积基板材质、形状和尺寸,可以沉积不同厚度、不同尺寸、不同形状的钼靶材或钼靶材坯料,且由于沉积温度低,不会产生污染废气。
专利(CN 111254396 A)[26]公开了一种钼钨合金靶材的制备方法。其特点在于以钼粉、钨粉、三氧化钨粉体作为原料,利用三氧化钨与氢气反应得到烧结活性更高的新鲜钨粉,提高烧结致密化,减少缺陷,提升靶材品质。
钨钼因密度差异大易造成组织出现偏析,影响靶材组织均匀性,且热轧法制得靶材通常具有取向性,热等静压技术成本较高并增加了工艺复杂性。专利(CN 111893442 B)[27]针对以上问题,提出了一种钨钼溅射靶材制备方法。其特点在于:(1)使用密度与Mo更接近的三氧化钨替代钨,在氢气气氛下两次高温处理原位还原得到均匀混合的钼钨混合粉体,提高靶材烧结均匀性;(2)通过高能球磨细化粉体,提高粉体烧结活性,获得高致密性的坯体;(3)采用冷等静压成型并进行预烧,促进易挥发非金属元素(如氧)的脱除。
专利(CN 111534800 B)[28]将高纯的钼粉和铌粉进行压制,并在氢气下预烧,降低钼铌中的氧含量和杂质,基于所制备的高纯度、低含氧量、高振实密度钼铌合金粉末,提出了一种热等静压制备大尺寸钼铌平面靶材的方法。
专利(CN 106567047 A)[29]采用氮化硼和石墨的组合模具热压制备钼铌合金,有效阻止了渗碳现象,获得了高致密度、高纯、微观组织可控的钼铌合金靶材。
专利(CN 102337418 B)[30]针对传统等静压结合烧结工艺制备钼铌合金烧结致密度不足、难以满足溅射靶材要求问题,提供了一种工艺简单、易实现工业化生产的钼铌合金板的制备方法,所制备靶材密度不低于9.85 g/cm3。该发明的特点在于采用振动压制方式对混合得到的钼铌合金粉体进行压坯,振动频率为2 000～6 000 Hz,压制力为10～30 MPa,保压时间为30～60 s;随后在1 900～2 100 ℃真空烧结6～10 h。
专利(CN 105887027 B)[31]在混合钼、铌粉体时加入过程控制剂(硬脂酸锌、棕榈酸、硬脂酸乙酯、聚乙烯醇和硬脂酸中的一种或几种),在球磨过程中过程控制剂能够包覆在金属粉末表面,形成一层润滑薄膜,降低粉末表面能,减少了粉末间的冷焊,从而解决了粉末粘球和粘罐问题,同时缩短了球磨时间。
溅射靶材的晶粒均匀性在很大程度上影响着薄膜质量和电子元器件性能。因为靶材不同区域晶粒尺寸的差异会引起溅射速度的差异,进而造成薄膜厚度不均匀。因此,如何提高溅射靶材晶粒均匀性是平面显示领域面临的关键难题。专利(CN 109355632 B)[32]提出了一种提高溅射镀膜用钼及钼合金溅射靶材晶粒均匀性的方法。其特点在于:采用球磨—分级联合处理减少钼粉还原过程中的硬团聚,从而保证坯体烧结的微观晶粒均匀性以及溅射镀膜微观和整体均匀性。
专利(CN 103255379 A)[4]基于MoW合金导电性好、抗氧化且膜应力低等优点,提出了一种MoW合金平面溅射靶材的制备方法,克服了现有方法难以制得成分均匀、无偏析、晶粒细小靶材的难点。该发明的特点之一在于采用机械合金化技术实现钼和钨原子级别的混合,在固态下实现了合金化,显著提高了MoW的活性,降低了MoW的烧结温度,从而提高了合金致密度、降低了晶粒尺寸。类似地,专利(CN 105154740 A)[33]公开了一种机械合金化制备铌钼靶材的方法。
专利(CN 108374152 B)[34]通过机械混合使钼粉均匀渗入海绵钛孔隙中以确保钼粉不发生泄漏,同时在真空自耗电弧熔炼炉中进行熔炼,促使合金铸锭成分均匀化,从而制备出100%致密的、成分均匀的钼钛合金溅射靶材。类似地,专利(CN 109811318 A)[35]以溅射法生产的99.9%纯度的钼合金为原料,采用电子束冷床熔炼工艺制备纯度大于99.98%的钼溅射靶材。
专利(CN 102321871 B)[36]发明了一种热等静压生产平板显示器用钼合金溅射靶材的方法。将低氧含量的钼粉与添加的金属粉末(铌粉或钽粉)在惰性气氛保护下进行混合造粒、过筛,液压成型制成靶坯,随后经冷等静压提高均一性,再热等静压烧结(压力200～300 MPa,温度1 200 ℃)。该发明生产周期短、工序少、能耗低,所制备钼合金靶材致密度高、均匀性好、性能优异。
专利(CN 107916405 A)[37]通过改进混粉工艺严格控制杂质的引入,提出了一种高密度、晶粒细且均匀的钼钽合金溅射靶材的制备方法。该发明能够防止靶材吸氢脆化,提高靶材加工性能。其特点在于:对钼粉和钽粉进行真空预烧处理,去除了粉体中的氢、氧及低熔点物质;在粉体混合时采用氩气保护减少杂质的混入;选择钼球替代钢球进行球磨,减少铁杂质的掺入。
基于对上述专利的分析可以看出,钼及钼合金溅射靶材的制备主要采用粉末冶金技术,需要经过粉末混合、压制成型、烧结、压力加工和机加工等多道工序。制备高质量的钼合金溅射靶材往往需要进行压制和烧结、多道次的轧制与反复的热处理。由于热等静压或热压烧结设备规格有限,限制了最终产品的尺寸规格。因此,开发一种方法简单、成本低、成品率高且利于工业化生产的高品质大尺寸钼合金溅射靶材制备方法具有非常重要的意义。此外,目前Mo合金靶材中主要添加元素有Nb、Ti、Ta、W等,鉴于每种掺杂元素的作用和性能各不相同,而三元及多元钼合金靶材的研究和应用还不够全面,因此针对不同应用领域对钼合金薄膜性能的不同需求,通过成分设计与微观组织调控开发出新型组分钼合金靶材将是一个重要的发展方向。
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