稀有金属 2004,(01),214-216 DOI:10.13373/j.cnki.cjrm.2004.01.053
放电等离子烧结Bi2 O3 /Cu复合梯度靶材
张东涛 刘卫强 张久兴
北京工业大学新型功能材料教育部重点实验室,北京工业大学新型功能材料教育部重点实验室,北京工业大学新型功能材料教育部重点实验室,北京工业大学新型功能材料教育部重点实验室 北京100022 ,北京100022 ,北京100022 ,北京100022
摘 要：
采用放电等离子烧结技术制备了Bi2 O3/Cu复合梯度靶材 , 利用扫描电子显微镜和能谱分析仪对材料的微观组织形貌及成分进行了分析。结果表明 , 合成的复合梯度靶材具有宏观组织不均匀性和微观组织连续性的特征 , 显微组织中不存在微裂纹 , 减小了热应力的影响。与单一成分靶材相比 , 复合梯度靶材的热导率显著提高 , 解决了靶材在溅射过程中因散热不良而碎裂的问题 , 提高了其使用率
关键词：
放电等离子烧结 ;Bi2O3/Cu ;复合梯度靶材 ;
中图分类号： TB331
收稿日期： 2003-09-10
Preparation of Composite Graded Bi2 O3 /Cu Target by Spark Plasma Sintering
Abstract：
Composite graded Bi 2O 3/Cu target materials were produced by spark plasma sintering technique. Microstructure and constituents were investigated by means of scanning electron microscope with energy dispersive X ray detector. It is found that the target materials exhibit the micro structural characteristics of macroscopic inhomogeneity and microscopic continuity. Obvious atom diffusion between different composition layers can hardly be detected. There are no fine cracks in the interface, and the bonding states between conjoint layers are ideal. Compared with single composition target, the composite graded target possesses much better thermal conductance as well as the usage factor.
Keyword：
spark plasma sintering; Bi 2O 3/Cu; composite graded target materials;
Received： 2003-09-10
靶材是一种具有高附加价值的特种电子材料, 主要使用在微电子, 显示器, 存储器以及光学镀膜等产业上, 以溅射用于尖端技术的各种薄膜材料
[1 ]
。 溅射是制备薄膜材料的主要技术之一。 由于靶材对溅射膜的质量有着重要的影响, 因此对靶材的要求也更加严格。 溅射靶材要求纯度高, 杂质含量少, 密实度高, 成分和组织均匀等。 但对于实用化靶材而言, 以上要求只是其达到实用化目的的先决条件。 事实上, 靶材在使用过程中还存在一些其它问题。 在磁控溅射过程中, 当高能态离子高速轰击靶材表面而激发出靶材原子或分子的同时, 会产生大量的热量, 若这些热量不能及时的散发, 靶材会迅速升温造成破碎、设备过热等问题, 严重时设备会出现故障。 尤其是对于那些导热性能较差的材料, 更容易出现上述问题。 因此, 靶材在溅射过程中散热是一个关键问题。
作为一种性能优异的固体电解质材料, Bi2 O3 在固体氧化物燃料电池等诸多领域有着良好的应用前景
[2 ]
。 但这种材料的导热性能较差, 在利用其靶材进行离子溅射的过程中, 经常因为热量无法及时散发而导致靶材碎裂。 目前国外的解决方案是将靶材在溅射前与无氧铜底盘焊接在一起, 可以使溅射过程与底盘的导热导电状况良好。 但是溅射时靶材表面的不均匀受热引起热应力, 当热应力超过焊接的结合力时, 会导致靶材变形而与底盘脱离
[3 ]
。
针对上述问题, 本文提出采用放电等离子烧结技术
[4 ]
制备复合梯度靶材的方案。 设计和制备复合梯度靶材的目的是使层间热应力分布达到最优, 从而得到功能相应于组成和结构的变化而缓变的梯度材料。 通过成分和结构的分布来实现材料热应力的缓和
[5 ]
。 放电等离子烧结 (Spark Plasma Sintering, 简称SPS) 是目前最先进的材料制备技术之一。 由于它具有在较低温度下实现快速烧结致密材料的特点, 在材料制备领域应用前景广阔。 放电等离子烧结技术在制备梯度材料, 特别是成分梯度材料方面具有独特的优势, 目前国内外已采用这一技术制备了各种梯度材料
[6 ]
。
1 实验方法
综合考虑各方面因素, 对复合靶材的基底材料提出了3个条件: (1) 熔点与靶材的熔点相近或稍高; (2) 良好的导热导电性能; (3) 与靶材相近的热膨胀系数。 因此本文采用放电等离子烧结技术制备了Bi2 O3 /Cu复合梯度靶材, 实验原料从化学试剂商店购买, 其中, Bi2 O3 的纯度为99.999%, Cu的纯度为99%。 将Bi2 O3 和Cu的粉末按照质量分数配制成5种梯度层成分, 依次分别为: 100% Bi2 O3 ; (75% Bi2 O3 +25% Cu) ; (50% Bi2 O3 +50% Cu) ; (25% Bi2 O3 +75% Cu) ; 100% Cu。 将各梯度层粉末分别混合均匀, 并将各梯度层的配料在石墨模具中一层一层铺填, 在液压机上预压。 随后在日本住友石炭公司研制的SPS-3.20-MK-V型烧结系统上进行烧结。 烧结条件为: 烧结温度660 ℃, 烧结压力30 MPa, 升温速率60 ℃·min-1 , 真空度3×10-2 Pa, 保温时间5 min。
利用扫描电子显微镜 (SEM) 和电子能谱 (DEX) 对Bi2 O3 /Cu靶材断面及显微组织结构和成分进行了观察和分析。
2 结果与讨论
2.1 Bi2O3/Cu复合梯度靶材的微观组织形貌及成分
图1是采用放电等离子烧结技术制备的5层Bi2 O3 /Cu复合梯度靶材的微观结构线扫描分析图。 能谱分析结果表明, 图中的浅色组织为Bi2 O3 , 深色组织为Cu。 随着梯度组成的变化, 材料的组织结构也相应改变, 从纯Cu层过渡到Bi2 O3 层, 呈现宏观组织的不均匀性。 而微观组织的连续性体现在梯度层内和梯度层界面处, Cu和Bi2 O3 相均呈连续分布。 在富Cu的梯度层中Bi2 O3 颗粒均匀弥散分布在Cu基体中, 随着Bi2 O3 含量的增加, 微观组织逐渐变化为相反的分布形态, 即Cu颗粒均匀弥散的分布在Bi2 O3 基体中, 显然两组元之间呈现从基体连续相到分散相的共轭形态变化。 组元梯度化消除了Cu-Bi2 O3 直接叠层体Cu层与Bi2 O3 层之间的宏观组合界面。 Cu的良好导热性可以解决Bi2 O3 靶材由于散热不良而导致的靶材碎裂问题。
图1 Bi2O3/Cu复合梯度靶材的扫描电镜显微组织 (a) 和线扫描分析图 (b) (背散射模式)
Fig.1 SEM micrograph (a) and line scanning analysis (b) of Bi2 O3 /Cu composite graded target materials (back scattering mode)
2.2 Bi2O3/Cu复合梯度靶材的导热性能
制备Bi2 O3 /Cu复合梯度靶材的重要目的在于提高其导热性能。 图2示出了Bi2 O3 /Cu复合梯度靶材与纯Bi2 O3 靶材在不同温度下的热导率。 可以看出, 随着温度的升高, 两种靶材的热导率均有不同程度的下降, 其中, 纯Bi2 O3 靶材的热导率随温度下降的趋势更加明显, 当温度到达573 K时, 靶材的热导率显著降低, 在这种状态下, 靶材的导热性能极差, 很容易积蓄大量的热, 导致散热不良而碎裂。 与纯Bi2 O3 靶材相比, 5层Bi2 O3 /Cu复合梯度靶材的热导率虽然也随温度的升高有所下降, 但变化趋势不是十分明显。 此外, 相比较而言, 后者的热导率显著高于前者, 特别是在较高的温度下。 这对于避免靶材因过热而碎裂的现象是十分有利的。
图2 Bi2O3/Cu复合梯度靶材与纯Bi2O3靶材在不同温度下的热导率
Fig.2 Thermal conductance of Bi2 O3 /Cu composite graded target materials and Bi2 O3 target materials under different temperatures
3 结 论
Bi2 O3 靶材导热性差, 在溅射过程中由于热量的散发不良会导致靶材碎裂。 本文设计制备的Bi2 O3 /Cu复合梯度靶材组元梯度化消除了Cu-Bi2 O3 直接叠层体Cu层与Bi2 O3 层之间的宏观组合界面, 缓和了材料的热应力, 同时, 通过与Cu的复合, 靶材的导热性得到了明显的改善, 从而解决了Bi2 O3 靶材由于散热不良而导致的靶材碎裂问题。
参考文献
[1] 杨邦朝, 胡永达, 蒋 明. 全球溅射靶材市场及发展趋势[J].电子元件与材料, 2002, 21 (6) :29.
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