無損檢測(cè)在濺射鈦靶鉻靶材制造中的應(yīng)用

濺射靶材是電子信息產(chǎn)業(yè)的關(guān)鍵原材料之一，其產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)系到濺射薄膜的品質(zhì)和濺射設(shè)備的安全。 濺射靶材種類繁多。從材質(zhì)來說，包括鋁及鋁合金、銅及銅合金、鎳及鎳合金、鉻、鉬、鈦、鎢及鎢 合金、金、銀、鉑、鉭、硅、二氧化硅、氧化銦錫、二氧化錫、鐵基合金和稀土等。從靶材原始坯料 的制造方法來分，主要有熔鑄靶和粉末靶；從有無背板的角度來分，主要是焊接靶和單體靶。熔鑄靶材 的制造流程一般包括以下四步：化學(xué)提純制備高純?cè)牧稀⑷蹮掕T造制備鑄坯、塑性加工(鍛造、擠壓 和軋制)與熱處理、最后是機(jī)械加工。難熔金屬靶材、熔點(diǎn)相差很大的金屬合金靶材和陶瓷靶材坯料一般采 用粉末法制備坯料。其關(guān)鍵制造流程是：制粉、粉末冶金制坯或直接噴涂成型、對(duì)坯料進(jìn)行切割、機(jī)械 加工成品。上述兩大靶坯制造流程中，除提純、制粉和機(jī)械加工外的其他制造工序都是容易產(chǎn)生內(nèi)部缺陷 的高風(fēng)險(xiǎn)工藝。靶材內(nèi)部缺陷的存在將會(huì)在濺射過程中產(chǎn)生顆粒或飛濺，從而降低薄膜質(zhì)量。對(duì)于焊接靶材，焊接質(zhì)量關(guān)系到濺射靶材與背板之間的焊接強(qiáng)度和濺射過程中靶材散熱，無論是對(duì)于濺射設(shè)備安

全還是濺射薄膜質(zhì)量，焊接質(zhì)量都是衡量濺射靶材質(zhì)量是否合格的關(guān)鍵指標(biāo)之一。因此，在濺射靶材的 制造過程中采用無損檢測(cè)技術(shù)成為確保制備合格濺射靶材的必要措施。

1、鑄坯與粉末冶金坯料的檢驗(yàn)

靶材制造用鑄坯中的缺陷包括氣孔、夾渣、疏松和裂紋等，多是體積型缺陷。對(duì)于鋁及鋁合金靶材 來說，還存在氧化鋁顆粒的檢測(cè)問題。如果帶有缺陷的鑄坯進(jìn)入制造流程中，最終的靶材可能完全不合格 。因此在下料前必須對(duì)鑄錠進(jìn)行內(nèi)部缺陷檢驗(yàn)。X射線檢測(cè)技術(shù)和超聲波檢測(cè)技術(shù)都可以進(jìn)行材料內(nèi)部缺 陷檢驗(yàn)，但其適用性取決于鑄坯的材質(zhì)。

試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超聲波在超高純鋁及合金(>5N，99.999wt%)鑄坯中傳播時(shí)，衰減較小，也不 存在由于晶粒粗大導(dǎo)致的晶界散射現(xiàn)象。圖1所示為設(shè)計(jì)的鋁合金鑄坯對(duì)比試塊軸向截面圖和超聲 C掃圖像，檢測(cè)頻率為10MHz，探頭晶片直徑φ0.375×25.4mm，探頭焦距為4×25.4 mm。

可以看出，水浸C掃超聲波技術(shù)可以有效滿足鋁及鋁合金鑄錠內(nèi)0.5mm平底孔當(dāng)量的缺陷 檢測(cè)要求。檢驗(yàn)質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)如表1所示。

超高純銅(≥6N)鑄坯和超高純鎳(≥5N)鑄坯的晶粒尺寸巨大，都是厘米量級(jí)，主要是因?yàn)殍T 造過程中缺少型核質(zhì)心導(dǎo)致過低的形核率而造成的。通過對(duì)兩者的鑄坯進(jìn)行超聲波檢驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，兩者都不 適合采用超聲波檢驗(yàn)技術(shù)進(jìn)行內(nèi)部缺陷檢驗(yàn)，但其原因卻完全不同。

超聲波在超高純銅中傳播時(shí)存在兩個(gè)問題：一是衰減嚴(yán)重；二是晶體取向的影響。首先， 采用USN60超聲探傷儀和5MHz縱波直探頭，以82dB的增益檢驗(yàn)上下表面平行的150mm厚鑄 錠(表面粗糙度<1.6tim)時(shí)，只能觀察到一次底波且波幅不超過滿屏的10%，表明超聲波衰減嚴(yán) 重，無法對(duì)鑄錠進(jìn)行有效檢測(cè)。其次，在利用水浸C掃描技術(shù)采用2.25MHz4×25.4mm焦距探 頭對(duì)75mm厚高純銅鑄錠進(jìn)行檢測(cè)時(shí)發(fā)現(xiàn)，檢測(cè)入射面不同區(qū)域的底波顯示的厚度與實(shí)際厚度存在 較大差別，如圖2所示。不同區(qū)域的C掃測(cè)量厚度的差異表明不同區(qū)域之間的聲速存在差別，與標(biāo)準(zhǔn)聲速相比最大 可以增大約24.56%。這種現(xiàn)象主要是由于鑄錠內(nèi)晶粒尺寸的巨大引起的。超聲波在介質(zhì)中傳播的聲速與 介質(zhì)的彈性模量E有關(guān)。對(duì)于晶粒細(xì)小的多晶材料，由于晶體取向是隨機(jī)的，因此材料整體表現(xiàn)為各 向同性，其彈性模量也是各向同性，超聲波在其中傳播的聲速也各向相等。但對(duì)于單晶材料，其彈性模量與晶體取向有關(guān)。超聲波在晶粒粗大的超高純銅鑄錠中傳播時(shí)，實(shí)質(zhì)是在不同晶粒內(nèi)的傳播。各 個(gè)晶粒的取向都存在差異，由此導(dǎo)致了各區(qū)域聲速的不同。這種晶體取向?qū)е侣曀俚牟町悶槔贸? 波檢測(cè)超高純銅鑄錠內(nèi)部缺陷增加了新的困難。

與超高純銅鑄錠明顯不同，超聲波在高純鎳中的衰減并不明顯，其主要問題是粗大晶粒導(dǎo)致的晶 界散射。將高純鎳鑄錠切割成薄片，表面處理后粗糙度<1.6μm。然后分別采用x射線檢測(cè)技術(shù)和 超聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)該切片進(jìn)行檢測(cè)。對(duì)比發(fā)現(xiàn)兩種方法的檢驗(yàn)結(jié)果并不相符，X射線判定切片中無缺陷 的區(qū)域，超聲波檢驗(yàn)時(shí)判定存在缺陷。經(jīng)解剖并 逐層磨制觀察，確認(rèn)這些區(qū)域不存在缺陷，而是晶界，如圖3所示。說明超純鎳鑄錠中晶界散 射對(duì)超聲波檢驗(yàn)存在嚴(yán)重干擾而無法進(jìn)行有效判定。綜上所述，對(duì)于高純銅和高純鎳鑄錠的內(nèi)部缺陷， 超聲波檢測(cè)存在局限，x射線技術(shù)更適用。

粉末法制備的靶材坯料一般超聲波聲學(xué)特征較好，且晶粒尺寸細(xì)小，因此，多數(shù)可以適用于超聲波檢測(cè)技術(shù)。

粉末法制備的坯料，無論是粉末冶金法還是噴涂法，其內(nèi)部缺陷主要包括裂紋、空洞、夾雜和不致 密。與鑄錠內(nèi)的球形或長(zhǎng)條形空洞不同，粉末法坯料中的空洞和夾雜主要是不規(guī)則形狀，其形狀與夾 雜物的形狀相同。因此，空洞、夾雜和裂紋在粉末坯料中可以任意方向，必須從多個(gè)角度進(jìn)行檢測(cè)才能 確保無遺漏。對(duì)于不致密則主要是觀察底波損失來判定。一般如果某區(qū)域底波損失超過4dB，即可判定 該區(qū)域不致密。

2、塑性加工靶坯的檢驗(yàn)

除少數(shù)鑄造靶材和直接噴涂成型靶材外，大多數(shù)靶材都是通過一系列塑性加工和熱處理制成。塑、 性加工方法包括熱鍛、冷鍛、熱軋制、冷軋制、模壓、擠壓和拉伸等。熱處理包括固溶處理、正火 、退火、淬火和時(shí)效等。理論上每個(gè)工序后都應(yīng)該進(jìn)行檢驗(yàn)，但考慮到生產(chǎn)效率，一般在加工完成后 對(duì)最終的靶材板坯進(jìn)行檢驗(yàn)。

經(jīng)過上述工藝加工后，靶材板坯的顯微組織得到了顯著細(xì)化，板坯厚度為3～40mm 之間，超聲波聲學(xué)特征良好。在上述加工過程中，靶材板坯內(nèi)可能形成的缺陷包括裂紋、分層、夾雜、 折疊、過熱、晶粒粗大、過燒、白點(diǎn)和疏松等。除裂紋外，這些缺陷有個(gè)共同的特征，即呈線性平 面形狀，方向沿塑性加工的流線方向，且與塑性加工平面平行。顯然，超聲波檢測(cè)技術(shù)對(duì)此類特征的缺 陷最為靈敏。因此靶材內(nèi)部缺陷的檢驗(yàn)與評(píng)判一般都采用超聲縱波脈沖反射式水浸C掃檢測(cè)技術(shù)。檢測(cè) 時(shí)一般將超聲波焦點(diǎn)聚焦到靶坯厚度的中間位置。

評(píng)判驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)與靶材的應(yīng)用等級(jí)有關(guān)。根據(jù)驗(yàn)收要求設(shè)計(jì)加工人工平底孔對(duì)比試塊即可。表2列出 了當(dāng)前通用的靶材坯料內(nèi)部驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。

3、焊接質(zhì)量檢驗(yàn)

出于降低成本和增強(qiáng)板材組件強(qiáng)度和導(dǎo)熱性能要求，多數(shù)濺射靶材采用了與冷卻背板焊接的形式， 尤其是大尺寸靶材。濺射靶材的背板一般采用鋁合金、銅合金、鉬或者不銹鋼等，其構(gòu)型有的簡(jiǎn)單，只 是一塊具有一定硬度、強(qiáng)度和厚度的圓形或者矩形板材；有的構(gòu)型復(fù)雜，內(nèi)部帶有復(fù)雜的冷卻水道。

濺射靶材與背板的焊接是在對(duì)濺射靶材板坯完成機(jī)械加工后進(jìn)行，使用的焊接技術(shù)包括釬焊、電子束 焊、擴(kuò)散焊和爆炸焊等。

真空電子束焊接形成的焊縫中可能存在的缺陷有裂紋、空洞、夾雜、未熔合和未焊透等。根據(jù)使用 環(huán)境的技術(shù)要求來確定針對(duì)真空電子束焊接質(zhì)量的檢驗(yàn)方法。

釬焊、擴(kuò)散焊和爆炸焊應(yīng)用于靶材時(shí)，焊接方式基本都是兩個(gè)平面之間的焊接。釬焊是采用中間材 料將兩工件進(jìn)行粘接的連接方式，中間材料(即釬焊焊料)包括銦和錫基焊料等低溫焊料。存在的焊接缺 陷主要是未粘接和夾雜。

擴(kuò)散焊過程較為復(fù)雜，焊接面還要進(jìn)行特殊處理，如噴砂毛化或者車齒。毛化或者車齒后的焊接界 面本身就存在著缺陷--微小尺寸的裂隙，一般為百微米量級(jí)。因此擴(kuò)散焊檢測(cè)的主要是尺度較大的， 如毫米量級(jí)的未焊合。爆炸焊和擴(kuò)散焊相似。

無論是釬焊、擴(kuò)散焊還是爆炸焊，其焊接缺陷具有共同的特征，即線狀平面型缺陷。因此主要采用超 聲縱波C掃描技術(shù)進(jìn)行檢驗(yàn)和評(píng)判。

焊接檢驗(yàn)用對(duì)比試塊的設(shè)計(jì)與加工技術(shù)要求可以參考ASTMF1512標(biāo)準(zhǔn)。對(duì)于釬焊來說，一般選 擇10MHz的水浸聚焦探頭進(jìn)行檢驗(yàn)。而對(duì)于對(duì)擴(kuò)散焊，超聲波頻率的選擇則必須考慮焊接界面特征。

另外，釬焊與擴(kuò)散焊的質(zhì)量驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)也存在差別。

表3列出了釬焊和擴(kuò)散焊焊接質(zhì)量的驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)。顯然擴(kuò)散焊的驗(yàn)收要高于釬焊。

4、結(jié)語

當(dāng)前X射線檢測(cè)技術(shù)和超聲波檢測(cè)技術(shù)基本可以滿足靶材制造的檢測(cè)要求。除鑄錠原材料外，超聲波 檢測(cè)技術(shù)在濺射靶材制造中應(yīng)用得更為廣泛。超聲波檢測(cè)工序的安排要兼顧產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率。靶材板坯和焊接質(zhì)量的檢驗(yàn)方法主要是超聲縱波脈沖反射C掃描技術(shù)。濺射工藝的要求導(dǎo)致靶材檢驗(yàn)的驗(yàn)收 標(biāo)準(zhǔn)十分嚴(yán)格。

參考文獻(xiàn)：

[1]陳建軍，楊慶山，賀豐收.濺射靶材的種類、應(yīng)用、制備及發(fā)展趨勢(shì)FJ].湖南有色金屬 ，2006，22(04)：38-76.

[2]金永中，劉東亮，陳建.濺射靶材的制備及應(yīng)用研究[J].四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科 學(xué)版)，2005，18(3)：22-24.

[3]努力古.濺射靶材的制備及發(fā)展趨勢(shì)[J].新疆有色金屬，2008(5)：55-56.

[4]尚再艷，江軒，李勇軍，等.集成電路制造用濺射靶材[J].稀有金屬，2005，29(4)： 475-477

[5]劉志堅(jiān)，陳遠(yuǎn)星，黃偉嘉，等.濺射靶材的應(yīng)用及制備初探[J].南方金屬，2003，135：23- 32.

[6]WickershamCE，PooleJrJE，LeybovichA，eta1.Measurementsofthe criticalinclusionsizeforarcingandmacroparticleejectionfromaluminumspu tteringtargetsVJ,1.JVacSciTechnolA，2001，19(6)：2767-2772.

[7]WickershamCE，PooleJrJE，F(xiàn)anJS.Arcgenera-tionfromsputteringplasm a-dielectricinclusioninterae-tionsVJ].JVacSciTechnolA，2002，20(3)：833-83 8.

[8]WickershamCE，PooleJrJE，F(xiàn)anJS，eta1.Videoanalysisofinclusionindu cedmacroparticleemissionfromaluminumsputteringtargets[J].JVacSciTech-nolA ，2001，19(6)：2741-2750.

[9]GarySSelwyn，CoreyAWeiss，F(xiàn)edericoSequeda，eta1.Particlecontamination formationinmagnetronsputteringprocesses[J].JVacSciTechnolA，1997，15(4)：20 23-2028.

[10]VikramPavate，MuraliAbburi，SunnyChiang，eta1.Correlationbetweenalum inumalloysputteringtargetmetallurgicalcharacteristics[J].ArcinitiationandIn- filmDefectDensity，1997(3214)：42-47.

[11]PaulSGilman，AlfredSnowman，AndreDesert.De-terminationofactu aldefectsizeincathodesputtertargetssubjectedtoultrasonicinspection：US， 6269699B1EP].2001.

[12]CharlesEWickersham，JohnEPoole，AlexanderLeybovich，eta1.Methodfor determingacriticalsizeofaninclusioninaluminumoraluminumalloysputte- ringtarget：US，7087142B2[P].2006.

[13]CharlesEWlckershamJR，JohnEPoole，AlexanderLeybovich，eta1.Methodfo rdetermingacriticalsizeofaninclusioninaluminumoraluminumalloysputte- ringtarget：US，2004／0118675AI[P].2004.

[14]RussellBGore，RonaldHFleming.Methodsoftes-tingsputteringtargetm aterials：US，6439054B1[-P1.2002.

[15]CharlesEWlckershamJR，JohnEPoole，AlexanderLeybovich，eta1.S puttertargetsandmethodsofmanufacturingsametoreducep[

[16]HidemasaTamura，NorioYokoyama，EiichiShimi-ZU，eta1.Sputtering targetandproductionmethodthereof：US，6024852[P,1.2000.

[17]陳岳軍，趙海燕，史耀武.粗晶材料超聲檢測(cè)缺陷信號(hào)增強(qiáng)的小波分析法[J].中國(guó)有 色金屬學(xué)報(bào)，1997，7(2)：94-96.

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