Способ изготовления изделий из сплава на основе кремния

 

Изобретение относится к области изготовления изделий из сплава на основе кремния, преимущественно распыляемых мишеней, которые могут быть использованы при нанесении тонких покрытий для электронной, оптической, компьютерной техники. Сущность изобретения заключается в том, что сплавление кремния с легирующим компонентом осуществляют при 1860-1980^oС с получением первичного сплава. Переплав этого сплава с получением вторичного сплава ведут при температуре, на 500-600^oС превышающей температуру ликвидуса вторичного сплава. Формирование изделия из вторичного сплава производят литьем. Охлаждение изделия от температуры разливки до температуры солидуса вторичного сплава ведут со скоростью 150-300^oС/мин. В качестве легирующего компонента используют один или более элементов, взятых из группы: алюминий, никель, медь, бор, железо, редкоземельные металлы, вольфрам, молибден, титан, ниобий, тантал и хром, которые вводят в количестве 1-50%. Предлагаемый способ позволяет получать из сплавов на основе кремния распыляемые мишени различной формы, размеров и состава, имеющие пористость 0,5-5,0% и кристаллическую структуру с ориентацией зерен перпендикулярно рабочей поверхности мишени при низком уровне внутренних напряжений. 3 з.п. ф-лы.

Изобретение относится к области изготовления изделий из сплава на основе кремния, преимущественно распыляемых мишеней, которые могут быть использованы при нанесении тонких покрытий для электронной, оптической, компьютерной техники и т. п.

Мишени для распыления обычно получают методами порошковой металлургии и литьем. Мишени, изготовленные методами порошковой металлургии, содержат большое количество кислорода и имеют высокую пористость и неупорядоченную структуру. Мишени, получаемые литьем, лишены этих недостатков, но характеризуются высокими внутренними напряжениями, что приводит к их преждевременному разрушению в процессе эксплуатации. На сегодняшний день из сплавов на основе кремния не удается получить посредством литья мишени с низкой пористостью и невысоким уровнем внутренних напряжений, что вынуждает производителей использовать порошковые технологии. Основная причина этого заключается в том, что содержащийся в сплаве на основе кремния кислород приводит к возникновению пористости изделия в процессе охлаждения, т.к. его растворимость в сплаве понижается при охлаждении. Этого можно избежать, применяя высокие скорости охлаждения. При этом кислород остается в сплаве в растворенном виде, однако быстрое охлаждение приводит к возникновению больших внутренних напряжений. Для устранения данного противоречия необходимо возможно более полное удаление кислорода из расплава. Применяемые, в частности, при выплавке силуминов приемы обезгаживания расплава, такие как продувка аргоном, хлором, вакуумирование, введение хлоридов и т.п., приводят к усложнению технологии и используемого оборудования. Кроме того, применительно к сплавам на основе кремния перечисленные приемы не позволяют достичь полного удаления кислорода из сплавов при используемых в известном уровне техники величинах перегрева расплава (150-200^oС). Для получения изделия требуемого качества по литейной технологии необходима гомогенизация расплава в течение длительного времени (применительно к силуминам до 4-х часов и более), что приводит к дополнительному насыщению расплава кислородом.

Известен способ изготовления изделий из сплава на основе кремния (см. патент США 4 402 905, Н. кл. 419/10, 1983), включающий приготовление смеси порошкообразных кремния и 2-8 мас.% алюминия в качестве легирующего компонента, сплавление смеси, охлаждение сплава со скоростью 10^{6 o}С/с до затвердевания, размол полученного сплава до частиц размером не более 0,5 мм и горячее прессование порошка при температуре 1350-1450^oС и давлении 25-30 МПа в форме, имеющей конфигурацию изделия. При этом пористость сплава составляет не менее 10%. Получаемые изделия в виде пластин диаметром до 50 мм и толщиной до 1,5 мм используются в качестве подложек в полупроводниковых приборах и имеют неупорядоченную кристаллическую структуру, которая обусловлена спецификой порошковой технологии.

Недостатками известного способа являются: высокая пористость получаемых изделий, невозможность получения упорядоченной кристаллической структуры материала изделия, трудность изготовления изделий больших размеров и сложной формы, а также многостадийность процесса и необходимость использования сложного оборудования.

Известен также способ изготовления изделий из сплава на основе кремния (см. патент США 5 833 772, Н. кл. 148/400, 1998) с содержанием алюминия 2-40%, титана 15-45% и других легирующих элементов в количестве до 10%, включающий сплавление компонентов, разливку первичного сплава в формы в виде стержней, переплав стержней и диспергирование вторичного сплава в ленты, измельчение лент в порошок с размером частиц не более 0,2 мм и формирование из порошка изделия путем прессования в форме в течение 2-х часов под давлением 40 МПа при 700^oС и охлаждение изделия. Получаемые изделия используются в качестве деталей конструкций.

Недостатками данного способа являются сложность изготовления изделий с пониженным содержанием алюминия ввиду низкой пластичности таких сплавов, повышенная пористость изделий, трудность создания сплава с упорядоченной кристаллической структурой, ограниченность размеров и формы получаемых изделий, обусловленная технологией прессования, многостадийность процесса и необходимость использования сложного оборудования.

Настоящее изобретение направлено на решение задачи получения из сплавов на основе кремния распыляемых мишеней различной формы, размеров и состава, имеющих пористость не более 5% и ориентированную кристаллическую структуру при низком уровне внутренних напряжений.

Поставленная задача достигается тем, что в способе изготовления изделий из сплава на основе кремния, включающем сплавление кремния с легирующим компонентом с получением первичного сплава, переплав этого сплава с получением вторичного сплава, формирование изделия из вторичного сплава и охлаждение изделия, согласно изобретению сплавление кремния с легирующим компонентом ведут при температуре 1860-1980^oС, переплав первичного сплава осуществляют при температуре, на 500-600^oС превышающей температуру ликвидуса вторичного сплава, а изделие формируют из вторичного сплава литьем.

Решение поставленной задачи обеспечивается тем, что охлаждение изделия от температуры разливки до температуры солидуса вторичного сплава ведут со скоростью 150-300^oС/мин.

Задача решается также тем, что в качестве легирующего компонента используют один или более легирующих элементов, взятых из группы: алюминий, никель, медь, бор, железо, редкоземельные металлы, вольфрам, молибден, титан, ниобий, тантал и хром.

На решение задачи направлено и то, что легирующие элементы вводят в количестве 1-50%.

Сплавление кремния с легирующими компонентами при температуре 1860-1980^oС обусловлено следующим. При температуре выше 1860^oС давление паров низшего оксида кремния SiO превышает атмосферное и он начинает барботировать через расплав, что способствует удалению из расплава газов и неметаллических включений. Более полная дегазация сплава позволяет получать изделия с низкой пористостью, а удаление неметаллических включений повышает качество изделий. При температурах выше 1980^oС происходит лавинообразное окисление компонентов расплава с образованием шлака, который попадает в материал изделия. Кроме того, снижается срок службы материала тигля.

Осуществление выплавки сплава кремний-алюминий в два этапа связано с тем, что для получения качественных изделий необходима полная гомогенизация сплава. Ввиду близких значений плотностей кремния и алюминия этого можно достичь либо значительным увеличением времени плавки, либо повторным переплавом. Длительная выдержка сплава при высоких температурах нежелательна, т. к. при этом происходит интенсивное окисление компонентов сплава. При повторном переплаве удается достигнуть высокой степени гомогенизации, не увеличивая время плавки.

Обработка первичного сплава путем его повторного переплава при температуре, на 500-600^oС превышающей температуру ликвидуса вторичного сплава, необходима для разрушения существующей в расплаве микроструктуры исходных материалов. Известно, что при температуре на 100-200^oС выше температуры ликвидуса эта микроструктура может сохраняться в течение нескольких часов. При кристаллизации такого сплава получаются изделия с неоднородной структурой. Соблюдение предлагаемых температурных интервалов на обеих стадиях плавки позволяет эффективно гомогенизировать сплав, что положительно сказывается на качестве выплавляемых изделий.

Охлаждение изделия от температуры разливки до температуры солидуса вторичного сплава со скоростью более 150^oС/мин позволяет избежать выделения растворенного в металле кислорода и получать изделия, имеющие требуемою пористость. Скорости охлаждения выше 300^oС/мин приводят к увеличению остаточных напряжений в изделиях и, как следствие, к их хрупкости.

Использование в качестве легирующих компонентов одного или более элементов, взятых из группы: алюминий, никель, медь, бор, железо, редкоземельные металлы, вольфрам, молибден, титан, ниобий, тантал и хром, обеспечивает набор свойств, необходимых при эксплуатации изделий, в частности мишеней в различных отраслях техники.

Введение легирующих элементов в количестве 1-50% позволяет реализовать широкий спектр составов покрытий, получаемых при распылении мишеней.

Указанные выше особенности и преимущества предлагаемого способа могут быть проиллюстрированы следующими примерами.

Пример 1 В графитовый тигель помещают 3600 г кремния и в качестве легирующего компонента 400 г алюминия, расплавляют в индукционной печи и выдерживают при температуре 1900^oС в течение 5 мин. Полученный первичный сплав отливают в слиток цилиндрической формы, который переплавляют при температуре 1950^oС, что на 570^oС выше температуры ликвидуса получаемого вторичного сплава. Затем вторичный сплав разливают в графитовую форму, имеющую конфигурацию мишени. Скорость охлаждения изделия в форме составляет 220^oС/мин. Полученная мишень из сплава состава Si-10% Al имеет форму прямоугольной пластины с размерами 280х150х10 мм, пористость 3% и кристаллическую структуру с ориентацией зерен перпендикулярно рабочей поверхности мишени. Металлографические исследования, механические испытания и последующая эксплуатация свидетельствуют о низком уровне внутренних напряжений в материале мишени.

Пример 2 В графитовый тигель помещают 2000 г кремния и в качестве легирующих компонентов 1998,4 г алюминия и 1.6 г бора, расплавляют в индукционной печи и выдерживают при температуре 1860^oС в течение 3 мин. Полученный первичный сплав отливают в слиток цилиндрической формы, который переплавляют при температуре 1680^oС, что на 600^oС выше температуры ликвидуса получаемого вторичного сплава. Затем сплав разливают в графитовую форму, имеющую конфигурацию мишени. Скорость охлаждения изделия в форме составляет 150^oС/мин. Полученная мишень из сплава состава Si-50% Al-B имеет форму прямоугольной пластины с размерами 350х175х12 мм, пористость 2% и кристаллическую структуру с ориентацией зерен перпендикулярно рабочей поверхности мишени. Металлографические исследования, механические испытания и последующая эксплуатация свидетельствуют о низком уровне внутренних напряжений в материале мишени.

Пример 3 В графитовый тигель помещают 2720 г кремния и в качестве легирующих компонентов 1040 г молибдена и 240 г вольфрама, расплавляют в индукционной печи и выдерживают при температуре 1980^oС в течение 5 мин. Полученный первичный сплав отливают в слиток цилиндрической формы, который переплавляют при температуре 2050^oС, что на 500^oС выше температуры ликвидуса получаемого вторичного сплава. Затем вторичный сплав разливают в графитовую форму, имеющую конфигурацию мишени. Скорость охлаждения изделия в форме составляет 300^oС/мин. Полученная мишень из сплава состава Si-26% Mo-6% W имеет форму прямоугольной пластины с размерами 200х120х10 мм, пористость 0,5% и кристаллическую структуру с ориентацией зерен перпендикулярно рабочей поверхности мишени. Металлографические исследования, механические испытания и последующая эксплуатация свидетельствуют о низком уровне внутренних напряжений в материале мишени.

Пример 4 В графитовый тигель помещают 2720 г кремния и в качестве легирующих компонентов 640 г железа, 400 г меди и 240 г никеля расплавляют в индукционной печи и выдерживают при температуре 1960^oС в течение 3 мин. Полученный первичный сплав отливают в слиток цилиндрической формы, который переплавляют при температуре 1750^oС, что на 550^oС выше температуры ликвидуса получаемого вторичного сплава. Затем вторичный сплав разливают в графитовую форму, имеющую конфигурацию мишени. Скорость охлаждения изделия в форме составляет 180^oС/мин. Полученная мишень из сплава состава Si-16% Fe-10% Cu-6% Ni имеет форму прямоугольной пластины с размерами 250х150х10 мм, пористость 3,5% и кристаллическую структуру с ориентацией зерен перпендикулярно рабочей поверхности мишени. Металлографические исследования, механические испытания и последующая эксплуатация свидетельствуют о низком уровне внутренних напряжений в материале мишени.

Пример 5 В графитовый тигель помещают 2400 г кремния и в качестве легирующих компонентов 400 г ниобия и 200 г тантала, расплавляют в индукционной печи и выдерживают при температуре 1960^oС в течение 3 мин. Полученный первичный сплав отливают в слиток цилиндрической формы, который переплавляют при температуре 2000^oС, что на 520^oС выше температуры ликвидуса получаемого вторичного сплава. Затем вторичный сплав разливают в графитовую форму, имеющую конфигурацию мишени. Скорость охлаждения изделия в форме составляет 280^oС/мин. Полученная мишень из сплава состава Si-13,3% Nb-6,7% Ta имеет форму круглой пластины диаметром 150 мм и толщиной 25 мм, пористость 3% и кристаллическую структуру с ориентацией зерен перпендикулярно рабочей поверхности мишени. Металлографические исследования, механические испытания и последующая эксплуатация свидетельствуют о низком уровне внутренних напряжений в материале мишени.

Пример 6 В графитовый тигель помещают 2400 г кремния и в качестве легирующих компонентов 400 г титана и 200 г хрома, расплавляют в индукционной печи и выдерживают при температуре 1960^oС в течение 3 мин. Полученный первичный сплав отливают в слиток цилиндрической формы, который переплавляют при температуре 1950^oС, что на 550^oС выше температуры ликвидуса получаемого вторичного сплава. Затем вторичный сплав разливают в графитовую форму, имеющую конфигурацию мишени. Скорость охлаждения изделия в форме составляет 260^oС/мин. Полученная мишень из сплава состава Si-13,3% Ti-6,7% Cr имеет форму прямоугольной пластины с размерами 150х100х8 мм, пористость 1% и кристаллическую структуру с ориентацией зерен перпендикулярно рабочей поверхности мишени. Металлографические исследования, механические испытания и последующая эксплуатация свидетельствуют о низком уровне внутренних напряжений в материале мишени.

Пример 7 В графитовый тигель помещают 2700 г кремния и в качестве легирующих компонентов 1200 г алюминия и 100 г РЗЭ, расплавляют в индукционной печи и выдерживают при температуре 1880^oС в течение 3 мин. Полученный первичный сплав отливают в слиток цилиндрической формы, который переплавляют при температуре 1750^oС, что на 560^oС выше температуры ликвидуса получаемого вторичного сплава. Затем вторичный сплав разливают в графитовую форму, имеющую конфигурацию мишени. Скорость охлаждения изделия в форме составляет 160^oС/мин. Полученная мишень из сплава состава Si-30% Al-2,5% PЗЭ имеет форму прямоугольной пластины с размерами 300х130х12 мм, пористость 4% и кристаллическую структуру с ориентацией зерен перпендикулярно рабочей поверхности мишени. Металлографические исследования, механические испытания и последующая эксплуатация свидетельствуют о низком уровне внутренних напряжений в материале мишени.

Пример 8 В графитовый тигель помещают 2970 г кремния и в качестве легирующего компонента 30 г меди, расплавляют в индукционной печи и выдерживают при температуре 1900^oС в течение 3 мин. Полученный первичный сплав отливают в слиток цилиндрической формы, который переплавляют при температуре 1930^oС, что на 500^oС выше температуры ликвидуса получаемого вторичного сплава. Затем вторичный сплав разливают в графитовую форму, имеющую конфигурацию мишени. Скорость охлаждения изделия в форме составляет 160^oС/мин. Полученная мишень из сплава состава Si-l% Cu имеет форму круглой пластины диаметром 100 мм и толщиной 30 мм, пористость 4% и кристаллическую структуру с ориентацией зерен перпендикулярно рабочей поверхности мишени. Металлографические исследования, механические испытания и последующая эксплуатация свидетельствуют о низком уровне внутренних напряжений в материале мишени.

Из вышеприведенных примеров видно, что предлагаемый способ позволяет получать из сплавов на основе кремния распыляемые мишени различной формы, размеров и состава, имеющие пористость 0.5-5.0% и кристаллическую структуру с ориентацией зерен перпендикулярно рабочей поверхности мишени при низком уровне внутренних напряжений.

Формула изобретения

1. Способ изготовления изделий из сплава на основе кремния, включающий сплавление кремния с легирующим компонентом с получением первичного сплава, переплав этого сплава с получением вторичного сплава, формирование изделия из вторичного сплава и охлаждение изделия, отличающийся тем, что сплавление кремния с легирующим компонентом ведут при 1860-1980^oС, переплав первичного сплава осуществляют при температуре, на 500-600^oС превышающей температуру ликвидуса вторичного сплава, а формирование изделия осуществляют литьем.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что охлаждение изделия от температуры разливки до температуры солидуса вторичного сплава ведут со скоростью 150-300^oС/мин.

3. Способ по п. 1 или 2, отличающийся тем, что в качестве легирующего компонента используют один или более легирующих элементов, взятых из группы: алюминий, никель, медь, бор, железо, редкоземельные металлы, вольфрам, молибден, титан, ниобий, тантал и хром.

4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что легирующие элементы вводят в количестве 1-50%.