金屬鉬憑借其高導(dǎo)電率、 高溫穩(wěn)定性以及綠色環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)， 被廣泛應(yīng)用于電子、 光伏等領(lǐng)域，并主要以薄膜的形式用作電極層以及配線阻擋層材料。鉬薄膜大多通過(guò)真空蒸鍍、 磁控濺射這類(lèi)物理氣相沉積方法獲得， 鉬靶材作為沉積源， 其純度、 致密度、 粒徑及取向分布直接決定薄膜的濺射效率和成型質(zhì)量［1-2］ 。

鉬是一種高熔點(diǎn)（2620 ℃）金屬， 通常采用粉末冶金的工藝將其燒結(jié)成鉬制品， 然而燒結(jié)鉬的孔隙率高、 致密度差、 各向同性， 無(wú)法滿(mǎn)足優(yōu)質(zhì)鉬靶材的需求， 因此有必要通過(guò)如軋制鍛造等熱變形處理提高鉬靶材的致密度和織構(gòu)度。Oertel等［3-4］ 指出單向軋制會(huì)產(chǎn)生不完整的α織構(gòu)， 隨著軋制變形量的增加， 其最高強(qiáng)度的織構(gòu)從｛100｝<110>轉(zhuǎn)變?yōu)椋?12｝<110>； 尤世武［5］ 研究發(fā)現(xiàn)冷軋鉬板在30%~60%的變形量時(shí)形成α織構(gòu)， 70%~80%的變形量時(shí)形成γ織構(gòu)， 變形量達(dá)到90%時(shí)（001）型織構(gòu)減弱而（111）型織構(gòu)增強(qiáng)。由于軋制使晶粒變形， 通常需要回復(fù)再結(jié)晶使晶粒均勻化［6］ 。

Chaudhuri等［7］ 發(fā)現(xiàn)<0 0 1>織構(gòu)在動(dòng)態(tài)再結(jié)晶期間會(huì)增強(qiáng)。本研究以鉬靶燒結(jié)熟坯為原料， 通過(guò)探索不同變形量的單向軋制， 再結(jié)合系列溫度退火工藝， 最后利用精密測(cè)量、 金相觀察、 掃描電鏡（SEM）、 X射線衍射（XRD）、 電子背散射衍射（EB?SD）等方法表征成品的理化性能和組織特征， 揭示鉬靶材制備工藝與組織性能的關(guān)系， 為制備高性能鉬靶材提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)和技術(shù)指導(dǎo)。

1、 實(shí) 驗(yàn)

本研究用于軋制的原料是通過(guò)燒結(jié)得到的鉬靶材熟坯。為確保軋制時(shí)具有良好的成型性效果， 熟坯致密度應(yīng)大于95%。

首先將一級(jí)鉬粉（費(fèi)氏粒度3 μm）通過(guò)冷等靜壓壓制成生坯， 生坯再經(jīng)過(guò)2000 ℃高溫?zé)Y(jié)得到鉬靶熟坯， 其相關(guān)性能見(jiàn)表1， 燒結(jié)熟坯的XRD衍射圖譜如圖1所示。隨后采用氫氣加熱爐對(duì)鉬靶加熱， 加熱至軋制溫度后進(jìn)入兩輥軋機(jī)軋制。每一道次的軋制加工（包括開(kāi)坯和熱軋）需要加熱至相應(yīng)的溫度。第一道次開(kāi)坯溫度為1300 ℃， 開(kāi)坯變形量為25%左右； 開(kāi)坯后， 繼續(xù)將樣品放進(jìn)加熱爐， 加熱至 1200 ℃。每次軋制變形量為 15% 左右， 軋制1~2次后進(jìn)加熱爐保溫， 并以此循環(huán)軋制到目標(biāo)變形量。

本研究設(shè)定目標(biāo)厚度均為10 mm， 基于此設(shè)計(jì)了軋制變形量60%~90%的5組實(shí)驗(yàn)， 軋制方式均為縱向單向軋制， 軋制實(shí)驗(yàn)組見(jiàn)表2。利用真空退火爐對(duì)軋制態(tài)鉬靶進(jìn)行熱處理， 保持真空度＜5 Pa， 將軋制變形量 85% 的靶材試樣分別在 900，1000， 1100， 1200 ℃下退火 1 h， 研究退火溫度對(duì)鉬靶組織性能的影響。

本實(shí)驗(yàn)采用德國(guó)Bruker公司的D8 Advance型X射線衍射儀采集樣品的XRD衍射圖譜， 采用日本奧林巴斯公司的OLS5000型激光共聚焦顯微鏡觀察鉬靶材金相組織， 采用美國(guó)賽默飛的Apreo hi?vac型場(chǎng)發(fā)射SEM的（EBSD）組件獲取靶材的晶粒取向。電解拋光法制備EBSD樣品工藝如下： 將表面無(wú)劃痕的金相樣在10%硫酸乙醇溶液中通入直流電， 加載電壓為10 V， 電流為1 A， 在室溫下電解拋光15 s。

2 、結(jié)果與討論

2.1　軋制變形量對(duì)顯微組織的影響

在物理氣相沉積過(guò)程中， 鉬靶材中的鉬原子傾向于沿著晶體密排方向向靶材表面逃逸， 鉬塊體的結(jié)晶方向直接關(guān)乎濺射速率和濺射膜層厚度的均勻性。因此， 鉬靶材的結(jié)晶取向調(diào)控是需要突破的關(guān)鍵技術(shù)環(huán)節(jié)。研究發(fā)現(xiàn)， 制備最利于成膜的鉬靶材織構(gòu)取向｛100｝＜011＞存在諸多難點(diǎn)， 其中， 熱變形鉬板的再結(jié)晶組織控制因素較為多元， 主要矛盾尚未明晰， 在熱處理?xiàng)l件基本一致的前提下， 主要影響因素有軋制溫度、 變形率、 軋制方向和軋制方式等， 且表層和中間層織構(gòu)特征也存在明顯差異［8-11］ 。

表3為鉬靶材不同軋制變形量的軋制效果， 可見(jiàn)致密度隨著軋制變形量增加而遞增， 當(dāng)軋制變形量增至 70%， 鉬靶材的致密度不再進(jìn)一步隨軋制變形量增加而改善， 當(dāng)密度達(dá)到 10.20 g/cm 3 以上， 對(duì)應(yīng)致密度超過(guò) 99.8%， 接近鉬的理論密度值， 僅內(nèi)部少量氣孔無(wú)法通過(guò)軋制工藝軋合。硬度隨軋制變形量增加而遞增， 當(dāng)變形量超過(guò)85%，硬度增加不明顯。圖2展示了不同軋制變形量鉬靶材RD-TD面（即濺射面）的內(nèi)部金相組織， 圖中呈現(xiàn)的孔隙率能夠直觀體現(xiàn)靶材致密度。軋制變形量為60%的鉬靶樣品內(nèi)部存在細(xì)小的氣孔， 這是由于軋下量不夠?qū)е聝?nèi)部細(xì)小氣孔未軋合； 鉬靶材內(nèi)部氣孔隨著軋制變形量增加而減少， 當(dāng)變形量超過(guò)70%時(shí)， 內(nèi)部未發(fā)現(xiàn)明顯的氣孔， 致密度顯著提高， 與前述致密度定量測(cè)試結(jié)果相吻合。

軋制過(guò)程中上下軋輥對(duì)鉬靶材產(chǎn)生持續(xù)擠壓， 晶粒發(fā)生受迫形變， 晶粒形變過(guò)程優(yōu)先將燒結(jié)的真空孔洞填實(shí)， 使之完全閉合， 同時(shí)氣體孔洞受壓應(yīng)力逐漸減小， 部分氣體元素固溶到基體晶格中。晶粒組織圖能直觀展示晶體經(jīng)過(guò)不同軋制變形量軋制后的形貌特征。圖3為鉬靶材經(jīng)過(guò)不同變形量熱軋后的RD-ND面的晶粒組織， 其形態(tài)為變形態(tài)晶粒， 其中大晶粒周?chē)殡S著碎晶， 由于軋制溫度處于再結(jié)晶溫度之上， 局部夾雜著少量的再結(jié)晶組織。熱軋過(guò)程中， 晶粒承受固定縱向軋制， 等軸狀的晶粒沿著軋制方向延伸， 晶粒被軋制成扁平狀。隨著軋制變形量增加， 晶粒變形程度也增大。當(dāng)軋制變形量達(dá)到70%時(shí)， 晶粒變形程度進(jìn)一步加大， 出現(xiàn)明顯的拉伸狀。隨著軋制變形量逐漸增大， 拉伸變形越來(lái)越明顯， 晶粒也越來(lái)越細(xì)長(zhǎng)， 直至變形量達(dá)到80%， RD-ND面逐漸出現(xiàn)纖維狀組織。當(dāng)變形量達(dá)到 85%， 纖維狀組織開(kāi)始密集， 呈現(xiàn)細(xì)長(zhǎng)條纖維組織狀態(tài)， 纖維組織相互搭接交錯(cuò)。當(dāng)軋制變形量達(dá)到 90%， 纖維狀的組織進(jìn)一步密集， 部分纖維組織斷裂變短， 故表現(xiàn)出更為密集的形態(tài)且長(zhǎng)度縮短。然而， 過(guò)度的變形量會(huì)使得縱向的晶界開(kāi)裂， 不利于提升鉬靶材的內(nèi)部質(zhì)量。因此， 適當(dāng)控制變形量才能保證靶材組織最優(yōu)化。

對(duì)比分析鉬靶材燒結(jié)態(tài)的XRD衍射峰和不同軋制變形量鉬靶材的濺射面XRD衍射峰（圖4）， 發(fā)現(xiàn)燒結(jié)態(tài)的鉬靶材與鉬粉的峰強(qiáng)相似， 表現(xiàn)為隨機(jī)取向， （110）成為最強(qiáng)峰， 這些現(xiàn)象的最終狀態(tài)由鉬粉的結(jié)構(gòu)因子、 多重性因子、 吸收因子、 角因子所決定［11-13］ 。將燒結(jié)態(tài)鉬靶材和不同軋制變形量的鉬靶材XRD衍射峰與鉬粉的衍射峰對(duì)比發(fā)現(xiàn)，燒結(jié)態(tài)的鉬靶材可視為軋制變形量為0， 即為隨機(jī)取向狀態(tài)， 隨著軋制變形量增加， 衍射峰強(qiáng)由［110］逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)椋?00］， 即在壓力軋制的作用下，由隨機(jī)取向轉(zhuǎn)變?yōu)椋?00｝取向。當(dāng)軋制變形量增加至85%， 衍射峰強(qiáng)在［200］方向明顯增強(qiáng)， 增強(qiáng)變?yōu)橹鞣澹?軋制變形量繼續(xù)增加， 衍射峰強(qiáng)沒(méi)有明顯變化。因此， 軋制變形量為85%， ｛100｝取向達(dá)到最強(qiáng)， 繼續(xù)增加變形量， 取向改變不明顯。

2.2　退火溫度對(duì)顯微組織的影響

鉬是一種層錯(cuò)能較高的金屬， 再結(jié)晶晶核的形成主要靠相鄰亞晶粒的合并來(lái)實(shí)現(xiàn)， 但再結(jié)晶晶粒的長(zhǎng)大必須通過(guò)晶界的遷移來(lái)完成。熱處理溫度的升高， 提高了鉬原子的擴(kuò)散系數(shù)， 使得晶界更易遷移， 促進(jìn)了晶粒長(zhǎng)大， 導(dǎo)致組織粗化。隨著再結(jié)晶晶粒的長(zhǎng)大， 晶粒之間會(huì)相互吞并。大的再結(jié)晶晶粒明顯長(zhǎng)大， 小的再結(jié)晶晶粒尺寸減小并逐漸消失， 使得晶粒間的尺寸差異變大， 尺寸分布更加不均勻。單向軋制的長(zhǎng)條形鉬靶材在再結(jié)晶退火后， 織構(gòu)取向顯現(xiàn)出其固有特征［14-16］ 。

圖5為退火態(tài)鉬靶材通過(guò)EBSD獲得的濺射面IPF 組織圖， 圖 6 為根據(jù) IPF 圖統(tǒng)計(jì)的晶粒尺寸。

在 900~1200 ℃區(qū)間， 隨著退火溫度的升高， 晶粒尺寸先減小再增大， 在退火溫度1000 ℃時(shí)晶粒尺寸最小。退火溫度為900 ℃時(shí)， 濺射面晶粒從軋制變形態(tài)的晶粒逐漸開(kāi)始回復(fù)再結(jié)晶， 部分晶粒保留了變形態(tài)的延展晶面， 部分晶界不明顯， 內(nèi)部夾雜了大量細(xì)小的碎晶， 平均晶粒尺寸為62.9 μm， 異常長(zhǎng)大的晶粒占比23%， 表現(xiàn)為晶粒組織不均勻；退火溫度升高至1000 ℃時(shí)， 濺射面晶粒回復(fù)再結(jié)晶程度增加， 等軸晶的晶界明顯， 平均晶粒尺寸降低為 57.1 μm， 內(nèi)部的細(xì)小碎晶被附近晶粒吞并，異常長(zhǎng)大的晶粒占比11%， 晶粒組織均勻； 當(dāng)退火溫度進(jìn)一步升高到1100 ℃時(shí)， 濺射面晶?；貜?fù)再結(jié)晶完全后， 晶粒開(kāi)始均勻長(zhǎng)大， 等軸晶的晶界明顯， 平均晶粒尺寸增加至62.3 μm， 內(nèi)部的細(xì)小碎晶較少， 異常長(zhǎng)大的晶粒占比 11%， 晶粒組織均勻； 當(dāng)退火溫度達(dá)到 1200 ℃時(shí)， 等軸晶的晶界更為明顯， 晶粒進(jìn)一步長(zhǎng)大， 平均晶粒尺寸增加至65.2 μm， 內(nèi)部的細(xì)小碎晶較少， 晶粒組織均勻。

將軋制后的鉬靶材進(jìn)行熱處理， 軋制態(tài)的鉬靶材內(nèi)部存在大量位錯(cuò)， 退火后， 鉬靶材內(nèi)部位錯(cuò)逐漸滑移甚至消失， 變形態(tài)的晶粒發(fā)生再結(jié)晶， 同時(shí)產(chǎn)生再結(jié)晶織構(gòu)。靶材濺射面上原子排列方式越一致， 其織構(gòu)越明顯， 濺射離子束轟擊到鉬靶材表面時(shí)， 濺射面上的物質(zhì)原子排布越規(guī)則， 則越有利于制備均勻一致的鉬薄膜， 因此在鉬靶材濺射面上獲得特定的晶面織構(gòu)將優(yōu)化濺射薄膜均勻性。圖5為不同退火溫度的濺射面IPF圖， 通過(guò)襯度可判斷其織構(gòu)程度， 圖中紅色為｛001｝面的晶粒， 綠色為｛101｝面的晶粒， 藍(lán)色為｛111｝面的晶粒， 紅色占比越高｛001｝面的晶粒越多， ｛001｝織構(gòu)越強(qiáng)。圖7為不同退火溫度的濺射面（即｛001｝晶面族）極圖， 對(duì)應(yīng)立方晶系標(biāo)準(zhǔn)投影圖， 900~1200 ℃退火樣品均存在｛001｝織構(gòu)， 而退火溫度為1000 ℃時(shí)， 信號(hào)最集中， 織構(gòu)最強(qiáng)， 且為｛001｝織構(gòu)。由于900 ℃退火低于0.4 T m ， 屬于較低溫度退火， 其再結(jié)晶織構(gòu)較低， 板織構(gòu)和再結(jié)晶織構(gòu)相互交錯(cuò)， 隨著退火溫度由 900 ℃升高至 1000 ℃， 在軋制態(tài)轉(zhuǎn)變回復(fù)再結(jié)晶過(guò)程后織構(gòu)更強(qiáng)。溫度高于 1000 ℃（0.4 T m ）， 鉬靶材朝著完全再結(jié)晶轉(zhuǎn)化， 隨著溫度升高， 完全再結(jié)晶程度增加， 隨著晶粒長(zhǎng)大，｛100｝織構(gòu)和｛110｝織構(gòu)均在減弱， 逐漸朝著｛111｝織構(gòu)轉(zhuǎn)變。85% 軋制變形量的鉬靶材在溫度為1000 ℃下退火， 其織構(gòu)控制強(qiáng)度最高， 保留了大量軋制態(tài)的織構(gòu)特征。因此，當(dāng)退火溫度為 1000 ℃時(shí)， 晶粒組織均勻且晶粒最細(xì)小， 織構(gòu)性最強(qiáng)。

3、 結(jié) 論

1）鉬靶材的密度隨著軋制變形量增加而遞增， 當(dāng)軋制變形量增至 75%， 鉬靶材的密度達(dá)到10.2 g/cm³ ， 已逼近單質(zhì)鉬的理論密度， 不再繼續(xù)隨軋制變形量增加而增大。

2）通過(guò)金相顯微鏡和XRD衍射圖譜表征， 當(dāng)鉬靶材的軋制變形量為80%~85%時(shí)， 其晶粒尺寸最佳， 表現(xiàn)為明顯增強(qiáng)的｛0 0 1｝系列衍射峰。

3）通過(guò)一系列退火溫度對(duì)照實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)， 在900~1200 ℃區(qū)間， 隨著退火溫度升高， 晶粒尺寸先減小再增大。在退火溫度 1000 ℃時(shí)， 晶粒尺寸最優(yōu)。

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