不同组织结构钼靶材的抗氧化性能研究

2022-07-06刘宏亮孙钢涛王宏亮

中国钼业 2022年3期

刘宏亮，白蒙，孙钢涛，曾毅，王宏亮

(金堆城钼业股份有限公司，陕西西安 710077)

0 引言

靶材主要应用于电子及信息产业，如集成电路、信息存储、液晶显示屏、太阳能电池、激光存储器、电子控制器件等，亦可应用于玻璃镀膜领域，还可以应用于耐磨材料、高温耐蚀、高档装饰用品等行业[1]。 Mo靶材溅射薄膜主要用于 CIGS( 铜铟镓硒) 薄膜太阳电池底电极及半导体集成电路、记录介质、平面显示等方面[2-3]，在LCD及OLED屏幕制造工艺中,钼薄膜主要用于导电薄膜中Al的阻挡层,部分用于Cu的阻挡层及栅极材料。钼薄膜是钼靶材通过磁控溅射方法制备而成。在钼靶材的实际使用过程中，经常会存在靶材表面氧化现象，进而引起质量投诉。但多年来，作为国内靶材生产厂家只关注靶材纯度、密度、组织结构等靶材性能指标，对靶材的抗氧化性研究甚少。屏幕生产厂家作为靶材使用方，只关注靶材溅镀特性，至于那种内部组织结构的靶材能展现出满足其生产条件的最佳溅镀特性知之甚少，学术界对此类交叉学科应用的研究也非常少。本文通过制备6种不同组织结构的钼靶材样品，考察不同组织结构的靶材的抗氧化性能，从而为优化靶材性能提供参考依据。

1 试验

试验样品为6种组织差异较大的高纯度钼靶材，化学纯度为99.97%，密度接近理论密度10.2 g/cm3，化学杂质元素总和小于0.02%，通过金相显微镜对靶材样品的组织结构进行检测，采用chi660e电化学工作站对其抗氧化性能进行检测。通过SEM对腐蚀后的样品进行表面情况表征。

2 结果与讨论

2.1 钼靶材的轧制工艺与组织结构

试验用轧制设备为六辊可逆轧机，6种靶材的轧制工艺如表1所示。6种靶材的金相组织见图1。在平面方向的金相编号为N，轧制方向的编号为R。

表1 6种靶材的轧制工艺

由图1可见：1#、2#、3#样品均为在结晶温度以上进行退火获得均匀的等轴态晶粒，N面平均晶粒尺寸分别为25 μm、75 μm、132 μm；R面晶粒形态为均匀的纤维状晶粒，R面平均晶粒尺寸分别为30 μm、54 μm、91 μm。

图1 6种不同组织结构靶材的金相图

4#、5#、6#样品均为扁平态晶粒，4#样品未进行退火，5#样品进行了去应力退火，6#样品在结晶温度以上进行了退火。未进行退火的4#样品未发生结晶，无明显晶界；去应力退火状态下的5#样品相比4#样品能看到较为清晰的晶粒，晶粒未完全长大；6#样品可看出明显的扁平态晶粒，其相较于1#、2#、3#样品改变了轧制工艺。

2.2 钼靶材的抗氧化性

当样品在一定的腐蚀介质中发生氧化还原反应时，将在样品表面产生腐蚀电流。通过对样品表面腐蚀电流大小的精确测量，可定量反馈出同等环境下样品的腐蚀速率。为模拟钼在水汽中的抗腐蚀氧化能力，本试验采用中性NaCl电解液。对6种样品进行腐蚀，表2为6个样品的腐蚀速率，图2为6个不同样品的极化曲线图。

图2 6种不同组织结构样品的极化曲线图

通过表2腐蚀电流的大小，可得知3#样品的抗腐蚀效果最佳，其次为6#样品，4#样品的抗腐蚀效果最差。

表2 拟合后的腐蚀速率排名

为了更加直观地表征极化腐蚀结果，我们将腐蚀后的样品通过SEM表征，如图3所示。由图3可见：从极化腐蚀后的样品表面来看，腐蚀主要以小点状的腐蚀开始，逐渐扩散到整个表面，3#样品的腐蚀表面呈小点状，其次为6#样品，腐蚀表面的小点状增多，各样品表面腐蚀严重程度与腐蚀速率测试数据吻合。

图3 各个不同组织样品的极化腐蚀表面图

由前述金相组织及对应的腐蚀结果可知：1#、2#、3#样品作为同一等轴晶体，晶粒尺寸越大，抗氧化性越好；而4#、5#、6#样品作为同一扁平态晶体，随着退火温度增加，抗氧化性能增加。退火温度增加，晶粒逐渐长大，组织内从杂而无序逐渐转变到有序，单位体积内晶界密度变小，由于晶界上原子排列不规则，造成结构比较疏松，使得晶界具有不同于晶粒的品性。晶界上的原子排列比较疏松，因此易受腐蚀，这与样品的极化腐蚀表面结果数据一致。而等轴态与扁平态两种不同的晶粒形态相比，它们在抗氧化性上并未表现出显著的差别。