Колесникова И.Г., Серба В.И., Кузьмич Ю.В., Фрейдин Б.М., Коротков В.Г., Ворончук С.И, Рогачев Д.Л.

Институт химии и технологии редких элементов и минерального сырья им. И.В. Тананаева КНЦ РАН, Апатиты, Россия

Studies into the effect of cooling rate on microstructure, micromechanical characteristics and residual thermal stresses in targets from Si-30%Co alloy are presented. It is shown that high -quality targets can be obtained at cooling rates of 5-500С/s. In this case the alloy has a homogeneous structure, high strength characteristics, at a minimum level of residual stresses, which are more uniformly distributed in the target.

Распыляемые мишени из различных материалов применяют для получения тонкопленочных покрытий. Кремний и его сплавы широко используют для изготовления мишеней магнетронного распыления. Для нанесения тепло- и солнцезащитных покрытий материалом мишеней служит сплав Si-30%Co. Качество тонких пленок находится в прямой зависимости от качества распыляемой мишени. Основными требованиями, которые предъявляются к кремний-кобальтовым мишеням для магнетронного распыления, являются чистота материала мишени (не ниже 99.9%), однородная мелкозернистая структура сплава, низкая пористость (менее 5%), отсутствие трещин и неметаллических включений.

Обычно кремний-кобальтовые мишени получают методами порошковой металлургии. Такие мишени часто содержат большое количество кислорода, имеют высокую пористость и неупорядоченную структуру, а иногда растрескиваются при распылении.

Важнейшую роль в формировании свойств мишени играет микроструктура сплава. Известно, что для улучшения микроструктуры сплавов используют регулирование скорости охлаждения. Одним из основных требований к мишеням является отсутствие в них трещин. Трещины в мишенях могут возникать как из-за термических напряжений, возникающих в процессе затвердевания расплава в форме (особенно опасны растягивающие напряжения в поверхностном слое мишени), так и в процессе механической обработке мишени. Величина и знак остаточных термических напряжений зависят от скорости охлаждения сплава. В сплаве Si-30% Co первичные кристаллы кремния являются наиболее хрупкой фазой, поэтому вероятно, что именно в них формируются микротрещины, которые в дальнейшем могут приводить к возникновению магистральных трещин, проходящих через тело мишени, а микромеханические характеристики первичных кристаллов кремния предопределяют механические свойства сплава.

В данной работе приводятся результаты исследования влияния скорости охлаждения на микроструктуру и микромеханические характеристики сплава Si-30% Co и на остаточные напряжения в мишенях из этого сплава.

В качестве исходного сырья для выплавки сплава использовали отбракованные монокристаллы кремния, поликристаллический кремний и металлический кобальт. Процесс изготовления мишени осуществлялся методом литья на воздухе [1]. Выплавку сплава осуществляли в стаканах из электродного графита в стандартной высокочастотной индукционной печи марки ИСТ-0.06. Регулирование скорости охлаждения осуществляли, используя для изготовления литейных форм материалы с различной теплоемкостью - электродный графит, чугун и медь, а также, изменяя толщину отливки и/или стенок формы. При литье мишеней во всех случаях снимались температурные кривые охлаждения сплава, по которым рассчитывались фактические скорости охлаждения. Температурные измерения проводили с помощью вольфрам-рениевых термопар ВР-5/20. Внутренние напряжения изучали с помощью рентгеноструктурного анализа на дифрактометре ДРОН-УМ1 в CuK_a - излучении [2]. Микромеханические характеристики определяли методом индентирования на микротвердомере ПМТ-3. Металлографические исследования микрошлифов проводили с использованием оптического микроскопа "Versamet". Характеристики структурных составляющих сплава обрабатывали с помощью компьютерной программы "Videotest".

Рис.1. Микроструктура сплава Si-30%Co. Скорости охлаждения (50-100) (а, б) и (5-50) ⁰C/с (в, г).

Рис.2.  Влияние скорости охлаждения сплава на средний размер кристаллов кремния:первичного (1)

и эвтектического (2)

Анализ диаграммы состояния, рентгенофазовый анализ и металлографические исследования сплава показали, что он содержит первичные кристаллы кремния (ПКК) и эвтектику, состоящую из Si и CoSi₂ (рис.1). Влияние скорости охлаждения расплава на микроструктуру и характеристики сплава изучали в интервале скоростей от 1 до 100^оС/с. Из рис. 2 видно, что увеличение скорости охлаждения от 1 до 100^оС/с приводит к уменьшению среднего размера ПКК в 5 раз, при этом размер зерна кремния в эвтектике уменьшается в 10 раз. Сплав обладает наиболее однородной структурой при скоростях охлаждения менее 50^оС/с: коэффициент вариации среднего размера ПКК составляет 30±5%, а среднеквадратичное отклонение - 10±3%. Исследование микромеханических характеристик ПКК показало, что при увеличении скорости охлаждения происходит увеличение микротвердости и хрупкой микропрочности и уменьшение микрохрупкости (рис.3). При скоростях охлаждения выше 5⁰C/с влияние скорости охлаждения на микрохрупкость незначительно, а заметный рост микрохрупкости имеет место при скоростях охлаждения ниже 5^оС/с. При скоростях выше 40^оС/с упругопластичные свойства ПКК преобладают над хрупкими. Нами было исследовано распределение микро- и макронапряжений в поверхностном слое мишени в зависимости от скорости охлаждения сплава. Было показано, что в интервале скоростей (50-100)^оС/с имеют место растягивающие макронапряжения, уровень которых составляет (30-60) МПа, а в интервале(5-50)^оС/с - сжимающие. Распределение макронапряжений в поверхностном слое мишени наиболее равномерно при скорости охлаждении в интервале 5-50^оС/с. Микронапряжения во всем исследованном диапазоне скоростей охлаждения являются растягивающими, а их уровень находится в интервале (300-500) МПа.

Рис.3. Зависимость микротвердости H (1), микрохрупкости g (2) и микропрочности d (3) первичных кристаллов кремния от скорости охлаждения сплава

С использованием результатов проведенных исследований нами при скоростях охлаждения в интервале 5-50^оС/с были выплавлены мишени из сплава Si-30%Co. Размеры мишеней после механической обработки составляли 260´230´9 мм, они не содержали трещин и посторонних включений. Сплав обладал однородной мелкозернистой структурой, а его пористость не превышала 5%.

Таким образом, для получения качественных мишеней из сплава Si-30%Co предпочтительно использовать скорости охлаждения расплава в интервале 5-50^оС/с. При этом сплав обладает однородной мелкозернистой структурой, высокими прочностными характеристиками, его пористость не превышает 5%, а уровень остаточных напряжений в мишенях минимален.

Литература

1. Пат. РФ №2184164, кл. С22С1/04 Способ изготовления изделий из сплава на основе кремния. /Кузьмич Ю.В., Фрейдин Б.М., Серба В.И. и др. Опубл. 27.06.2002, бюлл. №18.
2. Уманский Я.С., Скаков Ю.А., Иванов А.Н. и др. Кристаллография, рентгенография и электронная микроскопия. М: Металлургия, 1982. 631 с.

Научные основы химии и технологии переработки комплексного сырья