BRPI0617249A2 - alvo tubular - Google Patents
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Abstract
<B>ALVO TUBULAR.<D> A presente invenção refere-se a um método para produção de um alvo tubular que consiste em Mo ou de uma liga de Mo que tenha um teor de oxigênio de menos de 50 <109>g/g, uma densidade de mais de 99% da densidade teórica e um tamanho médio de grão de menos de 100 <109>m e que é conectado a um tubo de apoio, a produção sendo executada por extrusão.
Description
Relatório Descritivo da Patente de Invenção para "ALVO TU-BULAR".
A presente invenção refere-se a um método para produção deum alvo tubular que compreende um tubo de molibdênio ou de uma liga de molibdênio com um teor de oxigênio de menos de 50 μg/g, uma densidadede mais de 99% da densidade teórica e um tamanho médio de grão trans-versalmente à direção axial de menos de 100 μιτι bem como um tubo de a -poio de um material não-magnético.
Um alvo é entendido como sendo um material a ser ejetado deum sistema de atomização do catodo. Alvos tubulares giratórios são conhe-cidos e descritos, por exemplo, na US 4.422.916 e na US 4.356.073. Duran-te a ejeção, o alvo tubular gira em torno de um magnétron localizado no tu-bo. Os alvos tubulares são usados predominantemente para produzir reves-timento sobre uma grande área. A rotação do alvo tubular alcança o efeitode erosão uniforme do material ejetado. Os alvos tubulares têm, portanto,uma alta taxa de utilização do material do alvo e uma vida útil longa do alvo,que é de significância em particular no caso de materiais de revestimentocaros, como é o caso com o molibdênio. Então a taxa de utilização para al-vos planos é de cerca de 15 a 40% e para alvos tubulares em torno de 75 a90%.
O resfriamento do alvo executado no espaço dentro do alvo tu-bular é muito mais eficaz que no caso de alvos planos como resultado datransferência de calor mais favorável no tubo, o que torna possível uma mai-or taxa de aquecimento. Para garantir que nenhuma água de resfriamentoflua para fora mesmo com uma alta utilização do alvo, e também para au-mentar a capacidade mecânica de suporte de carga e facilitar a fixação nossistemas de ejeção, o alvo tubular é geralmente conectado a um tubo deapoio. O tubo de apoio deve, nesse caso, ser de material não-magnético,para não interagir com o campo magnético que determina a região de erosão.
Conforme mencionado, o uso de alvos tubulares é vantajososempre que substratos de grande área são revestidos. No caso de molibdê-nio como material alvo, este é o caso, por exemplo, da produção LCD-TFT erevestimento de vidro.
Muitos métodos de produção são descritos para a produção dealvos tubulares. Muitos desses métodos tomam o caminho de uma fase Ii-quida, tal como, por exemplo, Iingotamento contínuo e centrífugo. Este últi-mo está descrito na DE 199 53 470. Devido ao ponto de fusão mais alto domolibdênio e aos problemas resultantes com a descoberta de um material demolde adequado, esses meios de execução da produção não podem serusados para o molibdênio e suas ligas.
Alvos tubulares podem também ser produzidos enrolando-seuma tira grossa em torno de um núcleo e soldando-se as regiões de contato.Entretanto, a costura da solda tem uma microestrutura e poros muito maisbrutos, o que leva a uma erosão não-uniforme e, como conseqüência, dife-rentes espessuras de camadas. Além disso, no caso do molibdênio, a regiãosoldada é extremamente frágil e conseqüentemente tem risco de fratura.
Um outro alvo tubular é conhecido da US 4.356.073. A produçãoocorre nesse caso pelo material de ejeção que é depositado em um tubo deapoio por pulverização de plasma. Mesmo usando-se a técnica de pulveriza-ção de plasma com vácuo, entretanto, alvos tubulares completamente den-sos não podem ser produzidos com um teor de gás adequadamente baixo. Adeposição eletroquímica, como é usada para o Cr e o Sn, também não éadequada para o molibdênio e suas ligas. Na EDP 0 500 031, é descrita aprodução de um alvo tubular por pressão isostática a quente. Nesse caso,um tubo de apoio é posicionado em uma lata, de modo a produzir entre otubo de apoio e o molde um espaço intermediário no qual o pó do materialalvo é colocado. Após fechar a lata, ela é submetida a uma operação de a-densamento isostático a quente. A quantidade de pó usado em relação aopeso do alvo tubular acabado está nesse caso desfavoravelmente alta.
A US 6.878.250 e a US 6.946.039 descreve o uso de ECAP(pressão angular de canal igual) para a produção de alvos ejetados. No casode ligas de molibdênio com valores comparativamente altos de Kf, isto leva aum alto nível de desgaste da ferramenta.O objetivo da invenção é, portanto, fornecer um método paraprodução de um alvo tubular o qual por um lado é econômico e por outrolado produz um produto que é uniformemente corroído no processo de eje-ção, não tende a dar uma taxa de ejeção aumentada localmente e não levaa qualquer contaminação do substrato ou da camada depositada.
O objetivo é alcançado pelas reivindicações independentes.
Para se alcançar uma estrutura adequada de grãos finos, umaatividade de sinterização, e conseqüentemente densidade, é usado um pómetálico com um tamanho de partículas de acordo com Fisher de 0,5 a 10μm. Para a produção de alvos tubulares de Mo puro, um pó de Mo com umapureza de metal maior que 99,9% em peso é usado vantajosamente. Se umalvo tubular for produzido de uma liga de Mo, são usadas misturas de pós oupós pré-ligados, o tamanho de partícula entretanto igualmente caindo na fai-xa de 0,5 a 10 μιτι. O pó é colocado em um molde flexível, no qual o núcleojá está posicionado. O núcleo determina o diâmetro interno do tubo vazio,com permissão para a compactação durante a operação de prensagem e oencolhimento da sinterização. Os aços de ferramenta comuns são adequa-dos como materiais para o núcleo. Após encher o molde flexível com o pómetálico e o fechamento líquido hermético do molde flexível, ele é posicio-nado em um recipiente de pressão de uma prensa isostática a frio. A com-pactação ocorre a pressões de 100 a 500 MPa. Após isto, o compactadonão-sinterizado é retirado do molde flexível e o núcleo é removido. Após isto,o compacto não sinterizado é sinterizado a uma temperatura na faixa de1600PC a 2500°C em uma atmosfera redutora ou a vácuo. Abaixo de1600eC, não se obtém uma desinficação adequada. Acima de 2500°C, co-meça o embrutecimento indesejado dos grãos. A temperatura de sinteriza-ção a ser escolhida depende do tamanho de partícula do pó. Compactosnão-sinterizados produzidos a partir de um pó com um tamanho de partículade 0,5 μηι de acordo com Fisher podem ser sinterizados a uma temperaturade sinterização baixa, da ordem de 1600°C até uma densidade de mais de95% da densidade teórica, enquanto que, para compactos não-sinterizadosque são produzidos a partir de um pó com um tamanho de partícula de 10μm de acordo com Fisher, uma temperatura de sinterização de aproxima-damente 2500°C é necessária. Se a precisão dimensional do processo deprensagem não for adequada, o que é geralmente o caso, o metal sinteriza-do é usinado. O diâmetro externo do metal sinterizado é, nesse caso, deter-minado pelo diâmetro interno do recipiente de pressão de extrusão. Paratornar possível para o metal extrudado ser posicionado sem problemas norecipiente da pressão dé extrusão, o diâmetro externo do metal sinterizado éum pouco menor que o diâmetro interno do recipiente. O diâmetro interno épor sua vez determinado pelo diâmetro do mandril.
Para se reduzir a perda de descarga do molibdênio durante aextrusão, é vantajoso prender mecanicamente uma extremidade da peça deaço a uma extremidade do tubo de molibdênio. Essa união mecânica podeser executada, por exemplo, por meio de uma conexão atarraxada ou apara-fusada. O diâmetro externo e o diâmetro interno da extremidade da peça deaço do tubo metálico nesse caso correspondem ao diâmetro externo e aodiâmetro interno do tubo de molibdênio.
Para a extrusão, o tubo metálico é aquecido até uma temperatu-ra T, onde DBTT < T < (Ts - 800°C). DBBT deve ser entendido aqui comosignificando a temperatura de transição dúctil frágil. A temperaturas mais baixas, fraturas ocorrem crescentemente. O elemento de temperatura supe-rior é dado pela temperatura de fusão (Ts) da liga de molibdênio menos800°C. Isso assegura que nenhum embrutecimento de grão indesejável o-corra durante a operação de extrusão. O aquecimento inicial pode nessecaso ser executado em um forno convencional a gás ou eletricamente aque-cido (por exemplo, um forno de soleira rotativa), tendo que ser dada permis-são para que o controle de fluxo de gás seja escolhido de forma que o valorIambda seja neutro ou negativo. Para se obter maiores temperaturas de ex-trusão, um reaquecimento indutivo pode ser executado. Após a operação deaquecimento inicial, o tubo metálico é enrolado em uma mistura de pó devidro. Após isto, o tubo metálico é posicionado no recipiente da prensa deextrusão e prensado sobre um mandril através de um molde para o respecti-vo diâmetro externo ou interno.É vantajoso se o tubo extrudado for submetido a uma recupera-ção ou a um processo de recozimento de recristalização em uma atmosferaredutora ou a vácuo a uma temperatura T de 700°C < T < 1600°C. Se atemperatura cair abaixo do limite inferior, a redução de estresse é muito pe-quena. A uma temperatura maior que 1600°C, ocorre o embrutecimento dosgrãos. O tubo extrudado é usinado no diâmetro externo do tubo, as facesextremas e, vantajosamente, no lado interno do tubo.
O tubo de molibdênio produzido desta forma é conectado a umtubo de apoio de material não-magnético. O diâmetro externo do tubo deapoio corresponde aproximadamente ao diâmetro interno do tubo de molib-dênio. Além disso, o tubo de apoio vai além das respectivas extremidades dotubo de molibdênio. Ligas de cobre, aços austeníticos, titânio ou ligas de ti-tânio devem ser mencionados como materiais particularmente adequadospara o tubo de apoio.
Adequados como métodos de conexão são tanto aqueles méto-dos que levam a uma aglutinação material quanto aqueles que levam a umaconexão ajustada. Uma condição, entretanto, é que a área de contato entreo tubo de molibdênio e o tubo de apoio seja de pelo menos 30% da área teo-ricamente possível. Se a área for menor, a remoção de calor é muito atrapa-lhada. Também o baixo coeficiente de expansão térmica do molibdênio temque ser considerado. Portanto, a temperatura de junção deve ser escolhidapara ser tão baixa quanto possível. Se, por exemplo, a conexão entre o tubode molibdênio e o tubo de apoio for executada por um processo de forjamen-to, pelo fato do tubo de apoio estar posicionado no tubo de molibdênio e for-jado sobre um mandril, temperaturas de conformação tão baixas quantopossível, de cerca de 500 a 800°C, devem ser escolhidas. Além disso, évantajoso se o material do tubo de apoio tiver um baixo limite de elasticida-de, para que os estresses que ocorram devido ao fluxo plástico possam serreduzidos.
Em um outro método conforme a invenção, um espaço do tubode molibdênio é co-extrudado com um espaço do tubo de apoio. A produçãode tubo de molibdênio nesse caso novamente baseada em um pó metálicocom um tamanho médio de partícula de acordo com Fisher de 0,5-10 μηι.
O tubo metálico é novamente produzido por prensagem isostática a frio dopó metálico em um molde flexível usando-se um núcleo e sinterizando nafaixa de 1600°C a 2500°C.
Após a sinterização, o tubo metálico é usinado. Dentro do tubometálico, é posicionado um tubo metálico de apoio de um aço austenítico.Em uma ou em ambas as partes extremas do tubo metálico, uma peça deextremidade do tubo é ligada por uma conexão mecânica (por exemplo, umaconexão atarraxada ou aparafusada). A peça da extremidade do tubo tem,nesse caso, aproximadamente o diâmetro interno e o diâmetro externo dotubo metálico. A espessura da peça da extremidade do tubo fica preferivel-mente na faixa de 10 a 100 mm. Por sua vez, fixado à peça da extremidadedo tubo está o tubo metálico de apoio. Esta fixação preferivelmente ocorrepor uma conexão soldada.
O diâmetro externo do tubo metálico de apoio pode correspon-der aproximadamente ao diâmetro interno do tubo metálico de molibdênio ouainda ser escolhido de forma que um vão definido seja produzido entre otubo metálico de molibdênio e o tubo metálico de apoio. Um pó de aço, pre-ferivelmente de aço austenítico, é preenchido nesse vão definido. O corpode tubo composto produzido dessa forma é aquecido até uma temperaturade conformação de 900°C a 1350°C. Apenas alvos tubulares de ligas de mo-libdênio que possam ser adequadamente deformados a esta temperaturapodem ser produzidos dessa forma. Uma maior temperatura de extrusão nãopode ser escolhida por conta do aço.
O tubo metálico composto produzido dessa forma é extrudadosobre um mandril (co-extrusão), enquanto um tubo composto é produzido.Opcionalmente, isso pode ser seguido da execução de um processo de re-cozimento, a temperatura de recozimento ficando preferivelmente em tornode 800°C a 1300°C.
O uso de um vão com um pó de aço colocado nele tem o efeitode melhorar a aglutinação entre o tubo de apoio e o tubo de molibdênio du-rante a co-extrusão. Uma largura de vão de 3 mm a 20 mm provou ser van-tajosa.
O uso de pó de vidro como lubrificante atinge o efeito de umaexcelente superfície do alvo tubular no caso tanto da extrusão quanto da co-extrusão, enquanto que a usinagem pode ser reduzida a um mínimo. Alémdisso, isso assegura que o alvo tubular está livre de poros e também livre defraturas nos limites dos grãos. A faixa de 40 a 80% foi descoberta comosendo o grau vantajoso de conformação durante o processo de extrusão. Ograu de conformação é, nesse caso, determinado como segue: ((seçãotransversal inicial antes da extrusão menos a seção transversal após a ex-trusão) / seção transversal inicial) χ 100.
Após o processo de extrusão/co-extrusão, pode ser vantajosopara o tubo extrudado ser retificado. Isto pode ser executado por um proces-so de forjamento sobre um mandril.
Além disso,a espessura de parede sobre o comprimento do tubode molibdênio ou do tubo composto pode também ser variada por um pro-cesso de forjamento subseqüente. A espessura da parede pode, nesse ca-so, ser vantajosamente tornada mais espessa na região das extremidadesdo tubo. A região das extremidades do tubo é também a região de maior e-rosão durante o uso.
A qualidade de superfície e as tolerâncias dimensionais são a-justadas pela usinagem adequada.
É garantido pelo método conforme a invenção que o teor de oxi-gênio na liga de molibdênio é < 50 μg/g, preferivelmente menor que 20 μg/g,a densidade é maior que 99% da densidade teórica, preferivelmente maiorque 99,8% da densidade teórica, e o tamanho médio de grão transversal-mente à direção do eixo é menor que 100 μm, preferivelmente menor que 50μηη. O tamanho médio de grão é determinado transversalmente à direçãoaxial porque no caso de uma microestrutura deformada, não recristalizada,os grãos são estirados na direção axial e conseqüentemente uma determi-nação exata do tamanho do grão na direção axial é tornada mais difícil. Comambos os métodos descritos, é possível produzir alvos tubulares de molib-dênio com uma pureza de mais de 99,99% em peso. Pureza metálica deveser entendida nesse caso como significando a pureza do alvo tubular de mo-libdênio sem gases (O, Η, N) e C. O tungstênio também não é consideradonesse valor, o que não é crítico para a aplicação.
Para o alvo tubular conforme a invenção ser usado na área deprodução de TFT-LCD, as ligas de molibdênio que contenham 0,5 a 30% empeso de V, Nb, Ta, Cr e/ou W são também particularmente adequadas.
A invenção é explicada em maiores detalhes abaixo, por meio deum exemplo.
EXEMPLO
Um pó de M0O3 foi reduzido em um processo de redução deduas etapas a 600°C e IOOO°C para dar pó metálico de Mo com um tama-nho médio de grão de 3,9 μm. Em um tubo de borracha próximo de uma ex-tremidade, com um diâmetro de 420 mm, foi posicionado no centro um man-dril de aço com um diâmetro de 141 mm. O pó metálico de molibdênio foicolocado no espaço intermediário entre o núcleo de aço e a parede de bor-racha.
Isto foi seguido do fechamento do tubo de borracha em sua ex-tremidade aberta por meio de uma tampa de borracha. O tubo de borrachafechado foi posicionado em uma prensa isostática a frio, e compactado auma pressão de 210 MPa.
O compacto não-sinterizado tinha uma densidade de 64% dadensidade teórica. O diâmetro externo foi de aproximadamente 300 mm. Ocompacto não-sinterizado produzido dessa forma foi sinterizado em um fornode sinterização indireta a uma temperatura de 1900°C. A densidade sinteri-zada foi 94,9% da densidade teórica.
Após a operação de sinterização, o tubo metálico foi usinado emtodos os seus lados, o diâmetro externo sendo 243 mm, o diâmetro interno123 mm e o comprimento 1060 mm. A extrusão ocorreu em uma prensa deextrusão indireta de 2500 t. O tubo metálico foi aquecido até uma temperatu-ra de 1100°C em um forno de soleira rotativa aquecido a gás. O valor Iamb-da foi neste caso ajustado de forma que a atmosfera foi levemente redutora,enquanto que a oxidação do molibdênio foi evitada. Após o aquecimentoinicial no forno rotativo, o espaço extrudado foi aquecido até uma temperatu-ra de 1250°C e enrolado em uma quantidade abundante de pó de vidro, demodo que o pó de vidro aderiu ao lado de fora de todos os lados.
Isto foi seguido de pressão sobre um mandril, onde foi obtido umtubo extrudado com um comprimento de 2700 mm, um diâmetro externo de170 mm e um diâmetro interno de 129 mm.
Um tubo de apoio de um aço austenítico com uma espessura deparede de 6 mm foi posicionado no tubo extrudado. Esse conjunto foi retifi-cado sobre um mandril em uma máquina de forjamento de três mordentes auma temperatura de 500°C e levemente deformado, enquanto que foi produ-zida uma aglutinação entre o tubo de molibdênio e o tubo de apoio.
Claims (20)
1. Método para produção de um alvo tubular, compreendendoum tubo de molibdênio ou de liga de molibdênio com um teor de oxigênio demenos de 50 μg/g, uma densidade de mais de 99% da densidade teórica eum tamanho médio de grão transversalmente à direção axial de menos de 100 μm bem como um tubo de apoio de material não-magnético, caracteri-zado pelo fato de que esse método compreende pelo menos as seguintesetapas de produção:- produção de um pó metálico de Mo ou de uma liga de Mo comum tamanho médio de partícula de acordo com Fisher de 0,5 a 10 μηι;- produção de um compacto não-sinterizado na forma de um tu-bo metálico por pressão isostática a frio do pó metálico em um molde flexívelusando-se um núcleo a uma pressão p, onde 100 MPa < ρ < 500 MPa;- produção de um tubo metálico pela sinterização do compactonão-sinterizado a uma temperatura T, onde 1600°C < T < 2500°C, em umaatmosfera redutora ou a vácuo;- produção de um tubo pelo aquecimento do tubo metálico atéuma temperatura de conformação T1 onde DBTT < T < (Ts menos 800°C) eextrusão sobre um mandril;- ligação do tubo ao tubo de apoio;- usinagem;
2. Método de acordo com a reivindicação 1, caracterizado pelofato de que o tubo metálico sinterizado é usinado.
3. Método de acordo com a reivindicação 2, caracterizado pelofato de que uma peça da extremidade do tubo de aço, que tem aproximada-mente os mesmos diâmetros externo e interno que o tubo metálico, é fixadoa pelo menos uma extremidade do tubo metálico.
4. Método de acordo com uma das reivindicações 1 a 3, caracte-rizado pelo fato de que o tubo extrudado é recozido em uma atmosfera redu-tora ou a vácuo a uma temperatura de recozimento T de 800°C < T < 1600°C.
5. Método de acordo com uma das reivindicações 1 a 4, caracte-rizado pelo fato de que o tubo de apoio consiste em uma liga de cobre, pre-ferivelmente Cu-Cr-Zr, aço austenítico, titânio ou uma liga de titânio.
6. Método de acordo com uma das reivindicações 1 a 5, caracte-rizado pelo fato de que o tubo de apoio é conectado por um processo de Ii- gação ao tubo de molibdênio ou de liga de molibdênio, que leva a uma de-formação plástica do tubo de apoio.
7. Método de acordo com a reivindicação 6, caracterizado pelofato de que o tubo de apoio é conectado ao tubo de molibdênio ou de umaliga de molibdênio por um processo de conformação.
8. Método para produção de um alvo tubular, compreendendoum tubo de molibdênio ou de liga de molibdênio com um teor de oxigênio demenos de 50 μg/g, uma densidade de mais de 99% da densidade teórica eum tamanho médio de grão transversalmente à direção axial de menos de-100 μm bem como um tubo de apoio de um material não-magnético, carac- terizado pelo fato de que esse método compreende pelo menos as seguintesetapas de produção:- produção de um pó metálico de Mo ou de uma liga de Mo comum tamanho médio de partícula de acordo com Fisher de 0,5 a 10 μιτι;- produção de um compacto não-sinterizado na forma de um tu- bo metálico por pressão isostática a frio do pó metálico em um molde flexívelusando-se um núcleo a uma pressão p, onde 100 MPa < ρ < 500 MPa;- produção de um tubo metálico pela sinterização do compactonão-sinterizado a uma temperatura T, onde 1600°C < T < 2500°C, em umaatmosfera redutora ou a vácuo;- trabalhar o tubo metálico e unir pelo menos uma peça de ex-tremidade do tubo de aço, onde o tubo de apoio de aço austenítico que ficadentro do tubo é fixado.- produção de um tubo composto pelo aquecimento até umatemperatura de conformação T, onde 900 < T < 1350°C e co-extrusão sobre um mandril;- usinagem.
9. Método de acordo com a reivindicação 8, caracterizado pelofato de que o tubo composto é recozido em uma atmosfera redutora ou avácuo a uma temperatura de recozimento T de 800°C < T < 1300°C.
10. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 e-9, caracterizado pelo fato de que existe um vão de 0,2 a 1 mm entre o tubometálico e o tubo metálico de apoio.
11. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 8 e-9, caracterizado pelo fato de que existe um vão de 3 mm a 20 mm entre otubo metálico e o tubo de apoio e é enchido com pó de aço.
12. Método de acordo com uma das reivindicações 1 a '11, ca-racterizado pelo fato de que é usado pó de vidro para lubrificação durante aextrusão.
13. Método de acordo com uma das reivindicações 1 a 12, ca-racterizado pelo fato de que o grau de conformação durante a extrusão é de-40 a 80%.
14. Método de acordo com uma das reivindicações 1 a 13, ca-racterizado pelo fato de que o tubo extrudado ou do tubo composto é retifi-cado em um mandril por um processo de forjamento.
15. Método de acordo com uma das reivindicações 1 a 14, ca-racterizado pelo fato de que o tubo extrudado ou o tubo composto é defor-mado em um mandril por um processo de forjamento de tal forma que a es-pessura da parede difere sobre o comprimento do tubo.
16. Método de acordo com a reivindicação 15, caracterizado pe-lo fato de que o tubo extrudado ou o tubo composto é deformado de tal for-ma que o tubo tem uma maior espessura de parede na direção das extremi-dades do tubo.
17. Método de acordo com uma das reivindicações 1 a 16, ca-racterizado pelo fato de que o tubo de molibdênio consiste em molibdêniopuro com uma pureza exclusivamente metálica do tungstênio de mais de-99,99% em peso.
18. Método de acordo com uma das reivindicações 1 a 16, ca-racterizado pelo fato de que o tubo de molibdênio consiste em uma liga demolibdênio que contém 0,5 a 30% em peso de V, Nb, Ta, Cr e/ou W.
19. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 18, caracterizado pelo fato de que o alvo tubular é usado para a produção detelas planas LCD-TFT.
20. Método de acordo com qualquer uma das reivindicações 1 a 18, caracterizado pelo fato de que o alvo tubular é usado para revestimentocom vidro.
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