一种制备NiV合金靶材的方法
【专利摘要】本发明公开了一种制备NiV合金靶材的方法，涉及使用特殊的熔铸方法制备高纯度、晶粒细小的NiV合金靶材产品。通过采用氧化硼作为覆盖剂对合金熔体实施净化以提高合金靶材的纯度，采用循环液态金属冷却的铜模进行浇铸实现合金熔体的快速凝固，从而获得纯度高、晶粒细小、无偏析、相结构单一的NiV合金靶材产品，提高了效率和成品率。
【专利说明】—种制备Ni V合金靶材的方法
【技术领域】
[0001]本发明是针对一种用于形成半导体金属化系统中阻挡/隔离/粘附层的NiV合金靶材所提出的特殊熔铸方法，该方法可以高效率的降低合金靶材的平均晶粒度，改善元素偏析现象，提高合金靶材的纯度。
【背景技术】
[0002]NiV合金靶材是在纯镍和纯钒靶的基础上发展起来的新型半导体关联材料。工程上采用NiV合金靶取代原来的镍靶和钒靶，既可一次溅射生成粘附层和阻挡层，同时，向镍中添加一定量的钒后，镍基合金呈现非磁性也利于磁控溅射。工程上所应用的NiV合金靶材要求，尤其是大规格的靶材其纯度高、成分均匀、晶粒细、组织均匀，合金为严格的单一相。这样，保证溅射沉积后薄膜的均匀性和动态电压平稳，保证薄膜不形成脆性化合物[夏慧，真空磁控溅射靶N1-V合金的均匀性研究[J]，稀有金属，1994，18(6): 436-440]。
[0003]靶材的纯度和晶粒度直接影响到形成沉积材料的质量，使用较高纯度的靶材可以获得较高纯度的溅射沉积材料，使用晶粒尺寸较小的靶材可以获得物理/化学均匀性较好的溅射沉积材料，因此，如何获得高纯度、较小晶粒度的靶材一直是国内靶材工作者的目标。国内发明专利[[中国专利CN1723292A ;中国专利CN1852998A ;中国专利CN102154578A ;中国专利CN102154577A]所公开的关于制备NiV合金靶材或合金基带的方法中描述了使用高纯原料，运用较大的塑性变形加工联合后续的再结晶退火工艺，或运用粉末冶金等方法来获得晶粒度细小、纯度高的靶材的工艺过程，该类方法均为传统工艺，工序较为复杂，各种参数需精确控制，一般操作人员掌握较为困难，产品的批次稳定性不高，对能源的消耗也较大。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种特殊的熔铸方法，高效的获得晶粒细小、纯度高的NiV合金祀材。
[0005]本发明的技术方案是:包括合金的熔炼，熔体的净化，合金的快速凝固成型，采用循环液态金属循环冷却的铜模进行浇铸实现合金快速凝固成型，获得细小晶粒的NiV合金靶材。采用氧化硼作为覆盖剂对合金熔体实施净化以获得高纯度NiV合金靶材。采用蠕动系统实现液态金属冷却循环，流速为l_5L/min所使用的液态金属为(重量百分比wt%):Gain (20-23) Sn (13-18)或 Gain (22-27) Sn (10-15) Zn (0.5-1.5)。合金靶材为单一相结构组成，合金祀材晶粒度小于15 μ m。
[0006]本发明的详细工艺步骤是:使用纯度大于99.95wt %的Ni和V原料，按照V:3-7wt%,N1:93-97被％的比例进行配料，将原料于坩埚中合理码放后，抽空炉腔，当真空度抽至10_2Pa范围内时加电缓慢升温，使吸附于物料表面的气体和挥发性杂质随温度的升高而挥发，由真空系统带走；烘烤物料一段时间后，关闭真空系统，向炉腔内回充高纯氩气，力口大电流至物料完全熔化；关闭电流使熔体于坩埚中凝固，进一步排除合金内的气体；待熔体完全凝固后，向坩埚中添加适量的覆盖剂，本发明所使用的覆盖剂为氧化硼，加电至合金重新熔化，覆盖剂形成一层粘性熔体浮于合金熔体表面，合金熔体由于电磁搅拌作用不断地翻动，在此过程中，合金熔体内的杂质被覆盖剂吸附，合金熔体被很大程度的净化；净化过程持续一定时间后，将合金熔体浇入由循环液态金属冷却的铜模中，由于液态金属巨大的热容量，使合金熔体的温度在极短的时间内降低，结晶凝固，获得晶粒度细小，相结构单一的合金。
[0007]本发明采用现普遍使用的N1-V靶材合金成分配比(重量百分比wt%):V为3-7，余量为Ni，配制合金，使用真空感应熔炼，浇铸成型，所不同的是在熔炼过程中使用覆盖剂对熔体实施净化处理，最后将净化处理过后的熔体浇入由循环液态金属冷却的铜模中实施强冷，获得纯度高，晶粒细小，相结构单一的合金。
[0008]基于合金凝固原理，当合金熔体处于强冷环境中时，合金温度在极短时间内降至固相线以下，所产生的剧烈的能量起伏会导致熔体中产生大量的晶核，形核率剧增，最终使凝固合金的晶粒大大细化；快速的冷却也使得合金的高温相结构得以保持下来，避免了中低温阶段的某些反应的发生，有效避免元素偏析，使得最终获得的合金保持了均匀、单一的相结构；宏观上，较快的凝固速度使得铸锭的体收缩与凝固收缩相当，有效的减小甚至避免了缩孔和缩松的产生，提高了铸锭的质量。
[0009]水作为普遍使用的冷却媒介，由于水的沸点低(100°C )，极容易在需冷却的界面表面形成气化层，阻隔了热量向水中传递，降低了水冷的效率，而液态金属具有很高的沸点和极大的热容，用液态金属作为冷却媒介避免了使用水作为冷却媒介所产生的气化现象，使本发明中快速凝固的思路得以实现。本发明中所使用的液态金属为(wt%):Gain (20-23) Sn (13-18)或 Gain (22-27) Sn (10-15) Zn (0.5-1.5)，其循环机构由蠕动系统实现，流量为l_5L/min，进一步保障了冷却效率。
[0010]本发明的有益效果为:使用覆盖剂净化熔体和快速凝固的方法，有效的去除了合金熔体中的杂质，提高了合金靶材的纯度，采用崭新的思路高效率的细化了合金靶材的晶粒，保证了合金中相结构的均匀单一，避免元素偏析，提高了铸锭的成品率。
【具体实施方式】
[0011]下面通过实施例对本发明做进一步说明，但不限于实施例。
[0012]实施例1
[0013]采用纯度不低于99.95被％的N1、V为原料，按照Ni:95wt%, 丫:5被％的比例进行配料，投料总数2000g。将原料于坩埚中，抽空炉腔，真空度抽至5 X 10_2Pa时加电缓慢升温，不致熔化，烘烤物料一段时间后，关闭真空系统，向炉腔内回充高纯氩气至微负压，加大电流至物料完全熔化，关闭电流使熔体于坩埚中凝固，向坩埚中添加适量的氧化硼，量为其熔化后能够完全覆盖合金表面为宜，加电至合金重新熔化，利用电磁搅拌作用使熔体不断地翻动，持续一定时间后，将合金熔体按一定速度浇入由循环液态金属冷却的铜模中，液态金属流速为5L/min，对合金铸锭进行取样分析，其杂质(包括气体)含量符合产品要求，晶粒度小于15 μ m,分布均匀，相比使用传统石墨模具进行浇铸(约150 μ m)，晶粒得到较大程度的细化。
[0014]实施例2[0015]采用与实施例1中相同的原料，配比为N1:93wt%，V:7wt%，投料总数5000g。采用与实施例1中相同的制备工艺制备合金靶材，对合金铸锭进行取样分析，其杂质(包括气体)含量符合产品要求，晶粒度小于15μπι，分布均匀，相比使用传统石墨模具进行浇铸(约150 μ m)，晶粒得到较大程度的细化。
【权利要求】
1.一种制备NiV合金靶材的方法，包括合金的熔炼，熔体的净化，合金的快速凝固成型，其特征在于:采用循环液态金属循环冷却的铜模进行浇铸实现合金快速凝固成型，获得细小晶粒的NiV合金靶材。
2.根据权利要求1所述制备NiV合金靶材的方法，其特征在于:采用氧化硼作为覆盖剂对合金熔体实施净化以获得高纯度NiV合金靶材。
3.根据权利要求2所述制备NiV合金靶材的方法，其特征是:采用蠕动系统实现液态金属冷却循环,流速为l-5L/min。
4.根据权利要求3所述制备NiV合金靶材的方法，其特征是:所使用的液态金属为(wt% ) =GaIn (20-23) Sn (13-18)或 Gain (22-27) Sn (10-15) Zn (0.5_1.5)。
5.根据权利要求1所述制备NiV合金靶材的方法，其特征是:合金靶材为单一相结构组成，合金祀材晶粒度小于15 μ m。
6.一种制备NiV合金靶材的方法，其特征在于包含下列工艺步骤: 使用纯度大于99.95wt %的Ni和V原料，按照V:3-7wt %，Ni:93-97wt %的比例进行配料，将原料于坩埚中合理码放后，抽空炉腔，当真空度抽至KT2Pa范围内时加电缓慢升温，使吸附于物料表面的气体和挥发性杂质随温度的升高而挥发，由真空系统带走；烘烤物料一段时间后，关闭真空系统，向炉腔内回充高纯氩气，加大电流至物料完全熔化；关闭电流使熔体于坩埚中凝固，进一步排除合金内的气体；待熔体完全凝固后，向坩埚中添加适量的覆盖剂，形成一层粘性熔体浮于合金熔体表面，合金熔体由于电磁搅拌作用不断地翻动，持续一定时间后，将合金熔体浇入由循环液态金属冷却的铜模中结晶凝固，获得晶粒度细小，相结构单一的合金。
7.根据权利要求6所述制备NiV合金靶材的方法，其特征在于:采用氧化硼作为覆盖剂。
8.根据权利要求6所述制备NiV合金靶材的方法，其特征是:采用蠕动系统实现循环液态金属冷却，流速为l_5L/min。
9.根据权利要求6所述制备NiV合金靶材的方法，其特征是:所使用的液态金属为(wt% ) =GaIn (20-23) Sn (13-18)或 Gain (22-27) Sn (10-15) Zn (0.5_1.5)。
10.根据权利要求1所述制备NiV合金靶材的方法，其特征是:合金靶材为单一相结构组成，合金祀材晶粒度小于15 μ m。
【文档编号】C22C19/03GK104014767SQ201410246797
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年6月5日 优先权日:2014年6月5日
【发明者】毕珺, 宋修庆, 闻明, 管伟明 申请人:贵研铂业股份有限公司