稀土金屬靶材及其制備方法技術(shù)

本發(fā)明專利技術(shù)提供了一種稀土金屬靶材及其制備方法。該制備方法包括：步驟S1，采用水冷坩堝懸浮熔煉方法將稀土金屬熔煉成稀土金屬熔液；步驟S2，對稀土金屬熔液進(jìn)行下拉鑄錠，得到稀土金屬鑄錠；以及步驟S3，對稀土金屬鑄錠進(jìn)行鍛造軋制以及機(jī)械加工，獲得稀土金屬靶材。通過采用水冷坩堝懸浮熔煉方法進(jìn)行熔煉及下拉方式鑄錠，不僅能夠防止熔液被坩堝污染，而且利用下拉過程中對凝固收縮進(jìn)行補(bǔ)償，消除氣孔和疏松等優(yōu)勢，獲得相對平整的凝固界面，避免枝晶迅速生長導(dǎo)致晶粒粗大，進(jìn)而使內(nèi)部致密無缺陷，不僅利于后續(xù)鍛造軋制，而且能夠獲得大尺寸的稀土金屬靶材。

Rare earth metal target and preparation method thereof

The invention provides a rare earth metal target material and a preparation method thereof. The preparation method comprises the following steps: step S1, using cold crucible levitation melting method of rare earth metal smelting rare earth molten metal; step S2, to drop the molten metal ingots on rare earth, rare earth metal ingot; and step S3, forging rolling and machining of rare earth metal ingot, for rare earth metal target. The ingot melting down and through the water-cooled crucible levitation melting method, not only can prevent the melt crucible is pollution, and use the drop-down process on the solidification shrinkage compensation, eliminate porosity and loose and other advantages, obtain the solidification interface relatively smooth, avoid dendrite growth leads to rapid grain coarsening, and the internal dense without defects, not only conducive to the subsequent rolling, but also can get the large size of the rare earth metal target.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】

本專利技術(shù)涉及靶材制備領(lǐng)域，具體而言，涉及一種稀土金屬靶材及其制備方法。
技術(shù)介紹
集成電路產(chǎn)業(yè)技術(shù)遵循摩爾定律不斷發(fā)展演進(jìn)，其中，芯片不斷縮小其特征尺寸，從微米推向深亞微米，進(jìn)而邁入納米時代，并向微細(xì)加工的物理極限進(jìn)軍。作為新一代28nm節(jié)點(diǎn)及以下MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor，金屬氧化物半導(dǎo)體場效應(yīng)晶體管)中的柵絕緣膜要求薄膜化，但是迄今作為柵絕緣膜使用的SiO2，由于隧道效應(yīng)引起漏電流增大，難以正常操作。因此，作為其替代物，業(yè)界提出了具有高介電常數(shù)、高熱穩(wěn)定性以及對硅中的空穴和電子具有高能勢壘的HfO2、ZrO2、Al2O3的非稀土的金屬氧化物以及La2O3、Er2O3、Gd2O3、Yb2O3和Er2O3等稀土氧化物。這些材料中的稀土氧化物的評價較高，有望將其取代SiO2作為新一代MOSFET中高介電常數(shù)的柵介質(zhì)材料、金屬柵材料等電子材料。作為濺射稀土氧化物薄膜材料用稀土金屬靶材，無論在化學(xué)純度還是尺寸等方面均具有較高要求：靶材純度大于99.99wt％、O含量小于100ppm；靶材直徑大于200mm、晶粒尺寸小于200μm，且微觀組織無明顯缺陷等。尤其針對半導(dǎo)體、顯示器件等領(lǐng)域用稀土金屬靶材，其對純度、致密度、晶粒尺寸、幾何形狀與尺寸等要求更為嚴(yán)格。尤其是在純度方面，僅使目標(biāo)稀土元素的含量大于99.99wt％還不能滿足要求，而且，現(xiàn)有技術(shù)中在計算目標(biāo)稀土金屬在稀土金屬靶材中的含量時，通常是目標(biāo)稀土元素的重量與稀土金屬靶材料減去非目標(biāo)稀土元素重量之后的重量差的比值，這樣分母變小，得到的純度自然較高。而實(shí)際上，其他非目標(biāo)稀土元素的存在會使得目標(biāo)稀土金屬元素在稀土金屬板材中的含量有可能達(dá)不到大于99.99wt％的要求。將該類稀土金屬板材用于濺射成膜時容易導(dǎo)致成膜不均勻以及成膜效率低等缺陷。因而，還需要進(jìn)一步提高目標(biāo)稀土元素在稀土金屬靶材中的含量，尤其是提高目標(biāo)稀土元素相對于非目標(biāo)稀土元素的含量比例。但由于99.99wt％純度稀土金屬產(chǎn)品制備技術(shù)在我國實(shí)現(xiàn)突破時間尚短，現(xiàn)行稀土金屬靶材制備工藝均以2N級(2N、3N、4N或5N表示當(dāng)量試劑的純度，4N即指含量為99.99％，N實(shí)質(zhì)代表9的個數(shù))工業(yè)純的金屬為原料，采用簡單的熔煉澆鑄，再切割成符合要求的型材，獲得的產(chǎn)品主要應(yīng)用于冶金等傳統(tǒng)領(lǐng)域。此方法具有工藝簡單、成本低的特點(diǎn)，但產(chǎn)品存在氣孔、晶粒尺寸較大、易開裂等缺點(diǎn)，難于滿足大尺寸、高致密靶材的制備要求，而且靶材制備過程中難于控制雜質(zhì)的引入。另外，相對而言，4N級金屬在強(qiáng)度、硬度、塑性、再結(jié)晶溫度等物理特征與2N工業(yè)純金屬相比存在明顯差異，現(xiàn)有稀土靶材制備工藝已不適用于電子信息用靶材的制備。因而，盡管現(xiàn)有技術(shù)中也已有少量4N級以上的稀土金屬靶材的報道，然而這些稀土金屬靶材用于濺射時容易導(dǎo)致成膜不均勻以及成膜效率低等缺陷。因此，仍需要對現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行改進(jìn)，以提供一種面向電子信息材料用的高純度稀土金屬靶材及其制備方法。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)的主要目的在于提供一種稀土金屬靶材及其制備方法，以解決現(xiàn)有技術(shù)中的制備工藝難以滿足電子信息材料用的稀土金屬靶材制備的問題。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本專利技術(shù)的一個方面，提供了一種稀土金屬靶材的制備方法，該制備方法包括：步驟S1，采用水冷坩堝懸浮熔煉方法將稀土金屬熔煉成稀土金屬熔液；步驟S2，對稀土金屬熔液進(jìn)行下拉鑄錠，得到稀土金屬鑄錠；以及步驟S3，對稀土金屬鑄錠進(jìn)行鍛造軋制以及機(jī)械加工，獲得稀土金屬靶材。進(jìn)一步地，稀土金屬為純度>99.99wt％的稀土金屬，優(yōu)選稀土金屬選自La、Ce、Pr、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Yb、Y以及Sc中的任意一種。進(jìn)一步地，步驟S1采用懸浮熔煉爐實(shí)施，懸浮熔煉爐內(nèi)的壓力高于大氣壓力300～500Pa；優(yōu)選懸浮熔煉爐內(nèi)為氬氣氣氛。進(jìn)一步地，步驟S2在對稀土金屬熔液進(jìn)行下拉鑄錠的過程中進(jìn)行超聲處理；超聲處理的步驟中超聲波的頻率范圍為30～40kHz，超聲儀的功率小于或等于30kW。進(jìn)一步地，步驟S2中下拉的速度為0.5～1mm/min。進(jìn)一步地，步驟S3包括：步驟S31，將稀土金屬鑄錠加熱到預(yù)定溫度，并在預(yù)定溫度下對稀土金屬鑄錠依次在X軸和Y軸方向上進(jìn)行自由鍛，得到自由鍛產(chǎn)物；步驟S32，對自由鍛產(chǎn)物進(jìn)行冷軋，得到冷軋產(chǎn)物；以及步驟S33，對冷軋產(chǎn)物進(jìn)行熱處理以及機(jī)械加工，得到稀土金屬靶材。進(jìn)一步地，步驟S31中，預(yù)定溫度為250～550℃；優(yōu)選地，當(dāng)稀土金屬為La、Ce或Yb時，預(yù)定溫度為250～310℃；當(dāng)稀土金屬為Nd或Pr時，預(yù)定溫度為300～400℃；當(dāng)稀土金屬為Gd、Tb、Dy、Ho或Er時，預(yù)定溫度為350～450℃；當(dāng)稀土金屬為Y或Sc時，預(yù)定溫度為400～550℃。進(jìn)一步地，步驟S31中，每次自由鍛使得稀土金屬鑄錠的變形量大于20％。進(jìn)一步地，步驟S32中，每次冷軋的變形量大于15％。進(jìn)一步地，熱處理采用在惰性氣氛保護(hù)下先淬火后回火的方式進(jìn)行，淬火采用油冷的方式進(jìn)行，優(yōu)選淬火的溫度為450℃～650℃，回火的溫度為150℃～300℃，回火的時間為1～5h；優(yōu)選地，La、Ce或Yb淬火的溫度為450℃～550℃，Nd或Pr淬火的溫度為500～600℃，Gd、Tb、Dy、Ho或Er淬火的溫度為550℃～650℃，Y、Sc淬火的溫度為600～750℃；優(yōu)選地，La、Ce或Yb回火的溫度為150℃～200℃，Nd或Pr回火的溫度為200～250℃，Gd、Tb、Dy、Ho或Er回火的溫度為200℃～300℃，Y、Sc回火的溫度為300～350℃。為了實(shí)現(xiàn)上述目的，根據(jù)本專利技術(shù)的一個方面，提供了一種稀土金屬靶材，該稀土金屬靶材包括稀土金屬和雜質(zhì)；稀土金屬包括目標(biāo)稀土金屬和雜質(zhì)稀土金屬，目標(biāo)稀土金屬在稀土金屬靶材中的含量>99.99wt％，且目標(biāo)稀土金屬在稀土金屬中的含量>99.999wt％，稀土金屬靶材中氧含量小于100ppm，目標(biāo)稀土金屬為La、Ce、Pr、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Yb、Y以及Sc中的任意一種。進(jìn)一步地，稀土金屬靶材的直徑>200mm；優(yōu)選稀土金屬靶材的平均晶粒粒徑<200μm。根據(jù)本專利技術(shù)的另一方面，提供了一種稀土金屬靶材，該稀土金屬靶材采用上述任一種制備方法制備而成。應(yīng)用本專利技術(shù)的技術(shù)方案，通過采用水冷坩堝懸浮熔煉方法對稀土金屬進(jìn)行熔煉，能夠利用交變磁場形成電磁力，與重力相抵消使熔體懸浮，進(jìn)而與坩堝內(nèi)壁脫離接觸，能夠防止熔液被坩堝污染，因而確保所熔煉的稀土金屬熔液中稀土金屬純度較高。然后采用下拉方式鑄錠，能夠?qū)δ淌湛s進(jìn)行補(bǔ)償，消除氣孔和疏松等凝固缺陷，產(chǎn)生相對平整的凝固界面，避免枝晶迅速生長導(dǎo)致晶粒粗大，利于形成內(nèi)部致密無缺陷的平整界面，進(jìn)而通過后續(xù)鍛造軋制，能夠獲得大尺寸(直徑>200mm)的稀土金屬靶材。具體實(shí)施方式需要說明的是，在不沖突的情況下，本申請中的實(shí)施例及實(shí)施例中的特征可以相互組合。下面將結(jié)合實(shí)施例來詳細(xì)說明本專利技術(shù)。如
技術(shù)介紹
部分所提到的，當(dāng)以稀土金屬作為原料時，利用現(xiàn)有技術(shù)中制備工藝難以制備得到合格的靶材，為了改善上述狀況，在本專利技術(shù)一種本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種稀土金屬靶材的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括：步驟S1，采用水冷坩堝懸浮熔煉方法將稀土金屬熔煉成稀土金屬熔液；步驟S2，對所述稀土金屬熔液進(jìn)行下拉鑄錠，得到稀土金屬鑄錠；以及步驟S3，對所述稀土金屬鑄錠進(jìn)行鍛造軋制以及機(jī)械加工，獲得所述稀土金屬靶材。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種稀土金屬靶材的制備方法，其特征在于，所述制備方法包括：步驟S1，采用水冷坩堝懸浮熔煉方法將稀土金屬熔煉成稀土金屬熔液；步驟S2，對所述稀土金屬熔液進(jìn)行下拉鑄錠，得到稀土金屬鑄錠；以及步驟S3，對所述稀土金屬鑄錠進(jìn)行鍛造軋制以及機(jī)械加工，獲得所述稀土金屬靶材。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述稀土金屬為純度>99.99wt％的稀土金屬，優(yōu)選所述稀土金屬選自La、Ce、Pr、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Yb、Y以及Sc中的任意一種。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟S1采用懸浮熔煉爐實(shí)施，所述懸浮熔煉爐內(nèi)的壓力高于大氣壓力300～500Pa；優(yōu)選所述懸浮熔煉爐內(nèi)為氬氣氣氛。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟S2在對所述稀土金屬熔液進(jìn)行下拉鑄錠的過程中進(jìn)行超聲處理；所述超聲處理的步驟中超聲波的頻率范圍為30～40kHz，超聲儀的功率小于或等于30kW。5.根據(jù)權(quán)利要求1至4中任一項(xiàng)所述的制備方法，其特征在于，所述步驟S2中下拉的速度為0.5～1mm/min。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于，所述步驟S3包括：步驟S31，將所述稀土金屬鑄錠加熱到預(yù)定溫度，并在所述預(yù)定溫度下對所述稀土金屬鑄錠依次在X軸和Y軸方向上進(jìn)行自由鍛，得到自由鍛產(chǎn)物；步驟S32，對所述自由鍛產(chǎn)物進(jìn)行冷軋，得到冷軋產(chǎn)物；以及步驟S33，對所述冷軋產(chǎn)物進(jìn)行熱處理以及機(jī)械加工，得到所述稀土金屬靶材。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述步驟S31中，所述預(yù)定溫度為250～550℃；優(yōu)選地，當(dāng)所述稀土金屬為La、Ce或Yb時，所述預(yù)定溫度為250～310℃；當(dāng)所述稀土金屬為Nd或Pr時，所述預(yù)定溫度為300～400℃；當(dāng)所述稀土金屬為Gd、Tb、Dy、Ho或Er時，所述預(yù)定溫度為350～...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：王志強(qiáng)，吳道高，張小偉，陳德宏，張虎，程軍，楊宏博，楊秉政，
申請(專利權(quán))人：有研稀土新材料股份有限公司，
類型：發(fā)明
國別省市：北京;11