CN107267937A - 一种溅射用高纯度无氧铜管靶材制备工艺 - Google Patents

Abstract

一种溅射用高纯度无氧铜管靶材制备工艺，主要用于IC行业领域，该产品开发成功，为发展本国经济及技术，采用国产材料替代进口意义重大，采取：预热—熔炼—铸造—加热—挤压—一次拉伸—退火—二次拉伸—光亮退火—精整—检查力学性能—入库的工艺步骤，实现纯度99.99％以上，杂质0.0003％P、0.0002％Mn以下，低氧超低杂质高纯无氧铜制备，其纯度高于国标TU1材料，纯度99.97％以上，达到美国标准C10100标准，纯度99.99％以上；加工工艺研究，采用合适的挤压工艺，合适的加工率，再结晶退火等措施，使材料的内部组织均匀，晶粒度≤0.080mm。

Description

一种溅射用高纯度无氧铜管靶材制备工艺

技术领域

本发明涉及有色金属材料加工工艺，尤其是一种溅射用高纯度无氧铜管靶材制备工艺。

背景技术

目前，IC行业所需要的高端高纯铜靶材基本上全部需要进口，不仅价格昂贵，而且进口手续繁杂。随着中国经济的发展和全球产业分工的深化，日本、韩国及我国台湾地区的许多平板显示器制造企业都将制造基地转移到中国大陆，未来中国大陆将成为全球最大的液晶面板制造中心，为进一步降低生产成本，液晶面板制造企业正在将靶材用高纯铜的采购计划由国外转向国内。

铜管靶由于利用率高达70～80％，板靶利用率仅30％，未来使用呈增长趋势。但由于其成本高、工艺复杂、技术和质量要求高、采购周期长等原因，需要大量进口，为发展本国经济及技术，怎样将国产材料替代进口，达到高端高纯铜靶材的国际标准，成为长期以来难以解决的技术难题。

鉴于上述原因，现研发出一种溅射用高纯度无氧铜管靶材制备工艺。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种溅射用高纯度无氧铜管靶材制备工艺，主要用于IC行业领域，该产品开发成功，为发展本国经济及技术，采用国产材料替代进口意义重大，采取：预热—熔炼—铸造—加热—挤压—一次拉伸—退火—二次拉伸—光亮退火—精整—检查力学性能—入库的工艺步骤，实现纯度99.99％以上，杂质0.0003％P、0.0002％Mn以下，低氧超低杂质高纯无氧铜制备，其纯度高于国标TU1(纯度99.97％以上)材料，达到美国标准C10100(纯度99.99％以上)标准；加工工艺研究，采用合适的挤压工艺(挤压、冷却强度)，合适的加工率，再结晶退火等措施，使材料的内部组织均匀，晶粒度≤0.080mm。

本发明为了实现上述目的，采用如下技术方案：一种溅射用高纯度无氧铜管靶材制备工艺，预热—熔炼—铸造—加热—挤压—一次拉伸—退火—二次拉伸—光亮退火—精整—检查力学性能—入库。

预热：原料采用高纯无氧铜系合金，铜含量99.99％以上，氧含量5ppm以下，剪除四周毛边，厚度为15mm以上，无铜豆、铜绿，干燥清洁，对于有铜豆或铜绿的原料清除铜豆或铜绿后，干燥清洁备用，进入预热干燥炉进行预热，预热干燥炉采用阴极铜烘烤炉，预热后的原料等于或大于200℃；

熔炼：将预热后的原料以2～3分钟/块的加料速度加入熔炼炉，熔炼炉上设置细缝，以便于将需要添加的原料通过细缝加入熔炼炉内，熔炼炉内不加入脱氧剂进行沉淀脱氧或者通过木炭的扩散脱氧实现低氧，脱氧时间30～80分钟，所述木炭采用硬阔木煅烧产生的含碳90％以上的煅烧木炭，所述木炭均为预热干燥后加入熔炼炉内；所述需要添加的原料均为在预热干燥炉内处于预热状态备用的原料，脱氧后对熔炼炉加热，熔炼炉达到设定的温度后，原料溶化为铜液，停止加热使熔炼炉处于保温状态，向熔炼炉内通入99.95％的高纯氮气，流量100米³以上，防止进氧。

铸造：熔炼炉和铸造炉均采用全密封炉体，熔炼炉和铸造炉之间通过管道使熔炼炉和铸造炉连为一体式密封结构，所述管道上设置流量控制机构，熔炼炉内的铜液达到设定的保温时段后，通过流量控制机构使熔炼炉内的铜液经管道进入铸造炉的结晶器内，铸造过程采用立式半连续铸造，结晶器内覆盖炭黑保护，铸造温度1130～1200℃，铸造速度4～10米/时，铸造水压10～100KPa；对铸造的圆锭的底部氧含量不均匀部分切除500mm以上，浇口部分切除50mm以上，对氧含量均匀的铸造的圆锭根据需要切成小段。

加热：采用环型气体加热炉对锭坯进行加热，加热温度：720～800℃、加热时间：2～4小时；

挤压：采用4000吨油压机及配套模具对加热后的锭坯进行挤压加工成坯料，挤压比：10～20，冷却方式：水冷；

一次拉伸：采用拉伸机及配套模具对挤压后的坯料进行第一次拉伸加工，拉伸加工率：10～30％；

退火：采用退火炉对拉伸后的坯料进行中间退火，退火温度：600～700℃、退火时间：1～3h；

二次拉伸：采用拉伸机及配套模具对退火后的坯料再次进行拉伸加工至成品管材，拉伸加工率：10～30％；

光亮退火：采用退火炉对成品管材进行成品光亮退火，退火温度：600～700℃，退火时间：1～3h；

精整：对退火后的成品管材进行人工或机械精整；

检查力学性能：抗拉强度Rm≥200MPa，断后伸长率A≥40％，晶粒度0.055～0.075mm；

入库：按要求对精整后的成品棒材进行检查合格后进行包装入库成为M态的合金管材成品。

本发明的有益效果是：本发明的产品高端高纯铜靶材材料对产品化学成分(高纯度、低氧低杂质)有较高的要求，同时对外形尺寸、直度，内部组织(晶粒度≤0.080mm)要求很高，这对我们的原料、熔铸及加工工艺都提出了新的挑战。主要用于IC行业领域。该产品开发成功，为发展本国经济及技术，采用国产材料替代进口意义重大。

牌号LC1012铜管靶材，其纯度远远高于国标无氧铜TU1，成份及对比见下表1：

表1 LC1012成份及与普通无氧铜TU1对比

生产的产品为合金，铜含量99.99％以上，熔铸氧含量5ppm以下，杂质含量远低于一般无氧铜材料，非真空条件下熔炼难度很大。本产品的锰含量低，磷含量低，铁含量低，采用切除四边的高纯阴极铜，表面无铜豆缺陷，厚度要求超过15mm。脱氧方式不同于平常的无氧铜，取消了加磷沉淀脱氧，采用纯扩散脱氧进行脱氧。

采用全密封熔炼方式，密封转炉，炉内通惰性气体，排空炉内空气然后再生产，维持氮气正压。

为了控制合金氧含量和晶粒度，辅材(木炭、炭黑)烘烤后使用，安装专用阴极铜烘烤炉，阴极铜炉温200℃，加料速度2分钟/块，相对于普通无氧铜，铸造速度降低1米/时。

挤压工序采取降低挤压温度，增大冷却强度等措施，细化晶粒，使组织均匀，通过后续冷加工(合适的变形程度)使晶粒充分破碎，成品再结晶退火，通过对温度和保温时间的控制，使变形后的组织重新形核，形成无畸变的等轴晶粒，从而达到组织均匀。

通过熔铸工序采取措施，在非真空条件下，实现纯度99.99％以上，杂质0.0003％P、0.0002％Mn以下，低氧超低杂质高纯无氧铜制备，其纯度高于国标TU1(纯度99.97％以上)材料，达到美国标准C10100(纯度99.99％以上)标准；加工工艺研究，采用合适的挤压工艺(挤压、冷却强度)，合适的加工率，再结晶退火等措施，使材料的内部组织均匀，晶粒度≤0.080mm。

具体实施方式

下面结合实施例与具体实施方式对本发明作进一步详细说明：

实施例1

制造M态ф159×122(内)×895mm的LC1012合金管材：

预热：原料采用高纯无氧铜系合金，铜含量99.99％以上，氧含量5ppm以下，剪除四周毛边，厚度为15mm以上，无铜豆、铜绿，干燥清洁，对于有铜豆或铜绿的原料清除铜豆或铜绿后，干燥清洁备用，进入预热干燥炉进行预热，预热干燥炉采用阴极铜烘烤炉，预热后的原料等于或大于200℃；

熔炼：将预热后的原料以2～3分钟/块的加料速度加入熔炼炉，熔炼炉上设置细缝，以便于将需要添加的原料通过细缝加入熔炼炉内，熔炼炉内不加入脱氧剂进行沉淀脱氧或者通过木炭的扩散脱氧实现低氧，脱氧时间40～60分钟，所述木炭采用硬阔木煅烧产生的含碳95％以上的煅烧木炭，所述木炭均为预热干燥后加入熔炼炉内；所述需要添加的原料均为在预热干燥炉内处于预热状态备用的原料，脱氧后对熔炼炉加热，熔炼炉达到设定的温度后，原料溶化为铜液，停止加热使熔炼炉处于保温状态，向熔炼炉内通入99.95％的高纯氮气，流量110米³以上，防止进氧。

铸造：熔炼炉和铸造炉均采用全密封炉体，熔炼炉和铸造炉之间通过管道使熔炼炉和铸造炉连为一体式密封结构，所述管道上设置流量控制机构，熔炼炉内的铜液达到设定的保温时段后，通过流量控制机构使熔炼炉内的铜液经管道进入铸造炉的结晶器内，铸造过程采用立式半连续铸造，结晶器内覆盖炭黑保护，铸造温度1150～1180℃，铸造速度6～8米/时，铸造水压50～80KPa；对铸造的圆锭的底部氧含量不均匀部分切除500mm以上，浇口部分切除50mm以上，对氧含量均匀的铸造的圆锭根据需要切成小段。

加热：采用环型气体加热炉对锭坯进行加热，加热温度：750～790℃、加热时间：2～3小时；

挤压：采用4000吨油压机及配套模具对加热后的锭坯进行挤压加工成坯料，挤压比：15～18，冷却方式：水冷；

一次拉伸：采用拉伸机及配套模具对挤压后的坯料进行第一次拉伸加工，拉伸加工率：20～27％；

退火：采用退火炉对拉伸后的坯料进行中间退火，退火温度：640～680℃、退火时间：1～2h；

二次拉伸：采用拉伸机及配套模具对退火后的坯料再次进行拉伸加工至成品管材，拉伸加工率：15～25％；

光亮退火：采用退火炉对成品管材进行成品光亮退火，退火温度：640～680℃，退火时间：2～3h；

精整：对退火后的成品管材进行人工或机械精整；

检查力学性能：抗拉强度Rm≥200MPa，断后伸长率A≥40％，晶粒度0.055～0.075mm；

入库：按要求对精整后的成品棒材进行检查合格后进行包装入库成为M态的合金管材成品。

实施例2

预热：原料采用高纯无氧铜系合金，铜含量99.99％以上，氧含量5ppm以下，剪除四周毛边，厚度为15mm以上，无铜豆、铜绿，干燥清洁，对于有铜豆或铜绿的原料清除铜豆或铜绿后，干燥清洁备用，进入预热干燥炉进行预热，预热干燥炉采用阴极铜烘烤炉，预热后的原料等于或大于200℃；

熔炼：将预热后的原料以2～3分钟/块的加料速度加入熔炼炉，熔炼炉上设置细缝，以便于将需要添加的原料通过细缝加入熔炼炉内，熔炼炉内不加入脱氧剂进行沉淀脱氧或者通过木炭的扩散脱氧实现低氧，脱氧时间40～60分钟，所述木炭采用硬阔木煅烧产生的含碳90％以上的煅烧木炭，所述木炭均为预热干燥后加入熔炼炉内；所述需要添加的原料均为在预热干燥炉内处于预热状态备用的原料，脱氧后对熔炼炉加热，熔炼炉达到设定的温度后，原料溶化为铜液，停止加热使熔炼炉处于保温状态，向熔炼炉内通入99.95％的高纯氮气，流量130米³以上，防止进氧。

铸造：熔炼炉和铸造炉均采用全密封炉体，熔炼炉和铸造炉之间通过管道使熔炼炉和铸造炉连为一体式密封结构，所述管道上设置流量控制机构，熔炼炉内的铜液达到设定的保温时段后，通过流量控制机构使熔炼炉内的铜液经管道进入铸造炉的结晶器内，铸造过程采用立式半连续铸造，结晶器内覆盖炭黑保护，铸造温度1140～1170℃，铸造速度7～9米/时，铸造水压30～60KPa；对铸造的圆锭的底部氧含量不均匀部分切除500mm以上，浇口部分切除50mm以上，对氧含量均匀的铸造的圆锭根据需要切成小段。

加热：采用环型气体加热炉对锭坯进行加热，加热温度：740～770℃、加热时间：2～3小时；

挤压：采用4000吨油压机及配套模具对加热后的锭坯进行挤压加工成坯料，挤压比：13～16，冷却方式：水冷；

一次拉伸：采用拉伸机及配套模具对挤压后的坯料进行第一次拉伸加工，拉伸加工率：10～30％；

退火：采用退火炉对拉伸后的坯料进行中间退火，退火温度：630～660℃、退火时间：2～3h；

二次拉伸：采用拉伸机及配套模具对退火后的坯料再次进行拉伸加工至成品管材，拉伸加工率：15～23％；

光亮退火：采用退火炉对成品管材进行成品光亮退火，退火温度：640～680℃，退火时间：1～2h；

精整：对退火后的成品管材进行人工或机械精整；

检查力学性能：抗拉强度Rm≥200MPa，断后伸长率A≥40％，晶粒度0.055～0.075mm；入库：按要求对精整后的成品棒材进行检查合格后进行包装入库成为M态的合金管材成品。

Claims (4)

1.一种溅射用高纯度无氧铜管靶材制备工艺，其特征在于：预热—熔炼—铸造—加热—挤压—一次拉伸—退火—二次拉伸—光亮退火—精整—检查力学性能—入库。

2.根据权利要求1所述的一种溅射用高纯度无氧铜管靶材制备工艺，其特征在于：预热：原料采用高纯无氧铜系合金，铜含量99.99％以上，氧含量5ppm以下，剪除四周毛边，厚度为15mm以上，无铜豆、铜绿，干燥清洁，对于有铜豆或铜绿的原料清除铜豆或铜绿后，干燥清洁备用，进入预热干燥炉进行预热，预热干燥炉采用阴极铜烘烤炉，预热后的原料等于或大于200℃；

熔炼：将预热后的原料以2～3分钟/块的加料速度加入熔炼炉，熔炼炉上设置细缝，以便于将需要添加的原料通过细缝加入熔炼炉内，熔炼炉内不加入脱氧剂进行沉淀脱氧或者通过木炭的扩散脱氧实现低氧，脱氧时间30～80分钟，所述木炭采用硬阔木煅烧产生的含碳90％以上的煅烧木炭，所述木炭均为预热干燥后加入熔炼炉内；所述需要添加的原料均为在预热干燥炉内处于预热状态备用的原料，脱氧后对熔炼炉加热，熔炼炉达到设定的温度后，原料溶化为铜液，停止加热使熔炼炉处于保温状态，向熔炼炉内通入99.95％的高纯氮气，流量100米³以上，防止进氧。

3.根据权利要求1所述的一种溅射用高纯度无氧铜管靶材制备工艺，其特征在于：铸造：熔炼炉和铸造炉均采用全密封炉体，熔炼炉和铸造炉之间通过管道使熔炼炉和铸造炉连为一体式密封结构，所述管道上设置流量控制机构，熔炼炉内的铜液达到设定的保温时段后，通过流量控制机构使熔炼炉内的铜液经管道进入铸造炉的结晶器内，铸造过程采用立式半连续铸造，结晶器内覆盖炭黑保护，铸造温度1130～1200℃，铸造速度4～10米/时，铸造水压10～100KPa；对铸造的圆锭的底部氧含量不均匀部分切除500mm以上，浇口部分切除50mm以上，对氧含量均匀的铸造的圆锭根据需要切成小段。

4.根据权利要求1所述的一种溅射用高纯度无氧铜管靶材制备工艺，其特征在于：加热：采用环型气体加热炉对锭坯进行加热，加热温度：720～800℃、加热时间：2～4小时；

挤压：采用4000吨油压机及配套模具对加热后的锭坯进行挤压加工成坯料，挤压比：10～20，冷却方式：水冷；

一次拉伸：采用拉伸机及配套模具对挤压后的坯料进行第一次拉伸加工，拉伸加工率：10～30％；

退火：采用退火炉对拉伸后的坯料进行中间退火，退火温度：600～700℃、退火时间：1～3h；

二次拉伸：采用拉伸机及配套模具对退火后的坯料再次进行拉伸加工至成品管材，拉伸加工率：10～30％；

光亮退火：采用退火炉对成品管材进行成品光亮退火，退火温度：600～700℃，退火时间：1～3h；

精整：对退火后的成品管材进行人工或机械精整；

检查力学性能：抗拉强度Rm≥200MPa，断后伸长率A≥40％，晶粒度0.055～0.075mm；

入库：按要求对精整后的成品棒材进行检查合格后进行包装入库成为M态的合金管材成品。