CN111910160B - 铝钪靶材的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种铝钪靶材的制备方法，包括如下步骤：将金属铝原料和金属钪原料混合熔炼，得到铝钪中间合金；以酒精为介质，将铝钪中间合金进行湿法球磨，通过真空干燥后得到合金粉；将合金粉与金属铝粉混匀，且压制成型，得到铝钪生坯；将铝钪生坯在800℃～1200℃，真空或惰性气氛保护下烧结1h～4h，得到铝钪合金靶坯；按照预设工艺对铝钪合金靶坯进行精加工，得到与预设工艺对应规格的铝钪靶材。利用本发明，能够解决现有技术中的由于高钪含量铝钪合金脆性大，熔炼铸锭后难以后续加工，以及制备得到的靶材成膜均匀性差等问题。

Description

铝钪靶材的制备方法

技术领域

本发明涉及高性能电子通信材料技术领域，更为具体地，涉及一种铝钪靶材的制备方法。

背景技术

薄膜材料是电子器件制造的关键支撑，其中AlN薄膜(氮化铝薄膜)由于具有电阻率较低、易沉积、易刻蚀、工艺成熟等优点，成为集成电路、分立器件、液晶显示等领域的关键材料。随着电子信息技术的发展，AlN薄膜机电耦合系数低的缺陷逐渐凸显，使用铝钪合金靶材沉积制备的ScAlN薄膜成为了集成电路靶材的研究热门。ScAlN薄膜不仅能保持与高纯铝相当的电导率，而且能提高耐腐蚀性，特别是可以显著抑制电迁移和应力迁移，被认为是新一代极大规模集成电路用配线材料，其需求量日益提升。

金属钪在铝合金中具有细化晶粒、抑制合金再结晶、改善抗蚀性等作用，可显著提高合金的强度、塑性、高温性能、抗蚀性能及焊接性能等。但是随着合金中钪含量越高，熔炼难度越大，特别是钪的质量百分比超过45％后，由于Al₂Sc、AlSc、AlSc₂等脆性析出相的存在，合金偏析严重且靶材后续成型困难。

目前，现有技术中，公开了几种铝钪合金靶材制备方法，如专利CN 108441827、CN107841643、CN 106086567提供了以金属铝粉和金属钪粉为原料，采用粉末冶金方法制备铝钪合金靶材。但是铝与钪的熔点相差较大，粉末直接烧结驱动力不高，烧结难度大，烧结致密度不高，且金属铝粉和金属钪粉在烧结过程中容易氧化，制备的靶材氧含量高和致密度低，会影响靶材溅射及成膜均匀性。

因此，为了新一代极大规模集成电路用配线材料对大尺寸靶材的需求，亟需提供一种铝钪靶材的制备方法。

发明内容

鉴于上述问题，本发明的目的是提供一种铝钪靶材的制备方法，以解决现有技术中的由于高钪含量铝钪合金脆性大，熔炼铸锭后难以后续加工，以及制备得到的靶材成膜均匀性差等问题。

本发明提供一种铝钪靶材的制备方法，包括如下步骤：

将金属铝原料和金属钪原料混合熔炼，得到铝钪中间合金；

以酒精为介质，将所述铝钪中间合金进行湿法球磨，通过真空干燥后得到合金粉；

将所述合金粉与金属铝粉混匀，且压制成型，得到铝钪生坯；

将所述铝钪生坯在800℃～1200℃，真空或惰性气氛保护下烧结1h～4h，得到铝钪合金靶坯；

按照预设工艺对所述铝钪合金靶坯进行精加工，得到与所述预设工艺对应规格的铝钪靶材。

此外，优选的方案是，所述金属铝原料的纯度至少为99.99％；和/或，所述金属钪原料的纯度至少为99.99％。

此外，优选的方案是，所述铝钪中间合金中钪元素的质量百分比为77％～ 92％。

此外，优选的方案是，所述金属铝原料和金属钪原料混合熔炼的方式为悬浮熔炼或中频感应熔炼；熔炼环境为真空熔炼或惰性气体保护熔炼。

此外，优选的方案是，在以酒精为介质，将所述铝钪中间合金进行湿法球磨，通过真空干燥后得到合金粉的过程中，所述湿法球磨的时间为0.5h～ 3h；所述合金粉的粒度不超过200μm。

此外，优选的方案是，在将所述合金粉与金属铝粉混匀，且压制成型，得到铝钪生坯的过程中，将所述合金粉与金属铝粉在混料机中混匀，通过液压机将混匀后的所述合金粉与所述金属铝粉压制成型，得到铝钪生坯；所述金属铝粉的纯度至少为99.95％，粒度不超过200μm。

此外，优选的方案是，在所述铝钪生坯中，钪元素的质量百分比为45％～ 92％。

此外，优选的方案是，在将所述铝钪生坯在800℃～1200℃，真空或惰性气氛保护下烧结1h～4h，得到铝钪合金靶坯的过程中，所述烧结方式为热压烧结、无压烧结、热等静压烧结中的任意一种烧结方式。

此外，优选的方案是，所述铝钪靶材的纯度＞99.99％；和/或，所述铝钪靶材的致密度≥99.0％；和/或，所述铝钪靶材的成分偏差＜±0.2％；和/或，在所述铝钪靶材中，钪元素的质量百分比为45％～92％。

此外，优选的方案是，对所述铝钪合金靶坯进行精加工的过程依次包括：真空磨抛、车、铣、刨。

从上面的技术方案可知，本发明提供的铝钪靶材的制备方法，通过使用铝粉与铝钪中间合金粉末作为烧结体系，利用预熔炼铝钪中间合金，减少了成分偏析，降低了烧结过程中的氧化现象；利用铝粉作为烧结活性剂，提高了烧结致密度。直接烧结成型后，通过机加工即可获得纯度大于99.99％，成分偏差小于±0.2％，致密度超过99.0％的铝钪合金靶材。本发明有效解决了高钪含量铝钪合金脆性大，熔炼铸锭后难以后续加工的技术难题，特别适合钪含量高且加工性能差的铝钪合金靶材的制备，可以满足新一代极大规模集成电路用配线材料对大尺寸靶材的需求。

为了实现上述以及相关目的，本发明的一个或多个方面包括后面将详细说明并在权利要求中特别指出的特征。下面的说明以及附图详细说明了本发明的某些示例性方面。然而，这些方面指示的仅仅是可使用本发明的原理的各种方式中的一些方式。此外，本发明旨在包括所有这些方面以及它们的等同物。

附图说明

通过参考以下结合附图的说明及权利要求书的内容，并且随着对本发明的更全面理解，本发明的其它目的及结果将更加明白及易于理解。在附图中：

图1为根据本发明实施例的高铝钪靶材的制备方法流程示意图。

在所有附图中相同的标号指示相似或相应的特征或功能。

具体实施方式

在下面的描述中，出于说明的目的，为了提供对一个或多个实施例的全面理解，阐述了许多具体细节。然而，很明显，也可以在没有这些具体细节的情况下实现这些实施例。

针对前述提出的由于高钪含量铝钪合金脆性大，熔炼铸锭后难以后续加工，以及制备得到的靶材成膜均匀性差等问题，本发明提出了一种铝钪靶材的制备方法，此方法能够有效解决高钪含量铝钪合金脆性大，熔炼铸锭后难以后续加工的技术难题，特别适合钪含量高且加工性能差的铝钪合金靶材的制备，可以满足新一代极大规模集成电路用配线材料对大尺寸靶材的需求。

以下将结合附图对本发明的具体实施例进行详细描述。

为了说明本发明提供的铝钪靶材的制备方法，图1示出了根据本发明实施例的铝钪靶材的制备方法流程。

如图1所示，本发明提供的铝钪靶材的制备方法，包括如下步骤：

S110、将金属铝原料和金属钪原料混合熔炼，得到铝钪中间合金；

S120、以酒精为介质，将铝钪中间合金进行湿法球磨，通过真空干燥后得到合金粉；

S130、将合金粉与金属铝粉混匀，且压制成型，得到铝钪生坯；

S140、将铝钪生坯在800℃～1200℃，真空或惰性气氛保护下烧结1h～ 4h，得到铝钪合金靶坯；

S150、按照预设工艺对铝钪合金靶坯进行精加工，得到与预设工艺对应规格的铝钪靶材。

作为本发明的一个优选方案，在步骤S110中，金属铝原料优选为颗粒状、片状或者块状，纯度至少为99.99％；和/或，金属钪原料优选为颗粒状、片状或者块状，纯度至少为99.99％。采用颗粒状、片状或者块状的金属铝原料和金属钪原料便于两者进行混合熔炼，采用纯度至少为99.99％的金属铝原料和金属钪原料使得制备的铝钪中间合金的纯度更高，杂质少。

作为本发明的一个优选方案，在步骤S110中，铝钪中间合金中钪元素的质量百分比为77％～92％。此为本发明的优选方案，实际可根据需求选择铝钪中间合金中钪元素的质量百分比，在实际操作中，可根据铝钪中间合金中钪元素的质量百分比，确定金属铝原料和金属钪原料的配比。

作为本发明的一个优选方案，在步骤S110中，金属铝原料和金属钪原料混合熔炼的方式为悬浮熔炼或中频感应熔炼；熔炼环境为真空熔炼或惰性气体保护熔炼。悬浮熔炼为采用电磁力悬浮技术使熔融的合金熔液悬浮起来，不与坩埚接触从而可获得高洁净度的合金；采用中频感应熔炼对熔化的金属有磁搅拌作用，有利于成分均匀和浮渣，使合金融合更好；真空熔炼或惰性气体保护熔炼防止在熔炼过程中金属被氧化。

作为本发明的一个优选方案，在步骤S120中，在以酒精为介质，将铝钪中间合金进行湿法球磨，通过真空干燥后得到合金粉的过程中，为了充分粉碎铝钪中间合金，湿法球磨的时间为0.5h～3h；为了便于后续的烧结工艺，合金粉的粒度不超过200μm。

作为本发明的一个优选方案，在步骤S130中，在将合金粉与金属铝粉混匀，且压制成型，得到铝钪生坯的过程中，将合金粉与金属铝粉在混料机中混匀，通过液压机将混匀后的合金粉与金属铝粉压制成型，得到铝钪生坯；金属铝粉的纯度至少为99.95％，粒度不超过200μm。通过混料机能够确保合金粉与金属铝粉混合均匀；通过液压机能够将合金粉与金属铝粉锻压成形，其中，为了方便金属铝粉与合金粉更好的混合，且使金属铝粉发挥更好的活性剂作用，减少杂质引入，金属铝粉的纯度至少为99.95％，粒度不超过200 μm。

作为本发明的一个优选方案，在步骤S130中，在铝钪生坯中，钪元素的质量百分比为45％～92％。此为本发明的优选方案，可根据需要进行调整，在实际制备过程中，根据需要制备的铝钪靶材中钪元素的含量，决定铝钪生坯中，钪元素的含量，再根据铝钪生坯中钪元素的含量确定合金粉与金属铝粉量的配比关系，本发明提供的方法尤其适合钪元素的质量百分比为45％～ 92％的钪含量高且加工性能差的铝钪靶材的制备。

作为本发明的一个优选方案，在步骤S140中，在将铝钪生坯在800℃～ 1200℃，真空或惰性气氛保护下烧结1h～4h，得到铝钪合金靶坯的过程中，烧结方式为热压烧结、无压烧结、热等静压烧结中的任意一种烧结方式。热压烧结是将干燥粉料充填入模型内，再从单轴方向边加压边加热，使成型和烧结同时完成的一种烧结方法，操作简单、便捷；无压烧结是在常压下，通过对制品加热而烧结的一种方法，是最常用，也是最简单的一种烧结方式；热等静压烧结是通过高温和各向均衡的高压气体的共同作用，使粉末、坯体或预烧体达到烧结致密化的工艺方法，可提高铝钪合金靶坯的致密度和性能，上述烧结方式在本发明中均可使用，只要能够达到对铝钪生坯烧结成为铝钪合金靶坯的目的即可，烧结方式不限于上述几种方式，也可由其它烧结方式进行代替。

作为本发明的一个优选方案，在步骤S150中，铝钪靶材的纯度＞99.99％；和/或，铝钪靶材的致密度≥99.0％；和/或，铝钪靶材的成分偏差＜±0.2％；在铝钪靶材中，钪元素的质量百分比为45％～92％。

作为本发明的一个优选方案，在步骤S150中，对铝钪合金靶坯进行精加工的过程依次包括：真空磨抛、车、铣、刨。

根据上述铝钪靶材的制备方法，本发明根据如下的实施例作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于所述内容，不应视作对本发明的限制。

实施例1

一种Al-45.4wt％Sc靶材的制备方法，包括如下步骤：

选取纯度为99.99％的金属铝和纯度为99.99％的金属钪，使用悬浮熔炼炉，在氩气保护下熔炼，得到Al-77wt％Sc中间合金；

以酒精为介质，将铝钪中间合金进行湿法球磨1h，真空干燥后得到平均粒度约为150μm的Al-77wt％Sc中间合金粉；

将球磨后的Al-77wt％Sc中间合金粉与纯度为99.95％的金属铝粉在混料机中混匀，使用液压机压制成型，得到Al-45.4wt％Sc生坯；

使用热压炉，在真空保护下，将Al-45.4wt％Sc生坯在850℃热压烧结2.5h，烧结压力为60Mpa，得到Al-45.4wt％Sc靶坯；

使用车床和真空磨抛机对靶坯进行精加工，最终得到Al-45.4wt％Sc靶材，经过检测，Al-45.4wt％Sc靶材的纯度为99.992％，成分偏差＜±0.2％，致密度为99.74％。

实施例2

一种Al-55wt％Sc靶材的制备方法，包括如下步骤：

选取纯度为99.99％的金属铝和纯度为99.99％的金属钪，使用悬浮熔炼炉，在氩气保护下熔炼，得到Al-77wt％Sc中间合金；

以酒精为介质，将铝钪中间合金进行湿法球磨1h，真空干燥后得到平均粒度约为150μm的Al-77wt％Sc中间合金粉；

将球磨后的Al-77wt％Sc中间合金粉与纯度为99.99％的金属铝粉在混料机中混匀，使用液压机压制成型，得到Al-55wt％Sc生坯；

用氧化铝粉末覆盖Al-55wt％Sc生坯，将Al-55wt％Sc生坯置于马弗炉中，在1000℃下烧结2h，使用氩气保护，得到Al-55wt％Sc靶坯；

使用刨床和真空磨抛机对靶坯进行精加工，最终得到Al-55wt％Sc靶材，经过检测，Al-55wt％Sc靶材的纯度为99.994％，成分偏差＜±0.1％，致密度为99.17％。

实施例3

一种Al-75wt％Sc靶材的制备方法，包括如下步骤：

选取纯度为99.99％的金属铝和纯度为99.99％的金属钪，使用悬浮熔炼炉，在氩气保护下熔炼，得到Al-91.8wt％Sc中间合金；

以酒精为介质，将铝钪中间合金进行湿法球磨2h，真空干燥后得到平均粒度约为125μm的Al-91.8wt％Sc中间合金粉；

将球磨后的Al-91.8wt％Sc中间合金粉与纯度99.99％的金属铝粉在混料机中混匀，使用液压机压制成型，得到Al-75wt％Sc生坯；

使用热压炉，在氩气保护下，将Al-75wt％Sc生坯在820℃下，热压烧结2h，烧结压力55Mpa，得到Al-75wt％Sc靶坯；

使用车床、铣床和真空磨抛机对Al-75wt％Sc靶坯进行精加工，最终得到Al-75wt％Sc靶材，经过检测，Al-75wt％Sc靶材的纯度为99.994％，成分偏差＜±0.15％，致密度为99.35％。

实施例4

一种Al-91.8wt％Sc靶材的制备方法，包括如下步骤：

选取纯度为99.99％的金属铝和纯度为99.99％的金属钪，使用悬浮熔炼炉，在氩气保护下熔炼，得到Al-91.8wt％Sc中间合金；

以酒精为介质，将铝钪中间合金进行湿法球磨2h，真空干燥后得到平均粒度约为125μm的Al-91.8wt％Sc中间合金粉；

将球磨后的Al-91.8wt％Sc中间合金粉使用液压机压制成型，得到 Al-91.8wt％Sc生坯；

使用热压炉，在氩气保护下，将Al-91.8wt％Sc生坯在800℃下，热压烧结2h，烧结压力55Mpa，得到Al-91.8wt％Sc靶坯；

使用车床和真空磨抛机对靶坯进行精加工，最终得到Al-91.8wt％Sc靶材，经过检测，Al-91.8wt％Sc靶材的纯度为99.997％，成分偏差＜±0.08％，致密度为99.29％。

对比例1

使用悬浮熔炼炉，将纯度为99.99％的金属铝和纯度为99.99％的金属钪多次熔炼，浇铸得到Al-75wt％Sc合金靶坯，该合金处于脆性偏析成分点附近，随炉冷却阶段即裂开，无后续加工能力，无法制备成靶材。

对比例2

使用热压烧结炉，由纯度为99.99％的金属铝粉与纯度为99.99％的金属钪粉预压成型的Al-75wt％Sc生坯，在氩气保护下，820℃下热压烧结2h，烧结压力55Mpa，得到Al-75wt％Sc靶坯，机加工处理后得到Al-75wt％Sc靶材，经过检测，该靶材纯度为99.26％，成分偏差＞±0.35％，致密度为98.14％。

通过将对比例1、对比例2与本发明实施例3进行比较，可明显看出，在原料相同的情况下，本发明提供的铝钪靶材的制备方法，制备出的铝钪靶材在合金脆性、后续加工能力、以及成分偏差和致密度等方面明显优于对比例1和对比例2中的方法。

通过上述实施方式可以看出，本发明提供的铝钪靶材的制备方法，通过使用铝粉与铝钪中间合金粉末作为烧结体系，利用预熔炼铝钪中间合金，减少了成分偏析，降低了烧结过程中的氧化现象；利用铝粉作为烧结活性剂，提高了烧结致密度。直接烧结成型后，通过机加工即可获得纯度大于99.99％，成分偏差小于±0.2％，致密度超过99.0％的铝钪合金靶材。本发明有效解决了高钪含量铝钪合金脆性大，熔炼铸锭后难以后续加工的技术难题，特别适合钪含量高且加工性能差的铝钪合金靶材的制备，可以满足新一代极大规模集成电路用配线材料对大尺寸靶材的需求。

如上参照附图以示例的方式描述了根据本发明提出的铝钪靶材的制备方法。但是，本领域技术人员应当理解，对于上述本发明所提出的铝钪靶材的制备方法，还可以在不脱离本发明内容的基础上做出各种改进。因此，本发明的保护范围应当由所附的权利要求书的内容确定。

Claims (9)

1.一种铝钪靶材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

将金属铝原料和金属钪原料混合熔炼，得到铝钪中间合金；其中，熔炼环境为真空熔炼或惰性气体保护熔炼；

以酒精为介质，将所述铝钪中间合金进行湿法球磨，通过真空干燥后得到合金粉；

将所述合金粉与金属铝粉混匀，且压制成型，得到铝钪生坯；其中，在所述铝钪生坯中，钪元素的质量百分比为45%～92%；

将所述铝钪生坯在800℃～1200℃，真空或惰性气氛保护下烧结1 h～4h，得到铝钪合金靶坯；

按照预设工艺对所述铝钪合金靶坯进行精加工，得到与所述预设工艺对应规格的铝钪靶材。

2.根据权利要求1所述的铝钪靶材的制备方法，其特征在于，

所述金属铝原料的纯度至少为99.99%；和/或，

所述金属钪原料的纯度至少为99.99%。

3.根据权利要求1所述的铝钪靶材的制备方法，其特征在于，

所述铝钪中间合金中钪元素的质量百分比为77%～92%。

4.根据权利要求1所述的铝钪靶材的制备方法，其特征在于，

所述金属铝原料和金属钪原料混合熔炼的方式为悬浮熔炼或中频感应熔炼。

5.根据权利要求1所述的铝钪靶材的制备方法，其特征在于，在以酒精为介质，将所述铝钪中间合金进行湿法球磨，通过真空干燥后得到合金粉的过程中，

所述湿法球磨的时间为0.5 h～3h；

所述合金粉的粒度不超过200μm。

6.根据权利要求1所述的铝钪靶材的制备方法，其特征在于，在将所述合金粉与金属铝粉混匀，且压制成型，得到铝钪生坯的过程中，

将所述合金粉与金属铝粉在混料机中混匀，通过液压机将混匀后的所述合金粉与所述金属铝粉压制成型，得到铝钪生坯；

所述金属铝粉的纯度至少为99.95%，粒度不超过200μm。

7.根据权利要求1所述的铝钪靶材的制备方法，其特征在于，在将所述铝钪生坯在800℃～1200℃，真空或惰性气氛保护下烧结1 h～4h，得到铝钪合金靶坯的过程中，

所述烧结方式为热压烧结、无压烧结、热等静压烧结中的任意一种烧结方式。

8.根据权利要求1所述的铝钪靶材的制备方法，其特征在于，

所述铝钪靶材的纯度＞99.99%；和/或

所述铝钪靶材的致密度≥99.0%；和/或

所述铝钪靶材的成分偏差＜±0.2%；和/或

在所述铝钪靶材中，钪元素的质量百分比为45%～92%。

9.根据权利要求1所述的铝钪靶材的制备方法，其特征在于，对所述铝钪合金靶坯进行精加工的过程依次包括：真空磨抛、车、铣、刨。

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