CN117737527A - 一种用于半导体真空设备的铝合金材料及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于半导体真空设备的铝合金材料及其制备方法，一种用于半导体真空设备的铝合金材料，按照质量百分比包括以下组分的材料：0.15％‑0.4％的铜、0.4％‑0.8％的硅、0.8％‑1.2％的镁、0.04％‑0.35％的铬、0‑0.15％的锰，0‑0.05％的钛、0‑50ppm的铁、0‑200ppm的锌、0‑50ppm的镍、0‑5ppm的铅、0‑5ppm的铋和0‑5ppm的钠，其中钛的含量不包括0，铁的含量不包括0ppm，锌的含量不包括0ppm，镍的含量不包括0ppm，铅的含量不包括0ppm，铋的含量不包括0ppm，钠的含量不包括0ppm。采用本发明的铝合金材料制作的半导体真空设备可以增加其在等离子体和腐蚀性气体环境中的耐腐蚀性能，同时降低半导体设备和部件在使用过程中锌、铁析出造成的对环境的污染和particle问题。另外也能改善阳极氧化后形成的薄膜的均匀性和致密性。
Description
技术领域
本发明涉及半导体真空设备领域，特别涉及一种用于半导体真空设备的铝合金材料及其制备方法。
背景技术
芯片的制作基本都需要在真空环境中进行，因此芯片的生产会用到大量的真空腔体和部件。6系铝合金(例如铝6061)因为良好的强度和机加工性能，是目前比较常见的用于真空腔体和部件制作的材料。
但半导体的制作工艺中，有多个步骤需要在腐蚀性气体和/或等离子体环境中进行，但现有的6系铝合金，耐腐蚀的性能较差。6系铝合金中Zn和Fe含量较多，在半导体的制作过程中，部分工序需要在高温下进行，Zn会析出累积在真空腔体中，在长期使用后，容易产生particle问题,而Fe的存在也会污染腔体环境。另外，半导体真空腔体或部件经常需要对表面进行阳极氧化处理，以增加其耐电压、耐腐蚀的性能，但Zn、Fe等杂质元素的存在，也会影响阳极氧化形成的薄膜的致密性和均匀性。
发明内容
为克服上述缺点，本发明的目的在于提供一种用于半导体真空设备的铝合金材料及其制备方法。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种用于半导体真空设备的铝合金材料，按照质量百分比包括以下组分的材料：0.15％-0.4％的铜、0.4％-0.8％的硅、0.8％-1.2％的镁、0.04％-0.35％的铬、0-0.15％的锰，0-0.05％的钛、0-50ppm的铁、0-200ppm的锌、0-50ppm的镍、0-5ppm的铅、0-5ppm的铋和0-5ppm的钠，其余组分为铝；其中钛的含量不包括0，铁的含量不包括0ppm，锌的含量不包括0ppm，镍的含量不包括0ppm，铅的含量不包括0ppm，铋的含量不包括0ppm，钠的含量不包括0ppm。
本发明的铝合金材料中含有铜、硅、镁、铬和钛，增加了防腐蚀的性能和机械强度，采用本发明的铝合金材料，可以增加半导体真空设备在等离子体和腐蚀性气体环境中的耐腐蚀性能；本发明的铝合金材料中锌和铁的成分较少，降低了半导体设备和部件在使用过程中锌、铁析出造成的对环境的污染和particle问题。同时也改善了阳极氧化后形成的薄膜的均匀性和致密性。
进一步的是：铜的含量为0.25％-0.35％，硅的含量为0.5％-0.7％，镁的含量为0.9％-1.0％，锰的含量为0-0.05％，铬的含量为0.1％-0.2％。
进一步的是：铁的含量为0-20ppm、锌的含量为0-20ppm、镍的含量为0-10ppm的，其中铁的含量不包括0ppm，锌的含量不包括0ppm，镍的含量不包括0ppm。
一种用于半导体真空设备的铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：提纯金属铝，提纯前的金属铝的纯度≥99.8％，提纯后纯度达到99.996％；提纯后Fe含量小于10ppm，Zn含量小于100ppm，降低了铝合金材料中锌的成分和铁的成分，降低了半导体设备和部件在使用过程中锌、铁析出造成的对环境的污染和particle问题。同时也改善了阳极氧化后形成的薄膜的均匀性和致密性；
步骤二：将步骤一中提纯后的金属铝进行熔化形成铝液，向铝液中加入合金元素形成混合铝液，以提高铝合金的耐腐蚀性能，从而提高使用该铝合金材料的半导体真空设备在等离子体和腐蚀性气体环境中的耐腐蚀性能；
步骤三：将步骤二中得到的混合铝液制成铝合金锭；
步骤四：通过锻造或轧制得到铝合金板材；
步骤五：对步骤四中得到的铝合金板材进行热处理，提高铝合金材料的硬度和延展性。
进一步的是：步骤一中采用三层电解法对金属铝进行提纯。
进一步的是：所述步骤一中采用偏析法对金属铝进行提纯。
进一步的是：所述步骤二中将金属铝置于670-800℃的温度下进行熔化。
进一步的是：所述步骤二中向铝液中添加的合金元素有金属硅、金属镁、金属铜、金属铬和金属钛，以提高铝合金的耐腐蚀性能，从而提高使用该铝合金材料的半导体真空设备在等离子体和腐蚀性气体环境中的耐腐蚀性能。其中添加金属元素后混合溶液中铁的含量不超过50ppm，混合溶液中锌的含量不超过200ppm，防止半导体设备和部件在使用过程中锌、铁析出造成的对环境的污染和particle问题，同时也能改善阳极氧化后形成的薄膜的均匀性和致密性。
进一步的是：所述步骤三中将铝液通过重力浇铸法制成铝合金锭。
进一步的是：所述步骤五中采用T6、T651、或T652热处理工艺对铝合金板材进行热处理，得铝合金材料，提高铝合金材料的硬度和延展性。
本发明的有益效果是，本发明的铝合金材料中含有铜、硅、镁、铬和钛，增加了防腐蚀的性能，并提高了机械强度，采用本发明的铝合金材料的半导体真空设备，可以增加其在等离子体和腐蚀性气体环境中的耐腐蚀性能；本发明的铝合金材料中锌和铁的成分较少，降低了半导体设备和部件在使用过程中锌、铁析出造成的对环境的污染和particle问题。同时也改善了阳极氧化后形成的薄膜的均匀性和致密性。
本发明提纯后能够提高金属铝的纯度，同时能够降低铝合金材料中锌的成分和铁的成分，从而降低了半导体设备和部件在使用过程中锌、铁析出造成的对环境的污染和particle问题。同时也改善了阳极氧化后形成的薄膜的均匀性和致密性。本发明向铝液中加入合金元素形成混合铝液，以提高铝合金的耐腐蚀性能，从而提高使用该铝合金材料的半导体真空设备在等离子体和腐蚀性气体环境中的耐腐蚀性能。
具体实施方式
下面对本发明的实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
本申请的实施例提供了一种用于半导体真空设备的铝合金材料，该用于半导体真空设备的铝合金材料按照质量百分比包括以下组分的材料：0.15％-0.4％的铜、0.4％-0.8％的硅、0.8％-1.2％的镁、0.04％-0.35％的铬、0-0.15％的锰，0-0.05％的钛、0-50ppm的铁、0-200ppm的锌、0-50ppm的镍、0-5ppm的铅、0-5ppm的铋和0-5ppm的钠，其余组分为铝；其中钛的含量不包括0，铁的含量不包括0ppm，锌的含量不包括0ppm，镍的含量不包括0ppm，铅的含量不包括0ppm，铋的含量不包括0ppm，钠的含量不包括0ppm。
铝合金材料中铜的含量可以是0.15％、0.20％、0.22％、0.25％、0.35％、0.38％或0.40％；
硅的含量可以是0.4％、0.45％、0.5％、0.6％、0.7％或0.8％；
镁的含量可以是0.8％、0.85％、0.9％、1.0％、1.1％或1.2％；
铬的含量可以是0.08％、0.10％、0.15％、0.20％、0.22％或0.35％；
锰的含量可以是0.01％、0.02％、0.03％、0.04％、0.045％或0.05％；
钛的含量可以是0.01％、0.02％、0.03％、0.04％、0.045％或0.05％；
铁的含量可以是10ppm、15ppm、20ppm、25ppm、30ppm、40ppm或50ppm；
锌的含量可以是12ppm、15ppm、20ppm、100ppm、120ppm、150ppm或200ppm；
镍的含量可以是3ppm、6ppm、7ppm、15ppm、40ppm、45ppm或50ppm；
铅的含量可以是1ppm、1.5ppm、2ppm、3ppm、4ppm或5ppm；
铋的含量可以是1ppm、1.5ppm、2ppm、3ppm、4ppm或5ppm；
钠的含量可以是1ppm、2ppm、3ppm、4ppm、4.5ppm或5ppm。
本发明的铝合金材料中含有铜、硅、镁、铬和钛，增加了防腐蚀的性能和机械强度，采用本发明的铝合金材料的半导体真空设备，可以增加其在等离子体和腐蚀性气体环境中的耐腐蚀性能；本发明的铝合金材料中锌和铁的成分较少，降低了半导体设备和部件在使用过程中锌、铁析出造成的对环境的污染和particle问题。同时也改善了阳极氧化后形成的薄膜的均匀性和致密性。
实施例一：
一种用于半导体真空设备的铝合金材料，按照质量百分比包括以下组分的材料：0.15％的铜、0.8％的硅、1.2％的镁、0.10％的铬、0.05％的锰、0.05％的钛、10ppm的铁、200ppm的锌、7ppm的镍、1ppm的铅、5ppm的铋和4ppm的钠，其余组分为铝。
实施例二：
一种用于半导体真空设备的铝合金材料，按照质量百分比包括以下组分的材料：0.4％的铜、0.4％的硅、0.8％的镁、0.35％的铬、0.03％的锰、0.01％的钛、50ppm的铁、20ppm的锌、50ppm的镍、4ppm的铅、1ppm的铋和2ppm的钠，其余组分为铝。
实施例三：
一种用于半导体真空设备的铝合金材料，按照质量百分比包括以下组分的材料：0.2％的铜、0.45％的硅、1.1％的镁、0.08％的铬、0.02％的锰、0.045％的钛、45ppm的铁、15ppm的锌、45ppm的镍、1.5ppm的铅、4.5ppm的铋和3.5ppm的钠，其余组分为铝。
实施例四：
一种用于半导体真空设备的铝合金材料，按照质量百分比包括以下组分的材料：0.38％的铜、0.75％的硅、0.85％的镁、0.22％的铬、0.015％的锰、0.01％的钛、25ppm的铁、150ppm的锌、15ppm的镍、4ppm的铅、2ppm的铋和3ppm的钠，其余组分为铝。
优选的，铜的含量为0.25％-0.35％，硅的含量为0.5％-0.7％，镁的含量为0.9％-1.0％，铬的含量为0.1％-0.2％，锰的含量为0.005％-0.05％。
优选的，铁的含量为0-20ppm、锌的含量为0-20ppm、镍的含量为0-10ppm的，其中铁的含量不包括0ppm，锌的含量不包括0ppm，镍的含量不包括0ppm。
实施例五：
一种用于半导体真空设备的铝合金材料，按照质量百分比包括以下组分的材料：0.25％的铜、0.7％的硅、0.9％的镁、0.15％的铬、0.015％的锰、0.04％的钛、15ppm的铁、12ppm的锌、3ppm的镍、2ppm的铅、2ppm的铋和3ppm的钠，其余组分为铝。
实施例六：
一种用于半导体真空设备的铝合金材料，按照质量百分比包括以下组分的材料：0.35％的铜、0.5％的硅、1.0％的镁、0.20％的铬、0.01％的锰、0.02％的钛、20ppm的铁、15ppm的锌、6ppm的镍、3ppm的铅、2ppm的铋和1ppm的钠，其余组分为铝。
实施例七：
一种用于半导体真空设备的铝合金材料，按照质量百分比包括以下组分的材料：0.30％的铜、0.55％的硅、0.93％的镁、0.10％的铬、0.005％的锰、0.01％的钛、18ppm的铁、17ppm的锌、8ppm的镍、1ppm的铅、4ppm的铋和1ppm的钠，其余组分为铝。
实施例八：
一种用于半导体真空设备的铝合金材料，按照质量百分比包括以下组分的材料：0.28％的铜、0.6％的硅、0.95％的镁、0.13％的铬、0.01％的锰、0.02％的钛、10ppm的铁、13ppm的锌、4ppm的镍、3ppm的铅、2ppm的铋和5ppm的钠，其余组分为铝。
一种用于半导体真空设备的铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：提纯金属铝，提纯前的金属铝的纯度≥99.8％，提纯后纯度达到99.996％；提纯后Fe含量小于10ppm，Zn含量小于100ppm，降低了铝合金材料中锌的成分和铁的成分，从而降低了半导体设备和部件在使用过程中锌、铁析出造成的对环境的污染和particle问题。同时也改善了阳极氧化后形成的薄膜的均匀性和致密性。
步骤二：将步骤一中提纯后的金属铝进行熔化形成铝液，向铝液中加入合金元素形成混合铝液，以提高铝合金的耐腐蚀性能，从而提高使用该铝合金材料的半导体真空设备在等离子体和腐蚀性气体环境中的耐腐蚀性能。
步骤三：将步骤二中得到的混合铝液制成铝合金锭；
步骤四：通过锻造或轧制得到铝合金板材；
步骤五：对步骤四中得到的铝合金板材进行热处理，提高铝合金材料的硬度和延展性。
优选的，所述步骤一中采用三层电解法对金属铝进行提纯。
具体的，三层电解法的基本原理为：利用精铝、电解质和阳极合金的密度差形成液体分层，在直流电的作用下，熔体中发生电化学反应即阳极合金中的铝进行电化学溶解，生成Al3+离子：Al-3e＝Al3+。
Al3+离子进入电解液以后，在阴极上放电，生成金属铝：Al3++3e＝Al。而合金中Cu、Si、Fe等元素不溶解，在一定浓度范围内仅积聚于阳极合金中，这是由于其电位均正于铝，且在合金中还有足够量铝的缘故。而合金中夹杂的Na、Ca、Mg等几种电位负于铝的元素同铝一起溶解，生成Na+、Ca2+、Mg2+进入电解液并积聚起来，在一定浓度、温度与电流密度下，这些杂质不会在阴极上放电。因此在阴极上得到纯度较高的精铝。
三层电解法提纯时，所使用的电解液为NaF-AlF3-BaF2-CaF2的混合物，或者为Na3AlF6-AlF3-BaCl2-NaCl的混合物。
优选的，所述步骤一中采用偏析法对金属铝进行提纯。
具体的：偏析法提纯时，将待提纯的铝熔化并将其保持在略高于熔点的温度，然后将带水冷的结晶器插入铝熔液中，促使铝在结晶器上固化，得到高纯度的铝晶体。
在上述基础上，所述步骤二中将金属铝置于670-800℃的温度下进行熔化，所述步骤二中可以将金属铝置于680℃、700℃、750℃或800℃下进行熔化，本实施案例中将金属铝置于750℃下进行熔化。
在上述基础上，所述步骤二中向铝液中添加的合金元素有金属硅、金属镁、金属铜、金属铬和金属钛，其中添加金属元素后混合溶液中铁的含量不超过50ppm，混合溶液中锌的含量不超过200ppm，用于降低半导体设备和部件在使用过程中Zn、Fe析出造成的对环境的污染和particle问题。
优选的，所述步骤三中将铝液通过重力浇铸法制成铝合金锭。
在上述基础上，所述步骤五中采用T6、T651、或T652热处理工艺对铝合金板材进行热处理，得铝合金材料。
所述T6是一种热处理工艺，即固溶热处理后进行人工时效的状态。可以用于变形铝合金、铸造铝合金。
其中，锻造后的铝合金，厚度在350mm以上时，可进行T652处理；轧制后的铝合金，可追加T6或者T651处理。
T6处理包括以下步骤：
在500℃-550℃进行固溶处理，使合金中所添加的元素均匀分布；
将固溶处理后的合金自然冷却到室温，再加热到150℃-170℃进行时效处理。
T651处理包括以下步骤：
在500℃-550℃进行固溶处理，使合金中所添加的元素均匀分布。
然后对铝合金板材进行拉伸，以消除应力。
将固溶处理后的合金自然冷却到室温，再加热到150℃～170℃进行时效处理。
T652处理包括以下步骤：
在500℃-550℃进行固溶处理，使合金中所添加的元素均匀分布；
通过施压产生1％～5％永久变形以消除应力；
将固溶处理后的合金自然冷却到室温，再加热到150℃-170℃进行时效处理。
实施例九：
一种用于半导体真空设备的铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：采用三层电解法对金属铝进行提纯，提纯时所使用的电解液为NaF-AlF3-BaF2-CaF2的混合物；
步骤二：将步骤一中提纯后的金属铝置于800℃的温度下进行熔化形成铝液，向铝液中加入金属硅、金属镁、金属铜、金属铬和金属钛形成混合铝液；
步骤三：将步骤二中得到的混合铝液通过重力浇铸法制成铝合金锭；
步骤四：通过锻造或轧制得到铝合金板材；
步骤五：对步骤四中得到的铝合金板材进行T6热处理，具体如下，在500℃的温度下对铝合金板材进行固溶处理，使合金中所添加的金属硅、金属镁、金属铜、金属铬和金属钛均匀分布；
将固溶处理后的合金自然冷却到室温，再加热到150℃进行时效处理。
实施例十：
一种用于半导体真空设备的铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：采用三层电解法对金属铝进行提纯，提纯时所使用的电解液为Na3AlF6-AlF3-BaCl2-NaCl的混合物；
步骤二：将步骤一中提纯后的金属铝置于750℃的温度下进行熔化形成铝液，向铝液中加入金属硅、金属镁、金属铜、金属铬和金属钛形成混合铝液；
步骤三：将步骤二中得到的混合铝液通过重力浇铸法制成铝合金锭；
步骤四：通过锻造或轧制得到铝合金板材；
步骤五：对步骤四中得到的铝合金板材进行T652热处理，具体如下：在550℃温度下对铝合金板材进行固溶处理，使合金中所添加的金属硅、金属镁、金属铜、金属铬和金属钛均匀分布；
通过施压产生5％永久变形以消除应力；
将固溶处理后的合金自然冷却到室温，再加热到170℃进行时效处理。
实施例十一：
一种用于半导体真空设备的铝合金材料的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：采用偏析法对金属铝进行提纯；偏析法提纯时，将待提纯的铝熔化并将其保持在略高于熔点的温度，然后将带水冷的结晶器插入铝熔液中，促使铝在结晶器上固化，得到高纯度的铝晶体。
步骤二：将步骤一中提纯后的金属铝置于680℃的温度下进行熔化形成铝液，向铝液中加入金属硅、金属镁、金属铜、金属铬和金属钛形成混合铝液；
步骤三：将步骤二中得到的混合铝液通过重力浇铸法制成铝合金锭；
步骤四：通过锻造或轧制得到铝合金板材；
步骤五：对步骤四中得到的铝合金板材进行T651热处理，具体如下，在520℃温度下对铝合金板材进行固溶处理，使合金中所添加的金属硅、金属镁、金属铜、金属铬和金属钛均匀分布；
然后对铝合金板材进行拉伸，以消除应力。
将固溶处理后的合金自然冷却到室温，再加热到155℃进行时效处理。
以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种用于半导体真空设备的铝合金材料，其特征在于：按照质量百分比包括以下组分的材料：0.15％-0.4％的铜、0.4％-0.8％的硅、0.8％-1.2％的镁、0.04％-0.35％的铬、0-0.15％的锰，0-0.05％的钛、0-50ppm的铁、0-200ppm的锌、0-50ppm的镍、0-5ppm的铅、0-5ppm的铋和0-5ppm的钠，其余组分为铝；其中钛的含量不包括0，铁的含量不包括0ppm，锌的含量不包括0ppm，镍的含量不包括0ppm，，铅的含量不包括0ppm，铋的含量不包括0ppm，钠的含量不包括0ppm。
2.根据权利要求1所述的一种用于半导体真空设备的铝合金材料，其特征在于：铜的含量为0.25％-0.35％，硅的含量为0.5％-0.7％，镁的含量为0.9％-1.0％，锰的含量为0-0.05％，铬的含量为0.1％-0.2％。
3.根据权利要求2所述的一种用于半导体真空设备的铝合金材料，其特征在于：铁的含量为0-20ppm、锌的含量为0-20ppm、镍的含量为0-10ppm的，其中铁的含量不包括0ppm，锌的含量不包括0ppm，镍的含量不包括0ppm。
4.一种用于半导体真空设备的铝合金材料的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：提纯金属铝；
步骤二：将步骤一中提纯后的金属铝进行熔化形成铝液，向铝液中加入合金元素形成混合铝液，提高铝合金材料的耐腐蚀性和强度；
步骤三：将步骤二中得到的混合铝液制成铝合金锭；
步骤四：通过锻造或轧制得到铝合金板材；
步骤五：对步骤四中得到的铝合金板材进行热处理。
5.根据权利要求4所述的一种用于半导体真空设备的铝合金材料的制备方法，其特征在于，步骤一中采用三层电解法对金属铝进行提纯。
6.根据权利要求4所述的一种用于半导体真空设备的铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤一中采用偏析法对金属铝进行提纯。
7.根据权利要求4所述的一种用于半导体真空设备的铝合金材料的制备方法，其特征在于，所述步骤二中将金属铝置于670-800℃的温度下进行熔化。
8.根据权利要求4所述的一种用于半导体真空设备的铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤二中向铝液中添加的合金元素有金属硅、金属镁、金属铜、金属铬和金属钛，其中添加金属元素后混合溶液中铁的含量不超过50ppm，混合溶液中锌的含量不超过200ppm。
9.根据权利要求4所述的一种用于半导体真空设备的铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤三中将铝液通过重力浇铸法制成铝合金锭。
10.根据权利要求4所述的一种用于半导体真空设备的铝合金材料的制备方法，其特征在于：所述步骤五中采用T6、T651、或T652热处理工艺对铝合金板材进行热处理，得铝合金材料。
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| JPH1017969A (ja) * | 1996-06-27 | 1998-01-20 | Sumitomo Light Metal Ind Ltd | アルミニウム合金クラッドフィン材およびその製造方法 |
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2023
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Patent Citations (5)
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