CN218666208U - 一种利用射频等离子体制备高纯金属靶坯的装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种利用射频等离子体制备高纯金属靶坯的装置，包括熔炼炉，射频等离子炬体，送料单元，结晶器，真空泵。熔炼炉与射频等离子炬体相连。熔炼炉侧面安装所述送料单元。熔炼炉底部安装所述结晶器。真空泵连接所述熔炼炉，保持所述熔炼炉内压力恒定。射频等离子炬体通入中心气体，中心气体在感应线圈产生的高频电磁场下离解成高温等离子体，形成等离子体火焰。等离子体火焰熔化待提纯金属棒，形成金属液滴落入所述结晶器，在等离子火焰的作用下进一步熔炼提纯，金属熔体凝固形成高纯金属靶坯。本实用新型具有无电极污染，等离子温度高，气氛压力可控等优点，是制备高纯金属靶坯的一种洁净，高效的装置。

Description

一种利用射频等离子体制备高纯金属靶坯的装置

技术领域

本实用新型涉及一种利用射频等离子体制备高纯金属靶坯的装置，属于高纯金属靶坯生产技术领域。

背景技术

高纯金属溅射靶材是电子信息材料的重要组成部分，是集成电路、平板显示、信息存储、太阳能电池等高新技术产业溅射镀膜的基本耗材。高纯金属靶坯是制备溅射靶材的基本原材料。其纯度是影响靶材性能的关键指标之一。为了提高材料纯度，研究者已开发了许多提纯技术，如：真空感应熔炼、电子束熔炼、真空蒸馏、区域熔炼，固态电迁移等。虽然这些技术已取得了一定的成功，但在实际应用中仍存在一些不足。例如：真空感应熔炼通常用到陶瓷坩埚，存在坩埚污染，降低金属纯度。真空蒸馏法对于蒸气压相近的金属杂质难以去除。电子束熔炼要求真空度高，且能量利用率低。区域熔炼仅实现杂质的再分配未将杂质完全去除，固态电迁移法耗时长、效率较低，这些不足制约了它们在高纯金属靶坯制备中的应用。

近年来，直流电弧等离子体熔炼因具有高温、气氛可控等特点已发展成为一种有效的提纯方法，但这一方法的缺陷是阴极材料(如：钨)在高温下容易挥发进入待提纯的金属熔体，污染金属熔体，导致待提纯金属中阴极材料元素含量高，降低金属熔体的纯度。

相比直流电弧等离子体，射频等离子体具有无电极污染的优势。目前，射频等离子体技术已用于制备各种高纯金属粉体，获得的粉体采用粉末冶金的方法制备成靶材。但制粉过程工艺复杂，流程长导致该工艺生产成本高。且采用粉末冶金方法制备靶材过程中，粉体烧结可能会引入大量杂质元素，降低金属靶坯的纯度。

因此，本实用新型的目的提供一种利用射频等离子体制备高纯金属靶坯的装置，该装置可通过熔炼提纯-铸造两步工艺路线制备高纯金属靶坯，显著简化了工艺流程。

实用新型内容

为此，本实用新型所要解决的技术问题在于克服现有技术中的不足，提供一种制备高纯金属靶坯的装置，该装置利用射频等离子技术制备高纯金属靶坯。本装置能够实现在金属提纯过程中无电极污染，并且压力气氛可控，熔炼温度高，能够实现对各种难熔金属的高效提纯，从而获得高纯度的金属靶坯。

为解决上述技术问题，本实用新型提供了一种利用射频等离子体制备高纯金属靶坯的装置，包括，

熔炼炉；

射频等离子炬体，其包括壳体，所述壳体内设有中心管、等离子体约束管和感应线圈，所述中心管与等离子体约束管同轴设置，且所述所述等离子体约束管的直径大于所述中心管的直径，所述感应线圈设在所述等离子体约束管与所述壳体之间，所述射频等离子炬体与所述熔炼炉相连，所述射频等离子炬体能够产生等离子体火焰。

送料单元，其包括夹持部和传动部，所述夹持部设在所述熔炼炉内，所述夹持部夹持待提纯金属棒，所述传动部与所述夹持部相连，所述传动部驱动所述待提纯金属棒传送至所述等离子火焰所在的区域；

结晶单元，其包括结晶器和升降装置，所述结晶器设在所述熔炼炉内，所述升降装置与所述结晶器相连，所述升降装置将所述结晶器送至合适位置。

优选地，所述中心管通入中心气体。

优选地，所述中心气体包括惰性气体、还原性气体或氧化性气体中的一种或几种混合。

优选地，所述等离子体约束管和中心管之间通入鞘气，所述鞘气能够保护所述等离子体约束管。

优选地，所述鞘气为惰性气体。

优选地，所述升降装置包括升降杆，所述升降杆设在所述结晶器的底部。

优选地，包括真空单元，所述真空单元包括真空泵、真空管、排气口，所述真空泵通过所述真空管与所述熔炼炉相连，所述真空泵的另一端连接所述排气口。

优选地，所述结晶器的一端连接进水管，另一端连接出水管。

优选地，包括射频电源，所述射频电源与所述射频等离子炬体相连。

本实用新型的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

本实用新型所述的一种利用射频等离子体制备高纯金属靶坯的装置，该装置通过射频感应耦合等离子技术熔炼提纯金属，并制备高纯金属靶坯，通过设置位置可调节的送料单元以及结晶器单元，保证金属熔体与等离子体火焰的接触时间，有利于杂质元素的挥发去除，使结晶器内金属熔体处于射频等离子体火焰内合适位置，确保熔炼温度范围。本装置结构简单，操作方便，能够实现金属提纯过程中无电极污染，气氛压力可控，熔炼温度高，能够实现对各种难熔金属的高效提纯，从而获得高纯度的金属靶坯。

附图说明

为了使本实用新型的内容更容易被清楚的理解，下面根据本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型作进一步详细的说明，其中

图1是本实用新型最佳实施例的结构示意图。

说明书附图标记说明：1-熔炼炉，2-射频等离子炬体，21-感应线圈，22-等离子体约束管，23-中心管，24-等离子火焰，25-鞘气，26-中心气体，3-夹持部，31-传动部，4-待提纯金属棒，41-金属熔体，5-结晶器，51-进水管，52-出水管，6-升降杆，61-真空泵，62-真空管，63-排气口，7-射频电源。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

实施例

参照图1所示，本实用新型揭示了一种利用射频等离子体制备高纯金属靶坯的装置，包括，

熔炼炉1，待提纯金属棒4在所述熔炼炉1内进行提纯；

射频等离子炬体2，所述射频等离子炬体2包括壳体，所述壳体内设有中心管23、等离子体约束管22和感应线圈21，所述中心管23与等离子体约束管22同轴设置，且所述所述等离子体约束管22的直径大于所述中心管23的直径，所述感应线圈21设在所述等离子体约束管22与所述壳体之间，所述等离子体约束管22和中心管23之间通入鞘气25，中心管23通入中心气体26，所述射频等离子炬体2与所述熔炼炉1相连，且所述射频等离子炬体2安装在熔炼炉上部，所述射频等离子炬体2产生的等离子体火焰24通入所述熔炼炉1内；

送料单元，其包括夹持部3和传动部31，所述夹持部3设在所述熔炼炉1内，所述夹持部3夹持待提纯金属棒4，所述传动部31与所述夹持部3相连，所述传动部31驱动所述待提纯金属棒4传送至所述等离子火焰24所在的区域；

结晶单元，其包括结晶器5和升降装置6，所述结晶器5设在所述熔炼炉1内，所述待提纯金属棒4由所述等离子火焰24进行灼烧形成的金属液滴落入所述结晶器5内，形成金属熔体41，所述升降装置6与所述结晶器5相连，所述升降装置6将所述结晶器1送至合适位置，使所述结晶器5内的金属熔体41能够处于所述等离子体火焰24内合适位置。

由此可以得知，本实用新型所述的一种制备金属靶坯的装置，通过射频感应耦合等离子技术制备高纯金属靶坯，该装置设有位置可调节的送料单元以及结晶器单元，从而保证金属熔体与等离子体火焰的接触时间，有利于杂质元素的挥发去除，使结晶器内金属熔体处于等离子体火焰内合适位置，确保熔炼温度范围。本装置结构简单，操作方便，能够实现在金属提纯过程中无电极污染，熔炼温度高，能够实现对各种难熔金属的高效提纯，从而获得高纯度的金属靶坯。

进一步地，所述等离子体约束管和中心管之间通入鞘气25，所述鞘气25为惰性气体，在本实施例中，由于所述等离子火焰24的温度能够达到7000K-20000K，所述鞘气25能够保护所述射频等离子体约束管免于受到所述等离子火焰24的烧蚀。

更进一步地，所述中心管23通入中心气体26。其中，所述中心气体26包括惰性气体(如：氩气)、还原性气体(如：氢气)或氧化性气体(如：二氧化碳、氮气、氧气)中的一种，或是以上气体按照一定比例混合后的混合气体。所述射频等离子炬体2能够根据所述中心气体26的不同，从而产生不同的等离子体火焰24，使得在制备高纯金属靶坯的气氛可控。

具体来说，所述传动部31包括传动杆，还包括用于驱动所述传动杆的第一驱动部，所述传动杆与所述夹持部3相连、带动所述夹持部3运动，从而能够持续将所述待提纯金属棒4向所述等离子火焰24所在区域传动，实现连续给料。所述传动杆与驱动部相连，在本实施例中，所述第一驱动部采用液压杆。

所述升降装置包括升降杆6，还包括用于驱动所述升降杆6运动的第二驱动部，所述升降杆6设在所述结晶器5的底部，所述升降杆6带动所述结晶器5上下运动，调节所述结晶器5的位置，从而使所述待提纯金属棒4熔化产生的金属熔体41始终位于所述等离子火焰24的范围内。在本实施例中，所述第二驱动部采用液压杆。

所述结晶器5采用水冷铜结晶器，所述水冷铜结晶器的一端连接进水管51，另一端连接出水管52，所述水冷铜结晶器通过所述进水管51和出水管52通水进行冷却。

从细节上来说，所述包括真空单元，所述真空单元包括真空泵61、真空管62、排气口63，所述真空泵61通过所述真空管62与所述熔炼炉1相连，所述真空泵61的另一端连接所述排气口63，所述熔炼炉1内的气体能够通过所述排气口63排出。所述真空单元的作用在于保持所述熔炼炉1内的压强恒定。

具体地，所述装置还包括射频电源7，所述射频电源7与所述射频等离子炬体2相连。所述射频电源7向所述感应线圈21提供高频交变电流，从而产生高频交变电磁场，所述中心气体26通过电离产生所述等离子火焰24。通过调节所述射频电源7的功率能够使所述射频等离子炬体2产生不同功率的所述等离子火焰24。

本实用新型所述的一种利用射频等离子体制备高纯金属靶坯的装置的工作原理和流程如下：

开启真空泵，对熔炼炉内进行抽真空，然后关闭真空泵，通过射频等离子炬体输入中心气体。如此循环几次，对熔炼炉内的空气进行清洗，去除杂质气体。保持中心气体持续输入，开启真空泵，使熔炼炉内处于所需要的压强范围，启动射频等离子炬体，产生等离子火焰。夹持部夹持待提纯金属棒，并通过传动杆连续向等离子火焰传送待提纯金属棒，等离子火焰熔化待提纯金属棒成金属液滴，金属液滴滴落至结晶器内，等离子火焰继续对金属液滴和落入结晶器的金属熔体进行熔炼提纯。此时，通过调节升降杆调节结晶器的位置高度，使金属熔体能够始终处于等离子火焰的范围内。由于等离子火焰的温度能够达到7000-20000K，从而金属熔体内的金属杂质元素很容易挥发去除。根据实际需求，中心气体可以选择惰性气体、还原性气体或氧化性气体其中的一种或是其按比例混合后的混合气体，中心气体通过射频等离子炬体后，形成的具有高活性的等离子体与金属熔体中的非金属元素结合，从而形成易挥发物质，再进行去除。由此，对金属熔体实现快速提纯。最后，关闭射频电源，停止输入中心气体，结晶器内金属熔体冷却凝固，获得高纯金属靶坯。

综上所述，该装置通过射频感应耦合等离子技术制备金属靶坯，通过设置位置可调节的送料单元以及结晶单元，从而保证金属熔体与等离子体火焰的接触时间，有利于杂质元素的挥发去除，使结晶器内金属熔体处于射频等离子体火焰内合适位置，确保熔炼温度范围。本装置结构简单，操作方便，能够实现在制备过程中无电极污染，并且压力气氛可控，熔炼温度高，能够实现对各种难熔金属的高效提纯，从而获得高纯度的金属靶坯。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。

Claims (9)

1.一种利用射频等离子体制备高纯金属靶坯的装置，其特征在于：包括，

熔炼炉；

射频等离子炬体，其包括壳体，所述壳体内设有中心管、等离子体约束管和感应线圈，所述中心管与等离子体约束管同轴设置，且所述等离子体约束管的直径大于所述中心管的直径，所述感应线圈设在所述等离子体约束管与所述壳体之间，所述射频等离子炬体与所述熔炼炉相连，所述射频等离子炬体能够产生等离子体火焰；

送料单元，其包括夹持部和传动部，所述夹持部设在所述熔炼炉内，所述夹持部夹持待提纯金属棒，所述传动部与所述夹持部相连，所述传动部驱动所述待提纯金属棒传送至所述等离子火焰所在的区域；

结晶单元，其包括结晶器和升降装置，所述结晶器设在所述熔炼炉内，所述升降装置与所述结晶器相连，所述升降装置将所述结晶器送至合适位置。

2.根据权利要求1所述的一种利用射频等离子体制备高纯金属靶坯的装置，其特征在于：所述中心管通入中心气体。

3.根据权利要求2所述的一种利用射频等离子体制备高纯金属靶坯的装置，其特征在于：所述中心气体包括惰性气体、还原性气体或氧化性气体中的一种或几种混合。

4.根据权利要求1所述的一种利用射频等离子体制备高纯金属靶坯的装置，其特征在于：所述等离子体约束管和中心管之间通入鞘气，所述鞘气能够保护所述等离子体约束管。

5.根据权利要求1所述的一种利用射频等离子体制备高纯金属靶坯的装置，其特征在于：所述鞘气为惰性气体。

6.根据权利要求1所述的一种利用射频等离子体制备高纯金属靶坯的装置，其特征在于：所述升降装置包括升降杆，所述升降杆设在所述结晶器的底部。

7.根据权利要求1所述的一种利用射频等离子体制备高纯金属靶坯的装置，其特征在于：包括真空单元，所述真空单元包括真空泵、真空管、排气口，所述真空泵通过所述真空管与所述熔炼炉相连，所述真空泵的另一端连接所述排气口。

8.根据权利要求1所述的一种利用射频等离子体制备高纯金属靶坯的装置，其特征在于：所述结晶器的一端连接进水管，另一端连接出水管。

9.根据权利要求1所述的一种利用射频等离子体制备高纯金属靶坯的装置，其特征在于：包括射频电源，所述射频电源与所述射频等离子炬体相连。

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