一种异形半导体靶材的制备方法与流程

1.本发明涉及半导体靶材制备领域，更具体地说，它涉及一种异形半导体靶材的制备方法。


背景技术：

2.靶材又称“溅射靶材”，由于是在溅射过程中被高速金属等离子体流轰击的目标材料而得名。靶材是半导体、显示面板、光伏等领域制备功能薄膜的核心原材料，存在工艺不可替代性。更换不同靶材可得到不同的膜系，从而实现导电或阻挡等功能。
3.整体而言，靶材的纯度、致密度和成分均匀性、晶粒等都会对镀膜性能造成一定的影响，且针对不同的下游影响程度和侧重点有所不同。
4.各种类型靶材中属半导体靶材技术要求最高,其对纯度要求通常高达5n5以上；且对尺寸精密度也存在极高要求。
5.半导体芯片行业用的金属溅射靶材，主要种类包括:铝、铜、钛、钽、钴和钨等高纯溅射靶材，以及铝硅铜等合金类的溅射靶材。
6.针对半导体异形靶材，目前主要工艺为：原料——锻压——掏孔——机加工，此方法损耗较多，成本较高，且内部组织均匀性较差，需要一种降低成本、改善内部结构的工艺方法。
7.因此需要提出一种新的方案来解决这个问题。


技术实现要素：

8.针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种异形半导体靶材的制备方法，通过原料——锻压——轧制——退火——二次锻压——机加工的方式加工靶材，不仅成本低，而且能够保证内部组织的均匀性，损耗也小。
9.本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种异形半导体靶材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
10.1)原料准备：根据成品所需尺寸以及内部结构需求计算形变量，从而计算出所需原料锭尺寸，准备好原材料；
11.2)模具及设备准备：根据不同的材料及不同尺寸需求，选择不同吨位的锻压及轧制机，并且根据成品形状和尺寸设计好不同的模具形状和尺寸；
12.3)原材料预热；
13.4)锻压：根据产品材料、成品尺寸以及成品晶粒要求计算出锻压比以及选择适合的锻压机进行锻压；
14.5)轧制：根据原材料材质不同，选择冷轧或热轧；
15.6)退火：根据原材料材质不同设置不同的退火温度和保温时间；
16.7)二次锻压：根据成品尺寸，设计不同的模具尺寸，将原材料预热后放置于锻压模具上，进行锻压；
17.8)机加工：锻压好的异形状毛坯直接使用机加工得到成品。
18.通过采用上述技术方案，
19.本发明进一步设置为：在步骤1中，所述原材料为高纯铝或铜或钛或钽金属或铝硅铜合金材料，纯度≥99.9995％。
20.本发明进一步设置为：在步骤4中，锻压速度5.25-20mm/s，每次保压1min，持续锻压5-10次，使原料的圆柱锭被锻压成圆饼，直至达到所需尺寸。
21.本发明进一步设置为：在步骤4中，根据原料的硬度不同设置每道次下压量以及根据起始厚度和目标厚度设置轧制道次数，每道次下压量为0.5mm～15mm，在设备能力和材料形变能力范围内，选择最大下压量。
22.本发明进一步设置为：在步骤7中，锻压时利用上下模具的相互挤压，使得原材料从圆饼状锻压成目标异形状毛坯。
23.本发明进一步设置为：在步骤3中，在坯料均匀热透的条件下，保持最短加热时间。
24.本发明进一步设置为：在步骤3中，在不出现过热的前提下，提高始锻温度，减少加热次数。
25.本发明进一步设置为：在步骤4和步骤7中，初始的锻压温度是在原材料熔点以下100～200度。
26.本发明进一步设置为：在步骤4和步骤7中，锻造结束的终锻温度高于原材料再结晶的温度。
27.综上所述，本发明具有以下有益效果：通过原料——锻压——轧制——退火——二次锻压——机加工的工艺步骤，使原材料毛坯加工成所需要的异形靶材，特别是利用锻压之后经过轧制和退火后再次进行二次锻压，减少了原先厚毛坯掏孔的过程，减少损耗，且有利于材质均一性，从而获得内部组织均匀的靶材，并且降低了制造成本。
附图说明
28.图1为本发明的加工流程示意图；
29.图2为实施例一的金相检测图。
具体实施方式
30.下面结合附图和实施例，对本发明进行详细描述。
31.本发明采用一种新型的制备异形半导体高纯金属或合金靶的方法，其主要工艺如附图1所述，包括有原料准备——金属锻压——金属轧制——金属退火——金属二次锻压——机加工。
32.此方法不限材料，包括但不限于铝、铜、钛、钽等高纯金属或者铝硅铜等合金材料。
33.制备方案包括以下步骤：
34.1)原料准备：前期根据成品所需尺寸以及内部结构需求计算形变量，从而计算出所需原料锭尺寸，准备高纯铝、铜、钛、钽等金属原材料及铝硅铜等合金材料，基本为圆柱状原料胚，纯度高达99.9995％；
35.2)模具及设备准备：根据不同的材料及不同尺寸需求，选择不同吨位的锻压及轧制机，并且根据成品形状和尺寸设计好不同的模具形状和尺寸；
36.3)原料锭预热：坯料加热是为了提高坯料的塑性，降低变形抗力，在坯料均匀热透的条件下，应尽量缩短加热时间，以减少金属氧化等缺陷，降低燃料消耗。锻造锻件应在一定的温度范围内进行。锻造温度分为开始锻造温度和终止锻造温度：始锻温度是在材料熔点以下100～200度，终锻温度是指此时还有足够的可塑性。在不出现过热的前提下，应尽量提高始锻温度，以使坯料具有最佳的锻压性能，并能减少加热次数，提高生产率。终锻温度需高于金属的再结晶温度，以保证有足够的塑性以及锻后能获得再结晶组织，终锻温度若过高，易形成粗大晶粒，降低力学性能；终锻温度过低，则锻压性能变差。
37.4)金属锻压：金属锻压过程可以使得金属内部晶粒纵向破碎，从而达到细晶粒效果。根据产品材料、成品尺寸以及成品晶粒要求计算出最优锻压比以及选择适合的锻压机，例如1000t、2500t、5000t等；同样，根据产品材料和锻压比选择最优加热温度和保温时间，然后将加热保温后的原料胚放置于锻压机模具上，启动锻压机，设置锻压速度5.25-20mm/s，每次保压1min，持续锻压5-10次，使原料胚圆柱锭被锻压成圆饼，直至达到所需尺寸；
38.5)金属轧制：金属轧制过程可以使得金属内部晶粒再次横向破碎，根据金属材质不同，可以选择冷轧或热轧，例如金属铝及铝合金、金属钛可以选择冷轧，而金属铜和金属钽等可以选择热轧。根据材料的硬度不同设置每道次下压量以及根据起始厚度和目标厚度设置轧制道次数，每道次下压量可以0.5mm～15mm，在设备能力和材料形变能力范围内，选择最大下压量，这样可以最大程度破坏晶粒，从而达到细晶效果。轧制过程尽量保证材料平整不翘曲，否则需要校平；
39.6)金属退火：金属退火过程是晶粒均匀化的过程，可以提高目标产品性能均匀性，根据金属材质不同设置不同的退火温度和保温时间，例如：金属al及al合金，设置退火温度为400℃～500℃，保温时间1h～3h；
40.7)金属二次锻压：金属二次锻压是异形件关键步骤，此步骤有利于形成最终目标产品机加工毛坯，这样就减少了原先厚毛坯掏孔的过程，有利于减少损耗，且有利于材质均一性；根据成品尺寸，设计不同的模具尺寸，与第一次锻压工艺类似，将原料锭预热后放置于锻压模具上，启动锻压机，利用上下模具的相互挤压，使得材料从圆饼状锻压成目标异形状毛坯，此异形大多为凹凸状；
41.8)金属机加工：锻压好的异形件毛坯可以直接使用机加工得到成品，根据材质不同，选择不同的刀片等，避免粘刀等现象，加工完成后的产品可以进行后续表面处理、清洗等工序。
42.实施例一：
43.以下通过以alsi合金锭作为原材料进行具体说明：
44.1)原料准备：使用纯度99.9995％的alsi合金锭，si占比3％，原料锭尺寸为1)原料准备：使用纯度99.9995％的alsi合金锭，si占比3％，原料锭尺寸为
45.2)设备和模具选择：根据alsi材质质软性能，选择2500t压机，根据成品尺寸设计模具：一次锻压模具为：上模400*400*50mm，下模外圈400*400*50mm，内圈为：二次锻压模具为：上模凸出，下模凹陷，上模凸出口直径尺寸为凸出厚度为26mm；下模凹陷口直径尺寸为凹陷深度为24mm；
46.3)原料锭预热：根据alsi材质和原料锭大小设计预热温度为500℃，保温1.5h，提高塑性，增加变形抗力且尽量减少金属氧化；
47.4)金属锻压：使用2500t锻压机，将预热保温后的原料胚放置于一次锻压模具下模中间，启动锻压机，设置锻压速度15mm/s，每次保压1min，持续锻压5次，使原料胚圆柱锭被锻压成圆饼，直至达到所需尺寸锻压比为3.6，可达到内部晶粒纵向破碎的效果；
48.5)金属轧制：将带有余热的圆饼放置于轧机上进行轧制，可使得内部晶粒横向破碎，细化晶粒，轧制前厚度为30mm，轧制后厚度为15mm，形变量为50％，设计轧制道次数6次，每道次下压量2～5mm,每道次轧制完旋转90
°
再进行下一道次；轧制完成后检测其翘曲度，若翘曲＞0.2mm，则需进行校平，直至符合要求；轧制后尺寸为
49.6)金属退火：针对alsi合金，设置退火温度为450℃，保温时间为2.5h，是其晶粒均匀化的过程，从而提高目标产品性能均匀性；
50.7)金属二次锻压：将退火后的板材放置于锻压机二次锻压模具上，启动锻压机，设置锻压速度为20mm/s，同样每次保压1min，持续锻压6次，最终形成异形毛坯，便于后续加工，减少材料损耗，且有利于材质均一性；
51.8)金属机加工：对照图纸直接将异形件alsi毛坯加工得到成品，加工完成后的产品可以进行后续表面处理、清洗等工序。
52.获得后的alsi合金靶材进行观察，获得的金相图如附图2所示，其内部组织均匀，其晶粒等级达到5级，完全满足客户需求。
53.以上所述仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种异形半导体靶材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)原料准备：根据成品所需尺寸以及内部结构需求计算形变量，从而计算出所需原料锭尺寸，准备好原材料；2)模具及设备准备：根据不同的材料及不同尺寸需求，选择不同吨位的锻压及轧制机，并且根据成品形状和尺寸设计好不同的模具形状和尺寸；3)原材料预热；4)锻压：根据产品材料、成品尺寸以及成品晶粒要求计算出锻压比以及选择适合的锻压机进行锻压；5)轧制：根据原材料材质不同，选择冷轧或热轧；6)退火：根据原材料材质不同设置不同的退火温度和保温时间；7)二次锻压：根据成品尺寸，设计不同的模具尺寸，将原材料预热后放置于锻压模具上，进行锻压；8)机加工：锻压好的异形状毛坯直接使用机加工得到成品。2.根据权利要求1所述的一种异形半导体靶材的制备方法，其特征在于：在步骤1中，所述原材料为高纯铝或铜或钛或钽金属或铝硅铜合金材料，纯度≥99.9995％。3.根据权利要求1所述的一种异形半导体靶材的制备方法，其特征在于：在步骤4中，锻压速度5.25-20mm/s，每次保压1min，持续锻压5-10次，使原料的圆柱锭被锻压成圆饼，直至达到所需尺寸。4.根据权利要求1所述的一种异形半导体靶材的制备方法，其特征在于：在步骤4中，根据原料的硬度不同设置每道次下压量以及根据起始厚度和目标厚度设置轧制道次数，每道次下压量为0.5mm～15mm，在设备能力和材料形变能力范围内，选择最大下压量。5.根据权利要求1所述的一种异形半导体靶材的制备方法，其特征在于：在步骤7中，锻压时利用上下模具的相互挤压，使得原材料从圆饼状锻压成目标异形状毛坯。6.根据权利要求1所述的一种异形半导体靶材的制备方法，其特征在于：在步骤3中，在坯料均匀热透的条件下，保持最短加热时间。7.根据权利要求1所述的一种异形半导体靶材的制备方法，其特征在于：在步骤3中，在不出现过热的前提下，提高始锻温度，减少加热次数。8.根据权利要求1所述的一种异形半导体靶材的制备方法，其特征在于：在步骤4和步骤7中，初始的锻压温度是在原材料熔点以下100～200度。9.根据权利要求1所述的一种异形半导体靶材的制备方法，其特征在于：在步骤4和步骤7中，锻造结束的终锻温度高于原材料再结晶的温度。

技术总结
本发明公开了一种异形半导体靶材的制备方法，涉及半导体靶材制备领域，旨在解决目前异形半导体靶材制备成本高，内部组织均匀性差的问题，其技术方案要点是：1)原料准备；2)模具及设备准备；3)原材料预热；4)锻压；5)轧制：根据原材料材质不同，选择冷轧或热轧；6)退火：根据原材料材质不同设置不同的退火温度和保温时间；7)二次锻压：根据成品尺寸，设计不同的模具尺寸，将原材料预热后放置于锻压模具上，进行锻压；8)机加工：锻压好的异形状毛坯直接使用机加工得到成品。本发明的一种异形半导体靶材的制备方法成本低，靶材内部组织均匀性好。靶材内部组织均匀性好。靶材内部组织均匀性好。


技术研发人员：顾宗慧 张扬
受保护的技术使用者：基迈克材料科技（苏州）有限公司
技术研发日：2022.12.09
技术公布日：2023/9/22