一种金锗镍合金靶材及其制备方法与流程

1.本发明涉及含锗11-12％镍1-5％的金锗镍auge
11-12
ni
1-5
合金靶材的制备方法，该合金材料主要用作制造半导体芯片的磁控溅射靶材。


背景技术：

2.auge
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ni
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合金具有极好的化学稳定性、低电阻、低电迁移性、易形成膜、与半导体基体好的附着性、特别是具有与化合物半导体芯片形成金属-半导体(m-s)欧姆接触的优良性能，是制备半导体芯片过程中形成欧姆接触层的重要材料；auge
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ni
1-5
合金通常加工成规则颗粒蒸发材料或溅射靶材形状，使用真空蒸发或溅射工艺沉积在半导体芯片表面，形成欧姆接触膜，是制造半导体芯片的关键基础材料，大量应用于制造发光二极管(led)，军用和民用微波通信器件，航天、航空用高转化率半导体化合物(多p-n结gaas芯片等)芯片太阳能电池等。
3.作为蒸发材料，auge
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ni
1-5
合金通常需要加工成规则颗粒，每粒重在0.2至2克之间，每次用一粒或多粒合金材料蒸镀一炉芯片；作为溅射靶材，auge
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ni
1-5
合金通常需要加工成一定厚度方形或圆形靶材。根据现有的au-ge二元相图(文献1)可知au-ge形成共晶，共晶点质量分数为12％ge，共晶温度356℃，在室温，ge在au中的固溶度(质量分数)≤0.1％ge，而au在ge中实际不固溶。因此，auge
12
合金在固态是由富au固溶体和纯ge组成的共晶体，auge
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合金很脆，加入1-5镍的auge
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ni
1-5
合金也很脆，很难用常规热轧和冷轧加工成材。auge
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ni
1-5
合金在凝固过程中产生体积膨胀(与大部分金属凝固结晶体积收缩情况相反，即是合金液态比重大于固态比重)，因此auge
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ni
1-5
合金很难用常规连铸设备和工艺连铸出合金棒材和板材。
4.在现有的技术中，国外有直径1-4毫米长度4至6毫米auge
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ni
1-5
合金丝段规则颗粒产品，也有各种规格方形和圆形靶材，但对其制备方法处于保密状态。
5.国内生产auge
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ni
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规则颗粒有两种方法，一种采用包复热轧法生产合金片材，然后剪切成一定规格的方形规则颗粒比如厚度2毫米宽度长度均为6毫米，重量约1.5克；另一种工艺是采用熔炼后，直接浇出颗粒。
6.制备方形和圆形靶材方法，通常采用中频感应电炉真空熔炼，浇铸在石墨模具或钢模具中(图1、2)，然后进行机加工成型，该方法不足之处，1、浇铸过程存在不可预见铸造缺陷，比如冷隔、夹杂等，成型后出现明显缺陷，导致靶材报废；2、冷却过程不可控，导致晶粒大小不均；3、方形靶或圆形靶，都必须有浇口，同时预留足够余量，增加投料量；4、auge
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ni
1-5
合金在凝固过程中产生体积膨胀，为方便脱模，模具需要一定锥度，也增加投料量，成品率不到50％。


技术实现要素：

7.本发明的目的提出制备auge
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ni
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合金靶材的新方法。
8.该方法具体工艺是，auge
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ni
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合金材料先用真空中频感应电炉进行合金化熔
炼，浇铸在石墨铸模中，冷却后取出。用自制低真空中频感应电炉，经预熔炼坯料放入相应石墨模具(根据靶材尺寸进行设计)中，在低真空冲入氩气保护下进行熔炼，熔化后用超冷结晶器进行定向结晶冷却成型(图3、4)，冷却后取出，进行机加工成型。
9.本发明提出的auge
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ni
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合金的重量百分比au83-88％，ge11-12％，ni 1-5％的成分范围内。
10.本发明提出了一种采用预熔炼+熔炼定向结晶成型+机加工制备脆性auge
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ni
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合金靶材的工艺，用该方法制备圆形和方形靶材，圆形靶材厚度3-6毫米，直径50.8毫米(2英寸)至203.2毫米(8英寸)，长方形靶材厚度3-6毫米，长度100-200毫米，宽度50-120毫米，合金靶材纯度达到99.999％，杂质含量≤0.001％。该方法制备靶材纯度高，晶粒细小，大小方向一致，成品率达到70％以上，用作制造半导体芯片的溅射靶材。
11.本发明的技术方案
12.auge
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ni
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合金靶材制备方法具体如下：
13.⑵
合金原料：纯度≥99.999％au、ge、ni；
14.⑵
配料：按auge
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ni
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合金名义重量百分比配料，并且补加0.05％的ge、0.02％的镍；
15.⑶
熔炼：用高纯石墨坩埚和铸模，在中频感应点炉上进行真空充氩熔炼和浇铸，得到auge
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ni
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合金扁锭；
16.⑷
铸造靶材坯料：在特制低真空中频感应电炉放入相应尺寸高纯石墨铸模，放入合金扁锭，盖上盖板，设置好相应参数后启动设备，(设备自动抽低真空后冲入氩气，升温熔化后，感应圈关电，超冷结晶器提升含有合金石墨铸模，进行快速冷却)设定时间到打开炉盖，取出坯料；
17.⑸
机加工：用车床和铣床按图纸要求进行机械加工成型；
18.⑹
表面喷砂处理：用表面喷砂机进行表面处理；
19.⑺
擦洗包装：用丙酮进行auge
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ni
1-5
合金靶材擦洗并烘干，检验合格的产品称重后，用封口机密封在塑料袋中，再装入铁盒或塑料盒内，帖上产品标签发货。
20.本发明创新点在于：利用auge
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ni
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凝固过程中产生体积膨胀(凝固结晶不产生缩孔和疏松)金属特性，石墨预成型模具、超冷结晶器技术制备auge1ni合金靶材，纯度高，晶粒细小，大小方向一致，成品率达到70％以上，成功地应用于制造半导体芯片的溅射靶材。石墨预成型模具+超冷结晶器铸造预成型坯料技术工艺在国内外尚未见诸报道，具有一定的创造性和新颖性，并产生了良好的经济效益和社会效益。
附图说明
21.图1、图2是现有的传统方法浇铸auge
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ni
1-5
合金靶材的石墨模具或钢模具示意图中a：浇口，b：物料即auge
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ni
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合金，c：石墨铸模或钢模；
22.图3、图4是本发明石墨预成型模具、感应圈、超冷结晶器示意图；图中a：石墨铸模，b：物料即auge
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ni
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合金，c：感应圈，d：超冷结晶器；
23.图5表示本发明底部直径φ1为53-156毫米,上部直径φ2为55-158毫米，深度d为20毫米石墨铸模示意图；
24.图6表示本发明底边长l1为103-203毫米,底边宽为w1为52-122毫米,上边长l2为
104-204毫米,上边宽为w2为54-124毫米,深度d为20毫米石墨铸模示意图。
具体实施方式
25.实施例1auge
11.5
ni5合金￠100
×
6mm产品制备；
26.⑴
合金原料：纯度≥99.999％au、ge、ni；
27.⑵
配料：按au83.43％，ge11.55％，ni5.02％配料，投料950克；
28.⑶
熔炼：用内径50毫米高纯石墨坩埚和(内孔)厚度15
×
宽100
×
深150毫米石墨扁模，在中频感应电炉上进行真空充氩熔炼和浇铸，得到厚度15毫米宽100毫米auge
11.5
ni5合金铸锭；
29.⑷
靶材坯料铸造：在自制20千瓦低真空中频感应电炉放入底部直径103毫米上部直径104毫米深20毫米(图5)的高纯石墨铸模，放入合金扁锭(扁锭可切小)，盖上盖板，设置相应参数(1、抽真空3分钟至真空度≤80pa、充入0.04mpa氩气、升温+保温时间7分钟、冷却15分钟)，启动自制中频感应电炉，设备自动抽低真空后冲入氩气，升温熔化后，感应圈关电，超冷结晶器提升含有合金石墨铸模，快速冷却，25分钟后打开炉盖，取出坯料，坯料直径103毫米，厚度8毫米；
30.⑸
机加工：用车床车出￠100
×
6mm产品；
31.⑹
表面抛光处理：用喷砂机进行表面处理；
32.⑺
清洗包装：用丙酮擦洗auge
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ni5合金靶材表面并烘干，检验合格的产品称重后，用封口机密封在塑料袋中，再装入铁盒或塑料盒内，帖上产品标签发货。
33.实施例2auge
12
ni2合金￠152.3
×
6mm产品制备；
34.⑴
合金原料：纯度≥99.999％au、ge、ni；
35.⑵
配料：按au85.93％，ge12.05％，ni2.02％比例配料，投料2300克；
36.⑶
熔炼：用内径50毫米高纯石墨坩埚和(内孔)厚度15
×
宽100
×
深150毫米石墨扁模，在中频感应电炉上进行真空充氩熔炼和浇铸，得到厚度15毫米宽100毫米auge
12
ni2合金铸锭；
37.⑷
靶材坯料铸造(图4)：在自制20千瓦低真空中频感应电炉放入底部直径156毫米上部直径157毫米深20毫米高纯石墨铸模，放入合金扁锭(扁锭可切小)，盖上盖板，设置好相应参数后(1、抽真空3分钟至真空度≤80pa、充入0.04mpa氩气、升温+保温时间8分钟、冷却18分钟)，启动自制中频感应电炉，设备自动抽低真空后冲入氩气，升温熔化后，感应圈关电，超冷结晶器提升含有合金石墨铸模，快速冷却，29分钟后打开炉盖，取出坯料，坯料直径156毫米，厚度8毫米；
38.⑸
机加工：用车床车出￠152.3
×
6mm产品；
39.⑹
表面抛光处理：用喷砂机进行表面处理；
40.⑺
清洗包装：用丙酮擦洗auge
12
ni2合金靶材表面并烘干，检验合格的产品称重后，用封口机密封在塑料袋中，再装入铁盒或塑料盒内，帖上产品标签发货。
41.实施例3auge
11.5
ni5合金厚度6
×
100
×
200毫米产品制备
42.⑴
合金原料：纯度≥99.999％au、ge、ni；
43.⑵
配料：按按au83.40％，ge11.55％，ni5.05％比例配料，投料2400克；
44.⑶
熔炼：用内径50毫米高纯石墨坩埚和(内孔)厚度15
×
宽100
×
深150毫米石墨扁
模，在中频感应电炉上进行真空充氩熔炼和浇铸，得到厚度15毫米宽100毫米auge
11.5
ni5合金铸锭；
45.⑷
靶材坯料铸造(图5)：在自制20千瓦低真空中频感应电炉放入底边长203
×
103毫米上边长204
×
104毫米深20毫米(图6)高纯石墨铸模，放入合金扁锭(铸锭可切小块)，盖上盖板，设置好相应参数后(1、抽真空3分钟至真空≤80pa、充入0.04mpa氩气、升温+保温时间9分钟、冷却18分钟)，启动自制中频感应电炉，设备自动抽低真空后冲入氩气，升温熔化后，感应圈关电，超冷结晶器提升含有合金石墨铸模，快速冷却，30分钟后打开炉盖，坯料长203毫米、宽103毫米、厚度8毫米；
46.⑸
机加工：用铣床加工出厚度6
×
100
×
200毫米产品；
47.⑹
表面抛光处理：用喷砂机进行表面处理；
48.⑺
清洗包装：用丙酮擦洗auge
11.5
ni5合金靶材表面并烘干，检验合格的产品称重后，用封口机密封在塑料袋中，再装入铁盒或塑料盒内，帖上产品标签发货。
49.参考文献1：何纯孝,马光辰,王文娜,等.贵金属合金相图[m].北京：冶金工业出版社，1983:39。

技术特征：
1.一种金锗镍合金靶材，其特征在于：金锗镍合金成分ge11-12％，ni1-5％，余量为au，au、ge和ni的纯度≥99.999％，金锗镍合金靶材尺寸为圆形靶材或长方形靶材，圆形靶材厚度3-6毫米，直径55毫米至150毫米，长方形靶材厚度3-6毫米，长度100-200毫米，宽度50-120毫米，合金靶材纯度达到99.999％，杂质含量≤0.001％。2.一种金锗镍合金靶材的制备方法，其特征在于含有以下工艺步骤：
⑴
合金原料：纯度≥99.999％au、ge、ni；
⑵
配料：按auge
11-12
ni
1-5
合金名义重量百分比配料，并且补加0.05％的ge、0.02％的ni；
⑶
熔炼：用高纯石墨坩埚和铸模，在中频感应加热炉上进行真空充氩熔炼和浇铸，得到auge
11-12
ni
1-5
合金扁铸锭；
⑷
铸造靶材坯料：在自制低真空中频感应电炉放入相应尺寸高纯石墨铸模，放入合金扁锭，盖上盖板，设置好相应参数后启动设备，设备自动抽低真空后冲入氩气，升温熔化后，感应圈关电，超冷结晶器提升含有合金石墨铸模，快速冷却，打开炉盖，取出坯料；
⑸
机加工：用车床和铣床按图纸要求进行机械加工成型；
⑹
表面喷砂处理：用表面喷砂机进行表面处理；
⑺
擦洗包装：用丙酮进行auge
11-12
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合金靶材擦洗并烘干，检验合格的产品称重后，用封口机密封在塑料袋中，再装入铁盒或塑料盒内，帖上产品标签发货。3.根据权利要求1所述的一种金锡合金材料应用于半导体芯片的溅射靶材，其特征在于：所述相应参数是：抽真空3分钟至真空度≤80pa、充入0.04mpa氩气、升温+保温时间8-9分钟、冷却15-19分钟。4.权利要求1所述的一种金锗镍合金材料应用于半导体芯片的溅射靶材。

技术总结
本发明涉及一种制造半导体芯片的溅射靶材，由重量百分比Au83-88％，Ge11-12％，Ni1-5％构成；采用预熔炼+熔炼定向结晶成型+机加工制备脆性AuGe


技术研发人员：王广丰
受保护的技术使用者：深圳市稀研靶材科技有限公司
技术研发日：2023.07.10
技术公布日：2023/10/6