稀土金属靶材及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种稀土金属靶材及其制备方法。该制备方法包括：步骤S1，采用水冷坩埚悬浮熔炼方法将稀土金属熔炼成稀土金属熔液；步骤S2，对稀土金属熔液进行下拉铸锭，得到稀土金属铸锭；以及步骤S3，对稀土金属铸锭进行锻造轧制以及机械加工，获得稀土金属靶材。通过采用水冷坩埚悬浮熔炼方法进行熔炼及下拉方式铸锭，不仅能够防止熔液被坩埚污染，而且利用下拉过程中对凝固收缩进行补偿，消除气孔和疏松等优势，获得相对平整的凝固界面，避免枝晶迅速生长导致晶粒粗大，进而使内部致密无缺陷，不仅利于后续锻造轧制，而且能够获得大尺寸的稀土金属靶材。

Rare earth metal target and preparation method thereof

The invention provides a rare earth metal target material and a preparation method thereof. The preparation method comprises the following steps: step S1, using cold crucible levitation melting method of rare earth metal smelting rare earth molten metal; step S2, to drop the molten metal ingots on rare earth, rare earth metal ingot; and step S3, forging rolling and machining of rare earth metal ingot, for rare earth metal target. The ingot melting down and through the water-cooled crucible levitation melting method, not only can prevent the melt crucible is pollution, and use the drop-down process on the solidification shrinkage compensation, eliminate porosity and loose and other advantages, obtain the solidification interface relatively smooth, avoid dendrite growth leads to rapid grain coarsening, and the internal dense without defects, not only conducive to the subsequent rolling, but also can get the large size of the rare earth metal target.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及靶材制备领域，具体而言，涉及一种稀土金属靶材及其制备方法。
技术介绍
集成电路产业技术遵循摩尔定律不断发展演进，其中，芯片不断缩小其特征尺寸，从微米推向深亚微米，进而迈入纳米时代，并向微细加工的物理极限进军。作为新一代28nm节点及以下MOSFET(Metal-Oxide-SemiconductorField-EffectTransistor，金属氧化物半导体场效应晶体管)中的栅绝缘膜要求薄膜化，但是迄今作为栅绝缘膜使用的SiO2，由于隧道效应引起漏电流增大，难以正常操作。因此，作为其替代物，业界提出了具有高介电常数、高热稳定性以及对硅中的空穴和电子具有高能势垒的HfO2、ZrO2、Al2O3的非稀土的金属氧化物以及La2O3、Er2O3、Gd2O3、Yb2O3和Er2O3等稀土氧化物。这些材料中的稀土氧化物的评价较高，有望将其取代SiO2作为新一代MOSFET中高介电常数的栅介质材料、金属栅材料等电子材料。作为溅射稀土氧化物薄膜材料用稀土金属靶材，无论在化学纯度还是尺寸等方面均具有较高要求：靶材纯度大于99.99wt％、O含量小于100ppm；靶材直径大于200mm、晶粒尺寸小于200μm，且微观组织无明显缺陷等。尤其针对半导体、显示器件等领域用稀土金属靶材，其对纯度、致密度、晶粒尺寸、几何形状与尺寸等要求更为严格。尤其是在纯度方面，仅使目标稀土元素的含量大于99.99wt％还不能满足要求，而且，现有技术中在计算目标稀土金属在稀土金属靶材中的含量时，通常是目标稀土元素的重量与稀土金属靶材料减去非目标稀土元素重量之后的重量差的比值，这样分母变小，得到的纯度自然较高。而实际上，其他非目标稀土元素的存在会使得目标稀土金属元素在稀土金属板材中的含量有可能达不到大于99.99wt％的要求。将该类稀土金属板材用于溅射成膜时容易导致成膜不均匀以及成膜效率低等缺陷。因而，还需要进一步提高目标稀土元素在稀土金属靶材中的含量，尤其是提高目标稀土元素相对于非目标稀土元素的含量比例。但由于99.99wt％纯度稀土金属产品制备技术在我国实现突破时间尚短，现行稀土金属靶材制备工艺均以2N级(2N、3N、4N或5N表示当量试剂的纯度，4N即指含量为99.99％，N实质代表9的个数)工业纯的金属为原料，采用简单的熔炼浇铸，再切割成符合要求的型材，获得的产品主要应用于冶金等传统领域。此方法具有工艺简单、成本低的特点，但产品存在气孔、晶粒尺寸较大、易开裂等缺点，难于满足大尺寸、高致密靶材的制备要求，而且靶材制备过程中难于控制杂质的引入。另外，相对而言，4N级金属在强度、硬度、塑性、再结晶温度等物理特征与2N工业纯金属相比存在明显差异，现有稀土靶材制备工艺已不适用于电子信息用靶材的制备。因而，尽管现有技术中也已有少量4N级以上的稀土金属靶材的报道，然而这些稀土金属靶材用于溅射时容易导致成膜不均匀以及成膜效率低等缺陷。因此，仍需要对现有技术进行改进，以提供一种面向电子信息材料用的高纯度稀土金属靶材及其制备方法。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种稀土金属靶材及其制备方法，以解决现有技术中的制备工艺难以满足电子信息材料用的稀土金属靶材制备的问题。为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了一种稀土金属靶材的制备方法，该制备方法包括：步骤S1，采用水冷坩埚悬浮熔炼方法将稀土金属熔炼成稀土金属熔液；步骤S2，对稀土金属熔液进行下拉铸锭，得到稀土金属铸锭；以及步骤S3，对稀土金属铸锭进行锻造轧制以及机械加工，获得稀土金属靶材。进一步地，稀土金属为纯度>99.99wt％的稀土金属，优选稀土金属选自La、Ce、Pr、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Yb、Y以及Sc中的任意一种。进一步地，步骤S1采用悬浮熔炼炉实施，悬浮熔炼炉内的压力高于大气压力300～500Pa；优选悬浮熔炼炉内为氩气气氛。进一步地，步骤S2在对稀土金属熔液进行下拉铸锭的过程中进行超声处理；超声处理的步骤中超声波的频率范围为30～40kHz，超声仪的功率小于或等于30kW。进一步地，步骤S2中下拉的速度为0.5～1mm/min。进一步地，步骤S3包括：步骤S31，将稀土金属铸锭加热到预定温度，并在预定温度下对稀土金属铸锭依次在X轴和Y轴方向上进行自由锻，得到自由锻产物；步骤S32，对自由锻产物进行冷轧，得到冷轧产物；以及步骤S33，对冷轧产物进行热处理以及机械加工，得到稀土金属靶材。进一步地，步骤S31中，预定温度为250～550℃；优选地，当稀土金属为La、Ce或Yb时，预定温度为250～310℃；当稀土金属为Nd或Pr时，预定温度为300～400℃；当稀土金属为Gd、Tb、Dy、Ho或Er时，预定温度为350～450℃；当稀土金属为Y或Sc时，预定温度为400～550℃。进一步地，步骤S31中，每次自由锻使得稀土金属铸锭的变形量大于20％。进一步地，步骤S32中，每次冷轧的变形量大于15％。进一步地，热处理采用在惰性气氛保护下先淬火后回火的方式进行，淬火采用油冷的方式进行，优选淬火的温度为450℃～650℃，回火的温度为150℃～300℃，回火的时间为1～5h；优选地，La、Ce或Yb淬火的温度为450℃～550℃，Nd或Pr淬火的温度为500～600℃，Gd、Tb、Dy、Ho或Er淬火的温度为550℃～650℃，Y、Sc淬火的温度为600～750℃；优选地，La、Ce或Yb回火的温度为150℃～200℃，Nd或Pr回火的温度为200～250℃，Gd、Tb、Dy、Ho或Er回火的温度为200℃～300℃，Y、Sc回火的温度为300～350℃。为了实现上述目的，根据本专利技术的一个方面，提供了一种稀土金属靶材，该稀土金属靶材包括稀土金属和杂质；稀土金属包括目标稀土金属和杂质稀土金属，目标稀土金属在稀土金属靶材中的含量>99.99wt％，且目标稀土金属在稀土金属中的含量>99.999wt％，稀土金属靶材中氧含量小于100ppm，目标稀土金属为La、Ce、Pr、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Yb、Y以及Sc中的任意一种。进一步地，稀土金属靶材的直径>200mm；优选稀土金属靶材的平均晶粒粒径<200μm。根据本专利技术的另一方面，提供了一种稀土金属靶材，该稀土金属靶材采用上述任一种制备方法制备而成。应用本专利技术的技术方案，通过采用水冷坩埚悬浮熔炼方法对稀土金属进行熔炼，能够利用交变磁场形成电磁力，与重力相抵消使熔体悬浮，进而与坩埚内壁脱离接触，能够防止熔液被坩埚污染，因而确保所熔炼的稀土金属熔液中稀土金属纯度较高。然后采用下拉方式铸锭，能够对凝固收缩进行补偿，消除气孔和疏松等凝固缺陷，产生相对平整的凝固界面，避免枝晶迅速生长导致晶粒粗大，利于形成内部致密无缺陷的平整界面，进而通过后续锻造轧制，能够获得大尺寸(直径>200mm)的稀土金属靶材。具体实施方式需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将结合实施例来详细说明本专利技术。如
技术介绍
部分所提到的，当以稀土金属作为原料时，利用现有技术中制备工艺难以制备得到合格的靶材，为了改善上述状况，在本专利技术一种本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种稀土金属靶材的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：步骤S1，采用水冷坩埚悬浮熔炼方法将稀土金属熔炼成稀土金属熔液；步骤S2，对所述稀土金属熔液进行下拉铸锭，得到稀土金属铸锭；以及步骤S3，对所述稀土金属铸锭进行锻造轧制以及机械加工，获得所述稀土金属靶材。

【技术特征摘要】
1.一种稀土金属靶材的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：步骤S1，采用水冷坩埚悬浮熔炼方法将稀土金属熔炼成稀土金属熔液；步骤S2，对所述稀土金属熔液进行下拉铸锭，得到稀土金属铸锭；以及步骤S3，对所述稀土金属铸锭进行锻造轧制以及机械加工，获得所述稀土金属靶材。2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述稀土金属为纯度>99.99wt％的稀土金属，优选所述稀土金属选自La、Ce、Pr、Nd、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Yb、Y以及Sc中的任意一种。3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1采用悬浮熔炼炉实施，所述悬浮熔炼炉内的压力高于大气压力300～500Pa；优选所述悬浮熔炼炉内为氩气气氛。4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2在对所述稀土金属熔液进行下拉铸锭的过程中进行超声处理；所述超声处理的步骤中超声波的频率范围为30～40kHz，超声仪的功率小于或等于30kW。5.根据权利要求1至4中任一项所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中下拉的速度为0.5～1mm/min。6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S3包括：步骤S31，将所述稀土金属铸锭加热到预定温度，并在所述预定温度下对所述稀土金属铸锭依次在X轴和Y轴方向上进行自由锻，得到自由锻产物；步骤S32，对所述自由锻产物进行冷轧，得到冷轧产物；以及步骤S33，对所述冷轧产物进行热处理以及机械加工，得到所述稀土金属靶材。7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S31中，所述预定温度为250～550℃；优选地，当所述稀土金属为La、Ce或Yb时，所述预定温度为250～310℃；当所述稀土金属为Nd或Pr时，所述预定温度为300～400℃；当所述稀土金属为Gd、Tb、Dy、Ho或Er时，所述预定温度为350～...

【专利技术属性】
技术研发人员：王志强，吴道高，张小伟，陈德宏，张虎，程军，杨宏博，杨秉政，
申请(专利权)人：有研稀土新材料股份有限公司，
类型：发明
国别省市：北京;11