高纯稀土金属钪及钪溅射靶材的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高纯稀土金属钪及钪溅射靶材的制备方法。本发明专利技术将还原钪在真空碳管炉中进行多次分段蒸馏提纯，获得3N以上高纯稀土金属钪；将得到的高纯稀土金属钪采用真空悬浮熔炼，得到相应纯度的高纯稀土金属钪铸锭，然后将高纯稀土金属钪铸锭进行后处理，得到相应纯度的高纯稀土金属钪靶材。本发明专利技术能获得纯度3N以上的高纯稀土金属钪和钪溅射靶材，杂质含量可控制到：稀土杂质总含量＜10ppm，Li+Na+K总含量＜2ppm；靶材内部缺陷少，宏观凝固组织均匀，平均晶粒尺寸可以控制到130μm以下，甚至可控制到100μm以下，产品规格多样，满足集成电路等对于高端薄膜制备的性能要求。

【技术实现步骤摘要】
高纯稀土金属钪及钪溅射靶材的制备方法
本专利技术涉及高纯稀土金属制备
，特别是涉及一种高纯稀土金属钪及钪溅射靶材的制备方法。
技术介绍
随着电子科技的发展，高纯金属钪及钪靶材作为关键基础材料在先进微电子芯片、光电子器件、磁存储器件中应用日益凸显，尤其在微电子领域，作为栅介质材料应用前景广阔，开发微纳电子制造用高纯金属钪及钪靶材具有重要意义。目前，金属钪的制备工艺有熔盐电解蒸馏法，金属热还原-蒸馏法，以及电传输净化蒸馏法，较常用的是金属热还原-蒸馏法。金属钪的提纯方法有真空蒸馏法、区熔精炼法、固态电解法、悬浮区熔—电传输联合法、单晶制备及电解精炼法等。稀土金属钪中杂质存在形式复杂且物化性质不一，任何一种提纯工艺都不能同时除去所有杂质，应根据杂质类型选择具体的提纯方法。国内高纯稀土金属钪制备、提纯最常用的装置有真空感应熔炼和真空碳管炉。溅射靶材对纯度、杂质含量、致密度、晶粒尺寸及成分要求较高，稀土类靶材纯度普遍要求达到4N级以上。靶材在沉积薄膜时的主要源污染有靶材内的杂质和气孔中的O2和H2O，为了降低靶材产品中的气孔率，提高溅射薄膜的性能，一般要求靶材具有高的致密度。靶材越致密，溅射膜粒子的密度越低，放电现象越弱，从而制备的薄膜性能也就越好。靶材产品对于内部组织晶粒度的尺寸也有严格要求，其晶粒度大小视所制备膜材的性能要求，可由μm量级到mm量级变化。靶材的制备工艺包括熔炼鋳造法和粉末冶金法。中国申请CN103502511A，公开了一种高纯度镧及高纯度镧溅射靶材，具体公开了采用氟化镧钙热还原法制备金属镧，并对还原剂钙进行蒸馏提纯，采用低功率电子束对镧进行进一步提纯、铸锭，通过锻造、轧制、切削、精加工进一步加工成纯度4N以上高纯金属镧靶材(除稀土、气体杂质以外的纯度)；Al、Fe、Cu含量分别＜10ppm，还公开了当稀土杂质总量＜100ppm，气体成分总量＜1000ppm，不会影响高纯度镧及高纯度镧靶材作为电子部件材料的使用。美国专利12/137,856和13/146,268均公开了高纯Er靶制备方法，具体公开了使用3N的Er2O3为原料，通过真空还原-蒸馏得到高纯金属Er，随后将金属Er置于CaO坩埚中进行熔炼并凝固铸锭；将获得的Er锭进行镦锻后，进行热处理，通过切割、机加工便可制得直径500mm的Er靶，平均晶粒尺寸<20μm，靶材纯度达到4N，各碱金属及碱土金属元素杂质含量均低于1ppm，各过渡族元素杂质均低于20ppm。美国专利14/129,553也公开了高纯Er靶制备方法，并具体公开了采用熔盐电解工艺去除3N金属Er中的Al、Fe、Cu、Ta、W杂质。中国专利CN101835914B，公开了一种高纯度镱及高纯度镱溅射靶，具体公开了采用2N～4N的氧化镱原料与还原性金属La、Y、Gd、Nd或Pr一起在真空中加热，使加热还原后的镱以蒸馏物形式贮留在设定于200～600℃的冷凝器部，得到除稀土杂质和气体杂质以外的纯度为4N以上，碱金属和碱土金属的各元素分别＜50ppm的高纯度镱，将高纯度镱锭切割为预定尺寸，再进行切削、研磨获得相同组成的高纯度镱靶。综上所述，现已有镱、铒、镧等稀土金属靶材的相关报道，暂无高纯度金属钪及钪溅射靶材的专利及文献公开。由于稀土金属各元素性质差异，其制备方法各不相同。现有技术中存在的问题总结如下：1.采用真空感应炉金属热还原-蒸馏法制备稀土金属钪，成本低、效率高，但过程中必须接触坩埚及铸模材质，易造成高纯稀土金属钪的污染；2.采用真空碳管炉多次真空蒸馏可以提高钪的纯度至99.90％，但对于过渡族元素杂质去除效果欠佳，无法满足集成电路高端薄膜制备的纯度要求。3.粉末冶金法制备靶材工艺成熟，但是该方法制备的靶材致密度相对低，且成套设备昂贵，生产效率低，成本很高；4.熔炼鋳造法制备的靶材致密度高，但稀土金属钪靶材成型过程中易氧化，加工硬化率高，易碎，难于进行压力加工，工艺研究少见报道。
技术实现思路
基于上述问题，本专利技术的目的在于提供一种高纯稀土金属钪及钪溅射靶材的制备方法，以解决现有技术中高纯稀土金属钪的杂质去除效果欠佳、制备过程易污染；钪溅射靶材的致密度低、成型过程易氧化且加工困难等问题。本专利技术的上述目的是通过以下技术方案实现的：根据本专利技术的一个方面，本专利技术提供的一种高纯稀土金属钪的制备方法，包括：步骤S1，将纯度90％以上的还原钪置于真空碳管炉内，采用1000～1400℃的低温段和1600～1800℃的高温段进行分段蒸馏提纯；步骤S2，将步骤S1分段蒸馏提纯得到的稀土金属钪，再进行至少一次所述分段蒸馏提纯，得到纯度为3N～4N的高纯稀土金属钪。需要说明的是，本专利技术中钪纯度是除稀土杂质和气体杂质以外的纯度，以下不重复备注。进一步地，步骤S1进行分段蒸馏提纯后得到纯度不低于3N稀土金属钪。优选地，步骤S1中，真空度为10-2Pa～10-3Pa，高温段蒸馏时间为3～6h。进一步地，步骤S2得到的纯度为3N～4N的高纯稀土金属钪，其稀土杂质总含量＜10ppm，Li+Na+K杂质总含量＜2ppm，Al、Fe含量分别＜30ppm，其他过渡族杂质含量均＜20ppm，C含量＜105ppm，O、N等气体杂质总含量＜600ppm。优选地，所述方法还包括：步骤S3，将纯度为3N～4N的高纯稀土金属钪，采用高真空电子束区域熔炼法进行区熔，且至少区熔五次，得到纯度为4N～5N的高纯稀土金属钪。进一步地，得到纯度不低于4N5的高纯稀土金属钪。优选地，步骤S3中，采用阶梯式升温，最终升温到1580～1750℃。优选地，步骤S3中，在进行区熔前，先将纯度为3N～4N的高纯稀土金属钪预制成的棒状。优选地，区域熔炼过程中，加热线圈的移动速度为10～150mm/h。其中，当铸锭起始端完全熔化后，开始移动加热线圈，加热线圈的移动速度为10～150mm/h，每次区熔结束后去除尾部，准备下一次区熔。优选地，步骤S3中，区熔次数为5～13次。进一步地，步骤S3得到的纯度为4N～5N的高纯稀土金属钪中，其稀土杂质总含量＜10ppm，Li+Na+K杂质总含量＜2ppm，Al、Fe含量分别＜10ppm，其他过渡族杂质含量均＜10ppm，C含量＜100ppm，O、N等气体杂质总含量＜500ppm。更进一步地，所述其他过渡族杂质含量均小于3ppm，C含量＜50ppm，O、N等气体杂质总含量＜400ppm。根据本专利技术另一个方面，本专利技术提供的一种高纯稀土金属钪溅射靶材的制备方法，包括：步骤S4，将上述的高纯稀土金属钪，置于真空悬浮熔炼炉的水冷铜坩埚中，真空10-2～10-3Pa，加功率至80～100kw，进行充分熔炼，去除易挥发杂质、气体，熔体浇铸入水冷模具中，得到相应纯度的高纯稀土金属钪铸锭；步骤S5，对高纯稀土金属钪铸锭进行后处理，得到相应纯度的高纯稀土金属钪溅射靶材。进一步地，步骤S4中，上述的高纯稀土金属钪是指纯度为3N～4N，或纯度为4N～5N的高纯稀土金属钪。进一步本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高纯稀土金属钪的制备方法，其特征在于，所述方法包括：/n步骤S1，将纯度90％以上的还原钪置于真空碳管炉内，采用1000～1400℃的低温段和1600～1800℃的高温段进行分段蒸馏提纯；/n步骤S2，将步骤S1分段蒸馏提纯得到的稀土金属钪，再进行至少一次所述分段蒸馏提纯，得到纯度为3N～4N的高纯稀土金属钪。/n

【技术特征摘要】
1.一种高纯稀土金属钪的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1，将纯度90％以上的还原钪置于真空碳管炉内，采用1000～1400℃的低温段和1600～1800℃的高温段进行分段蒸馏提纯；
步骤S2，将步骤S1分段蒸馏提纯得到的稀土金属钪，再进行至少一次所述分段蒸馏提纯，得到纯度为3N～4N的高纯稀土金属钪。


2.根据权利要求1所述的高纯稀土金属钪的制备方法，其特征在于，步骤S1中，真空度为10-2Pa～10-3Pa，高温段的蒸馏时间为3～6h。


3.根据权利要求1所述的高纯稀土金属钪的制备方法，其特征在于，步骤S2得到的纯度为3N～4N的高纯稀土金属钪，其稀土杂质总含量＜10ppm，Li+Na+K杂质总含量＜2ppm，Al、Fe含量分别＜30ppm，其他过渡族杂质含量均＜20ppm，C含量＜105ppm，气体杂质总含量＜600ppm。


4.根据权利要求1所述的高纯稀土金属钪的制备方法，其特征在于，所述方法还包括：
步骤S3，将纯度为3N～4N的高纯稀土金属钪，采用高真空电子束区域熔炼法进行区熔，且至少区熔五次，得到纯度为4N～5N的高纯稀土金属钪。


5.根据权利要求4所述的高纯稀土金属钪的制备方法，其特征在于，步骤S3中，采用阶梯式升温，最终升温到1580～1750℃。


6.根据权...

【专利技术属性】
技术研发人员：邓月华，樊玉川，刘华，黄美松，王志坚，黄培，刘维，杨露辉，苏正夫，
申请(专利权)人：湖南稀土金属材料研究院，
类型：发明
国别省市：湖南;43