一种高纯铜及铜合金铸锭的制备装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于集成电路用高纯金属熔炼与铸造技术领域，具体公开了一种高纯铜及铜合金铸锭的制备装置及方法，所述装置包括：熔炼炉腔，以及自上而下设置在熔炼炉腔内的熔炼装置、铸造装置；所述熔炼装置包括坩埚、流嘴组件、可移动式托盘，所述流嘴组件插装在所述坩埚底部开设的出料口中，所述可移动式托盘设置在所述坩埚出料口的下面；所述铸造装置包括铸模、底托，所述铸模的上端开口与所述坩埚出料口正对，所述铸模底部插装在底托中。本发明专利技术的整个装置结构紧凑简单、熔炼与铸造工艺简便可靠，有助于消除或减少铸锭组织中的气孔、疏松、夹杂等冶金缺陷，有效提高铸锭产品的良率和成材率，显著提升生产效率。著提升生产效率。著提升生产效率。

【技术实现步骤摘要】
一种高纯铜及铜合金铸锭的制备装置及方法


[0001]本专利技术属于集成电路用高纯金属熔炼与铸造
，具体涉及一种高纯铜及铜合金铸锭的制备装置及方法。

技术介绍

[0002]高纯金属溅射靶材广泛应用于信息存储、集成电路、平面显示、太阳能电池等产业，主要通过磁控溅射技术获得各种薄膜功能材料。目前，按照化学成分可将溅射靶材分为：纯金属靶材，如铝、铜、钛、钽、钴等；合金靶材，如铝铜、铝硅、铜磷、铜铝、铜锰、钨钛、镍铂、镍钴、镍钒等。依据摩尔定律，芯片制造工艺持续进步，不断迭代更新。随着芯片制程与制造技术的发展，对各种材料的性能也提出了越来越高的要求。作为集成电路芯片互连线材料，90nm及以上制程采用铝及铝合金材料，90
‑
45nm制程采用高纯铜材料，45
‑
7nm制程以超高纯铜铝、铜锰合金材料为主，在7nm以下制程则采用高纯钴作为互连材料。因此，高纯铜及铜合金溅射靶材的重要性日益显现。
[0003]如前所述，超高纯铜合金靶材是45nm及以下制程集成电路互连用关键支撑材料。纯铜具有更低的电阻率和更高的导热性，且具有比Al高两个数量级的抗电迁移能力。将铜作为优良的互连材料不仅可以降低延迟，提高运算效率，而且还可以保证集成电路的可靠性。另外，向高纯铜中添加Al、Mn等微量合金元素，利用微合金化形成自发扩散阻挡层或者界面阻挡层可以进一步减小线宽。因此，高纯铜及铜合金溅射靶材是未来市场竞争的主要方向。
[0004]高纯铜及铜合金铸锭的制备是高纯铜及铜合金溅射靶材制造的基础。从现阶段取得的成果看，高纯铜及铜合金铸锭的品质是产品开发的重要环节，作为靶材生产的上游，其质量优劣直接影响靶材使用性能和客户满意程度。高纯铜及合金铸锭的制备方法通常是在真空感应炉中进行熔炼，并采用倾转坩埚静模铸造的方法获得目标尺寸的铸锭，其特征在于纯度高、周期短、成本低。然而，在现有设备条件下的实际生产过程中，所获得的铸锭往往存在较多的内部冶金缺陷，缺陷的种类主要包括气孔、疏松、夹杂、裂纹等，缺陷的产生主要是由于传统熔炼与铸造设备及工艺方法的局限性。因此，开发新型高纯金属的熔炼与铸造设备及工艺方法，提升高纯金属铸锭质量，对于高纯铜及铜合金溅射靶材行业降本增效、提升产品质量稳定性具有重要的现实意义。

技术实现思路

[0005]针对上述已有技术存在的不足，本专利技术提供一种高纯铜及铜合金铸锭的制备装置及方法。
[0006]本专利技术是通过以下技术方案实现的。
[0007]一种高纯铜及铜合金铸锭的制备装置，其特征在于，所述装置包括：熔炼炉腔，以及自上而下设置在熔炼炉腔内的熔炼装置、铸造装置；所述熔炼装置包括坩埚、流嘴组件、可移动式托盘，所述流嘴组件插装在所述坩埚底部开设的出料口中，所述可移动式托盘设
置在所述坩埚出料口的下面；所述铸造装置包括铸模、底托，所述铸模的上端开口与所述坩埚出料口正对，所述铸模设置在底托上。
[0008]进一步地，所述流嘴组件包括外导管、以及可拆卸的套装在外导管中的内管，所述外导管的外壁与所述坩埚出料口的内壁固定套接；所述外导管的下部外设有感应线圈。
[0009]进一步地，所述外导管为锥形管，所述内管为中空圆柱形管。
[0010]进一步地，所述可移动式托盘包括上托盘、下托杆，所述上托盘与下托杆的一端杆体之间通过四连杆机构连接，所述下托杆的另一端与设置在熔炼炉腔外部的电动推杆连接。
[0011]进一步地，所述铸模为水冷铜模具，包括上下开口的圆筒型壳体，所述圆筒型壳体为通过卡箍连接的两个相对设置的半圆形板组成，所述圆筒型壳体的外壁设有循环冷却水管路。
[0012]进一步地，所述铸模的顶部设有冒口。
[0013]进一步地，所述底托为水冷铜托，包括上下封闭的中空圆筒，所述中空圆筒的底部设有进水口，侧壁上部设有出水口，所述底托设置在熔炼炉腔的底部，所述底托的底部与设置在熔炼炉腔外的伺服电机连接。
[0014]进一步地，所述坩埚为电磁感应加热式坩埚。
[0015]一种采用上述装置制备高纯铜及铜合金铸锭的方法，其特征在于，所述方法包括：（1）将可移动式托盘置于坩埚出料口的下端，将出料口封住；（2）将高纯铜原料置于坩埚中经一次熔化、冷却、二次熔化、精炼，其中，当制备铜合金铸锭时，将合金原料在二次熔化过程中加入，然后得到高纯铜或铜合金熔体；（3）移动可移动式托盘脱离坩埚出料口，高纯铜或铜合金熔体经流嘴组件进入到铸模中，冷却后获得高纯铜或铜合金铸锭。
[0016]进一步地，所述步骤（2）一次熔化：抽真空至真空度≤1
×
10
‑2Pa，加热温度1200~1300℃，加热时间30~60min；冷却时间1h；二次熔化：加热温度1200~1300℃，加热时间15~30min；精炼：温度1300~1350℃，向炉膛内充入氩气，至炉内压力为
‑
0.09~
‑
0.05MPa。
[0017]进一步地，所述步骤（3）通过伺服电机带动底托沿水平方向往复式旋转。
[0018]采用本专利技术制备的高纯铜或铜合金铸锭的纯度为≥99.9999%（6N），甚至可以达到≥99.99995%（6N5）或者≥99.99999%（7N），氧含量≤1ppm、碳含量≤1ppm、氮含量≤1ppm，合金成分波动＜5%，直径为φ200～φ400 mm，铸锭组织中无气孔、疏松、夹杂等冶金缺陷。
[0019]本专利技术的有益技术效果：（1）本专利技术采用坩埚底部漏铸实现铸造，坩埚中的金属熔体通过底部流嘴组件，注入下方铸模中，因此浮于坩埚中金属熔体液面顶层的氧化物或夹杂等最后流入铸模，集中分布于铸锭顶部，从而可在后序锯切缩孔时将其一并去除，降低了氧化物夹杂等进入铸锭组织内部造成缺陷的风险；（2）本专利技术提供的铸模为水冷铜铸模、底托为水冷铜底托，熔体进入铸模后，在轴向和径向均备有循环水冷却，更易于获得表面质量优良、晶粒细小的高纯金属铸锭，可有效提高成材率，同时铸锭表面光滑，更易于脱模，可大大延长铸模的使用寿命，同时在循环水的强冷却速率下，铸锭出炉时间大为缩短，生产效率获得显著提升；（3）铸造过程开启伺服电机，带动底托可沿水平方向做左右往复式震动，使合金熔
体成分均匀，成分波动＜5%，细化晶粒尺寸，提高金属熔体填充能力减少疏松、气孔等冶金缺陷；（4）熔炼方式采用真空感应熔炼，在熔炼过程中通过降温，可以保证气体充分逸出，有利于获得高洁净度、低气体含量的金属熔体；（5）本专利技术的整个装置结构紧凑简单、熔炼与铸造工艺简便可靠，有助于消除或减少铸锭组织中的气孔、疏松、夹杂等冶金缺陷，有效提高铸锭产品的良率和成材率，显著提升生产效率。
附图说明
[0020]图1为本专利技术实施例中装置的结构示意图。
[0021]图2为本专利技术部分结构示意图。
[0022]图3为本专利技术实施例中方法的工艺流程图。
[0023]图4为本专利技术实施例中高纯铜铸锭的内部冶金缺陷C扫图。
[0024]图5为本专利技术实施例中高纯本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高纯铜及铜合金铸锭的制备装置，其特征在于，所述装置包括：熔炼炉腔，以及自上而下设置在熔炼炉腔内的熔炼装置、铸造装置；所述熔炼装置包括坩埚、流嘴组件、可移动式托盘，所述流嘴组件插装在所述坩埚底部开设的出料口中，所述可移动式托盘设置在所述坩埚出料口的下面；所述铸造装置包括铸模、底托，所述铸模的上端开口与所述坩埚出料口正对，所述铸模设置在底托上。2.根据权利要求1所述的一种高纯铜及铜合金铸锭的制备装置，其特征在于，所述流嘴组件包括外导管、以及可拆卸的套装在外导管中的内管，所述外导管的外壁与所述坩埚出料口的内壁固定套接；所述外导管的下部外设有感应线圈。3.根据权利要求2所述的一种高纯铜及铜合金铸锭的制备装置，其特征在于，所述外导管为锥形管，所述内管为中空圆柱形管。4.根据权利要求1所述的一种高纯铜及铜合金铸锭的制备装置，其特征在于，所述可移动式托盘包括上托盘、下托杆，所述上托盘与下托杆的一端杆体之间通过四连杆机构连接，所述下托杆的另一端与设置在熔炼炉腔外部的电动推杆连接。5.根据权利要求1所述的一种高纯铜及铜合金铸锭的制备装置，其特征在于，所述铸模为水冷铜模具，包括上下开口的圆筒型壳体，所述圆筒型壳体为通过卡箍连接的两个相对设置的半圆形板组成，所述圆筒型壳体的外壁设有循环冷却水管路。6.根据权利要求5所述的一种高纯铜及铜合金铸锭的制备装置，其特征在于，所述铸模的顶部设有冒口。7.根据权利要求1所述的一种高纯铜及铜合金铸锭的制备装置，其特征...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宇，王兴权，康艳茹，齐琦琦，万小勇，何金江，李勇军，张博厚，
申请(专利权)人：有研亿金新材料山东有限公司，
类型：发明
国别省市：