一种铜铸锭及其制备方法与应用与流程

本发明涉及半导体靶材，具体涉及一种铜铸锭及其制备方法与应用。

背景技术：

1、超高纯铜是制造半导体用超高纯铜溅射靶材的原材料，主要用于集成电路布线，是高品质芯片生产中不可或缺的原材料。随着集成电路芯片的发展，对布线材料的品质要求越来越高，目前大多采用真空感应熔炼工艺结合钢模加脱模剂生产超高纯金属铸锭，会使得外界环境对材料造成污染。另外，单纯采用该工艺生产的铜铸锭存在一些主要缺陷，如铸锭夹杂、铸锭内部存在气孔、铸锭冷却速度慢、脱模困难、铸锭表面存在缩松缩孔及铸锭气体含量超标等，这些缺陷会直接影响溅射靶材和芯片镀膜的质量。

2、cn117000985a公开了一种超高纯铜或铜合金铸锭的内部夹杂去除装置及制备方法，通过在熔炼炉的模具上方设置超高纯铜或铜合金铸锭的内部夹杂去除装置，在浇铸时将金属液倒入缓冲区内，使得金属液与挡渣板的相接触处形成稳定的金属液面层，金属液在挡渣板下部流出进入浇铸区，金属液表面漂浮的杂质被阻挡并抑制流出，金属浇铸完成后，表面漂浮的夹杂、颗粒物等杂质会余留在装置本体中，从而去除铸锭内部的夹杂，使得制备得到的6n铜铸锭或铜合金铸锭内部无夹杂。但该发明无法解决铸锭内部存在气孔、铸锭冷却速度慢、脱模困难、铸锭表面存在缩松缩孔等问题。

3、cn115178714a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。cn113667860a公开了一种超高纯铜铝铸锭及其制备方法和用途，所述超高纯铜铝铸锭的纯度为6n-6n7；所述超高纯铜铝铸锭中铝的质量含量为0.05-5％；所述超高纯铜铝铸锭的铝质量含量不均匀值小于2％。所述制备方法主要包括将铝锭切块、表面处理和真空包装后得到超高纯铜铝铸锭用铝块；向真空熔化后的铜原料中加入所述超高纯铜铝铸锭用铝块，晃动摇匀，浇铸，冷却，得到所述超高纯铜铝铸锭。但上述制备方法制得的6n铜或铜合金铸锭仍存在缺陷，对后续靶材溅射的质量带来不利影响。

4、因此，针对现有技术的不足，需要提供一种铜铸锭无夹杂、铜铸锭内部无铸造缺陷、铸锭冷却速度快、脱模简单的制备方法。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种铜铸锭及其制备方法与应用，有效解决了超高纯铜铸锭的铸造过程中存在的铸锭内部缺陷、铸锭脱模困难、铸锭成材率低及铸锭杂质含量超标等问题。

2、为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明提供了一种铜铸锭的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

4、(1)将铜原料进行真空熔炼，充入氩气后进行真空静置处理，得到铜液；

5、(2)在氩气气氛中将步骤(1)所得铜液浇铸到石墨模具中，凝固后得到所述铜铸锭。

6、本发明提供的铜铸锭的制备方法，通过在真空熔炼后充入氩气，可以抑制金属铜液的状态变化，并有效促使杂质元素的挥发，结合真空静置处理的设置，可以进一步促使杂质元素挥发，使铸锭纯度得到保障；通过在浇铸前再次充入氩气，可以促进炉腔内石墨模具、铸锭降温，以氩气作为传导介质促进铜液在石墨模具中迅速凝固，减少缩孔，提高铜铸锭的成材率；另外，根据铸造液面和凝固情况，通过控制浇铸中的工艺参数，可以减少缩孔、夹杂，从而降低铜铸锭的内部缺陷。

7、优选地，步骤(1)所述铜原料的纯度≥6n，例如可以是6n或7n。

8、优选地，步骤(1)所述真空熔炼的温度为1080-1200℃，例如可以是1080℃、1100℃、1150℃、1180℃或1200℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

9、优选地，步骤(1)所述真空熔炼的真空度≤6.7×10-2pa，例如可以是6.7×10-2pa、6.5×10-2pa、6×10-2pa、5.5×10-2pa或5×10-2pa，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

10、优选地，步骤(1)所述真空熔炼的时间为90-180min，例如可以是90min、120min、150min、160min或180min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

11、优选地，步骤(1)所述真空静置处理的温度为1200-1300℃，例如可以是1200℃、1220℃、1250℃、1280℃或1300℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

12、优选地，步骤(1)所述真空静置处理的时间为30-60min，例如可以是30min、35min、40min、50min或60min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

13、优选地，步骤(2)所述浇铸之前调节铜液的温度为1200-1300℃，例如可以是1200℃、1220℃、1250℃、1280℃或1300℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

14、本发明中在浇铸之前调节铜液的温度在特定的范围内，可以最大限度地降低液体粘度，保障铜液在石墨模具中凝固时按浇铸顺序进行，消除内部缩孔。

15、优选地，步骤(2)所述石墨模具的含碳量＞99.99％，例如可以是99.992％、99.994％、99.995％、99.996％或99.998％，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

16、所述石墨模具的含碳量＞99.99％，即为高纯石墨模具，采用高纯石墨模具可以显著降低铜铸锭中的杂质，保证铜铸锭的纯度。

17、优选地，步骤(2)所述浇铸的液体流量为5-20kg/min，例如可以是5kg/min、8kg/min、10kg/min、15kg/min或20kg/min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

18、优选地，步骤(2)所述铜液的铸造速度为5-10mm/min，例如可以是5mm/min、6mm/min、8mm/min、9mm/min或10mm/min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

19、优选地，步骤(2)所述浇铸在震动的条件下进行。

20、优选地，所述震动的频率为20-100hz，例如可以是20hz、40hz、60hz、80hz或100hz，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

21、本发明中，通过控制铸造过程中浇铸的液体流量、铜液的铸造速度以及震动的频率在合理范围内，可以消除铜铸锭的内部缺陷并有效减少铜铸锭表面缩松缩孔，提高铜铸锭的成材率。

22、优选地，步骤(2)所述凝固的时间为3-10min，例如可以是3min、5min、6min、8min或10min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

23、优选地，步骤(2)所述凝固的温度为1080-1200℃，例如可以是1080℃、1100℃、1150℃、1180℃或1200℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。

24、本发明中针对铸锭内部部分杂质含量超标问题，通过对比同一大气压下不同单质元素的活度与逸度，确定了铜液在石墨模具中的凝固时间及凝固温度，通过真空凝固促使杂质元素尽可能挥发，从而控制杂质元素含量在目标要求内。

25、作为本发明所述的制备方法的优选技术方案，所述制备方法包括如下步骤：

26、(1)将纯度≥6n的铜原料在1080-1200℃下真空熔炼90-180min，真空度≤6.7×10-2pa；充入氩气后在1200-1300℃下进行真空静置处理30-60min，得到铜液；

27、(2)调节铜液的温度为1200-1300℃，然后在氩气气氛中将步骤(1)所得铜液浇铸到含碳量＞99.99％的石墨模具中并在20-100hz下进行震动，所述浇铸的液体流量为5-20kg/min，铜液的铸造速度为5-10mm/min，然后在1080-1200℃下凝固3-10min后得到所述铜铸锭。

28、第二方面，本发明提供了一种铜铸锭，所述铜铸锭通过第一方面所述铜铸锭的制备方法制备得到。

29、本发明提供的铜铸锭属于超高纯级别，内部无气孔、表面无缩松缩孔等铸造缺陷，内部杂质含量在目标要求范围内，在制备过程中脱模简单，铜铸锭的成材率较高，适用于工业批量化生产中。

30、第三方面，本发明提供了一种如第二方面所述铜铸锭的应用，所述铜铸锭用于制备铜溅射靶材。

31、本发明提供的铜铸锭可用于制备铜溅射靶材，铜溅射靶材进一步用于制备集成电路芯片的布线材料，因此，铜铸锭是在高品质芯片生产中不可或缺的原材料。

32、相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

33、本发明提供的铜铸锭的制备方法，通过在真空熔炼后充入氩气，结合真空静置处理的设置，可以有效促使杂质元素的挥发，使铸锭纯度得到保障；通过在浇铸前再次充入氩气，可以促进炉腔内石墨模具、铸锭降温，以氩气作为传导介质促进铜液在石墨模具中迅速凝固，减少缩孔，降低脱模难度，同时提高了铜铸锭的成材率；另外，根据铸造液面和凝固情况，通过控制浇铸中的工艺参数，可以减少缩孔、夹杂，从而降低铜铸锭的内部缺陷，内部杂质含量低至1颗/g，内部无气孔，所得铜铸锭可用于制备高品质的铜溅射靶材。