半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片用高純鎳錠制備技術(shù)綜述

張亞?wèn)|，楊曉艷，柴明強(qiáng)，李 偉，艾 琳，呂錦雷，劉世紅

（1.國(guó)家鎳鈷新材料工程技術(shù)研究中心，甘肅 蘭州 730101；2.蘭州金川科技園有限公司，甘肅 蘭州 730101）

高純鎳錠是半導(dǎo)體芯片用鐵磁性濺射靶材的關(guān)鍵支撐材料之一，由于其在提高抗電遷移性、抗腐蝕性及附著強(qiáng)度等方面的優(yōu)良性能，而成為最新發(fā)展集成電路布線及互聯(lián)線工藝中必不可少的高性能材料，同時(shí)也是制備航空航天用高性能合金必不可少的關(guān)鍵原料，用其制備的高純鎳及其合金靶材在半導(dǎo)體行業(yè)主要應(yīng)用于存儲(chǔ)領(lǐng)域。

存儲(chǔ)器芯片是應(yīng)用面最廣的基礎(chǔ)性通用集成電路產(chǎn)品，主要用于存儲(chǔ)程序代碼和數(shù)據(jù)[1]，目前物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新一代技術(shù)的快速發(fā)展，對(duì)改善與人們息息相關(guān)的醫(yī)療保健、交通運(yùn)輸?shù)榷鄠€(gè)領(lǐng)域均會(huì)起到極大的推進(jìn)作用，但新技術(shù)巨大潛力的發(fā)揮要以足夠的算力為基礎(chǔ)，其所涉及的數(shù)據(jù)集越來(lái)越大，終端電子設(shè)備需要有更強(qiáng)大的內(nèi)存支撐，存儲(chǔ)器市場(chǎng)潛力巨大。隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)高速的發(fā)展以及不斷加強(qiáng)尋求向更高附加值的產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型，國(guó)產(chǎn)存儲(chǔ)器產(chǎn)業(yè)正在蓬勃發(fā)展，在終端市場(chǎng)與制造產(chǎn)能都在中國(guó)的有利背景下，以存儲(chǔ)器為代表的核心半導(dǎo)體芯片國(guó)產(chǎn)化大勢(shì)所趨，存儲(chǔ)器市場(chǎng)需求成為半導(dǎo)體成長(zhǎng)的主動(dòng)力[2]。中國(guó)半導(dǎo)體行業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)的權(quán)威數(shù)據(jù)顯示，到2018年我國(guó)存儲(chǔ)芯片市場(chǎng)規(guī)模達(dá)到了5775億元，同比增長(zhǎng)34.18%，占全球市場(chǎng)規(guī)模的55%以上，同時(shí)預(yù)測(cè)從2020年開(kāi)始我國(guó)存儲(chǔ)芯片產(chǎn)業(yè)將繼續(xù)保持高速發(fā)展，到2025年將達(dá)到7749億元。

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器是一個(gè)高度壟斷的市場(chǎng)，其三大主流產(chǎn)品DRAM、NANDFlash、NOR Flash更是如此，全球市場(chǎng)基本被前三大公司三星、海力士、美光所壟斷，且近年來(lái)壟斷程度逐步加劇，其關(guān)鍵原材料高純鎳工藝技術(shù)同樣被國(guó)外所壟斷，國(guó)內(nèi)進(jìn)入該領(lǐng)域時(shí)間相對(duì)較晚，技術(shù)落后于國(guó)外，尤其化學(xué)純度5N以上的高純鎳錠規(guī)?；a(chǎn)一直處于空白，目前國(guó)家從安全戰(zhàn)略和核心技術(shù)方面考慮正在投資布局存儲(chǔ)器芯片產(chǎn)業(yè)鏈，并出臺(tái)相關(guān)扶持政策，金川公司借助所承擔(dān)國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃4.1項(xiàng)目的資金支持開(kāi)發(fā)出滿足下游客戶使用要求的高純鎳錠產(chǎn)品，實(shí)現(xiàn)存儲(chǔ)器芯片用關(guān)鍵原材料的規(guī)?；a(chǎn)和國(guó)產(chǎn)化，打破國(guó)外壟斷地位，助推國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體存儲(chǔ)器行業(yè)的快速發(fā)展。

1 高純鎳錠的制備方法

半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片用高純鎳錠材料制備主要是通過(guò)真空熔煉技術(shù)制備，本文主要就項(xiàng)目實(shí)施過(guò)程中使用到的三種真空熔煉技術(shù)進(jìn)行簡(jiǎn)要介紹，對(duì)比工藝技術(shù)和所制備鎳錠產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)缺點(diǎn)。

1.1 真空電子束熔煉技術(shù)

真空電子束技術(shù)[3]是一種非接觸加工的高能束流加工技術(shù)，在高真空條件下（10-3pa以上），電子槍陰極由于高壓電場(chǎng)的作用而被加熱發(fā)射電子，電子匯集成束，再在加速電壓的作用下，以極高的速度向陽(yáng)極運(yùn)動(dòng)，穿過(guò)陽(yáng)極后，在多個(gè)聚焦線圈和偏轉(zhuǎn)線圈的作用下，使電子束準(zhǔn)確地轟擊到待熔物料和水冷銅坩堝內(nèi)的底錠上將動(dòng)能轉(zhuǎn)換為熱能，使底錠被熔化形成熔池，同時(shí)物料也不斷地被熔化滴落到熔池內(nèi)，從而實(shí)現(xiàn)熔煉、提純之目的。其亦被稱為電子束滴熔技術(shù)。

圖1 真空電子束爐結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)電子束爐水冷銅坩堝尺寸和進(jìn)料裝置的特點(diǎn)將高純鎳板原料剪切成合適的規(guī)格，放置在設(shè)備的進(jìn)料裝置上面，通過(guò)真空電子束熔煉工藝制備出高純鎳錠。該技術(shù)在熔煉過(guò)程中使用的是水冷銅坩堝，對(duì)產(chǎn)品來(lái)說(shuō)不會(huì)引入外界污染，制備的鎳錠化學(xué)純度可以達(dá)到5N以上，滿足客戶使用要求，但存在熔煉效率低，精煉時(shí)間短，雜質(zhì)去除效果差，尤其是氣體去除不充分，鑄錠內(nèi)部缺陷多，成材率低，生產(chǎn)成本高的缺點(diǎn)。

隨著下游市場(chǎng)對(duì)高純材料質(zhì)量的進(jìn)一步需求，真空電子束爐設(shè)備得到很大的發(fā)展改進(jìn)，真空電子束冷床爐熔煉技術(shù)[4]應(yīng)運(yùn)而生，該技術(shù)彌補(bǔ)了傳統(tǒng)真空電子束熔煉的缺點(diǎn)，使用多個(gè)電子槍將物料熔化和鑄錠成型功能完全分開(kāi)，有效控制了熔液精煉時(shí)間，提升了雜質(zhì)去除效果，同時(shí)也改善了熔煉效率和鑄錠物理質(zhì)量，降低了生產(chǎn)成本。

圖2 真空電子束冷床爐結(jié)構(gòu)示意圖

1.2 真空感應(yīng)爐熔煉技術(shù)

真空感應(yīng)爐熔煉技術(shù)[5]是在密閉真空條件下，利用中頻電磁感應(yīng)在金屬導(dǎo)體內(nèi)產(chǎn)生渦流加熱熔化坩堝內(nèi)物料的原理來(lái)熔煉金屬的工藝技術(shù)。此技術(shù)可用來(lái)制備高純度的金屬及合金。

圖3 真空感應(yīng)爐結(jié)構(gòu)示意圖

依據(jù)真空感應(yīng)爐設(shè)備坩堝尺寸將高純鎳板原料剪切成合適的規(guī)格，將所剪切物料按上松下緊、上小下大原則放置在坩堝內(nèi)，通過(guò)真空感應(yīng)爐熔煉工藝并結(jié)合成型工藝制備高純鎳錠，該技術(shù)熔煉效率高、鑄錠內(nèi)無(wú)物理缺陷、成材率高、生產(chǎn)成本相對(duì)較低，但熔液易受所采用坩堝材質(zhì)的污染，化學(xué)純度受一定影響，需要根據(jù)客戶對(duì)單雜質(zhì)的需求不同選擇合適的熔煉坩堝材質(zhì)。

1.3 真空感應(yīng)冷坩堝爐熔煉技術(shù)

真空感應(yīng)冷坩堝爐[6]是在真空或保護(hù)氣氛下，利用一個(gè)分瓣的水冷紫銅坩堝熔煉和鑄造金屬的生產(chǎn)過(guò)程，當(dāng)感應(yīng)線圈通電，冷坩堝內(nèi)部能夠形成強(qiáng)磁場(chǎng)使熔煉金屬液處于半懸浮或全懸浮狀態(tài)。廣泛用于鈦、鋯、鎳、銅等材料的熔煉提純以及鈦合金熔煉與離心鑄造；也可以用于稀土材料、難熔金屬、半導(dǎo)體材料、放射性材料的熔煉提純。

該技術(shù)利用水冷銅坩堝取代傳統(tǒng)感應(yīng)熔煉爐原有陶瓷型坩堝，由十多根乃至數(shù)十根通水冷卻的銅管組合而成，管間縫隙充填耐火材料絕緣，由于對(duì)坩堝壁的強(qiáng)制冷卻，其表面溫度足以防止熔融金屬與坩堝接觸時(shí)可能發(fā)生的任何反應(yīng)，使用冷坩堝熔煉時(shí)，被熔材料與坩堝壁保持非接觸狀態(tài)，與坩堝底相接觸，可有效排除坩堝材料對(duì)熔煉金屬的污染，保證了產(chǎn)品的化學(xué)純度，同時(shí)結(jié)合成型工藝，可以生產(chǎn)制備出化學(xué)純度和物理質(zhì)量均合格的高純鎳錠材料，但是該技術(shù)存在電效率利用率低，有效功率只占到總功率的三分之一左右，生產(chǎn)成本高，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的成熟設(shè)備單爐熔煉能力不及70kg～80kg，生產(chǎn)效率低，且設(shè)備價(jià)格昂貴，暫時(shí)無(wú)法應(yīng)用于企業(yè)的規(guī)?；a(chǎn)。

2 結(jié)論

（1）高純鎳錠是半導(dǎo)體存儲(chǔ)器芯片用鐵磁性濺射靶材的關(guān)鍵支撐材料之一，同時(shí)也是制備航空航天用高性能合金必不可少的關(guān)鍵原材料。隨著物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)、云計(jì)算、人工智能等新一代技術(shù)的快速發(fā)展，所涉及的數(shù)據(jù)集和算力越來(lái)越大，要求存儲(chǔ)器芯片的功能越來(lái)越強(qiáng)大，從而激發(fā)了高純鎳錠等鐵磁性材料的市場(chǎng)潛力。

（2）目前真空電子束冷床爐熔煉是制備高純鎳錠的最佳方法，可以熔煉不同規(guī)格的物料，熔煉過(guò)程不會(huì)引入雜質(zhì)污染，且將熔化、精煉和凝固過(guò)程完全分開(kāi)，可以規(guī)?；苽浠瘜W(xué)和物理質(zhì)量均優(yōu)良的鑄錠產(chǎn)品。

（3）真空感應(yīng)冷坩堝熔煉是基于鈦及鈦合金熔煉發(fā)展起來(lái)的一種技術(shù)，受現(xiàn)有科學(xué)技術(shù)限制，導(dǎo)致其熔煉能耗大、熔煉能力有限、價(jià)格昂貴，暫時(shí)無(wú)法滿足工業(yè)化生產(chǎn)需求，隨著后續(xù)技術(shù)的發(fā)展，其必將成為未來(lái)航空航天、深海潛水器、核工業(yè)等領(lǐng)域所需高端新材料制備的特種冶煉技術(shù)。