半導體存儲器芯片用高純鎳錠制備技術綜述

張亞東，楊曉艷，柴明強，李 偉，艾 琳，呂錦雷，劉世紅

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

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

存儲器芯片是應用面最廣的基礎性通用集成電路產品，主要用于存儲程序代碼和數據[1]，目前物聯網、大數據、云計算、人工智能等新一代技術的快速發展，對改善與人們息息相關的醫療保健、交通運輸等多個領域均會起到極大的推進作用，但新技術巨大潛力的發揮要以足夠的算力為基礎，其所涉及的數據集越來越大，終端電子設備需要有更強大的內存支撐，存儲器市場潛力巨大。隨著我國經濟高速的發展以及不斷加強尋求向更高附加值的產業結構轉型，國產存儲器產業正在蓬勃發展，在終端市場與制造產能都在中國的有利背景下，以存儲器為代表的核心半導體芯片國產化大勢所趨，存儲器市場需求成為半導體成長的主動力[2]。中國半導體行業協會統計的權威數據顯示，到2018年我國存儲芯片市場規模達到了5775億元，同比增長34.18%，占全球市場規模的55%以上，同時預測從2020年開始我國存儲芯片產業將繼續保持高速發展，到2025年將達到7749億元。

半導體存儲器是一個高度壟斷的市場，其三大主流產品DRAM、NANDFlash、NOR Flash更是如此，全球市場基本被前三大公司三星、海力士、美光所壟斷，且近年來壟斷程度逐步加劇，其關鍵原材料高純鎳工藝技術同樣被國外所壟斷，國內進入該領域時間相對較晚，技術落后于國外，尤其化學純度5N以上的高純鎳錠規?；a一直處于空白，目前國家從安全戰略和核心技術方面考慮正在投資布局存儲器芯片產業鏈，并出臺相關扶持政策，金川公司借助所承擔國家重點研發計劃4.1項目的資金支持開發出滿足下游客戶使用要求的高純鎳錠產品，實現存儲器芯片用關鍵原材料的規?；a和國產化，打破國外壟斷地位，助推國內半導體存儲器行業的快速發展。

1 高純鎳錠的制備方法

半導體存儲器芯片用高純鎳錠材料制備主要是通過真空熔煉技術制備，本文主要就項目實施過程中使用到的三種真空熔煉技術進行簡要介紹，對比工藝技術和所制備鎳錠產品質量的優缺點。

1.1 真空電子束熔煉技術

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

圖1 真空電子束爐結構示意圖

根據電子束爐水冷銅坩堝尺寸和進料裝置的特點將高純鎳板原料剪切成合適的規格，放置在設備的進料裝置上面，通過真空電子束熔煉工藝制備出高純鎳錠。該技術在熔煉過程中使用的是水冷銅坩堝，對產品來說不會引入外界污染，制備的鎳錠化學純度可以達到5N以上，滿足客戶使用要求，但存在熔煉效率低，精煉時間短，雜質去除效果差，尤其是氣體去除不充分，鑄錠內部缺陷多，成材率低，生產成本高的缺點。

隨著下游市場對高純材料質量的進一步需求，真空電子束爐設備得到很大的發展改進，真空電子束冷床爐熔煉技術[4]應運而生，該技術彌補了傳統真空電子束熔煉的缺點，使用多個電子槍將物料熔化和鑄錠成型功能完全分開，有效控制了熔液精煉時間，提升了雜質去除效果，同時也改善了熔煉效率和鑄錠物理質量，降低了生產成本。

圖2 真空電子束冷床爐結構示意圖

1.2 真空感應爐熔煉技術

真空感應爐熔煉技術[5]是在密閉真空條件下，利用中頻電磁感應在金屬導體內產生渦流加熱熔化坩堝內物料的原理來熔煉金屬的工藝技術。此技術可用來制備高純度的金屬及合金。

圖3 真空感應爐結構示意圖

依據真空感應爐設備坩堝尺寸將高純鎳板原料剪切成合適的規格，將所剪切物料按上松下緊、上小下大原則放置在坩堝內，通過真空感應爐熔煉工藝并結合成型工藝制備高純鎳錠，該技術熔煉效率高、鑄錠內無物理缺陷、成材率高、生產成本相對較低，但熔液易受所采用坩堝材質的污染，化學純度受一定影響，需要根據客戶對單雜質的需求不同選擇合適的熔煉坩堝材質。

1.3 真空感應冷坩堝爐熔煉技術

真空感應冷坩堝爐[6]是在真空或保護氣氛下，利用一個分瓣的水冷紫銅坩堝熔煉和鑄造金屬的生產過程，當感應線圈通電，冷坩堝內部能夠形成強磁場使熔煉金屬液處于半懸浮或全懸浮狀態。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、半導體材料、放射性材料的熔煉提純。

該技術利用水冷銅坩堝取代傳統感應熔煉爐原有陶瓷型坩堝，由十多根乃至數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，由于對坩堝壁的強制冷卻，其表面溫度足以防止熔融金屬與坩堝接觸時可能發生的任何反應，使用冷坩堝熔煉時，被熔材料與坩堝壁保持非接觸狀態，與坩堝底相接觸，可有效排除坩堝材料對熔煉金屬的污染，保證了產品的化學純度，同時結合成型工藝，可以生產制備出化學純度和物理質量均合格的高純鎳錠材料，但是該技術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，生產成本高，目前國內生產的成熟設備單爐熔煉能力不及70kg～80kg，生產效率低，且設備價格昂貴，暫時無法應用于企業的規?；a。

2 結論

（1）高純鎳錠是半導體存儲器芯片用鐵磁性濺射靶材的關鍵支撐材料之一，同時也是制備航空航天用高性能合金必不可少的關鍵原材料。隨著物聯網、大數據、云計算、人工智能等新一代技術的快速發展，所涉及的數據集和算力越來越大，要求存儲器芯片的功能越來越強大，從而激發了高純鎳錠等鐵磁性材料的市場潛力。

（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，可以熔煉不同規格的物料，熔煉過程不會引入雜質污染，且將熔化、精煉和凝固過程完全分開，可以規模化制備化學和物理質量均優良的鑄錠產品。

（3）真空感應冷坩堝熔煉是基于鈦及鈦合金熔煉發展起來的一種技術，受現有科學技術限制，導致其熔煉能耗大、熔煉能力有限、價格昂貴，暫時無法滿足工業化生產需求，隨著后續技術的發展，其必將成為未來航空航天、深海潛水器、核工業等領域所需高端新材料制備的特種冶煉技術。