高純鈷靶材的製備方法
2023-09-12 13:50:15 3
專利名稱：高純鈷靶材的製備方法
技術領域：
本發明涉及半導體濺射靶材的製備，特別涉及一種半導體用高純鈷靶材的製備方法。
背景技術：
濺射靶材是製造半導體晶片所必需的一種極其重要的關鍵材料，其原理是採用物理氣相沉積技術(PVD)，用高壓加速氣態離子轟擊靶材，使靶材的原子被濺射出，以薄膜的形式沉積到矽片上，最終形成半導體晶片中複雜的配線結構。濺射靶材具有金屬鍍膜的均勻性、可控性等諸多優勢，被廣泛應用於半導體領域。隨著半導體行業的迅速發展，對濺射靶材的需求越來越大，濺射靶材已成為半導體行業發展不可或缺的關鍵材料。靶材的晶粒尺寸、晶粒取向對集成電路金屬薄膜的製備和性能有很大的影響。主要表現在1.隨著晶粒尺寸的增加，薄膜沉積速率趨於降低；2.在合適的晶粒尺寸範圍內， 靶材使用時的等離子體阻抗較低，薄膜沉積速率高和薄膜厚度均勻性好；3.為提高靶材的性能，在控制靶材晶粒尺寸的同時還必須嚴格控制靶材的晶粒取向。靶材的晶粒尺寸和晶粒取向主要通過均勻化處理、熱機械加工、再結晶退火進行調整和控制。半導體用高純鈷濺射靶材一般純度要求在4N(99. 99% )以上。而鈷堅硬易碎，在塑性變形過程中對工藝控制的要求很高，容易產生裂紋等缺陷，報廢率較高。
發明內容
為使製作出均勻性和純度較好的鈷靶材，使得靶材的濺射性能提高，本發明提供一種高純鈷靶材製備方法，包括對高純鈷錠進行多次鍛造；對多次鍛造後的鈷錠進行退火處理；對經過退火處理後的鈷錠進行多次壓延形成鈷靶坯；對鈷靶坯進行最終再結晶退火處理。可選的，所述多次鍛造中，每次鍛造的變形率為50% 70%，總的鍛造的變形率為 50% 70%。可選的，所述多次鍛造之前進行預熱處理，所述預熱的溫度為700°C 900°C。可選的，對多次鍛造後的鈷錠進行退火處理的步驟中，退火處理溫度為500°C 700°C，保溫時間為2 3小時。可選的，所述多次壓延中，每次壓延的變形率為10% 20%，總的壓延的變形率為 70% 90%。可選的，進行所述多次壓延處理之前進行預熱處理，所述預熱的溫度為350°C 450 "C。可選的，所述最終再結晶退火處理的溫度為450°C 600°C，保溫時間為1 2小時。可選的，所述最終再結晶退火處理的保溫結束後的30s內進行快速水冷處理。可選的，最終再結晶退火處理中，退火溫度的公差為士3°C。與現有技術相比，在本發明的加工方式和工藝參數下生產出的高純鈷靶材能夠滿足半導體濺射所要求的晶粒尺寸要求和晶粒取向要求。
圖1為本發明的工藝流程示意圖。圖2為本發明中鍛造工藝進行前和進行後的鈷錠的示意圖。圖3和圖4為本發明中壓延工藝的示意圖。圖5為本發明最後形成的靶材的示意圖。
具體實施例方式本發明主要通過控制塑性變形的變形率，熱處理的溫度、時間，以及多次的特定變形率的塑性變形和特定溫度下的熱處理相結合的方法來實現製作滿足半導體濺射用鈷靶材晶粒尺寸要求和晶粒取向要求的鈷靶材。發明人專心的研究和多次的實踐改進得到最優的製作鈷靶材的方法，其工藝流程如圖1所示，其中主要包括以下步驟步驟Sl 對高純鈷錠進行多次鍛造；步驟S2 對多次鍛造後的鈷錠進行退火處理；步驟S3 對經過退火處理後的鈷錠進行多次壓延形成鈷靶坯；步驟S4 對鈷靶坯進行最終再結晶退火處理；步驟S5 對進行了最終再結晶退火處理後的鈷靶坯進行機械加工，然後與背板焊接，形成靶材。下面結合附圖對本發明的具體實施方式
做詳細的說明。在以下描述中闡述了具體細節以便於充分理解本發明。但是本發明能夠以多種不同於在此描述的其它方式來實施， 本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣。因此本發明不受下面公開的具體實施方式
的限制。在以下描述中闡述了具體細節以便於充分理解本發明。但是本發明能夠以多種不同於在此描述的其它方式來實施，本領域技術人員可以在不違背本發明內涵的情況下做類似推廣。因此本發明不受下面公開的具體實施方式
的限制。執行步驟Sl 對高純鈷錠進行多次鍛造；半導體高純鈷靶材的一般純度要求在4N(99. 99% )以上，例如為4N5 (99. 995% ) 或5N(99.999% )。所以所用的高純鈷錠的純度為4N(99. 99% )以上，本實施例中優選為 4N5 (99. 995% )的鈷錠。所述鈷錠可以為直徑為150mm 200mm、高度為IOOmm 150_的圓柱體，其尺寸根據預設生產的靶材的尺寸來確定。鍛造之前需要對鈷錠進行預熱處理，預熱的方式為將鈷錠加熱到700°C 900°C。所述鍛造的實施方式為利用空氣錘對鈷錠進行多方向的打擊，包括沿著與高純鈷錠的圓周方向對高純鈷錠進行擊打，或者為利用空氣錘對著高純鈷錠的上表面進行擊打。沿著圓周方向對鈷錠進行擊打使得鈷錠的高度增加，而橫截面積減小，對鈷錠的上表面進行擊打使得鈷錠的高度降低，而橫截面積增大。本步驟中，預熱處理的溫度大於鈷金屬的再結晶溫度，所以，本步驟中進行的鍛造為熱鍛，熱鍛的優點包括以下三方面1、熱鍛能夠減少金屬的變形抗力，因而減少被鍛造的金屬錠變形時所需的鍛壓力，使鍛壓施加的力度大大減小；2、改變金屬錠的鑄態結構，在熱鍛過程中經過再結晶，粗大的鑄態組織變成細小晶粒的新組織，並減少鑄態結構的缺陷，提高金屬的機械性能；3、提高金屬的塑性，尤其對於本發明中在較低溫時較脆難以鍛壓的鈷金屬來說尤為重要。而預熱的溫度過高的話，會導致再結晶的生成的晶粒尺寸比較大，使得最後形成的靶材不能滿足半導體濺射的要求，而預熱的溫度過低的話，鍛造就會進行得不太容易，對於改善鈷錠內部性能方面的效果不是很好，並且鈷在鍛造過程中容易發生裂紋。鈷錠經過鍛造加工後能改善其組織結構和力學性能。鑄造組織經過鍛造方法熱加工變形後由於金屬的變形和再結晶，使原來的粗大枝狀晶粒和柱狀晶粒變為晶粒較細、大小均勻的等軸再結晶組織，使鈷錠內原有的偏析、疏鬆、氣孔、夾渣等被壓實和焊合，其組織變得更加緊密，提高了鈷的塑性和力學性能。鍛造的程度不夠，則對於鈷內部組織的改善效果，以及晶粒細化的程度不夠，影響最終形成的鈷靶材的性能。而變形率太大，由於鈷金屬硬且脆，容易在加工中出現裂紋。經過發明人多次實踐後的總結，以鍛造對鈷錠的變形率來衡量鍛造的程度，所述變形率以△ H表示，其定義為ΔΗ = |hl-h2|/hl其中，hi為鍛造之前鈷錠的高度，h2為鍛造完成後鈷錠的高度。在本步驟的鍛造過程中，控制每次鍛造的變形率在50% 70%之間。採用沿著與高純鈷錠的圓周方向對高純鈷錠進行擊打和為利用空氣錘對著高純鈷錠的上表面進行擊打兩種鍛造方式交替進行。在本步驟的鍛造結束後的鈷錠與未進行鍛造之前的鈷錠相比， 其變形率也達到50% 70%之間。所述鍛造前後鈷錠情況如圖2所示。執行步驟S2 對多次鍛造後的鈷錠進行退火處理；所述對鍛造後的鈷錠進行退火處理的方式為，緩慢升溫到500°C 700°C，保溫 2 3小時，然後自然冷卻。這一步退火的主要目的是消除鈷內部的殘餘應力，穩定尺寸，減低鈷金屬的硬度和脆性，增加其可塑性，減少在後續工藝中的變形與裂紋傾向。由於這一步驟中退火溫度 500°C 700°C高於鈷的再結晶溫度450°C 600°C。所以在這次退火過程中，鈷內部還會進行一次再結晶，進一步縮小晶粒的尺寸。執行步驟S3 對經過退火處理後的鈷錠進行多次壓延形成鈷靶坯；在進行壓延之前還包括對鈷錠進行預熱處理的過程，所述預熱處理的溫度最優選擇為400°C，也可以根據實際情況在350°C 450°C的範圍內選擇。預熱處理的方式為對前一步驟中自然冷卻到室溫的鈷錠進行升溫到所設置的預熱溫度。然後對鈷錠進行多次壓延。其實施方式如圖3、圖4所示，所述壓延的方式為在壓延機(calender)的兩個輥筒8之間，和保持著預熱溫度的環境下，由輥筒8擠壓原本厚度 Shl'的鈷錠的上下表面，縮小鈷錠的厚度為h2'，而展開其截面積。經過多次的壓延，最終把鈷錠展延成靶材需要厚度h的金屬圓塊，形成鈷靶坯。一般的壓延後形成的鈷靶坯的厚度h為8mm 10mm。其中，每次壓延過程中，鈷錠的變形率為10% 20%，最終壓延形成的鈷靶坯與壓延之前的鈷錠相比，其變形率為70% 90%。本步驟中最終壓延形成的鈷靶坯如圖5所示。本步驟的壓延可以進一步細化鈷的晶粒，並消除顯微組織的缺陷，其中氣泡、裂紋和疏鬆在高溫和壓力作用下被焊合，從而使得形成的鈷材料組織更加密實，力學性能也得到改善。這種改善主要體現在沿軋制方向上，從而使鈷在一定程度上不再是各向同性體。本步驟採用多次壓延，且控制每次壓延的變形率在10% 20%，總變形率為 70% 90%的方式，實現總的壓延程度能夠滿足對鈷內部的結構性能的改善程度，且最終形成的鈷靶坯的厚度滿足靶材的需要，而每次的變形率都比較小，避免了硬且脆的鈷在壓延這種強烈的塑性變形的過程中發生裂紋或者別的缺陷。壓延結束後還包括自然冷卻到室溫的過程。執行步驟S4 對多次壓延形成後的鈷靶坯進行最終再結晶退火處理；本步驟的實施方式為在450°C 600°C的溫度下，保溫1 2小時，保溫結束後30s 之內迅速進行水冷。這一步退火為本發明過程中對鈷錠的最終再結晶退火。鈷錠在這一步退火過程中形成的晶粒大小和分布即為最終鈷靶材的晶粒大小和分布。所以，這一步的退火的溫度要精細控制。實施過程中，溫度公差只允許為士3°C。並且通過發明人的不斷實踐，經過前面的工藝步驟中得到的鈷靶坯的緻密性和均勻度能夠滿足鈷靶材的要求。執行步驟S5 對進行了最終再結晶退火處理後的鈷靶坯進行機械加工，然後與背板焊接，形成靶材。本步驟中的機械加工，包括周圈線切割，上下平面磨床加工。使得靶材表面形狀精度滿足靶材要求。然後再與背板焊接，形成生產所需的鈷靶材。本發明雖然已以較佳實施例公開如上，但其並不是用來限定本發明，任何本領域技術人員在不脫離本發明的精神和範圍內，都可以利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案做出可能的變動和修改，因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所作的任何簡單修改、等同變化及修飾，均屬於本發明技術方案的保護範圍。
權利要求
1.一種高純鈷靶材的製備方法，其特徵在於，包括對高純鈷錠進行多次鍛造；對多次鍛造後的鈷錠進行退火處理；對經過退火處理後的鈷錠進行多次壓延形成鈷靶坯；對鈷靶坯進行最終再結晶退火處理。
2.如權利要求1所述的高純鈷靶材的製備方法，其特徵在於，所述多次鍛造中，每次鍛造的變形率為50% 70%，總的鍛造的變形率為50% 70%。
3.如權利要求2所述的高純鈷靶材的製備方法，其特徵在於，所述多次鍛造之前對所述鈷錠進行預熱處理，所述預熱處理的溫度為700°C 900°C。
4.如權利要求1所述的高純鈷靶材的製備方法，其特徵在於，對多次鍛造後的鈷錠進行退火處理的步驟中，退火處理溫度為500°C 700°C，保溫時間為2 3小時。
5.如權利要求1所述的高純鈷靶材的製備方法，其特徵在於，所述多次壓延中，每次壓延的變形率為10% 20%，總的壓延的變形率為70% 90%。
6.如權利要求5所述的高純鈷靶材的製備方法，其特徵在於，進行所述多次壓延處理之前對所述鈷錠進行預熱處理，所述預熱處理的溫度為350°C 450°C。
7.如權利要求1所述的高純鈷靶材的製備方法，其特徵在於，所述最終再結晶退火處理的溫度為450°C 600°C，保溫時間為1 2小時。
8.如權利要求7所述的高純鈷靶材的製備方法，其特徵在於，所述最終再結晶退火處理後的30s內對鈷靶坯進行快速水冷處理。
9.如權利要求7所述的高純鈷靶材的製備方法，其特徵在於，最終再結晶退火處理中， 退火溫度的公差為士3°C。
全文摘要
一種高純鈷靶材的製備方法，包括對高純鈷錠進行多次鍛造；把多次鍛造後的鈷錠進行退火處理；經過退火處理後的鈷錠進行多次壓延形成鈷靶坯；對多次壓延形成後的鈷靶坯進行最終再結晶退火處理。本發明主要通過控制塑性變形的變形率，熱處理的溫度、時間，以及多次的特定變形率的塑性變形和特定溫度下的熱處理相結合的方法來實現製作滿足半導體濺射用鈷靶材晶粒尺寸要求和晶粒取向要求的鈷靶材。
文檔編號C23C14/14GK102424940SQ20111043104
公開日2012年4月25日 申請日期2011年12月20日 優先權日2011年12月20日
發明者大巖一彥, 姚力軍, 潘傑, 王學澤, 相原俊夫, 袁海軍 申請人:寧波江豐電子材料有限公司