一種靶材的製備方法與流程
2023-04-30 08:50:31 1
本發明涉及靶材技術領域，尤其涉及一種靶材的製備方法。
背景技術：
物理氣相沉積(PVD)是半導體晶片生產過程中最關鍵的工藝之一，其目的是把金屬或金屬的化合物以薄膜的形式沉積到矽片或其他的基板上，並隨後通過光刻與腐蝕等工藝的配合，最終形成半導體晶片中複雜的配線結構。物理氣相沉積是通過濺射機臺來完成的，濺射靶材就是用於上述工藝中的一個非常重要的關鍵耗材。常見的濺射靶材有高純度Ta，還有Ti、Al、Co和Cu等有色金屬。
隨著晶圓尺寸從200mm(8英寸)增大到300mm(12英寸)、450mm(18寸)，相應濺射靶材尺寸也隨之增大才能滿足PVD鍍膜的基本要求，同時，線寬從130～180nm減小到90～45nm及28nm以下，基於導體的導電性和阻隔層的匹配性能，則濺射靶材也將從超高純Al/Ti系轉化為超高純Cu/Ta系，Ta靶坯在半導體濺射行業的重要性越來越大，同時需求量也越來越大。
目前，由於晶圓尺寸增大，工藝製程變小，對鉭靶坯織構提出了更嚴苛的要求。常規技術生產的用於300mm晶圓的鉭靶坯，因其織構組分不受控、各組分分布不均、關鍵織構組分含量與濺射機臺Base line靶材不一致，導致濺射成膜後各項性能不達標，無法使用，影響鉭靶坯的規模化應用。
技術實現要素：
本發明解決的技術問題在於提供一種靶材的製備方法，本申請提供的製備方法可使製備的直徑為400～1000mm，厚度為9～30mm的靶材的{111}、{100}織構組分比例控制在20％～40％，織構組分分布波動控制在10％以內。
有鑑於此，本申請提供了一種靶材的製備方法，包括以下步驟：
A)，將鍛造後的坯料酸洗後熱處理，所述熱處理的升溫速率為10～50℃/min；
B)，將熱處理後的坯料放置於軋機的工裝上進行軋制；所述工裝與坯料的接觸面與過上下軋輥軸線的平面的角度為θ，所述工裝與坯料接觸面的最低點所在的平面與下軋輥水平切面的距離為δ，所述θ＝±(55～85°)，所述δ＝±(20～50)mm；
C)，將軋制後的坯料進行酸洗，再進行熱處理，得到靶材；所述熱處理的升溫速率為10～50℃/min。
優選的，所述靶材為鉭靶材或鉭合金靶材。
優選的，所述θ＝±(60～80°)，所述δ＝±(20～40)mm。
優選的，所述軋制為旋轉軋制，所述軋制的各道次的加工率為2％～20％。
優選的，步驟C)中，所述熱處理的升溫速率為20～40℃/min。
優選的，步驟C)中，所述熱處理的溫度為坯料熔點的25％～45％，保溫時間為0～240min。
優選的，步驟A)中所述熱處理的溫度為坯料熔點的25％～45％。
優選的，步驟A)與步驟C)中所述酸洗的混合液均為體積比為5:3:2的HCl、HF和H2SO4的混合液。
優選的，所述坯料為圓餅坯料，所述坯料的直徑≥100mm，厚度≤50mm。
優選的，所述靶材的直徑為400mm～1000mm，厚度為6～30mm。
本申請提供了一種靶材的製備方法，該方法首先將鍛造後的坯料酸洗後熱處理，再將熱處理後的坯料放置於軋機的工裝上進行軋制，最後將軋制後的坯料酸洗後再熱處理，得到靶材；本申請通過在軋制過程中引入工裝，而引入了剪切應變，使得坯料厚度方向表面和中間層軋制織構類型有差異，而通過引入快速升溫熱處理工藝，使得靶坯在厚度方向上從表面到中間層存在溫度梯度，最終使靶材厚度方向軋制織構差異與熱處理溫度梯度形成對應，使得靶材織構分布均勻、織構類型和比例可控，實現靶材的{111}、{100}織構組分比例控制在20％～40％，織構組分分布波動控制在10％以內。
附圖說明
圖1為本發明軋制過程中工裝與坯料放置的示意圖；
圖2為本發明實施例1製備的鉭靶材的織構分布統計圖；
圖3為本發明實施例1製備的鉭靶材的織構分析IPF圖；
圖4為本發明實施例2製備的鉭靶材的織構分布統計圖；
圖5為本發明實施例2製備的鉭靶材的織構分析IPF圖；
圖6為本發明實施例3製備的鉭靶材的織構分布統計圖；
圖7為本發明實施例3製備的鉭靶材的織構分析IPF圖。
具體實施方式
為了進一步理解本發明，下面結合實施例對本發明優選實施方案進行描述，但是應當理解，這些描述只是為進一步說明本發明的特徵和優點，而不是對本發明權利要求的限制。
本發明實施例公開了一種靶材的製備方法，包括以下步驟：
A)，將鍛造後的坯料酸洗後熱處理，所述熱處理的升溫速率為10～50℃/min；
B)，將熱處理後的坯料放置於軋機的工裝上進行軋制；所述工裝與坯料的接觸面與過上下軋輥軸線的角度為θ，所述工裝與坯料接觸面的最低點所在的平面與下軋輥水平切面的距離為δ，所述θ＝±(55～85°)，所述δ＝±(20～50)mm；
C)，將軋制後的坯料進行酸洗，再進行熱處理，得到靶材；所述熱處理的升溫速率為10～50℃/min。
在製備靶材的過程中，本申請通過設計的軋制工裝與快速升溫熱處理工藝，使得靶材織構分布均勻、織構類型和比例可控，實現靶材的{111}、{100}織構組分比例控制在20％～40％，織構組分分布波動控制在10％以內。
按照本發明，首先進行坯料的預處理，即將鍛造後的坯料進行酸洗後熱處理。所述鍛造為本領域技術人員熟知的技術手段，此處本申請不進行特別的限制。所述酸洗以去除表面雜質，肉眼觀察坯料光澤無雜斑即可；所述酸洗優選採用體積比為5:3:2的混合酸液。本申請所述製備方法適用於本領域技術人員通常採用的合金，可以為鉭材料，也可以為其他材料，在實施例中，所述坯料優選為鉭坯，可以為純鉭坯，也可以為鉭合金坯。所述熱處理的溫度優選為坯料熔點的25％～45％，保溫時間為0～240min；所述坯料以鉭坯為例，所述熱處理的溫度優選為鉭坯的25％～45％，在實施例中，所述鉭坯的熱處理溫度為1000℃～1300℃。為了得到直徑為400～1000mm，厚度為6～30mm的靶材，本申請所鍛造的坯料的尺寸具體為：直徑≥100mm，厚度≤50mm。上述熱處理的過程中，本申請對所述熱處理溫度的升溫速率沒有特別的限制，可以直接升溫至熱處理的溫度，也可以以本領域熟知的升溫速率升溫至熱處理溫度。
按照本發明，然後將熱處理後的坯料進行軋制，本申請所述軋制放置於軋機的工裝上進行軋制，即在軋制的過程中，工裝與坯料接觸，具體的，所述工裝與坯料的接觸面與過上下軋輥軸線的平面的角度為θ，所述工裝與坯料接觸面的最低點所在的平面與下軋輥水平切面的距離為δ，所述θ＝±(55～85°)，所述δ＝±(20～50)mm；具體示意圖如圖1所示。本申請設計的軋制工裝，使得軋制時板材外觀坐標下晶體的宏觀應變張量為如下式所示；
本申請軋制過程中設置的軋制工裝使得軋制變形區相對坯料中間層變形不對稱，造成不對稱軋制，形成「搓軋區」；其中，上式中ε、-ε為板材沿R向和N向的主應變，Δ為N面上平行於R向的剪切應變；與常規軋制(金屬變形可視為簡單壓縮，即Δ為0)相比，本軋制方式下，在「搓軋區」金屬除了有簡單壓縮下的主應變ε外，還有作用於N面、平行於R向的切應變Δ，總變形為壓縮和剪切應變的疊加；因剪切應變的引入，使得軋制形變織構的類型和比例與常規同步軋制不同，最終影響鉭靶材的織構類型和分布；可通過對剪切應變Δ引入量的調整來影響最終靶材織構類型和比例；而對本工裝θ、δ參數的改變，均可對剪切應變Δ引入量進行調整。本申請中工裝的參數θ、δ會影響剪切應變Δ引入量，最終影響靶材的織構類型、組分及分布均勻性。在某些實施例中，所述θ＝±(60～80°)，所述δ＝±(20～40)mm。在實施例中，所述軋制為旋轉軋圓，所述軋制的各道次加工率優選為2％～20％；在某些實施例中，所述軋制的次數優選為8～12次，所述軋制的各道次的加工率優選為7％～15％。
本申請然後將軋制後的坯料進行酸洗，以去除表面雜質。所述酸洗的酸液優選採用體積比為5:3:2的混合酸液。最後將酸洗後的坯料進行熱處理，得到靶材。所述熱處理的升溫速率為10～50℃/min，在實施例中，所述升溫速率為20～40℃/min。所述熱處理的溫度為坯料熔點的25％～45％，保溫的時間為0～240min；所述坯料以鉭坯為例，在某些實施例中，所述熱處理的溫度優選為1100～1300℃，所述保溫的時間優選為5～60min。上述過程中引入了快速升溫熱處理工藝，該快速升溫速率使得靶坯厚度方向從表面到中間層存在溫度梯度，使靶坯厚度方向軋制織構差異與熱處理溫度梯度形成對應，最終使整個靶坯織構分布均勻、織構類型和比例可控。本申請中所述升溫速率的大小均會影響靶坯內外部的溫度梯度，進而影響靶坯織構分布均勻性、類型與組分。
本申請在製備靶材的過程中，通過自行設計的軋制工裝速升溫熱處理工藝，以解決鉭靶坯織構組分比例不受控、不符合濺射機臺Base line靶材要求以及沿厚度方向織構分布梯度鋒銳的問題，得到了符合半導體使用要求的鉭靶坯，主要特點有兩點：第一，鉭靶坯規格為直徑在400～1000mm，厚度在6～30mm；第二，{111}、{100}織構組分比例控制在20～40％，織構組份分布波動控制在10％以內。
為了進一步理解本發明，下面結合實施例對本發明提供的靶材的製備方法進行詳細說明，本發明的保護範圍不受以下實施例的限制。
實施例1
1、完成鍛造的圓餅純鉭坯料，坯料的直徑≥100mm，厚度≤50mm；
2、將酸洗後的圓餅坯料酸洗，以去除表面雜質，肉眼觀察可見鉭金屬光澤無雜斑即可：酸洗的混合溶液為HCl：HF：H2SO4＝5：3：2(體積比)；
3、將酸洗後的坯料熱處理：熱處理的溫度為純鉭材料熔點的25％～45％，保溫時間為0～240min；
4、安裝軋制工裝：將設計好的傾斜軋制工裝裝在軋機上，θ＝±(55～85°)，δ＝±(20～50mm)，如圖1所示；軋制：旋轉軋圓，各道次加工率控制在2％～20％；
5、將軋制後的坯料酸洗，以去除表面雜質，肉眼觀察可見鉭金屬光澤無雜斑即可；酸洗的酸液具體為HCl：HF：H2SO4＝5∶3：2(體積比)；
6、將酸洗後的坯料快速升溫熱處理，得到鉭靶材；熱處理溫度為鉭材料熔點的25％～45％，保溫時間為0～240min，升溫速率10～50℃/min；
7、將製備得到的鉭靶材進行織構分析：分析厚度方向{111}、{100}織構比例。
實施例2
採用規格為Φ250mm×δ45mm且已完成鍛造的純鉭圓餅坯料，採用如實施例1的方法製備鉭靶材，得到Φ500mm×δ11mm鉭靶坯，並進行取樣織構分析；製備的工藝參數具體見表1，織構分析結果如圖2、圖3所示；
表1實施例2製備鉭靶材的工藝參數
由圖2與圖3可知，(100)均值6.4，標準偏差為3.1，(111)均值48.4，標準偏差為11.1，(111)佔優，織構比例分布波動小；從IPF圖可看出，形成以(111)織構為主的通厚度織構分布較均勻的鉭靶坯。
實施例3
採用規格為Φ250mm×δ45mm且已完成鍛造的純鉭圓餅坯料，採用本申請實施例1的方法製備鉭靶材，得到Φ500mm×δ11mm的鉭靶坯，並進行取樣織構分析，製備的工藝參數具體見表2；織構分析如圖4、圖5所示；
表2實施例3製備鉭靶材的工藝參數
由圖4與圖5可知，(100)均值22.0，標準偏差為2.2，(111)均值23.5，標準偏差為1.5，(100)、(111)共同佔優，織構比例分布波動小於10％；從IPF圖可看出，形成以(100)、(111)織構為主的通厚度織構分布均勻的鉭靶坯，達到了「獲得{111}、{100}織構組分比例控制在20～40％，織構組分分布波動控制在10％以內」的目標與實施2相比，因引入更多工序的快速升溫熱處理及使用軋制工裝後軋制道次的調整，促使鉭靶坯織構組份比例及均勻性的變化，使得(100)比例增加、(111)比例下降。
實施例4
採用規格為Φ310×δ45且已完成鍛造的鉭鎢合金圓餅坯料，採用實施例1的方法製備鉭靶材，得到Φ500mm×δ17mm的鉭靶坯，並進行取樣織構分析，製備的工藝參數見表3；織構分析如圖6、圖7所示；
表3實施例4製備鉭靶材的工藝參數
由圖6與圖7可知，(100)均值29.1，標準偏差為7.8，(111)均值33.7，標準偏差為7.1，(100)、(111)共同佔優且佔比增加，織構比例分布波動較小；從IPF圖可看出，形成以(100)、(111)織構為主的通厚度織構分布均勻的鉭靶坯，達到了{111}、{100}織構組分比例控制在20～40％的目標；與實施例3相比，對快速升溫熱處理參數的調整，也引起了織構組份比例的變化。
通過上述實施例2、3、4可看出，採用本發明特殊的軋制工裝和快速升溫熱處理工藝，以及通過調整與軋制工裝相結合的軋制道次加工率，可是鉭靶坯織構組份比例、均勻性發生變化；採用本發明可獲得{111}、{100}織構組分比例控制在20～40％的鉭靶坯。
以上實施例的說明只是用於幫助理解本發明的方法及其核心思想。應當指出，對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以對本發明進行若干改進和修飾，這些改進和修飾也落入本發明權利要求的保護範圍內。
對所公開的實施例的上述說明，使本領域專業技術人員能夠實現或使用本發明。對這些實施例的多種修改對本領域的專業技術人員來說將是顯而易見的，本文中所定義的一般原理可以在不脫離本發明的精神或範圍的情況下，在其它實施例中實現。因此，本發明將不會被限制於本文所示的這些實施例，而是要符合與本文所公開的原理和新穎特點相一致的最寬的範圍。