一种钽靶材的制造方法.pdf

上传人:b*** 文档编号:4035107 上传时间:2018-08-12 格式:PDF 页数:16 大小:1.30MB
返回 下载 相关 举报
摘要
申请专利号:

CN201310379942.0

申请日:

2013.08.27

公开号:

CN104419901A

公开日:

2015.03.18

当前法律状态:

授权

有效性:

有权

法律详情:

授权|||实质审查的生效IPC(主分类):C23C14/34申请日:20130827|||公开

IPC分类号:

C23C14/34; C23C14/14; C22F1/18; C21D8/00

主分类号:

C23C14/34

申请人:

宁波江丰电子材料股份有限公司

发明人:

姚力军; 赵凯; 相原俊夫; 大岩一彦; 潘杰; 王学泽; 袁海军

地址:

315400浙江省宁波市余姚市名邦科技工业园区安山路198号

优先权:

专利代理机构:

北京集佳知识产权代理有限公司11227

代理人:

骆苏华

PDF下载: PDF下载
内容摘要

本发明提供了一种钽靶材的制造方法。包括,先对钽锭进行热锻处理,之后对所述热锻处理后的钽锭进行一次退火工艺,形成第一钽靶材坯料;对所述第一钽靶材坯料进行轧制处理,形成第二钽靶材坯料;对所述第二钽靶材坯料进行二次退火工艺,获得钽靶材。采用上述技术方案形成钽靶材内部晶粒细小,钽靶材内部结构均匀,有效避免钽靶材内部出现分层等缺陷,从而提高后续使用过程中,钽靶材的溅射速率,以及形成的钽薄膜质量。

权利要求书

权利要求书
1.  一种钽靶材的制造方法,其特征在于,包括:
提供钽锭;
对所述钽锭进行热锻处理之后,对所述钽锭进行一次退火工艺,形成第一钽靶材坯料;
对所述第一钽靶材坯料进行轧制处理,形成第二钽靶材坯料;
对所述第二钽靶材坯料进行二次退火工艺,形成钽靶材。

2.  根据权利要求1所述的钽靶材的制造方法,其特征在于,所述热锻处理包括:
将所述钽锭加热至800~1100℃,之后对所述钽锭进行锻打处理;
一次所述锻打处理包括至少沿多个方向对所述钽锭进行锻打,且一次所述锻打处理后的钽锭形变量大于等于80%。

3.  根据权利要求2所述的钽靶材的制造方法,其特征在于,一次热锻处理至少包括3次所述锻打处理。

4.  根据权利要求1所述的钽靶材的制造方法,其特征在于,所述一次退火处理为真空退火处理工艺,包括:
调节真空热处理炉温度至1000~1300℃,在真空条件下加热所述钽锭2~4h。

5.  根据权利要求1所述的钽靶材的制造方法,其特征在于,反复进行所述热锻处理至少3次,每一次热锻处理后均进行一次所述一次退火工艺。

6.  根据权利要求1所述的钽靶材的制造方法,其特征在于,所述轧制处理为冷轧处理,包括:
冷却所述第一钽靶材坯料;
沿不同方向反复轧制所述第一钽靶材坯料至预定厚度,形成第二钽靶材坯料;且所述轧制处理后,所述第一钽靶材坯料的形变量大于90%。

7.  根据权利要求1所述的钽靶材的制造方法,其特征在于,所述轧制处理包括:
对所述第一钽靶材坯料进行第一阶段轧制,使所述第一钽靶材坯料的形变 量为40%~60%;
第一阶段轧制后,对所述第一钽靶材坯料进行第二阶段轧制,至所述第一钽靶材坯料的形变量为70%~80%;
第二阶段轧制后,对所述第一钽靶材坯料进行第三阶段轧制,至所述第一钽靶材坯料的形变量大于等于90%;
第三阶段轧制后,对所述第一钽靶材坯料进行第四阶段轧制,至预定厚度。

8.  根据权利要求7述的钽靶材的制造方法,其特征在于,在第一阶段轧制、第二阶段轧制和第三阶段轧制的过程中,均包括多步轧制步骤;
其中,在第一阶段轧制中,每一步轧制后的第一钽靶材坯料的形变量为该步轧制前的10%~25%;
在第二阶段轧制中,每一步轧制后的第一钽靶材坯料的形变量为该步轧制前的10%~20%;
在第三阶段轧制中,每一步轧制后的第一钽靶材坯料的形变量为该步轧制前的8%~13%;
在第四阶段轧制中,每一步轧制后的第一钽靶材坯料的形变量为该步轧制前的3%~7%。

9.  根据权利要求8述的钽靶材的制造方法,其特征在于,每一步轧制后,转动所述第一钽靶材坯料120°~140°,之后,再对所述第一钽靶材坯料进行下一步轧制。

10.  根据权利要求1所述的钽靶材的制造方法,其特征在于,所述二次退火处理为真空退火处理工艺,包括:
调节真空热处理炉温度至800~1000℃,在真空条件下加热所述第二钽靶材坯料1~3h。

说明书

说明书一种钽靶材的制造方法
技术领域
本发明涉及半导体溅射领域,特别涉及一种钽靶材的制造方法。
背景技术
钽,是一种金属元素,其质地坚硬、富有延展性,且热膨胀系数很小,具有极高的抗腐蚀性和韧性。基于上述优点,钽被广泛地应用化工、微电子、电气等工业领域。
如在微电子领域,钽常被用以制备半导体器件的薄膜电极以及互连线。
具体地,钽通过磁控溅射方式应用于半导体器件制备。其原理是采用物理气相沉积技术(PVD),以高压加速气态离子轰击钽靶材,使钽靶材上的钽原子被溅射出,以薄膜的形式沉积到硅片上,形成半导体芯片上互连线结构或是电极。其中,钽靶材的质量直接影响磁控溅射形成的薄膜质量。
传统的钽靶材制备过程包括:先通过高真空电子束熔炼炉获得高纯钽锭,然后对钽锭反复进行塑性变形,从而获得特定尺寸的钽靶材。
然而,受限于钽本身的体心立方金属结构,钽晶粒的密排面为111型晶胞结构,在塑性变形过程中,钽晶粒的111型晶胞结构会使得钽晶粒间优先出现滑移,钽晶粒原始结构难以被重铸,形变率较低,从而使得最终形成的钽靶材内部的晶粒取向仍然以111形态为主。该种结构属于钽金属的“固有”组织带。因而在塑性的轧制过程后,获得的钽靶材沿厚度方向存在着严重的织构分层缺陷。而基于上述缺陷,在磁控溅射过程中,钽靶材的溅射速率偏低,且极不稳定,会随着钽靶材内部织构的变化而变化,从而严重降低了后续获得的钽薄膜的均匀度。
随着半导体器件的迅速发展,对于钽镀膜的要求越发严格。为了解决钽靶材内部分层缺陷,业界人员尝试将钽在再结晶温度以上条件下实现塑性变形,以此降低钽锭的内部变形抗力。但基于钽的再结晶温度达到800℃,上述工艺的对于热轧设备等加工设备要求高,且操作难度大,钽靶材的成品率低。
为此,如何降低钽锭塑性变形时内部的变形抗力,加大其内部材料的变形率,从而消除钽靶材内部分层现象的同时,降低工艺难度和工艺成本,提高钽靶材的成品率,是本领域技术人员亟需解决的问题。
发明内容
为解决上述问题,本发明提供了一种钽靶材的制造方法,从而克服现有钽靶材制造过程中,钽锭内部的形变率低,获得的钽靶材内部分层现象严重等缺陷。
本发明提供的一种钽靶材的制造方法,包括:
提供钽锭;
对所述钽锭进行热锻处理,之后对所述钽锭进行一次退火工艺,形成第一钽靶材坯料;
对所述第一钽靶材坯料进行轧制处理,形成第二钽靶材坯料;
对所述第二钽靶材坯料进行二次退火工艺,获得钽靶材。
可选地,所述热锻处理包括:
将所述钽锭加热至800~1100℃,之后对所述钽锭进行锻打处理;
一次所述锻打处理包括至少沿两个方向对所述钽锭进行锻打,且一次所述锻打处理后的钽锭形变量大于等于80%。
可选地,一次热锻处理至少包括3次所述锻打处理。
可选地,所述一次退火处理包括:
调节真空热处理炉温度至1000~1300℃,在真空条件下加热所述钽锭2~4h。
可选地,反复进行所述热锻处理至少3次,每一次热锻处理后均进行一次所述一次退火工艺。
可选地,所述轧制处理为冷轧处理,包括:
冷却所述第一钽靶材坯料;
沿不同方向反复轧制所述第一钽靶材坯料至预定厚度,形成第二钽靶材坯料,所述第一钽靶材坯料的形变量大于90%。
可选地,所述轧制处理包括:
对所述第一钽靶材坯料进行第一阶段轧制,使所述第一钽靶材坯料的形变量为40%~60%;
第一阶段轧制后,对所述第一钽靶材坯料进行第二阶段轧制,至所述第一钽靶材坯料的形变量为70%~80%;
第二阶段轧制后,对所述第一钽靶材坯料进行第三阶段轧制,至所述第一钽靶材坯料的形变量大于等于90%;
第三阶段轧制后,对所述第一钽靶材坯料进行第四阶段轧制,至预定厚度。
可选地,在第一阶段轧制、第二阶段轧制和第三阶段轧制的过程中,均包括多步轧制步骤;
其中,在第一阶段轧制中,每一步轧制后的第一钽靶材坯料的形变量为该步轧制前的10%~25%;
在第二阶段轧制中,每一步轧制后的第一钽靶材坯料的形变量为该步轧制前的10%~20%;
在第三阶段轧制中,每一步轧制后的第一钽靶材坯料的形变量为该步轧制前的8%~13%;
在第四阶段轧制中,每一步轧制后的第一钽靶材坯料的形变量为该步轧制前的3%~7%。
可选地,每一次轧制后,转动所述第一钽靶材坯料120°~140°,之后,对所述第一钽靶材坯料进行下一次轧制。
可选地,所述二次退火处理包括:
调节真空热处理炉温度至800~1000℃,在真空条件下加热钽锭1~3h。
与现有技术相比,本发明的技术方案具有以下优点:
在对钽锭进行热锻处理过程中,在高温条件下对钽锭进行锻打处理,可有效增加钽锭内部的形变率,破坏钽锭中钽晶粒原始晶相结构,同时实现钽晶粒细小化;并在热锻处理之后的一次退火工艺中,实现钽再结晶,使钽晶粒间的键连和重排,从而实现钽锭内部结构均匀化,避免钽锭内部出现结构分层等缺陷;同时在一次退火工艺中,还可充分释放基于热锻处理在钽锭内部产生的应力,优化钽锭内部结构;
在之后的轧制处理过程中,实现第一钽靶材坯料轧制定型的同时,进一步细化第一钽靶材坯料中的钽晶粒,提高第一钽靶材坯料内部的均匀度,并且在二次退火工艺中,释放轧制过程中,在第一钽靶材坯料内部形成的应力,优化第一钽靶材坯料内部结构;
采用上述技术方案形成钽靶材内部晶粒细小,钽靶材内部结构均匀,有效避免钽靶材内部出现分层等缺陷,从而提高后续使用过程中,钽靶材的溅射速率,以及形成的钽薄膜质量;而且上述技术方案易于控制,可有效降低钽靶材的制备成本。
进一步地,将轧制处理为冷轧处理,在实现第一钽靶材坯料内部晶粒充分细化,以提高第一钽靶材坯料内部结构的同时,有效降低了工艺成本,以及工艺控制难度;此外,所述轧制处理工艺包括多个阶段,且各个阶段包括多步形变量不同的轧制步骤以实现第一钽靶材坯料逐步压制、形变,上述技术方案可有效缓解轧制过程中,在第一钽靶材坯料内部形成的应力,以避免第一钽靶材坯料出现开裂等缺陷。
附图说明
图1为本发明钽靶材的制造方法的流程图;
图2是本发明钽靶材的制造方法中热锻处理工艺的示意图;
图3至图6是本发明钽靶材的制造方法中轧制的结构示意图。
具体实施方式
正如背景技术所述的,基于钽金属本身的金属结构,传统的制造工艺形成的钽靶材内部会出现明显的分层现象,从而影响磁控溅射过程中的靶材溅 射速率及稳定性,并由此降低钽薄膜的成膜质量。
若在钽再结晶温度以上条件下实现钽靶材塑性变形可缓解钽靶材内部分层现象,但上述工艺对于热轧设备等加工设备要求高,且工艺条件苛刻,操作难度大,钽靶材的成品率低,而且上述工艺还极大地增大了钽靶材生产成本。
为此,本发明提供了一种钽靶材的制造方法,采用本发明在制造钽靶材过程中,可有效破钽晶粒的原始晶胞结构,降低钽锭的形变抗力,避免获得的钽靶材出现分层现象,使得钽靶材内部结构更为均匀,优化钽靶材的内部结构,从而提高钽靶材在磁控溅射过程中的溅射速率,以及磁控溅射形成的钽薄膜的质量。
下面结合附图,通过具体实施例,对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
参考图1所示,先执行步骤S1,提供钽锭。
所述钽锭可通过高真空电子束熔炼炉获得,其纯度达到4N(99.99%)以上。其为现有技术,在此不再赘述。
接着执行步骤S2,对所述钽锭进行热锻处理,之后对所述钽锭进行一次退火工艺,形成第一钽靶材坯料。
本实施例中,具体包括:先将所述钽锭放入马弗炉预热,直至所述钽锭的温度大于钽锭再结晶温度,之后对所述钽锭进行锻打处理。
本实施例中,可选地加热所述钽锭温度于800~1100摄氏度(℃)。将所述钽锭加热至800~1100℃后,钽锭中钽晶粒再结晶生长,增大晶粒尺寸,提高钽锭的可塑性。
参考图2所示,所述锻打步骤包括:
将预热后的钽锭10放置在锻机上,向所述钽锭10施加压力使钽锭10发生形变。
在所述锻打期间,基于上述预加热工艺,钽锭10中钽晶粒再结晶生长,增大晶粒尺寸,提高了钽锭10的可塑性。在向所述钽锭10施加压力后,使所述钽锭10内部发生形变,迫使钽晶粒原始结构被破坏;此外锻打过程中, 钽锭10内部钽晶粒被细小化,从而利于后续钽锭内部结构再塑。
本实施例中,在锻打过程中,不断改变钽锭10的受压方向,实现多方向锻打,提高钽锭10的受力均匀性,实现钽锭10内部结构的均匀化。如,可先沿钽锭10的厚度方向,锻打钽锭10得到钽锭11,之后再翻转钽锭11,向钽锭11的另一方向施压锻打得到钽锭12。如此反复由多个方向锻打钽锭,可有效破坏钽锭内钽晶粒原先结构,同时提高钽锭内部结构的均匀性。
本实施例中,在一次钽锭的预热工艺后,至少反复锻打钽锭3次,且每一次钽锭锻打后的形变量要大于等于80%,从而更好地改变钽锭内部原先结构,且使所述钽锭内部结构更均匀,避免之后得到的钽锭出现分层现象。
在所述热锻处理后,对所述钽锭12进行一次退火工艺。所述一次退火工艺包括,将所述钽锭12加热至再结晶温度之上,使得钽锭12内部出现再结晶,重塑钽锭12内部结构。
本实施例中,所述一次退火工艺可选为真空退火工艺,其具体过程包括:
将经热锻处理后得到的钽锭12放置于真空热处理炉中,调节所述真空热处理炉的温度至1000~1300℃,并在上述温度下保温加热所述钽锭2~4小时(h)。
在所述一次退火工艺过程中,经热锻处理后,钽晶粒间出现键连和重排,粉碎后的钽晶粒实现再结晶,原先晶粒结构消失,钽锭内部的晶粒结构被重塑,从而使钽锭内部结构更均匀,避免钽锭内部出现分层现象等缺陷。
在所述一次退火工艺中,若温度过低(如),退火温度越高,时间越长,再结晶形成的钽晶粒越大,钽晶粒的可塑性越强,但获得的钽锭致密度,以及硬度受影响。本实施例中,若一次退火的温度过低(小于1000℃),加热时间过短(小于2h)则钽再结晶不够彻底,无法获得结构均匀的钽锭;若温度过高(大于1300℃),加热时间过长(大于4h),则钽晶粒生长过大,降低获得的第一钽靶材坯料硬度和致密度,不利于后续轧制处理,以及最终形成的钽靶材的硬度、致密度等质量参数。
此外,在上述热锻处理过程中,基于锻打所施加的外力,在钽锭内形成内部应力,这些应力可能致使钽锭出现开裂等缺陷,在上述一次退火过程中,可充分释放这些应力,从而优化钽锭内部结构。
而真空条件下的进行的退火工艺,可有效避免在加热过程中,基于空气中的氧气等成分与钽反应,而造成钽锭被氧化等缺陷。避免造成最终形成的钽靶材质量缺陷,以及对于原料损失和后续制造过程中额外工序投入,以增加制备成本。
本实施例提供的钽靶材的制造方法中,至少重复三次上述的热锻处理工艺,且在每一热锻工艺后,均进行一次所述一次退火工艺,以形成第一钽靶材坯料13,从而确保经所述热锻处理工艺以及一次退火工艺后,形成的第一钽靶材坯料13内部结构的质量。
继续参考图1所示,在步骤S2后,执行步骤S3,对所述第一钽靶材坯料13进行轧制处理,形成第二钽靶材坯料。
本实施例的所述轧制处理工艺为冷轧处理,在经上述热锻以及一次退火工艺获得所述第一钽靶材坯料13后,冷却所述第一钽靶材坯料,之后,轧制所述第一钽靶材坯料13至预定厚度,形成第二钽靶材坯料。其中,所述第一钽靶材坯料13的形变量大于90%。
图3至图6为本实施例中,第一钽靶材坯料的轧制处理工艺示意图。
参考图3和图4所示,图3为轧制工艺的立体图,图4为图3中轧制工艺的平面图。
本实施例中,所述冷轧处理的方式为双辊筒轧制工艺。具体地,将第一钽靶材坯料13在压延机(calender)的两个辊筒20a和20b之间进行挤压,以获得特定平面尺寸以及厚度的第二钽靶材坯料。
本实施例中,所述冷轧处理分为多个阶段,逐步轧制完成,从而降低在轧制过程中,在所述第一钽靶材坯料13内形成应力,避免靶材坯料出现开裂等缺陷。
具体地,本实施例中,对所述第一钽靶材坯料13的冷轧处理分为四个阶段完成。其中,每一个阶段中,又分为多步轧制步骤。
第一阶段轧制:使所述第一钽靶材坯料的形变量为40%~60%。可选地,每一步所述轧制步骤后的第一钽靶材坯料13的形变量为该步轧制前的10%~25%。
参考图5所示。以某一步轧制步骤前,所述第一钽靶材坯料13的厚度为 h1,该轧制步骤后的第一钽靶材坯料13的厚度为h2,在该轧制步骤中,所述第一钽靶材坯料13的形变量△H=|h1-h2|/h1=10%~25%。
第二阶段轧制:第一阶段轧制后,对所述第一钽靶材坯料13进行第二阶段轧制,使得所述第一钽靶材坯料的形变量为70%~80%。
可选地,每一步轧制后的第一钽靶材坯料13的形变量为该步轧制前的10%~20%,即,△H=|h1-h2|/h1=10%~20%。
第三阶段轧制:第二阶段轧制后,对所述第一钽靶材坯料13进行第三阶段轧制,至所述第一钽靶材坯料13的形变量大于等于90%。
可选地,每一步轧制后的第一钽靶材坯料13的形变量为该步轧制前的8%~13%,即,△H=|h1-h2|/h1=8%~13%。
第四阶段轧制:第三阶段轧制后,对所述第一钽靶材坯料13进行第四阶段轧制,至预定厚度。
可选地,每一步轧制后的第一钽靶材坯料的形变量为该步轧制前的3%~7%,即,△H=|h1-h2|/h1=3%~7%。
以在所述热锻处理工艺后,获得的第一靶材坯料130尺寸为:直径d为130mm,高度为160mm;轧制处理工艺后,预期得到尺寸为:直径d为520mm,高度为10mm的钽靶材为实例。
第一阶段轧制过程中,每一步轧制步骤的轧制量为20~30mm,在多步轧制后,使所述第一钽靶材坯料13的厚度压制至原始厚度的1/2左右。
在所述第二阶段轧制过程中,对于上述实例的第一钽靶材坯料每一步轧制步骤的轧制量为8~10mm,在多步轧制后,使所述第一钽靶材坯料13的厚度压制至原始厚度的1/4左右。
在所述第三阶段轧制过程中,对于上述实例的第一钽靶材坯料每一步轧制步骤的轧制量为3~5mm,在多步轧制后,使所述第一钽靶材坯料13的厚度压制至原始厚度的1/10左右。
在所述第四阶段轧制过程中,对于上述实例的第一钽靶材坯料每一步轧制步骤的轧制量为0.5~1mm,在多步轧制后,使所述第一钽靶材坯料13的厚度为10mm。
本实施例中,每一步冷轧处理工艺的每次变形率都比较小,避免了第一钽靶材坯料13在冷轧这种强烈的塑性变形的过程中出现裂纹等缺陷。且在实际操作工艺中,在每一步压制步骤后,检查形成的钽靶材坯料的边缘是否有褶皱和裂痕现象,以决定是否进入下一工艺。如,若出现褶皱和裂痕,则说明钽靶材内部结构均匀度较差,则将钽靶材坯料重新进行热锻工艺。
下表1为轧制处理前,直径d为130mm,高度为160mm,轧制处理工艺后,预期得到尺寸为:直径d为520mm,高度为10mm的第一钽靶材坯料的一组具体的轧制处理数据:
表1


可选地,在上述四个轧制阶段过程中,对所述第一钽靶材坯料13每进行一次轧制步骤后,都会对第一钽靶材坯料13旋转特定的预设角度,之后再进行下一次的轧制步骤,从而使得压延后的第一钽靶材坯料13的各个部分结构比较均匀和一致。
本实施例中,所述预设角度在120°~140°。
具体步骤参考图6所示,图6中双向箭头所示的方向为第一钽靶材坯料13直接进行压延的方向,单向箭头所示的方向为第一钽靶材坯料13进行旋转的方向,图6中所示的1~8是为了方便确定对所述第一钽靶材坯料13压延后进行旋转的角度而设定的标记。
比如,第一钽靶材坯料13上的某一个点从3的位置逆时针旋转到了8的位置,则可以获知所述第一钽靶材坯料13在热轧过程中逆时针旋转了135°。本实施例中,第一钽靶材坯料13每进行一次轧制步骤后,对其进行相同角度的旋转以确保压延后的第二钽靶材坯料各部分都收到充分而相近的压力轧制,从而获得结构均匀的第二钽靶材坯料。具体采用多大的旋转角度,以及轧制次数由实际情况而定。
经上述轧制处理工艺后,进一步细化了第一钽靶材坯料13内部的钽晶粒尺寸,并使得形成第二钽靶材坯料内部结构更均匀。
相比于热轧工艺,在轧制过程中必须保证所述第一钽靶材坯料13的热量大于再结晶温度(大于800℃),使得在轧制过程中,实现钽晶粒反复破碎以及再结晶过程,从而破坏钽靶材内部原有结构,避免轧制后的靶材内部出现分层现象。热轧工艺对于设备要求高,高温轧制过程中,对不操作工艺要求 苛刻。
本实施例提供的,热锻和冷轧工艺相结合的方式,在确保得到内部结构组织均匀的钽靶材坯料同时,大大降低了工艺设备要求,以及操作工艺的难度。
在轧制处理工艺后,对获得的第二钽靶材坯料进行二次退火工艺,从而进一步释放上述轧制处理工艺后,在所述第二钽靶材坯料内形成的应力,提高第二钽靶材内部结构。
本实施例中,所述二次退火工艺为真空退火处理工艺。具体步骤包括:在获得所述第二钽靶材坯料后,将第二钽靶材坯料放置于真空热处理炉中,并调节真空热处理炉温度至800~1000℃,在真空条件下加热第二钽靶材坯料1~3h。
在上述二次退火处理工艺中,第二钽靶材坯料内的钽晶粒之间,再一次发生键连和重排,且重塑的钽晶粒充分释放上述轧制处理过程中,在第二钽靶材坯料内部产生的应力,以优化钽锭内部结构。
值得注意的是,本实施例中,所述二次退火工艺温度低于上述一次处理退火温度,其原因是,在热退火工艺中,退火温度越高,加热时间越长,形成的钽晶粒颗粒越大,若钽靶材晶粒颗粒过大,直接影响钽靶材坯料的致密度和硬度。本实施例中,在一次退火处理工艺中,采用的温度为1000~1300℃,使得所述钽靶材坯料内的钽晶粒颗粒适当长大,从而提高钽靶材坯料的可塑性,以便于后续轧制过程中,对于钽靶材坯料的进一步晶粒颗粒细小化工艺,以及钽靶材坯料的轧制定型。而在二次退火处理工艺中,其目的在于充分释放轧制过程中,在所述钽靶材坯料内形成的应力,以优化得到的钽靶材坯料内部结构,同时得保证获得的钽靶材内部晶粒尺寸不能过大。本实施例中,若温度过高(大于1100℃),加热时间过长(大于3h),可能会造成钽靶材坯料内的钽晶粒过大而影响钽靶材的致密度和硬度。若温度过低(小于800℃),加热时间过短(小于1h),则无法充分释放所述第二钽靶材坯料内部的应力。
在采用本实施例提供的钽靶材的制造方法可获取钽靶材内部晶粒100μm左右,且内部结构均匀,未有明显特定的晶相结构的钽靶材。从而可有效提高钽靶材的磁控溅射的稳定性,以及钽靶材磁控溅射工艺后获得的钽薄膜的 质量。
虽然本发明披露如上,但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员,在不脱离本发明的精神和范围内,均可作各种更动与修改,因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

一种钽靶材的制造方法.pdf_第1页
第1页 / 共16页
一种钽靶材的制造方法.pdf_第2页
第2页 / 共16页
一种钽靶材的制造方法.pdf_第3页
第3页 / 共16页
点击查看更多>>
资源描述

《一种钽靶材的制造方法.pdf》由会员分享,可在线阅读,更多相关《一种钽靶材的制造方法.pdf(16页珍藏版)》请在专利查询网上搜索。

1、(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201310379942.0(22)申请日 2013.08.27C23C 14/34(2006.01)C23C 14/14(2006.01)C22F 1/18(2006.01)C21D 8/00(2006.01)(71)申请人宁波江丰电子材料股份有限公司地址 315400 浙江省宁波市余姚市名邦科技工业园区安山路198号(72)发明人姚力军 赵凯 相原俊夫大岩一彦 潘杰 王学泽 袁海军(74)专利代理机构北京集佳知识产权代理有限公司 11227代理人骆苏华(54) 发明名称一种钽靶材的制造方法(57) 摘要本发明提供了一种钽靶材的制造方法。

2、。包括,先对钽锭进行热锻处理,之后对所述热锻处理后的钽锭进行一次退火工艺,形成第一钽靶材坯料;对所述第一钽靶材坯料进行轧制处理,形成第二钽靶材坯料;对所述第二钽靶材坯料进行二次退火工艺,获得钽靶材。采用上述技术方案形成钽靶材内部晶粒细小,钽靶材内部结构均匀,有效避免钽靶材内部出现分层等缺陷,从而提高后续使用过程中,钽靶材的溅射速率,以及形成的钽薄膜质量。(51)Int.Cl.(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请权利要求书2页 说明书9页 附图4页(10)申请公布号 CN 104419901 A(43)申请公布日 2015.03.18CN 104419901 A1/2页21.。

3、一种钽靶材的制造方法,其特征在于,包括:提供钽锭;对所述钽锭进行热锻处理之后,对所述钽锭进行一次退火工艺,形成第一钽靶材坯料;对所述第一钽靶材坯料进行轧制处理,形成第二钽靶材坯料;对所述第二钽靶材坯料进行二次退火工艺,形成钽靶材。2.根据权利要求1所述的钽靶材的制造方法,其特征在于,所述热锻处理包括:将所述钽锭加热至8001100,之后对所述钽锭进行锻打处理;一次所述锻打处理包括至少沿多个方向对所述钽锭进行锻打,且一次所述锻打处理后的钽锭形变量大于等于80%。3.根据权利要求2所述的钽靶材的制造方法,其特征在于,一次热锻处理至少包括3次所述锻打处理。4.根据权利要求1所述的钽靶材的制造方法,其。

4、特征在于,所述一次退火处理为真空退火处理工艺,包括:调节真空热处理炉温度至10001300,在真空条件下加热所述钽锭24h。5.根据权利要求1所述的钽靶材的制造方法,其特征在于,反复进行所述热锻处理至少3次,每一次热锻处理后均进行一次所述一次退火工艺。6.根据权利要求1所述的钽靶材的制造方法,其特征在于,所述轧制处理为冷轧处理,包括:冷却所述第一钽靶材坯料;沿不同方向反复轧制所述第一钽靶材坯料至预定厚度,形成第二钽靶材坯料;且所述轧制处理后,所述第一钽靶材坯料的形变量大于90%。7.根据权利要求1所述的钽靶材的制造方法,其特征在于,所述轧制处理包括:对所述第一钽靶材坯料进行第一阶段轧制,使所述。

5、第一钽靶材坯料的形变量为40%60%;第一阶段轧制后,对所述第一钽靶材坯料进行第二阶段轧制,至所述第一钽靶材坯料的形变量为70%80%;第二阶段轧制后,对所述第一钽靶材坯料进行第三阶段轧制,至所述第一钽靶材坯料的形变量大于等于90%;第三阶段轧制后,对所述第一钽靶材坯料进行第四阶段轧制,至预定厚度。8.根据权利要求7述的钽靶材的制造方法,其特征在于,在第一阶段轧制、第二阶段轧制和第三阶段轧制的过程中,均包括多步轧制步骤;其中,在第一阶段轧制中,每一步轧制后的第一钽靶材坯料的形变量为该步轧制前的10%25%;在第二阶段轧制中,每一步轧制后的第一钽靶材坯料的形变量为该步轧制前的10%20%;在第三。

6、阶段轧制中,每一步轧制后的第一钽靶材坯料的形变量为该步轧制前的8%13%;在第四阶段轧制中,每一步轧制后的第一钽靶材坯料的形变量为该步轧制前的3%权 利 要 求 书CN 104419901 A2/2页37%。9.根据权利要求8述的钽靶材的制造方法,其特征在于,每一步轧制后,转动所述第一钽靶材坯料120140,之后,再对所述第一钽靶材坯料进行下一步轧制。10.根据权利要求1所述的钽靶材的制造方法,其特征在于,所述二次退火处理为真空退火处理工艺,包括:调节真空热处理炉温度至8001000,在真空条件下加热所述第二钽靶材坯料13h。权 利 要 求 书CN 104419901 A1/9页4一种钽靶材的。

7、制造方法技术领域0001 本发明涉及半导体溅射领域,特别涉及一种钽靶材的制造方法。背景技术0002 钽,是一种金属元素,其质地坚硬、富有延展性,且热膨胀系数很小,具有极高的抗腐蚀性和韧性。基于上述优点,钽被广泛地应用化工、微电子、电气等工业领域。0003 如在微电子领域,钽常被用以制备半导体器件的薄膜电极以及互连线。0004 具体地,钽通过磁控溅射方式应用于半导体器件制备。其原理是采用物理气相沉积技术(PVD),以高压加速气态离子轰击钽靶材,使钽靶材上的钽原子被溅射出,以薄膜的形式沉积到硅片上,形成半导体芯片上互连线结构或是电极。其中,钽靶材的质量直接影响磁控溅射形成的薄膜质量。0005 传统。

8、的钽靶材制备过程包括:先通过高真空电子束熔炼炉获得高纯钽锭,然后对钽锭反复进行塑性变形,从而获得特定尺寸的钽靶材。0006 然而,受限于钽本身的体心立方金属结构,钽晶粒的密排面为111型晶胞结构,在塑性变形过程中,钽晶粒的111型晶胞结构会使得钽晶粒间优先出现滑移,钽晶粒原始结构难以被重铸,形变率较低,从而使得最终形成的钽靶材内部的晶粒取向仍然以111形态为主。该种结构属于钽金属的“固有”组织带。因而在塑性的轧制过程后,获得的钽靶材沿厚度方向存在着严重的织构分层缺陷。而基于上述缺陷,在磁控溅射过程中,钽靶材的溅射速率偏低,且极不稳定,会随着钽靶材内部织构的变化而变化,从而严重降低了后续获得的钽。

9、薄膜的均匀度。0007 随着半导体器件的迅速发展,对于钽镀膜的要求越发严格。为了解决钽靶材内部分层缺陷,业界人员尝试将钽在再结晶温度以上条件下实现塑性变形,以此降低钽锭的内部变形抗力。但基于钽的再结晶温度达到800,上述工艺的对于热轧设备等加工设备要求高,且操作难度大,钽靶材的成品率低。0008 为此,如何降低钽锭塑性变形时内部的变形抗力,加大其内部材料的变形率,从而消除钽靶材内部分层现象的同时,降低工艺难度和工艺成本,提高钽靶材的成品率,是本领域技术人员亟需解决的问题。发明内容0009 为解决上述问题,本发明提供了一种钽靶材的制造方法,从而克服现有钽靶材制造过程中,钽锭内部的形变率低,获得的。

10、钽靶材内部分层现象严重等缺陷。0010 本发明提供的一种钽靶材的制造方法,包括:0011 提供钽锭;0012 对所述钽锭进行热锻处理,之后对所述钽锭进行一次退火工艺,形成第一钽靶材坯料;0013 对所述第一钽靶材坯料进行轧制处理,形成第二钽靶材坯料;说 明 书CN 104419901 A2/9页50014 对所述第二钽靶材坯料进行二次退火工艺,获得钽靶材。0015 可选地,所述热锻处理包括:0016 将所述钽锭加热至8001100,之后对所述钽锭进行锻打处理;0017 一次所述锻打处理包括至少沿两个方向对所述钽锭进行锻打,且一次所述锻打处理后的钽锭形变量大于等于80%。0018 可选地,一次热。

11、锻处理至少包括3次所述锻打处理。0019 可选地,所述一次退火处理包括:0020 调节真空热处理炉温度至10001300,在真空条件下加热所述钽锭24h。0021 可选地,反复进行所述热锻处理至少3次,每一次热锻处理后均进行一次所述一次退火工艺。0022 可选地,所述轧制处理为冷轧处理,包括:0023 冷却所述第一钽靶材坯料;0024 沿不同方向反复轧制所述第一钽靶材坯料至预定厚度,形成第二钽靶材坯料,所述第一钽靶材坯料的形变量大于90%。0025 可选地,所述轧制处理包括:0026 对所述第一钽靶材坯料进行第一阶段轧制,使所述第一钽靶材坯料的形变量为40%60%;0027 第一阶段轧制后,对。

12、所述第一钽靶材坯料进行第二阶段轧制,至所述第一钽靶材坯料的形变量为70%80%;0028 第二阶段轧制后,对所述第一钽靶材坯料进行第三阶段轧制,至所述第一钽靶材坯料的形变量大于等于90%;0029 第三阶段轧制后,对所述第一钽靶材坯料进行第四阶段轧制,至预定厚度。0030 可选地,在第一阶段轧制、第二阶段轧制和第三阶段轧制的过程中,均包括多步轧制步骤;0031 其中,在第一阶段轧制中,每一步轧制后的第一钽靶材坯料的形变量为该步轧制前的10%25%;0032 在第二阶段轧制中,每一步轧制后的第一钽靶材坯料的形变量为该步轧制前的10%20%;0033 在第三阶段轧制中,每一步轧制后的第一钽靶材坯料。

13、的形变量为该步轧制前的8%13%;0034 在第四阶段轧制中,每一步轧制后的第一钽靶材坯料的形变量为该步轧制前的3%7%。0035 可选地,每一次轧制后,转动所述第一钽靶材坯料120140,之后,对所述第一钽靶材坯料进行下一次轧制。0036 可选地,所述二次退火处理包括:0037 调节真空热处理炉温度至8001000,在真空条件下加热钽锭13h。0038 与现有技术相比,本发明的技术方案具有以下优点:0039 在对钽锭进行热锻处理过程中,在高温条件下对钽锭进行锻打处理,可有效增加钽锭内部的形变率,破坏钽锭中钽晶粒原始晶相结构,同时实现钽晶粒细小化;并在热锻处说 明 书CN 104419901 。

14、A3/9页6理之后的一次退火工艺中,实现钽再结晶,使钽晶粒间的键连和重排,从而实现钽锭内部结构均匀化,避免钽锭内部出现结构分层等缺陷;同时在一次退火工艺中,还可充分释放基于热锻处理在钽锭内部产生的应力,优化钽锭内部结构;0040 在之后的轧制处理过程中,实现第一钽靶材坯料轧制定型的同时,进一步细化第一钽靶材坯料中的钽晶粒,提高第一钽靶材坯料内部的均匀度,并且在二次退火工艺中,释放轧制过程中,在第一钽靶材坯料内部形成的应力,优化第一钽靶材坯料内部结构;0041 采用上述技术方案形成钽靶材内部晶粒细小,钽靶材内部结构均匀,有效避免钽靶材内部出现分层等缺陷,从而提高后续使用过程中,钽靶材的溅射速率,。

15、以及形成的钽薄膜质量;而且上述技术方案易于控制,可有效降低钽靶材的制备成本。0042 进一步地,将轧制处理为冷轧处理,在实现第一钽靶材坯料内部晶粒充分细化,以提高第一钽靶材坯料内部结构的同时,有效降低了工艺成本,以及工艺控制难度;此外,所述轧制处理工艺包括多个阶段,且各个阶段包括多步形变量不同的轧制步骤以实现第一钽靶材坯料逐步压制、形变,上述技术方案可有效缓解轧制过程中,在第一钽靶材坯料内部形成的应力,以避免第一钽靶材坯料出现开裂等缺陷。附图说明0043 图1为本发明钽靶材的制造方法的流程图;0044 图2是本发明钽靶材的制造方法中热锻处理工艺的示意图;0045 图3至图6是本发明钽靶材的制造。

16、方法中轧制的结构示意图。具体实施方式0046 正如背景技术所述的,基于钽金属本身的金属结构,传统的制造工艺形成的钽靶材内部会出现明显的分层现象,从而影响磁控溅射过程中的靶材溅射速率及稳定性,并由此降低钽薄膜的成膜质量。0047 若在钽再结晶温度以上条件下实现钽靶材塑性变形可缓解钽靶材内部分层现象,但上述工艺对于热轧设备等加工设备要求高,且工艺条件苛刻,操作难度大,钽靶材的成品率低,而且上述工艺还极大地增大了钽靶材生产成本。0048 为此,本发明提供了一种钽靶材的制造方法,采用本发明在制造钽靶材过程中,可有效破钽晶粒的原始晶胞结构,降低钽锭的形变抗力,避免获得的钽靶材出现分层现象,使得钽靶材内部。

17、结构更为均匀,优化钽靶材的内部结构,从而提高钽靶材在磁控溅射过程中的溅射速率,以及磁控溅射形成的钽薄膜的质量。0049 下面结合附图,通过具体实施例,对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。0050 参考图1所示,先执行步骤S1,提供钽锭。0051 所述钽锭可通过高真空电子束熔炼炉获得,其纯度达到4N(99.99%)以上。其为现有技术,在此不再赘述。0052 接着执行步骤S2,对所述钽锭进行热锻处理,之后对所述钽锭进行一次退火工艺,形成第一钽靶材坯料。0053 本实施例中,具体包括:先将所述钽锭放入马弗炉预热,直至所述钽锭的温度大于钽锭再结晶温度,之后对所述钽锭进行锻打处理。说 明 书CN 1。

18、04419901 A4/9页70054 本实施例中,可选地加热所述钽锭温度于8001100摄氏度()。将所述钽锭加热至8001100后,钽锭中钽晶粒再结晶生长,增大晶粒尺寸,提高钽锭的可塑性。0055 参考图2所示,所述锻打步骤包括:0056 将预热后的钽锭10放置在锻机上,向所述钽锭10施加压力使钽锭10发生形变。0057 在所述锻打期间,基于上述预加热工艺,钽锭10中钽晶粒再结晶生长,增大晶粒尺寸,提高了钽锭10的可塑性。在向所述钽锭10施加压力后,使所述钽锭10内部发生形变,迫使钽晶粒原始结构被破坏;此外锻打过程中,钽锭10内部钽晶粒被细小化,从而利于后续钽锭内部结构再塑。0058 本实。

19、施例中,在锻打过程中,不断改变钽锭10的受压方向,实现多方向锻打,提高钽锭10的受力均匀性,实现钽锭10内部结构的均匀化。如,可先沿钽锭10的厚度方向,锻打钽锭10得到钽锭11,之后再翻转钽锭11,向钽锭11的另一方向施压锻打得到钽锭12。如此反复由多个方向锻打钽锭,可有效破坏钽锭内钽晶粒原先结构,同时提高钽锭内部结构的均匀性。0059 本实施例中,在一次钽锭的预热工艺后,至少反复锻打钽锭3次,且每一次钽锭锻打后的形变量要大于等于80%,从而更好地改变钽锭内部原先结构,且使所述钽锭内部结构更均匀,避免之后得到的钽锭出现分层现象。0060 在所述热锻处理后,对所述钽锭12进行一次退火工艺。所述一。

20、次退火工艺包括,将所述钽锭12加热至再结晶温度之上,使得钽锭12内部出现再结晶,重塑钽锭12内部结构。0061 本实施例中,所述一次退火工艺可选为真空退火工艺,其具体过程包括:0062 将经热锻处理后得到的钽锭12放置于真空热处理炉中,调节所述真空热处理炉的温度至10001300,并在上述温度下保温加热所述钽锭24小时(h)。0063 在所述一次退火工艺过程中,经热锻处理后,钽晶粒间出现键连和重排,粉碎后的钽晶粒实现再结晶,原先晶粒结构消失,钽锭内部的晶粒结构被重塑,从而使钽锭内部结构更均匀,避免钽锭内部出现分层现象等缺陷。0064 在所述一次退火工艺中,若温度过低(如),退火温度越高,时间越。

21、长,再结晶形成的钽晶粒越大,钽晶粒的可塑性越强,但获得的钽锭致密度,以及硬度受影响。本实施例中,若一次退火的温度过低(小于1000),加热时间过短(小于2h)则钽再结晶不够彻底,无法获得结构均匀的钽锭;若温度过高(大于1300),加热时间过长(大于4h),则钽晶粒生长过大,降低获得的第一钽靶材坯料硬度和致密度,不利于后续轧制处理,以及最终形成的钽靶材的硬度、致密度等质量参数。0065 此外,在上述热锻处理过程中,基于锻打所施加的外力,在钽锭内形成内部应力,这些应力可能致使钽锭出现开裂等缺陷,在上述一次退火过程中,可充分释放这些应力,从而优化钽锭内部结构。0066 而真空条件下的进行的退火工艺,。

22、可有效避免在加热过程中,基于空气中的氧气等成分与钽反应,而造成钽锭被氧化等缺陷。避免造成最终形成的钽靶材质量缺陷,以及对于原料损失和后续制造过程中额外工序投入,以增加制备成本。0067 本实施例提供的钽靶材的制造方法中,至少重复三次上述的热锻处理工艺,且在每一热锻工艺后,均进行一次所述一次退火工艺,以形成第一钽靶材坯料13,从而确保经所说 明 书CN 104419901 A5/9页8述热锻处理工艺以及一次退火工艺后,形成的第一钽靶材坯料13内部结构的质量。0068 继续参考图1所示,在步骤S2后,执行步骤S3,对所述第一钽靶材坯料13进行轧制处理,形成第二钽靶材坯料。0069 本实施例的所述轧。

23、制处理工艺为冷轧处理,在经上述热锻以及一次退火工艺获得所述第一钽靶材坯料13后,冷却所述第一钽靶材坯料,之后,轧制所述第一钽靶材坯料13至预定厚度,形成第二钽靶材坯料。其中,所述第一钽靶材坯料13的形变量大于90%。0070 图3至图6为本实施例中,第一钽靶材坯料的轧制处理工艺示意图。0071 参考图3和图4所示,图3为轧制工艺的立体图,图4为图3中轧制工艺的平面图。0072 本实施例中,所述冷轧处理的方式为双辊筒轧制工艺。具体地,将第一钽靶材坯料13在压延机(calender)的两个辊筒20a和20b之间进行挤压,以获得特定平面尺寸以及厚度的第二钽靶材坯料。0073 本实施例中,所述冷轧处理。

24、分为多个阶段,逐步轧制完成,从而降低在轧制过程中,在所述第一钽靶材坯料13内形成应力,避免靶材坯料出现开裂等缺陷。0074 具体地,本实施例中,对所述第一钽靶材坯料13的冷轧处理分为四个阶段完成。其中,每一个阶段中,又分为多步轧制步骤。0075 第一阶段轧制:使所述第一钽靶材坯料的形变量为40%60%。可选地,每一步所述轧制步骤后的第一钽靶材坯料13的形变量为该步轧制前的10%25%。0076 参考图5所示。以某一步轧制步骤前,所述第一钽靶材坯料13的厚度为h1,该轧制步骤后的第一钽靶材坯料13的厚度为h2,在该轧制步骤中,所述第一钽靶材坯料13的形变量H=|h1-h2|/h1=10%25%。。

25、0077 第二阶段轧制:第一阶段轧制后,对所述第一钽靶材坯料13进行第二阶段轧制,使得所述第一钽靶材坯料的形变量为70%80%。0078 可选地,每一步轧制后的第一钽靶材坯料13的形变量为该步轧制前的10%20%,即,H=|h1-h2|/h1=10%20%。0079 第三阶段轧制:第二阶段轧制后,对所述第一钽靶材坯料13进行第三阶段轧制,至所述第一钽靶材坯料13的形变量大于等于90%。0080 可选地,每一步轧制后的第一钽靶材坯料13的形变量为该步轧制前的8%13%,即,H=|h1-h2|/h1=8%13%。0081 第四阶段轧制:第三阶段轧制后,对所述第一钽靶材坯料13进行第四阶段轧制,至预。

26、定厚度。0082 可选地,每一步轧制后的第一钽靶材坯料的形变量为该步轧制前的3%7%,即,H=|h1-h2|/h1=3%7%。0083 以在所述热锻处理工艺后,获得的第一靶材坯料130尺寸为:直径d为130mm,高度为160mm;轧制处理工艺后,预期得到尺寸为:直径d为520mm,高度为10mm的钽靶材为实例。0084 第一阶段轧制过程中,每一步轧制步骤的轧制量为2030mm,在多步轧制后,使所述第一钽靶材坯料13的厚度压制至原始厚度的1/2左右。0085 在所述第二阶段轧制过程中,对于上述实例的第一钽靶材坯料每一步轧制步骤的轧制量为810mm,在多步轧制后,使所述第一钽靶材坯料13的厚度压制。

27、至原始厚度的说 明 书CN 104419901 A6/9页91/4左右。0086 在所述第三阶段轧制过程中,对于上述实例的第一钽靶材坯料每一步轧制步骤的轧制量为35mm,在多步轧制后,使所述第一钽靶材坯料13的厚度压制至原始厚度的1/10左右。0087 在所述第四阶段轧制过程中,对于上述实例的第一钽靶材坯料每一步轧制步骤的轧制量为0.51mm,在多步轧制后,使所述第一钽靶材坯料13的厚度为10mm。0088 本实施例中,每一步冷轧处理工艺的每次变形率都比较小,避免了第一钽靶材坯料13在冷轧这种强烈的塑性变形的过程中出现裂纹等缺陷。且在实际操作工艺中,在每一步压制步骤后,检查形成的钽靶材坯料的边。

28、缘是否有褶皱和裂痕现象,以决定是否进入下一工艺。如,若出现褶皱和裂痕,则说明钽靶材内部结构均匀度较差,则将钽靶材坯料重新进行热锻工艺。0089 下表1为轧制处理前,直径d为130mm,高度为160mm,轧制处理工艺后,预期得到尺寸为:直径d为520mm,高度为10mm的第一钽靶材坯料的一组具体的轧制处理数据:0090 表10091 说 明 书CN 104419901 A7/9页100092 0093 可选地,在上述四个轧制阶段过程中,对所述第一钽靶材坯料13每进行一次轧制步骤后,都会对第一钽靶材坯料13旋转特定的预设角度,之后再进行下一次的轧制步骤,从而使得压延后的第一钽靶材坯料13的各个部分结构比较均匀和一致。说 明 书CN 104419901 A10。

展开阅读全文
相关资源
猜你喜欢
相关搜索

当前位置:首页 > 化学;冶金 > 对金属材料的镀覆;用金属材料对材料的镀覆;表面化学处理;金属材料的扩散处理;真空蒸发法、溅射法、离子注入法或化学气相沉积法的一般镀覆;金属材料腐蚀或积垢的一般抑制〔2〕


copyright@ 2017-2020 zhuanlichaxun.net网站版权所有
经营许可证编号:粤ICP备2021068784号-1