CN100507071C - 一种用于制作磁性直流磁控溅射钴靶材的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于制作磁性直流磁控溅射钴靶材的方法，用于直流磁控溅射的钴靶材的制作过程得到高磁透率的钴靶材，其特定是包括以下步骤：一准备高纯度的钴原料；二将钴原料融化浇铸成钴铸锭；三铸锭检验；四将钴铸锭切割成小的片状毛坯；五将毛坯钴锭进行热压、冷轧和热处理的循环过程，在上述循环过程中，在垂直于毛坯钴锭的方向加上一个强磁场，制成钴靶材元件；六在步骤五的钴靶材元件的靶面上加工成型，形成钴靶材部件；七将步骤六形成的钴靶材部件结合到背板上，制成最终的钴靶材。本发明由于在传统工艺中施加强磁场，不仅得到<0001>方向的磁诱生织构，提高磁透率；并且工艺控制难度降低重复性好，使传统工艺设备得到利用，因此极为实用。

Description

一种用于制作磁性直流磁控溅射钴靶材的方法

技术领域

本发明涉及一种电子工业用金属材料加工制作工艺，尤其涉及一种用于制作磁性直流磁控溅射钴靶材的方法。

背景技术

在半导体集成电路工艺中，要有效地实现晶体管与各个元件之间、与外加电源之间信号通讯，是关键工艺之一。

请参见图1所示，这是集成电路单个晶体管的结构示意图。图1中，标号1是硅衬底，标号2是晶体管源漏，标号3是晶体管栅介质，标号4是晶体管多晶栅，标号5是晶体管边墙，标号6是晶体管与金属接触的硅化物，标号7是晶体管源漏、栅与上层金属布线连接的金属插销结构，标号8是晶体管与上层金属布线隔离的绝缘介质，标号9是金属布线。

随着半导体集成电路特征尺寸的不断变小，由图一标号6处的接触电阻引起的信号延迟影响越来越大，因此在亚微米阶段开始引入金属硅化物(如图1所示的位置6)，作为金硅接触的材料，从而降低接触电阻。

现在0.25微米及以下的工艺中得到广泛应用是钴硅化物，它可以在较低的温度下进行，而且不会有线宽效应和短路问题。

请参见图2所示，这是制造集成电路单个晶体管中钴自对准硅化物工艺的流程示意图，以一个场效应晶体管为例。其中，图2a是待处理的晶体管示意图；然后用直流磁控溅射的方法在图2a整个表面上沉积一层钴和其他材料的多层膜(参见图2b)；由于钴会和硅反应生成我们需要的材料一钴硅化物，但是同时与二氧化硅不反应，利用这个特性，在接下来的快速热退火，钴与衬底材料单晶和多晶硅反应形成高阻相的一硅化钴(参见图2C)；然后利用合适的选择性化学腐蚀液去除未反应的金属，同时也留下已生成的一硅化钴，并进行了第二次退火，使一钴化硅转变为低阻相的二硅化钴(参见图2d)。

请参见图3所示，这是工业生产中制造集成电路单个晶体管中直流磁控溅射工艺的示意图。先在反应腔室内通入气体，一般为惰性气体氩气；钴靶11(参见图3a)作为阴极接直流电源的负极，当所加的电压达到一定值时，气体电离产生正离子轰击阴极，使之产生钴原子，在硅片12(参见图3a)上淀积且形成钴膜；在靶材之上加一套永久磁铁13(参见图3a)，依靠散布在外的磁场使气体电离产生的电子在洛仑兹力的作用下在磁场内做摆线运动，从而提高了离化效率，使溅射可以维持在较高的真空(一般几个毫米水银柱)下以较快的速率进行。

但是，若用具有高磁导率的磁性材料作为靶材，用于磁控溅射，磁场将多集中在靶材中，而散布在靶材之外的磁场较少，原来用散磁场来达到提高离化效率的目的就有困难了。因此，必须提高垂直靶面的透磁率，从而维持在同样高真空下的高速溅射淀积。

这个问题对于钴作为靶材也同样成立。请参见图4所示，在常温下钴是一种天然的铁磁性材料，稳态晶体结构为密排六方结构，具有强烈的磁各项异性，<0001>方向(参见图4)为易磁化方向，即沿此方向具有最高的导磁率；在高温时，晶体呈现面心立方结构，这时是非铁磁材料，磁导率近似为零。在正常情况下得到的块状钴无明显的择优取向，晶粒与晶粒之间位向随机排列，而晶粒内部沿易向(即<0001>方向)的导磁率最高。另一方面，钴的磁畴结构与其他两种天然磁性材料立方晶系的铁、镍不同，常温下具有密排六方结构的钴的磁各向异性能很大，与此相对应的是其磁畴结构的差别：钴的磁畴之间夹角多呈现180度，同时多出现开放畴结构。

因此，从原理上讲，要提高垂直靶面的透磁率，要么降低磁导率，要么增加磁各向异性能和应力场，要么两者都用。

如果从降低磁导率着手。材料的磁导率与磁畴结构密切相关。磁导率是表征材料在外磁场作用下材料的磁感应强度变化到饱和磁感应强度的参数，磁导率越高，在同样的外磁场下材料越容易达到磁饱和。磁畴是指材料内磁场取向相同的区域，磁畴越多，畴间内磁场方向取向越不同，材料越不容易达到磁饱和。在外磁场下，材料的不同磁场在统一的外磁场下达到一致以降低总能量，而这要通过磁畴与磁畴之间的畴壁的翻转来实现。一般而言，晶粒与磁畴紧密相关，晶粒越大，磁畴也越大。因此，降低磁导率，要减小晶粒，以钉扎住磁畴壁以增加磁畴翻转难度。

现有的制作钴靶材的流程主要是着眼于用机械的方法得到小晶粒晶体组织以降低磁导率，请参见图5所示，通常是通过机械加工加上热处理的方法来达到目的，制作流程一般有以下步骤：

(a)首先获得高纯度钴原料；

(b)将高纯度的钴原料融化浇铸成铸锭；

(c)铸锭检验、切割成小的片状毛坯；

(d)接着用纯机械方法热压、冷轧和热处理等循环过程加工毛坯制成钴靶材；

(e)靶面加工成型达到质量要求；

(f)将以上的钴靶材结合到背板上，制成最终钴靶材。

从上述现有技术的工艺流程看，这种传统的钴靶材制造方法是通过纯机械加工和热处理的方法得到小晶粒晶体组织，降低了总的磁导率。具体而言，小的晶粒使晶界增加，晶界在磁畴翻转时起到钉扎畴壁的作用，另外小的晶粒也会使磁畴数量增加，从而在当磁畴翻转时需要更多的晶粒一起运动，达到了降低磁导率的目的。

但是，这样的加工方法在实际生产上的极限能力和应用上的稳定性方面还会有一些问题：

首先，生产中的极限能力问题。机械加工外应力(压缩力和拉伸力)施加于钴锭上时，当力超过一定的强度，具体而言就是要达到屈服强度，这是钴只能以大量的位错、层错等缺陷的生成和移动来释放应力，当外应力达到一定的极限时，位错、层错等达到一定密度就没有办法再生成和移动时，它们就互相缠结形成晶界，这样一个晶粒就变成了多个。显然，大晶粒成为小晶粒可以看作一种内应力释放的机制，外应力与晶粒的大小有相当的正相关性，晶粒越小，再进一步变成更小的晶粒所需的外应力就越大。另一方面，晶粒的大小除了与机械加工过程有关，还与材料的纯度有关。纯度越低，杂质越多，就容易钉扎位错、层错等缺陷，在机械加工时容易得到小的晶粒。但是实际半导体生产要求的原材料纯度极高，一般大于99.99％。显然，在这样高的纯度下，精确地稳定地控制晶粒结构，显然会有一些困难。因此，从这两方面综合来讲，显然晶粒不可能无限制地小，那么透磁率的进一步降低显然也不太可能。

其次，实际应用中的稳定性问题。现有的传统加工方法得到的靶材实际上不是一个理想的纯密排六方(HCP)结构的钴所组成，而HCP结构是钴在常温和正常工作时的平衡态。换而言之，其他结构的钴在常温下即使存在也有转变成HCP的趋势，只要某些诱发因素出现。此外，钴的高温相FCC转变成HCP钴是一种马氏体相变，特点之一就是转变可逆，转变前后的取向关系一定，而且存在稳定化现象，即逐渐从亚稳态向稳态变化。当机械加工之后的钴产生了一定的位向，同时在之后的热处理中稳定化，位向会发生改变。重复多次就形成了稳定的位向，制成最终靶材。但是，在随后的钴靶材的工作中，由于磁场、大电流等工作条件的诱发，会陆续有一些HCP结构出现，这时的位向等就不再与原有的设计一致，打乱了设计漏磁场分布，从而使磁控溅射的均匀性出现问题，而且还阻止了磁控溅射的继续进行。因此，实际生产中一般钴靶材只用到其厚度的二分之一到三分之二就由于均匀性和灭弧问题而更换新靶材，浪费严重而且影响产品合格率。

显然，传统的方法确实可以制作我们需要的靶材，而且生产上已经大规模采用了。但正如前所述，如果要进一步改进以克服以上两个问题，必须进一步优化工艺，保证工艺控制地稳定性，提高透磁率。这时我们必须引入新的方法。

在前面的分析中曾提到，提高磁透率还可以从增加磁各向异性能和应力场的角度着手。因此我们就可以利用钴的特殊磁畴结构。钴是HCP结构，<0001>为易轴，单轴磁各向异性，从磁损耗的角度来看，磁场通过易轴方向的损失最小，而如果磁场沿别的方向则使系统总能量上升，不符合热力学的要求，因此自然情况下磁场是沿着易向通过。钴的磁畴夹角多为180度，所以是开放畴结构，这可以这样来看：相当于两个小磁铁平行排列，每个磁铁内部的磁场方向沿易轴方向，彼此互相平行。磁力线沿畴内易轴方向通过，然后越出磁畴再到另外一个畴内(参见图4a)。与此相对应，铁镍等三轴各向异性材料的磁畴夹角就较多，90、60、180度等，磁畴为封闭畴，磁力线沿畴内易轴方向通过后直接到另外一个畴内不会到外面(参见图4b)。因此，如果畴结构在表面，开放畴结构容易得到较多的漏磁场，而封闭畴结构则几乎没有散磁场漏在外面。

因此，如果可以得到得到<0001>方向的磁择优取向(又称磁织构)而且使其垂直于靶材面，这时得到的磁畴结构可以看成是一个个垂直于靶材面的平行结构，当外磁场加在靶材上时，磁场几乎无损耗的透过磁畴，进入周围空气，然后再返回靶材内，这样散落在外面的漏磁场(参见图6a)就会比没有这样的磁织构的情况(参见图6b)多得多，换而言之，靶材的透磁率就大大增加，而这正是我们所希望的(参见图6)。

那么如何得到<0001>方向的磁择优取向呢？磁场下的热处理是一种十分有效的方法，在磁性材料开发和磁性材料数据存储产业中得到广泛应用。具体而言，就是将被处理材料在强磁场下在一定的温度范围内热处理，最后得到的材料在沿磁场方向会生成磁择优取向。与传统热处理的差别是在于这是强磁场诱生的，而且可逆，因此如果不希望有这样的择优取向出现，只需在无磁场的情况下重新热处理；或者如果希望磁诱生择优取向方向改变，只需在改变强磁场方向下重新热处理。所以，磁场热处理由于其灵活性好，控制性强，可以进一步提高透磁率。这些是传统的机械加工加热处理方法所不具备的。现在，磁场热处理在某些领域已经取得了很大的应用。比如，在变压器等处应用的矽钢片在强磁场下产生戈斯织构(110)[001]和立方织构(100)[001]；又如，应用于垂直记录的钴基薄膜等场合为得到(0001)方向的磁诱生织构也普遍采用磁场退火。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于制作磁性直流磁控溅射钴靶材的方法，它通过对传统工艺的改进得到垂直于靶材面方向的<0001>向的磁择优取向，以提高钴靶材的透磁率，从而得到具有更高磁透率的用于直流磁控溅射的钴靶材。

本发明的目的是这样实现的：

一种用于制作磁性直流磁控溅射钴靶材的方法，用于直流磁控溅射的钴靶材的制作过程中得到高磁透率的钴靶材，其特点是包括以下步骤：

步骤一，准备高纯度的钴原料；

步骤二，将高纯度的钴原料融化浇铸成钴铸锭；

步骤三，铸锭检验；

步骤四，将经过检验的钴铸锭切割成小的片状毛坯；

步骤五，将片状的毛坯钴锭进行热压、冷轧和热处理的循环过程，在上述热压、冷轧和热处理的循环过程中，在垂直于毛坯钴锭的方向加上一个强磁场，制成钴靶材元件；

步骤六，在步骤五的钴靶材元件的靶面上加工成型，形成钴靶材部件；

步骤七，将步骤六形成的钴靶材部件结合到背板上，制成最终的钴靶材。

在上述的一种用于制作磁性直流磁控溅射钴靶材的方法中，其中，在所述的步骤五制作钴靶材元件中，在毛坯钴锭的垂直方向所加的强磁场其磁场强度大于100安培/每米(100A/m)。

在上述的一种用于制作磁性直流磁控溅射钴靶材的方法中，其中，在所述的步骤五制作钴靶材元件中，所述的垂直于毛坯钴锭的方向加上一个强磁场包括，

5-1，在热压时，是在平行热压方向施加强磁场；

5-2，在热处理时，是在垂直靶面方向施加强磁场。

在上述的一种用于制作磁性直流磁控溅射钴靶材的方法中，其中，在所述的步骤七制成最终钴靶材中，在钴靶材部件的靶材的显微结构是密排六方(HCP)的<0001>方向的诱生磁择优取向。

本发明，一种用于制作磁性直流磁控溅射钴靶材的方法，由于采用了上述的技术方案，使之与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：

1.能更好控制工艺。本发明由于在热压、冷轧和热处理过程中施加强磁场，即，在热压时，在平行热压方向施加强磁场，在热处理时，在垂直靶面方向施加强磁场，可逆地诱生<0001>方向的磁择优取向的产生。如前所述，<0001>方向的磁择优取向是强磁场诱生的，而且可逆，因此只需要在有磁场或无磁场的情况下重新热处理就可以自如地控制<0001>方向的磁择优取向的产生和方向。而且，经过热处理后的钴靶材绝大部分的HCP钴已经事先按照我们设想的方向排列(即垂直于靶材面)，由于纯度和不稳定相等引起的以后工作时产生的HCP结构的钴对于透磁率的影响也更小，换而言之，更稳定。所以，磁场热处理灵活性好，更容易控制工艺，而且重复性好。

2.能得到更高的磁透率。本发明由于在热压、冷轧和热处理过程中施加强磁场，即，在热压时，在平行热压方向施加强磁场，在热处理时，在垂直靶面方向施加强磁场，可逆地诱生<0001>方向的磁择优取向的产生，如前所述，钴具有特殊磁畴结构--磁畴夹角多为180度的开放畴结构。通过本发明所述的磁场处理方法可逆地诱生<0001>方向的磁择优取向并使其垂直于靶材面方向排列，在以后的溅射过程中使散磁场的磁力线沿畴内<0001>方向几乎无损耗地通过，然后越出磁畴再到另外一个畴内(参见图4a)，从而得到相对于现有的传统方法得到的没有这样的磁织构的情况(参见图6b)多得多的漏磁场用于磁控溅射(参见图6a)，换而言之，通过本发明所述的方案，有效地突破了传统方法晶粒减小已经接近达到极限的限制因素，大大增加了靶材的透磁率，而这正是我们所希望的。

3.与传统工艺兼容。本发明由于在纯机械加工的传统钴靶材制造工艺上进行改进，提出一种新的制造流程，即在热压、冷轧和热处理过程中施加强磁场的方法，可逆地诱生<0001>方向的磁择优取向的产生，有效地提高了磁透率。与传统工艺相比较，只需在几道关键工艺设备上增加磁场，可以外置或安装在原有设备以内，而不需要对原有设备进行重新设计或彻底改造，使传统的工艺设备得到利用，换而言之，只需很少的投资就可以达到前面两点所述的优点，因此较为实用。

附图说明

通过以下对本发明一种用于制作磁性直流磁控溅射钴靶材的方法的一实施例结合其附图的描述，可以进一步理解本发明的目的、具体结构特征和优点。其中，附图为：

图1是集成电路单个晶体管的结构示意图；

图2是制造集成电路单个晶体管中钴自对准硅化物工艺的流程示意图；

图3是制造集成电路单个晶体管中直流磁控溅射工艺的示意图；

图4是磁性材料磁畴结构示意图；

图5是现有技术钴靶材制作工艺流程示意图；

图6是外磁场通过不同磁结构的钴靶材产生的散磁场示意图

图7是本发明一种用于制作磁性直流磁控溅射钴靶材的方法的钴靶材制作工艺流程示意图。

具体实施方式

请参见图7所示，本发明，一种用于制作磁性直流磁控溅射钴靶材的方法，用于直流磁控溅射的钴靶材的制作过程中加上外加强磁场，以得到高磁透率的钴靶材。本发明的方法包括以下步骤：

步骤一，准备高纯度的钴原料；

步骤二，将高纯度的钴原料融化浇铸成钴铸锭；

步骤三，铸锭检验；

步骤四，将经过检验的钴铸锭切割成小的片状毛坯；

步骤五，将片状的毛坯钴锭进行热压、冷轧和热处理的循环过程，在上述热压、冷轧和热处理的循环过程中，在垂直于毛坯钴锭的方向加上一个强磁场，制成钴靶材元件；在本实施例中，在毛坯钴锭的垂直方向所加的强磁场其磁场强度大于100安培/每米(100A/m)；所述的垂直于毛坯钴锭的方向是指，在热压时，是在平行热压方向施加强磁场，在热处理时，是在垂直靶面方向施加强磁场；

步骤六，在步骤五的钴靶材元件的靶面上加工成型，形成钴靶材部件以达到质量要求；

步骤七，将步骤六形成的钴靶材部件结合到背板上，制成最终的钴靶材，在本实施例中，在钴靶材部件的靶材的显微结构是密排六方(HCP)的<0001>方向的诱生磁择优取向。

综上所述，本发明一种用于制作磁性直流磁控溅射钴靶材的方法，由于在热压、冷轧和热处理过程中施加强磁场，可逆地诱生<0001>方向的磁择优取向的产生，减少了纯度和不稳定相的影响，因而更加容易控制工艺，重复性好；而且有效地突破了晶粒减小已经接近达到极限的限制因素，提高了极限磁透率。由于本发明是在纯机械加工的传统钴靶材制造工艺上进行改进，使得传统的工艺设备得到利用；由此可见，本发明通过改进传统钴靶材制备工艺，得到具有更高磁透率的用于直流磁控溅射的钴靶材，因此极为实用。

Claims (4)

1.一种用于制作磁性直流磁控溅射钴靶材的方法，用于直流磁控溅射的钴靶材的制作过程中得到高磁透率的钴靶材，其特征在于包括以下步骤：

步骤一，准备高纯度的钴原料；

步骤二，将高纯度的钴原料融化浇铸成钴铸锭；

步骤三，铸锭检验；

步骤四，将经过检验的钴铸锭切割成小的片状毛坯；

步骤五，将片状的毛坯钴锭进行热压、冷轧和热处理的循环过程，在上述热压、冷轧和热处理的循环过程中，在垂直于毛坯钴锭的方向加上一个强磁场，制成钴靶材元件；

步骤六，在步骤五的钴靶材元件的靶面上加工成型，形成钴靶材部件；

步骤七，将步骤六形成的钴靶材部件结合到背板上，制成最终的钴靶材。

2.如权利要求1所述的一种用于制作磁性直流磁控溅射靶材的方法，其特征在于：在所述的步骤五制作钴靶材元件中，在毛坯钴锭的垂直方向所加的强磁场其磁场强度大于100安培/米。

3.如权利要求1或2所述的一种用于制作磁性直流磁控溅射靶材的方法，其特征在于：在所述的步骤五制作钴靶材元件中，所述的垂直于毛坯钴锭的方向加上一个强磁场包括，

在热压时，是在平行热压方向施加强磁场；

在热处理时，是在垂直靶面方向施加强磁场。

4.如权利要求1所述的一种用于制作磁性直流磁控溅射靶材的方法，其特征在于：在所述的步骤七制成最终钴靶材中，在钴靶材部件的靶材的显微结构是密排六方的<0001>方向的诱生磁择优取向。

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