CN101155945A

CN101155945A - 含有金属材料的构件，物理气相沉积靶，薄膜，和形成金属构件的方法

Info

Publication number: CN101155945A
Application number: CNA2005800490029A
Authority: CN
Inventors: D·L·莫拉尔斯; S·D·斯特罗瑟斯
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2005-03-11
Filing date: 2005-11-29
Publication date: 2008-04-02
Also published as: WO2006098781A2; EP1866456A2; KR20070108908A; WO2006098781A3; US20060201589A1; TW200641166A; JP2008533299A

Abstract

本发明包括含有金属材料的构件。该金属材料包含大量晶粒，基本上所有的晶粒都是基本上等轴的，且晶粒具有小于或等于大约30微米的平均晶粒尺寸。该构件通过使用等轴向真空热压特点在于325目大小的起始金属粉末而形成。示例性构件是溅射靶，该溅射靶在横跨溅射表面及其整个厚度上具有高度的均匀性。

Description

含有金属材料的构件，物理气相沉积靶，薄膜，和形成金属构件的方法

相关专利数据

[0001]该申请涉及在2005年3月11日提交的美国临时申请60/661,292。

技术领域

[0002]本发明涉及含有金属材料的构件，物理气相沉积(PVD)靶，含有高度均匀性的薄膜，以及形成金属构件的方法。

背景技术

[0003]希望形成具有高纯度，高微观结构均匀性和小而均一的晶粒尺寸的金属构件。这种构件可以理想地作为例如物理气相沉积靶。

[0004]具有高微观结构均匀性，高纯度和小而等轴的晶粒尺寸的PVD靶，可以在PVD过程中改善从靶被溅射沉积到基材上的薄膜的均匀性。例如，相对于通过具有较低均匀性，较低纯度和/或较大晶粒尺寸的靶形成的薄膜，如果在溅射沉积过程中使用具有高均匀性，高纯度和相对小晶粒尺寸的靶，在金属材料溅射沉积到半导体晶片基材上的过程中可以形成改良的薄膜。

[0005]可以被溅射沉积的示例性材料是钼。例如，钼在体声波谐振器(BAWs)，声表面波滤波器(SAWs)和薄膜声体波谐振器(FBARs)中被用作电极。这样的声波谐振器和滤波器可被用于大量所谓的无线应用，包括，在手机和WiFi设备中的应用。

[0006]上述的示例性的声波设备和声波滤波器设备是FBAR滤波技术。该技术是基于压电活性材料的薄膜，例如，氮化铝和氧化锌，以及电极材料，例如，铝和钼。

[0007]在谐振器应用中，频率控制是非常重要的。

FBAR谐振器频率由压电和电极薄膜的厚度决定，理想地精确到0.2％。因此，希望将钼薄膜用于声波谐振器和滤波器，以获得非常紧的均匀性容限。针对声波谐振器而言理想的高膜厚度容限可以，例如，在1σ的0.5％和在3σ的1％之间，这是一个比典型的半导体薄膜应用更加严格的均匀性容限。

[0008]常规的钼溅射靶趋于制造均匀性在理想容限以外的薄膜，以及由于，部分地，在靶微观结构中的大晶粒，更趋于具有不理想的低靶寿命。已经证实的是，如果在靶中的微结构是不一致的，所述磁控溅射靶可以不均匀地腐蚀，这可以导致由该靶形成的膜的不均匀性。

[0009]希望研究出形成金属构件的方法，(例如，溅射靶)具有高微观结构的均匀性，高纯度和/或小的晶粒尺寸。还希望这样的构件适合不同的应用，包括，例如，用于半导体设备的金属薄膜的溅射沉积。示例性的设备包括射频(Rf)微机电系统(MEMS)例如，BAWs、SAWs和FBARs。

[0010]在现有技术的另一方面，物理气相沉积可以用于大量半导体生产应用。例如物理气相沉积的钌和/或钽可以用于各种阻挡材料(例如，在组合物中用作铜扩散的阻挡物)。另外，或作为无核镀铜(seedlessplating of copper)的基材。或者，物理气相沉积的材料可以被混入电容器，晶体管门(transistor gate)，或者任意的大量其他结合进集成电路的设备。

发明概述

[0011]一方面，本发明包括控制用于形成溅射靶的起始颗粒尺寸和条件的方法，选择这样的条件，所述条件适合形成具有非常均匀的结构的靶和能够在整个靶寿命期间溅射沉积均匀的薄膜。形成靶所使用的方法可以包括使用粉末尺寸小于或等于大约325目的粉末，其使用单轴向真空热压将粉末压制和烧结，形成最终的靶构造。粉末可以基本上由、或由选自铪，锆，钼，铼，钌，铂，钽，钨和铱的金属材料构成。

[0012]一方面，本发明包括了含有金属组合物的构件，该金属组合物包含金属钼，金属铪，金属锆，金属铼，金属钌，金属钽，金属钨，金属铂和/或金属铱，金属组合物仅包含单一元素或者包含多种元素(如，包含合金)。金属组合物包含大量晶粒。这些晶粒中的绝大部分基本上是等轴的和均匀的。对于基本上由钼组成的组合物，晶粒具有小于或等于大约30微米的晶粒尺寸，对于基本上由钌组成的组合物，小于或等于大约150微米，对于基本上由钨组成的组合物，小于或等于大约15微米，对于基本上由铱组成的组合物，小于或等于大约50微米。

[0013]一方面，本发明包括含有这样的组合物的构件，该组合物由金属钼组成，金属钼具有小于或者等于25微米的钼平均晶粒尺寸。

[0014]一方面，本发明包括由金属钼构成的物理气相沉积靶。该靶具有溅射表面，并具有钼晶粒尺寸和织构的均匀性，使得从表面的任何位置取得的靶样品，与从该表面的任何其它位置取得的样品具有相同的晶粒尺寸和织构，在1σ下为15％以内。该靶还可以包含与基本上平坦的溅射表面基本上垂直延伸的厚度。该靶在整个厚度中具有钼晶粒尺寸和织构的均匀性，使得从该厚度的任何位置取得的靶样品与从该厚度的任何其它位置取得的样品具有相同的晶粒尺寸和织构，在1σ下为15％以内。

[0015]一方面，本发明包括薄膜，该薄膜由钼构成，并具有在1σ下小于0.5％的均匀性。这样的膜可以通过，例如，物理气相沉积从由金属钼构成的靶形成，该靶的金属钼包含大量晶粒，基本上所有的晶粒都是基本上等轴的，并且其具有小于或等于大约25微米的平均晶粒尺寸。

附图说明

[0016]参照下列附图，本发明优选的实施方案描述如下。

[0017]图1是示例性靶/垫板构造的图解横断面视图，阐述了本发明的一个示例性方面。

[0018]图2是靶/垫板构造的图解俯视图，包括图1沿着线1-1的横断面。

[0019]图3是依照本发明示例性的方法方面在初始处理阶段的图解横断面视图。

[0020]图4是依照本发明示例性的方法方面在初始处理阶段的图解横断面视图，与图3任取其一。

[0021]图5是图3或图4之后处理阶段的图解横断面视图。

[0022]图6依照本发明示例性的方面形成示例性的物理气相沉积靶的图解横断面视图。

优选实施方式详述

[0023]本发明包括形成金属构件的方法，该金属构件具有高纯度，小晶粒尺寸和一致的微观结构均匀性。该金属构件可以例如含有，基本上由下列组成，或由下列组成：钼，铪，锆，铼，钌，铂，钽，钨和铱的一种或多种。在一个具体方面，该金属构件被形成物理气相沉积靶，并适合于沉积非常一致的薄膜。

[0024]示例性的物理气相沉积靶的结构描述见图1和2。该结构被示出作为靶/垫板组件10的一部分。特别地，这样的组件包含结合至垫板14的靶结构12。靶和垫板之间的结合可以是任何适合的结合，包括，例如，扩散结合，焊接结合。同样，尽管没有显示出来，但是在垫板和靶之间可以形成中间层，以增强靶和垫板之间的结合。

[0025]靶12可以包含无数金属材料的任意，在具体方面中将包含、基本上由下列构成、或由下列构成：一种或多种选自金属钼，金属铪，金属锆，金属铼，金属钌，金属钽，金属钨，金属铂和金属铱的金属材料。靶的金属材料可以是单一元素，也可以含有多种元素(例如，材料可以是多种元素的合金)。

[0026]垫板14被配置成将靶保留在物理气相沉积室中，并可以含有无数材料中的任意，包括，例如，铜，钛和/或铝。在某些方面，垫板可以含有无数的组合物中的任意，并在某些方面，可以含有无数合金中的任意，包括，例如，含有铜，钛和铝的一种或多种的合金。

[0027]所示的靶/垫板组件10的构造仅仅是已为本领域中普通技术人员所知的无数构造中的一种。

特别地，所示的构造符合Applied Materials ENDURA^TM的构造，但本领域的普通技术人员将认识到本发明的技术可以用于任何靶组件。同样已知的是，本领域中有时制造这种结构的靶，使得靶可以直接插入物理气相沉积室中，不需要先形成靶/垫板组件。这样的靶在本领域中被称为单片靶。

本发明的方法可以用于形成单片靶，以及用于形成被配置用来粘合到靶/垫板组件中的靶。

[0028]靶12具有溅射表面16，在物理气相沉积过程中材料从该溅射表面进行溅射。该溅射表面可以被细分到大量限定的位置里。例如，溅射表面可以被细分到图2的具有60个分开的限定位置的栅格。该栅格具有多个垂直延伸的虚线15和多个水平延伸的虚线17。在图中提供虚线15和虚线17是为了图解分开的限定位置，他们并非实际跨靶表面存在。针对不同的应用，栅格可以被限定为更粗糙，或者，备选地，更精细；而在某些方面，栅格将溅射表面细分为至少5个分开的位置，至少10个分开的位置，或者甚至至少100个分开的位置。典型的应用将利用9点(换言之，9格)测试。

[0029]本发明包括如下方面，其中靶由金属材料形成，和被成形以具有足够的晶粒尺寸和织构均匀性，使得从该溅射表面的任何限定的位置取得的靶的样品，与从该表面的任何其它限定的位置取得的样品具有相同的晶粒尺寸和织构，在1σ下为15％以内，在1σ下10％以内，或在1σ下5％以内。在具体方面中，溅射靶将由金属钼构成，并具有晶粒尺寸和织构的均匀性，使得从该溅射表面的任何限定的位置取得的靶的样品，与从任何其他位置取得的样品具有相同的晶粒尺寸和织构，在1σ下为15％以内，在1σ下为10％以内，或在1σ下为5％以内。

[0030]图1显示了具有基本上平坦的表面的溅射表面16。靶可以被认为具有与的溅射面的基本上平坦表面基本上呈垂直延伸的厚度。通过类似于溅射表面被细分到大量分开的限定的位置所描述的方法，这样的厚度可以被细分到大量分开的限定的位置。

[0031]图1阐明了含有垂直延伸虚线19和水平延伸虚线21的栅格，以及该栅格细分靶的厚度至24个限定的位置。虚线是为了图解目的，以阐明限定的栅格，并不存在于靶中。栅格可以是任何理想的粗糙度。在示例性方面中，栅格将靶的厚度细分为至少10个限定的位置，至少20个限定的位置，至少50个限定的位置，或者甚至至少100个限定的位置。

[0032]在本发明的某些方面，物理气相沉积靶由金属材料构成，其在整个厚度中具有等轴的晶粒尺寸和织构的均匀性，即从该厚度的任何限定的位置取得的样品，与任何其他限定位置取得的样品具有相同的晶粒尺寸和织构，在1σ下为15％以内，在1σ下为10％以内，或在1σ为5％以内。在示例性方面中，该金属靶材料将由钼，铪，锆，铼，钌，铂，钽，钨或铱中的一种或多种组成。

[0033]靶的金属材料12内的晶粒可以具有小于或等于大约30微米，小于或等于大约20微米，小于或等于大约19微米，或者小于或等于大约15微米的平均晶粒尺寸。较小的晶粒是理想的，因为相比较大的晶粒，较小的晶粒可以导致更均匀的薄膜的沉积。希望不仅平均晶粒尺寸小，而且所有的晶粒都是一致小的。因此，本发明也包括下面方面，其中基本上所有的晶粒具有小于或者等于大约30微米，小于或者等于大约20微米，小于或者等于大约19微米，或者甚至小于或者等于大约15微米的晶粒尺寸。涉及到“基本上所有”的晶粒具有小的晶粒尺寸用来表示这些晶粒具有在检测和测量误差范围以内的小的晶粒尺寸。因此，其中基本上所有的晶粒都具有小于或者等于大约30微米的晶粒尺寸的靶，被定义为在检测和测量误差范围以内，所有晶粒尺寸都小于或者等于大约30微米的靶。

[0034]在本发明的具体方面，在靶中的绝大部分晶粒是基本上等轴的(换言之，绝大多数的晶粒是接近等轴的，并且基本上不存在结构变形的迹象)。等轴晶粒是在任何横断面都具有一致尺寸的晶粒，因此完美的等轴晶粒会是完美球体。本发明的晶粒被称为“基本上等轴”，显示了其晶粒在真实等轴的25％范围以内。换言之，对于沿着穿过晶粒中心任何一条轴的“基本上等轴”的晶粒的测试得到与沿着穿过晶粒中心的任何其他轴的测量的25％以内的尺寸。所涉及的“绝大多数”晶粒是基本上等轴的，是指大百分比的晶粒是基本上等轴的，在具体方面，可以是至少80％的晶粒，至少90％的晶粒，或者甚至至少99％的晶粒。在某些方面，基本上所有的晶粒是基本上等轴的；或者，换言之，在检测和测量误差范围内，所有的晶粒是基本上等轴的。

[0035]本发明所形成高度一致的金属材料的示例性方法包含用单轴向真空热压将非常细的金属材料压制和烧结。例如，具有均匀的颗粒尺寸分布的325目(也即，小于45微米)金属粉末可以由单轴向真空热压形成高密度的压片，其形状与理想的金属构件的形状接近相似。如果理想的话，压片会基本上加工成达到具有高度容限的理想形状。压片优选在真空热压后不进行任何进一步的压实，特别是不必经过轧制或者压制。在由真空热压得到的金属材料是物理气相沉积靶的应用中，这样的靶可以结合到垫板，在靶结合到垫板之前不必对靶进行轧制或压制。由单轴向真空热压得到的金属压片全部具有理想的基本上等轴的晶粒，第二次压实会对晶粒有异向性影响，而不利地造成晶粒变成较不等轴的。

[0036]在本发明的示例性应用中，金属构件形成基本上由钼构成、或由钼构成，热压包含至少大约1700℃的温度和至少大约6000psi的压力，以及至少大约2个小时的时间。示例性的热压过程包含下列步骤：

初始粉末被放置在室内，在该室内抽真空至小于或等于10^-4托(可以降低最终产品的氧污染)；

在真空热压中的水压以大约3Ton/分钟升至大约1250psi(可以预压实粉末)；

温度以大约400℃/小时的速度升至大约850℃，并保持该温度大约30分钟(可以去除水分和使热量在整个模具和粉末中规格化)；

水压升至4500psi，并保持大约60分钟(该压力和热量可以开始致密作用)；

温度以大约400℃/分钟的速度升至大约1740℃，压力升至大约6000psi，保持这样的压力和温度大约3小时(这样的高温和压力可以通过减小尺寸和/或关闭小孔使压片致密)；和

让粉末冷却，在大约1300℃将压制的压片/压坯的压制力卸去，在大约1100℃对室回充氦气，并启动冷却扇。

[0037]本发明的致密方法不仅可以提高整个金属构件的均匀性(例如，PVD靶)，还可以提高构件的纯度。特别地，在真空热压压实中使用的高真空可以去除各种污染气体和低蒸气压元素(即，例如，锂，钠和钾)。

[0038]利用本发明的方法获得的金属构件的密度可以至少是这种构件金属材料的理论最大密度的大约98％。

[0039]图3-5视图图解了示例性热等静压(HIPping)方法(图3)和依照本发明可以使用的单轴向真空热压方法(图4)。

[0040]首先涉及到图3，其显示了其中容纳粉末材料52的装置50的示意图解。粉末用点刻法图解阐述。粉末承受高压(箭头54代表)和高温，所提供的压力基本上相等地分布在粉末的所有面上，也即，等静压地。箭头显示仅仅在页平面的上，下，侧面的压力，但是应理解为压力也应用于穿过页平面，这样压力就真正地分布在粉末的所有面上，也即，真正地等静压。

[0041]图4示出了图3的备选方面，显示了用被配置为仅从一个方向施加压力的设备50，或者换言之，单轴向地。

[0042]图3和4可以被用于本发明的某些方面相结合。例如，在某些方面，在金属粉末的压实过程中，HIPping可以接着单轴向真空热压。真空热压可以将粉末压实到第一级，形成被压实到第一级的第一压实材料，然后HIPping可以将第一压实材料压实到比第一级更大的第二级。

[0043]无论是使用HIPping，使用真空热压，或使用HIPping和真空热压的联合，图3和4的粉末被压实成金属构件。图5显示了示例性的金属构件56，其在装置50中由粉末52的金属材料(图3和图4)形成。

[0044]图6显示了从设备50(图5)中移出的金属构件56。在本发明所示方面中，金属构件适于结合到垫板是靶坯(target blank)或预制体的形状。然而，应当理解的是，依照本发明的方法所形成的金属构件可以具有任意理想的构造，因此还可被用于除PVD靶以外的应用。然而，本发明可以被特别地用于PVD靶的制造，靶中所形成的晶粒尺寸和织构的高度均匀性可以导致从靶获得高度均匀的溅射沉积的薄膜。例如，依照本发明的方法所形成的基本上由钼构成，或由钼构成的靶可以被用来沉积基本上由钼构成、或者由钼构成的薄膜，并具有在1σ下低于0.5％的均匀性。薄膜的均匀性可以通过本领域中已知的各种方法来测定，包括，例如，测试所述薄膜的电阻。具有高度均匀性的钼薄膜可以特别地被用来结合进声波谐振器和滤波器。

[0045]在本发明的某些方面，PVD构件(例如，靶)依照本发明的处理形成，并由金属钼，金属铪，金属锆，金属铼，金属钌，金属铂，金属钽，金属钨，和金属铱中的一种或多种构成，该PVD构件可以用来形成用于制造集成电路的高度均匀的薄膜。

[0046]根据本发明的方面形成的靶材在整个厚度上的晶粒尺寸和织构上的均匀性使得在靶的整个寿命中由该靶一致地制造高均匀性薄膜成为可能。

Claims

1.一种包含金属组合物的构件，该金属组合物由选自金属钼，金属铪，金属锆，金属铼，金属钌，金属铂，金属钽，金属钨，金属铱中的一种或多种材料构成；该金属组合物包括大量晶粒，其绝大部分晶粒基本上是等轴的，组合物包含金属钼时，晶粒的平均晶粒尺寸小于或等于大约30微米，组合物包含金属钌时，小于或等于大约150微米，组合物包含金属钨时，小于或等于大约15微米，组合物包含金属铪、金属铼、金属钽、金属锆、金属铂或金属铱时，小于或等于大约50微米。

2.权利要求1的构件，其中基本上所有的晶粒是基本上等轴的。

3.权利要求1的构件，其中所述金属组合物包含金属钼。

4.权利要求1的构件，其中所述金属组合物包含金属铪。

5.权利要求1的构件，其中所述金属组合物包含金属锆。

6.权利要求1的构件，其中所述金属组合物包含金属钌。

7.权利要求1的构件，其中所述金属组合物包含金属铱。

8.权利要求1的构件，其是物理气相沉积靶。

9.权利要求8的靶，其是靶/垫板组件的一部分。

10.权利要求8的靶，其是单片靶。

11.权利要求1的构件，其中所述构件的所有晶粒都具有小于30微米的晶粒尺寸。

12.权利要求1的构件，其中平均晶粒尺寸小于20微米。

13.权利要求1的构件，其中平均晶粒尺寸小于15微米。

14.一种构件，其包含含钼的金属组合物，该金属组合物具有小于或等于19微米的钼平均晶粒尺寸。

15.权利要求14的构件，其中所述金属组合物由金属钼组成。

16.权利要求14的构件，其中所述金属组合物是含有金属钼的合金。

17.权利要求14的构件，其是物理气相沉积靶。

18.权利要求17的靶，其是靶/垫板组件的一部分。

19.权利要求17的靶，其是单片靶。

20.权利要求14的构件，其中基本上所有钼晶粒是基本上等轴的。

21.权利要求14的构件，其中所述构件的所有钼晶粒具有小于19微米的晶粒尺寸。

22.权利要求14的构件，其中钼的平均晶粒尺寸小于14微米。

23.权利要求22的构件，其中所述构件的所有钼晶粒具有小于14微米的晶粒尺寸。

24.一种物理气相沉积靶，由金属钼，金属铪，金属锆，金属铼，金属钌，金属铂，金属钽，金属钨和金属铱的一种或多种构成；该靶具有溅射表面并具有钼晶粒尺寸和织构的均匀性，使得从表面的任何位置取得的靶样品与从该表面的任何其它位置取得的样品相比具有相同的晶粒尺寸和织构，在1σ下为15％以内。

25.权利要求24的靶，其中所述从表面任何位置取得的靶样品与从该表面任何其它位置取得的样品相比具有相同的晶粒尺寸和织构，在1σ下为10％以内。

26.权利要求24的靶，其中所述从表面任何位置取得的靶样品与从该表面任何其它位置取得的样品相比具有相同的晶粒尺寸和织构，在1σ下为5％以内。

27.权利要求24的靶，由金属钼构成。

28.一种物理气相沉积靶，其由金属钼，金属铪，金属锆，金属铼，金属钌，金属铂，金属钽，金属钨和金属铱的一种或多种构成；该靶具有基本上平坦的溅射表面并具有与基本上平坦的溅射表面基本上垂直延伸的厚度；该靶在整个厚度中具有钼晶粒尺寸和织构的均匀性，使得从任何位置取得的靶样品与从靶任何其它位置取得的样品相比具有相同的晶粒尺寸和织构，在1σ下为15％以内。

29.权利要求28的靶，其中所述从任何位置取得的靶样品与从任何其它位置取得的样品相比具有相同的晶粒尺寸和织构，在1σ下为10％以内。

30.权利要求28的靶，其中所述从任何位置取得的靶样品与从任何其它位置取得的样品具有相同的晶粒尺寸和织构，在1σ下为5％以内。

31.权利要求28的靶，其由金属钼构成。

32.由权利要求31的靶物理气相沉积的薄膜，该薄膜由钼构成，并具有在1σ下小于0.5％的均匀性。

33.形成金属构件的方法，该金属构件由选自钼，铪，锆，钌，铂，铼，钽，钨和铱的材料构成，该方法包括：

提供特点在于颗粒尺寸小于或等于325目的材料粉末；并且

令该粉末经受单轴向真空热压。

34.权利要求33的方法，其中所述热压在至少大约1700℃的温度和至少大约6000psi的压力进行至少大约2小时。

35.权利要求33的方法，其中所述金属构件是物理气相沉积靶。

36.权利要求33的方法，进一步包括将靶结合到垫板上，而无需在结合之前让靶经受轧制或锻造。

37.要求33的方法，其中所述真空热压将粉末压实到第一级，以形成第一压实材料；再进一步对所述第一压实材料进行热等静压，以将该材料压实成大于第一级的第二级。

38.形成由下面金属构成的金属构件的方法，所述金属选自钼，铪，锆，钌，铂，铼，钽，钨和铱；该方法包括：

提供特点在于颗粒尺寸小于或者等于325目的材料粉末；和

使该粉末经受热等静压过程。