CN102367568B - 高纯钽靶材制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的高纯钽靶材制备方法，包括：将钽粉混合均匀；将混合好的钽粉装入模具；冷压成型；真空热压烧结。与传统的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和退火制得钽靶坯的工艺相比，本发明通过粉末冶金的真空热压烧结技术直接由粉末制得钽靶坯，消除钽的“固有织构带”，获得内部织构均匀的可用于半导体靶材制造用的钽靶坯。

Description

高纯钽靶材制备方法

技术领域

本发明涉及半导体溅射靶材的制备，特别涉及一种半导体用高纯钽靶材制备方法。

背景技术

溅射靶材是制造半导体芯片所必需的一种极其重要的关键材料，其原理是采用物理气相沉积技术(PVD)，用高压加速气态离子轰击靶材，使靶材的原子被溅射出，以薄膜的形式沉积到硅片上，最终形成半导体芯片中复杂的配线结构。溅射靶材具有金属镀膜的均匀性、可控性等诸多优势，被广泛应用于半导体领域。随着半导体行业的迅速发展，对溅射靶材的需求越来越大，溅射靶材已成为半导体行业发展不可或缺的关键材料。

靶材的晶粒尺寸、晶粒取向对集成电路金属薄膜的制备和性能有很大的影响。主要表现在：1.随着晶粒尺寸的增加，薄膜沉积速率趋于降低；2.在合适的晶粒尺寸范围内，靶材使用时的等离子体阻抗较低，薄膜沉积速率高和薄膜厚度均匀性好；3.为提高靶材的性能，在控制靶材晶粒尺寸的同时还必须严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过均匀化处理、热机械加工、再结晶退火进行调整和控制。

半导体用钽溅射靶材一般纯度要求在4N(99.99％)以上。制造方法基本是高纯钽粉先烧结成块，再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和退火，从而获得具有均匀晶粒和一定内部织构的钽靶坯，靶坯通过与背板进行焊接并经机械加工，最终成品。

在这样的制造方法中，高纯钽粉需要先烧结成块，然后再经高真空电子束熔炼成锭，再经过反复的塑性变形和退火才能最终获得可用于半导体用溅射靶材生产制造用的靶坯。

钽为体心立方金属，(111)是其密排面，在前面描述的塑性变形时优先产生滑移，这使得经过最终塑性变形和退火处理的钽靶坯的晶粒取向以(111)为主，这属于钽金属的“固有织构带”，会严重地影响靶材的溅射性能。表现为溅射速率偏低、镀膜的均匀性不佳。

并且整个工艺很复杂，成本也很高，靶材需要被熔化，容易混入由坩埚和脱氧剂等带来的杂质。后续工艺中反复的塑性变形和退火也容易让靶材被氧化。

发明内容

为解决上述问题，尤其是消除钽材的“固有织构带”，使得靶材的溅射性能提高，本发明提供一种半导体用高纯钽靶材制备方法，工艺步骤包括：

将钽粉及辅料按照配比混合均匀；

将混合好的钽粉装入模具；

冷压成型；

真空热压烧结。

可选的，在所述真空热压烧结后还包括实施停炉冷却、脱模取料、机加工的工艺步骤。

可选的，所述钽粉的纯度为99.99％以上。

可选的，所述真空热压烧结时，真空度在1Pa以上，烧结温度为1300-1800℃，烧结时间为5～8小时，压力50MPa以上。

可选的，所述真空热压烧结完成后，停炉冷却至200℃以下，泄压取出所述模具。

与现有技术相比，本发明通过粉末冶金的真空热压烧结技术直接由粉末制得钽靶坯，消除钽的“固有织构带”，获得内部织构均匀的可用于半导体靶材制造用的钽靶坯，大大改善了其溅射性能。同时将传统工艺大大简化，节约了制造成本。也减小了靶材在制作过程中被掺入杂质和被氧化的几率。

附图说明

图1为本发明实施的主要步骤流程图。

具体实施方式

本发明通过粉末冶金的真空热压烧结技术直接由粉末制得钽靶坯，消除钽的“固有织构带”，获得内部织构均匀的可用于半导体靶材制造用的钽靶坯。

其中粉末冶金是制取金属粉末并通过成型烧结等工艺将金属粉末或与非金属粉末的混合物制成制品的加工方法。

粉末冶金和传统熔炼方法相比，具有以下特点：粉末冶金工艺是在低于基体金属的熔点下进行的；粉末冶金工艺所利用的细小金属或合金粉末，凝固速度极块，晶粒细小均匀，保证了粉末冶金工艺制得的金属材料组织均匀，性能稳定，以及良好的冷、热加工性能；粉末颗粒不受合金元素和含量的限制，可提高强化相含量，从而发展新的材料体系；利用各种成形工艺，可以将粉末原料直接成形为特定形状的零件，大量减少机加工量。

故粉末冶金工艺一般用于制作传统熔炼方法难以制取的难熔金属及其化合物、假合金、多孔材料，或制作一些传统熔炼方法难以获得的独特的化学组成和机械、力学性能要求的金属，或制作结构复杂或者精密的机械零件等。

但是，发明人在实验和对工艺改进过程中意识到，粉末冶金技术对于钽靶材的加工，可以产生另外的作用，即改善钽的金属晶向，从而提高钽靶材质量，使之满足半导体工艺的要求。基于此，本发明利用粉末冶金的特点，制作内部织构分布均匀，溅射性能优良的钽靶材，同时简化了传统工艺，使得成本降低。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

图1所示是本发明实施例工艺流程示意图，包括：

S1：将钽粉及辅料按照配比混合均匀。

S2：将混合好的钽粉装入模具。

S3：冷压成型。

S4：真空热压烧结。

S5：实施停炉冷却。

S6：脱模取料。

S7：机加工。

在以下描述中阐述了具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以多种不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广。因此本发明不受下面公开的具体实施方式的限制。

执行步骤S1：将钽粉及辅料按照配比混合均匀。

半导体钽靶材的一般纯度要求在4N(99.99％)以上，例如为4N5(99.995％)或5N(99.999％)。具体纯度根据需求而确定原辅料的配比。其中，钽粉的颗粒形状可为不规则状、片状、多面体状、树枝状、粒状、球状、滴状、纤维状等等不限。粒度范围为1-10um。

执行步骤S2：将混合好的钽粉装入模具。

粉末按设计重量自由装入模具，装满为止。模具的尺寸根据实际要求而不同，在本实施例中以所制作靶材尺寸是D450x8(直径450mm，厚度8mm)为例。由于在后续的工艺中，需要经过高压、高温的处理，故模具使用超强C-C复合材料(碳纤维增强碳基体的复合材料)制作。这种材料具有高强高模、比重轻、热膨胀系数小、抗腐蚀、抗热冲击、耐摩擦性能好、化学稳定性好等一系列优异性能，是一种新型的超高温复合材料。此种材料用来做本发明的模具，耐高温高压，且不变形。

执行步骤S3：冷压成型。在常温下把钽粉在模具中压实。

执行步骤S4：真空热压烧结。

本步骤的实施是在真空热压炉中进行热压烧结，参数设置为真空度在1Pa以上，烧结温度为1300-1800℃，烧结时间为5～8小时，压力50MPa以上。在真空热压炉中进行，使产品不被氧化，并调整热压炉的温度和压力。

由于钽的熔点为2980℃左右，本步骤中的温度远未达到钽的熔点，钽在这过程中不会熔化，也不会存在从熔化状态凝固过程，则钽粉末到钽块的过程中，没有经历再结晶，不会出现原有的技术会产生的“固有织构带”。

且由于粉末冶金工艺在材料生产过程中并不熔化材料，也就不怕混入由坩埚和脱氧剂等带来的杂质，而烧结一般在真空和还原气氛中进行，不怕氧化，也不会给材料任何污染，故有可能制取高纯度的材料，并且能保证材料成分配比的正确性和均匀性。

执行步骤S5：实施停炉冷却。使冷却水流通，停止提供烧结热量，静待炉温降止500℃以下时，停断真空度，待炉温降至100℃以下时，停断冷却水。

执行步骤S6：脱模取料。由于炉温已经降至100℃以下，无需保护气体氛围，直接脱模取料。

执行步骤S7：机加工。本步骤中的机加工，包括周圈线切割，上下平面磨床加工。使得靶材表面形状精度满足靶材要求。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种高纯钽靶材制备方法，其特征在于，工艺步骤包括：

将钽粉及辅料按照配比混合均匀；

将混合好的钽粉装入模具；

冷压成型；

真空热压烧结，所述真空热压烧结时，真空度在1Pa以上，烧结温度为1300—1800℃，施加的压力为50MPa以上。

2.如权利要求1所述的高纯钽靶材制备方法，其特征在于，在所述真空热压烧结后还包括实施停炉冷却、脱模取料、机加工的工艺步骤。

3.如权利要求1所述的高纯钽靶材制备方法，其特征在于，所述钽粉的纯度为99.99%以上。

4.如权利要求1所述的高纯钽靶材制备方法，其特征在于，所述真空热压烧结时，烧结时间为5—8小时。

5.如权利要求4所述的高纯钽靶材制备方法，其特征在于，所述真空热压烧结完成后，停炉冷却至200℃以下，泄压取出所述模具。

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