CN102423802A

CN102423802A - 高纯钴靶材的制备方法

Info

Publication number: CN102423802A
Application number: CN2011104305772A
Authority: CN
Inventors: 姚力军; 相原俊夫; 大岩一彦; 潘杰; 王学泽; 袁海军
Original assignee: Ningbo Jiangfeng Electronic Material Co Ltd
Current assignee: Ningbo Jiangfeng Electronic Material Co Ltd
Priority date: 2011-12-20
Filing date: 2011-12-20
Publication date: 2012-04-25
Anticipated expiration: 2031-12-20
Also published as: CN102423802B

Abstract

本发明提供的高纯钴靶材的制备方法，包括：将钴粉装入模具；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钴锭、然后对钴锭反复进行塑性变形和退火制得钴靶坯的工艺相比，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钴靶坯，获得致密且分布均匀的可用于半导体靶材制造用的钴靶坯，克服了钴靶材由于质地坚硬易碎，而在塑性变形加工过程中容易产生裂纹而导致报废率高的问题。

Description

高纯钴靶材的制备方法

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钴靶材的制备方法。

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。

半导体用钴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钴粉先烧结成块，再通过高真空电子束熔炼炉获得高纯钴锭，然后对钴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钴靶坯，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，高纯钴粉需要先烧结成块，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。

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。且钴坚硬易碎，在塑性变形过程中对工艺控制的要求很高，容易产生裂纹等缺陷，报废率较高。

发明内容

为简化制作钴靶材的工艺流程，节约成本，并且使得靶材的溅射性能提高，本发明提供一种高纯钴靶材制备方法，其工艺步骤包括：

将钴粉装入模具；

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，所述钴粉的纯度为99.99％以上。

可选的，所述冷压成型的压强为0.6～1MPa。

可选的，所述真空热压烧结的方式为：先抽真空至少到真空度50Pa，升温至800℃，保温1小时，再升温到1000～1200℃，充入氩气保温2小时，然后缓慢加压到30MPa以上，保温保压2～3小时。

可选的，所述冷压成型或真空热压烧结步骤中加压的方式为利用模具直接对靶材加压。

可选的，所述模具具有与施压设备的活塞连接的压板，所述压板完全覆盖所述钴粉。

可选的，所述真空热压烧结完成后，撤压、停炉冷却至200℃以下，泄压取出所述钴粉。

可选的，所述模具的材料为超强C-C复合材料。

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钴靶坯，克服了钴靶材由于质地坚硬易碎，而在塑性变形加工过程中容易产生裂纹而导致报废率高的问题，获得内部致密且均匀性好，符合半导体靶材制造用的钴靶坯，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钴靶坯，避免因为钴坚硬易碎，在塑性变形过程中容易产生裂纹等缺陷而导致报废率较高的问题。

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。

发明人利用粉末冶金的特点，经过不断的实验和对工艺改进过程中，利用已有设备，制作出国内难以制作的半导体所用的钴靶材，简化了传统工艺，使得成本降低。并且本发明的钴靶材内部织构分布均匀。

图1所示是本发明实施例工艺流程示意图，包括：

S1：将钴粉及辅料按照配比混合均匀。

S2：将混合好的钴粉装入模具。

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。

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。

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：将钴粉及辅料按照配比混合均匀。

半导体钴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，钴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：将混合好的钴粉装入模具。

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。实际中，靶材的直径可以150mm、200mm、300mm等，厚度可以为8～10mm。即模具的尺寸根据所制靶材的尺寸不同而不同。

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。在常温下把钴粉在模具中压实。

前一步骤中所述模具设置有压板，与模具外的施压设备上的活塞相连，活塞向下施压，从而带动压板对钴粉(靶材)直接施压，压强为0.6～1Mpa。在本步骤中压板对钴粉施压的目的是要压实粉末，尽量减小粉末之间的空隙。压强不够大，则压不实粉末，压强太大则会损坏模具。压板至少完全覆盖住模具中粉末(靶材)的上表面。

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，按照以下流程实施：

1)装有钴粉的模具放入真空热压炉内；

其中，模具需要尽量配合严密，防止空气大量进入模腔。

2)真空热压炉内抽真空至真空度为50Pa以上；

对热压炉内抽真空是为了保证真空热压炉中没有其它的杂质，从而保证靶材在热压烧结过程的纯度。

3)进行第一次升温，升温至800℃，保温1小时。

4)进行第二次升温，继续升温至1000～1200℃，充入氩气，保温2小时；

所述第一次、第二次升温的方式可以采用电阻直热式、电阻间热式和感应加热式。其中，注意保证温度分布的均匀性。

5)缓慢加压至30MPa以上，保温保压2～3小时。

本步骤中，先在较低的温度下保温一段时间后再把温度升高到较高温度，然后再保温较长时间，是为了使得模具内的粉末各部分的温度一致。而如果较快的升温到较高温度，会导致靠近模具的边缘处的粉末温度已经很高了，而中心部分的粉末温度还是很低。从而使得形成的靶材内外的结构特性不一致。

由于钴的熔点为1495℃左右，本步骤中把钴粉末升温至1000～1200℃，再在压力下使其烧结成形。这过程中，粉末粒度和硬度对最终成形金属块的效果影响不大，所以，能够避免掉钴坚硬易碎，在塑性变形中容易产生裂纹，从而导致报废率高的不足。

并且通过发明人的不断实践，在本步骤的工艺步骤中得到的钴靶材的致密性和均匀度能够满足钴靶材的要求。

另外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200℃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200℃以下，无需保护气体(氩气)氛围，直接脱模取料，得到靶坯材。

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。使得靶坯材表面形状精度满足靶材要求，以形成靶材。

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

1.一种高纯钴靶材的制备方法，其特征在于，工艺步骤包括：

将钴粉装入模具；

冷压成型；

真空热压烧结。

2.如权利要求1所述的高纯钴靶材的制备方法，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所述的高纯钴靶材的制备方法，其特征在于，所述钴粉的纯度为99.99％以上。

4.如权利要求1所述的高纯钴靶材的制备方法，其特征在于，所述冷压成型的压强为0.6～1MPa。

5.如权利要求1所述的高纯钴靶材的制备方法，其特征在于，所述真空热压烧结的方式为：先抽真空至少到真空度50Pa，升温至800℃，保温1小时，再升温到1000～1200℃，充入氩气保温2小时，然后缓慢加压到30MPa以上，保温保压2～3小时。

6.如权利要求4或5所述的高纯钴靶材的制备方法，其特征在于，所述冷压成型或真空热压烧结步骤中加压的方式为利用模具直接对钴粉加压。

7.如权利要求6所述的高纯钴靶材的制备方法，其特征在于，所述模具具有与施压设备的活塞连接的压板，所述压板完全覆盖所述钴粉。

8.如权利要求5所述的高纯钴靶材的制备方法，其特征在于，所述真空热压烧结完成后，撤压、停炉冷却至200℃以下，泄压取出所述模具。

9.如权利要求1所述的高纯钴靶材的制备方法，其特征在于，所述模具的材料为超强C-C复合材料。