CN102424940A - 高纯钴靶材的制备方法 - Google Patents

Abstract

一种高纯钴靶材的制备方法，包括：对高纯钴锭进行多次锻造；把多次锻造后的钴锭进行退火处理；经过退火处理后的钴锭进行多次压延形成钴靶坯；对多次压延形成后的钴靶坯进行最终再结晶退火处理。本发明主要通过控制塑性变形的变形率，热处理的温度、时间，以及多次的特定变形率的塑性变形和特定温度下的热处理相结合的方法来实现制作满足半导体溅射用钴靶材晶粒尺寸要求和晶粒取向要求的钴靶材。

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。

半导体用高纯钴溅射靶材一般纯度要求在4N(99.99％)以上。而钴坚硬易碎，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

为使制作出均匀性和纯度较好的钴靶材，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，包括：

对高纯钴锭进行多次锻造；

对多次锻造后的钴锭进行退火处理；

对经过退火处理后的钴锭进行多次压延形成钴靶坯；

对钴靶坯进行最终再结晶退火处理。

可选的，所述多次锻造中，每次锻造的变形率为50％～70％，总的锻造的变形率为50％～70％。

可选的，所述多次锻造之前进行预热处理，所述预热的温度为700℃～900℃。

可选的，对多次锻造后的钴锭进行退火处理的步骤中，退火处理温度为500℃～700℃，保温时间为2～3小时。

可选的，所述多次压延中，每次压延的变形率为10％～20％，总的压延的变形率为70％～90％。

可选的，进行所述多次压延处理之前进行预热处理，所述预热的温度为350℃～450℃。

可选的，所述最终再结晶退火处理的温度为450℃～600℃，保温时间为1～2小时。

可选的，所述最终再结晶退火处理的保温结束后的30s内进行快速水冷处理。

可选的，最终再结晶退火处理中，退火温度的公差为±3℃。

与现有技术相比，在本发明的加工方式和工艺参数下生产出的高纯钴靶材能够满足半导体溅射所要求的晶粒尺寸要求和晶粒取向要求。

附图说明

图1为本发明的工艺流程示意图。

图2为本发明中锻造工艺进行前和进行后的钴锭的示意图。

图3和图4为本发明中压延工艺的示意图。

图5为本发明最后形成的靶材的示意图。

具体实施方式

本发明主要通过控制塑性变形的变形率，热处理的温度、时间，以及多次的特定变形率的塑性变形和特定温度下的热处理相结合的方法来实现制作满足半导体溅射用钴靶材晶粒尺寸要求和晶粒取向要求的钴靶材。

发明人专心的研究和多次的实践改进得到最优的制作钴靶材的方法，其工艺流程如图1所示，其中主要包括以下步骤：

步骤S1：对高纯钴锭进行多次锻造；

步骤S2：对多次锻造后的钴锭进行退火处理；

步骤S3：对经过退火处理后的钴锭进行多次压延形成钴靶坯；

步骤S4：对钴靶坯进行最终再结晶退火处理；

步骤S5：对进行了最终再结晶退火处理后的钴靶坯进行机械加工，然后与背板焊接，形成靶材。

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。

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：对高纯钴锭进行多次锻造；

半导体高纯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％)。所以所用的高纯钴锭的纯度为4N(99.99％)以上，本实施例中优选为4N5(99.995％)的钴锭。所述钴锭可以为直径为150mm～200mm、高度为100mm～150mm的圆柱体，其尺寸根据预设生产的靶材的尺寸来确定。

锻造之前需要对钴锭进行预热处理，预热的方式为将钴锭加热到700℃～900℃。

所述锻造的实施方式为利用空气锤对钴锭进行多方向的打击，包括沿着与高纯钴锭的圆周方向对高纯钴锭进行击打，或者为利用空气锤对着高纯钴锭的上表面进行击打。沿着圆周方向对钴锭进行击打使得钴锭的高度增加，而横截面积减小，对钴锭的上表面进行击打使得钴锭的高度降低，而横截面积增大。

本步骤中，预热处理的温度大于钴金属的再结晶温度，所以，本步骤中进行的锻造为热锻，热锻的优点包括以下三方面：

1、热锻能够减少金属的变形抗力，因而减少被锻造的金属锭变形时所需的锻压力，使锻压施加的力度大大减小；

2、改变金属锭的铸态结构，在热锻过程中经过再结晶，粗大的铸态组织变成细小晶粒的新组织，并减少铸态结构的缺陷，提高金属的机械性能；

3、提高金属的塑性，尤其对于本发明中在较低温时较脆难以锻压的钴金属来说尤为重要。

而预热的温度过高的话，会导致再结晶的生成的晶粒尺寸比较大，使得最后形成的靶材不能满足半导体溅射的要求，而预热的温度过低的话，锻造就会进行得不太容易，对于改善钴锭内部性能方面的效果不是很好，并且钴在锻造过程中容易发生裂纹。

钴锭经过锻造加工后能改善其组织结构和力学性能。铸造组织经过锻造方法热加工变形后由于金属的变形和再结晶，使原来的粗大枝状晶粒和柱状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织，使钴锭内原有的偏析、疏松、气孔、夹渣等被压实和焊合，其组织变得更加紧密，提高了钴的塑性和力学性能。锻造的程度不够，则对于钴内部组织的改善效果，以及晶粒细化的程度不够，影响最终形成的钴靶材的性能。而变形率太大，由于钴金属硬且脆，容易在加工中出现裂纹。经过发明人多次实践后的总结，以锻造对钴锭的变形率来衡量锻造的程度，所述变形率以ΔH表示，其定义为：

ΔH＝|h1-h2|/h1

其中，h1为锻造之前钴锭的高度，h2为锻造完成后钴锭的高度。

在本步骤的锻造过程中，控制每次锻造的变形率在50％～70％之间。采用沿着与高纯钴锭的圆周方向对高纯钴锭进行击打和为利用空气锤对着高纯钴锭的上表面进行击打两种锻造方式交替进行。在本步骤的锻造结束后的钴锭与未进行锻造之前的钴锭相比，其变形率也达到50％～70％之间。所述锻造前后钴锭情况如图2所示。

执行步骤S2：对多次锻造后的钴锭进行退火处理；

所述对锻造后的钴锭进行退火处理的方式为，缓慢升温到500℃～700℃，保温2～3小时，然后自然冷却。

这一步退火的主要目的是消除钴内部的残余应力，稳定尺寸，减低钴金属的硬度和脆性，增加其可塑性，减少在后续工艺中的变形与裂纹倾向。由于这一步骤中退火温度500℃～700℃高于钴的再结晶温度450℃～600℃。所以在这次退火过程中，钴内部还会进行一次再结晶，进一步缩小晶粒的尺寸。

执行步骤S3：对经过退火处理后的钴锭进行多次压延形成钴靶坯；

在进行压延之前还包括对钴锭进行预热处理的过程，所述预热处理的温度最优选择为400℃，也可以根据实际情况在350℃～450℃的范围内选择。

预热处理的方式为对前一步骤中自然冷却到室温的钴锭进行升温到所设置的预热温度。

然后对钴锭进行多次压延。其实施方式如图3、图4所示，所述压延的方式为在压延机(calender)的两个辊筒8之间，和保持着预热温度的环境下，由辊筒8挤压原本厚度为h1′的钴锭的上下表面，缩小钴锭的厚度为h2′，而展开其截面积。经过多次的压延，最终把钴锭展延成靶材需要厚度h的金属圆块，形成钴靶坯。一般的压延后形成的钴靶坯的厚度h为8mm～10mm。其中，每次压延过程中，钴锭的变形率为10％～20％，最终压延形成的钴靶坯与压延之前的钴锭相比，其变形率为70％～90％。本步骤中最终压延形成的钴靶坯如图5所示。

本步骤的压延可以进一步细化钴的晶粒，并消除显微组织的缺陷，其中气泡、裂纹和疏松在高温和压力作用下被焊合，从而使得形成的钴材料组织更加密实，力学性能也得到改善。这种改善主要体现在沿轧制方向上，从而使钴在一定程度上不再是各向同性体。

本步骤采用多次压延，且控制每次压延的变形率在10％～20％，总变形率为70％～90％的方式，实现总的压延程度能够满足对钴内部的结构性能的改善程度，且最终形成的钴靶坯的厚度满足靶材的需要，而每次的变形率都比较小，避免了硬且脆的钴在压延这种强烈的塑性变形的过程中发生裂纹或者别的缺陷。

压延结束后还包括自然冷却到室温的过程。

执行步骤S4：对多次压延形成后的钴靶坯进行最终再结晶退火处理；

本步骤的实施方式为在450℃～600℃的温度下，保温1～2小时，保温结束后30s之内迅速进行水冷。

这一步退火为本发明过程中对钴锭的最终再结晶退火。钴锭在这一步退火过程中形成的晶粒大小和分布即为最终钴靶材的晶粒大小和分布。所以，这一步的退火的温度要精细控制。实施过程中，温度公差只允许为±3℃。

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

执行步骤S5：对进行了最终再结晶退火处理后的钴靶坯进行机械加工，然后与背板焊接，形成靶材。

本步骤中的机械加工，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。然后再与背板焊接，形成生产所需的钴靶材。

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 (9)

1.一种高纯钴靶材的制备方法，其特征在于，包括：

对高纯钴锭进行多次锻造；

对多次锻造后的钴锭进行退火处理；

对经过退火处理后的钴锭进行多次压延形成钴靶坯；

对钴靶坯进行最终再结晶退火处理。

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，所述多次锻造中，每次锻造的变形率为50％～70％，总的锻造的变形率为50％～70％。

3.如权利要求2所述的高纯钴靶材的制备方法，其特征在于，所述多次锻造之前对所述钴锭进行预热处理，所述预热处理的温度为700℃～900℃。

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，对多次锻造后的钴锭进行退火处理的步骤中，退火处理温度为500℃～700℃，保温时间为2～3小时。

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，所述多次压延中，每次压延的变形率为10％～20％，总的压延的变形率为70％～90％。

6.如权利要求5所述的高纯钴靶材的制备方法，其特征在于，进行所述多次压延处理之前对所述钴锭进行预热处理，所述预热处理的温度为350℃～450℃。

7.如权利要求1所述的高纯钴靶材的制备方法，其特征在于，所述最终再结晶退火处理的温度为450℃～600℃，保温时间为1～2小时。

8.如权利要求7所述的高纯钴靶材的制备方法，其特征在于，所述最终再结晶退火处理后的30s内对钴靶坯进行快速水冷处理。

9.如权利要求7所述的高纯钴靶材的制备方法，其特征在于，最终再结晶退火处理中，退火温度的公差为±3℃。

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