CN103451586B - 钴靶材热处理方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种钴靶材热处理方法，包括：提供钴靶材，所述钴靶材的纯度大于4N；预热砂子；将已预热的砂子包覆所述钴靶材，对所述钴靶材进行热处理。与现有技术相比，本发明透过预热砂浴的加热方式，避免了现有技术中在热处理工艺后得到钴靶材不符合所需磁导率，其晶粒不符合溅射要求。

Description

钴靶材热处理方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及钴靶材热处理方法。

背景技术

钴靶材在半导体集成电路有较多应用，例如在MOS晶体管的源极、漏极及栅极上可以与硅形成金属硅化物以降低接触电阻。上述过程一般通过在溅镀室内完成。具体过程为：先在反应腔内通入惰性气体，例如氩气；钴靶材作为阴极与直流电源的负极相连，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，钴离子被溅射脱离靶材表面。上述过程中，为使得钴离子以定向运动沉积在硅表面，在靶材的表面设置永久磁铁。

然而，钴靶材本身具有高磁导率，永久磁铁的磁场多集中在靶材内，散布在靶材之外的磁场较少，原来用于限制钴离子运动方向的漏磁场较少，这会导致钴靶材的利用率变低。

针对上述问题，行业内试图提出一些改进方案以降低钴靶材的磁导率。

金属靶材的制作过程一般包括：熔炼、均匀化处理、塑性变形加工、热处理等步骤，在严格控制靶材纯度的基础上，通过选择不同的塑性变形加工、热处理条件，调整靶材的晶粒取向、晶粒尺寸等，最终满足溅射过程的要求。

特别地，热处理是靶材设计和加工过程中不可或缺的工艺，该工艺往往与塑性变形加工紧密结合，主要为了实现金属材料的再结晶，使得材料的组织均匀。以钴靶材的热处理为例，不同的热处理温度、保温时间、加热方式，可以获得不同的金属材料组织结构。

钴是热的不良导体，若采用现有的热处理方法，例如将其放入高温加热炉中，处理后得到的钴靶材的在直径和厚度方向上受热不均匀，得到钴靶材不符合所需磁导率，其晶粒不符合溅射要求。

基于此，本发明提出一种新的钴靶材热处理方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种钴靶材热处理方法，以解决现有技术中在热处理工艺后得到钴靶材不符合所需磁导率，其晶粒不符合溅射要求。

为解决上述问题，本发明提供一种钴靶材热处理方法，包括：提供钴靶材，所述钴靶材的纯度大于4N；预热砂子；将已预热的砂子包覆所述钴靶材，对所述钴靶材进行热处理。

可选的，所述砂子是填充于热处理装置中，所述钴靶材是在加热所述砂子之后再没入所述砂子中。

可选的，还包括感测所述钴靶材的加热温度的步骤。

可选的，所述感测所述钴靶材的加热温度包括通过表面温度感测器进行感测。

可选的，所述钴靶材在热处理之前已进行了塑性变形工艺。

可选的，所述预热砂子的加热温度为150℃～400℃。

可选的，所述热处理工艺具体参数为：加热温度为150℃～400℃，并在此温度下保温45min~90min。

可选的，所述钴靶材的纯度范围为4N5~6N。

可选的，所述热处理装置为恒温炉。

可选的，所述砂子材料为碳化硅、氧化铝或石英砂，规格为45号、60号、70号、80号与90号中的任一种。

与现有技术相比，本发明所提供的靶材热处理方法，采用了先预热砂子，然后将待热处理的钴靶材没入预热后的砂子中并加热的方式，通过加热后的砂子将热量传导至待热处理的钴靶材，确保钴靶材能均匀受热，使得热处理后的钴靶材符合所需磁导率，其组织结构均匀，晶粒符合溅射要求。

应用上述靶材的热处理方法加快了产品的加热速度，缩短了产品的热处理时间，并且提高了热处理工艺的准确性和稳定性，因而可以获得符合性能要求和质量稳定的产品。

并且，应用上述方法可以连续加热多个靶材，实现产品的批量热处理工艺，产品的批量生产速度显著提高，进而缩短了产品的制作周期。

附图说明

图1为应用本发明钴靶材热处理方法的一个具体实施方式的流程示意图；

图2和图3为上述具体实施方式中应用到的钴靶材和加热装置的结构示意图。

具体实施方式

本发明的发明人发现，在现有钴靶材热处理方法中，在对钴靶材进行热处理时，在靶材的直径和厚度方向上的组织结构会由于受热不均而导致不一致。因此，本发明的发明人提出一种钴靶材热处理方法，包括：提供钴靶材，所述钴靶材的纯度大于4N；加热能包覆所述钴靶材的沙子；对所述钴靶材进行热处理。

在本发明的实施例中，提供一种钴靶材热处理方法，如图1所示，包括步骤：

S10，提供钴靶材，所述钴靶材的纯度大于4N；

S11，预热填充在热处理装置中的砂子；

S12，将所述钴靶材没入已预热的砂子中，对所述钴靶材进行热处理。

下面结合附图对上述图1中所示的热处理方法进行详细说明。

首先执行步骤S10，提供钴靶材10，如图2所示。在本实施例中，所述钴靶材10是高纯度的钴靶材，其纯度大于4N。具体地，所述钴靶材纯度为4N5、5N或者6N，其中，所述4N5表示纯度为99.995％，5N表示纯度为99.999％，而6N表示纯度为99.9999％。

另外，在执行步骤S10之前，钴靶材10已进行了塑性变形工艺。所述塑性变形工艺，是将金属料件置于挤压装置（例如锻压机、空气锤或压延机）的挤压模中进行挤压成型的工艺。挤压模的形状和尺寸决定了产品的横截面。所述挤压可以采用正向热挤压，即挤压装置的挤压方向与金属料件的流动方向一致，同时挤压是在一定温度下进行。通过合理控制挤压温度和设定合适的挤压比，可以精确控制靶材的成型尺寸精度，制作出符合塑性变形工艺要求的钴靶材，实现降低钴靶材晶粒尺寸大小、细化晶粒和降低靶材表面粗糙度的目的。所述挤压比是指挤压前的制品的总横截面积与挤压后的制品的总横截面积之比。

在实际应用中，钴靶材10的形状，根据应用环境、溅射设备的实际要求，可以为圆形、矩形、环形、圆锥形或其他类似形状（包括规则形状和不规则形状）中的任一种，且其厚度可以为1mm至100mm不等。如图2所示，本实施例为圆形的钴靶材。

接着执行步骤S11，预热填充在热处理装置中的砂子。在本实施例中，所述热处理装置可以是例如图3所示的恒温炉，其具有腔室20，在腔室20中加装了砂子30。其中，加装的砂子30可以是部分填充腔室20，也可以填充满整个腔室20。这样，通过操作恒温炉，可以对腔室20中加装的砂子30进行预加热。

由于砂子30的成份和品种会影响其本身加热速度、均匀度以及对包覆的钴靶材10的导热效果。因此，砂子30的材料选择也是一个重要因素。在实际应用中，砂子30的材料可以是选自碳化硅、氧化铝或石英砂，其大小规格可以45号、60号、70号、80号或90号中的任一种。

在本实施例中，砂子30具体为碳化硅（SiC）。碳化硅是用石英砂、石油焦（或煤焦）、木屑（生产绿色碳化硅时需要加食盐）等原料在电阻炉内经高温冶炼而成的。碳化硅是热的良导体，具有耐高温、良好的导热性能和热稳定性的特点，利用这些特点，就可以将碳化硅放置于加热源（在本实施例中，例如恒温炉）与被加热物（在本实施例中，例如钴靶材10）之间，作为高温的间接加热材料。

恒温炉先对砂子30进行预热，预热温度控制在150℃～400℃。预热温度过低，热处理时间过长使得热处理效率低下；预热温度过高，超过预期的热处理温度，靶材中晶粒容易长大，尺寸会超范围。

接着执行步骤S12，将所述钴靶材没入已预热的砂子中，对所述钴靶材进行热处理。具体包括：利用砂子30良好的导热性能，将其作为中间加热物，通过预热后的砂子30进行导热，间接对钴靶材10加热，进行热处理。

在这里，将钴靶材10置入恒温炉的腔室20中，如图3所示，具体是指将钴靶材10以一定的深度没入砂子30中，使得钴靶材10的周边都能被砂子30所包覆。所述的深度可以根据恒温炉的加热特性、腔室的结构或砂子的填充状况而作适应性调整，较佳地，钴靶材10可以放置在能均匀受热的区域，例如放置在填充的砂子30所形成空间的几何中心区域。

常温下，钴是一种天然的铁磁材料，稳态晶体结构为密排六方结构，具有强烈的磁各项异性，（0001）方向为易磁化方向，即沿此方向具有较高磁导率，超过居里温度（1150摄氏度）后，晶体呈现面心立方结构，这时钴为非铁磁材料，磁导率接近于0。然而，若采用高温对钴靶材进行处理，容易造成钴的晶粒变大。实践表明，晶粒尺寸对靶材的性能有很大的影响，主要表现在：（1）随着晶粒尺寸的增加，薄膜沉积速率区域降低；（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均匀性好。本实施例中，经过上述热处理方法得到的钴靶材内部晶粒尺寸大小为70μm～100μm。即经过上述热处理方法得到的钴靶材的内部晶粒尺寸在这个范围内，热处理后的钴靶材作为阴极进行溅射，符合所需磁导率，晶粒成膜质量符合要求。

在本实施例中，所述热处理工艺具体参数为：加热温度为150℃～400℃，并在此温度下保温45min～90min。本发明人发现，在实际钴靶材10热处理中，采用高于居里温度的加热条件对其处理，观察到得到的钴靶材10漏磁率并不是最高，即磁导率并不符合要求，反而在150℃～400℃之间其漏磁率较高，磁导率较佳。这是因为在50℃～700℃之间，随着加热温度提升，其钴内部晶粒大小，取向发生变化，引起磁畴取向发生变化，在200℃～300℃漏磁达到最高，磁导率改善效果较佳；随着加热温度再继续上升，钴晶粒逐渐变大，造成取向发生进一步变化，引起磁畴取向进一步发生变化，漏磁率开始降低，磁导率逐渐变大，直至不符合要求。此外，保温时间过短，靶材中晶粒受热不够，再结晶不充分；保温时间过长，靶材中晶粒容易长大，尺寸会超范围。在实际应用中，可以在进行热处理之前预先设定上述各参数的具体数值，其中，所述加热温度和保温时间可以按照一定的对应关系进行设定，例如150℃*45min或400℃*90min等。

另外，在本实施例中，为确保加热温度的稳定性，本发明还配置有用于感测温度的表面温度感测器（未标示）。所述表面温度感测器既可以埋设在砂子30中，也可以直接设在钴靶材10的表面。当所述表面温度感测器感测到所述加热温度发生突变或超过规定范围时，能够即时予以显示当前温度数值甚至同时产生报警信息，以供适时对加温温度或保温时间作出调整，确保热处理工艺的稳定性。其中，所述调整可以具体包括例如调整（提高或降低）所述恒温炉的加热温度、调整（延长或缩短）保温时间或调整钴靶材10在砂子30中的没入位置等。

可见，在本发明中，由于钴靶材10的周边是由预热后的砂子30所包覆，故通过砂子30将热量传导至钴靶材10，可以使得钴靶材10能均匀受热，确保靶材在组织结构上的均匀性。

在恒温炉先对砂子30进行预热，再将钴靶材10没入已预热好的砂子30中，可以使钴靶材10迅速升温，与将钴靶材10直接放入没有预热好的砂子30中一起在恒温炉中加热相比，前者加快了钴靶材10的加热速度，缩短了钴靶材10的热处理时间。

在恒温炉先对砂子30进行预热，应用上述方法可以连续加热多个靶材，实现靶材产品的批量热处理工艺，在完成前一靶材的热处理后，由于恒温炉的加热温度可以很快升温至砂子的预热温度，也就是说，恒温炉的预热时间缩短了，这样使得后一靶材的热处理时间缩短了。因此，靶材产品的批量生产速度显著提高，进而缩短了靶材产品的制作周期。

后续，在热处理之后，还可以包括对热处理的钴靶材10进行冷却的步骤。冷却钴靶材10可以是将所述钴靶材10放入水中进行冷却的水冷方式，但并不以此为限，冷却工艺也可以是风冷或空冷的方式。由于所述冷却工艺及其后续步骤与现有技术并无差异，为本领域技术人员所熟知，故在此不再赘述。

所述钴靶材10热处理后，需要再经过粗加工、精加工等工艺，制成符合要求的靶材产品，其中粗加工是指轮廓车削、精加工是指产品尺寸车削。

本发明所提供的钴靶材热处理方法，由于采用了预热砂浴的方式，将钴靶材没入预热的砂子中，将砂子作为间接加热材料，将热量传导至待热处理的钴靶材，确保钴靶材能均匀受热，使得热处理后的钴靶材的磁导率改善明显，且组织结构实现了均匀性，并且应用此钴靶材产品作为溅射靶材，可以提供符合要求的晶粒尺寸。

直接感测坯料的实际升温效果，例如用表面温度感测器测量靶材的温度，相比于通过控制恒温炉的加热温度来间接控制靶材的温度，靶材的温度和保温时间得到了更好地控制，因此确保了热处理工艺的准确性和稳定性。

综上所述，应用上述靶材的热处理方法加快了产品的加热速度，缩短了产品的热处理时间，并且提高了热处理工艺的准确性和稳定性，因而可以获得符合性能要求和质量稳定的产品。

并且，应用上述方法可以连续加热多个靶材，实现靶材产品的批量热处理工艺，在完成前一靶材的热处理后，由于恒温炉的加热温度可以很快升温至砂子的预热温度，也就是说，恒温炉的预热时间缩短了，这样使得后一靶材的热处理时间缩短了。因此，靶材产品的批量生产速度显著提高，进而缩短了靶材产品的制作周期。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明的技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (7)

1.一种钴靶材热处理方法，其特征在于，包括：

提供钴靶材，所述钴靶材的纯度大于4N；

预热砂子，所述砂子材料为碳化硅、氧化铝或石英砂，规格为45号、60号、70号、80号与90号中的任一种，所述预热砂子的加热温度为150℃～400℃；

将已预热的砂子包覆所述钴靶材，对所述钴靶材进行热处理，所述热处理工艺具体参数为：加热温度为150℃～400℃，并在此温度下保温45min～90min。

2.根据权利要求1所述的钴靶材热处理方法，其特征在于，所述砂子是填充于热处理装置中，所述钴靶材是在加热所述砂子之后再没入所述砂子中。

3.根据权利要求1或2所述的钴靶材热处理方法，其特征在于，还包括感测所述钴靶材的加热温度的步骤。

4.根据权利要求3所述的钴靶材热处理方法，其特征在于，所述感测所述钴靶材的加热温度包括通过表面温度感测器进行感测。

5.根据权利要求1所述的钴靶材热处理方法，其特征在于，所述钴靶材在热处理之前已进行了塑性变形工艺。

6.根据权利要求1所述的钴靶材热处理方法，其特征在于，所述钴靶材的纯度范围为4N5～6N。

7.根据权利要求2所述的钴靶材热处理方法，其特征在于，所述热处理装置为恒温炉。