CN103913416A - 靶材检测方法 - Google Patents

Abstract

一种靶材检测方法，包括：提供靶材；沿垂直靶材溅射面方向切割靶材，获得至少三个靶材试样，靶材试样的切面为靶材断面；对所有靶材试样的靶材断面进行腐蚀处理；沿垂直靶材溅射面方向对每一个腐蚀处理过的靶材断面进行多次取图，对应每一个靶材断面得到多张晶粒分布图片；使用直线截点法对每一张晶粒分布图片进行分析，每一张晶粒分布图片获得一个平均晶粒度；根据所有平均晶粒度判断靶材是否合格。本发明技术方案可以定量、精确判断靶材的组织结构是否均匀分布，尤其针对小晶粒及晶粒间大小相差不大却仍有一定差异的靶材断面，也能达到较好的检测效果，并提前预判靶材的质量如何，提高半导体靶材在溅射过程中的使用质量。

Description

靶材检测方法

技术领域

本发明涉及半导体技术领域，特别涉及一种靶材的检测方法。

背景技术

一般制备溅射靶材的工艺是将符合溅射靶材性能的金属经塑性成形、粗加工和精加工等工艺，加工成尺寸合格的溅射靶材。在溅射靶材的制备工艺完成后，有必要对所述靶材的组织结构进行检测，以确定靶材的基本性能。其中，半导体溅射靶材要求靶材的组织结构均匀，它是镀膜质量稳定的重要保证。

在现有技术中，通常采用对靶材断面的晶粒分布均匀性的分析，达到判定整个靶材组织结构分布均匀性的情况。对靶材断面晶粒分布均匀性的检测，现常用宏观腐蚀方法：对靶材断面进行酸腐蚀处理，暴露靶材断面的晶粒，之后用肉眼观察靶材断面晶粒的分布均匀性情况。

但是，采用宏观腐蚀法检测靶材断面晶粒的分布，对于较大晶粒的靶材可以得到相对准确的检测结果，但对于小晶粒及晶粒大小相差不大却仍有一定差异性的靶材断面就很难做出正确判断。而且，采用宏观腐蚀法只能对靶材断面的晶粒分布做定性分析，无法达到对靶材断面晶粒分布的精确判断。这样，就可能将组织结构较均匀的靶材归入性能不佳靶材的一类而抛弃，造成材料浪费或者将组织结构不均匀的靶材归入性能较佳靶材的一类而造成靶材在溅射过程中，出现溅射慢，沉积薄膜厚度分布不均一等现象，并影响到得到的半导体器件性能。

更多关于靶材检测方法的知识，请参考2007年5月23日公开的公开号为CN1967197A的中国专利文献。

发明内容

本发明解决的问题是现有技术的靶材检测方法无法达到对靶材断面晶粒分布的精确判断。

为解决上述问题，本发明提供一种新的靶材检测方法，包括：

提供靶材；

沿垂直靶材溅射面方向切割靶材，获得至少三个靶材试样，所述靶材试样的切面为靶材断面；

对所有靶材试样的靶材断面进行腐蚀处理；

沿垂直靶材溅射面方向对每一个腐蚀处理过的靶材断面进行多次取图，对应每一个靶材断面得到多张晶粒分布图片；

使用直线截点法对每一张晶粒分布图片进行分析，每一张晶粒分布图片获得一个平均晶粒度；

根据所有平均晶粒度判断靶材是否合格。

可选地，在穿过靶材溅射面中心的直线上获得至少三个靶材试样。

可选地，对所述靶材断面进行腐蚀处理的方法，包括：

对所述靶材断面进行表面处理，得到平整光亮的靶材断面；

使用腐蚀剂，对表面处理过的靶材断面进行化学腐蚀，显示靶材断面的晶界。

可选地，所述表面处理的方法，包括：

对所述靶材断面进行打磨处理，得到平整靶材断面；

对打磨处理后的靶材断面进行抛光处理，得到平整光亮的靶材断面。

可选地，所述对打磨处理后的靶材断面进行抛光处理的方法，包括：以酒精作为润湿剂，对靶材断面进行机械抛光处理；机械抛光处理后，使用清水对靶材断面进行清洗、冷却。

可选地，所述对打磨处理后的靶材断面进行抛光处理的方法为电解抛光。

可选地，当所述靶材为镍合金，则腐蚀剂为质量百分比浓度为65%~68%的硝酸溶液。

可选地，当所述靶材为钛合金，则腐蚀剂为硝酸溶液和氢氟酸溶液的混合溶液，其中，硝酸溶液的质量百分比浓度为65%~68%，氢氟酸溶液的质量百分比浓度为35%~45%的氢氟酸，混合溶液中水、硝酸、氢氟酸的体积比为20：2：1。

可选地，当所述靶材为钽合金，则腐蚀剂为硫酸溶液、硝酸溶液和氢氟酸溶液的混合溶液，其中，混合溶液中硫酸、硝酸和氢氟酸的体积百分比为2：2：5。

可选地，根据所有平均晶粒度判断靶材是否合格的方法，包括：

将每一个平均晶粒度与晶粒度控制范围进行比较，若所有平均晶粒度均处于晶粒度控制范围内，则判断靶材合格；若至少一个平均晶粒度处于晶粒度控制范围外，则判断靶材不合格。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

本发明沿垂直靶材溅射面方向切取靶材，得到至少三个靶材试样，靶材试样的切面为靶材断面；接着，对靶材断面进行腐蚀处理，并进一步沿垂直靶材溅射面方向对每一个靶材断面进行取图，对应每一个靶材断面得到多张晶粒分布图片；紧接着，使用直线截点法对所有晶粒分布图片进行分析，对应每一张晶粒分布图片得到一个平均晶粒度，最终获得多个平均晶粒度；最后，根据所有的平均晶粒度判断靶材是否合格。具体地，若所有的平均晶粒度均在晶粒度控制范围内，则判断靶材断面晶粒大小基本一致，或基本无差别，进一步判断整个靶材的组织结构分布均匀，整个靶材性能良好；若至少一个平均晶粒度在晶粒度控制范围外，则判断整个靶材性能不佳。本发明的技术方案可以定量、精确判断靶材组织结构是否均匀分布，尤其针对小晶粒及晶粒间大小相差不大却仍有一定差异的靶材断面，也能达到较好的检测效果。通过判定整个靶材组织结构的均匀分布情况，可以提前预判靶材的质量如何，避免由于靶材的晶粒大小相差太大，而在溅射过程中出现溅射原子速率慢、溅射原子密度分布不均的情形，并获得较均匀的沉积薄膜厚度，提高了半导体溅射过程中的使用质量。另外，也避免了将性能良好的靶材当作性能不佳的靶材抛弃而造成材料浪费。

附图说明

图1是本发明具体实施例的靶材检测方法的流程示意图；

图2为本发明具体实施例的靶材、靶材试样的结构示意图；

图3为本发明具体实施例的对靶材断面取图的图片示意图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。

参照图2，并结合参照图1，执行步骤S11，提供靶材300。靶材300可以为钽合金、镍合金、钛合金、或铬合金等常用靶材。靶材的形状可以为矩形、圆形、环形或其他形状，靶材的形状并不影响本发明技术方案要达到的技术效果。在本实施例中，靶材的形状为圆形。在本实施例中，使用高纯度或超高纯度的靶材，靶材的纯度范围大于等于99.95%（3N5）。

参照图2和图3，并结合参照图1，执行步骤S12，沿垂直靶材溅射面方向切取靶材，获得至少三个靶材试样301，靶材试样301的切面为靶材断面302。其中，垂直靶材溅射面方向为y方向。在靶材中选取至少三个靶材试样，可以获得靶材多个位置的靶材断面晶粒分布信息，这样会使平均晶粒度的统计结果更加准确，在判断靶材是否合格时也更有说服力。

由于靶材尺寸很大，不同位置的组织结构可能会不同。因此，为尽力获得整个靶材的组织结构信息，就需要对靶材不同位置的组织结构进行检测。结合半导体溅射过程，半导体溅射对平行靶材溅射面的靶材各剖面位置的晶粒分布具有严格要求。若溅射面、平行于溅射面的靶材各剖面位置的晶粒大小不一致，晶向不一致，会影响靶材溅射面的溅射原子速率、溅射原子的密度等参数，进而影响沉积薄膜的厚度分布均匀度。所以，本实施例选取沿靶材厚度方向（垂直溅射面方向），即y方向的靶材试样的切面为靶材断面，后续通过对靶材断面的晶粒分布均匀度来判断靶材的组织结构分布。在本实施例中，在靶材溅射面上，选取穿过靶材溅射面中心的一条直线上的多个靶材试样，包括在该条直线上的靶材中心区域、靶材中心区域与靶材边缘之间的区域、靶材边缘区域获取靶材试样。这样在至靶材中心不同距离处的靶材部分的晶粒分布大致都可以得到检测，进一步得到靶材断面晶粒分布均匀度的结果也更准确，靶材的性能优劣的判断也更准确。

参照图3，并结合参照图1，执行步骤S13，对保持试样301的靶材断面302进行腐蚀处理。对靶材断面302进行腐蚀处理的目的，是“暴露”靶材断面302的晶粒分布，使得靶材断面302的晶粒之间的边界，即晶界清楚显示。

在具体实施例中，对靶材断面302进行腐蚀处理的方法，包括：对靶材断面进行表面处理，得到平整光亮的靶材断面表面；之后，使用腐蚀剂对表面处理过的靶材断面进行化学腐蚀，使得靶材断面的晶界清晰显示。

在具体实施例中，对靶材进行表面处理的方法，包括：首先，以水作为润湿剂，对靶材剖面进行打磨处理，可以先用粗砂纸打磨，再用细砂纸打磨，以得到平整的靶材断面。具体地，依次使用400#、800#、1500#的水性砂纸，如碳化硅砂纸或金刚砂砂纸，对靶材剖面进行打磨，每一次打磨的时间大致为5～10分钟。对靶材断面进行打磨的目的是去除靶材断面的表面氧化层，以保证后续腐蚀效果和晶粒分布显示效果。然后，对打磨处理后的靶材断面进行抛光处理，使得靶材断面表面更加光滑、明亮。在具体实施中，该抛光处理可以使用机械抛光：提供研磨抛光机，在研磨抛光机上配置有绒布或绸布；运作该研磨抛光机并带动绒布或绸布，以酒精作为润湿剂，将靶材断面在蘸有研磨膏的绒布或绸布上进行机械抛光；待抛光处理后，使用清水清洗、冷却靶材断面。对打磨处理后的靶材断面进行抛光处理，进一步清除表面氧化层，得到表面光滑、光亮的靶材断面。

在其他实施例中，在对靶材断面进行打磨处理后，或者在对打磨处理后的靶材断面进行机械抛光后，对靶材断面继续进行电解抛光。具体地，将靶材试样在电解抛光液中进行电解抛光，所述电解抛光液可以使用丹麦Struers公司的Electrolyte A31电解抛光液。将电解抛光液装入电解槽中，然后对靶材试样在常温下进行电解抛光。

由于某些靶材，如钛合金靶材质软，打磨或机械抛光过程中很容易划伤靶材断面，产生磨痕，影响晶界显示效果。采用电解抛光可以去除该磨痕，使需要进行金相观察的靶材断面表面更光滑，进一步确保后续的腐蚀效果。本实施例中，电解抛光是以靶材试样为阳极，不溶于电解抛光液的金属为阴极，两极同时浸入到电解槽中，通以直流电而产生有选择性的阳极溶解。具体为电解抛光时，通电时靶材试样表面会产生电阻率高的稠性黏膜，其厚度在靶材试样表面不均匀。微观下观测到的靶材表面凸出部分较薄，电流密度较大，金属溶解较快；微观下观测到的凹处较厚，电流密度较小，金属溶解较慢。由于稠性黏膜和电流密度分布的不均匀性，微观凸起部分尺寸减少较快，微观下凹处尺寸减少较慢，使靶材断面粗糙度降低，从而达到阳极溶解抛光的目的。

在具体实施例中，使用腐蚀剂对表面处理过的靶材断面进行化学腐蚀。具体地，将表面处理过的靶材试样置入腐蚀剂中，腐蚀剂对靶材断面的腐蚀通常发生在晶界处，因此可以将各个晶粒明显区分开来，以得到清晰的晶粒显示效果。通常，腐蚀剂为硫酸、硝酸或氢氟酸的一种或多种的混合溶剂，更多是它们的混合溶剂，针对不同类型的靶材，腐蚀剂中各成分之间的质量百分比是不同的。当所述靶材为镍合金，则腐蚀剂为质量百分比浓度为65%~68%的硝酸溶液。当所述靶材为钛合金，则腐蚀剂为硝酸溶液和氢氟酸溶液的混合溶液，其中，硝酸溶液的质量百分比浓度为65%~68%，氢氟酸溶液的质量百分比浓度为35%~45%，混合溶液中水、硝酸、氢氟酸的体积比为20：2：1。当所述靶材为钽合金，则腐蚀剂为硫酸溶液、硝酸溶液和氢氟酸溶液的混合溶液，其中，混合溶液中硫酸、硝酸和氢氟酸的体积百分比为2：2：5。在此只是示例性列举，在具体实施例中，需要根据靶材的类型选择合适的腐蚀剂。

参照图3，并结合参照图1，执行步骤S14，沿垂直靶材溅射面方向（y方向）对每一个腐蚀处理过的靶材断面进行多次取图，对应每一个靶材断面得到多张晶粒分布图片303。具体地，使用金相显微镜观察腐蚀处理后的靶材断面的晶粒分布情况，并沿y方向对应靶材断面的各层拍照取图。正如前文所述，靶材在垂直溅射面方向为层次分布，则对靶材断面进行拍照时，对应靶材断面的每层都要取图，即每层都对应至少一个晶粒分布图片。在具体实施例中，可以根据显微镜观察到的晶粒大小确定取图数目。

参照图3，并结合参照图1，执行步骤S15，使用直线截点法对每一张晶粒分布图片303进行分析，每一张晶粒分布图片获得一个平均晶粒度。具体地，每一张晶粒分布图片都对应一个平均晶粒度，最终可获得多个平均晶粒度。

其中，直线截点法是通过规定长度测量直线或网格上的晶界截点数来测定晶粒度的一种方法，其优点是测量结果精确度高，而且直线截点法的适用范围广泛。在具体实施例中，在适当放大倍数M下，在晶粒分布图片中画出数条线段，保证每条线段上至少包括50个截点；计算每条线段上的截点数N；根据公式D=L/（M×N）（L为测量线段长度），得出晶粒的平均直径D的大小。也就是，平均晶粒度用晶粒的平均直径D表示。在具体实施例中，使用直线截点法得到平均晶粒度的过程都可以通过相关软件系统进行。

参照图1，执行步骤S16，根据所有的平均晶粒度判断靶材是否合格。

在具体实施例中，对靶材选取了至少三个靶材试样，对每个靶材试样的靶材断面选取了多张靶材断面图片，相对应的，最终可以得到靶材的多个平均晶粒度。在采用直线截点法对所有的晶粒分布图片进行分析计算得到平均晶粒度后，将每一个平均晶粒度与晶粒度控制范围进行比较：若所有平均晶粒度数值均处于晶粒度控制范围内，则判断靶材断面的晶粒分布均匀性良好，进而判断靶材的组织结构分布均匀，靶材性能较佳；若至少一个平均晶粒度数值处于靶材晶粒度标准范围外，则判断靶材不合格。其中，晶粒度控制范围为该类型的靶材中晶粒大小的控制界限，可以为客户事先预定，也可为行业标准。例如，预期的靶材晶粒度大小为50nm，晶粒大小的控制界限为50±5nm，即晶粒大小的最大值为55nm，最小值为45nm。

通过执行图1所示的步骤S11～S16，可以定量、精确判断靶材的组织结构是否均匀分布，尤其针对小晶粒及晶粒间大小相差不大却仍有一定差异的靶材断面，也能达到较好的检测效果。通过判定整个靶材组织结构的均匀分布情况，可以提前预判靶材的质量如何，避免由于靶材中晶粒尺寸相差太大，而在溅射过程中出现溅射原子速率慢、溅射原子密度分布不均的情形，并获得较均匀的沉积薄膜厚度，提高了半导体溅射过程中的使用质量。

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 (10)

1.一种靶材检测方法，其特征在于，包括：

提供靶材；

沿垂直靶材溅射面方向切割靶材，获得至少三个靶材试样，所述靶材试样的切面为靶材断面；

对所有靶材试样的靶材断面进行腐蚀处理；

沿垂直靶材溅射面方向对每一个腐蚀处理过的靶材断面进行多次取图，对应每一个靶材断面得到多张晶粒分布图片；

使用直线截点法对每一张晶粒分布图片进行分析，每一张晶粒分布图片获得一个平均晶粒度；

根据所有平均晶粒度判断靶材是否合格。

2.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，在穿过靶材溅射面中心的直

线上获得至少三个靶材试样。

3.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，对所述靶材断面进行腐蚀处理的方法，包括：

对所述靶材断面进行表面处理，得到平整光亮的靶材断面；

使用腐蚀剂，对表面处理过的靶材断面进行化学腐蚀，显示靶材断面的晶界。

4.如权利要求3所述的检测方法，其特征在于，所述表面处理的方法，包括：

对所述靶材断面进行打磨处理，得到平整靶材断面；

对打磨处理后的靶材断面进行抛光处理，得到平整光亮的靶材断面。

5.如权利要求4所述的检测方法，其特征在于，所述对打磨处理后的靶材断面进行抛光处理的方法，包括：以酒精作为润湿剂，对靶材断面进行机械抛光处理；机械抛光处理后，使用清水对靶材断面进行清洗、冷却。

6.如权利要求4所述的检测方法，其特征在于，所述对打磨处理后的靶材断

面进行抛光处理的方法为电解抛光。

7.如权利要求3所述的检测方法，其特征在于，当所述靶材为镍合金，则腐蚀剂为质量百分比浓度为65%~68%的硝酸溶液。

8.如权利要求3所述的检测方法，其特征在于，当所述靶材为钛合金，则腐蚀剂为硝酸溶液和氢氟酸溶液的混合溶液，其中，硝酸溶液的质量百分比浓度为65%~68%，氢氟酸溶液的质量百分比浓度为35%~45%的氢氟酸，混合溶液中水、硝酸、氢氟酸的体积比为20：2：1。

9.如权利要求3所述的检测方法，其特征在于，当所述靶材为钽合金，则腐蚀剂为硫酸溶液、硝酸溶液和氢氟酸溶液的混合溶液，其中，混合溶液中硫酸、硝酸和氢氟酸的体积百分比为2：2：5。

10.如权利要求1所述的检测方法，其特征在于，根据所有平均晶粒度判断靶材是否合格的方法，包括：

将每一个平均晶粒度与晶粒度控制范围进行比较，若所有平均晶粒度均处于晶粒度控制范围内，则判断靶材合格；若至少一个平均晶粒度处于晶粒度控制范围外，则判断靶材不合格。