CN104439246A - 铬靶材的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种铬靶材的制造方法，包括：采用热压烧结工艺，在预设温度为1100～1300℃，预设压强大于30MPa的条件下，对铬粉末进行致密化处理，形成铬靶材坯料；之后冷却所述铬靶材坯料，形成铬靶材。采用上述技术方案，可形成致密度高达99.5%，平均晶粒度小于50μm，且结构均匀的铬靶材。而且相比于热等静压工艺，本发明降低了铬靶材制造工艺的工艺设备要求和工艺条件，节约了工艺成本。

Description

铬靶材的制造方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种铬靶材的制造方法。

背景技术

铬是一种银白色金属，其对于酸和碱均具有较好的耐腐蚀性，且在大气中钝化能力强，不易与空气发生反应，可长久地保持光泽，而且铬还具有较高的硬度和电阻率。

基于上述优势，铬在机械功能薄膜层、微电子薄膜、电磁功能薄膜、光学薄膜表面工程中得到广泛应用。其中，在微电子薄膜以及电磁功能薄膜应用中，大多通过溅射镀膜工艺以形成铬薄膜。而在溅射镀膜工艺中，所使用的铬靶材的质量对于形成的铬薄膜具有重要影响。如铬靶材的致密度、晶粒尺寸，以及铬靶材各部分组织均匀度，直接影响铬靶材的溅射速率以及铬薄膜的均匀度。

在铬靶材制造的现有技术中，一般采用热等静压工艺（HIP）工艺。HIP工艺可制取致密度较高，结构较为均匀的铬靶材。但热等静压工艺往往需要在大于100MPa，1200℃条件下进行，热等静压工艺对于制造设备要求高，工艺条件苛刻，铬靶材制造成本高，且成品率低。具体地可参考中国专利文献CN1074843A。

为此，如何在确保制造的铬靶材的质量同时，改进铬靶材的制造工艺，以降低铬靶材制造条件和成本是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种铬靶材的制造方法，在确保形成的铬靶材质量同时，降低铬靶材制造工艺对于设备以及工艺条件要求，从而降低铬靶材制造成本。

为解决上述问题，本发明提供一种铬靶材的制造方法，包括：

提供铬粉末；

采用热压烧结工艺，在预设温度为1100～1300℃，预设压强大于30MPa的条件下，对铬粉末进行致密化处理，形成铬靶材坯料；

冷却所述铬靶材坯料，形成铬靶材。

可选地，所述热压烧结工艺包括在所述预设温度和预设压强条件下，对所述铬粉末保温保压加热3～5小时。

可选地，所述预设压强为30～40MPa。

可选地，所述热压烧结工艺还包括：

将铬粉末置于模具中；

将所述模具放入热压烧结炉中后，调节热压烧结炉内的真空度至小于等于0.1Pa。

可选地，所述热压烧结工艺还包括：

将所述模具放入热压烧结炉中后，调节压强至1～2MPa，之后调节所述热压烧结炉内的真空度至小于等于0.1Pa，并逐渐升温至预设温度；

之后，再调节热压烧结炉内压强至预设压强。

可选地，逐渐升温的升温速率为5～10℃/min。

可选地，在调节所述热压烧结炉内的温度至预设温度后，以0.5～1MPa/min的加压速率调节热压烧结炉内的压强至预设压强。

可选地，所述铬靶材坯料的冷却的过程包括：保持热压烧结炉内的压强为预设压强，调节所述热压烧结炉内的温度，并使所述热压烧结炉在20～25小时内降至室温。

可选地，所述铬粉末的纯度大于等于99.9%。

与现有技术相比，本技术方案具有以下优点：

在热压烧结工艺中，1100～1300℃条件下，铬粉末会出现结晶软化，进而出现热塑性形变，铬颗粒间接触扩散，错位密度大幅度增加，并在铬颗粒间出现键连和重排；且在压强大于30MPa条件下，铬颗粒相互靠拢，铬颗粒之间的空隙的总体积迅速减少，并逐渐粘结，使得形成的铬坯料强度逐渐提高，从而提高获得的铬靶材的致密度，而且铬颗粒处于热塑性状态下加压，有助于铬颗粒间扩散，从而提高形成的铬靶材各部分的均匀度。采用上述技术方案，可形成致密度高达99.5%，平均晶粒度小于50μm，且结构均匀的铬靶材。而且相比于热等静压工艺，本发明降低了工艺设备要求和工艺条件，节约了工艺成本。

可选方案中，在形成铬靶材坯料后，在保持热压烧结炉内的压强为预设压强，调节所述热压烧结炉内的温度，并使所述热压烧结炉在20～25小时内逐渐降至室温。在上述冷却过程中，使温度逐渐降低，有助于铬靶材坯料充分释放在上述热压烧结过程中在铬靶材坯料内部形成的应力，使铬靶材坯料的内力逐渐达到平衡状态，同时所述铬靶材坯料内部的晶粒变为更加均匀的等轴晶粒，铬靶材内部晶粒结构得到进一步优化，从而提高铬靶材内部的机械性能和稳定性，避免形成的铬靶材出现开裂等现象；而且在冷却过程中工，始终保证热压烧结炉内的压强不变，可有效保证铬靶材坯料内部结构的稳定性，实现靶材坯料内部结构优化。

附图说明

图1是本发明实施例提供的铬靶材的制造方法的流程图；

图2和图3是本发明实施例提供的铬靶材的制造方法中热压烧结工艺的示意图；

图4为本发明实施例提供的铬靶材的晶粒尺寸测试的方法示意图。

具体实施方式

正如背景技术所述，现有的铬靶材的制造方法对于工艺设备要求高，且制造工艺条件苛刻，使得铬靶材的制造成本高，且成品率低。为此，本发明提供了一种新的铬靶材的制造方法，所述铬靶材的制造方法采用热压烧结工艺，并配合特定的温度、压强控制等工艺设定，获取致密度大于99.5%，晶粒颗粒小于50μm，且内部结构均匀的高质量的铬靶材，以满足溅射镀膜工艺对于铬靶材的要求。此外，相较于现有的铬靶材的制造工艺，本发明提供的铬靶材的制造方法对于工艺设备要求低，工艺条件易于控制，从而降低铬靶材的制造工艺成本。

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。

首先，参考图1所示，执行步骤S1，提供铬粉末。

本实施例中，所采用给的铬粉末的纯度大于等于99.9%。

在本实施例提供的制备铬靶材工艺中，选用的铬粉末纯度不仅会影响最终形成的铬靶材的纯度，而且在后续的热压烧结过程中，铬粉末在加热出现结晶软化，出现热塑性形变后，铬颗粒间出现键连和重排；铬颗粒相互靠拢并逐渐粘结，所用的铬粉末纯度直接影响铬颗粒间的粘结强度。本实施例中，采用的铬粉末纯度大于等于99.9%，有助于提高铬颗粒间的粘结强度，提高形成的铬坯料强度，从而提高获得的铬靶材的致密度。而且，采用高纯度的铬粉末，可有效减少最终形成的铬靶材中的杂质，从而减少溅射镀膜工艺的污染源，提高沉积形成的薄膜的均匀度。

接着执行步骤S2，采用热压烧结工艺，在预设温度为1100～1300℃，预设压强大于30MPa的条件下，对铬粉末进行致密化处理，形成铬靶材坯料。

图2和图3为热压烧结工艺的示意图。所述热压烧结工艺具体包括：

参考图2所示，先将铬粉末10置于模具20中，并所述模具20放入热压烧结炉30内，调节所述热压烧结炉30内的压强为1～2MPa，之后将所述热压烧结炉抽真空，调节所述热压烧结炉30内的真空度至小于等于0.1Pa。

在抽真空前，调节热压烧结炉30内的压强至1～2MPa，可有效防止抽真空过程中，铬粉末大量溢出，从而妨碍后续工艺进行。而将所述热压烧结炉30内的真空度至小于等于0.1Pa，可有效防止后续热压烧结工艺中，金属铬与空气反应而出现铬被氧化的缺陷，从而影响最终形成的铬靶材的质量。

在调节所述热压烧结炉30内的真空度小于0.1Pa后，调节热压烧结炉30的温度，并逐渐升温至预设温度，本实施例中，所述预设温度为1100～1300℃，具体地包括1100℃、1150℃、1200℃、1250℃、1300℃等。

本实施例中，控制所述逐渐升温的升温速率为5～10℃/min，直至所述预设温度。

随着热压烧结炉30内的温度升高，铬颗粒10出现软化热塑性形变，呈热塑性状态的铬颗粒间接触扩散，出现流动传质运动，铬颗粒错位密度大幅度增加。随着温度不断上升，并至铬的再结晶温度后，铬颗粒间的键连和重排，颗粒间相互靠拢，铬颗粒间逐渐粘结，使得靶材坯料密度增加，粘结成铬靶材坯料。而且在升温期间，铬靶材坯料中的气体和水分挥发。

本实施例中，控制热压烧结炉30的升温速率为5～10℃/min，若升温速率低于过低（＜5℃/min）铬颗粒受热不充分，若升温过快（＞10℃/min）则铬靶材坯料中的气体、水分无法排除彻底。5～10℃/min的升温速率既可保证铬颗粒充分受热，使铬颗粒粘结和流动传质充分进行，同时使得铬靶材坯料中吸附的气体和水分被彻底排除，从而有效提高铬颗粒间的粘结性进而提高铬靶材坯料的致密度。

在所述热压烧结炉30内的温度达到预设温度后，调节所述热压烧结炉30内的压强，逐渐升至预设压强。所述预设压强大于30MPa，可选地为30MPa～40MPa。之后，在预设温度为1100～1300℃，预设压强为30MPa～40MPa的条件下保温保压加热3～5小时。

当所述热压烧结炉30内的温度至1100～1300℃后，铬颗粒呈热塑性状态，且铬颗粒间发生键连和重排，铬颗粒间相互靠拢，铬颗粒间逐渐粘结。此时逐渐升热压烧结炉30内的压强，使热压烧结炉30内的铬颗粒单向受压，促进排除铬颗粒间的气体和水分，增强铬颗粒间的粘合强度，以提高形成的铬靶材坯料的致密度，而且还可有效控制形成的铬颗粒的尺寸。

本实施例中，在所述热压烧结炉30内温度至预设温度后，以0.5～1MPa/min的加压速率调节热压烧结炉内的压强至预设压强。本实施例中，若加压速率太慢（＜0.5MPa/min），工艺操作时间过长，能耗高，若加压速率过大（＞1MPa/min）则可能造成铬靶材内的气体、水分无法充分排除，且过大的加压速率抑制铬颗粒间的流动传质运动，降低形成的铬靶材坯料的均匀度。

本实施例中，在保温保压加热过程中，铬颗粒间持续接触扩散，并不断发生键连和重排，铬颗粒的再结晶颗粒不断长大。其中，加热温度越高，时间越长，铬的结晶颗粒越大。而铬靶材中的硬度以及致密度和铬结晶颗粒大小相关，铬结晶颗粒越大，铬靶材的硬度以及致密度越低。为此，本实施例中，控制加热温度为1100～1300℃，持续时间为3～5小时，可有效完成铬再结晶工艺，确保铬颗粒间的粘结强度的同时，确保形成的铬靶材的致密度和硬度，以提高后续形成的铬靶材在溅射镀膜工艺后，形成的铬薄膜的质量。

参考图3所示，在上述保温保压加热后，形成铬靶材坯料11。

之后，继续参考图1所示，执行步骤S3，冷却所述铬靶材坯料11，形成铬靶材。

本实施例中，所述冷却工艺具体包括：保持所述热压烧结炉内的压强不变（保持为预设压强），逐渐降低所述热压烧结炉内的温度，使得所述热压烧结炉在20～25小时内降至室温。

在上述冷却工艺中，铬靶材坯料的温度逐渐降低，有助于铬靶材坯料充分释放在上述热压烧结过程中，在铬靶材坯料内部形成的应力，使得铬靶材坯料内并逐渐达到平衡状态，同时使得所述铬靶材坯料内部的晶粒变为结构更加均匀的等轴晶粒，从而使得铬靶材坯料的内部结构得到进一步优化。而且在冷却过程中工，始终保证热压烧结炉内的压强不变，可有效保证铬靶材坯料内部结构的稳定性，从而提高铬靶材内部的机械性能和稳定性，避免形成的铬靶材出现开裂等现象。

经检验，在上述冷却工艺，获得的铬靶材中的铬靶材内的晶粒粒度小于50μm（测试方法：GB T6394-2002，金属平均晶粒测定方法），致密度达到99.5%（测试方法：GB3850-83≈ISO3369-1975，致密烧结金属材料与硬质合金密度测定方法）。

参考图4所示，在获得铬靶材后，沿所述铬靶材的中心轴在铬靶材上划分多个层面，如图4中显示D、E、F层面，并在各个层面上，距离各层面中心不同距离的位置处获取多个取样点如图4中显示的A、B、C点，以测试获得的铬靶材不同位置上的铬晶粒尺寸。经测试，在不同层面上，在同一层间的不同位置处，获得的铬靶材的晶粒尺寸鉴于33～25μm之间。

下表1所示的是，一个采用本实施例获得的铬靶材的晶粒尺寸测试数据，单位：微米（μm）。

	A	B	C
				D	26	31	28
E	28	29	26
				F	25	27	30

其中，D、E、F层为沿靶材厚度方向均匀分布的三层，A、B、C点为由靶材的中心处至靶材边缘均匀均匀分布的三个点。

由测试结果可知：采用本实施铬靶材的制造方法获得的铬靶材，在不同位置处的铬晶粒尺寸差异小，铬靶材的内部组织结构均匀。因而在溅射镀膜工艺中，铬靶材各部分的溅射速率相似，进而可有效控制铬靶材的溅射速率，并获得结构均匀的铬薄膜。

采用本发明铬靶材的制造工艺可形成晶粒粒度小于50μm，致密度高达99.5%，且内部结构均匀的高质量铬靶材，以符合溅射镀膜工艺需求。而且相比于现有的HIP工艺，其对于工艺设备要求低，工艺操作更易控制，从而提高铬靶材制造的成品率，并有效节省工艺成本。

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)

1.一种铬靶材的制造方法，其特征在于，包括：

提供铬粉末；

采用热压烧结工艺，在预设温度为1100～1300℃，预设压强大于30MPa的条件下，对铬粉末进行致密化处理，形成铬靶材坯料；

冷却所述铬靶材坯料，形成铬靶材。

2.根据权利要求1所述的铬靶材的制造方法，其特征在于，所述热压烧结工艺包括在所述预设温度和预设压强条件下，对所述铬粉末保温保压加热3～5小时。

3.根据权利要求1所述的铬靶材的制造方法，其特征在于，所述预设压强为30～40MPa。

4.根据权利要求1所述的铬靶材的制造方法，其特征在于，所述热压烧结工艺还包括：

将铬粉末置于模具中；

将所述模具放入热压烧结炉中后，调节热压烧结炉内的真空度至小于等于0.1Pa。

5.根据权利要求4所述的铬靶材的制造方法，其特征在于，所述热压烧结工艺还包括：

将所述模具放入热压烧结炉中后，调节压强至1～2MPa，之后调节所述热压烧结炉内的真空度至小于等于0.1Pa，并逐渐升温至预设温度；

之后，再调节热压烧结炉内压强至预设压强。

6.据权利要求5所述的铬靶材的制造方法，其特征在于，逐渐升温的升温速率为5～10℃/min。

7.据权利要求5所述的铬靶材的制造方法，其特征在于，在调节所述热压烧结炉内的温度至预设温度后，以0.5～1MPa/min的加压速率调节热压烧结炉内的压强至预设压强。

8.据权利要求1所述的铬靶材的制造方法，其特征在于，所述铬靶材坯料的冷却的过程包括：保持热压烧结炉内的压强为预设压强，调节所述热压烧结炉内的温度，并使所述热压烧结炉在20～25小时内降至室温。

9.据权利要求1所述的铬靶材的制造方法，其特征在于，所述铬粉末的纯度大于等于99.9%。