CN104694894B - 一种高透磁钴靶及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有优异磁控溅射性能的高透磁率钴靶及其制备方法，主要应用于薄膜材料领域，以形成高质量钴溅射薄膜。本发明的高透磁钴靶的纯度在99.9%‑99.999%，最大磁导率不高于8，靶材直径100‑450mm，厚度3‑5mm，透磁率（PTF）不低于70%。该制备方法包括，多向热锻、热轧、冷轧和冷轧后的交变磁场热处理。所制备的靶材能很好的满足磁控溅射工艺对钴靶的要求，得到的薄膜均匀性良好，性能优异。

Description

一种高透磁钴靶及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种具有优异磁控溅射性能的高透磁率钴靶及其制备方法，主要应用于薄膜材料领域，以形成高质量钴溅射薄膜。

背景技术

在半导体集成电路工艺中，实现半导体各个器件之间，各个器件与外加电源信号之间有效连接，金属布线与半导体器件的连接显得非常重要。随着半导体器件尺寸的不断变小，超大规模集成电路已经向纳米尺度扩展，对所制作的材料要求越来越高，各个器件连接所引起的接触电阻造成的信号延迟越来越严重，因此在亚微米阶段就引进了金属硅化物，而钴硅化物是最常用的材料。

硅化钴具有高电导率，良好的热稳定性及化学稳定性，已经在大规模集成电路和其他半导体器件中作为接触和薄膜互联材料获得了广泛的应用。而获得最广泛应用的磁控溅射是制备钴薄膜的理想工艺，钴的晶格常数与硅相当，与硅具有良好的匹配性，通过磁控溅射工艺得到钴的薄膜与硅在高温下退火便形成钴硅化物，因此作为磁控溅射材料来源的钴靶就显得尤为重要。

图1是磁控溅射原理的示意图。一般来说，首先在反应压力容器中通入惰性气体氩气，靶材作为阴极接在电源的负极上，基片为正极，当所加电压达到一定值时，惰性气体电离，产生的氩离子在电场作用下加速轰击靶材，使之产生原子，在基片上沉积形成薄膜。靶材的背面加一套永久性强磁铁，依靠散布在外的磁场使气体电离产生的离子在洛伦磁力的作用下在磁场内做摇摆运动，增加了离子在氩气氛中运动的路程，离子与气氛的充分运动，提高了离化效率，增加了反应离子的数量，使溅射可以维持在较高的真空下以较快的速率沉积。

钴是一种常见的软磁材料，具有很高的磁导率，在软磁材料领域获得了广泛的应用。但在磁控溅射时，对钴靶的磁性要求却是相反的，即要尽可能降低其磁导率。当用具有高磁导率的钴做成靶材，磁场将主要集中在靶材的内部，而散布在外部的磁场则相对少得多，由于存在严重的磁屏蔽效应，溅射往往难以进行。为了克服这个问题，一般铁磁性靶材都是通过减薄靶材的厚度使透过的磁场增强而达到磁控溅射的要求，但这往往降低了靶材的利用率和基片的出片量，同时增加了成本和提高了劳动强度。

解决这一根本问题的办法是降低铁磁性材料磁屏蔽效应，降低材料的磁导率，增加靶材表面磁场，通常定义溅射磁场中近靶材表面同一位置有靶材存在时的磁场强度和无靶时的磁场强度之比为透磁率（PTF）。透磁率越高，靶材表面的磁场强度越高，靶材越好使用。而透磁率低到一定限度，则靶材根本无法使用。

钴常温下是一种密排六方金属，熔点约1495℃，在高温下是面心立方结构，当冷却至约421℃时，面心立方将转变成密排六方结构。面心立方各个不同方向的性能存在一些差异，但是差异并不是太大，因此磁晶各向异性相对较弱，磁导率也较高。但对于密排六方而言，C轴方向的原子排布与其它方位的原子排布差异较大，因此该方向的性能与其它晶向的明显不同，研究显示C轴方向为易磁化方向，磁场容易从该方向穿过，而垂直于其方向磁场不容易通过。当外加磁场存在时，晶体中的<0001>方向也会显示出沿磁场取向排列，因此在制作靶材时，应当使易磁化的<0001>方向尽可能的垂直于靶面，这样磁场更容易从靶面穿过，提高了磁场穿透的能力，即PTF，如图2所示。

当前一些专利仅仅是从加工工艺上的改进来制备钴靶，如国内专利201110430577.2，201110431047.X，无论是采用粉末冶金还是塑性加工工艺制备的靶材，只关注晶粒细小均匀，而并无涉及材料的晶体结构对性能的影响，更没有提及如何控制晶体学取向，只能制备出低PTF的钴靶。在实际使用中，往往不能使用或通过减薄靶材本身提高PTF，造成成本很高。

国内专利CN200310124552.5没有对塑性加工对晶体取向的影响做深入的研究，但其较好的分析了磁场对晶体学取向和PTF的影响，控制方法的核心是在加工的多道工序中均引入高于100A/m的磁场，工艺较繁琐，整个工序成本较高。

而国外专利US6652668B1通过在轧制后用液氮急速冷却增加应力来提高钴靶的PTF，不仅生产成本高，而且批量化生产也不方便。US6585866B2通过数道冷轧来提高PTF，由于钴的冷加工塑性较差，需要多道次的退火，增加了工艺步骤，同时PTF提高的幅度也有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种高透磁钴靶及其制备方法。

主要工艺如下：

一种高透磁钴靶，

（1）纯度为99.9%-99.999%；

(2）靶材直径为100-450mm，靶材厚度3-5mm；

（3）靶材最大磁导率不高于8；

(4)透磁率不低于70%。

上述钴靶的制备方法，包括以下步骤：

（1）将纯度为99.9%-99.999%的钴锭进行锻造成为锻锭；

（2）将锻锭进行热轧成为板坯，热轧的温度为700-1000℃，保温1-2h道次变形率为20%-30%，总变形率不低于80%。，热轧后淬水；

（3）将板坯进行冷轧，冷轧总变形率为8%-20%；

（4）冷轧后进行热处理，将靶坯加工成靶材。

步骤（1）中所述锻造为多向锻造，锻造温度为800-1100℃，锻前保温1-2h。

步骤（2）中所述热轧方式为交叉轧制。

步骤（3）中所述热处理为交变磁场热处理，磁场垂直于靶面方向，磁场强度在0.5T-1.5T之间，频率20-1000Hz，退火温度为450-550℃，在1-10℃/min的冷却速度下冷却至400℃以下取出，淬水。

本发明与现有技术相比，运用晶体学的基本原理结合合理的塑性加工及磁场热处理工艺，通过塑性加工来细化晶粒，运用合适的冷轧工艺来形成较强的<0001>晶向垂直于靶面，同时在合适的温度下辅助外加交变磁场来对晶体内部的<0001>方向进行取向，使晶体内剩余的未垂直于靶面的<0001>垂直于靶面，进一步改善材料的晶体学取向，同时交变磁场具有均匀组织的作用，从而得到<0001>晶向绝大部分垂直于靶面方向的钴靶，得到高透磁，组织均匀的钴靶。如图3-4所示。本专利工艺流程相对较短，设备要求不高，得到的钴靶PTF比传统的冷热轧制、退火的工艺要高，因此靶材具有更好的磁控溅射性能。

附图说明

图1为磁控溅射原理的示意图。

图2为钴原子排列示意图。

图3为未磁场取向前<0001>晶向排列及磁场取向后<0001>晶向排列示意图。

图4为钴靶的制备工艺流程图。

图5为实施例一（A）和实施例四（B）的样品的XRD图。

图6为实施例一（A）和实施例四（B）的样品的（0001）极图。

具体实施方式

下面将具体实施例和一般普通方法所涉及的方法进行比较，来体现本发明的特点。

实施例一

按图4所示流程图：

（1）将99.9%钴锭在800℃保温1h后，进行锻造；

（2）将锻锭在700℃下保温1h，然后进行热轧，道次变形率20%，总变形率80%，轧后淬水；

（3）将靶坯进行冷轧，总变形率8%；

（4）将（3）所得板坯进行特殊的交变磁场热处理，磁场垂直于靶面方向，磁场强度在0.5T，频率20Hz，退火温度为450℃，在1℃/min的冷却速度下冷却至399℃，立即取出，淬水；

（5）精密数控加工成直径100mm，厚度5mm的靶材。

实施例二

按图4所示流程图：

（1）将99.99%钴锭在900℃保温1.5h下，进行锻造；

（2）将锻锭在850℃下保温1.5h，然后进行热轧，道次变形率25%，总变

形率85%，轧后淬水；

（3）将靶坯进行冷轧，总变形率15%；

（4）将（3）所得板坯进行特殊的交变磁场热处理，磁场垂直于靶面方向，磁场强度在1T，频率500Hz，退火温度为500℃，在4℃/min的冷却速度下冷却至380℃，淬水；

（5）精密数控加工直径300mm，厚度3mm的靶材。

实施例三

按图4所示流程图：

（1）将99.999%钴锭在1100℃保温2h下，进行锻造；

（2）将锻锭在1000℃下保温2h，然后进行热轧，道次变形率30%，总变形率88%，轧后淬水；

（3）将靶坯进行冷轧，总变形率20%；

（4）将（3）所得板坯进行特殊的交变磁场热处理，磁场垂直于靶面方向，磁场强度在1.5T，频率1000Hz，退火温度为550℃，在10℃/min的冷却速度下冷却至370℃，立即取出，淬水；

（5）精密数控加工成直径450mm，厚度4mm的靶材。

将实施例一，二，三和通常方法即热锻后热轧，再冷轧的方法（定义为实施例四）所制备的钴靶分别取样，样品轧制面为测试平面。下面仅通过分析样品的XRD和极图的微观结构测试手段来对比实施例一和实施例四，通过测试磁性能来对比实例例一，二，三，四所制备钴靶的性能差异。

实施例一和实施例四的样品的XRD分别为图5（A）、（B）所示，两个样品的各晶面含量对比如表1所示。

表1两个样品的各晶面含量对比表

晶面	（10-10）	(0001)	(10-11)	(10-12)	(11-20)	(10-13)
							实施例一	1.1%	53.5%	0.3%	43.1%	0.6%	1.4%
实施例四	3.2%	23.5%	15.6%	53.9%	2.1%	1.7%

通过对比可以发现，采用本发明专利技术制作的靶材相比传统工艺制作的靶材在微观结构上，晶体取向主要集中于（0001）面上，其比例占到了53.5%，而传统工艺制作的样品（0001）比例只有23.5%。极图也显示实施例一样品（0001）极密度（如图6（A））远大于实施例四样品（如图6（B））。

用振动样品磁强计和利用北京有色金属研究总院专利200920350675.3所制备的测量装置对实施例一，二，三，四所制备钴靶的最大磁导率和透磁率（PTF）进行测量，比较其对磁场透过性能的差异。在性能上，本发明中实施例三得到了磁导率为6.51，PTF为78.2%的低磁导率、高透磁钴靶；而传统工艺制作的钴靶磁导率高达150，PTF在同样尺寸下衰减到52.2%，差异明显。

表2四种样品最大磁导率和透磁率（PTF）对比表

样品编号	最大磁导率	PTF
			实施例一	7.95	70.1%

实施例二	7.51	77.9%
			实施例三	6.51	78.6%
实施例四	150.2	52.2%

可见，采用本发明专利所制备的钴靶对磁场的透过率明显优于传统的锻造、热轧、冷轧、退火的工艺，达到了较好的性能控制要求。

Claims (3)

1.一种高透磁钴靶的制备方法，所述高透磁钴靶，

(1)纯度为99.9％-99.999％；

(2)靶材直径为100-450mm，靶材厚度3-5mm；

(3)靶材最大磁导率不高于8；

(4)透磁率不低于70％；

其特征在于，该制备方法包括以下步骤：

(1)将纯度为99.9％-99.999％的钴锭进行锻造成为锻锭；

(2)将锻锭进行热轧成为板坯，热轧的温度为700-1000℃，保温1-2h，道次变形率为20％-30％，总变形率不低于80％，热轧后淬水；

(3)将板坯进行冷轧，冷轧总变形率为8％-20％；

(4)冷轧后进行热处理，将靶坯加工成靶材；所述热处理为交变磁场热处理，磁场垂直于靶面方向，磁场强度在0.5T-1.5T之间，频率20-1000Hz，退火温度为450-550℃，在1-10℃/min的冷却速度下冷却至400℃以下取出，淬水。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述锻造为多向锻造，锻造温度为800-1100℃，锻前保温1-2h。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述热轧方式为交叉轧制。