CN105296945B - 一种铝合金溅射靶材及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于溅射靶材制备技术领域的一种铝合金溅射靶材及其制备方法。本发明所述的铝合金溅射靶材由Al、Cu和难熔金属组成，原材料为高纯原材料。所述铝合金溅射靶材通过熔炼、热机械化处理及成型加工等工艺制备而成。本发明制备的铝合金溅射靶材的纯度在99.995％以上，晶粒细小均匀，晶粒尺寸控制在200μm以内，综合性能优异，可用于高可靠性高稳定性铝薄膜的制备。

Description

一种铝合金溅射靶材及其制备方法

技术领域

本发明属于溅射靶材技术领域，特别涉及一种含Cu和难熔金属的高纯铝合金溅射靶材及其制备方法。

背景技术

铝电子薄膜由于电阻率较低(室温为2.7μΩ·cm)、易沉积、易刻蚀、工艺成熟等优点，作为电极或者互连线材料广泛应用于集成电路、分立器件以及新型显示等电子信息领域。纯铝工艺由于存在硅铝固态互溶而产生铝尖峰、应力迁移(SM)以及电迁移(EM)等问题，最终导致器件失效和产出率下降。研究表明，通过在铝中添加合金元素，可以解决上述问题。早期，为了消除铝尖峰以及改善铝的抗应力迁移能力，在高纯铝中添加了适量的Si元素，发展出AlSi合金；为了提升铝的抗电迁移能力，在高纯铝中添加了适量的Cu元素，发展出AlCu、AlSiCu合金；随着铝工艺的发展，在铝薄膜外层再制备Ti、Ta、Mo等阻挡层薄膜，使得铝薄膜不与硅基片直接接触，进而在高纯铝中就不需要添加Si，并且Si的存在还会降低铝材料的导电率，所以可以直接用AlCu合金。因此，AlCu合金是目前最常见的导电互连材料。

常规的AlCu合金溅射靶材，铜含量一般为0.5～5wt.％，制备的薄膜材料由于合金元素的固溶强化以及二次相的作用，其组织稳定性随着铜含量的增加得到提升，但是电阻率也明显增加，因此材料的综合性能难以满足要求，特别是电子器件在高温条件下长时间工作时，铝薄膜综合性能难以得到保障。因此，急需开发新的铝合金溅射靶材，进而制备出高性能的铝薄膜材料。

本发明在铝铜合金的基础上，基于集成电路、分立器件和新型显示等领域的特点，选择性地添加几种特定的难熔金属元素，制备出新型高性能铝合金溅射靶材。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铝合金溅射靶材及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

一种铝合金溅射靶材，其特征在于，所述铝合金溅射靶材由难熔金属的一种或一种以上，Al和Cu组成；其中，Cu含量为0.1～4wt％，难熔金属含量为0.05～0.5wt％，余量为Al；所述难熔金属是指熔点高于1650℃的金属。

所述难熔金属为W、Mo、Ta、Hf或Ru。

所述的铝合金溅射靶材的纯度在99.995％以上。

所述铝合金溅射靶材的晶粒均匀，晶粒尺寸在200μm以内。

所述铝合金溅射靶材的制备方法包括如下步骤：

(1)熔炼：采用高纯原材料，根据Al、Cu和难熔金属的成分要求设定投料配比，进行熔炼，得到高纯合金铸锭；

(2)热机械化处理：对高纯合金铸锭依次进行固溶处理和三向锻造；随后通过中间退火处理消除锻造应力；最后进行多道次往复冷轧，道次变形量控制在8-20％，总变形量达到60％以上，轧制后经过最终退火处理得到溅射靶材坯料；

(3)成型加工：将所得的溅射靶材坯料进行机加工，制备出铝合金单体溅射靶材；或将机加工后的单体溅射靶材与背板焊接制备出复合溅射靶材。

熔炼采用的高纯原材料的纯度在99.99％以上。

所述高纯原材料为高纯铜或高纯铜铝合金，高纯铝、高纯难熔金属单质材料。

熔炼方式为真空电磁感应静模浇铸或电磁搅拌半连续铸造。

所述中间退火处理及结晶退火处理的退火温度为200-480℃，退火时间为1-5h。

所述冷轧方式为单向或换向轧制。

本发明提出的铝合金溅射靶材在AlCu合金的基础上添加难熔金属合金元素，通过熔炼、热机械化处理和成型加工等工艺制备而成，具有如下优点：

(1)铝合金材料的薄膜性能优异：采用该铝合金溅射靶材制备的薄膜，由于高稳定性的难熔金属对铝合金薄膜进行了固溶强化，使得其具有良好的抗EM性能，同时薄膜强度得到增加，再结晶温度提升，在高温条件下能保持优异的热稳定性。此外，由于添加的难熔金属元素控制在一定范围内，主要以固溶形式存在于铝基体中，不会与铝形成析出相，因此能够保持电阻率不发生明显改变。

(2)靶材组织性能控制及工艺流程更加便利：首先在熔炼过程中，添加的难熔金属作为高熔点的异质形核剂，能够细化铸锭的晶粒尺寸；同时由于难熔金属的添加，铝合金材料的再结晶温度升高，靶材的微观组织更加容易控制，材料不容易发生异常晶粒长大，加工工艺窗口更宽；此外，合金材料强度的提升，制作可以不需要焊接，直接制备的单体靶材满足溅射要求，减少工艺流程，提高生产效率。

(3)对于集成电路、分立器件和新型显示等应用来说，本发明选用的W、Mo、Ta、Hf、Ru等难熔金属是整个芯片、器件制备中常用的金属元素，不会因为额外的元素添加而造成对工艺过程的污染。

附图说明

图1用本发明制备的铝合金溅射靶材制备的薄膜均匀性测试结果示意图。

图2采用本发明制备的铝合金薄膜形貌图。

图3常规铝合金薄膜异常的形貌图。

具体实施方式

下面通过附图和具体实施方式对本发明做进一步说明，但并不意味着对本发明保护范围的限制。实施例中选择三种不同成分配比的铝合金进行实验，分别为Al-0.5wt％Cu-0.25wt％W-0.25wt％Mo、Al-1.0wt％Cu-0.1wt％Ta和Al-2wt％Cu-0.05wt％Hf，但并不意味着对本发明保护范围的限制。

实施例1：Al-0.5wt％Cu-0.25wt％W-0.25wt％Mo

首先进行铝合金溅射靶材的制备。

1.选用99.9995％的高纯铝、99.9999％高纯铜、99.99％高纯钨和99.99％高纯钼原材料，按照合金成分进行配比，采用真空电磁感应熔炼炉进行熔炼，浇铸到水冷铜坩埚里，形成的合金铸锭；

2.选择在450℃的温度对合金铸锭进行固溶处理，时间控制在12h；将合金铸锭进行三向锻造，再进行中间退火处理，退火温度为320℃，保温时间为4h；进行换向冷轧，变形量在60％以上，道次变形量8％，再进行结晶退火，退火温度为300℃，保温时间为4h，得到均匀、细化的再结晶微观组织。得到的溅射靶材的平均晶粒尺寸约90μm，并且尺寸分布均匀。

3.根据溅射靶材成品图纸要求，对溅射靶材进行加工，制备铝合金单体溅射靶材。

对于制备的铝合金溅射靶材进行溅射镀膜实验，制备的薄膜的均匀性控制满足要求，结果见附图1。制备的薄膜在后续400℃高温处理后，薄膜表面无异常，没有发现采用铝铜合金时出现的晶粒长大或突起等现象，见附图2。再对该铝合金溅射靶材进行后续电学性能测试，测试结果如表1所示。

表1：铝合金溅射靶材电学性能测试结果

结果表明，制备的铝合金溅射靶材的电学性能满足应用需求，保证了整个器件的可靠度。

实施例2：Al-1.5wt％Cu-0.4wt％Ta

首先进行铝合金溅射靶材的制备。

1.选用99.9995％的高纯铝、99.999％高纯Al-2wt％Cu、99.99％高纯钽原材料，按照合金成分进行配比，采用电磁搅拌半连续铸造进行熔炼成型，制备成的合金铸锭；

2.选择在420℃的温度对合金铸锭进行固溶处理，时间控制在8h；将合金铸锭进行三向锻造，再进行中间退火处理，退火温度370℃，保温时间3h；进行换向冷轧，变形量在60％以上，道次变形量15％，再进行再结晶退火，退火温度350℃，保温时间2h，得到均匀、细化的再结晶微观组织。得到的溅射靶材平均晶粒尺寸约60μm，并且尺寸分布均匀。

3.根据溅射靶材成品图纸要求，首先对靶坯进行加工，再通过扩散焊接与背板结合形成铝合金复合溅射靶材。

对于制备的复合溅射靶材进行溅射镀膜实验，制备的薄膜均匀性控制满足要求，制备的薄膜在后续450℃高温处理后，薄膜表面无异常，没有发现采用铝铜合金时出现的晶粒长大或突起等现象，再进行后续电学性能测试，测试结果表明，其电学性能满足应用需求，保证了整个器件的可靠度。

实施例3：Al-2.0wt％Cu-0.1wt％Hf

首先进行铝合金溅射靶材的制备。

1.选用99.9995％的高纯铝、99.999％高纯Al-4wt％Cu、99.99％高纯铪原材料，按照合金成分进行配比，采用电磁搅拌半连续铸造进行熔炼成型，制备成的铝合金铸锭；

2.选择在450℃温度对合金铸锭进行固溶处理，时间控制在10h；将合金铸锭进行三向锻造，再进行中间退火处理，退火温度380℃，保温时间3h；进行单向冷轧，变形量在60％以上，道次变形量10％，再进行再结晶退火，退火温度380℃，保温时间3h，得到均匀、细化的再结晶微观组织。得到的靶材平均晶粒尺寸约60μm，并且尺寸分布均匀。

3.根据溅射靶材成品图纸要求，对溅射靶材进行加工制备铝合金单体溅射靶材。

对于制备的铝合金溅射靶材进行溅射镀膜实验，制备的薄膜均匀性控制及满足要求，制备的薄膜在后续450℃高温处理后，薄膜表面无异常，没有发现采用铝铜合金时出现的晶粒长大或突起等现象，再进行后续电学性能测试，结果表明其电学性能满足应用需求，保证了整个器件的可靠度。

从以上实施例结果分析，可以看出，采用本发明的方法制备的溅射靶材组织稳定，晶粒细小、均匀。为了验证该合金溅射靶材的优异性能，通过溅射镀膜制备铝合金薄膜，发现其电导率、薄膜均匀性控制均满足要求，在进行高温处理和电学性能测试试验均优于现有常规的铝铜合金靶材。

对比例1：Al-0.5wt％Cu

首先进行铝铜合金溅射靶材的制备。

1.选用99.9995％的高纯铝、99.9999％高纯铜原材料，按照合金成分进行配比，采用真空电磁感应熔炼炉进行熔炼，浇铸到水冷铜坩埚里，形成的合金铸锭；

2.选择在400℃的温度对合金铸锭进行固溶处理，时间控制在12h；将合金铸锭进行三向锻造，再进行中间退火处理，退火温度300℃，保温时间4h；进行换向冷轧，变形量在60％以上，道次变形量10％，再进行再结晶退火。退火温度290℃，保温时间4h，晶粒尺寸60μm。如果退火温度350℃，保温时间4h，坯料晶粒异常长大，晶粒尺寸超过300μm。因此选择不高于290℃进行再结晶退火处理。

3.按成品图纸加工成单体溅射靶材。

对于制备的铝合金溅射靶材进行溅射镀膜实验，制备的薄膜在后续400℃高温处理后，薄膜晶粒发生变异，在进行电学性能测试实验时发生失效，见图3。

Claims (9)

1.一种铝合金溅射靶材，其特征在于，所述铝合金溅射靶材由难熔金属的一种或两种以上，Al和Cu组成；其中，Cu含量为0.1～4wt％，难熔金属含量为0.05～0.5wt％，余量为Al；

所述难熔金属是指熔点高于1650℃的金属；

所述难熔金属为W、Mo、Ta、Hf或Ru。

2.根据权利要求1所述的一种铝合金溅射靶材，其特征在于，所述的铝合金溅射靶材的纯度在99.995％以上。

3.根据权利要求1所述的一种铝合金溅射靶材，其特征在于，所述铝合金溅射靶材的晶粒均匀，晶粒尺寸在200μm以内。

4.权利要求1-3任一项所述的一种铝合金溅射靶材的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)熔炼：采用高纯原材料，根据Al、Cu和难熔金属的成分要求设定投料配比，进行熔炼，得到高纯合金铸锭；

(2)热机械化处理：对高纯合金铸锭依次进行固溶处理和三向锻造；随后通过中间退火处理消除锻造应力；最后进行多道次往复冷轧，道次变形量控制在8-20％，总变形量达到60％以上，轧制后经过最终退火处理得到溅射靶材坯料；

(3)成型加工：将所得的溅射靶材坯料进行机加工，制备出铝合金单体溅射靶材；或将机加工后的单体溅射靶材与背板焊接制备出复合溅射靶材。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，熔炼采用的高纯原材料的纯度在99.99％以上。

6.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述高纯原材料为高纯铜或高纯铜铝合金，高纯铝、高纯难熔金属单质材料。

7.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，熔炼方式为真空电磁感应静模浇铸或电磁搅拌半连续铸造。

8.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述中间退火处理及结晶退火处理的退火温度为200-480℃，退火时间为1-5h。

9.根据权利要求4所述的一种铝合金溅射靶材，其特征在于，所述冷轧方式为单向或换向轧制。