CN105525149B - 一种铝合金溅射靶材的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铝合金溅射靶材的制备方法，包括以下步骤：(1)采用冷模磁力搅拌铸造铝合金铸锭；(2)对铝合金铸锭进行部分均匀化热处理，使材料内部形成直径为1‑2μm的析出相；(3)将铸锭进行多向模锻，细化晶粒；(4)进行中间退火处理消除锻造应力；(5)进行冷轧，进一步细化晶粒，增强溅射面{200}取向含量；(6)进行再结晶退火，得到具有均匀、细化的再结晶微观组织的铝合金溅射靶材。通过本发明方法得到的铝合金靶材晶粒细小，微观组织均匀性明显提高。

Description

一种铝合金溅射靶材的制备方法

技术领域

本发明涉及一种铝合金溅射靶材的制备方法，属于靶材制备技术领域。

背景技术

铝合金电子薄膜作为电极布线及先进封装等功能用于集成电路工业中。随着集成电路线宽不断向微细化发展，特别是对于300mm高密度晶圆的广泛使用，对靶材的微观组织控制要求更加严格。

在高纯铝中添加适量的合金元素，如Cu、Si及其他合金元素，可提高布线的抗电迁移和应力迁移性能。铝合金靶材通常要求晶粒细小，同时内部组织稳定且均匀分布。然而，铝合金铸锭中有大量的枝晶组织与析出相，材料会变形困难，导致采用常规的锻造、轧制及热处理的工艺很难使微观组织细化、均匀。为了改善材料的变形能力，更好的控制铝合金靶材内部组织，需要采取特殊的制备工艺。专利US5087297采用热锻的方法改善铝合金变形能力，晶粒尺寸小于2mm。专利US5456815通过高温热变形后采用温轧改善铝合金变形能力，并通过热处理得到较强的{200}晶体取向，这种取向可以提高溅射薄膜均匀性。专利US5766380采用了均匀化预处理的方式，在高温条件下Cu完全固溶，以此来提高铝铜合金的变形性能。

为了使铝合金靶材内部晶粒细化，提高溅射薄膜均匀性，PCT/US02/33717采用低温轧制方法细化晶粒，晶粒尺寸达到5μm以下，{200}取向可达到35％以上，得到的组织结构为介稳态。专利US174916采用等通道转角挤压方法制备铝合金溅射靶材，此方法能有效减小晶粒尺寸，可达到30μm以下。这几种方法需要特殊设备，或者工艺相对比较复杂。

发明内容

本发明的目的在于提供一种铝合金溅射靶材的制备方法，该方法可有效控制晶粒尺寸与组织均匀性，适合半导体集成电路用高纯铝合金靶材的制备。

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的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用冷模磁力搅拌铸造铝合金铸锭；

(2)对铝合金铸锭进行部分均匀化热处理，使材料内部形成直径为1-2μm的析出相；

(3)将铸锭进行多向模锻，细化晶粒；

(4)进行中间退火处理消除锻造应力；

(5)进行冷轧，进一步细化晶粒，增强溅射面{200}取向含量；

(6)进行再结晶退火，得到具有均匀、细化的再结晶微观组织的铝合金溅射靶材。

在上述方法中，采用冷模磁力搅拌铸造铝合金铸锭，即采用真空磁力搅拌熔炼、水冷铜模冷却的方式铸造铝合金铸锭；铸锭通过部分均匀化得到均匀分布的析出相，进行模锻细化晶粒，中间退火去除锻造应力，再通过冷轧结合热处理进一步细化晶粒，使得铝合金靶材晶粒细化、均匀，最后通过时效处理提高靶材强度。

优选地，所述步骤(2)中的热处理温度为300-450℃，时间为8-24h。

优选地，所述步骤(4)中间退火处理的温度为250-450℃，时间为1-3h。

优选地，所述步骤(5)中采用二辊轧机进行冷轧，道次变形量控制在10-20％，轧制总变形量控制在60-90％。

优选地，所述步骤(6)中的再结晶退火温度为300-480℃，时间为1-3h。

本发明的有益效果为：

本发明的方法相对简单且能有效细化铝合金靶材晶粒，还可以明显提高微观组织的均匀性。采用本发明的方法所制备的铝合金靶材，晶粒可以达到20-50μm，晶粒尺寸与合金元素含量相关，组织均匀，得到的溅射靶材能够满足大尺寸集成电路晶圆溅射镀膜的使用要求。该方法适用于可通过部分均匀化控制析出相尺寸的铝合金靶材，如Al-Cu、Al-Si、Al-Si-Cu、Al-Mg、Al-Sc等系列铝合金，合金元素可以在0.5-5wt％的范围内。

附图说明

图1为本发明中铝合金靶材的制备工艺流程图。

图2为实施例1中Al-0.5wt％Cu合金靶材的金相显微结构图。

图3为实施例2中Al-1wt％Si合金靶材的金相显微结构图。

图4为实施例3中Al-5wt％Cu合金靶材的金相显微结构图。

图5为比较例1中Al-0.5wt％Cu合金靶材的金相显微结构图。

图6为比较例2中Al-1wt％Si合金靶材的金相显微结构图。

图7为比较例3中Al-5wt％Cu合金靶材的金相显微结构图。

图8为靶材分析中9点取样的位置示意图。

具体实施方式

如图1所示，为本发明铝合金靶材的制备工艺流程图。简单来说，本发明的工艺流程包括：铸锭→部分均匀化热处理→多向模锻→中间退火→冷轧→再结晶退火。

本发明采用析出相诱发再结晶方法来细化铝合金晶粒，并提高整个靶材内部晶粒尺寸分布的均匀性。铝合金变形过程中，均匀分布的析出相粒子周围会形成强变形区，可以为热处理过程提供再结晶形核点和驱动力，使晶粒细小、均匀。通常认为，能够细化晶粒的析出相粒子的临界尺寸为1μm。本发明中的析出相尺寸控制在1-2μm之间，当尺寸大于1μm时，析出相可以有效激发新晶粒的形核，而析出相尺寸大于2μm后，析出相溅射过程中会形成溅射颗粒落在晶圆基片上，进而影响到薄膜的质量与性能。以铝铜合金为例，在时效过程中，得到的析出序列如下：固溶体→GP(I)→GP(II)→θ″→θ′→θ。

θ′析出相通常表现为长棒状，这种形状的析出相可以起到强化的作用，却不能为细化晶粒提供作用。通过热处理得到能够有效激发形核的析出相是关键工艺。铝合金经过轧制与再结晶热处理后得到均匀细化的微观组织。本实施方式中得到析出相的方法，相对于专利US4797164中控制析出相的方法工序少，操作更为简单，即通过对铸锭直接进行部分均匀化热处理来控制析出相粒子。

本实施方式中的高纯铝合金铸锭采用真空磁力搅拌熔炼法制备，水冷铜模冷却，见图1中步骤P10。这种方法制备的铝合金铸锭，成分分布均匀，内部组织为均匀分布的αAl枝晶组织和较大尺寸的析出相。为了将析出相尺寸控制在1-2μm之间，可以采用部分均匀化热处理，使析出相发生部分固溶，减小尺寸。同时消除铸锭中的枝晶组织，提高铸锭变形性能。铝合金铸锭在后续的锻造与轧制过程中，均匀分布的析出相周围会产生较强变形，进而诱发新的结晶形核，达到细化晶粒尺寸的作用。通常，合金元素含量越高时，铸锭内部析出相尺寸越大，为了控制热处理后析出相尺寸保持在1-2μm之间，部分均匀化温度也会相应越高。部分均匀化的热处理温度可以为300-450℃，保温时间8-24h，见图1步骤P20。

接着，对部分均匀化热处理的铸锭进行多向锻造，锻造过程中采用模具进行压制，使铸锭均匀变形，并充分细化晶粒见图1步骤P30。经过部分均匀化的铸锭，硬度下降，使材料更容易变形。变形过程中，铸锭内部的析出相粒子周围的形变使大晶粒变形破碎，细化组织。锻造后的铸锭通过中间退火来消除锻造应力，得到细化的再结晶组织，见图1步骤P40。根据材料合金元素量不同中间退火温度范围可选择250-450℃，时间1-3h。以铝铜合金为例，铜含量越高时，再结晶温度越高。为了使铸锭内部组织充分细化，可进行多次锻造配合中间退火来细化晶粒。

接着对锻造后的铸锭进行轧制，可采用操作简单的冷轧方式进行，这样铝合金中的微观组织更容易控制。为保证变形充分，道次变形量可控制在10-20％之间，总变形量达到60％以上，见图1步骤P50。根据所需要的靶材外形尺寸，可以选用一字或十字方式轧制。材料经过轧制后晶粒尺寸得到进一步细化。轧制后经过再结晶退火得到最终靶材需要的微观组织，见图1步骤P60。可根据合金成分调整靶材的最终退火工艺，铜含量提高则要相应提高退火温度。退火温度可以为300-480℃，时间1-3h。

以下结合实施例对本发明中工艺流程进行描述，确定工艺的可行性，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、Al-1wt％Si和Al-5wt％Cu。铸锭均采用冷模磁力搅拌铸造铝合金铸锭，尺寸Φ150×100mm。

实施例1

1.选择Al-0.5wt％Cu合金铸锭，铸锭在300℃时效8h。

2.将铸锭进行轴向、径向模锻。

3.再结晶退火，退火温度300℃，保温时间2h。

4.进行冷轧，变形量在70％以上，道次变形量15％，目的是进一步细化晶粒，增强溅射面{200}取向含量。

5.再结晶退火，退火温度300℃，保温时间2h，得到均匀、细化的再结晶微观组织。

测定所得靶材的微观结构，结果如图2所示，可以看出在晶粒尺寸得到明显细化，平均晶粒尺寸约47.33μm，并且尺寸分布均匀。

实施例2

1.选择Al-1wt％Si合金铸锭，铸锭在400℃时效16h。

2.将铸锭进行轴向、径向模锻。

3.再结晶退火，退火温度450℃，保温时间3h。

4.进行冷轧，变形量在70％以上，道次变形量10％，目的是进一步细化晶粒。

5.再结晶退火，退火温度420℃，保温时间2h，得到均匀、细化的再结晶微观组织。

测定所得靶材的微观结构，结果如图3所示，可以看出在晶粒尺寸得到明显细化，平均晶粒尺寸约38.85μm，并且尺寸分布均匀。

实施例3

1.选择Al-5wt％Cu合金铸锭，铸锭在450℃时效24h。

2.将铸锭进行轴向、径向模锻。

3.再结晶退火，退火温度450℃，保温时间2h。

4.进行冷轧，变形量在70％以上，道次变形量15％，目的是进一步细化晶粒。

5.再结晶退火，退火温度450℃，保温时间2h，得到均匀、细化的再结晶微观组织。

测定所得靶材的微观结构，结果如图4所示，可以看出在晶粒尺寸得到明显细化，平均晶粒尺寸约20.21μm，并且尺寸分布均匀。

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靶材微观组织细小、均匀，溅射面{200}取向含量达到40％以上。

为了验证该方法的有效性，进行了其他工艺的对比试验，合金采用高温均匀化，并在常温下进行锻造，采用温轧或冷轧工艺流程来制备铝合金靶材，材料仍然选择Al-0.5wt％Cu、Al-1wt％Si和Al-5wt％Cu三种成分的合金，纯度99.9995％，铸锭同样采用冷模磁力搅拌法铸造，尺寸Φ150×100mm。工艺流程为：均匀化→锻造开坯→冷轧→再结晶退火。具体步骤如下：

比较例1

1.将Al-0.5wt％Cu合金铸锭，进行均匀化退火：温度高于520℃，时间8h，水冷。使Cu原子全部固溶，目的是提高铸锭的锻造性能，防止铸锭锻造过程中发生开裂。

2.在常温下，将铸锭进行多次轴向、径向模锻，并在每次锻造之间通过中间退火：温度350℃，时间3h，来消除铸锭内应力，得到再结晶组织。

3.对锻造后的合金铸锭进行温轧：温度300℃，十字轧制，轧制变形量达到70％，道次变形量15％。

4.再结晶退火：300℃，时间2h。得到再结晶微观组织。

测定所得靶材的微观结构，结果如图5所示，可以看出平均晶粒尺寸约92.14μm，并且尺寸分布均匀性较差，标准差为13.97。

比较例2

1.选择Al-1wt％Si合金铸锭，进行均匀化退火：温度高于520℃，时间8h，水冷。

2.在常温下，将铸锭在常温下进行多次轴向、径向模锻，多次锻造之间采用中间退火：温度450℃，时间3h，来消除铸锭内应力，得到再结晶组织。

3.对合金锭进行冷轧：十字轧制，轧制变形量达到70％，道次变形量15％。

4.再结晶退火：420℃，时间2h，得到再结晶微观组织。

测定所得靶材的微观结构，结果如图6所示，可以看出平均晶粒尺寸约73.58μm，并且尺寸分布均匀性较好，但比实施例2中的晶粒尺寸大。

比较例3

1.选择Al-5wt％Cu合金铸锭，进行均匀化退火：温度高于520℃，时间8h，水冷。

2.在常温下，将铸锭在常温下进行多次轴向、径向模锻，多次锻造之间采用中间退火：温度450℃，时间2h，来消除铸锭内应力，得到再结晶组织。

3.对合金锭进行冷轧：十字轧制，轧制变形量达到70％，道次变形量15％。

4.再结晶退火：450℃，时间2h，得到再结晶微观组织。

测定所得靶材的微观结构，结果如图7所示，可以看出在晶粒尺寸有明显分层现象，平均晶粒尺寸约64.21μm，并且尺寸分布均匀性较差。

对靶材内部的微观结构进行对比实验，并采用9点取样的方法对靶材内部的晶粒尺寸进行分析，图8为取样位置示意图，晶粒尺寸对比结果见表1，可以看出，经过退火后内部为稳定的等轴晶结构，晶粒尺寸可以达到20-50μm。晶粒尺寸标准差可以从20降低到3左右。表明通过本实施方式得到铝合金靶材内部的晶粒尺寸各个位置分布更加均匀。

表1实施例1-3与比较例1-3不同位置的晶粒尺寸统计表。

通常，铝合金靶材需要较强的{200}取向，这样可以提高溅射薄膜的反射率，并提高溅射镀膜厚度的均匀性。本发明中，靶材经过冷轧与再结晶热处理后，就可以在溅射面得到较强的{200}取向含量。{200}取向含量的计算方法是通过X射线衍射图谱中各晶面的强度进行计算。通过9点取样将实施例与比较例中的取向数据分析，结果见表2，可以看出，实施例1-3中{200}含量分布均匀更加均匀。从表2中晶体取向分布对比可以看出，经过退火后溅射面的晶体取样主要为{200}，含量可以达到40％以上。通过实施例与对比例数据可以看出，通过本发明制备的铝合金靶材，{200}含量标准差可以从20降低到6左右。这表明，通过本发明得到铝合金靶材内部的晶体取向各个位置分布均匀。

表2实施例1-3与比较例1-3不同位置的{200}取向含量统计表。

综上所述，从表1、表2中的数据可以看出，实施例1-3相对比较例1-3中的晶粒尺寸分布均匀性好，晶粒尺寸得到细化。溅射面{200}取向分布含量达到40％以上，且分布均匀。

Claims (4)

1.一种铝合金溅射靶材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)采用冷模磁力搅拌铸造铝合金铸锭；

(2)对铝合金铸锭进行部分均匀化热处理，使材料内部形成直径为1-2μm的析出相，热处理温度为300-450℃，时间为8-24h；

(3)将铸锭进行多向模锻，细化晶粒；

(4)进行中间退火处理消除锻造应力；

(5)进行冷轧，进一步细化晶粒，增强溅射面{200}取向含量；

(6)进行再结晶退火，得到具有均匀、细化的再结晶微观组织的铝合金溅射靶材。

2.根据权利要求1所述的铝合金溅射靶材的制备方法，其特征在于，所述步骤(4)中间退火处理的温度为250-450℃，时间为1-3h。

3.根据权利要求1所述的铝合金溅射靶材的制备方法，其特征在于，所述步骤(5)中采用二辊轧机进行冷轧，道次变形量控制在10-20％，轧制总变形量控制在60-90％。

4.根据权利要求1所述的铝合金溅射靶材的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)中的再结晶退火温度为300-480℃，时间为1-3h。