CN106282639A - 一种铂镍合金溅射靶材及其制备方法 - Google Patents

一种铂镍合金溅射靶材及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种铂镍合金溅射靶材及其制备方法。一种铂镍合金溅射靶材，包括铂60‑80％和镍20‑40％，所述百分比为质量百分比，铂和镍的质量含量之和为100％。本发明铂镍合金溅射靶材，可在高强度、高耐温、高耐酸等高性能要求的半导体、显示屏器、记录介质等中应用；制备方法简单易实行，且进一步保证了靶材的均匀性、硬度、塑形流变等性能。

Description

一种铂镍合金溅射靶材及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种铂镍合金溅射靶材及其制备方法，属于薄膜科学领域。
背景技术
科学和生产发展的事实说明，电子学的发展深刻地影响着当今社会的各个领域。在电子学的发展中，起重要作用的是在理论研究的指导下，关键性新器件和新材料的制造。薄膜科学是开发新材料和新器件非常重要的领域。材料的结构向二维(薄膜)化发展是充分发挥材料潜能的重要途径。作为二维材料的功能薄膜，是在21世纪前夕为开拓高新技术而日益受到重视并发展起来的。高技术材料由体材向薄膜转移，从而使镀膜器件迅速发展起来。薄膜科学应用日益广泛，电子、磁性、光电、光学薄膜等己经广泛应用于以集成电路、分立器件等为主的半导体制造、以TFT-LCD、OLED等为主的平面显示面板制造和以薄膜太阳能电池为主的新能源制造等领域。近年来，在国家政策大力支持下，上述高新技术产业均实现了跨越式发展，我国逐渐成为世界上薄膜材料的最大需求地区之一。
贵金属具有良好的化学稳定性，高电导率和热导率，特有的电学、磁学、光学等性能，广泛应用于高性能薄膜材料的制备，各种高纯单质贵金属及新型合金及化合物功能薄膜不断得到开发。
溅射是制备薄膜材料的主要技术之一。用加速的离子轰击固体表面，离子和固体表面原子交换动量，使固体表面的原子离开固体并沉积在基底表面，这一过程称为溅射。被轰击的固体是用溅射法沉积薄膜的源(source)材料，通常称为靶材。用靶材溅射沉积的薄膜致密度高，与基材之间的附着性好。
在半导体制造技术中，金属硅化物起着重要的作用，它广泛用于以下方面：①肖特基二极管中制备势垒接触层；②在大规模集成电路VLSI/ULSI器件技术中用于源、漏和栅极与金属电极之间的接触。随着半导体技术的发展，金属硅化物的组成也从最初的TiSi、CoSi化合物逐渐发展到具有低电阻率、低硅消耗的NiSi化合物。但是在市场应用中人们逐渐发现NiSi化合物耐热性较差，且随着超大极大规模集成电路VLSI/ULSI器件技术的不断发展，NiSi化合物也无法适应于高性能、特征尺寸为45nm以下的集成电路。
发明内容
为了解决现有技术中金属硅化物耐热性差、无法适应45nm以下的集成电路的缺陷，本发明提供一种铂镍合金溅射靶材及其制备方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种铂镍合金溅射靶材，包括铂60-80％和镍20-40％，所述百分比为质量百分比，铂和镍的质量含量之和为100％。
申请人经研究发现，上述靶材与硅反应，形成的硅化物在器件工作温度下稳定，耐热性好，并主要表现金属型导电性能，该产品能完美的解决了NiSi存在的问题；铂(Pt)金属具有较高的功函数(5.65eV)，其费米能级接近于半导体，能够在p型Si上面获得较低的功函数差，利用镍(Ni)和铂(Pt)形成合金可以用来调节功函数，且在镍(Ni)中添加一定量的铂(Pt)能大幅提高高温稳定性。解决了耐热性差的问题。
使用时，采用带有一层硅区域的半导体衬底，随后在硅区域制备离子注入层，再在其上生长一层硅外延层，随后采用NiPt靶材在硅外延层的表面磁控溅射一层NiPt薄膜，最后退火处理形成含Pt的NiSi化合物薄膜，这样可以适用于尺寸为45nm以下的集成电路。本发明产品主要应用于厦门三安光电股份有限公司等半导体厂家。
为了进一步提高耐热性，铂镍合金溅射靶材，包括铂60％和镍40％，所述百分比为质量百分比。作为本申请的另一种优选方案，上述铂镍合金溅射靶材，包括铂70％和镍30％，所述百分比为质量百分比。作为本申请的另一种优选方案，上述铂镍合金溅射靶材，包括铂80％和镍20％，所述百分比为质量百分比。
为了进一步保证产品的高强度、高耐温和高耐酸等综合性能，铂的纯度为99.99％以上，所述百分比为质量百分比。镍的纯度为99.9％以上，所述百分比为质量百分比。
为了保证产品的硬度、均匀性等，上述铂镍合金溅射靶材的制备方法，依次包括清洗、铸态、均匀化退火和温轧。
为了保证产品的综合性能，上述清洗为分别将镍片和铂片进行如下操作：线切割、除油、酸洗，然后在超声波清洗器中依次用丙酮、乙醇和去离子水各清洗5±2min，最后烘干备用。
也即镍片和铂片分别经过相同的清洗工艺：线切割、除油、酸洗，然后在超声波清洗器中依次用丙酮、乙醇和去离子水各清洗5±2min，最后烘干备用。
为了保证产品的硬度、均匀性等综合性能，铸态为将清洗后的镍和铂按配比装入坩埚进行真空熔炼、浇铸获得NiPt铸锭；均匀化退火为将NiPt铸锭放入真空箱式退火炉在800±20℃下进行均匀化退火处理，真空度为-0.1Mpa，时长为5±0.2h。
为了进一步保证产品的硬度、均匀性等综合性能，温轧在450±10℃下进行，道次变形量为40±2％，总变形量为80±2％，合金的最终厚度为1±0.1mm，温轧后采用线切割制成靶材。
优选，磁控溅射参数：工作气体为氩气，功率250W，溅射气压为2.5Pa。
本发明未提及的技术均参照现有技术。
本发明铂镍合金溅射靶材，可在高强度、高耐温、高耐酸等高性能要求的半导体、显示屏器、记录介质等中应用；制备方法简单易实行，且进一步保证了靶材的均匀性、硬度、塑形流变等性能。
附图说明
图1为实施例1中清洗+铸态+均匀化退火+温轧的金相图。
图2为实施例1中清洗+铸态+温轧的金相图。
图3为实施例1中清洗+铸态+均匀化退火+温轧的电镜图。
图4为实施例1中清洗+铸态+温轧的电镜图。
具体实施方式
为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。
实施例中铂的纯度为99.99％，由上海黄金交易所提供；镍的纯度为99.9％，由南京迪钠光电材料有限公司提供。
实施例1
一种铂镍合金溅射靶材，包括铂60％和镍40％，所述百分比为质量百分比。
铂镍合金溅射靶材的制备方法，包括顺序相接的如下步骤：
A、清洗：分别将镍片和铂片进行如下操作：线切割(切割尺寸为14×14×90mm)、除油、酸洗，然后在超声波清洗器中依次用丙酮、乙醇和去离子水各清洗5min，最后烘干备用；
B、铸态：将清洗后的镍和铂按配比装入坩埚进行真空熔炼、浇铸获得NiPt铸锭；
C、均匀化退火：将NiPt铸锭放入真空箱式退火炉在800℃下进行均匀化退火处理，真空度为-0.1Mpa，时长为5h；
D、温轧：在450℃下进行温轧，道次变形量为40％，总变形量为80％，合金的最终厚度为1mm，温轧后采用线切割制成的靶材。
磁控溅射参数：工作气体为氩气，功率250W，溅射气压为2.5Pa。
各步骤对产品性能的影响：通过实验发现，清洗+铸态+均匀化退火+温轧的合金硬度由292上升至439，约为轧制前的2倍；清洗+铸态+温轧的硬度也得到了显著提高(为423)，但其硬度强化效果低于有均匀化退火后温扎的样品；而清洗+铸态+均匀化退火的合金硬度由292下降至218，可见温扎是一种强化NiPt合金的有效方法，且清洗+铸态+均匀化退火+温轧的效果最佳。
在金相显微镜下，通过金相照片(见图1-2)，首先观察到合金在铸态结构下晶粒较大、形状不规则，其分布范围为数百微米到毫米级之间，晶粒内部明显可见树枝晶结构；在进行均匀化退火后，晶粒从不规则状向等轴晶转变，树枝晶逐渐消失，即在均匀化退火过程中发生了静态再结晶；对均匀化退火后的合金进行温扎，整体微观结构比较均匀，晶粒沿轧制方向被拉成近似平行的扁平状结构，同时在部分拉长晶粒内部存在平行条带。若将铸态组织不进行均匀化退火而直接进行温扎，部分晶粒沿着轧向形成带状结构，但是带状结构边界呈波浪状，且带状结构宽度分布不均匀。总之，清洗+铸态+均匀化退火+温轧的结构比清洗+铸态+温轧的结构更加均匀，这是由于均匀化退火调整了合金的取向从而有利于合金的塑性流变。
对靶材溅射后的扫描电镜表面形貌图像(见图3-4)进行分析：清洗+铸态+均匀化退火+温轧的合金在溅射后，表面呈高低起伏状态，整体形貌比较均匀。清洗+铸态+温轧的合金在溅射后，左边呈大小不一的凹坑，而右边则相对比较平滑，整体形貌不均匀。
下面我们用吉布斯自由能在解释掺入Pt以后使得耐热性得到了提高。首先，我们研究发现NiSi在600℃时开始结团，在750℃时开始向高电阻NiSi2转化，于是，取计算温度值为800℃。在800℃的条件下，已知NiSi、Si、NiSi2三物质的吉布斯自由能分别为-169.37KJ/mol、-35.25KJ/mol、-214.45KJ/mol，根据NiSi+Si→NiSi2反应，计算出未掺有Pt的吉布斯自由能改变量△G＝-9.84KJ/mol。掺入Pt之后，也就是本发明，根据反应式Ni1- xPtxSi+(1-x)Si→(1-x)NiSi2+xPtSi(其中x为Pt的含量比)，计算的出吉布斯自由能改变量为△G＝-3.27KJ/mol。可以发现，加入了Pt之后，吉布斯自由能|△G|减少了很多，这时Ni硅化物更难形成高电阻NiSi2，并且Ni1-xPtxSi六角形结构有效降低了NiSi和Si两者之间的界面能，增加了向NiSi2转变的界面能改变量△σ。通常定义NiSi2成核的势垒高度来作为衡量硅化物是否稳定的标准。正因为|△G|减少使得△σ增加这很大程度的增加了势垒高度致使形成NiSi2非常困难，从而使得镍硅化合物薄膜的热稳定性得到了提高。
实施例2
一种铂镍合金溅射靶材，包括铂70％和镍30％，所述百分比为质量百分比。
铂镍合金溅射靶材的制备方法同实施例1。
通过实验对比发现其金相图和电镜图与实施例1接近，不重复提供。吉布斯自由能改变量△G＝-2.63J/mol，相比实施例1|△G|更低，更能增加镍硅化合物薄膜的热稳定性。
实施例3
一种铂镍合金溅射靶材，包括铂80％和镍20％，所述百分比为质量百分比。
铂镍合金溅射靶材的制备方法同实施例1。
通过实验对比发现其金相图和电镜图与实施例1接近，不重复提供。吉布斯自由能改变量△G＝-1.33J/mol，相比实施例2|△G|更低，从而得出结论随着Pt含量的增加，|△G|越来越低，从而镍硅化合物薄膜的热稳定性越来越好。
应用实施例
LED生产厂分别将本发明实例1、2、3用于生产肖特基二极管，利用本发明接触势垒来制造肖特基二极管，通过溅射0.1～0.2μm金属薄膜(分别利用实施例1-3所得靶材溅射)，在600℃左右条件下，使得金属与硅进行低温固相反应，形成硅化物接触层，实践证明本发明参与生产的肖特基二极管因为形成了硅化物接触层从而将其正向导通降压为0.4V左右，一般肖特基二极管为0.3V左右，提高了其正向特性；其反向偏压额定值最大可达到200V，相对于一般的肖特基二极管反向偏压只有50V，大大提高了其反向偏压。

Claims (10)

1.一种铂镍合金溅射靶材，其特征在于：包括铂60-80％和镍20-40％，所述百分比为质量百分比，铂和镍的质量含量之和为100％。
2.如权利要求1所述的铂镍合金溅射靶材，其特征在于：包括铂60％和镍40％，所述百分比为质量百分比。
3.如权利要求1所述的铂镍合金溅射靶材，其特征在于：包括铂70％和镍30％，所述百分比为质量百分比。
4.如权利要求1所述的铂镍合金溅射靶材，其特征在于：包括铂80％和镍20％，所述百分比为质量百分比。
5.如权利要求1-4任意一项所述的铂镍合金溅射靶材，其特征在于：铂的纯度为99.99％以上，所述百分比为质量百分比。
6.如权利要求1-4任意一项所述的铂镍合金溅射靶材，其特征在于：镍的纯度为99.9％以上，所述百分比为质量百分比。
7.权利要求1-6任意一项所述的铂镍合金溅射靶材的制备方法，其特征在于：依次包括清洗、铸态、均匀化退火和温轧。
8.如权利要求7所述的方法，其特征在于：清洗为分别将镍片和铂片进行如下操作：线切割、除油、酸洗，然后在超声波清洗器中依次用丙酮、乙醇和去离子水各清洗5±2min，最后烘干备用。
9.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于：铸态为将清洗后的镍和铂按配比装入坩埚进行真空熔炼、浇铸获得NiPt铸锭；均匀化退火为将NiPt铸锭放入真空箱式退火炉在800±20℃下进行均匀化退火处理，时长为5±0.2h。
10.如权利要求7或8所述的方法，其特征在于：温轧在450±10℃下进行，道次变形量为40±2％，总变形量为80±2％，合金的最终厚度为1±0.1mm，温轧后采用线切割制成靶材。
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