CN111020508A - 一种高密度细晶粒无择优取向的w靶材及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于磁控溅射靶材制造技术领域的一种高密度细晶粒无择优取向的W靶材及其制造方法。所述W靶材，以0.2～0.7μm的W粉为原料，封装在不锈钢或低碳钢包套内，然后通过热等静压烧结成形。热等静压烧结第一阶段，温度从室温升高至1250～1300℃，压力从0MPa升高至180～200MPa，保温保压4～6h，使得W靶坯料相对密度达到94～96％，平均晶粒尺寸10μm以内；热等静压第一阶段后去除表面包套；热等静压烧结第二阶段，继续升温至1900～2000℃，压力继续升高到190～200MPa，保温保压1～2h。最终制备的W靶材相对密度99.5％以上，平均晶粒尺寸小于20μm。

Description

一种高密度细晶粒无择优取向的W靶材及其制造方法
技术领域
本发明属于磁控溅射靶材制造技术领域，尤其涉及一种高密度细晶粒无择优取向的W靶材及其制造方法。
背景技术
钨因为具有熔点高、导电性好、抗电迁移性好、电子发射系数高以及热稳定性好等优点，在集成电路产业中广泛应用于制作插头、通孔、栅极层、扩散阻挡层等电子元器件的制作。高纯钨薄膜的制作主要通过溅射法。溅射法是通过高速离子轰击靶材，从而产生粒子使其沉积在基体的表面，形成薄膜。由于薄膜的性能受靶材性能的影响，因此一般要求高纯钨靶材具有99.999％以上的纯度，并且具有高的致密度以及细晶粒、无择优取向。靶材的高密度可以提高溅射效率，降低溅射膜粒子的密度，减弱放电现象；细晶粒与无择优取向可以提高镀膜的沉积速率，并且提高镀膜厚度的均匀性。在现有的钨靶材的性能指标中，致密度是最受重视的指标，在达到致密度99％以上的情况下，同时希望晶粒较为细小。此外，现在的技术少有关注高纯钨靶材的晶粒取向这一指标。
钨靶材的制造成形一般采用粉末冶金的方法，将钨粉末成形与烧结，为了提高钨靶材的致密度，通常采用其他工艺与热等静压结合的方式，常用的方式有以下几种：(1)热压烧结后热等静压烧结：在此种方法中，由于热压烧结的过程中加载的压力较小，因此要想达到所需致密度，温度便需要较高，这样会导致晶粒粗大的问题，不利于细晶粒的形成；(2)冷等静压后无压烧结，最后热等静压烧结：在此种方法中，冷等静压仅是单纯的压制过程，后续无压烧结可以使致密度提高，但无压烧结由于不施加压力且温度较高，同样会造成晶粒的长大，不利于细晶粒的形成：(3)冷等静压后无压烧结，最后轧制：在这种方法中，轧制既可以提高致密度，也可以细化之前步骤中由于无压烧结而长大的晶粒，但是会出现择优取向，影响靶材性能。此外，使用热等静压的工艺的过程中，用作包套的可耐高温的Ti、Mo等材料难以加工，并且易失效。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种高密度细晶粒无择优取向的W靶材，所述W靶材相对密度≥99.5％，平均晶粒尺寸＜20μm。
一种高密度细晶粒无择优取向的W靶材的制造方法，包括以下步骤：
1)以W粉为原料，封装在包套内，并抽真空，然后通过热等静压烧结成形，得到W靶坯；
2)将W靶坯料去除包套，并进行二次热等静压烧结，得到所述W靶材。
所述步骤1)中W粉尺寸为0.2～0.7μm，包套厚度为2mm～3mm，包套材料为不锈钢或低碳钢。
所述步骤1)热等静压烧结工艺，温度为1250～1300℃，压力为180～200MPa，保温保压时间为4～6h。
所述步骤1)中W靶坯相对密度为94～96％，平均晶粒尺寸≤10μm。
所述步骤2)二次热等静压烧结工艺，温度为1900～2000℃，压力为190～200MPa，保温保压时间为1～2h。
本发明的有益效果在于：
1.采用两次热等静压的方式，工艺简单，且成形后的钨靶不存在明显的择优取向，提高靶材性能。
2.本发明采用两次热等静压烧结工艺，所述W靶材不仅致密度高，而且减小因温度条件而导致的晶粒长大，制备出的W靶材晶粒细小，更满足集成电路等领域的技术要求。
3.本发明采用两次热等静压烧结工艺，克服了包套材料的温度限制，极大地扩展了适用范围。
附图说明
图1为W靶材制造工艺流程图；
具体实施方式
钨粉的预成形或第一次成形都采用冷等静压或是热压等方式，但采用冷等静压不能满足技术要求的第一次成形后的致密度，热压由于压力低因此会导致晶粒长大，晶粒度不满足技术要求。因此采用本发明技术方案的制备方法并且结合两次热等静压，第一次热等静压后致密度达到要求，且晶粒长大不明显，第二次热等静压达到全致密化，且晶粒的尺寸变化也满足尺寸要求。同时采用本发明两次热等静压不会导致择优取向。
并且，要想得到全致密化的钨靶材，则需要较高温度热等静压工艺，如果想要一步热等静压完成，则需要能承受高温的包套，但现有包套材料并不能达到这个要求，因此本发明创造性的采用两次热等静压，第一次在温度较低的情况下，采用包套，在后续第二次热等静压中，将包套去除，来实现致密化。
一种高密度细晶粒无择优取向的W靶材的制造方法，包括以下步骤：
1)以尺寸为0.2～0.7μm的W粉为原料，封装在不锈钢或低碳钢包套内，包套厚度为2mm～3mm，放入热等静压炉中，并抽真空，将温度从室温加热到1250～1300℃，压力从正空状态升高为180～200MPa，在该温度和压力条件下，保温保压4～6h，进行热等静压烧结，得到W靶坯；W靶坯相对密度为94～96％，平均晶粒尺寸≤10μm。
2)将W靶坯料去除包套，再次放入热等静压炉中，将温度和压力升高至1900～2000℃、190～200MPa，在此状态条件下保温保压1～2h，进行二次热等静压烧结，得到W靶材，W靶材相对密度≥99.5％，平均晶粒尺寸＜20μm。
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
实施例1～5及对比例1～2
1)以0.2～0.7μm的W粉为原料，将其封装在厚度为2mm～3mm的不锈钢或低碳钢包套内并抽真空。
2)将步骤1)所得的W粉与包套放入热等静压烧结炉中进行热等静压烧结。在热等静压烧结第一阶段，温度从室温升高至1250～1300℃，压力从0MPa升高至180～200MPa，保温保压4～6h，使得W靶坯料相对密度达到94～96％，平均晶粒尺寸10μm以内。
3)将步骤2)所得的W靶坯料去除包套后进行第二阶段热等静压烧结。热等静压烧结第二阶段，继续升温至1900～2000℃，压力继续升高到190～200MPa，保温保压1～2h。
本发明的实施例1～5及对比例1～2W靶材相对密度与平均晶粒尺寸数据见表1，晶粒取向数据见表2。
通过表2的XRD测试结果，实施例1-5与对比例1的四种取向(110)(200)(211)(220)的织构面积所占百分比相近，并无某一晶面占比远高于其他晶面的情况，因此实施例1-5与对比例1是没有择优取向的。对比例2中(200)晶面所占百分比远高于其他三个晶面，因此对比例2为具有明显择优取向，为(200)晶面，影响靶材性能。
表1实施例1～5及对比例1～2W靶材技术参数和性质
Figure BDA0002330987740000031
表2实施例1～5与对比例1～2W靶材的晶粒取向
编号 (110) (200) (211) (220)
实施例1 23.60％ 24.53％ 28.48％ 23.39％
实施例2 22.11％ 23.19％ 28.67％ 26.03％
实施例3 21.69％ 22.40％ 29.02％ 26.89％
实施例4 20.52％ 21.27％ 32.78％ 25.43％
实施例5 19.55％ 21.88％ 31.92％ 26.65％
对比例1 18.33％ 20.74％ 36.45％ 24.48％
对比例2 8.56％ 59.58％ 24.29％ 7.58％

Claims (6)

1.一种高密度细晶粒无择优取向的W靶材，其特征在于：所述W靶材相对密度≥99.5％，平均晶粒尺寸＜20μm。
2.一种权利要求1所述的高密度细晶粒无择优取向的W靶材的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)以W粉为原料，封装在包套内，并抽真空，然后通过热等静压烧结成形，得到W靶坯；
2)将W靶坯料去除包套，并进行二次热等静压烧结，得到所述W靶材。
3.根据权利要求2所述制造方法，其特征在于，所述步骤1)中W粉尺寸为0.2～0.7μm，包套厚度为2mm～3mm，包套材料为不锈钢或低碳钢。
4.根据权利要求2所述制造方法，其特征在于，所述步骤1)热等静压烧结工艺，温度为1250～1300℃，压力为180～200MPa，保温保压时间为4～6h。
5.根据权利要求2所述制造方法，其特征在于，所述步骤1)中W靶坯相对密度为94～96％，平均晶粒尺寸≤10μm。
6.根据权利要求2所述制造方法，其特征在于，所述步骤2)二次热等静压烧结工艺，温度为1900～2000℃，压力为190～200MPa，保温保压时间为1～2h。
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