CN112771199A - 溅射靶及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种溅射靶，其为金属材料的圆筒形溅射靶且使颗粒减少。溅射靶为圆筒形溅射靶，且溅射靶至少具备靶材，靶材包含一种或多种金属元素，晶体粒径为50μm以下，氧浓度为1000质量ppm以下。

Description

溅射靶及其制造方法

技术领域

本申请涉及一种溅射靶及其制造方法。更具体而言，本申请涉及一种圆筒形溅射靶及其制造方法。

背景技术

近年来，在半导体器件的领域，要求更高水平的集成化和小型化。例如，在制造半导体器件时，形成各种薄膜。作为薄膜的材料，可列举出：钼、钨、钛等。并且，将溅射用作薄膜的形成方法。

溅射的原理如下所述。首先，在真空中一边导入惰性气体(例如，Ar气)一边在基板与溅射靶之间施加高电压。然后，使离子化了的Ar⁺等离子撞击溅射靶。通过该撞击能量使溅射靶中的原子释放而沉积于基板上。由此，能形成薄膜。

作为溅射靶的形状，可列举出平板或圆筒形等。在专利文献1中，公开了一种圆筒型溅射靶，其包含选自由铝、银、铜、钛以及钼构成的组中的至少一种金属。而且，专利文献1公开了圆筒型溅射靶的制造工序。具体而言，公开了在金属系的溅射靶的情况下，将圆柱状的溅射靶的材料供至挤出加工，或将中心部挖通而加工成圆筒形状，或者通过铸造而成型为圆筒形状。在专利文献2中，公开了对粉末进行烧结而形成圆筒型毛坯，然后，在1000℃以上的温度下，在芯棒上进行锻造。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2018－053366号公报

专利文献2：日本特表2017－510701号公报

发明内容

发明所要解决的问题

如上所述，在半导体器件的领域，要求更高水平的集成化和小型化。若在进行溅射时产生颗粒(particle)，则会对产品带来各种不良情况，因此不优选。因此，本申请的目的在于提供一种溅射靶，其为金属材料的圆筒形溅射靶且使颗粒减少。

用于解决问题的方案

发明人等进行了深入研究，其结果是，成功地通过其他方法制造出圆筒形溅射靶。更具体而言，通过利用BTA(Boring&Trepanning Association)方式深孔钻削加工等对圆柱形坯锭进行加工，形成了圆筒形坯锭。但是，圆筒形坯锭本身的组织具有大的晶体粒径，因此仅通过该工序，靶材的晶体粒径会成为粗大的状态。因此，对圆筒形坯锭进一步实施塑性加工，制成了圆筒形的靶材。由此使大量应变导入至组织内。这样得到的圆筒形的靶材根据需要进一步进行再结晶热处理，能实现微细的晶体粒径。

基于上述见解而完成的发明在一个方案中，包含以下的发明。

(发明1)

一种溅射靶，其为圆筒形溅射靶，所述溅射靶至少具备靶材，所述靶材包含一种或多种金属元素，晶体粒径为50μm以下，氧浓度为1000质量ppm以下。

(发明2)

根据发明1所述的溅射靶，其中，所述晶体粒径超过10μm。

(发明3)

根据发明1或2所述的溅射靶，其中，所述靶材无缝。

(发明4)

根据发明1～3中任一项所述的溅射靶，其中，所述金属元素为钛。

(发明5)

一种方法，其为发明1～4中任一项所述的溅射靶的制造方法，所述方法包括：将包含一种或多种金属元素的圆柱形坯锭加工成圆筒形坯锭的工序；以及对所述圆筒形坯锭进行塑性加工的工序。

(发明6)

根据发明5所述的方法，其中，进行塑性加工的工序包括：将芯棒穿过所述圆筒形坯锭来进行锻造。

(发明7)

根据发明6所述的方法，其中，进行锻造的工序包括：在500℃～850℃的范围内进行一次锻造；以及在250℃～600℃的范围内进行二次锻造。

发明效果

在一个方案中，本申请的溅射靶的晶体粒径为50μm以下。由此，能抑制溅射时产生颗粒。

附图说明

图1表示一个实施方式中的圆筒形溅射靶的组织的照片。

图2表示一个实施方式中的圆筒形溅射靶的制造工序的一部分。

图3表示一个实施方式中的圆筒形溅射靶的组织的照片。

图4表示一个实施方式中的圆筒形溅射靶的组织的照片。

具体实施方式

以下，对用于实施本申请的发明的具体实施方式进行说明。以下的说明为用于促进理解本申请的发明的内容。即，并不意图限定本发明的范围。

1.溅射靶

1－1.构造

在一个实施方式中，本申请的发明涉及一种溅射靶。溅射靶至少具备靶材，该靶材为直接被溅射的部位。此外，溅射靶也可以进一步具备基材(背衬管(backing tube))。并且，也可以根据需要，在基材与靶材之间还设置接合层(bonding layer)。关于基材和接合层，可以使用公知的材料。

在一个实施方式中，溅射靶(和靶材)的形状为圆筒形。大小没有特别限定。

1－2.靶材的构成元素

在一个实施方式中，靶材包含一种或多种金属元素。作为金属元素的例子，可列举出Ti、Nb、Ta、Cu、Co、Mo以及W等，但并不限定于此。此外，靶材并不限定于一种金属元素，也可以包含多种金属元素的合金。作为合金的例子，可列举出Ti合金、Nb合金、Ta合金、Cu合金、Co合金、Mo合金以及W合金等，但并不限定于此。作为Ti合金的例子，可列举出TiAl合金和TiNb合金等，但并不限定于此。

在靶材包含一种金属元素的情况下(例如Ti)，纯度为3N(99.9质量％)以上，优选为4N(99.99质量％)以上，更优选为4N5(99.995质量％)以上，进一步优选为5N(99.999质量％)以上，最优选为5N5(99.9995质量％)以上。上限值没有特别限定，但为8N以下。关于上述纯度，是指通过辉光放电质谱法(GDMS：glow discharge mass spectrometry)进行组成分析而得到的数值。例如，4N以上的情况是指钛以外的元素(例如，Na、Al、Si、K、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Zn、Zr等)的合计量低于0.01质量％(100质量ppm)。

靶材也可以包含不可避免的杂质。作为不可避免的杂质的例子，可列举出O、C等。含量没有特别限定，但在O的情况下，例如可以为1000质量ppm以下，也可以优选为250质量ppm以下，也可以最优选为100质量ppm以下。在C的情况下，例如可以为20质量ppm以下。

作为在本申请的靶材中能实现如上所述的杂质浓度的理由，可列举出不通过粉末烧结(将原料粉末放入模具，进行压制(press)、烧结)制造靶材，而使用通过熔化法得到的坯锭来制造靶材。虽然依赖于金属的种类，但原料粉末中的氧浓度高，大多会超过1000质量ppm。因此，通过粉末烧结而形成的靶材的氧浓度变高。此外，即使原料粉末中的氧浓度低，也会因粉碎等工序而氧浓度上升，超过1000质量ppm的可能性高。但是，本申请的靶材是采用将圆柱形坯锭加工成圆筒形坯锭，之后进行锻造等塑性加工的方法，而不是利用粉末烧结的方法，因此能避免氧浓度变高。

1－3.靶材的晶体粒径

在一个实施方式中，构成靶材的金属具有特定的晶体粒径。更具体而言，所述晶体粒径为50μm以下。优选所述晶体粒径为40μm以下，更优选为30μm以下。下限值没有特别限定，但可以超过10μm。通过晶体粒径为50μm以下，即，通过晶体粒径微细，能抑制颗粒的产生。

需要说明的是，在此所述的晶体粒径按以下的顺序进行测定而得到。依据JISG0551：2013的切断法，根据溅射靶的表面(溅射面)上横穿晶粒内的试验线的每一个晶粒的平均线段长而求出。关于该方法中的晶粒的观察，可以使用光学显微镜(区域500μm×500μm)等。

作为在本申请的靶材中能实现如上所述的晶体粒径的理由，可列举出不通过粉末烧结制造靶材，而使用通过熔化法得到的坯锭来制造靶材。若进行粉末烧结，则与原料粉末相同的晶体粒径通过热处理而生长为原料粉末的晶体粒径以上的晶体粒径。但是，本申请的靶材，等塑性加工，是采用将圆柱形坯锭加工成圆筒形坯锭，之后进行锻造等塑性加工的方法，而不是利用粉末烧结的方法，而因此能避免晶体粒径变大。

此外，作为在本申请的靶材中能实现如上所述的晶体粒径的其他理由，可列举出不通过挤出法对金属材料进行成型，而使用通过熔化法得到的坯锭来制造靶材。在挤出法的情况下，出于需要使金属材料熔融等理由，对材料进行热处理。由此，材料内的晶粒会粗大化(例如，在材料为Ti的情况下，挤出加工的温度成为1000℃左右，晶粒成为几百μm)。然而，在通过挤出法进行成型的情况下，热处理是不可避免的。本申请的靶材是采用将圆柱形坯锭加工成圆筒形坯锭，之后进行锻造等塑性加工的方法，而不是利用挤出法的方法，因此能避免晶体粒径变大。

1－4.靶材的无缝

在一个实施方式中，靶材无缝。“无缝”是指不存在多个靶材彼此接合后的痕迹部分。更具体而言，在刻蚀后观察组织时，将观察不到具有特定的特征的部位的情况称为“无缝”。在此所述的“具有特定的特征的部位”是指例如通过焊接等使晶粒粗大化而成为比材料整体的晶体粒径大20％以上的部位。在此，粒径的测定方法与上述材料整体的晶体粒径的测定方法相同。此外，在判定是否无缝时，优选通过在靶材的内部(例如，深度比2mm深的位置)观察组织来进行，而不是在靶材的表面进行。其理由在于：通过对靶材进行表面加工(例如通过进行磨削)，能消除在靶材表面上所观察到的接合的痕迹部分。在此方面，若为靶材内部的组织，则接合的痕迹部分不会因表面加工而消失，因此能进行正确的判定。

2.制造方法

在一个实施方式中，本申请的发明涉及一种溅射靶的制造方法。所述方法至少包括以下工序：

将包含一种或多种金属元素的圆柱形坯锭加工成圆筒形坯锭的工序；

对所述圆筒形坯锭进行塑性加工的工序。

此外，在上述方法中，也可以进一步根据需要包括退火的工序和/或进行机械加工的工序。以下，进行详细说明。

2－1.加工成圆筒形坯锭的工序

以下以钛为例子进行说明。首先，准备钛的圆柱形坯锭。钛锭的纯度为3N(99.9质量％)以上，优选为4N(99.99质量％)以上，更优选为4N5(99.995质量％)以上，进一步优选为5N(99.999质量％)以上，最优选为5N5(99.9995质量％)以上。

接着，对圆柱形坯锭进行穿孔加工，由此形成成为圆筒形的靶材的坯料的圆筒形坯锭。关于穿孔加工，没有特别限定，可列举出枪孔钻(gun drill)加工、车床加工、BTA方式深孔钻削加工等。

2－2.进行塑性加工的工序

对在上述工序中得到的圆筒形坯锭进行塑性加工。由此，最终能实现微细的晶粒。

塑性加工只要能向圆筒形坯锭导入应变即可，其具体方法没有特别限定，例如，可列举出锻造、轧制。在此，以下，以锻造作为例子进行具体说明。

2－2－1.锻造

对圆筒形坯锭进行锻造时，将芯棒插入内侧而实施。优选的是，锻造优选分两个阶段进行(在本说明书中分别称为一次锻造、二次锻造)。锻造后，得到圆筒形靶材。

需要说明的是，在此，也考虑对进行穿孔加工前的圆柱形的坯锭进行锻造的方法。但是，若为该方法，则需要对具有厚度的材料进行压制，而加工机械变得需要力(特别是在Ti的情况下，由于材料硬，因此需要大的力)。另一方面，在开孔并穿过芯棒来进行锻造的情况下，由于对厚度薄的材料进行锻造，因此加工机械所需要的力小即可。根据这样的理由，优选后述的一次锻造和二次锻造中的至少二次锻造是对穿孔加工后的圆筒形坯锭进行的。关于一次锻造，也可以对穿孔加工前的圆柱形坯锭实施，以下，以对穿孔加工后的圆筒形坯锭进行一次锻造和二次锻造这两者的情况为例子进行说明。

2－2－1－1.一次锻造

首先，可以对通过上述工序所得到的圆筒形坯锭进行一次锻造。一次锻造的目的在于消除圆筒形坯锭内的组织的偏聚和进行锻造伸长。作为温度条件，可以在500℃～850℃下进行。其原因在于：若低于500℃，则圆筒形坯锭硬，进行锻造时可能会断裂，存在变形成偏离近终型(near net shape)的形状的风险，伸长率变差。另一方面，若超过850℃，则晶粒的粗大化会进行，因此不优选。此外，在钛的情况下，若超过850℃，则会从α相向β相进行相变，因此之后无法得到良好的金属组织。作为温度的下限值，也可以优选为550℃以上。作为温度的上限值，也可以优选为低于700℃。

该一次锻造在将芯棒插入圆筒形坯锭的内侧的状态下，在上述温度范围内对圆筒形坯锭加热而进行。芯棒的材料没有特别限定，优选为CrMo钢制。此外，锻造压制为单轴向，因此优选一边使圆筒形坯锭以芯棒为中心旋转，一边反复进行锻造(图2)。

2－2－1－2.二次锻造

一次锻造工序之后，可以对圆筒形坯锭进行二次锻造工序。二次锻造工序的目的在于对圆筒形坯锭的组织施加应变。作为温度条件，在250℃～600℃下进行。更优选在比一次锻造工序时低的温度条件下进行二次锻造。若低于250℃，则圆筒形坯锭硬，不易导入应变，也容易产生组织的不均。另一方面，若超过600℃，则应变因动态再结晶被释放，因此无法使粒径变细。此外，若超过600℃，则在之后的热处理工序中无法得到良好的再结晶组织。作为温度的下限值，可以优选为300℃以上。作为温度的上限值，可以优选为500℃以下。

二次锻造也与一次锻造时同样地在将芯棒插入圆筒形坯锭的内侧的状态下进行。此外，二次锻造也与一次锻造时同样地，优选一边以芯棒为中心使圆筒形坯锭旋转，一边反复进行锻造。此外，若反复进行锻造，则从剖面观察时的圆形的应变会变大，因此优选在二次锻造的最终阶段，以成为接近正圆的形状的方式进行锻造。

2－3.退火(再结晶化)

优选在二次锻造之后去除芯棒，对圆筒形靶材实施退火。由此，在施加了应变的组织中，能促进微细的再结晶组织的形成。作为温度条件，在300℃～600℃下进行。若低于300℃，则再结晶组织的形成变得不充分。另一方面，若超过600℃，则结晶粒的粗大化会进行，因此不优选。作为温度的下限值，可以优选为420℃以上。作为温度的上限值，可以优选为550℃以下。此外，对于时间，根据圆筒形靶材的尺寸进行适当调节即可，例如，可以为0.5h～2h。

2－4.机械加工

退火之后，对圆筒形靶材进行机械加工，能精加工成所期望的形状和尺寸。作为机械加工，可列举出切削和磨削等，但并不限定于此。此外，在该阶段，也可以以能实现所期望的圆度、偏芯度等的方式来调节机械加工的条件。

2－5.基体材料和接合层

可以使上述的靶材与基材(背衬管)接合。由此，能得到具备基材和靶材的溅射靶。此外，也可以通过使用钎料进行接合，在基材与靶材之间形成接合层。

3.溅射靶的利用

上述的溅射靶能用于形成薄膜。虽然将溅射用作形成薄膜的方法，但溅射的条件没有特别限定，可以在该领域中设定的条件下进行溅射。

[实施例]

(实施例1)

准备出包含纯度为4N5以上的钛的坯锭

通过BTA对该坯锭开出

的孔。由此，形成了圆筒形坯锭。接着，在550℃下对圆筒形坯锭进行加热，将CrMo钢制的芯棒穿过。在所述温度下，一边以芯棒为中心使圆筒形坯锭旋转，一边反复进行一次锻造。

接着，将温度下降至350℃，一边以芯棒为中心使圆筒形坯锭旋转，一边反复进行二次锻造。由此得到了圆筒形靶材。

然后，在温度600℃下进行1h退火，促进了圆筒形靶材的晶体组织的再结晶。

然后，利用光学显微镜观察了晶体组织。将结果示于图1。通过上述的方法测定出晶体粒径，其结果是，为40μm。

(实施例2)

适当变更锻造的条件，除此以外，与实施例1同样地制作出圆筒形靶材。

利用光学显微镜观察了该圆筒形靶材的晶体组织。将其晶体组织示于图3。此外，如上所述，通过利用光学显微镜(区域500μm×500μm)进行的观察并通过切断法测定出圆筒形靶材的晶体粒径，其结果是，晶体粒径为36μm。

(实施例3)

适当变更锻造的条件，除此以外，与实施例1同样地制作出圆筒形靶材。

利用光学显微镜观察了该圆筒形靶材的晶体组织。将其晶体组织示于图4。此外，如上所述，通过利用光学显微镜(区域500μm×500μm)进行的观察并通过切断法测定出圆筒形靶材的晶体粒径，其结果是，晶体粒径为29μm。

以上，对本申请的发明的具体实施方式进行了说明。上述实施方式仅为具体例，本发明并不限定于上述实施方式。例如，上述的实施方式的一个所公开的技术特征可以应用于其他实施方式。此外，只要未特别说明，对于特定的方法而言，也可以将一部分的工序与其他工序的顺序进行替换，也可以在特定的两个工序之间追加另外的工序。本发明的范围由权利要求规定。

Claims (7)

1.一种溅射靶，其为圆筒形溅射靶，

所述溅射靶至少具备靶材，

所述靶材包含一种或多种金属元素，

晶体粒径为50μm以下，

氧浓度为1000质量ppm以下。

2.根据权利要求1所述的溅射靶，其中，

所述晶体粒径超过10μm。

3.根据权利要求1或2所述的溅射靶，其中，

所述靶材无缝。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的溅射靶，其中，

所述金属元素为钛。

5.一种方法，其为权利要求1～4中任一项所述的溅射靶的制造方法，所述方法包括：

将包含一种或多种金属元素的圆柱形坯锭加工成圆筒形坯锭的工序；以及

对所述圆筒形坯锭进行塑性加工的工序。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，

进行塑性加工的工序包括：

将芯棒穿过所述圆筒形坯锭来进行锻造。

7.根据权利要求6所述的方法，其中，

进行塑性加工的工序包括：

在500℃～850℃的范围内进行一次锻造；以及

在250℃～600℃的范围内进行二次锻造。

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