CN113881920A - 镍铂合金靶材及其制法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种镍铂合金靶材及其制法。所述镍铂合金靶材包含镍及铂并具有以下特性：一硬度指标，其数值以H表示且H大于或等于100且小于或等于150；一铂原子的含量，以所述镍铂合金靶材的总原子数为基准，所述铂原子的含量大于或等于1％且小于或等于20％，其单位以％表示时的数值为X；一平均晶粒粒径，其单位以微米表示时的数值为Y；以及一晶粒粒径变异量，其单位以％表示时的数值为Z；H、X、Y及Z满足式(I)：式(I)：H＝10000×(X÷Z)^1/10÷Y；通过前述技术手段，能确保本发明的镍铂合金靶材具有合适硬度范围而提升其可加工性，获得质量优良的镍铂合金靶材。

Description

镍铂合金靶材及其制法

技术领域

本发明是关于一种应用于半导体工艺的靶材及其制法，尤指一种镍铂合金靶材及其制法。

背景技术

金属硅化物(Silicide)由于具有优异的高温抗氧化性及良好的导电、导热性，已被广泛应用于半导体工艺中，具体而言，金属硅化物能够降低晶体管在闸极(Gate)、源极(Source)和汲极(Drain)的接触电阻，进而提高整个组件的驱动电流、反应时间或电路的操作速度等。

随着半导体组件朝向小体积发展，其受到电阻的影响更为明显，使得金属硅化物的相关研究因而受到重视。一般而言，在90纳米以上的互补式金属氧化物半导体(Complementary Metal-Oxide-Semiconductor，CMOS)通常使用钛硅化物或钴硅化物为主；而CMOS工艺发展至65纳米以下时，则改为选用具有更佳特性的镍硅化物，尤其，当CMOS工艺在45纳米以下时，为了改善随之发生的短通道效应(short-channel effects)所带来的不利影响，通常选择具有高介电常数的氧化物材料(例如二氧化铪)取代二氧化硅绝缘层，并搭配具有低电阻、低耗硅量及低工艺温度等特性的镍硅化物。然而，镍硅化物的热稳定性差，需透过添加铂元素提高其稳定性，据此，镍铂合金靶材即为制作镍硅化物的重要来源之一。

现有技术中已有针对镍铂合金靶材进行研究，以CN1926254A为例，其提及熔铸后的镍铂合金时常有过于脆硬而不易进一步加工制成靶材的问题，对此，所述专利案公开透过提高镍铂合金原料的纯度至99.99％以上的技术手段，可解决熔铸后的镍铂合金过于脆硬而无法进一步加工的问题。然而，在镍铂合金铸锭进一步经过塑性成型、热处理以制得镍铂合金靶材及后续加工过程中，时常因靶材变形量过高，导致所制得的靶材产生裂纹而影响其质量，却尚未有相应的解决方法。

据此，目前仍有待发展降低靶材变形量及避免靶材裂纹的相关研究，以获得高质量的镍铂合金靶材。

发明内容

有鉴于现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于控制镍铂合金靶材的硬度于特定范围内，由此令镍铂合金铸锭在塑性成型及热处理等步骤后获得具有低变形量的镍铂合金靶材，并且于加工后不会产生裂纹，即具有良好可加工性进而保有优良的质量。

为达成前述目的，本发明提供一种镍铂合金靶材，其包含镍以及铂；其中所述镍铂合金靶材具有以下特性：

一铂原子的含量，以所述镍铂合金靶材的总原子数为基准，所述铂原子的含量(铂含量)大于或等于1百分比(％)且小于或等于20％，其单位以百分比表示时的数值为X；

一平均晶粒粒径，其单位以微米表示时的数值为Y；

一晶粒粒径变异量，其单位以百分比表示时的数值为Z；

一硬度指标，所述硬度指标的数值以H表示；

其中，H、X、Y及Z满足以下式(I)：

式(I)：H＝10000×(X÷Z)^1/10÷Y，且H大于或等于100且小于或等于150。

通过上述技术手段，在控制镍铂合金靶材中的铂含量于特定范围中，且进一步控制镍铂合金靶材的铂含量的数值、平均晶粒粒径的数值以及晶粒粒径变异量的数值三者间满足特定关系，使硬度指标大于或等于100且小于或等于150时，能确保所述镍铂合金靶材的维氏硬度于合适范围，进而可降低所述镍铂合金靶材的变形量并避免于加工后产生裂纹，即提升其可加工性以获得质量优良的镍铂合金靶材。

依据本发明，式(I)中所载“X”、“Y”以及“Z”是分别为铂含量以百分比作为单位表示时的数值、平均晶粒粒径以微米作为单位表示时的数值以及晶粒粒径变异量以百分比作为单位表示时的数值。举例而言，若所述镍铂合金靶材的铂含量是1％、平均晶粒粒径是75微米以及晶粒粒径变异量是13％，则式(I)中的“X”、“Y”以及“Z”则分别以“1”、“75”以及“13”带入计算。

依据本发明，所述硬度指标是表示镍铂合金靶材的铂含量、平均晶粒粒径以及晶粒粒径变异量三者之间所具有的特定关系，而非实质上等同于镍铂合金靶材的真实硬度。

较佳的，所述镍铂合金靶材的晶粒粒径变异量小于15％。更佳的，所述镍铂合金靶材的晶粒粒径变异量大于或等于7％且小于15％。再更佳的，所述镍铂合金靶材的晶粒粒径变异量大于或等于7％且小于或等于13％。

较佳的，所述镍铂合金靶材的平均晶粒粒径大于或等于55微米且小于或等于110微米。更佳的，所述镍铂合金靶材的平均晶粒粒径大于或等于60微米且小于或等于100微米。再更佳的，所述镍铂合金靶材的平均晶粒粒径大于或等于68微米且小于或等于100微米。

较佳的，以所述镍铂合金靶材的总原子数为基准，所述铂含量大于或等于1％且小于或等于18％。更佳的，以所述镍铂合金靶材的总原子数为基准，所述铂含量大于或等于1％且小于或等于17％。

较佳的，所述镍铂合金靶材的维氏硬度大于或等于110HV且小于或等于150HV。更佳的，所述镍铂合金靶材的维氏硬度大于或等于120HV且小于或等于150HV。当镍铂合金靶材具有前述的硬度范围，可进一步降低镍铂合金靶材的变形量与避免靶材于加工后发生裂纹，提升其可加工性。于本说明书中，所述镍铂合金靶材所测得的维氏硬度是指经过塑性成型的镍铂合金靶材的维氏硬度。

为达成前述目的，本发明另提供一种镍铂合金靶材的制法，其包含以下步骤：

步骤(a)：熔炼铸造镍及铂，以得到一镍铂合金铸锭，其中以镍及铂的原子总数为基准，铂原子的添加量大于或等于1％且小于或等于20％；

步骤(b)：对所述镍铂合金铸锭进行塑性成型，其中所述塑性成型的最高温度大于或等于800℃且小于或等于1200℃，且所述镍铂合金铸锭的总塑性成型量大于或等于90％且小于或等于95％；以及

步骤(c)：于700℃至1000℃下进行热处理，以得到所述镍铂合金靶材。

透过添加特定含量的铂于所述金属原料中，且同时控制前述工艺中塑性成型时的最高温度、镍铂合金铸锭总塑性成型量以及后续热处理的温度于特定范围中，能使制得的镍铂合金靶材具有合适的硬度范围，进而有良好的可加工性、低变形量以及不会产生裂纹等特性。

于步骤(a)中，本发明可适用的铂的纯度可大于4N5，本发明可适用的镍的纯度可大于5N，即，所选用的铂的纯度可大于99.995％，所选用的镍的纯度可大于99.999％。较佳的，所制得的镍铂合金靶材的纯度可大于5N(99.999％)。

依据本发明，所述熔炼步骤可选用任何习知的熔炼方式，举例而言，所述熔炼方式可以是真空感应熔炼法(vacuum induction melting，VIM)、电子束熔炼法(electron beammelting，EBM)、真空电弧再熔炼法(vacuum arc remelting，VAR)或水冷铜坩埚熔炼法(water-cooled copper crucible melting)，但不限于此。

依据本发明，所述塑性成型步骤可选用任何习知的塑性成型方式，举例而言，所述塑性成型步骤可为锻造或轧延等流程进行塑性成型，且不限于热间成型或冷间成型。

于步骤(c)中，进行所述热处理步骤之后，可再包含一加工步骤，以得到所述镍铂合金靶材。所述加工步骤可选用任何习知的靶材加工方式，举例而言，所述加工步骤可为车削加工或研磨加工等加工方式，但不限于此。

较佳的，所述塑性成型的最高温度大于或等于850℃且小于或等于1150℃。更佳的，所述塑性成型的最高温度大于或等于850℃且小于或等于1000℃。

较佳的，所述镍铂合金铸锭的总塑性成型量大于或等于90％且小于或等于94％。更佳的，所述镍铂合金铸锭的总塑性成型量大于或等于90％且小于或等于93％

较佳的，所述热处理的温度大于或等于800℃且小于或等于1000℃。更佳的，所述热处理的温度大于或等于850℃且小于或等于1000℃。

具体实施方式

为验证本发明的镍铂合金靶材于工艺中控制特定条件所致所述镍铂合金靶材的铂含量、平均晶粒粒径以及晶粒粒径变异量具有特定关系而对其硬度以及可加工性所产生的影响，以下列举数种实施例以说明本发明的实施方式，并说明各实施例与比较例的特性差异；熟习此技艺者可经由本说明书的内容轻易地了解本发明所能达成的优点与功效，并且于不悖离本发明的精神下进行各种修饰与变更，以施行或应用本发明的内容。

实施例1至6：镍铂合金靶材

依照表1所列不同铂含量的条件准备含有纯度大于5N的镍及纯度大于4N5的铂的金属原料，将所述金属原料熔炼后制成高纯度镍铂合金，并铸造成块状镍铂合金铸锭，随后将所述镍铂合金铸锭进行塑性成型，其过程中的最高温度及镍铂合金铸锭的总塑性成型量皆控制于特定范围内，再于特定温度范围下进行热处理，最后再加工至目标尺寸以获得实施例1至6的镍铂合金靶材。实施例1至6进行塑性成型时所测得的最高温度、镍铂合金铸锭的总塑性成型量以及热处理的温度条件分别列于下表1中。

比较例1至5：镍铂合金靶材

比较例1至5的实施方式与实施例1至6雷同，即依照表1所列不同铂含量的条件将含镍及铂的金属原料依序透过熔炼铸造、塑性成型、热处理及加工等步骤以获得比较例1至5的镍铂合金靶材，其不同之处在于塑性成型的最高温度、镍铂合金铸锭的总塑性成型量及热处理温度等条件，前述所采用不同的条件亦列于下表1中。

表1：实施例1至6及比较例1至5的镍铂合金靶材的铂含量、工艺中塑性成型的最高温度、镍铂合金铸锭总塑性成型量以及热处理温度

试验例1：平均晶粒粒径及晶粒粒径变异量

本试验例是以实施例1至6及比较例1至5中经过塑性成型及热处理后的镍铂合金靶材为待测样品进行测试。具体而言，从靶材的正中心、二分之一半径及边缘处分别取下大小约为10毫米(mm)×10毫米的试片，随后依序经过研磨、抛光以及蚀刻等步骤制备样品后，以光学显微镜(型号：OLYMPUS BX51M)进行观察并撷取影像，随后透过Image J Pro分析软件，于撷取影像图上画四条截线，其中二条截线为影像图的对角线，另外两条截线分别为平行于长边的中心线及平行于短边的中心线，四条截线于各影像图上呈米字型排列。

接着，以此抽样统计四条截线上的晶粒总数，再将各截线的长度除以晶粒总数得到各截线上的晶粒粒径；然后，以前述计算得到各截线上的晶粒粒径的数据计算所有截线的平均晶粒粒径与其标准偏差。将标准偏差除以平均晶粒粒径所计算而得的百分比代表正归化的晶粒粒径均匀度(normalized uniformity of grain size)。晶粒粒径均匀度的百分比越大代表变异程度越严重，所述待测样品的晶粒粒径尺寸越不均匀。实施例1至6及比较例1至5的镍铂合金靶材的平均晶粒粒径及晶粒粒径变异量分析结果如表2所示。

试验例2：硬度分析

本试验例是以实施例1至6及比较例1至5中经过塑性成型及热处理后的镍铂合金靶材为待测样品进行测试。具体而言，从靶材的正中心、二分之一半径及边缘处分别取下大小约为10毫米×10毫米的试片，经研磨、抛光步骤制备样品后，以微硬度试验机(型号：SHIMADZU HMV-2)进行硬度量测，每个样品分别在其抛光面上量测硬度值后，再将前述三处不同位置的硬度值取其平均值，以作为实施例1至6及比较例1至5的镍铂合金靶材的硬度量测值，其结果亦列于表2中。

试验例3：评估靶材变形量及靶材裂纹

本试验例是以实施例1至6及比较例1至5中经过塑性成型及热处理后的镍铂合金靶材为待测样品进行靶材变形量的测试。具体而言，将靶材置于一水平面，以直角规量测靶材表面相对于水平面的翘曲程度，即作为靶材变形量的评估结果并列于表2中。

接着，靶材裂纹的评估是前述实施例1至6及比较例1至5中经过塑性成型及热处理后的镍铂合金靶材，再进一步以相同条件加工至相同尺寸(φ450×4mm)后，再以肉眼观察其表面是否产生裂纹，评估靶材裂纹的结果亦列于表2中。

此外，综合前述试验例3所得靶材变形量及靶材裂纹的结果，可进一步评估镍铂合金靶材的可加工性，具体而言，靶材变形量大于0.3毫米且经加工后制得的靶材表面具有明显裂纹标记为△；靶材变形量约等于0.3毫米且经加工后制得的靶材表面不具有裂纹标记为○；靶材变形量小于0.2毫米且经加工后制得的靶材表面不具有裂纹标记为◎。前述评估靶材可加工性的结果列于表2中。

表2：实施例1至6及比较例1至5的镍铂合金靶材的铂含量、硬度指标、晶粒粒径变异量、平均晶粒粒径、维氏硬度、靶材变形量、靶材裂纹及可加工性

实验结果讨论

根据表1及表2的内容可知，实施例1至6的镍铂合金靶材由于控制塑性成型的最高温度、镍铂合金铸锭的总塑性成型量以及热处理温度于特定范围，使所制得的镍铂合金靶材在特定的铂含量之下，具有特定的平均晶粒粒径以及晶粒粒径变异量而使硬度指标在特定范围中，因而具有适当的维氏硬度范围，并有靶材变形量低以及进一步加工后不发生裂纹的功效，而可提升靶材的可加工性以及维持其优良的质量；反观比较例1至5的镍铂合金靶材，这些靶材于工艺中未控制塑性成型的最高温度、镍铂合金铸锭的总塑性成型量以及热处理温度中至少一者于特定范围中，致使其铂含量、平均晶粒粒径以及晶粒粒径变异量不具特定关系，导致靶材的维氏硬度不在适合范围中，不仅靶材变形量较高，且加工后靶材易有裂纹，因而影响其可加工性。

进一步参看实施例2、比较例1以及实施例4、比较例3的组别，虽然实施例2、比较例1的铂含量皆为3％；实施例4、比较例3的铂含量皆为7％，但比较例1以及比较例3的热处理温度分别550℃以及1100℃而未在700℃至1000℃的范围中，其中550℃并未高于此合金的再结晶温度，而1100℃则反而温度过高使晶粒成长，两者情况导致比较例1以及比较例3的镍铂合金靶材的平均晶粒粒径以及晶粒粒径变异量过高，且硬度指标皆未在100至150的范围中，使得比较例1以及比较例3的镍铂合金靶材的维氏硬度过低，因此可观察到较高的靶材变形量以及于加工后产生裂纹，不具良好的可加工性。

进一步参看实施例3以及比较例2的组别，其铂含量虽相同，但比较例2于工艺中的镍铂合金铸锭的总塑性成型量低于90％，造成提供晶粒细化的动能尚有不足，亦导致比较例2的镍铂合金靶材的平均晶粒粒径以及晶粒粒径变异量偏高，使硬度指标未在100至150的范围中而降低比较例2的镍铂合金靶材的维氏硬度，靶材加工后虽未观察到裂纹，但仍具有较高的靶材变形量而影响其可加工性。

进一步参看实施例5以及比较例4的组别，在铂含量同为10％的条件下，由于比较例4于工艺中的塑性成型的最高温度明显较低，导致镍铂合金铸锭的总塑性成型量也有所不足而无法有显著晶粒细化现象，使得比较例4的镍铂合金靶材的平均晶粒粒径以及晶粒粒径变异量过高而无法使硬度指标落在100至150的范围中，进而测得比较例4的镍铂合金靶材的维氏硬度仅有97HV，据此可观察到靶材变形量较高以及靶材加工后有裂纹产生而不利于后续加工。

再进一步参看比较例5的组别，即便其仅有镍铂合金铸锭的总塑性成型量高于本发明所界定的95％的情况，然而，比较例5的硬度指标亦不在100至150的范围中，经测量比较例5的镍铂合金靶材的维氏硬度后得到184HV，过高的硬度值导致后续加工困难。

综合上述试验例的结果可知，本发明通过控制镍铂合金靶材工艺中铂含量、塑性成型最高温度、镍铂合金铸锭的总塑性成型量以及热处理温度等条件，使制得的镍铂合金靶材具有特定范围的铂含量、平均晶粒粒径以及晶粒粒径变异量，因而获得合适的硬度范围，能降低靶材变形量以及避免靶材加工后产生裂纹，具体提升靶材的可加工性以及维持靶材的质量。

Claims (9)

1.一种镍铂合金靶材，其包含镍以及铂；其中所述镍铂合金靶材具有以下特性：

一硬度指标，所述硬度指标的数值以H表示，H大于或等于100且小于或等于150；

一铂原子的含量，以所述镍铂合金靶材的总原子数为基准，所述铂原子的含量大于或等于1百分比且小于或等于20百分比，其单位以百分比表示时的数值为X；

一平均晶粒粒径，其单位以微米表示时的数值为Y；以及

一晶粒粒径变异量，其单位以百分比表示时的数值为Z；

其中，H、X、Y及Z满足以下式(I)：

式(I)：H＝10000×(X÷Z)^1/10÷Y。

2.如权利要求1所述的镍铂合金靶材，其中所述镍铂合金靶材的晶粒粒径变异量小于15％。

3.如权利要求1所述的镍铂合金靶材，其中所述镍铂合金靶材的平均晶粒粒径大于或等于55微米且小于或等于110微米。

4.如权利要求1所述的镍铂合金靶材，其中以所述镍铂合金靶材的总原子数为基准，所述铂原子的含量大于或等于1原子百分比且小于或等于18原子百分比。

5.如权利要求1至4中任一项所述的镍铂合金靶材，所述镍铂合金靶材的维氏硬度大于或等于110HV且小于或等于150HV。

6.一种镍铂合金靶材的制法，其包含以下步骤：

步骤(a)：熔炼铸造镍及铂，以得到一镍铂合金铸锭，其中以镍及铂的原子总数为基准，铂原子的添加量大于或等于1百分比且小于或等于20百分比；

步骤(b)：对所述镍铂合金铸锭进行塑性成型，其中所述塑性成型的最高温度大于或等于800℃且小于或等于1200℃，且所述镍铂合金铸锭的总塑性成型量大于或等于90％且小于或等于95％；以及

步骤(c)：于700℃至1000℃下进行热处理，以得到所述镍铂合金靶材。

7.如权利要求6所述的制法，所述塑性成型的最高温度大于或等于850℃且小于或等于1150℃。

8.如权利要求6所述的制法，所述镍铂合金铸锭的总塑性成型量大于或等于90％且小于或等于94％。

9.如权利要求6所述的制法，所述热处理的温度大于或等于800℃且小于或等于1000℃。