CN115404448A - 靶材及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种靶材及其制作方法，其中，靶材制作方法包括：提供靶材原料，所述靶材原料由多个靶材原料颗粒组成，所述靶材原料颗粒经球形化处理形成；对所述靶材原料进行热等静压工艺处理，形成靶材。所述制作方法能够提高热等静压工艺处理后靶材材料组织均匀性，提高靶材在加工过程中的变形均匀性以及靶材良率，改善形成的靶材致密度，降低制造成本。
Description
技术领域
本发明涉及半导体制造技术领域，尤其涉及一种靶材及其制作方法。
背景技术
溅射镀膜属于物理气相沉积方法制备薄膜的工艺之一，具体是指利用高能粒子轰击靶材表面，使得靶材原子或分子获得足够的能量逸出，并沉积在基材或工件表面，从而形成薄膜。溅射镀膜在半导体芯片、平板显示器、太阳能电池制造等领域具有广泛的应用。
在半导体芯片制造中，溅射镀膜所使用的靶材为高致密度金属材料，例如W、Mo、Nb或Ta等，用于形成金属线或者防扩散层等。现有技术中，为获得高致密度靶材，需要进行多次致密化处理工序，不仅工序复杂而且制造成本也高。
由此，现有靶材制作方法仍有待改进。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种靶材及其制作方法，有助于提高热等静压工艺处理后靶材材料组织均匀性，提高靶材在加工过程中的变形均匀性以及靶材良率，改善形成的靶材致密度，降低制造成本。
为解决上述问题，本发明提供一种靶材制作方法，包括：提供靶材原料，所述靶材原料由多个靶材原料颗粒组成，所述靶材原料颗粒经球形化处理形成；对所述靶材原料进行热等静压工艺处理，形成靶材。
可选的，所述靶材原料颗粒的形状呈球状或者椭球状。
可选的，所述靶材原料颗粒的球化率大于或等于95％。
可选的，所述靶材原料颗粒的形成方法包括：提供靶材初始颗粒；采用热等离子工艺对所述靶材初始颗粒进行球形化处理，形成所述靶材原料颗粒。
可选的，所述热等离子工艺包括：提供热等离子体炬，所述热等离子体炬内具有热等离子体；向所述热等离子体炬内加入所述靶材初始颗粒，所述靶材初始颗粒熔融形成液滴；所述液滴冷却，在表面张力作用下形成所述靶材原料颗粒。
可选的，所述热等离子体为射频热等离子体。
可选的，所述射频热等离子体的功率范围为10kW～200kW。
可选的，向所述热等离子体炬内加入所述靶材初始颗粒的加料速度为10g/min～300g/min。
可选的，所述热等离子工艺的工艺参数包括：载气流量为1L/min～10L/min，中气流量为1m3/h～5m3/h，边气流量为2m3/h～10m3/h。
可选的，所述靶材原料颗粒的粒径为3μm～100μm。
可选的，所述靶材原料颗粒的纯度大于99.999％。
可选的，所述靶材原料颗粒的材料为W、Mo、Nb或Ta。
可选的，所述靶材原料颗粒的材料为W时，所述靶材原料颗粒的松装密度大于或者等于10g/cm3，振实密度大于或者等于12g/cm3，霍尔流速小于或者等于7s/50g。
可选的，所述热等静压工艺处理包括：将所述靶材原料放入包套并抽真空；对包套内的所述靶材原料进行致密化处理。
可选的，仅进行一次所述热等静压工艺处理。
可选的，所述靶材原料颗粒的材料为W时，所述热等静压工艺处理的工艺参数包括：工艺气体包括惰性气体，工艺温度为1500℃～2000℃，腔室压强为160MPa～200MPa，工艺时间为3h～5h。
可选的，所述包套的材料为铌、钼、钽或者石英。
本发明还提供一种采用所述靶材制作方法所获得的靶材。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明提供的靶材制作方法的技术方案中，靶材原料颗粒经球形化处理形成，球形化处理使得靶材原料颗粒表面圆滑。在后续热等静压工艺处理过程中，所述靶材原料颗粒易于流动，且排列密度大，空隙少，有助于提高烧结后材料组织均匀性，可改善形成的靶材致密度，降低制造成本。
附图说明
图1是本发明一实施例的靶材制作方法的流程示意图；
图2是本发明一实施例的靶材原料的示意图；
图3是本发明一实施例的靶材初始颗粒的示意图；
图4是本发明一实施例的靶材原料颗粒的示意图；
图5是本发明一实施例的球形化处理工艺对应的装置结构示意图；
图6至图13是本发明一实施例的热等静压工艺处理各步骤对应的结构示意图。
具体实施方式
本发明的实施例采用经球形化处理形成的靶材原料颗粒，能够提高靶材烧结致密度以及靶材组织均匀性，从而获得高质量的靶材。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
图1是本发明一实施例的靶材制作方法的流程示意图。图2是本发明一实施例的靶材原料100的示意图。
参考图1及图2，在S11中，提供靶材原料100，所述靶材原料100由多个靶材原料颗粒110组成，所述靶材原料颗粒110经球形化处理形成。
所述靶材原料100用于生产半导体芯片制造用靶材。
所述靶材原料100的材料包括W、Mo、Nb或Ta。本实施例中，所述靶材原料100的材料为W。
参考图3，所述靶材原料颗粒110由靶材初始颗粒101经球形化处理形成。
靶材初始颗粒101呈多面体状，表面具有多个棱角及棱边，且靶材初始颗粒101之间形状差异大。
球形化处理使得靶材初始颗粒101表面不规则的棱角转变为圆角，棱边转变为圆滑过渡的曲面，形成所述靶材原料颗粒110(参考图2)。
在后续热等静压工艺处理过程中，所述靶材原料颗粒110表面圆滑，易于流动，且振实密度大，空隙少，有助于提高烧结质量。
所述靶材原料颗粒110的形状呈球状或者椭球状。
所述靶材原料颗粒110的球化率大于或等于95％。其中，球化率是指球状靶材原料颗粒数量占靶材原料颗粒总数的百分比。球化率高有助于提高烧结后材料组织均匀性，改善形成的靶材致密度。
图4是本发明一实施例的靶材原料颗粒110的示意图。
参考图4，本实施例中，所述靶材原料颗粒110的形状呈球状。球状靶材原料颗粒110填充密度高，烧结均匀性好，能够降低烧结工艺难度，简化工艺流程。
在一些实施例中，所述靶材原料颗粒110的粒径相同。在其他实施例中，所述靶材原料颗粒110之间粒径具有差异。
所述靶材原料颗粒110的粒径为3μm～100μm。
本实施例中，所述靶材原料颗粒110的粒径为10μm～20μm，所述靶材原料颗粒110的粒径过小，制造难度大，成本高；所述靶材原料颗粒110的粒径过大，后续烧结难度大，造成靶材组织尺寸大。
本实施例中，所述靶材原料颗粒110的纯度大于99.999％，以满足半导体芯片制造对靶材纯度要求，保证溅射镀膜质量，进而提高半导体芯片成品率。
本实施例中，所述靶材原料颗粒110的形成方法包括：提供靶材初始颗粒101；采用热等离子工艺对所述靶材初始颗粒101进行球形化处理，形成所述靶材原料颗粒110。
图5是本发明一实施例的球形化处理工艺对应的装置结构示意图。
参考图5，具体地，所述热等离子工艺包括：提供热等离子体炬200，所述热等离子体炬200内具有热等离子体；向所述热等离子体炬200内加入所述靶材初始颗粒101(参考图3)，所述靶材初始颗粒101熔融形成液滴；所述液滴冷却，在表面张力作用下形成所述靶材原料颗粒110(参考图4)。
所述热等离子体炬200内为高温区，使得所述靶材初始颗粒101(参考图3)在所述热等离子体炬200内熔融。在表面张力作用下，熔融的所述靶材初始颗粒101呈球状，形成液滴。所述液滴在穿出所述热等离子体炬200后遇冷快速冷却，保持球形，形成所述靶材原料颗粒110(参考图4)。
采用热等离子工艺对所述靶材初始颗粒101(参考图3)进行球形化处理，形成的所述靶材原料颗粒110(参考图4)更为符合球形标准，且工艺实施难度低。
本实施例中，向所述热等离子体炬200内加入所述靶材初始颗粒101(参考图3)的加料速度为10g/min～300g/min，加料速度过大，形成的所述靶材原料颗粒110的球化率低；加料速度过小则导致生产效率低。
本实施例中，所述热等离子体为射频热等离子体。
在所述热等离子工艺过程中，由所述热等离子体炬200的中心至边缘，向所述热等离子体炬200内通入的气体分为载气、中气及边气。
本实施例中，所述热等离子工艺的工艺参数包括：载气流量为1L/min～10L/min，中气流量为1m3/h～5m3/h，边气流量为2m3/h～10m3/h。其中，载气流量范围适当有助于保证随载气送入的靶材初始颗粒101(参考图3)能够更好的分散开来；中气流量范围适当有助于保证由中气产生的热等离子体符合工艺要求；边气流量范围适当有助于保证边气对装置的冷却及保护效果。
所述热等离子体炬200侧壁内嵌环形感应线圈210，所述环形感应线圈210适于产生高频感应电磁场，以激发等离子发生气体发生电离，从而形成稳定的热等离子体。
本实施例中，所述射频热等离子体的功率范围为10kW～200kW，功率过低，能量不够，形成的靶材原料颗粒110的球化率低；功率过高，设备制造难度大。
本实施例中，所述热等离子体炬200底端连通收集容器220，所述液滴在通过收集容器220过程中遇冷冷却。所述收集容器220底部具有收集口221，适于收集形成的所述靶材原料颗粒110(参考图4)。
在其他实施例中，还可以采用研磨或者造粒，对所述靶材初始颗粒101(参考图3)进行球形化处理，以形成所述靶材原料颗粒110(参考图4)。
参考图1，在S12中，对所述靶材原料100进行热等静压工艺处理，形成靶材。
图6至图13是本发明一实施例的热等静压工艺处理各步骤对应的结构示意图。
图6及图7为热等静压工艺处理中所使用的包套300的拼接示意图。
参考图6及图7，由下至上，所述包套300依次包括下端口密封体301、包套主体310、上端口密封体302和脱气管320。
本实施例中，通过焊接将所述包套300的各组件拼接起来，所述焊接包括氩弧焊、激光焊或者电子束焊接等。
所述上端口密封体302、包套主体310及下端口密封体301围成靶材原料100(参考图2)的容纳腔，所述脱气管320连通所述容纳腔。
所述包套300的材料为铌、钼、钽或者石英。所述包套300具有高熔点，能够承受1600℃以上的高温。
本实施例中，所述包套300的材料为铌。
本实施例中，所述包套300的厚度为3mm～5mm。
图8及图9为向所述包套300内填充所述靶材原料颗粒110的示意图。
参考图8及图9，将所述靶材原料颗粒110由所述脱气管320放入包套300，并通过振动所述包套300以将所述靶材原料颗粒110振实，以使所述靶材原料颗粒110形成密堆积。
本实施例中，所述靶材原料颗粒110的松装密度大于或者等于10g/cm3，振实密度大于或者等于12g/cm3，有助于提高形成的靶材致密度。
本实施例中，所述靶材原料颗粒110的霍尔流速小于或者等于7s/50g，保证靶材原料颗粒110的流动性，有助于提高形成靶材的致密度和靶材成形的变形均匀性。
图10为对所述包套300抽真空的示意图。
参考图10，通过将所述脱气管320与抽真空装置外接，抽出所述包套300内气体以达到真空状态。
图11及图12为对所述包套300进行封口的示意图。
参考图11及图12，抽真空后，挤压所述脱气管320(参考图10)以形成密闭封口330。
图13为所述包套300在热等静压炉内的示意图。
参考图13，将密闭封口330处理后的所述包套300放入热等静压炉，对包套300内的所述靶材原料100进行致密化处理。
所述热等静压工艺处理的工艺气体为惰性气体。本实施例中，所述惰性气体包括氩气。
本实施例中，所述靶材原料100的材料为W。所述热等静压工艺处理的工艺温度为1500℃～2000℃，腔室压强为160MPa～200MPa，有助于抑制晶粒的异常长大，提高靶材烧结致密度。
所述热等静压工艺处理的工艺时间为3h～5h，所述靶材原料颗粒110具有足够的时间进行压力传导，有助于提高靶材原子扩散均匀性，使得靶材原子间的相互结合更为紧密。
待热等静压工艺处理完成，炉温降低后将所述靶材取出，进行车削、线切割等机加工去取靶材表面的所述包套300，即得到所述靶材。
本实施例中，由于所述靶材原料颗粒110经球形化处理形成，排布紧密，填充密度高，烧结均匀性好，因而仅进行一次所述热等静压工艺处理即可实现靶材致密度在99％以上。
本发明还提供一种采用所述靶材制作方法所获得的靶材。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。
Claims (18)
1.一种靶材制作方法，其特征在于，包括：
提供靶材原料，所述靶材原料由多个靶材原料颗粒组成，所述靶材原料颗粒经球形化处理形成；
对所述靶材原料进行热等静压工艺处理，形成靶材。
2.如权利要求1所述的靶材制作方法，其特征在于，所述靶材原料颗粒的形状呈球状或者椭球状。
3.如权利要求2所述的靶材制作方法，其特征在于，所述靶材原料颗粒的球化率大于或等于95％。
4.如权利要求1所述的靶材制作方法，其特征在于，所述靶材原料颗粒的形成方法包括：
提供靶材初始颗粒；
采用热等离子工艺对所述靶材初始颗粒进行球形化处理，形成所述靶材原料颗粒。
5.如权利要求4所述的靶材制作方法，其特征在于，所述热等离子工艺包括：提供热等离子体炬，所述热等离子体炬内具有热等离子体；
向所述热等离子体炬内加入所述靶材初始颗粒，所述靶材初始颗粒熔融形成液滴；
所述液滴冷却，在表面张力作用下形成所述靶材原料颗粒。
6.如权利要求5所述的靶材制作方法，其特征在于，所述热等离子体为射频热等离子体。
7.如权利要求6所述的靶材制作方法，其特征在于，所述射频热等离子体的功率范围为10kW～200kW。
8.如权利要求5所述的靶材制作方法，其特征在于，向所述热等离子体炬内加入所述靶材初始颗粒的加料速度为10g/min～300g/min。
9.如权利要求5所述的靶材制作方法，其特征在于，所述热等离子工艺的工艺参数包括：载气流量为1L/min～10L/min，中气流量为1m3/h～5m3/h，边气流量为2m3/h～10m3/h。
10.如权利要求1所述的靶材制作方法，其特征在于，所述靶材原料颗粒的粒径为3μm～100μm。
11.如权利要求1所述的靶材制作方法，其特征在于，所述靶材原料颗粒的纯度大于99.999％。
12.如权利要求1所述的靶材制作方法，其特征在于，所述靶材原料颗粒的材料为W、Mo、Nb或Ta。
13.如权利要求12所述的靶材制作方法，其特征在于，所述靶材原料颗粒的材料为W时，所述靶材原料颗粒的松装密度大于或者等于10g/cm3，振实密度大于或者等于12g/cm3，霍尔流速小于或者等于7s/50g。
14.如权利要求12所述的靶材制作方法，其特征在于，所述热等静压工艺处理包括：
将所述靶材原料放入包套并抽真空；
对包套内的所述靶材原料进行致密化处理。
15.如权利要求14所述的靶材制作方法，其特征在于，仅进行一次所述热等静压工艺处理。
16.如权利要求15所述的靶材制作方法，其特征在于，所述靶材原料颗粒的材料为W时，所述热等静压工艺处理的工艺参数包括：工艺气体包括惰性气体，工艺温度为1500℃～2000℃，腔室压强为160MPa～200MPa，工艺时间为3h～5h。
17.如权利要求14所述的靶材制作方法，其特征在于，所述包套的材料为铌、钼、钽或者石英。
18.如权利要求1-17任一项所述的靶材制作方法所获得的靶材。
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2021
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