RU2365673C2

RU2365673C2 - High-purity sputtering molybdenum target and method of its production

Info

Publication number: RU2365673C2
Application number: RU2007132651/02A
Authority: RU
Inventors: Вадим Георгиевич Глебовский (RU); Вадим Георгиевич Глебовский; Евгений Дмитриевич Штинов (RU); Евгений Дмитриевич Штинов
Original assignee: Вадим Георгиевич Глебовский
Priority date: 2007-08-30
Filing date: 2007-08-30
Publication date: 2009-08-27
Also published as: RU2007132651A

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: invention relates to non-ferrous metallurgy, namely to production of sputtering molybdenum targets and can be used in microelectronics to apply coatings by thin-film metallisation. The method involves a consistent deep vacuum refining by electron-beam remelting of a high-purity metal-ceramic bar obtaining monocrystalline or polycrystalline molybdenum. Whereupon a semi-finished target shaped as a monocrystalline or polycrystalline ingot is formed from the obtained product using electron-beam remelting in the horizontal or vertical mold. The ingot produced is then machined.

EFFECT: improved quality and reliability of the barrier and conducting films when sputtering cast high-purity molybdenum targets.

3 cl, 1 dwg, 1 ex

Description

Изобретение относится к области производства распыляемых металлических мишеней для микроэлектроники. Молибден представляет значительный интерес в связи с его уникальными возможностями как материала низкоомных контактов с кремнием (10^-5-10^-4 Ом·см) и токопроводящих систем. Молибден имеет относительно низкое удельное электросопротивление и наиболее близкую к кремнию величину коэффициента термического расширения. Однако использование молибдена осложняется трудностями получения пленок с физическими свойствами массивных образцов. В настоящее время основной промышленной технологией нанесения тонких пленок в промышленности является магнетронное распыление мишеней. Для изготовления мишеней используют методы порошковой металлургии.The invention relates to the field of production of sprayable metal targets for microelectronics. Molybdenum is of considerable interest in connection with its unique capabilities as a material of low-resistance contacts with silicon (10 ^-5 -10 ^-4 Ohm · cm) and conductive systems. Molybdenum has a relatively low electrical resistivity and the coefficient of thermal expansion closest to silicon. However, the use of molybdenum is complicated by the difficulties in obtaining films with the physical properties of bulk samples. Currently, the main industrial technology for applying thin films in industry is magnetron sputtering of targets. For the manufacture of targets using methods of powder metallurgy.

Наиболее близким к заявленному объекту является патент США №20060042728 от 02.03.2006, в котором предложен способ получения распыляемых мишеней из молибдена, заключающийся в использовании методов порошковой металлургии: прессование и спекание порошка молибдена высокой чистоты при температуре, давлении и выдержке, достаточных для образования мишени с мелкозернистой микроструктурой. При реализации этого способа возникают принципиальные препятствия, усложняющие получение качественных мишеней.Closest to the claimed object is US patent No. 2000042728 dated 03/02/2006, in which a method for producing sprayable targets from molybdenum is proposed, which consists in using powder metallurgy methods: pressing and sintering high purity molybdenum powder at a temperature, pressure and exposure sufficient to form a target with fine-grained microstructure. When implementing this method, fundamental obstacles arise that complicate obtaining high-quality targets.

- Даже при использовании вакуумных процессов и высоких температур не удается удалить тонкую примесную оболочку, которой покрыта каждая порошинка молибдена высокой чистоты. Впоследствии эти примеси перераспределяются между границами и объемом зерен в спеченной мишени. Магнетронное распыление таких мишеней сопровождается существенной структурной и химической неоднородностью тонких пленок.- Even when using vacuum processes and high temperatures, it is not possible to remove the thin impurity shell with which each high purity molybdenum powder is coated. Subsequently, these impurities are redistributed between the boundaries and the volume of grains in the sintered target. Magnetron sputtering of such targets is accompanied by significant structural and chemical heterogeneity of thin films.

- Получение материала с высокой плотностью, близкой к теоретической плотности, даже при экстремальных значениях всех технологических параметров методов порошковой металлургии оказывается нереальным. Вследствие повышенного содержания газовых примесей в межзеренных границах и микродефектах нагрев металлокерамической мишени до 250-300°С в процессе распыления сопровождается обильным выделением газов, нарушением геометрии мишеней и нестабильностью электрофизических свойств напыленных тонких пленок.- Obtaining a material with a high density close to theoretical density, even with extreme values of all technological parameters of powder metallurgy methods, turns out to be unrealistic. Due to the increased content of gas impurities in the grain boundaries and microdefects, the heating of the cermet target to 250-300 ° C during sputtering is accompanied by abundant gas evolution, violation of the target geometry and instability of the electrophysical properties of the deposited thin films.

- При распылении металлокерамических мишеней плазменный поток мелкодисперсных ионизированных частиц сопровождается потоком крупных нейтральных частиц наносимого вещества, осаждающихся на поверхности напыляемых пленок и резко снижающих качество пленок вследствие образования «проколов» и других дефектов.- When sputtering metal-ceramic targets, the plasma flow of finely dispersed ionized particles is accompanied by a flow of large neutral particles of the applied substance, deposited on the surface of the sprayed films and sharply reducing the quality of the films due to the formation of “punctures” and other defects.

- Синтез металлокерамических мишеней с использованием порошковых технологий при экстремальных давлении, вакуума и выдержки характеризуется значительными аппаратными и технологическими сложностями в процессе изготовления мишеней и пока реализован только в Японии.- The synthesis of cermet targets using powder technology at extreme pressures, vacuum and exposure is characterized by significant hardware and technological difficulties in the process of manufacturing targets and so far only implemented in Japan.

Техническая задача - повышение качества распыляемых мишеней из Мо.The technical task is to improve the quality of sprayed targets from Mo.

Это достигается тем, что способ производства распыляемой мишени высокой чистоты включает глубокое вакуумное рафинирование электронно-лучевым зонным переплавом металлокерамической заготовки высокой чистоты с получением монокристаллического молибдена, формирование из него электронно-лучевым переплавом в горизонтальном кристаллизаторе заготовки мишени в виде поликристаллического слитка и механическую обработку полученной заготовки. Это достигается тем, что способ производства распыляемой мишени высокой чистоты включает последовательное глубокое вакуумное рафинирование электронно-лучевым капельным переплавом металлокерамической заготовки высокой чистоты с получением поликристаллического молибдена, формирование из него электронно-лучевым переплавом в вертикальном кристаллизаторе заготовки мишени в виде поликристаллического слитка и механическую обработку полученной заготовки. Это достигается тем, что распыляемая мишень из молибдена высокой чистоты получена способом по п.1 или 2.This is achieved by the fact that the method for producing a high-purity sprayed target involves deep vacuum refining by electron-beam zone remelting of a high-purity metal-ceramic billet to produce monocrystalline molybdenum, forming from it an electron-beam remelting in a horizontal mold of the target billet in the form of a polycrystalline ingot, and machining the obtained preform . This is achieved by the fact that the method for producing a high-purity sprayed target involves successive deep vacuum refining of electron-beam droplet remelting of high-purity cermet with a polycrystalline molybdenum, forming from it an electron-beam remelting in a vertical crystallizer of the target preform in the form of a polycrystalline ingot and machining the obtained blanks. This is achieved by the fact that the sprayed target of high purity molybdenum obtained by the method according to claim 1 or 2.

Предлагаемый метод получения литых мишеней молибдена высокой чистоты позволяет получать массивные литые мишени, имеющие значительно более высокую чистоту и плотность по сравнению с металлокерамическими или литыми мишенями. Формирование поликристаллических слитков различной геометрии (круглых, прямоугольных) производят с помощью электронно-лучевого переплава высокочистого монокристаллического молибдена, полученного электронно-лучевой зонной плавкой металлокерамических заготовок. Поликристаллические слитки для заготовок мишеней выплавляют в горизонтальном кристаллизаторе (круглом, прямоугольном) с геометрией, соответствующей геометрии готовой мишени и позволяющей при минимальной финишной механической обработке получать мишени с заданными размерами (см. чертеж).The proposed method for producing cast targets of high purity molybdenum makes it possible to obtain massive cast targets having a significantly higher purity and density in comparison with cermet or cast targets. The formation of polycrystalline ingots of various geometries (round, rectangular) is carried out by electron beam remelting of high-purity single-crystal molybdenum obtained by electron beam zone melting of ceramic-metal billets. Polycrystalline ingots for blanks of targets are smelted in a horizontal crystallizer (round, rectangular) with the geometry corresponding to the geometry of the finished target and allowing to obtain targets with specified sizes with minimal finishing machining (see drawing).

Пример реализации способа.An example implementation of the method.

Реализацию способа осуществили при изготовлении литых мишеней из поликристаллических слитков молибдена высокой чистоты. В качестве исходного материала для получения слитков молибдена использовали металлокерамические заготовки высокой чистоты. Рафинирование производили с помощью электронно-лучевой зонной плавки в высоком вакууме на установке С-701. Затем производили электронно-лучевой переплав монокристаллического молибдена на установке ЕМО-250 в горизонтальных кристаллизаторах различной геометрии для получения поликристаллических слитков, имеющих геометрию, близкую к геометрии готовых мишеней. Механическая обработка и отходы при финишной обработке заготовок распыляемых мишеней были минимальными. Физико-химический и металлографический анализ слитков молибдена проводили на образцах, вырезанных из каждого слитка в поперечном и продольном сечениях. Содержание углерода в образцах определяли кулонометрическим методом, кислорода - нейтронно-активационным методом, металлические примеси - масс-спектрометрическим методом. В слитках молибдена содержится: углерод 1·10^-4%, натрий 5·10^-3%, калий 5·10^-3%, вольфрам 1·10^-2%, остальные примеси - по <1·10^-4%. В макроструктуре слитков литого молибдена в основном присутствуют зерна длиной 40-60 мм и средним диаметром 0,2-3,0 мм. Изготовлено 6 распыляемых мишеней из молибдена двух типов - круглые и прямоугольные (овальные). Проведено детальное исследование как процессов магнетронного распыления мишеней из молибдена, так и тонких пленок и приборов, полученных распылением мишеней из высокочистого молибдена. В результате распыления на мишенях образовывалась зона эрозии (распыления), размеры которой превышали область осаждения в магнетронной установке, что обеспечивало воспроизводимость толщины наносимого слоя на подложке с точностью ±2%. Использование мишеней обоего типа прекращали после достижения определенной глубины (~10 мм) по всей зоне эрозии. Установлено, что выход годных мишеней по предлагаемому способу составляет 100%, а замечания по тонким пленкам молибдена были минимальными и не были связаны с качеством распыляемых мишеней.The implementation of the method was carried out in the manufacture of cast targets from polycrystalline ingots of high purity molybdenum. High-purity metal-ceramic blanks were used as the starting material for the preparation of molybdenum ingots. Refining was carried out using electron beam zone melting in high vacuum at the C-701 installation. Then, electron-beam remelting of monocrystalline molybdenum was performed on an EMO-250 apparatus in horizontal crystallizers of various geometries to obtain polycrystalline ingots having a geometry close to the geometry of the finished targets. The mechanical processing and waste during the finishing of the blanks of the sprayed targets were minimal. Physicochemical and metallographic analysis of molybdenum ingots was carried out on samples cut from each ingot in cross and longitudinal sections. The carbon content in the samples was determined by the coulometric method, oxygen was determined by the neutron activation method, and metallic impurities were determined by the mass spectrometric method. Molybdenum ingots contain: carbon 1 · 10 ^-4 %, sodium 5 · 10 ^-3 %, potassium 5 · 10 ^-3 %, tungsten 1 · 10 ^-2 %, other impurities - by <1 · 10 ^-4 %. The macrostructure of cast molybdenum ingots mainly contains grains 40-60 mm long and an average diameter of 0.2-3.0 mm. Six sprayed targets were made of molybdenum of two types - round and rectangular (oval). A detailed study of both the processes of magnetron sputtering of targets from molybdenum and thin films and devices obtained by sputtering targets from high-purity molybdenum was carried out. As a result of sputtering on the targets, an erosion (sputtering) zone was formed, the dimensions of which exceeded the deposition region in the magnetron setup, which ensured reproducibility of the thickness of the deposited layer on the substrate with an accuracy of ± 2%. The use of targets of both types was stopped after reaching a certain depth (~ 10 mm) throughout the erosion zone. It was found that the yield of suitable targets by the proposed method is 100%, and the observations on thin molybdenum films were minimal and were not related to the quality of the sprayed targets.

Итак, получение литых распыляемых мишеней из молибдена высокой чистоты массивных размеров показало их серьезные преимущества при получении интегральных схем по сравнению с приготовлением тонких пленок магнетронным распылением мишеней из металлокерамического молибдена.Thus, the preparation of cast sputtered targets of high purity of high purity molybdenum of massive sizes showed their serious advantages in the preparation of integrated circuits in comparison with the preparation of thin films by magnetron sputtering of targets from cermet molybdenum.

Claims

1. A method of manufacturing a sprayed target from high purity molybdenum, including sequential deep vacuum refining by electron beam zone remelting of a high-purity metal-ceramic billet to produce single-crystal molybdenum, forming from it electron beam remelting in a horizontal mold of the target preform in the form of a polycrystalline ingot and machining blanks.

2. A method of manufacturing a sprayed target from high purity molybdenum, including sequential deep vacuum refining of electron-beam droplet remelting of high-purity cermet metal to produce polycrystalline molybdenum, forming from it electron-beam remelting in a vertical crystallizer of the target preform in the form of a polycrystalline ingot and machining blanks.

3. The sprayed target of high purity molybdenum obtained by the method according to claim 1 or 2.