TW202419652A

TW202419652A - 含碳金屬靶材的製造方法

Info

Publication number: TW202419652A
Application number: TW111141963A
Authority: TW
Inventors: 蔡銘洲; 孫宸楷; 傅祈淵
Original assignee: 鑫科材料科技股份有限公司
Filing date: 2022-11-03
Publication date: 2024-05-16

Abstract

本發明提供一種含碳金屬靶材的製造方法，藉由對含碳金屬材料進行真空感應熔煉操作及熱軋操作，以製得具有特定晶粒尺寸及較低氧含量的含碳金屬靶材。

Description

含碳金屬靶材的製造方法

本發明是關於一種靶材的製造方法，特別是關於一種含碳金屬靶材的製造方法。

靶材(Target)是進行物理氣相沉積的鍍膜材料。物理氣相沉積係利用電漿或電弧的物理能量將靶材上的原子沉積到基材上，以形成薄膜。靶材依鍍膜機採用的濺鍍槍不同而有不同設計，一般可分成電弧靶及濺鍍靶。

電弧離子鍍(arc ion plating，AIP)係用電弧激發原子。電弧激發的優點是鍍率快，原子離化率高，離子能量高，故能與氣體直接反應。靶材必須為良導體，導電性不佳的材料不能做電弧靶。

濺鍍是在高真空環境中充入工作氣體(例如氬氣)，藉由二個相對應的金屬板(即陽極板及陰極板)，施加電壓而產生電漿，電漿中的陽離子被陰極板的負電壓吸引加速，獲得高能量後，轟擊陰極靶材表面，將離子動量轉移給靶材原子，靶材原子獲得動量後溢出靶材表面，附著於欲鍍膜的基板上。濺鍍靶對導電性的要求沒有像電弧靶那麼嚴格，從導體到絕緣體皆可做濺鍍靶材。應用在半導體產業的濺鍍靶材通常是高純度的化合物、合金或金屬，其中金屬靶材因具有導熱性，不需另行接合，但化合物靶材不具導熱性，需進行接合，才能導熱。

近年來，含碳金屬複合材料的相關研究逐漸增加，特別是石墨烯金屬複合材料。由於含碳金屬複合材料可使金屬的導電性、導熱性及機械性質有顯著的優化，例如石墨烯金屬複合材料可使導電性進一步上升。然而，含碳金屬複合材料較佳的習知製法是利用粉末冶金製程來製備，但粉末冶金製程對於製得之複合材料有形貌上的限制(例如僅能製成棒材或圓錠)。再者，粉末冶金製程通常會製得具有較高氧含量的含碳金屬材料，一般而言，氧含量高不利於後續應用。

有鑑於此，亟須提供一種含碳金屬靶材的製造方法，以將含碳金屬材料依照特定需求，製成不同形貌的靶材，並降低材料的氧含量。

本發明之一態樣是提供一種含碳金屬靶材的製造方法，藉由真空感應熔煉操作及熱軋操作，以製得具有特定晶粒尺寸及較低氧含量的含碳金屬靶材。

根據本發明之一態樣，提供一種含碳金屬靶材的製造方法，其係包含對含碳金屬材料進行真空感應熔煉操作。含碳金屬材料之氧含量大於200 ppm。前述真空感應熔煉操作包含熔煉含碳金屬材料，以獲得熔融金屬液。接著，分離熔融金屬液中的金屬氧化物，以獲得去氧金屬液。然後，對去氧金屬液進行澆鑄操作，以獲得含碳金屬錠。

接著，對含碳金屬錠進行熱軋操作，以製得含碳金屬靶材。熱軋操作之熱軋溫度為550℃至650℃。相較於該含碳金屬材料之氧含量，含碳金屬靶材之氧含量減少至少60%。

根據本發明之一實施例，上述金屬氧化物係於熔融金屬液之液面。

根據本發明之一實施例，上述含碳金屬材料包括含碳銀、含碳銅及/或含碳鋁。

根據本發明之一實施例，上述含碳金屬材料係利用粉末冶金法製得之石墨烯金屬複合材料。

根據本發明之一實施例，上述真空感應熔煉操作之熔煉溫度為1100℃至1200℃。

根據本發明之一實施例，上述熱軋操作之裁減率為85%至95%。

根據本發明之一實施例，上述熱軋操作包含以熱軋溫度持溫2小時至3小時。

根據本發明之一實施例，上述含碳金屬靶材之平均晶粒尺寸為25 μm至50 μm。

根據本發明之一實施例，上述含碳金屬靶材之氧含量為40 ppm至70 ppm。

應用本發明之含碳金屬靶材的製造方法，藉由對含碳金屬材料進行真空感應熔煉操作及熱軋操作，以製得具有特定晶粒尺寸及較低氧含量的含碳金屬靶材。

本文所述之數量值係近似值，表示即使未明確指出，仍可推斷用語「大約(around)」、「約(about)」、「近乎 (approximately)」或「實質上(substantially)」。

承上所述，本發明提供一種含碳金屬靶材的製造方法，藉由對含碳金屬材料進行真空感應熔煉操作及熱軋操作，以製得具有較低氧含量的含碳金屬靶材。

一般而言，金屬的導電性能係取決於其電阻率的大小，電阻率愈小的金屬，導電性能愈好，其中導電性最好的金屬為銀(電阻率為14.71)，其次為銅(電阻率為16.73)，再次者為金(電阻率為23.5)及鋁(電阻率為26.55)。然而，銀在地球上儲量遠少於銅，且價格較昂貴。因此，習知利用例如碳材料來進行銅的改質，以增加其導電性，進而提升銅的應用性。

本發明提出的含碳金屬靶材的製造方法，就是針對以碳材進行改質後的金屬為原料，藉由簡單的製程操作，將含碳金屬材料製作為含碳金屬靶材。在一些實施例中，含碳金屬材料可為含碳銀、含碳銅及/或含碳鋁等。在一些實施例中，前述碳材可為具有高導電性的碳奈米材料，例如石墨烯。一般而言，含碳金屬材料可利用粉末冶金法製得，但本發明不限於此。在一些實施例中，含碳金屬材料的氧含量為大於200 ppm，而氮含量為小於10 ppm。須理解的是，金屬材料中含氧量太高，會使導電性能下降，進而影響後續應用。

首先，對含碳金屬材料進行真空感應熔煉(vacuum induction melting，VIM)操作。真空感應熔煉操作包含熔煉含碳金屬材料，以獲得熔融金屬液。在一些實施例中，真空感應熔煉操作之熔煉溫度為1100℃至1200℃。接著，分離熔融金屬液中的金屬氧化物，以獲得去氧金屬液。在一些實施例中，金屬氧化物係於熔融金屬液之液面。然後，對去氧金屬液進行澆鑄操作，以獲得含碳金屬錠。在一些實施例中，澆鑄操作所使用的模具須在約600℃至約700℃的溫度下預熱約2小時至3小時。

在一些實施例中，例如對石墨烯銅複合材料進行真空感應熔煉操作過程中，熔融的液態表層會有黑色粉末，黑色粉末包含銅的金屬氧化物，其可藉由合適的工具撈除並分離黑色粉末，以得到熔融態的石墨烯銅複合材料。在一些實施例中，撈除黑色粉末所使用的撈除工具的前端為半圓平板。在此實施例中，撈除工具係由鎳基合金所組成，其具有耐腐蝕性及耐高溫等特性，故可用於撈除高溫熔融態表層中的黑色粉末。黑色粉末的去除有助於降低後續製得之靶材的氧含量，例如由大於200 ppm降低至小於70 ppm。再者，相較於未去除黑色粉末所得之含碳金屬錠，去除黑色粉末還可使含碳金屬錠的表面較光滑，並減少含碳金屬錠之表面及內部的孔洞，進而減少後續製得之靶材的孔洞。

接著，對含碳金屬錠進行熱軋操作，以製得含碳金屬靶材。在一些實施例中，熱軋操作的熱軋溫度為約550℃至約650℃，並持溫約2小時至3小時。相較於習知的熱軋操作，本案使用較低的熱軋溫度，其係由於本案係對含碳金屬錠進行熱軋，若熱軋溫度大於約650℃，則會使所得產品的晶粒太大，則不利於做為靶材，但若溫度低於約550℃，則可能無法達到所要的裁減率。在一些實施例中，熱軋操作的裁減率為約85%至約95%。利用前述範圍的裁減率有助於達到細化晶粒的效果，進而使所得的靶材有較佳的濺鍍速率。在一些實施例中，含碳金屬靶材的厚度為約5 mm至約20 mm，此厚度可根據後端需求調整，本發明不限於此。

補充說明的是，在熱軋操作之後，含碳金屬靶材的表面會產生金屬氧化層，故須藉由機械加工步驟，以移除表面的金屬氧化層，始可進行後續的應用。

在一些實施例中，含碳金屬靶材的平均晶粒尺寸為25 μm至50 μm。當平均晶粒尺寸落在前述範圍時，所得含碳金屬靶材在物理氣相沉積製程時可具有較佳的濺鍍速率。再者，本案使用之熱軋操作的條件有助於使所製得之含碳金屬靶材較均勻、較易成型且具有平整表面，如此有利於做為靶材的應用。

相較於含碳金屬材料的氧含量為大於200 ppm，含碳金屬靶材的氧含量可減少至少60%，例如60%至90%。在一些實施例中，含碳金屬靶材的氧含量為約40 ppm至約70 ppm。

以下利用數個實施例以說明本發明之應用，然其並非用以限定本發明，本發明技術領域中具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾。 實施例

實施例係以粉末冶金法製得的石墨烯銅複合材料為原料。圖1A及圖1B係分別為石墨烯銅複合材料的掃描式電子顯微鏡圖及金相分析圖。由圖1A可看出，石墨烯銅複合材料的表面有許多孔洞，即表面不平整。在圖1B中，可看到有許多黑色顆粒不規則地分佈在晶粒上。另外，針對圖1A中的凹洞部分及平坦部分分別進行能量色散X射線光譜(energy dispersive X-ray spectroscopy，EDS)分析，所得分析結果為凹洞部分包含35.42 wt%的氧、55.17 wt%的銅及9.41 wt%的鋅，而平坦部分包含97.38 wt%的銅及2.62 wt%的鋅。補充說明的是，前述的鋅是由於石墨烯銅複合材料係利用黃銅(即銅鋅合金)所製得。另外，將石墨烯銅複合材料進行元素分析得知其氧含量為381.80 ppm，且氮含量為小於10 ppm。

接著，將石墨烯銅複合材料進行真空感應熔煉，以產製石墨烯銅錠。熔煉溫度為1200℃，熔煉時表層可看到有許多黑色粉末。澆鑄模具尺寸為120 mm×130 mm×360 mm，並以700℃預熱3小時。進行澆鑄前，將黑色粉末撈除，以避免將黑色粉末倒入模具中。

接著，將前一步驟製得之二個石墨烯銅錠進行熱軋操作，以製作二個不同厚度的石墨烯銅靶材。石墨烯銅錠係以600℃的熱軋溫度持溫3小時後進行軋延，其中軋延裁減率分為別93%及88%，以製得9 mm及15 mm的石墨烯銅靶材。圖2A及圖2B係分別為石墨烯銅靶材的掃描式電子顯微鏡圖及金相分析圖。由圖2A中可看出，石墨烯銅靶材幾乎沒有看到孔洞，即具有平整的表面。在圖2B中，亦完全沒有看到圖1B中的黑點。另外，EDS分析結果顯示其表面100 wt%為銅，且元素分析結果顯示氧含量為45.20 ppm，而氮含量一樣為小於10 ppm。換言之，所製得之石墨烯銅靶材的氧含量大幅減少，可避免因導電性能下降，而影響做為靶材或其他的應用。

根據上述實施例，應用本發明之含碳金屬靶材的製造方法，藉由對含碳金屬材料進行真空感應熔煉操作及熱軋操作，以製得具有特定晶粒尺寸及較低氧含量的含碳金屬靶材。

雖然本發明已以數個實施例揭露如上，然其並非用以限定本發明，在本發明所屬技術領域中任何具有通常知識者，在不脫離本發明之精神和範圍內，當可作各種之更動與潤飾，因此本發明之保護範圍當視後附之申請專利範圍所界定者為準。

無

根據以下詳細說明並配合附圖閱讀，使本揭露的態樣獲致較佳的理解。需注意的是，如同業界的標準作法，許多特徵並不是按照比例繪示的。事實上，為了進行清楚討論，許多特徵的尺寸可以經過任意縮放。 [圖1A]及[圖1B]係分別為石墨烯銅複合材料的掃描式電子顯微鏡圖及金相分析圖。 [圖2A]及[圖2B]係分別為石墨烯銅靶材的掃描式電子顯微鏡圖及金相分析圖。

國內寄存資訊(請依寄存機構、日期、號碼順序註記) 無國外寄存資訊(請依寄存國家、機構、日期、號碼順序註記) 無

Claims

一種含碳金屬靶材的製造方法，包含：對一含碳金屬材料進行一真空感應熔煉操作，其中該含碳金屬材料之氧含量大於200 ppm，且該真空感應熔煉操作包含：熔煉該含碳金屬材料，以獲得一熔融金屬液；分離該熔融金屬液中之金屬氧化物，以獲得一去氧金屬液；以及對該去氧金屬液進行一澆鑄操作，以製得一含碳金屬錠；以及對該含碳金屬錠進行一熱軋操作，以製得該含碳金屬靶材，其中該熱軋操作之一熱軋溫度為550℃至650℃，且相較於該含碳金屬材料之該氧含量，該含碳金屬靶材之氧含量減少至少60%。
如請求項1所述之含碳金屬靶材的製造方法，其中該金屬氧化物係於該熔融金屬液之一液面。
如請求項1所述之含碳金屬靶材的製造方法，其中該含碳金屬材料包括含碳銀、含碳銅及/或含碳鋁。
如請求項1所述之含碳金屬靶材的製造方法，其中該含碳金屬材料係利用一粉末冶金法製得之一石墨烯金屬複合材料。
如請求項1所述之含碳金屬靶材的製造方法，其中該真空感應熔煉操作之一熔煉溫度為1100℃至1200℃。
如請求項1所述之含碳金屬靶材的製造方法，其中該熱軋操作之一裁減率為85%至95%。
如請求項1所述之含碳金屬靶材的製造方法，其中該熱軋操作包含以該熱軋溫度持溫2小時至3小時。
如請求項1所述之含碳金屬靶材的製造方法，其中該含碳金屬靶材之一平均晶粒尺寸為25 μm至50 μm。
如請求項1所述之含碳金屬靶材的製造方法，其中該含碳金屬靶材之該氧含量為40 ppm至70 ppm。