组织均匀钽溅射靶材的制备现状

摘 要：广泛应用于电子信息产品制造业中的高纯钽溅射靶材， 其微观组织均匀性、晶粒尺寸大小及晶粒取向分布对溅射性能有着直接的影响。本文主要综述了高纯钽溅射靶材制备工艺，分别从粉末冶金法和熔炼铸锭法进行对比，并对今后的研究方向提出设想。

关键词：钽；溅射靶材；熔炼铸锭法；粉末冶金法；组织

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2017.18.054

1 引言

溅射是制备薄膜材料的主要方式，其原理是离子源产生的离子，在真空中经过加速聚集，形成具有高能的离子束流，轰击到固体表面，离子和固体表面原子发生动能交换，使固体表面的原子被轰击，从而离开固体并沉积在基底表面，被轰击的固体是用溅射法沉积薄膜的原材料，称为溅射靶材。随着集成电路的高度规模化且集成化程度越来越高，在深亚微米工艺中（≤0.18μm及以下），铜将逐步代替铝成为硅片上金属化布线材料，与之匹配的溅射阻挡层的高纯钽靶材应用愈来愈广泛，主要是因为金属钽具有高导电性、高热稳定性和对外来原子的阻挡作用[1]。

溅射靶材的晶粒大小和晶粒取向直接影响其溅射性能和溅射薄膜的品质，主要表现在随着晶粒尺寸的增大，薄膜沉积速率呈现逐渐降低的趋势，靶材晶粒尺寸在合适范围内，如100μm以下，则溅射时薄膜的沉积速率高且薄膜厚度均匀性好[2]。因此，靶材的平均晶粒尺寸大小和晶粒尺寸的均匀性是影响靶材溅射性能的要素之一。极大规模集成电路用半导体溅射靶材不仅具有合适的晶粒尺寸，还要保证其均匀性。一般来说，高品质溅射靶材需要满足以下五点：1）细而均匀的晶粒；2）众多单独晶体的随机和均匀无序的晶体学取向；3）宏观观察时在整个靶体上基本不变的显微组织；4）在靶和靶之间可重复产生的显微组织；5）基本上100%致密且提供高强度晶间结合的显微组织。

2 高纯钽溅射靶材的制备工艺

目前，溅射钽靶的制备方法主要有两种，分别为粉末冶金加工法和熔炼铸锭加工法。

2.1 粉末冶金法

粉末冶金法制备高纯钽靶材的方法主要有热压、热等静压、冷等静压真空烧结等，其工艺流程为：原料→装膜→冷等静压→真空烧结→轧制→退火→机加→成品，或者为热等静压后直接进行机加获取成品[3]。

原料选取方面，由于一般钽粉氧含量较高，超过1000μg/g，真空烧结去氧的能力又有限，所以这种方法的关键在于选择高纯、超细粉末作为原料和能够快速致密化的成型烧结技术，以保证靶材的低孔隙率，并且制备过程严格控制杂质元素的引入。有研究提出[1]，通过将金属粉末表面氮化的方法，可以获得氧含量在300μg/g以下，氮含量在10μg/g以下的钽粉，然后装入模具，再经冷压成型和热等静压成型或其它烧结等方法，可获得纯度为99.95%以上、平均晶粒尺寸小于50μm，甚至10μm，织构随机、靶材表面和厚度方向织构均匀的钽靶。例如文献[4]指出粉冶法制备的钽靶，其晶粒尺寸小于60μm且组织致密的，其中（100）织构为7.25%，（110）织构为13.9%，（111）织构为21.7%，三种织构组分较一致，不出现（111）织构占强的现象，满足溅射要求。

等静压成型是将待压试样置于高压容器中，利用液体介质不可压缩的性质和均匀传递压力的性质从各个方向对试样均匀加压，使得钽粉在各个方向的受力均匀，从而保证得到钽坯内部组织织构的一致性。然后将坯料进行真空烧结，通过对真空度、温度与时间的限定，使得钽坯中的杂质得以最大量的挥发，原始气孔消失，得到更致密、纯度更高的坯料，相对密度可达99.65%。粉末冶金法这种独有的特点，将粉末通过机械外力压制成块，然后通过烧结，使压制粉末颗粒间的机械结合变成金属键结合，变成一块金属原料，在此过程中，因原粉末颗粒粒径很小以及烧结过程中晶粒长大程度很小，使得坯料的晶粒尺寸远小于熔炼铸锭晶粒尺寸，可保证晶粒尺寸小于60μm。同时，粉冶法制备的坯料，因坯料各位置处的成型条件一致，故组织均匀，远优于熔炼组织。后期压力加工，目的仅是为了成型，只有轧制一个压力加工工序，对织构影响不大，因此，可制得（100）、（111）、（110）三种织构组分均匀一致，不出现（111）织构占强的钽靶材。然而，目前的气体杂质含量控制还是难点。

2.2 熔炼铸锭法

熔炼铸锭法制备高纯钽溅射靶材，可获得高纯或超纯且致密性优良的靶材，这对于获取高性能靶材是非常关键的，因此该方法目前仍是制造钽溅射靶材的主流方法[5]。一般是将钽原料先进行熔炼（电子束或电弧熔炼），将得到的高纯铸锭或坯料反复进行热锻、退火，再进行轧制、退火，精加工后而成靶材。若钽溅射靶材中含有孔隙，则会极大影响溅射性能，如溅射过程中若是含有气体的孔隙被打通就可能会释放出气体，令溅射过程的瞬间不稳定，甚至产生电弧现象，使得沉积膜均匀性难以保证，因此，相比粉末冶金法，熔炼铸锭法制备的钽靶材致密度相对较好。

一般来说，熔炼锭晶粒粗大，经过热锻和再结晶退火后，可以得到100μm以下的晶粒。如文献[6]提到，将纯度为99.998%（除去氧和其它气体杂质）以上、高为200mm、直径为200mm、晶粒尺寸为55mm左右的电子束熔炼锭坯料，经反复锻造、轧制、再结晶退火等，可获得平均晶粒尺寸在110μm以下、晶粒直径偏差为±20%以下、且组织均匀、镀膜均匀性较好的钽溅射靶。但是仍存在靶材晶粒尺寸和晶粒织构取向均匀性较难控制的缺点，易产生带状织构。这是因为电子束熔炼铸锭具有很多超大晶粒，这些超大晶粒需要大规模且昂贵的形变热处理。形变热处理在减小晶体尺寸、产生的晶体学无序性、以及生成显微组织的均匀性方面有限。通常，内部组织的遗传性，使得钽靶材存在着（111）织构占强的内部组织，并且在厚度方向存在不均匀分布，影响靶材的溅射性能[7，8]。

对于铸锭出现的这种晶粒不均匀性，可通过锻造、中间热处理及轧制解决。锻造使用多次镦拔锻造，大的加工率进行晶粒破碎。中间热处理，其目的是使锻造后的加工纤维组织在热处理中断开，重新结晶，形成较小的晶粒。中间热处理温度不能太低，否则会形成一定量加工组织遗留，这种组织遗留在之后的轧制及成品热处理中很难去除，会导致成品靶材中组织不均，甚至出现大片带状组织。中间热处理温度过高，会导致晶粒长大，不但与我们破碎铸锭组织、得到細小均匀组织的加工目的相违背，目前轧制工艺仅是为了获取尺寸合格的板材，对晶粒破碎程度较小，这也是目前的研究所在。endprint

现有技术中钽靶材主要是采用热轧或冷锻工艺获得，所得靶材厚度方向的织构组分不均匀，主要表现在靶材的厚度方向，上下两个层面（100）织构占优，中间以（111）织构占优，这类靶材在使用要求低的机台可以使用，但在12?等高端机台使用时出现的溅射速率不均匀是不能接受的。对于这种高性能靶材，有研究用大规格钽锭先经过快锻机旋转式锻压，然后两次热锻（镦粗抜长式），每道工序之间都要进行中间热处理，最后可获得组织接近均匀的坯料。轧制可采用交叉轧制，每次轧制方向顺时针旋转45o，交叉轧制保证了材料各个方向具有均匀的结构性能和微观组织，进而得到了较小晶粒尺寸，且致密性和织构分布均匀性较高的靶材。

3 结论与展望

本文主要对粉末冶金法和熔炼铸锭法制备钽靶进行讨论，可以看出：（1）粉末冶金法虽然可获得晶粒更细、晶体学取向更均匀、无带状组织的靶材，具有潜在优势。但目前仍未被广泛使用于市场，或许还存在一些技术瓶颈，如钽粉原料气体杂质（O、C等）含量控制，如半导体用溅射靶材，其中氧含量需要低于100μg/g，因此，烧结工艺仍是未来研究的热点。（2）熔炼铸锭法可获得高纯度的钽靶，但是易（111）织构占优的组织。锻造及轧制压力加工工序采取一定的措施可获得均匀的织构分布，如采用旋转式锻造压扁、多次镦拔式开坯、交叉轧制等，可使得织构接近随机分布，但仍有很大的改进空间。

参考文献：

[1]郑金凤，扈百直，杨国启等.高纯钽溅射靶材制备工艺进展[J]. 湖南有色金属，2016，32（04）：54-56.

[2]尚再艳，江轩，李勇军等.集成电路制造用溅射靶材[J].稀有金属，2005，29（04）：97-99.

[3] 潘伦桃，李彬，郑愛国等.钽在集成电路中的应用[J].稀有金属， 2003，27（01）：28-34

[4]殷为宏，汤慧萍.难熔金属材料与工程应用[M].冶金工业出版社，2012.

[5]宜楠，权振兴，赵鸿磊等.集成电路用钽溅射靶材制备工艺研究[J].材料开发与应用，2016，31（03）：71-75.

[6]仙田真一郎，福岛笃志.钽溅射靶及其制造方法[P].中国， 201280046954.5[P].2014.

[7]张志清，张静，刘施峰等.一种高纯钽溅射靶材的加工工艺：中国，201010599296.5[P].2011.

[8]P R 杰普森，H 乌伦胡特，P 库马尔.组织均匀的高熔点金属板及其制造方法：中国，02805100.9[P].2010.

作者简介：郝小雷（1988-），男，陕西华县人，硕士研究生，助理工程师，研究方向：难熔金属的制备及加工。endprint