高纯高均匀锡靶材的制备工艺研究

李同舟

（成都索成易半导体有限公司， 四川成都 610081）

随着微电子行业的发展，特殊功能薄膜材料是制备面板、半导体芯片、光学器件、磁记录介质、太阳能电池等表面电子薄膜的关键材料，溅射法是制备微电子产品特殊功能薄膜的重要技术之一，而靶材又是磁控溅射过程中的关键材料，其质量和纯度对微电子行业的金属薄膜的质量起着关键性作用。其中高纯锡靶材吸热能力强、强度高、机械性能稳定、具有优异的导电性，广泛应用于微电子行业中的镀锡和扩散掺杂工艺、半导体及制造超导合金等。

本文针对锡靶材纯度、内部组织结构、致密性等技术问题，研究锡靶材的制备工艺，采用真空熔炼制备铸锭，主要是提纯原材料保证锡靶材的高纯度，达到99.999%；后续的压力加工和热处理工艺主要是保证锡靶材的致密度、晶粒度和均匀性，使晶粒度小于100um。研究高纯高均匀锡靶材的制备工艺,不仅缩短了金属薄膜与国际水平的差距，同时大大降低我国微电子行业金属薄膜的生产成本，提升国产电子产品的国际竞争力。

1 技术方案

1.1 技术路线

本文技术路线见图一，主要是采用真空铸造法制备高纯锡铸锭，后续进行压力加工和热处理工艺。

图1 高纯锡靶真空铸造技术路线图

1.2 研究内容及技术关键

随着电子工业及半导体工业等高科技产业的高速发展，对薄膜材料的性能有了更高的要求。靶材作为溅镀薄膜的关键技术，目前面临着靶材利用率低、纯度低、密度低、晶粒粗大、溅射速率和稳定性低等主要技术问题。本文研究内容及技术关键有以下五个方面：

1.2.1 靶材纯度

我们知道工业用靶材对纯度要求都不太高，但是在微电子行业应用中，溅射薄膜的性能的好坏完全由靶材纯度决定。靶材的纯度越高，溅射薄膜的性能越好［2］。本文要求的锡靶材的纯度不小于99.999%。

1.2.2 杂质含量

微电子行业中溅射薄膜使用的靶材杂质含量主要来自于两个方面，一个是制备靶材的原材料中的杂质含量，一个是靶材固体中气孔里的水、氧［3］。这些杂质是制备金属薄膜的主要污染源，是影响溅射薄膜的性能的主要因素。所以对靶材纯度的要求其实就是对杂质总含量的要求，杂质总含量越低，纯度就越高，溅射薄膜的性能就越好。

1.2.3 致密度

要想提高溅射薄膜的性能，必须提高靶材的致密度。因为靶材的致密度直接影响溅射时的沉积速率、放电现象等，同时对溅射薄膜的光学和电学性能也影响［4］。所以在制备靶材过程中通过锻造、热轧或冷轧及再烧结减少靶材中的气孔，降低溅射膜粒子的密度，减弱溅射时放电现象，进而得到高性能金属薄膜。

1.2.4 晶粒尺寸及尺寸分布

多晶结构的锡靶材，其晶粒尺寸一般在微米到毫米量级。经研究当锡靶材成份一样时，磁控溅射过程中晶粒小的靶材溅射速率要比晶粒粗靶材快；当晶粒尺寸相差不大时，淀积薄膜的厚度会更均匀［5］。

1.2.5 结晶取向

由于在溅射时靶材原子容易沿着原子六方最紧密排列方向优先溅射出来，因此，为达到高的溅射速率，可以通过改变靶材结晶结构的方法来增加溅射速率［6］。

2 研究结果

本文对高纯高均匀锡靶材的制备工艺研究，证明通过真空铸造法制备高纯锡铸锭，后续进行压力加工和热处理工艺改变靶材的内部组织结构制备工艺，得到的锡靶材纯度高、杂质少、致密性好、晶粒均匀等轴、一致性高。其性能指标如表1所示：

表1 高纯锡靶材的技术指标

3 创新性

3.1 理论创新

传统的熔融铸造法是制备磁控溅射靶材的基本方法之一，与粉末冶金法相比，生产的靶材致密度好、杂质总含量低。但是采用传统铸造工艺生产靶材，其靶材内部孔隙不能完全消除，必须通过后续压力加工和热处理来降低其孔隙率。本文针对金属锡靶材纯度、致密性、晶粒度及传统铸造工艺达不到实际的应用指标等技术问题，所以采用真空熔炼制备铸锭，主要是提纯原材料保证锡靶材的高纯度;后续的压力加工和热处理工艺主要是保证锡靶材的致密度、均匀性和晶粒度。

3.2 技术创新

靶材性能决定溅射薄膜的性能，特别是靶材纯度对溅射薄膜的性能影响最大。靶材作为溅射中的阴极源，主要污染源来自靶材原材料中的杂质和靶材固体中气孔里的水分和氧。这些污染源直接降低靶材纯度，从而影响了溅射时的沉积速率和溅射薄膜的光学、电学性能等［7］。铸造法的优点是靶材杂质含量低、密度高、可大型化，本文采用真空熔炼方法确保靶材内部无气孔存在、控制杂质含量、高密度等要求。

靶材的内部组织结构对其溅射性能有着最直接和重要的影响，衡量靶材内部组织结构的指标主要有晶粒和晶向两种，晶粒晶向的控制也是溅射靶材生产制造中最为核心的技术。利用轧机、热处理炉等关键设备对高纯金属进行反复的塑性变形加工，通过金相显微镜、XRD、EBSD等高精密仪器进行检测，以获得能够满足稳定溅射要求的靶材内部组织结构。

4 结论

本文对高纯高均匀锡靶材的制备工艺研发分为小型试验和中型试验两个阶段，每个阶段的技术指标基本相同，证明采用真空铸造法制备高纯锡铸锭，后续进行压力加工和热处理工艺改变靶材的内部组织结构制备工艺制备出的锡靶材具有纯度高、杂质少、致密性好、晶粒均匀等轴、一致性高特性，基本达到微电子行业要求。为电子、信息、光学和超导薄膜等高新技术和工业领域的发展起到关键的技术推动作用。