高純高均勻錫靶材的制備工藝研究

李同舟

（成都索成易半導(dǎo)體有限公司， 四川成都 610081）

隨著微電子行業(yè)的發(fā)展，特殊功能薄膜材料是制備面板、半導(dǎo)體芯片、光學(xué)器件、磁記錄介質(zhì)、太陽(yáng)能電池等表面電子薄膜的關(guān)鍵材料，濺射法是制備微電子產(chǎn)品特殊功能薄膜的重要技術(shù)之一，而靶材又是磁控濺射過程中的關(guān)鍵材料，其質(zhì)量和純度對(duì)微電子行業(yè)的金屬薄膜的質(zhì)量起著關(guān)鍵性作用。其中高純錫靶材吸熱能力強(qiáng)、強(qiáng)度高、機(jī)械性能穩(wěn)定、具有優(yōu)異的導(dǎo)電性，廣泛應(yīng)用于微電子行業(yè)中的鍍錫和擴(kuò)散摻雜工藝、半導(dǎo)體及制造超導(dǎo)合金等。

本文針對(duì)錫靶材純度、內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)、致密性等技術(shù)問題，研究錫靶材的制備工藝，采用真空熔煉制備鑄錠，主要是提純?cè)牧媳ＷC錫靶材的高純度，達(dá)到99.999%；后續(xù)的壓力加工和熱處理工藝主要是保證錫靶材的致密度、晶粒度和均勻性，使晶粒度小于100um。研究高純高均勻錫靶材的制備工藝,不僅縮短了金屬薄膜與國(guó)際水平的差距，同時(shí)大大降低我國(guó)微電子行業(yè)金屬薄膜的生產(chǎn)成本，提升國(guó)產(chǎn)電子產(chǎn)品的國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力。

1 技術(shù)方案

1.1 技術(shù)路線

本文技術(shù)路線見圖一，主要是采用真空鑄造法制備高純錫鑄錠，后續(xù)進(jìn)行壓力加工和熱處理工藝。

圖1 高純錫靶真空鑄造技術(shù)路線圖

1.2 研究?jī)?nèi)容及技術(shù)關(guān)鍵

隨著電子工業(yè)及半導(dǎo)體工業(yè)等高科技產(chǎn)業(yè)的高速發(fā)展，對(duì)薄膜材料的性能有了更高的要求。靶材作為濺鍍薄膜的關(guān)鍵技術(shù)，目前面臨著靶材利用率低、純度低、密度低、晶粒粗大、濺射速率和穩(wěn)定性低等主要技術(shù)問題。本文研究?jī)?nèi)容及技術(shù)關(guān)鍵有以下五個(gè)方面：

1.2.1 靶材純度

我們知道工業(yè)用靶材對(duì)純度要求都不太高，但是在微電子行業(yè)應(yīng)用中，濺射薄膜的性能的好壞完全由靶材純度決定。靶材的純度越高，濺射薄膜的性能越好［2］。本文要求的錫靶材的純度不小于99.999%。

1.2.2 雜質(zhì)含量

微電子行業(yè)中濺射薄膜使用的靶材雜質(zhì)含量主要來自于兩個(gè)方面，一個(gè)是制備靶材的原材料中的雜質(zhì)含量，一個(gè)是靶材固體中氣孔里的水、氧［3］。這些雜質(zhì)是制備金屬薄膜的主要污染源，是影響濺射薄膜的性能的主要因素。所以對(duì)靶材純度的要求其實(shí)就是對(duì)雜質(zhì)總含量的要求，雜質(zhì)總含量越低，純度就越高，濺射薄膜的性能就越好。

1.2.3 致密度

要想提高濺射薄膜的性能，必須提高靶材的致密度。因?yàn)榘胁牡闹旅芏戎苯佑绊憺R射時(shí)的沉積速率、放電現(xiàn)象等，同時(shí)對(duì)濺射薄膜的光學(xué)和電學(xué)性能也影響［4］。所以在制備靶材過程中通過鍛造、熱軋或冷軋及再燒結(jié)減少靶材中的氣孔，降低濺射膜粒子的密度，減弱濺射時(shí)放電現(xiàn)象，進(jìn)而得到高性能金屬薄膜。

1.2.4 晶粒尺寸及尺寸分布

多晶結(jié)構(gòu)的錫靶材，其晶粒尺寸一般在微米到毫米量級(jí)。經(jīng)研究當(dāng)錫靶材成份一樣時(shí)，磁控濺射過程中晶粒小的靶材濺射速率要比晶粒粗靶材快；當(dāng)晶粒尺寸相差不大時(shí)，淀積薄膜的厚度會(huì)更均勻［5］。

1.2.5 結(jié)晶取向

由于在濺射時(shí)靶材原子容易沿著原子六方最緊密排列方向優(yōu)先濺射出來，因此，為達(dá)到高的濺射速率，可以通過改變靶材結(jié)晶結(jié)構(gòu)的方法來增加濺射速率［6］。

2 研究結(jié)果

本文對(duì)高純高均勻錫靶材的制備工藝研究，證明通過真空鑄造法制備高純錫鑄錠，后續(xù)進(jìn)行壓力加工和熱處理工藝改變靶材的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)制備工藝，得到的錫靶材純度高、雜質(zhì)少、致密性好、晶粒均勻等軸、一致性高。其性能指標(biāo)如表1所示：

表1 高純錫靶材的技術(shù)指標(biāo)

3 創(chuàng)新性

3.1 理論創(chuàng)新

傳統(tǒng)的熔融鑄造法是制備磁控濺射靶材的基本方法之一，與粉末冶金法相比，生產(chǎn)的靶材致密度好、雜質(zhì)總含量低。但是采用傳統(tǒng)鑄造工藝生產(chǎn)靶材，其靶材內(nèi)部孔隙不能完全消除，必須通過后續(xù)壓力加工和熱處理來降低其孔隙率。本文針對(duì)金屬錫靶材純度、致密性、晶粒度及傳統(tǒng)鑄造工藝達(dá)不到實(shí)際的應(yīng)用指標(biāo)等技術(shù)問題，所以采用真空熔煉制備鑄錠，主要是提純?cè)牧媳ＷC錫靶材的高純度;后續(xù)的壓力加工和熱處理工藝主要是保證錫靶材的致密度、均勻性和晶粒度。

3.2 技術(shù)創(chuàng)新

靶材性能決定濺射薄膜的性能，特別是靶材純度對(duì)濺射薄膜的性能影響最大。靶材作為濺射中的陰極源，主要污染源來自靶材原材料中的雜質(zhì)和靶材固體中氣孔里的水分和氧。這些污染源直接降低靶材純度，從而影響了濺射時(shí)的沉積速率和濺射薄膜的光學(xué)、電學(xué)性能等［7］。鑄造法的優(yōu)點(diǎn)是靶材雜質(zhì)含量低、密度高、可大型化，本文采用真空熔煉方法確保靶材內(nèi)部無氣孔存在、控制雜質(zhì)含量、高密度等要求。

靶材的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)對(duì)其濺射性能有著最直接和重要的影響，衡量靶材內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的指標(biāo)主要有晶粒和晶向兩種，晶粒晶向的控制也是濺射靶材生產(chǎn)制造中最為核心的技術(shù)。利用軋機(jī)、熱處理爐等關(guān)鍵設(shè)備對(duì)高純金屬進(jìn)行反復(fù)的塑性變形加工，通過金相顯微鏡、XRD、EBSD等高精密儀器進(jìn)行檢測(cè)，以獲得能夠滿足穩(wěn)定濺射要求的靶材內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。

4 結(jié)論

本文對(duì)高純高均勻錫靶材的制備工藝研發(fā)分為小型試驗(yàn)和中型試驗(yàn)兩個(gè)階段，每個(gè)階段的技術(shù)指標(biāo)基本相同，證明采用真空鑄造法制備高純錫鑄錠，后續(xù)進(jìn)行壓力加工和熱處理工藝改變靶材的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)制備工藝制備出的錫靶材具有純度高、雜質(zhì)少、致密性好、晶粒均勻等軸、一致性高特性，基本達(dá)到微電子行業(yè)要求。為電子、信息、光學(xué)和超導(dǎo)薄膜等高新技術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域的發(fā)展起到關(guān)鍵的技術(shù)推動(dòng)作用。