专利名称：织构化晶粒粉末冶金钽溅射靶的制作方法
技术领域：
本发明涉及钽溅射靶领域。特别是，本发明涉及粉末冶金钽溅射靶。
背景技术：
通过铸造和热机械加工而制造出的常规钽溅射靶显示出交替跨过溅射靶面和穿过靶的剖面的(200)晶向带和(222)晶向带。例如，靶表面常常交替地在靠近(200)晶向的地方显示出色调稍浅的晶粒，且在靠近(222)晶向的地方显示出色调较深的晶粒。不利的是，(200)织构带的溅射产量低于(222)织构带的溅射产量，由此导致产生基底内钽溅射层厚度不同的基底。例如，受到溅射的薄层在49点试验中得到的薄膜电阻均匀度通常在2％与3％之间，1σ(或者一个标准偏差)。这样的不均匀的钽层可能致使制造商增加溅射厚度从而消除薄区。另外，所得到的钽厚度差异常常会妨碍受到溅射的钽薄层在所需应用中的使用。
过去，制造商已采用晶粒生长工艺对晶粒取向进行控制。例如，Dunn等在美国专利No.3,335,037中披露了一种用于生产钽箔的轧制/晶粒再结晶方法。该方法使得(110)晶向获得最大化，从而生产出钽箔--该产品的厚度和晶向对于溅射靶的制造而言都是不可接受的。
Zhang在美国专利No.6,193,821中披露了一种用于使纯钽坯料形变成溅射靶的热机械加工工艺。该工艺首先进行侧锻或侧轧，然后进行镦锻或加压轧制。该工艺生产出主要具有(222)织构且晶粒尺寸小于25微米的溅射靶。该工艺看来不会消除与由铸造钽靶形成的靶相关的全部条带效应或者使(222)织构对准与溅射靶面相正交的方向。
在另一种热机械加工工艺中，Michaluk等在国际专利WO 00/31310中披露了一种用于铸造和加工钽溅射靶的工艺。该工艺看来似乎能够生产出具有沿正交于溅射靶面方向的(222)主织构的钽坯，且具有最少量的贯穿所述坯的厚度的(200)-(222)织构条带。(本说明书指的是惯例方向，即对于体心立方(bcc)晶格而言，h+k+1必须等于偶数，以使反射具有非零强度，bcc晶格导致当h+k+1为奇数时体系不存在(systematic absence))。例如，本说明书指的是(222)和(200)晶向，而不是其它惯例所指的(111)和(100)晶向。不幸的是，单独控制(222)和(200)晶向不会提供适于最严格的溅射应用所需的必要的晶粒取向或者控制。
发明内容
所述钽溅射靶包括具有通过密实化钽粉末形成的钽晶粒的钽本体和溅射面。所述溅射面具有用于将钽原子输送远离溅射面以对基底进行镀覆的原子输送方向。所述钽晶粒在远离溅射面的原子输送方向上具有至少为40％的(222)晶向的取向比率和小于15％的(110)晶向的取向比率，用于增强溅射均匀度，所述钽本体没有可采用电子背散射衍射法而检测到的(200)-(222)晶向条带并且其中所述溅射靶的纯度至少达到4N(即99.99％)并且优选至少达到4N5(即99.995％)。
图1是织构化晶粒粉末冶金钽溅射靶的顶视示意图。
图2是沿平面2-2截取的图1所示溅射靶的剖面示意图。
具体实施例方式
制备用以使(222)晶向的取向比率最大化和使(110)晶向的取向比率最小化的织构化晶粒粉末冶金钽靶与常规锻造钽靶相比在薄膜电阻均匀度方面得到明显的改进。对本说明书来说，取向比率被定义为以百分比表示的一种特定的晶粒取向相对于晶粒总量的相对比例。例如，通过测量X射线峰的强度并将该强度除以在粉末衍射标准联合会(JCPDS)卡片上列出的该峰的相对强度，可计算出晶粒取向。然后将该比值乘以100％并将其归一化，即除以在所述强度与它们相对应的相对强度之间的全部晶粒取向比率的总和。
参见图1和图2，一种典型的靶10包括钽本体12和托板14。有利地，托板14具有铜、铜合金或铝合金构造以降低制造成本并且改进所述靶的机械完整性。钽本体12的纯度至少为99.99％且钽本体12包括溅射面16。优选地，钽本体的纯度至少为99.995％。溅射面具有用于将钽原子输送远离溅射面16用于对基底20进行镀覆的原子输送方向D。该靶利用该原子输送方向作为织构化晶粒的基准方向。最有利的是，所述原子输送方向D与溅射面16正交。
该织构化晶粒粉末冶金钽靶优先使(222)晶向的晶粒与原子输送方向相对齐。(222)晶向是体心立方(bcc)晶体结构中的密排方向。所述靶中包含的(222)晶向的取向比率至少为约40％以提高溅射均匀度，并且所述靶具有99.995％的纯度。有利地，所述靶中包含的(222)晶向的取向比率至少为约45％以进一步提高溅射性能。最有利的是，所述靶中包含的(222)晶向的取向比率至少为约50％以利于进行有效溅射。钽溅射实验已示出在原子输送方向上(222)晶向的晶粒排列越多，溅射性能增强。然而，单独使(222)晶向最大化不足以生产出具有非常优越溅射均匀度的溅射靶。
除使具有(222)晶向的晶粒最大化以外，溅射靶还必须使与原子输送方向对齐的具有(110)晶向的晶粒减至最少。例如，(222)晶向晶粒的取向比率相对较大且(110)晶向的取向比率为约25％的粉末冶金靶具有与传统锻造溅射靶相当的溅射性能。保持原子输送方向上的(110)晶向的取向比率小于约1 5％是获得优良溅射性能的关键所在。有利地，溅射靶中包含小于约10％的在原子输送方向上的(110)晶向的取向比率，从而使溅射均匀度进一步最大化。最有利的是，溅射靶中包含小于约5％的在原子输送方向上的(110)晶向的取向比率，从而使溅射均匀度进一步最大化。此外，对钽粉末的密实化和后续处理进行精确控制能够保持在原子输送方向上的(110)晶向的取向比率小于约3％。
与(222)和(110)晶向不同的是，(200)、(211)和(310)晶向对溅射性能具有最小限度的影响。有利地，所述靶保持与原子输送方向对齐的(200)、(211)和(310)晶向的每一个取向比率小于约30％以保持溅射均匀度。最有利的是，所述靶保持与原子输送方向对齐的(200)、(211)和(310)晶向的每一个取向比率小于约25％以保持溅射均匀度。
由密实化粉末形成钽本体消除了常常与锻造溅射靶相关的可见的(200)-(222)条带。条带的消除进一步增大了溅射薄膜的均匀度。另外，溅射靶可选地具有值小于约1.5的晶粒长宽比。对本说明书来说，长宽比为沿厚度方向测量得到的晶粒长度除以沿平行于溅射面方向测量得到的晶粒长度的比值。最有利的是，所述长宽比小于约1.3。
实例1下表中总结了在带有4”(10厘米)直径靶的由MRC制造的603型批量溅射系统中进行的初步试验的试验结果。在该系统中的溅射试验是在以下条件下进行的，即功率为640瓦，最高达15千瓦小时，晶片扫描速度为16厘米/分钟-对应于厚度为1000埃的薄膜，室压为10毫托且靶-晶片的间距为2.0英寸(5.1厘米)。在不包括6毫米边缘的直径为75毫米的二氧化硅晶片上的9个点处测量薄膜电阻。
对于本说明书来说，印有字母的靶表示比较例而有编号的靶表示本发明的实例。虽然溅射条件没有被优化，但是所有试验都是在相同的条件下进行的且因此允许在铸造和经过热机械加工的基准靶(靶A)与多种粉末冶金靶(靶B-G和1)之间进行比较。如上文所述，由X射线峰的强度计算各实例中的取向比率。
表14”(10厘米)溅射靶
具有较大的(222)晶向的取向比率和较小的(110)晶向的取向比率的靶1显示出最佳的溅射和显微结构特性。然后，选择该靶的制造参数用于在Eclipse溅射系统中对12”(30厘米)的RMX-12靶进行全尺寸测试。
实例2该粉末冶金RMX-12溅射靶具有大小为40-50微米的平均晶粒大小和较大的(222)晶向的取向比率。
在Eclipse系统中的溅射试验是在以下条件下进行的，即功率为10千瓦，最高达50千瓦小时，沉积时间为60秒，氩气流速为100sccm，室压为15毫托，晶片温度为150℃，且靶-晶片的间距为2.5英寸(6.4厘米)。在不包括6毫米边缘的直径为150毫米的二氧化硅晶片上的49个点处测量薄膜电阻。
表2中总结了通过铸造和热机械加工而制造出的常规靶(靶G)和经过锻压(靶2)和未经锻压(靶3)的两种粉末冶金靶的晶粒取向数据。
表2
表2中示出了织构化晶粒粉末冶金靶获得的在(110)晶向取向比率与(222)晶向取向比率之间存在的显著差异。此外，织构化晶粒粉末冶金靶中没有有害的通常与铸造和加工过的制品相关的(200)-(222)条带--这些靶在体积百分比为50％的氢氟酸和50％的过氧化氢的溶液中进行宏观浸蚀之后在未经放大条件下看不到任何可见的(200)-(222)条带。此外，经过宏观浸蚀的靶中不含任何采用电子背散射衍射(EBSD)法可检测到的(200)-(222)条带-EBSD法确定了靶的整个厚度上的晶粒取向。
表3中总结了表2中的靶在1σ条件下的薄膜电阻均匀度的数据。
表3
通过将粉末密实化至接近于理论密度的一定密度、轧制、退火、焊接结合到托板上并进行机加工而制造出粉末冶金溅射靶2。在用于形成靶3的靶2的轧制步骤之前加入可选择的锻压步骤显示对溅射薄膜的薄膜电阻均匀度或溅射靶表面的外观没有明显的影响。织构化溅射靶2和3利用RMX型磁体在转动的磁控管溅射室中分别对基底镀覆的1σ条件下的薄膜电阻均匀度最大小于约1.5％。
通过将粉末密实化至接近于理论密度的一定密度、随后进行轧制和退火而制造出的钽溅射靶没有显示出交错的织构条带且具有显著改进的薄膜电阻均匀度。虽然给出了用于制造靶坯的实例，但是值得注意的是如果使用不同方法制造靶坯，那么本发明可使用具有相类似的效益。坯件制造方法可包括，但不限于，轧制、锻压、压制及其组合。
如表2和3中所示，对(110)和(222)的结晶取向进行精确控制改进了溅射效果。特别是，具有较少的(110)晶向和较多的(222)晶向的织构化晶粒粉末冶金溅射靶以及不存在交错的(222)和(200)织构条带与常规锻造靶相比具有改进的溅射性能。例如，这些靶具有减小的溅射薄膜电阻均匀度，从高于2.7％至1.1-1.5％之间(1σ)。
在不偏离本发明范围的前提下存在多种本发明的可能实施例，因此应理解在这里所述的一些均是示例性而非限制性的。
权利要求
1.一种钽溅射靶，所述钽溅射靶包括具有通过密实化钽粉末形成的钽晶粒的钽本体，所述钽本体具有溅射面，所述溅射面具有用于将钽原子输送远离溅射面以对基底进行镀覆的原子输送方向，所述钽晶粒在远离溅射面的原子输送方向上具有至少为约40％的(222)晶向的取向比率和小于约15％的(110)晶向的取向比率，用于增强溅射均匀度，所述钽本体没有可采用电子背散射衍射法而检测到的(200)-(222)晶向条带并且其中所述溅射靶的纯度至少达到99.99％。
2.根据权利要求1所述的溅射靶，其中所述原子输送方向与溅射面正交。
3.根据权利要求1所述的溅射靶，其中所述晶粒在所述原子输送方向上具有至少为约45％的(222)晶向的取向比率和小于约10％的(110)晶向的取向比率。
4.根据权利要求1所述的溅射靶，其中所述晶粒具有小于约30％的(200)晶向的取向比率、小于约30％的(211)晶向的取向比率和小于约30％的(310)晶向的取向比率。
5.根据权利要求1所述的溅射靶，其中所述溅射靶的纯度至少达到99.995％。
6.一种钽溅射靶，所述溅射靶包括具有通过密实化钽粉末形成的钽晶粒的钽本体，所述钽本体具有溅射面，所述溅射面具有用于将钽原子输送远离溅射面以对基底进行镀覆的原子输送方向，所述钽晶粒在远离溅射面的原子输送方向上具有至少为约45％的(222)晶向的取向比率、小于约30％的(200)晶向的取向比率、小于约30％的(211)晶向的取向比率、小于约30％的(310)晶向的取向比率和小于约10％的(110)晶向的取向比率，用于增强溅射均匀度，所述钽本体没有可采用电子背散射衍射法而检测到的(200)-(222)晶向条带并且其中所述溅射靶的纯度至少达到99.99％。
7.根据权利要求6所述的溅射靶，其中所述晶粒在所述原子输送方向上具有至少为约50％的(222)晶向的取向比率和小于约5％的(110)晶向的取向比率。
8.根据权利要求6所述的溅射靶，其中所述晶粒具有小于约25％的(200)晶向的取向比率、小于约25％的(211)晶向的取向比率和小于约25％的(310)晶向的取向比率。
9.一种钽溅射靶，所述溅射靶包括具有通过密实化钽粉末形成的钽晶粒的钽本体，所述钽本体具有溅射面，所述溅射面具有用于将钽原子输送远离溅射面以对基底进行镀覆的原子输送方向，所述钽晶粒在远离溅射面的原子输送方向上具有至少为约50％的(222)晶向的取向比率、小于约25％的(200)晶向的取向比率、小于约25％的(211)晶向的取向比率、小于约25％的(310)晶向的取向比率和小于约5％的(110)晶向的取向比率，用于增强溅射均匀度，所述钽本体没有可采用电子背散射衍射法而检测到的(200)-(222)晶向条带并且其中所述溅射靶的纯度至少达到99.99％。
10.根据权利要求9所述的溅射靶，其中所述靶利用RMX型磁体在转动的磁控管溅射室中对基底镀覆的1σ条件下的薄膜电阻均匀度最大为约1.5％。
全文摘要
溅射靶包括具有通过密实化钽粉末形成的钽晶粒的钽本体和溅射面。所述溅射面具有用于将钽原子输送远离溅射面以对基底进行镀覆的原子输送方向。所述钽晶粒在远离溅射面的原子输送方向上具有至少为40％的(222)晶向的取向比率和小于15％的(110)晶向的取向比率，用于增强溅射均匀度，所述钽本体没有可采用电子背散射衍射法而检测到的(200)－(222)晶向条带并且其中所述溅射靶的纯度至少达到99.99％。
文档编号C23C14/34GK1981065SQ200580017024
公开日2007年6月13日 申请日期2005年3月21日 优先权日2004年3月26日
发明者H·J·科伊尼斯曼恩, P·S·吉尔曼 申请人:普莱克斯技术有限公司