一种长寿命铜锰合金靶材的加工方法与流程

本发明属于靶材制造技术领域，特别涉及一种长寿命铜锰合金靶材的加工方法。

背景技术：

溅射靶材是半导体集成电路制备过程中重要的原材料之一，靶材的材质主要包括Al、Cu、Ti、WTi、NiV、NiPt等，主要用于集成电路中接触、通孔、互连线、阻挡层、封装等物理气相沉积薄膜的制备。溅射过程中，用加速的离子轰击靶材表面，使表面的原子沉积在基底表面。为了降低集成电路制造成本，最简单有效的方法是提高靶材寿命，常规提高靶材寿命的方法为增加溅射区域厚度。

专利CN 204097558 U、CN 201793723 U、CN 201793726 U等专利通过增加溅射区域厚度提高靶材使用寿命，未参与溅射的边缘保持原尺寸，这样可以避免影响靶材安装及整体的溅射性能。在靶材边缘为台阶结构或斜坡结构，其作用是防止在靶材溅射过程产生的反溅物质与机台阴极保护框接触而导致短路。

而专利CN 201962347 U、US2009/0045051 A1等专利则采用减少背板厚度来提高溅射部分靶材的厚度，从而达到提高靶材寿命的目的。

但是以上方法的局限在于，通过增加溅射区域厚度的方法来提高靶材寿命，寿命的提升一般在30％以内，例如传统的铜合金靶材寿命为1800kwh；通过合理的长寿命设计，可以使靶材的寿命提高到2200kwh，但是该寿命已达到传统靶材加工方法的极限。

超细晶材料是指晶粒尺寸在0-10μm的纳米晶材料或亚微米晶材料，由于其具有明显不同于传统材料的光学、电学、磁学等性能和优越的力学性能，所以一直是材料研究学者的重点研究方向。

超细晶CuMn靶材具有卓越的性能。由于超细晶能大幅提高靶材强度、硬度，使靶材能够采用一块金属进行一体化设计，这既延长了靶材的使用寿命，又省去了繁琐的靶材与背板连接工序。超细晶CuMn靶材可以将常规1800kwh的使用寿命大幅度提升至3000kwh，极大的提高了靶材的利用率，节省靶材更换以及机台维护所需的时间和精力，最大限度的降低了半导体厂家的生产成本，具有广阔的应用前景。

等槽角挤压(ECAE)为目前国际主流的加工超细晶靶材的方法。该方法通过反复多次等槽角挤压使靶材的应变高达6-8，从而获得超细晶组织。不过由于设备限制，目前全球仅有Honeywell有大型等槽角挤压设备可以采用该方法加工大尺寸超细晶靶材，因此需要开发其他新型超细晶靶材加工方法。

专利CN1484711A公开了物理气相沉积靶及制造金属材料的方法，该方法以预定的路径和次数进行等槽角挤压，并在等槽角挤压之后进行交叉轧制或锻造，最后经过再结晶退火，获得平均晶粒尺寸为1-30μm，(220)取向百分比>90％的靶坯。

专利CN1592797A公开了一种高强溅射靶及其制造方法，该方法采用等槽角挤压细化晶粒，最终获得的靶材晶粒尺寸<1μm，取向随机的溅射靶材，溅射靶材材质主要包含Al、Ti、Cu、Ta、Ni、Mo、Au、Ag、Pt。

专利CN1681960公开了一种铜溅射靶材和形成铜溅射靶材的方法，该方法采用300℃热锻开坯，使高度下降为至少约为40％，只有进行挤压工艺，使热锻坯料通过等通道转角挤压至少4遍，期间进行热处理，最后冷轧至压下量小于90％，从而形成半成品，获得的靶材平均粒径小于1μm，整个靶材内粒径均匀性标准偏差小于或等于15％。

专利CN102925832A公开了一种制备超细挛晶铜的大塑性变形方法，该方法采用多道次异步叠轧过程中的剪切应力和累积应变效应促进材料内部的堆垛错排、晶粒的细化和界面的复合，之后通过退火过程中位错的滑移和攀移，使局部点阵和晶界面取向变动，促进退火过程中挛晶的形成，然后随炉冷却至室温去除，即得到超细挛晶铜材。但是该方法仅适用于薄带材加工，无法应用于溅射靶材加工领域。

基于搅拌摩擦焊接的原理，Mishra等发展了搅拌摩擦加工技术，用于材料的局部改性。搅拌摩擦加工的原理十分简单，由轴肩和搅拌针组成的搅拌头高速旋转，使搅拌针挤入待加工工件直至轴肩与工件表面接触，轴肩与工件表面摩擦使材料软化，搅拌针带动加工区材料产生剧烈塑性流变，从而使加工区组织细化、致密化和均匀化。近年来，搅拌摩擦加工技术也成为一种制备块体超细晶材料的有效手段。但是一方面由于搅拌摩擦加工过程中会产生剧烈塑性变形，因此需要控制搅拌头的转速，避免由于转速过快导致出现补缩不良的情况；另一方面由于搅拌摩擦加工过程中材料的剧烈塑性变形产生的温升会使再结晶晶粒长大，因此需要采用强制冷却使加工后的材料仍然维持超细晶尺度。

专利CN105039670A公开了一种双面搅拌摩擦加工超细晶板材设备及方法，该方法通过合理的设计双面搅拌摩擦加工设备及方法，能够有效消除相邻搅拌区之间的热机影响区及热影响区，有效提高超细晶板材的力学性能。文献中提到了搅拌摩擦焊制备超细晶铝及铝合金板材，但是并未涉及到铜系列板材的加工，而且该专利的目的不是为了提高靶材寿命。

文章“搅拌摩擦焊加工超细晶及纳米结构Cu-Al合金的微观组织和力学性能研究”中提到了通过强制冷却的搅拌摩擦加工(FSP)技术在Cu-Al合金中得到了超细晶和纳米结构的微观组织，Al含量分别为10at％和15at％。所获得的Cu-Al合金为均匀、等轴的再结晶组织，随着层错能的减小，晶粒尺寸不断降低，而且在低层错能的FSP Cu-Al合金中，超细晶粒内部生成了丰富的纳米孪晶片层组织，进一步细化了微观组织。文章中提出了Cu-Al合金的超细晶加工方法，但是并不涉及Cu-Mn合金靶材。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种长寿命铜锰合金靶材的加工方法，其特征在于，包含步骤如下：

1)使用传统热机械处理方法对铜锰合金铸锭进行加工，获得原始坯料；

2)对原始坯料使用搅拌摩擦加工进行晶粒细化，得到平均晶粒尺寸5μm以下的长寿命铜锰合金溅射靶材；其寿命达3000kwh。

所述的铜锰合金中Mn含量为0.5at％-2at％。

所述的传统的热机械处理方法为：热锻开坯，之后进行60％-90％冷轧变形，再经过400-600℃再结晶热处理，保温时间为2-3h，在大气或真空条件下进行处理；

所述的搅拌摩擦加工，搅拌头转速为400-600r/min。

所述的搅拌摩擦加工，加工过程中对坯料进行水冷。

所述的搅拌摩擦加工，在加工后对坯料进行低温去应力退火，退火温度为250-350℃。

本发明的有益效果：本发明的加工方法可以实现长寿命铜锰合金靶材的制备，可以有效提高靶材寿命，提升靶材利用率。本发明得到的长寿命铜锰合金靶材平均晶粒尺寸在5μm以下，织构取向随机分布，能够满足集成电路45nm及以下工艺制程的要求。

附图说明

图1为长寿命铜锰合金靶材SEM照片(转速500r/min)。

图2为长寿命铜锰合金靶材金相照片(转速350r/min)。

图3为搅拌头补缩实物照片(俯视图)(转速650r/min)。

具体实施方式

本发明提供一种长寿命铜锰合金靶材的加工方法，包含步骤如下：

1)使用传统热机械处理方法对铜锰合金铸锭进行加工，获得原始坯料；

2)对原始坯料使用搅拌摩擦加工进行晶粒细化，得到平均晶粒尺寸5μm以下的长寿命铜锰合金溅射靶材；其寿命达3000kwh。下面结合附图和实施例予以说明。

实施例1-5：结果见表1及图1-图3所示；

铜锰合金铸锭规格为φ200×260t，在500-800℃条件下进行热锻，锻造方式为X/Y/Z三方向镦粗拔长，镦拔比为2:1，经过冷轧而轧制φ580×30t；然后进行再结晶热处理，获得原始坯料。

在转速为400-600r/min的条件下使用搅拌摩擦加工进行晶粒细化，得到长寿命铜锰合金溅射靶材，在晶粒细化过程中进行水冷，之后对坯料进行300℃去应力退火。

得到的结果见表1，可以看出在转速为400-600r/min的条件下使用搅拌摩擦加工进行晶粒细化，得到的长寿命铜锰合金溅射靶材平均晶粒尺寸在5μm以下，随着转速的降低，平均晶粒尺寸逐渐增大。

对比例1-2：

为了得到长寿命铜锰合金靶材搅拌摩擦加工的转速范围，分别进行低转速和高转速试验，与实施例进行对比。

铜锰合金铸锭规格为φ200×260t，在500-800℃条件下进行热锻，锻造方式为X/Y/Z三方向镦粗拔长，镦拔比为2:1，经过冷轧而轧制φ580×30t；然后进行再结晶热处理，获得原始坯料。

在转速为350、650r/min的条件下使用搅拌摩擦加工进行晶粒细化，得到铜锰合金溅射靶材。得到的结果见表1，可以看出在转速较低时，塑性变形不够剧烈，平均晶粒尺寸较大，超过5μm；在转速较高时，搅拌头补缩情况较差，搅拌头补缩孔较深，造成靶材失效(见图3)。

表1铜锰合金溅射靶材的实施例结果