一种具有择优取向的高纯钽靶材的制备方法与流程

本发明涉及一种溅射靶材的制备工艺，尤其涉及一种具有择优取向的高纯钽靶材的制备方法。

背景技术：

集成电路技术是电子信息技术产业中的一项关键技术，随着集成电路特征尺寸，布线宽度朝着精细化的方向发展，铜布线逐渐开始取代铝布线，但铜布线因为其较活跃的性质，它在使用过程中容易受到外界因素的影响受到损伤，所以在集成电路金属互连线上镀上一层惰性抗腐蚀薄膜尤为重要。物理气相沉积技术是消耗靶材在材料表面镀上靶材元素薄膜的技术，目前铜连线所用的溅射靶材为高纯金属Ta。靶材的晶粒尺寸、晶粒取向对集成电路金属薄膜的制备和性能有很大的影响。从多项研究对溅射薄膜均匀性，沉积率进行考察发现，(1)随着晶粒尺寸的增加,薄膜沉积速率趋于降低；(2)在合适的晶粒尺寸范围内,靶材使用时的等离子体阻抗较低,薄膜沉积速率高和薄膜厚度均匀性好；(3)在合适的晶粒尺寸范围内,晶粒取向越均匀越好；(4)当靶材晶粒尺寸超过合适的晶粒尺寸范围时,为提高靶材的性能,必须严格控制靶材的晶粒取向。本发明研究出一种晶粒尺寸适中，并具有(110)晶面取向的钽织构靶材，用于溅射时靶材利用率高，溅射薄膜均匀，沉积率高。本发明对钽织构靶材制备过程中晶粒尺寸和择优取向的控制有很高的参考价值。

技术实现要素：

本发明旨在解决对钽靶材晶粒尺寸与晶粒取向的控制问题，提供一种具有择优取向的高纯钽靶材的制备方法。

为了达到上述目的，本发明提供的技术方案为：

所述具有择优取向的高纯钽靶材的制备方法：

(1)将钽锭在锻锤下开坯；具体是采用轴向锻造开坯的方式来破碎初始钽锭中粗大的柱状晶；开坯变形量控制为25％到40％，锻造压力控制在在1000N到1800N；本发明采用的钽原材料为粉末冶金法制备的钽条，再经电子束熔炼提纯形成圆柱形钽锭，直径为90mm到100mm，厚度在40mm到50mm，优选直径约为100mm，优选厚度约为50mm；

(2)对开坯后的钽锭酸洗；酸洗溶液配方采用盐酸与氢氟酸的混合溶液，盐酸的浓度为27wt％到40wt％,氢氟酸的浓度为30wt％到50wt％，常温下在酸洗溶液中浸泡10min到20min；

(3)酸洗后的钽锭放在真空退火炉中退火处理；真空度控制在10^-2-10^-4Pa，最高温度控制在900℃到1300℃，最高温度保温时间控制在120min到240min；

(4)对退火处理过的钽材进行第一次轧制；轧制时压下量控制在10％到15％；

(5)第二次轧制，第二次轧制方向与第一次轧制方向垂直；轧制时压下量控制在10％到15％；

(6)酸洗同步骤(2)；

(7)真空热处理炉中真空退火处理；真空度控制在10^-2-10^-4Pa，退火温度控制在700℃到1000℃，保温时间控制在120min到240min；

(8)第三次轧制，第三次轧制方向与第一次轧制方向相同；轧制时压下量控制在20％到25％；

(9)第四次轧制，第四次轧制方向与第三次轧制方向相同；轧制时压下量控制在20％到25％；

(10)酸洗；酸洗液配方为盐酸与氢氟酸的混合溶液，盐酸的浓度为17wt％到30wt％,氢氟酸的浓度为10wt％到30wt％，常温下在酸洗溶液中浸泡5min到10min；

(11)真空热处理炉中退火处理；真空度控制在10^-2-10^-4Pa，退火温度700℃到900℃，保温时间100min到150min。

其中，步骤(3)、(7)和(11)中所述的真空度优选控制为10^-3Pa。

下面对本发明作进一步说明：

第一步采用锻造开坯的方式来破碎初始钽锭中粗大的柱状晶。为使钽锭中粗大的柱状晶破碎均匀、充分，开坯方式采用轴向开坯，开坯变形量控制为25％到40％。锻造压力控制在在1000N到1800N.

第二步对钽锭的酸洗，酸洗溶液配方采用盐酸与氢氟酸的混合溶液，盐酸的浓度为27wt％到40％,氢氟酸的浓度为30wt％到50％，常温下在酸洗溶液中浸泡10min到20min。

第三步真空退火热处理，真空度控制在10^-3Pa，最高温度控制在900℃到1300℃，最高温度保温时间控制在120min到240min。经过第一次退火热处理的钽靶，易于后续轧制工艺进行轧制变形，且控制退火温度可防止晶粒又重新长成大晶粒。

第四步与第五步的轧制采用交叉轧制的方法，即第一次轧制的方向与第二次轧制的方向垂直。每一次轧制的压下量控制在10％到15％之间，交叉轧制可以进一步减少晶粒尺寸大小，且可以减少钽材不利取向面的织构，有利于形成所需要的{110}面上的织构。

第六步在第二次真空热处理之前对轧制后的钽材进行酸洗，酸洗溶液配方采用盐酸与氢氟酸的混合溶液，盐酸的浓度为27wt％到40％,氢氟酸的浓度为30wt％到50％，常温下在酸洗溶液中浸泡10min到20min。

第七步对钽靶进行第二次真空热处理退火，研究表明，交叉轧制造成的变形对钽材的退火温度产生一定影响，其退火温度相对开坯后的退火温度更低，真空度控制在10^-3Pa，退火温度控制在700℃到1000℃。保温时间控制在120min到240min。此次退火过程目的是为下一道轧制做准备。且使钽靶里面的晶粒取向变得均匀，充分消除柱状晶遗留下来的不利取向的织构。

第八步与第九步的轧制采用相同方向的轧制，每次轧制的压下量控制在20％到25％之间，这两次轧制的变形量大于第一二次轧制的变形量，且其轧制方式也是选择同一方向的单向轧制，其主要目的就是为了来产生{110}面的择优取向织构。

第十步进行最后一次的酸洗，酸洗液配方为盐酸与氢氟酸的混合溶液，盐酸的浓度为17wt％到30wt％,氢氟酸的浓度为10wt％到30wt％，常温下在酸洗溶液中浸泡5min到10min。

第十一步是最后一步热处理退火工序，其主要目的在于消除靶材内的内应力，因此其退火工艺参数选择为，真空度10^-3Pa，退火温度700℃到900℃，保温时间100min到150min。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明制备出了晶粒大小适中，晶粒尺寸较为均匀的，且具有{110}晶面择优取向织构的高纯溅射钽靶材。作为体心立方金属，{110}面正是钽的最密排面，以此面为择优取向的钽靶材在溅射沉积时，靶材利用率高，溅射薄膜均匀，沉积率高。

附图说明

图1为实施例制备的钽靶材晶粒尺寸规格图；

图2为实施例制备的钽靶材厚度方向的织构扫描图；

图3为为图2对应的极图结果。

具体实施方式

本发明实施例公开了一种具有择优取向的高纯钽靶材的制备方法,包括以下步骤：开坯→酸洗→真空退火热处理→第一次轧制→第二次轧制(交叉)→酸洗→真空退火热处理→第三次轧制→第四次轧制(单向)→酸洗→真空热处理。本发明选择的材料来源为，经粉末冶金方法制取的钽条，其特点为碳、氧等杂质含量较高，致密度较低，随后在电子束熔炼炉中提纯熔炼，形成纯度达到＞99.99％的高纯钽锭。开坯采用轴向开坯的方式，开坯变形量控制为25％到40％。锻造压力控制在在1000N到1800N.对开坯后的钽锭酸洗，酸洗溶液配方采用盐酸与氢氟酸的混合溶液，盐酸的浓度为27wt％到40％,氢氟酸的浓度为30wt％到50％，常温下在酸洗溶液中浸泡10min到20min。第一次真空退火热处理，真空度控制在10^-3Pa，最高温度控制在900℃到1300℃，最高温度保温时间控制在120min到240min。第一二次的轧制采用交叉轧制的方法，即第一次轧制的方向与第二次轧制的方向垂直。每一次轧制的压下量控制在10％到15％之间，交叉轧制可以进一步减少晶粒尺寸大小，且可以减少钽材不利取向面的织构，有利于形成所需要的{110}面上的织构。第二次酸洗，酸洗溶液配方采用盐酸与氢氟酸的混合溶液，盐酸的浓度为27wt％到40％,氢氟酸的浓度为30wt％到50％，常温下在酸洗溶液中浸泡10min到20min。钽靶的第二次真空热处理退火所用真空度控制在10^-3Pa，退火温度控制在700℃到1000℃。保温时间控制在120min到240min。此次退火过程目的是为下一道轧制做准备。且使钽靶里面的晶粒取向变得均匀，充分消除柱状晶遗留下来的不利取向的织构。第三四次轧制，每次轧制的压下量控制在20％到25％之间，这两次轧制的变形量大于第一二次轧制的变形量，且其轧制方式也是选择同一方向的单向轧制，其主要目的就是为了来产生{110}面的择优取向织构。最后一次酸洗，酸洗液配方为盐酸与氢氟酸的混合溶液，盐酸的浓度为17wt％到30wt％,氢氟酸的浓度为10wt％到30wt％，常温下在酸洗溶液中浸泡5min到10min。最后一次热处理退火工序，其主要目的在于消除靶材内的内应力，因此其退火工艺参数选择为，真空度10^-3Pa，退火温度700℃到900℃，保温时间100min到150min。

对上述步骤得到的钽靶材进行检测实验，实验结果表明，本实施例制备的钽靶材晶粒尺寸为30-80μm，参见图1，图2为本实施例制备的钽靶材厚度方向的织构扫描图，图3为图2对应的极图结果。由图2、3可知，在靶材厚度方向获得了以{110}<112>为主的织构组分，且具有较好的织构分布均匀性。