一种钽靶材的制造方法

一种钽靶材的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种钽靶材的制造方法。包括，先对钽锭进行热锻处理，之后对所述热锻处理后的钽锭进行一次退火工艺，形成第一钽靶材坯料；对所述第一钽靶材坯料进行轧制处理，形成第二钽靶材坯料；对所述第二钽靶材坯料进行二次退火工艺，获得钽靶材。采用上述技术方案形成钽靶材内部晶粒细小，钽靶材内部结构均匀，有效避免钽靶材内部出现分层等缺陷，从而提高后续使用过程中，钽靶材的溅射速率，以及形成的钽薄膜质量。
【专利说明】一种钽靶材的制造方法

【技术领域】
[0001] 本发明涉及半导体溅射领域，特别涉及一种钽靶材的制造方法。

【背景技术】
[0002] 钽，是一种金属元素，其质地坚硬、富有延展性，且热膨胀系数很小，具有极高的抗 腐蚀性和韧性。基于上述优点，钽被广泛地应用化工、微电子、电气等工业领域。
[0003] 如在微电子领域，钽常被用以制备半导体器件的薄膜电极以及互连线。
[0004] 具体地，钽通过磁控溅射方式应用于半导体器件制备。其原理是采用物理气相沉 积技术（PVD)，以高压加速气态离子轰击钽靶材，使钽靶材上的钽原子被溅射出，以薄膜的 形式沉积到硅片上，形成半导体芯片上互连线结构或是电极。其中，钽靶材的质量直接影响 磁控溅射形成的薄膜质量。
[0005] 传统的钽靶材制备过程包括：先通过高真空电子束熔炼炉获得高纯钽锭，然后对 钽锭反复进行塑性变形，从而获得特定尺寸的钽靶材。
[0006] 然而，受限于钽本身的体心立方金属结构，钽晶粒的密排面为111型晶胞结构，在 塑性变形过程中，钽晶粒的111型晶胞结构会使得钽晶粒间优先出现滑移，钽晶粒原始结 构难以被重铸，形变率较低，从而使得最终形成的钽靶材内部的晶粒取向仍然以111形态 为主。该种结构属于钽金属的"固有"组织带。因而在塑性的轧制过程后，获得的钽靶材沿 厚度方向存在着严重的织构分层缺陷。而基于上述缺陷，在磁控溅射过程中，钽靶材的溅射 速率偏低，且极不稳定，会随着钽靶材内部织构的变化而变化，从而严重降低了后续获得的 钽薄膜的均匀度。
[0007] 随着半导体器件的迅速发展，对于钽镀膜的要求越发严格。为了解决钽靶材内部 分层缺陷，业界人员尝试将钽在再结晶温度以上条件下实现塑性变形，以此降低钽锭的内 部变形抗力。但基于钽的再结晶温度达到800°c，上述工艺的对于热轧设备等加工设备要求 高，且操作难度大，钽靶材的成品率低。
[0008] 为此，如何降低钽锭塑性变形时内部的变形抗力，加大其内部材料的变形率，从而 消除钽靶材内部分层现象的同时，降低工艺难度和工艺成本，提高钽靶材的成品率，是本领 域技术人员亟需解决的问题。


【发明内容】

[0009] 为解决上述问题，本发明提供了一种钽靶材的制造方法，从而克服现有钽靶材制 造过程中，钽锭内部的形变率低，获得的钽靶材内部分层现象严重等缺陷。
[0010] 本发明提供的一种钽靶材的制造方法，包括：
[0011] 提供钽锭；
[0012] 对所述钽锭进行热锻处理，之后对所述钽锭进行一次退火工艺，形成第一钽靶材 坯料；
[0013] 对所述第一钽靶材坯料进行轧制处理，形成第二钽靶材坯料；
[0014] 对所述第二钽靶材坯料进行二次退火工艺，获得钽靶材。
[0015] 可选地，所述热锻处理包括：
[0016] 将所述钽锭加热至800?1100°C，之后对所述钽锭进行锻打处理；
[0017] 一次所述锻打处理包括至少沿两个方向对所述钽锭进行锻打，且一次所述锻打处 理后的钽锭形变量大于等于80%。
[0018] 可选地，一次热锻处理至少包括3次所述锻打处理。
[0019] 可选地，所述一次退火处理包括：
[0020] 调节真空热处理炉温度至1000?1300°C，在真空条件下加热所述钽锭2?4h。
[0021] 可选地，反复进行所述热锻处理至少3次，每一次热锻处理后均进行一次所述一 次退火工艺。
[0022] 可选地，所述轧制处理为冷轧处理，包括：
[0023] 冷却所述第一钽靶材坯料；
[0024] 沿不同方向反复轧制所述第一钽靶材坯料至预定厚度，形成第二钽靶材坯料，所 述第一钽靶材坯料的形变量大于90%。
[0025] 可选地，所述轧制处理包括：
[0026] 对所述第一钽靶材坯料进行第一阶段轧制，使所述第一钽靶材坯料的形变量为 40% ?60% ;
[0027] 第一阶段轧制后，对所述第一钽靶材坯料进行第二阶段轧制，至所述第一钽靶材 坯料的形变量为70%?80% ;
[0028] 第二阶段轧制后，对所述第一钽靶材坯料进行第三阶段轧制，至所述第一钽靶材 坯料的形变量大于等于90% ;
[0029] 第三阶段轧制后，对所述第一钽靶材坯料进行第四阶段轧制，至预定厚度。
[0030] 可选地，在第一阶段轧制、第二阶段轧制和第三阶段轧制的过程中，均包括多步轧 制步骤；
[0031] 其中，在第一阶段轧制中，每一步轧制后的第一钽靶材坯料的形变量为该步轧制 前的10%?25% ;
[0032] 在第二阶段轧制中，每一步轧制后的第一钽靶材坯料的形变量为该步轧制前的 10% ?20% ;
[0033] 在第三阶段轧制中，每一步轧制后的第一钽靶材坯料的形变量为该步轧制前的 8% ?13% ;
[0034] 在第四阶段轧制中，每一步轧制后的第一钽靶材坯料的形变量为该步轧制前的 3% ?7%。
[0035] 可选地，每一次轧制后，转动所述第一钽靶材坯料120°?140°，之后，对所述第 一钽靶材坯料进行下一次轧制。
[0036] 可选地，所述二次退火处理包括：
[0037] 调节真空热处理炉温度至800?100(TC，在真空条件下加热钽锭1?3h。
[0038] 与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
[0039] 在对钽锭进行热锻处理过程中，在高温条件下对钽锭进行锻打处理，可有效增加 钽锭内部的形变率，破坏钽锭中钽晶粒原始晶相结构，同时实现钽晶粒细小化；并在热锻处 理之后的一次退火工艺中，实现钽再结晶，使钽晶粒间的键连和重排，从而实现钽锭内部结 构均匀化，避免钽锭内部出现结构分层等缺陷；同时在一次退火工艺中，还可充分释放基于 热锻处理在钽锭内部产生的应力，优化钽锭内部结构；
[0040] 在之后的轧制处理过程中，实现第一钽靶材坯料轧制定型的同时，进一步细化第 一钽靶材坯料中的钽晶粒，提高第一钽靶材坯料内部的均匀度，并且在二次退火工艺中，释 放轧制过程中，在第一钽靶材坯料内部形成的应力，优化第一钽靶材坯料内部结构；
[0041] 采用上述技术方案形成钽靶材内部晶粒细小，钽靶材内部结构均匀，有效避免钽 靶材内部出现分层等缺陷，从而提高后续使用过程中，钽靶材的溅射速率，以及形成的钽薄 膜质量；而且上述技术方案易于控制，可有效降低钽靶材的制备成本。
[0042] 进一步地，将轧制处理为冷轧处理，在实现第一钽靶材坯料内部晶粒充分细化，以 提高第一钽靶材坯料内部结构的同时，有效降低了工艺成本，以及工艺控制难度；此外，所 述轧制处理工艺包括多个阶段，且各个阶段包括多步形变量不同的轧制步骤以实现第一钽 靶材坯料逐步压制、形变，上述技术方案可有效缓解轧制过程中，在第一钽靶材坯料内部形 成的应力，以避免第一钽靶材坯料出现开裂等缺陷。

【专利附图】

【附图说明】
[0043] 图1为本发明钽靶材的制造方法的流程图；
[0044] 图2是本发明钽靶材的制造方法中热锻处理工艺的示意图；
[0045] 图3至图6是本发明钽靶材的制造方法中轧制的结构示意图。

【具体实施方式】
[0046] 正如【背景技术】所述的，基于钽金属本身的金属结构，传统的制造工艺形成的钽靶 材内部会出现明显的分层现象，从而影响磁控溅射过程中的靶材溅射速率及稳定性，并由 此降低钽薄膜的成膜质量。
[0047] 若在钽再结晶温度以上条件下实现钽靶材塑性变形可缓解钽靶材内部分层现象， 但上述工艺对于热轧设备等加工设备要求高，且工艺条件苛刻，操作难度大，钽靶材的成品 率低，而且上述工艺还极大地增大了钽靶材生产成本。
[0048] 为此，本发明提供了一种钽靶材的制造方法，采用本发明在制造钽靶材过程中，可 有效破钽晶粒的原始晶胞结构，降低钽锭的形变抗力，避免获得的钽靶材出现分层现象，使 得钽靶材内部结构更为均匀，优化钽靶材的内部结构，从而提高钽靶材在磁控溅射过程中 的溅射速率，以及磁控溅射形成的钽薄膜的质量。
[0049] 下面结合附图，通过具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
[0050] 参考图1所示，先执行步骤SI,提供钽锭。
[0051] 所述钽锭可通过高真空电子束熔炼炉获得，其纯度达到4N (99. 99%)以上。其为 现有技术，在此不再赘述。
[0052] 接着执行步骤S2,对所述钽锭进行热锻处理，之后对所述钽锭进行一次退火工艺， 形成第一钽靶材坯料。
[0053] 本实施例中，具体包括：先将所述钽锭放入马弗炉预热，直至所述钽锭的温度大于 钽锭再结晶温度，之后对所述钽锭进行锻打处理。
[0054] 本实施例中，可选地加热所述钽锭温度于800?1100摄氏度（°C )。将所述钽锭加 热至800?IKKTC后，钽锭中钽晶粒再结晶生长，增大晶粒尺寸，提高钽锭的可塑性。
[0055] 参考图2所示，所述锻打步骤包括：
[0056] 将预热后的钽锭10放置在锻机上，向所述钽锭10施加压力使钽锭10发生形变。
[0057] 在所述锻打期间，基于上述预加热工艺，钽锭10中钽晶粒再结晶生长，增大晶粒 尺寸，提高了钽锭10的可塑性。在向所述钽锭10施加压力后，使所述钽锭10内部发生形 变，迫使钽晶粒原始结构被破坏；此外锻打过程中，钽锭10内部钽晶粒被细小化，从而利于 后续钽锭内部结构再塑。
[0058] 本实施例中，在锻打过程中，不断改变钽锭10的受压方向，实现多方向锻打，提高 钽锭10的受力均匀性，实现钽锭10内部结构的均匀化。如，可先沿钽锭10的厚度方向，锻 打钽锭10得到钽锭11，之后再翻转钽锭11，向钽锭11的另一方向施压锻打得到钽锭12。 如此反复由多个方向锻打钽锭，可有效破坏钽锭内钽晶粒原先结构，同时提高钽锭内部结 构的均匀性。
[0059] 本实施例中，在一次钽锭的预热工艺后，至少反复锻打钽锭3次，且每一次钽锭锻 打后的形变量要大于等于80%，从而更好地改变钽锭内部原先结构，且使所述钽锭内部结构 更均匀，避免之后得到的钽锭出现分层现象。
[0060] 在所述热锻处理后，对所述钽锭12进行一次退火工艺。所述一次退火工艺包括， 将所述钽锭12加热至再结晶温度之上，使得钽锭12内部出现再结晶，重塑钽锭12内部结 构。
[0061] 本实施例中，所述一次退火工艺可选为真空退火工艺，其具体过程包括：
[0062] 将经热锻处理后得到的钽锭12放置于真空热处理炉中，调节所述真空热处理炉 的温度至1000?1300°c，并在上述温度下保温加热所述钽锭2?4小时（h)。
[0063] 在所述一次退火工艺过程中，经热锻处理后，钽晶粒间出现键连和重排，粉碎后的 钽晶粒实现再结晶，原先晶粒结构消失，钽锭内部的晶粒结构被重塑，从而使钽锭内部结构 更均匀，避免钽锭内部出现分层现象等缺陷。
[0064] 在所述一次退火工艺中，若温度过低（如)，退火温度越高，时间越长，再结晶形成 的钽晶粒越大，钽晶粒的可塑性越强，但获得的钽锭致密度，以及硬度受影响。本实施例中， 若一次退火的温度过低（小于l〇〇〇°C )，加热时间过短(小于2h)则钽再结晶不够彻底，无法 获得结构均匀的钽锭；若温度过高(大于1300°C)，加热时间过长(大于4h)，则钽晶粒生长 过大，降低获得的第一钽靶材坯料硬度和致密度，不利于后续轧制处理，以及最终形成的钽 靶材的硬度、致密度等质量参数。
[0065] 此外，在上述热锻处理过程中，基于锻打所施加的外力，在钽锭内形成内部应力， 这些应力可能致使钽锭出现开裂等缺陷，在上述一次退火过程中，可充分释放这些应力，从 而优化钽锭内部结构。
[0066] 而真空条件下的进行的退火工艺，可有效避免在加热过程中，基于空气中的氧气 等成分与钽反应，而造成钽锭被氧化等缺陷。避免造成最终形成的钽靶材质量缺陷，以及对 于原料损失和后续制造过程中额外工序投入，以增加制备成本。
[0067] 本实施例提供的钽靶材的制造方法中，至少重复三次上述的热锻处理工艺，且在 每一热锻工艺后，均进行一次所述一次退火工艺，以形成第一钽靶材坯料13,从而确保经所 述热锻处理工艺以及一次退火工艺后，形成的第一钽靶材坯料13内部结构的质量。
[0068] 继续参考图1所示，在步骤S2后，执行步骤S3,对所述第一钽靶材坯料13进行轧 制处理，形成第二钽靶材坯料。
[0069] 本实施例的所述轧制处理工艺为冷轧处理，在经上述热锻以及一次退火工艺获得 所述第一钽靶材坯料13后，冷却所述第一钽靶材坯料，之后，乳制所述第一钽靶材坯料13 至预定厚度，形成第二钽靶材坯料。其中，所述第一钽靶材坯料13的形变量大于90%。
[0070] 图3至图6为本实施例中，第一钽靶材坯料的轧制处理工艺示意图。
[0071] 参考图3和图4所示，图3为轧制工艺的立体图，图4为图3中轧制工艺的平面图。
[0072] 本实施例中，所述冷轧处理的方式为双辊筒轧制工艺。具体地，将第一钽靶材坯料 13在压延机（calender)的两个辊筒20a和20b之间进行挤压，以获得特定平面尺寸以及厚 度的第二钽靶材坯料。
[0073] 本实施例中，所述冷轧处理分为多个阶段，逐步轧制完成，从而降低在轧制过程 中，在所述第一钽靶材坯料13内形成应力，避免靶材坯料出现开裂等缺陷。
[0074] 具体地，本实施例中，对所述第一钽靶材坯料13的冷轧处理分为四个阶段完成。 其中，每一个阶段中，又分为多步轧制步骤。
[0075] 第一阶段轧制：使所述第一钽靶材坯料的形变量为40%?60%。可选地，每一步所 述轧制步骤后的第一钽靶材坯料13的形变量为该步轧制前的10%?25%。
[0076] 参考图5所示。以某一步轧制步骤前，所述第一钽靶材坯料13的厚度为hl，该轧 制步骤后的第一钽靶材坯料13的厚度为h2,在该轧制步骤中，所述第一钽靶材坯料13的形 变量Λ H= I hl-h2 I /hl=10% ?25%。
[0077] 第二阶段轧制：第一阶段轧制后，对所述第一钽靶材坯料13进行第二阶段轧制， 使得所述第一钽靶材坯料的形变量为70%?80%。
[0078] 可选地，每一步轧制后的第一钽靶材坯料13的形变量为该步轧制前的10%?20%， 艮P，Λ H= I hl-h2 I /hl=10% ?20%。
[0079] 第三阶段轧制：第二阶段轧制后，对所述第一钽靶材坯料13进行第三阶段轧制， 至所述第一钽靶材坯料13的形变量大于等于90%。
[0080] 可选地，每一步轧制后的第一钽靶材坯料13的形变量为该步轧制前的8%?13%， 艮P，Λ H= I hl-h2 I /hl=8% ?13%。
[0081] 第四阶段轧制：第三阶段轧制后，对所述第一钽靶材坯料13进行第四阶段轧制， 至预定厚度。
[0082] 可选地，每一步轧制后的第一钽靶材坯料的形变量为该步轧制前的3%?7%，即， Λ H= Ihl-h2I/hl=3% ?7%。
[0083] 以在所述热锻处理工艺后，获得的第一靶材坯料130尺寸为：直径d为130mm，高 度为160mm ;轧制处理工艺后，预期得到尺寸为：直径d为520mm，高度为IOmm的钽靶材为实 例。
[0084] 第一阶段轧制过程中，每一步轧制步骤的轧制量为20?30mm，在多步轧制后，使 所述第一钽靶材坯料13的厚度压制至原始厚度的1/2左右。
[0085] 在所述第二阶段轧制过程中，对于上述实例的第一钽靶材坯料每一步轧制步骤的 轧制量为8?10mm，在多步轧制后，使所述第一钽靶材坯料13的厚度压制至原始厚度的 1/4左右。
[0086] 在所述第三阶段轧制过程中，对于上述实例的第一钽靶材坯料每一步轧制步骤 的轧制量为3?5mm，在多步轧制后，使所述第一钽靶材坯料13的厚度压制至原始厚度的 1/10左右。
[0087] 在所述第四阶段轧制过程中，对于上述实例的第一钽靶材坯料每一步轧制步骤的 轧制量为〇. 5?1mm，在多步轧制后，使所述第一钽靶材坯料13的厚度为10mm。
[0088] 本实施例中，每一步冷轧处理工艺的每次变形率都比较小，避免了第一钽靶材坯 料13在冷轧这种强烈的塑性变形的过程中出现裂纹等缺陷。且在实际操作工艺中，在每一 步压制步骤后，检查形成的钽靶材坯料的边缘是否有褶皱和裂痕现象，以决定是否进入下 一工艺。如，若出现褶皱和裂痕，则说明钽靶材内部结构均匀度较差，则将钽靶材坯料重新 进行热锻工艺。
[0089] 下表1为轧制处理前，直径d为130mm，高度为160mm，轧制处理工艺后，预期得到 尺寸为：直径d为520mm，高度为IOmm的第一钽靶材坯料的一组具体的轧制处理数据：
[0090] 表 1
[0091]

【权利要求】
1. 一种钽靶材的制造方法，其特征在于，包括： 提供钽锭； 对所述钽锭进行热锻处理之后，对所述钽锭进行一次退火工艺，形成第一钽靶材坯 料； 对所述第一钽靶材坯料进行轧制处理，形成第二钽靶材坯料； 对所述第二钽靶材坯料进行二次退火工艺，形成钽靶材。
2. 根据权利要求1所述的钽靶材的制造方法，其特征在于，所述热锻处理包括： 将所述钽锭加热至800?1100°C，之后对所述钽锭进行锻打处理； 一次所述锻打处理包括至少沿多个方向对所述钽锭进行锻打，且一次所述锻打处理后 的钽锭形变量大于等于80%。
3. 根据权利要求2所述的钽靶材的制造方法，其特征在于，一次热锻处理至少包括3次 所述锻打处理。
4. 根据权利要求1所述的钽靶材的制造方法，其特征在于，所述一次退火处理为真空 退火处理工艺，包括： 调节真空热处理炉温度至1〇〇〇?1300°C，在真空条件下加热所述钽锭2?4h。
5. 根据权利要求1所述的钽靶材的制造方法，其特征在于，反复进行所述热锻处理至 少3次，每一次热锻处理后均进行一次所述一次退火工艺。
6. 根据权利要求1所述的钽靶材的制造方法，其特征在于，所述轧制处理为冷轧处理， 包括： 冷却所述第一钽靶材坯料； 沿不同方向反复轧制所述第一钽靶材坯料至预定厚度，形成第二钽靶材坯料；且所述 轧制处理后，所述第一钽靶材坯料的形变量大于90%。
7. 根据权利要求1所述的钽靶材的制造方法，其特征在于，所述轧制处理包括： 对所述第一钽靶材坯料进行第一阶段轧制，使所述第一钽靶材坯料的形变量为40%? 60% ； 第一阶段轧制后，对所述第一钽靶材坯料进行第二阶段轧制，至所述第一钽靶材坯料 的形变量为70%?80% ; 第二阶段轧制后，对所述第一钽靶材坯料进行第三阶段轧制，至所述第一钽靶材坯料 的形变量大于等于90% ; 第三阶段轧制后，对所述第一钽靶材坯料进行第四阶段轧制，至预定厚度。
8. 根据权利要求7述的钽靶材的制造方法，其特征在于，在第一阶段轧制、第二阶段轧 制和第三阶段轧制的过程中，均包括多步轧制步骤； 其中，在第一阶段轧制中，每一步轧制后的第一钽靶材坯料的形变量为该步轧制前的 10% ?25% ; 在第二阶段轧制中，每一步轧制后的第一钽靶材坯料的形变量为该步轧制前的10%? 20% ； 在第三阶段轧制中，每一步轧制后的第一钽靶材坯料的形变量为该步轧制前的8%? 13% ； 在第四阶段轧制中，每一步轧制后的第一钽靶材坯料的形变量为该步轧制前的3%? 7%。
9. 根据权利要求8述的钽靶材的制造方法，其特征在于，每一步轧制后，转动所述第一 钽靶材坯料120°?140°，之后，再对所述第一钽靶材坯料进行下一步轧制。
10. 根据权利要求1所述的钽靶材的制造方法，其特征在于，所述二次退火处理为真空 退火处理工艺，包括： 调节真空热处理炉温度至800?100(TC，在真空条件下加热所述第二钽靶材坯料1? 3h〇
【文档编号】C23C14/14GK104419901SQ201310379942
【公开日】2015年3月18日 申请日期:2013年8月27日 优先权日:2013年8月27日
【发明者】姚力军, 赵凯, 相原俊夫, 大岩一彦, 潘杰, 王学泽, 袁海军 申请人:宁波江丰电子材料股份有限公司