一种铜靶材的制作方法

1.本技术涉及溅射材料领域，具体而言，涉及一种铜靶材。


背景技术：

2.高纯金属源常用作溅射材料，其与常规金属相比，由于杂质含量更少，在溅射电弧的稳定性、薄膜沉积速率和薄膜厚度均匀性等方面的性能更佳。其中，高纯铜作为一种重要的溅射材料，被广泛应用于集成电路、显示器件和光伏电子等行业。
3.现有技术中，通常使用区域熔炼法和电解精炼法提纯制备高纯铜，再采用得到的高纯铜通过多次退火、锻打然后冷轧或压延得到高纯铜板作为铜靶材，铜靶材的制备工艺复杂。
4.而且，目前得到的该高纯铜板存在整体一致性不佳，且局部杂质和裂纹严重的问题，对溅射电弧的稳定性、薄膜沉积速率和薄膜厚度均匀性有严重影响，导致难以满足大规格显示面板和集成电路等产业对铜靶材的使用要求。


技术实现要素：

5.本技术的目的在于提供一种铜靶材，该铜靶材制备方便，铜靶材整体一致性较好，且能有效改善铜靶材局部杂质和裂纹严重的问题。
6.本技术的实施例是这样实现的：
7.第一方面，本技术实施例提供一种铜靶材，包括沿靶材厚度方向层叠设置的多个无晶界铜层，每个无晶界铜层的晶格取向相同且均为cu(111)、cu(110)、cu(211)和cu(100)中的一种。
8.本技术实施例提供的铜靶材，有益效果包括：
9.本技术的铜靶材，采用多个无晶界铜层进行层叠，由于无晶界铜层无铜晶界，能有效避免晶界处杂质和裂纹的影响，从而有效改善铜靶材局部杂质和裂纹严重的问题。
10.无晶界铜层为同一个铜晶界内部的晶粒组织，使得无晶界铜层自身具有较好的一致性，还能有效消除铜晶界数量及晶粒大小对各无晶界铜层之间材料一致性的影响。各无晶界铜层均具有特定且相同的晶格取向，在较好地满足溅射的成膜性能要求的同时，还使得多个无晶界铜层的晶格取向具有较好的一致性。因此，本技术提供的铜靶材，各无晶界铜层自身具有较好的一致性，且多个无晶界铜层之间具有较好的一致性，使得铜靶材整体一致性较好。
附图说明
11.为了更清楚地说明本技术实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本技术的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
12.图1为本技术实施例提供的第一种铜靶材的结构示意图；
13.图2为本技术实施例提供的无晶界铜层的结构示意图；
14.图3为本技术实施例提供的第二种铜靶材的结构示意图；
15.图4为本技术实施例提供的第一种铜靶材的制备流程示意图；
16.图5为本技术实施例提供的一种无晶界铜层的制备流程示意图；
17.图6为本技术实施例提供的第二种铜靶材的制备流程示意图。
18.图标：100
‑
铜靶材；110
‑
无晶界铜层；120
‑
电镀铜层；200
‑
大晶畴铜板。
具体实施方式
19.为使本技术实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本技术实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
20.因此，以下对在附图中提供的本技术的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本技术的范围，而是仅仅表示本技术的选定实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
21.应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
22.在本技术的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
23.术语“垂直”、“平行”等并不表示要求部件绝对垂直或平行，而是可以稍微倾斜。术语“第一”、“第二”、等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
24.除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”应做广义理解，例如，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本技术中的具体含义。
25.在本技术的描述中，还需要说明的是，“多个”的含义是指两个及两个以上；“数值a～数值b”的范围包括两端值“a”和“b”；“数值a～数值b+计量单位”中的“计量单位”代表“数值a”和“数值b”二者的“计量单位”。
26.另外，“晶界以外”和“晶界以内”的含义包括该“晶界”；“晶界外部”和“晶界内部”的含义不包括该“晶界”。
27.下面对本技术实施例的一种铜靶材进行具体说明。
28.请参阅图1，本技术实施例提供一种铜靶材100，包括沿靶材厚度方向层叠设置的多个无晶界铜层110，每个无晶界铜层110的晶格取向相同且均为cu(111)、cu(110)、cu(211)和cu(100)中的一种。其中，靶材厚度方向为如图1所示的a方向。
29.请参阅图2，可以理解的是，在本技术中，无晶界铜层110是指材质为无铜晶界的铜材料的铜层。该无铜晶界的铜材料可以通过直接采购加工好的已经去除铜晶界的铜材料获
得；也可以通过将晶畴较大的铜材料加工去除铜晶界以外的区域获得。
30.发明人研究发现，目前通过高纯铜锭或铜柱体多次退火、锻打然后冷轧或压延得到高纯铜板，铜板内存在较多铜晶界，且不同的铜晶界对应的晶粒的晶粒大小和晶粒取向存在差异，使得材料因铜晶界存在、晶粒大小差异和晶粒取向差异等因素的影响，导致铜板存在整体一致性不佳的问题。
31.另外，在铜材料中，晶界内部的区域为晶粒组织，杂质通常存在于铜晶界以外；而由于铜晶界内部和外部的组织差异，铜材料在受到应力作用时，容易在铜晶界处发生开裂。目前的高纯铜板，由于铜板内存在较多铜晶界，因此造成了材料局部杂质和裂纹严重的问题。
32.本技术的铜靶材100，采用无晶界铜层110，由于无晶界铜层110中无铜晶界，能有效避免晶界处杂质和裂纹的影响，从而有效改善铜靶材100局部杂质和裂纹严重的问题。
33.同时，无晶界铜层110的铜材料由于无铜晶界，实际上为源自同一个铜晶界内部的晶粒组织。因此，无晶界铜层110自身能够有效避免铜晶界存在、晶粒大小差异和晶粒取向差异等因素的影响，使得无晶界铜层110自身具有较好的一致性。
34.可以理解的是，由于无铜晶界的铜材料的厚度通常较小，多个无晶界铜层110层叠设置时是沿厚度方向进行层叠的，因此无晶界铜层110的厚度方向与靶材的厚度方向平行。考虑到铜靶材100有一定的大小规格和厚度规格，而能够满足铜靶材100的大小规格的无铜晶界的铜材料通常厚度较小，不能很好地满足铜靶材100的厚度规格需求。
35.在本技术的实施例中，采用多个无晶界铜层110进行层叠，以有效地满足铜靶材100的厚度规格需求。由于各无晶界铜层110各自为一个铜晶界内部的晶粒组织，还能够有效避免多个铜晶界铜层之间的一致性受到铜晶界存在和晶粒大小差异的影响。同时，由于各无晶界铜层110均具有特定且相同的晶格取向，在较好地满足溅射的成膜性能要求的同时，还使得多个无晶界铜层110的晶格取向具有较好的一致性。
36.本技术提供的铜靶材100，各无晶界铜层110自身具有较好的一致性，且多个无晶界铜层110之间具有较好的一致性，使得铜靶材100整体一致性较好。
37.考虑到靶材通常为规则形状，而铜材料中的铜晶界通常为接近矩形的多边形。在加工铜材料时，从铜晶界内部的矩形区域获取无铜晶界的铜材料，在满足靶材的形状需求的同时，还使得铜材料的利用率更高、无铜晶界的铜材料的成本更低。
38.由于多个无晶界铜层110沿靶材厚度方向层叠设置，铜靶材100垂直于靶材厚度方向的截面为靶材横截面。
39.在一些可能的实施方案中，靶材横截面为矩形，使得靶材的形状较好地符合使用要求，且材料成本较低。
40.考虑到现有的工艺中，在生产大晶畴的铜材料以加工无铜晶界的铜材料时，大晶畴的铜材料的晶界数量能够有效地控制在1个/平方分米的规格，此时铜晶畴的大小约为1平方分米。而由于铜晶畴通常呈长轴长度和短轴长度相当的多边形，即铜晶畴的形状大小与面积为1平方分米的正方形相当。因此，为了方便无铜晶界的铜材料的生产，并保证大晶畴的铜材料有较高的利用率，无铜晶界的铜材料的形状大小可选地接近1平方分米的正方形。
41.靶材横截面为矩形的实施例中，靶材横截面具有相互垂直的第一矩形边和第二矩
形边。
42.作为一种示例，第一矩形边的长度为80～100mm，第二矩形边的长度为80～100mm。对于第一矩形边的长度和第二矩形边的长度，二者分别可选地为80mm、85mm、90mm、95mm和100mm中的任一者或者任意两者之间的范围，例如二者相同且均为90mm。
43.考虑到现有的工艺中，在生产大晶畴的铜材料以加工无铜晶界的铜材料时，为了满足铜靶材100的大小规格，大晶畴的铜材料的厚度通常较小，使得无晶界铜层110的厚度较小。
44.在一些可能的实施方案中，为了方便地获得无晶界铜层110，在靶材厚度方向上，每个无晶界铜层110的尺寸为25～100μm，例如但不限于为25μm、40μm、50μm、60μm、75μm和100μm中的任一者或者任意两者之间的范围。
45.考虑到铜靶材100的使用寿命与厚度相关，铜靶材100需要有合适的厚度，保证有合适的使用寿命。
46.进一步地，在靶材厚度方向上，铜靶材100的尺寸为10～25mm，例如但不限于为10mm、11mm、12mm、13mm、14mm、15mm、16mm、17mm、18mm、19mm、20mm、21mm、22mm、23mm、24mm和25mm中的任一者或者任意两者之间的范围。
47.可以理解的是，在本技术的实施例中，铜靶材100可以由多个无晶界铜层110组成，铜靶材100也可以还包括其他的功能层。
48.在第一种示例性的实施方案中，铜靶材100由多个无晶界铜层110组成。由于铜靶材100中仅含有无晶界铜层110，能有效保证铜靶材100的溅射使用性能。
49.考虑到无铜晶界的铜材料的成本较高，在铜靶材100中添加一些纯度较高的铜材料层，在满足铜靶材100的使用需求的同时，有利于降低铜靶材100的成本。而电镀铜层120在采用高纯度电解铜进行电镀得到时，其本身能够接近单晶结构，具有较高的纯度和较好的一致性，添加到铜靶材100中时，对铜靶材100的溅射使用性能的影响较小，使得铜靶材100能够保持较好的溅射使用性能。
50.请参阅图3，在第二种示例性的实施方案中，铜靶材100还包括多个电镀铜层120。在靶材厚度方向上，每个无晶界铜层110的两侧均具有至少一个电镀铜层120。该实施方案中，位于无晶界铜层110的两侧的电镀铜层120用于增厚，在获取一定厚度的铜靶材100时，能够减少无晶界铜层110的使用量，使得铜靶材100的成本降低。
51.考虑到电镀铜层120需要有合适的占比，以有效保证铜靶材100整体的溅射使用性能。可选地，在靶材厚度方向上，每个电镀铜层120的厚度为50
‑
200μm，例如但不限于为50μm、80μm、100μm、120μm、150μm、180μm和200μm中的任一者的点值或者任意两者之间的范围值。
52.由于退火处理能够使得电镀铜层120更接近单晶结构，且能够有效降低材料表面的氧化情况，可选地，电镀铜层120的材质为退火电镀铜，使得电镀铜层120的纯度和一致性更好，有利于在利用电镀铜层120降低成本的情况下，有效提高铜靶材100的溅射使用性能。
53.考虑到不同的铜材料层之间的晶格取向的不同会影响铜靶材100整体的一致性，进一步地，电镀铜层120的晶格取向与无晶界铜层110的晶格取向相同。
54.可以理解的是，在还包括电镀铜层120的实施方案中，由于电镀铜层120需要电镀在无晶界铜层110表面形成，作为一种示例，每个无晶界铜层110的两个表面均形成有电镀
铜层120，以有效地提高电镀铜层120的增厚效果。在该实施方式下的铜靶材100，在靶材厚度方向上，铜靶材100的两侧表面均具有一个电镀铜层120，且任意相邻两个无晶界铜层110之间具有两个电镀铜层120。其中，铜靶材100的两侧表面均具有一个电镀铜层120，换句话来说即是指，以多个无晶界铜层110中位于两侧的无晶界铜层110为表侧无晶界铜层110，表侧无晶界铜层110的表面具有一个电镀铜层120。
55.请参阅图4，本技术实施例提供一种铜靶材100的制备方法，用于实现上述的铜靶材100的制备。该制备方法包括：将多个无晶界铜层110沿靶材厚度方向层叠设置，然后进行加热辊压。
56.在本技术的实施例中，直接采用无晶界铜层110，将层叠设置的多个无晶界铜层110加热辊压即可完成，操作简单。
57.可以理解的是，在本技术的实施例中，无晶界铜层110的无铜晶界的铜材料可以直接采购，也可以在铜靶材100的制备过程中生产。在制备过程中生产无铜晶界的铜材料直接使用时，方便控制同一批次的无铜晶界的铜材料有较好的一致性，同时还能够有效防止无铜晶界的铜材料被氧化。
58.在一些可能的实施方案中，请参阅图5，将多个无晶界铜层110沿靶材厚度方向层叠设置之前，还包括：将无氧铜板加热退火使无氧铜板中的晶畴尺寸增大，得到大晶畴铜板200；将大晶畴铜板200中铜晶界以外的区域去除，例如通过冲压裁切的方式将大晶畴铜板200中铜晶界以外的区域去除，得到无晶界铜层110。
59.示例性地，无氧铜板的纯度为3n～4n，例如为99.95％。研究发现，加热退火后，大晶畴铜板200和无晶界铜层110能够具备以下特点：在大晶畴铜板200中，晶界数量小于1个/平方分米，杂质聚集在晶界以外1mm的区域内；在无晶界铜层110中，纯度为5n～7n，该纯度例如为5n～60n，硬度为30～60hv，硬度进一步为30～50hv，该硬度例如为30～40hv。
60.现有技术中，区域熔炼法是利用杂质元素在主体金属固态和熔融态中溶解度的差别，以3n或4n粗铜为原料，通过反复将金属熔化和凝固，使杂质析出或集中分布在某一端后去除，从而使主金属纯度得到提高。该区域熔炼法的工艺需反复将金属铜高温熔化和凝固，制备工艺繁琐，效率较低。而电解精炼法提纯是利用各杂质金属在阴极上的析出电位之间的差异而达到提纯的目的，当需要提纯至6n或7n高纯铜时，需采用4n或5n阳极铜为原料并使用高纯试剂硫酸铜或硝酸铜作为电解液，还需要优化隔膜过滤。该电解精炼法提纯需使用复杂的纯试剂等多种原料，成本高且成分控制困难。
61.本技术中，将无氧铜板加热退火后去除铜晶界以外的区域，即可获得无晶界铜层110。本技术的制备方法，和区域熔炼法制备高纯铜相比，无需反复将金属铜高温熔化和凝固，制备工艺更简单，效率更高；和电解精炼法提纯高纯铜相比，无需使用多种原料和试剂，有效降低成本的同时，避免多种原料的使用对成分的影响，使得成分可控性也更高。
62.可以理解的是，在本技术的实施例中，将多个无晶界铜层110沿靶材厚度方向层叠设置的步骤中，不限于只层叠无晶界铜层110，还可以在无晶界铜层110之间和/或多个无晶界铜层110外表面设置层叠其他功能层。
63.在铜靶材100还包括电镀铜层120的实施方案中，请参阅图6，将多个无晶界铜层110沿靶材厚度方向层叠设置的步骤，包括：先在至少部分无晶界铜层110的至少一个表面形成电镀铜层120，再将多个无晶界铜层110层叠设置，并且需要使得在靶材厚度方向上，每
个无晶界铜层110的两侧均具有至少一个电镀铜层120。
64.作为一种示例，将多个无晶界铜层110沿靶材厚度方向层叠设置的步骤，包括：先在每个无晶界铜层110的两个表面均形成一个电镀铜层120，再将多个无晶界铜层110层叠设置。在该实施方式下得到的铜靶材100，任意相邻两个无晶界铜层110之间具有两个电镀铜层120，且表侧无晶界铜层110的表面具有一个电镀铜层120。
65.为了保证电镀铜层120有较高的纯度，可选地，在无晶界铜层110的表面形成电镀铜层120时，采用高纯度电解铜进行电镀。
66.考虑到由于退火处理能够使得电镀铜层120更接近单晶结构，且能够有效降低材料表面的氧化情况，在形成有电镀铜层120的实施方案中，加热辊压的步骤之后，还包括：进行退火处理使电镀铜层120中的晶畴尺寸增大，使得电镀铜层120的材质为退火电镀铜。
67.可选地，对退火的降温速度和氛围进行控制，使得退火处理后，电镀铜层120的晶格取向无晶界铜层110的晶格取向相同。
68.以下结合实施例对本技术的特征和性能作进一步的详细描述。
69.本技术实施例中的铜靶材的制备方法如下：
70.方法1：
71.一种铜靶材的制备方法，包括：
72.s1.将原始多晶界无氧铜板(牌号c10200，晶界数量＞10000个/cm2)置入退火设备中，通入氮气、氩气或氦气等惰性的气体进行升温。
73.s2.当退火设备达到800～1075℃的时，通入h2、co等还原性气体，开始退火过程。
74.s3.退火结束后，向退火设备中持续通入惰性气体，将铜带冷却至室温，得到低晶界数目、大尺寸晶畴的大晶畴铜板。
75.s4.对大晶畴铜板取样进行x射线(xrd)分析检测，并对晶界数量n进行检测，筛选出特定晶格取向的单晶晶畴的峰强＞3*103且晶界数量nn≤1个/平方分米的合格大晶畴铜板。
76.s5.合格大晶畴铜板经过冷却后，进行模具冲压裁切以将铜晶界以外的区域去除，得到规格为90*90mm的正方向的无晶界铜层。
77.s6.在每个无晶界铜层的两侧电镀形成电镀铜层，然后将形成有电镀铜层的无晶界铜层，然后将形成有电镀铜层的无晶界铜层沿靶材厚度方向层叠设置，然后进行加热辊压，进行退火处理，筛选电镀铜层的晶格取向与无晶界铜层的晶格取向相同的产品，得到铜靶材。
78.方法2：
79.一种铜靶材的制备方法，其与方法1的不同之处仅在于s6步骤不同。
80.在本方法中，s6步骤包括：将多个无晶界铜层直接沿靶材厚度方向层叠设置，不电镀铜，进行加热辊压得到铜靶材。
81.方式3：
82.一种铜靶材的制备方法，其与方法1的不同之处仅在于s6步骤不同。
83.在本方法中，s6步骤包括：在每个无晶界铜层的两侧电镀形成电镀铜层，然后将形成有电镀铜层的无晶界铜层沿靶材厚度方向层叠设置，然后进行加热辊压，得到铜靶材。
84.试验例
85.采用实施例的铜靶材的制备方法制备多个铜靶材；对比例和实施例相比，区别仅在于直接采用实施例中使用的多晶界无氧铜板代替无晶界铜层。
86.对各实施例和对比例制备的铜靶材的性能参数进行检查；使用铜靶材进行溅射，并对溅射的性能进行检测。
87.检测标准如下：
88.(1)晶界数量检测：金相显微镜观察，随机取100*100mm范围内的晶界数量。
89.(2)硬度：《gb
‑
t
‑
4340.1》。
90.(3)导电率：《gb
‑
t
‑
351》。
91.(4)铜纯度和氧含量检测：《gb/t 5121》。
92.(5)电弧的稳定性：设备和靶材连续溅射运行100h内，统计靶材电弧有＞1min熄弧或弧流不稳，间歇熄弧导致的异常报警的次数。
93.(6)薄膜厚度均匀性：检测溅射金属cu薄膜的方块电阻，统计500mm宽幅方向上的cu薄膜的方块电阻的公差范围。
94.本技术中，各实施例和对比例中的实验条件如表1所示，检测结果也如表1所示。其中，实施例1中的无晶界铜层和对比例中的无氧铜板，以基础铜层表示。
95.表1.铜靶材的工艺及材料参数
96.97.[0098][0099]
根据表1可知，本技术实施例提供的铜靶材，其中的无晶界铜层和多晶界无氧铜板相比，导电率性能更佳，纯度更高，更能够符合溅射用高纯的铜靶材的要求。同时，将铜靶材进行溅射运行，本技术提供的铜靶材在长时间内溅射异常的次数更少，表现出具有更好的溅射稳定性。采用铜靶材溅射形成薄膜时，本技术提供的铜靶材得到的薄膜能够达到更好的均匀性。
[0100]
根据对比例1～4与实施例2的对比可知，采用无晶界铜层和采用多晶界铜相比，铜靶材的溅射稳定性和形成薄膜的均匀性方面显著提升。
[0101]
根据对比例5～6和对比例2的对比可知，当铜材料的晶界数量减少时，即使达到了晶界数量为4～5个/dm2的标准，铜晶界同样会对铜靶材的溅射稳定性和形成薄膜的均匀性方面产生明显的影响。
[0102]
根据实施例3～4和实施例2的对比可知，当电镀铜层的厚度较小时，例如在电镀铜层的厚度≤100μm时，铜靶材的溅射稳定性和形成薄膜的均匀性方面表现出更好的性能。
[0103]
根据实施例5和实施例2的对比可知，当铜靶材仅由无晶界铜层组成时，和设置有电镀铜层的铜靶材相比，铜靶材的溅射稳定性和形成薄膜的均匀性方面显著提升，其中，铜靶材表现出极为优异的溅射稳定性。
[0104]
根据实施例6和实施例2的对比可知，在同样设置有电镀铜层的实施例中，对电镀铜层进行退火处理的实施例2中，铜靶材的溅射稳定性和形成薄膜的均匀性方面表现出更好的性能。
[0105]
以上所述仅为本技术的优选实施例而已，并不用于限制本技术，对于本领域的技术人员来说，本技术可以有各种更改和变化。凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。