一種大尺寸高純鎢靶材及其生產(chǎn)方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種半導(dǎo)體用Φ400以上大尺寸高純鎢靶材，直徑≥400mm，純度達(dá)到99.999%以上、致密度99.5%以上、晶粒度≤100μm；其制備包括：將純度99.999%以上、粒度2.2~2.6μm的鎢粉均勻混合；180~250MPa、5~10分鐘的冷等靜壓壓制成型；2300℃~2400℃、8~12小時(shí)的中頻感應(yīng)燒結(jié)；1450~1550℃退火90~180分鐘后，經(jīng)多道次熱軋至5~15mm厚度，熱軋總變形量大于60%；再經(jīng)經(jīng)1300~1400℃退火90~150分鐘后，進(jìn)行機(jī)械加工，其上下表面的機(jī)械加工量均≥1.5mm；最終獲得的鎢靶材不僅性能優(yōu)異，且工藝相對簡單，對設(shè)備的要求不高。
【專利說明】一種大尺寸高純鎢靶材及其生產(chǎn)方法
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種高純鎢靶材的生產(chǎn)方法，特別適用于大尺寸、半導(dǎo)體用高純鎢靶材的生產(chǎn)。
技術(shù)背景
[0003]濺射法是制備薄膜材料的主要技術(shù)之一，它通過高速運(yùn)動的離子轟擊靶材，產(chǎn)生的原子放射出來累積在基體的表面，形成鍍膜，被轟擊的固體是用濺射法沉積薄膜的原材料，稱為濺射靶材。用靶材濺射沉積的薄膜具有致密度高，附著性好等優(yōu)點(diǎn)。稀有金屬鎢由于具有熔點(diǎn)高、強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)低、電阻率低、良好的熱穩(wěn)定性等優(yōu)點(diǎn)，已廣泛應(yīng)用于半導(dǎo)體集成電路、太陽能光伏等濺射鍍膜領(lǐng)域。
[0004]鎢靶材在半導(dǎo)體領(lǐng)域主要用作集成電路擴(kuò)散阻擋層和大型集成電路存儲器電極等。半導(dǎo)體集成電路對靶材的純度有著很高的要求，一般要求靶材的純度要在99.999%以上。同時(shí)，靶材的密實(shí)度也對鍍膜過程及膜層的性能有著重要的影響，靶材的密實(shí)度不僅影響濺射時(shí)的沉積速率、濺射膜粒子的密度和放電現(xiàn)象等，還影響著濺射薄膜的電學(xué)和光學(xué)性能。靶材越密實(shí)，濺射膜粒子的密越低，放電現(xiàn)象越弱，而薄膜的性能也越好。
[0005]由于其熔點(diǎn)高，鎢靶材主要通過粉末冶金方法制備。目前半導(dǎo)體用鎢靶材一般采用熱壓或熱等靜壓的工藝直接燒結(jié)成最終產(chǎn)品，而不進(jìn)行后續(xù)壓力加工，所制備的鎢靶材密度可達(dá)到理論密度的99%左右。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的迅猛發(fā)展，集成化程度越來越高，單位面積單晶硅片集成器件數(shù)呈指數(shù)級增長，主流的硅片尺寸已從12英寸(300mm)逐漸向18英寸(450_)發(fā)展，因而對濺射靶材的尺寸要求也越來越大。要采用熱等靜壓法生產(chǎn)更大尺寸的鎢靶材需要高昂的設(shè)備投入，同時(shí)產(chǎn)品的密度難以達(dá)到完全致密。
[0006]現(xiàn)有鎢靶材相關(guān)文獻(xiàn)和專利技術(shù)中，大部分都是采用熱壓或熱等靜壓直接生產(chǎn)鎢靶材而不通過熱加工工序，僅有中國專利申請201110433274.6公開了一項(xiàng)采用燒結(jié)+壓力加工的方法生產(chǎn)靶材的專利，該專利將熱壓法制備的鎢板坯采用不銹鋼套包覆并抽真空，然后進(jìn)行鍛造和軋制等熱加工，以避免在空氣中直接進(jìn)行壓力加工所可能產(chǎn)生的表面氧化和出現(xiàn)開裂等問題。該方法生產(chǎn)工藝復(fù)雜，不太適合大批量工業(yè)生產(chǎn)；同時(shí)，鎢板坯外面包覆的不銹鋼套經(jīng)高溫加熱后進(jìn)行熱軋變形時(shí)，由于其高溫強(qiáng)度低于鎢板坯，熱軋時(shí)主要是不銹鋼套發(fā)生變形，難以達(dá)到使鎢板坯均勻變形的目的。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種半導(dǎo)體用Φ400以上大尺寸高純鎢靶材的制備方法，該方法工藝簡單，對設(shè)備的要求不高，純度達(dá)到5N (99.999%)以上，產(chǎn)品致密度達(dá)到99.5%以上。
[0008]本發(fā)明的大尺寸高純鎢靶材，直徑≤400mm,純度達(dá)到99.999%以上、致密度99.5%以上、晶粒度(100 μ m。
[0009]本發(fā)明的大尺寸高純鎢靶材的生產(chǎn)方法，通過如下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
(1)將純度達(dá)到99.999%以上、粒度2.2~2.6 μ m的鎢粉進(jìn)行均勻混合；
(2)采用18(T250MPa的壓制壓力、保壓5~10分鐘進(jìn)行冷等靜壓壓制成型；
(3)在中頻感應(yīng)燒結(jié)爐中，在2300°C~2400°C的范圍內(nèi)燒結(jié)8~12小時(shí)；
(4)燒結(jié)后的鎢板坯在1450-l550°C退火90-180分鐘后，經(jīng)多道次熱軋至5~15mm厚度，熱軋總變形量大于60% ；
(5)熱軋后的鎢板材經(jīng)1300-l400°C退火90-150分鐘后，進(jìn)行機(jī)械加工，其上下表面的機(jī)械加工量均≥1.5mm ;最終獲得的鎢靶材直徑≥400mm，純度達(dá)到99.999%以上、致密度99.5%以上、晶粒度≤100 μ m。
[0010]由于采用合適的原料、合理的工藝及參數(shù)，最終制備出密度達(dá)到18.3g/cm3以上的燒結(jié)鎢板坯，最終通過熱軋變形、退火和機(jī)加工制備出純度達(dá)到99.999%以上、致密度達(dá)到99.5%以上、晶粒尺寸小于100 μ m的半導(dǎo)體用大尺寸高純鎢靶材。該工藝通過熱加工工藝優(yōu)化，同時(shí)對熱加工后的鎢板材留出合適的機(jī)加工余量，以避免熱加工過程中的表面氧化和微裂紋的影響。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0011]圖1是本發(fā)明實(shí)施例1制備的大尺寸鎢靶材表面金相組織圖；
圖2是本發(fā)明實(shí)施例2制備的大尺寸鎢靶材表面金相組織圖；
圖3是本發(fā)明實(shí)施例3制備的大尺寸鎢靶材表面金相組織圖。
【具體實(shí)施方式】
[0012]實(shí)施例1:選取粒度2.45 μ m，純度99.999%的鎢粉38.lkg，采用鋼芯模具經(jīng)過等靜壓200MPa壓制保壓5分鐘后成形；在中頻爐燒結(jié)，燒結(jié)溫度為2350°C，燒結(jié)時(shí)間為10小時(shí)，制備出尺寸為47.3X201X218mm、密度為18.4g/cm3的燒結(jié)鎢板坯；鎢板坯經(jīng)1500°C/90min退火后，通過多道次熱軋成尺寸為11.1 X425X419mm、密度為19.27g/cm3(致密度99.6%)的熱軋鎢板，熱軋總變形量為76.5% ;熱軋鎢板經(jīng)1350°C /120min退火后，進(jìn)行車、銑、磨等機(jī)械加工，其上、下表面的機(jī)械加工量分別為1.9和2.2mm ;最終加工出Φ400±0.1Χ7±0.Imm鎢靶材，經(jīng)測定，其表面平均晶粒尺寸為64 μ m，表面晶粒組織如圖1所示，晶粒組織均勻；其純度99.999%、密度19.27g/cm3、致密度99.6%。
[0013]實(shí)施例2:選取粒度2.6 μ m，純度99.999%的鎢粉54.5kg，采用鋼芯模具經(jīng)過等靜壓250MPa壓制保壓8分鐘后成形；在中頻爐燒結(jié)，燒結(jié)溫度為2400°C，燒結(jié)時(shí)間為8小時(shí)，制備出尺寸為60.7X223X219mm、密度為18.4g/cm3的燒結(jié)鎢板坯；鎢板坯經(jīng)15500C /120min退火后，通過多道次熱軋成尺寸為12.3X476X483_、密度為19.28g/cm3(致密度99.6%)的熱軋鎢板，熱軋總變形量為79.7% ;熱軋鎢板經(jīng)1400°C /90min退火后，進(jìn)行車、銑、磨等機(jī)械加工，其上、下表面的機(jī)械加工量分別為2.1和2.2mm ;最終加工出Φ450 + 0.1X8 + 0.1mm鎢靶材，經(jīng)測定，其表面平均晶粒尺寸為58 μ m，表面晶粒組織如圖2所示，晶粒組織均勻；其純度99.999%、密度19.28g/cm3、致密度99.6%。
[0014]實(shí)施例3:選取粒度2.2 μ m，純度99.999%的鎢粉64.3kg，采用鋼芯模具經(jīng)過等靜壓ISOMPa壓制保壓10分鐘后成形；在中頻爐燒結(jié)，燒結(jié)溫度為2300°C，燒結(jié)時(shí)間為12小時(shí)，制備出尺寸為64.3X235X230mm、密度為18.5g/cm3的燒結(jié)鎢板坯；鎢板坯經(jīng)14500C /180min退火后，通過多道次熱軋成尺寸為12.1 X 527 X 521_、密度為19.30g/cm3(致密度99.7%)的熱軋鎢板，熱軋總變形量為81.2% ;熱軋鎢板經(jīng)1300°C /150min退火后，進(jìn)行車、銑、磨等機(jī)械加工，其上、下表面的機(jī)械加工量分別為2.0和2.1mm ;最終加工出Φ500 + 0.1X8 + 0.1mm鎢靶材，經(jīng)測定，其表面平均晶粒尺寸為47 μ m，表面晶粒組織如圖3所示，晶粒組織均勻；其純度99.99`9%、密度19.30g/cm3、致密度99.7%。
【權(quán)利要求】
1.一種大尺寸高純鎢靶材，直徑≥400mm,純度達(dá)到99.999%以上、致密度99.5%以上、晶粒度< 100 μ m。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸高純鎢靶材，其特征是:所述直徑400mm，純度達(dá)到，99.999%、致密度 99.6%、晶粒度 64 μ m。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸高純鎢靶材，其特征是:所述直徑450mm，純度達(dá)到，99.999%、致密度 99.6%、晶粒度 58 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸高純鎢靶材，其特征是:所述直徑400mm，純度達(dá)到，99.999%、致密度 99.7%、晶粒度 47 μ m。
5.如權(quán)利要求1所述的大尺寸高純鎢靶材的生產(chǎn)方法,依次包括: (1)將純度達(dá)到99.999%以上、粒度2.2^2.6 μ m的鎢粉進(jìn)行均勻混合； (2)采用18(T250MPa的壓制壓力、保壓5~10分鐘進(jìn)行冷等靜壓壓制成型； (3)在中頻感應(yīng)燒結(jié)爐中，在2300°C~2400°C的范圍內(nèi)燒結(jié)8~12小時(shí)； (4)燒結(jié)后的鎢板坯在145(Tl550°C退火90-180分鐘后，經(jīng)多道次熱軋至5~15mm厚度，熱軋總變形量大于60% ； (5)熱軋后的鎢板材經(jīng)130(Tl40(rC退火90-150分鐘后，進(jìn)行機(jī)械加工，其上下表面的機(jī)械加工量均≤1.5mm ;最終獲得的鎢靶材直徑≥400mm，純度達(dá)到99.999%以上、致密度99.5%以上、晶粒度≤100 μ m。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸高純鎢靶材的生產(chǎn)方法，其特征是:所述鎢粉純度，99.999%，粒度為2.45 μ m ;所述壓制壓力為200MPa，保壓時(shí)間為5分鐘；所述燒結(jié)溫度為，2350°C，時(shí)間為10小時(shí)；所述燒結(jié)后的鎢板坯退火溫度為1500°C，時(shí)間為90分鐘；所述經(jīng)多道次熱軋后的板還厚度為11.1mm,熱軋總變形量為76.5% ;所述熱軋后退火溫度為，1350°C，時(shí)間為120分鐘；所述機(jī)械加工上下表面余量分別為1.9,2.2mm ;最終獲得的鎢靶材直徑為400mm，純度達(dá)到99.999%、致密度99.6%、晶粒度64 μ m。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸高純鎢靶材的生產(chǎn)方法，其特征是:所述鎢粉純度99.999%，粒度為2.6μπι;所述壓制壓力為250MPa，保壓時(shí)間為8分鐘；所述燒結(jié)溫度為，2400°C，時(shí)間為8小時(shí)；所述燒結(jié)后的鎢板坯退火溫度為1550°C，時(shí)間為120分鐘；所述經(jīng)多道次熱軋后的板還厚度為12.3mm,熱軋總變形量為79.7% ;所述熱軋后退火溫度為14000C，時(shí)間為90分鐘；所述機(jī)械加工上下表面余量分別為2.1、2.2mm ;最終獲得的鎢靶材直徑450mm，純度達(dá)到99.999%、致密度99.6%、晶粒度58 μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的大尺寸高純鎢靶材的生產(chǎn)方法，其特征是:所述鎢粉純度，99.999%，粒度為2.2μπι;所述壓制壓力為180MPa，保壓時(shí)間為10分鐘；所述燒結(jié)溫度為2300°C，時(shí)間為12小時(shí)；所述燒結(jié)后的鎢板坯退火溫度為1450°C，時(shí)間為180分鐘；所述經(jīng)多道次熱軋后的板還厚度為12.1mm,熱軋總變形量為81.2% ;所述熱軋后退火溫度為，1300°C，時(shí)間為150分鐘；所述機(jī)械加工上下表面余量分別為2.0,2.1mm ;最終獲得的鎢靶材直徑為500mm，純度達(dá)到99.999%、致密度99.7%、晶粒度47 μ m。
【文檔編號】C23C14/34GK103805952SQ201310670912
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2013年12月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月12日
【發(fā)明者】魏修宇, 黃江波, 龍堅(jiān)戰(zhàn), 張外平, 李光宗, 夏艷成, 常理, 宋立強(qiáng) 申請人:株洲硬質(zhì)合金集團(tuán)有限公司