本發(fā)明公開了一種鎢鈦合金靶材的制備方法及應(yīng)用，具體涉及集成電路擴(kuò)散阻擋層用靶材。

背景技術(shù)：

1、擴(kuò)散阻擋層用于防止不同材料之間的原子互擴(kuò)散，鎢鈦薄膜因具有良好的熱穩(wěn)定性、抗腐蝕性、化學(xué)穩(wěn)定性、低電子遷移率及良好的表面附著力而廣泛用于集成電路al、cu、ag布線的擴(kuò)散阻擋層，起到阻礙金屬擴(kuò)散和改善金屬薄膜與基體的結(jié)合強(qiáng)度的作用。目前磁控濺射沉積薄膜是制備鎢鈦薄膜常用的方法，此方法可獲得具有較好結(jié)晶性和較高致密度的薄膜。采用磁控濺射方法制備鎢鈦薄膜時(shí)，薄膜性能除了受磁控濺射工藝的影響，更重要的是與磁控濺射原材料-鎢鈦合金靶材性能相關(guān)。研究表明，高密度、高純度、富鈦相β1(ti,w)少、晶粒細(xì)小均勻的鎢鈦合金靶材是獲得高性能鎢鈦薄膜的關(guān)鍵因素。

2、目前鎢鈦合金靶材的制備主要采用真空熱壓、熱等靜壓、放電等離子燒結(jié)等傳統(tǒng)燒結(jié)方式來控制靶材致密度、純度及晶粒尺寸，這些方法未關(guān)注對(duì)靶材氣體含量和固溶度的控制，然而靶材的氣體含量和固溶度也是高品質(zhì)鎢鈦合金靶材的關(guān)鍵指標(biāo)，影響后續(xù)濺射鍍膜的品質(zhì)。同時(shí)這些制備方法還存在升溫和降溫時(shí)間長、成品率低、對(duì)操作者專業(yè)背景要求較高、流程較復(fù)雜、能耗高等缺點(diǎn)，為此本發(fā)明提出一種鎢鈦合金靶材的制備方法，在獲得高致密度、高純度的同時(shí)可保證獲得低氣體含量、高固溶度和細(xì)小均勻晶粒的鎢鈦合金靶材。該方法具有操作簡單、生產(chǎn)周期短和對(duì)操作者要求較低等優(yōu)點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決現(xiàn)有鎢鈦靶材存在的氣體含量高，固溶度低等問題，本發(fā)明提供了一種鎢鈦合金靶材的制備方法，本發(fā)明采用高能球磨混粉+冷等靜壓成型+微波燒結(jié)+固溶處理的方式獲得鎢鈦合金靶材，該方法在獲得高致密度、高純度鎢鈦合金靶材的同時(shí)可保證低氣體含量、高固溶度和細(xì)小均勻的晶粒，該方法具有操作簡單、生產(chǎn)周期短和對(duì)操作者要求較低等優(yōu)點(diǎn)，將為大規(guī)模集成電路擴(kuò)散阻擋層用靶材的制備提供新方法，所述鎢鈦合金靶材的具體制備步驟如下所述：

2、(1)將高純鎢粉與鈦粉進(jìn)行高能球磨得到混合粉末。

3、(2)將混合粉末進(jìn)行冷等靜壓成型獲得粗坯。

4、(3)將冷等靜壓成型獲得的粗坯進(jìn)行微波燒結(jié)得到合金靶材坯料。

5、(4)將合金靶材坯料置于管式爐中進(jìn)行固溶處理，獲得鎢鈦合金靶材。

6、優(yōu)選的，所述鎢粉原料純度≥99.999％，粒徑尺寸≤5μm；鈦粉原料純度≥99.99％，粒徑尺寸≤30μm，混合粉末中鈦粉的質(zhì)量百分比為10％-30％，余量為鎢粉。

7、優(yōu)選的，所述步驟(1)中，高能球磨使用聚四氟乙烯罐，球磨所用球?yàn)楦呒冣伹蚧蚋呒冩u球，球料比為5:1-10:1，轉(zhuǎn)速為150-250r/min，球磨混粉時(shí)間為5-10h，球磨氣體介質(zhì)為ar氣。

8、優(yōu)選的，所述步驟(2)中，冷等靜壓成型的條件為：壓力為20-40mpa，壓制時(shí)間為30-60min。

9、優(yōu)選的，所述步驟(3)中燒結(jié)過程中采用sic作為輔助加熱材料，al2o3纖維包套作為保溫材料。

10、優(yōu)選的，所述步驟(3)中，微波燒結(jié)的工藝參數(shù)為：微波燒結(jié)頻率為2-6ghz、功率為4-10kw，燒結(jié)氣氛為h2，升溫速率20-60℃/min，燒結(jié)溫度為1100-1300℃，保溫時(shí)間為20-40min。

11、優(yōu)選的，所述步驟(4)中管式爐中固溶處理的溫度為800-1000℃，時(shí)間為3h-4h，固溶處理氣體氛圍為ar氣。

12、優(yōu)選的，所述步驟(4)后可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行表面處理、機(jī)加工及綁定清洗步驟。

13、本發(fā)明制備得到的鎢鈦合金靶材應(yīng)用于集成電路擴(kuò)散阻擋層的濺射過程中。

14、本發(fā)明的有益效果

15、(1)本發(fā)明采用高純鈦球或高純鎢球?qū)︽u鈦粉末進(jìn)行高能球磨混粉，避免了不同材質(zhì)球混粉過程中引入的雜質(zhì)，保證了鎢鈦合金靶材的純度；同時(shí)通過高純鈦球或鎢球?qū)︽u鈦混粉粉末進(jìn)行強(qiáng)烈的撞擊、研磨和攪拌產(chǎn)生機(jī)械合金化，能夠細(xì)化晶粒、極大提高粉末活性，還能改善顆粒分布均勻性及增強(qiáng)體與基體之間界面的結(jié)合，保證了材料的致密度。

16、(2)本發(fā)明采用低壓冷等靜壓成型技術(shù)，低壓可保證鎢鈦粗坯在后續(xù)微波燒結(jié)過程中內(nèi)部氣體及時(shí)溢出，同時(shí)粉末變形程度較小，避免了后續(xù)微波燒結(jié)過程中晶粒的異常長大現(xiàn)象，保證了鎢鈦合金靶材的低氣體含量和晶粒尺寸均勻性。

17、(3)本發(fā)明采用微波燒結(jié)+固溶處理制備技術(shù)，具有加熱速度快、燒結(jié)溫度低、抑制晶粒的長大細(xì)化材料組織、改進(jìn)材料性能和安全無污染等優(yōu)點(diǎn)，保證了鎢鈦合金靶材的高致密度、晶粒尺寸細(xì)小均勻并減少了富鈦相的含量，同時(shí)還具有能耗低，生產(chǎn)周期短的優(yōu)點(diǎn)。

18、(4)本發(fā)明制備得到的高致密度鎢鈦合金靶材的致密度≥99.5％，富鈦相晶粒尺寸和富鎢相的最大晶粒尺寸均小于現(xiàn)有鎢鈦合金行標(biāo)，本發(fā)明制備得到的鎢鈦合金靶材中富鈦相最大晶粒尺寸≤50μm，富鎢相的最大晶粒尺寸≤10μm?，F(xiàn)有鎢鈦合金行標(biāo)要求富鈦相最大晶粒尺寸≤120μm，富鎢相的最大晶粒尺寸≤15μm。

19、(5)本發(fā)明制備得到的鎢鈦合金靶材中c元素含量≤50ppm，o元素含量≤800ppm，富鈦相分布均勻，富鈦相中的鎢含量質(zhì)量百分比可達(dá)50％以上。

20、(6)因?yàn)楸景l(fā)明制備得到的鎢鈦合金靶材含氧量低，因此濺射過程中不容易形成氧化物顆粒，不會(huì)造成薄膜缺陷和電路短路，不會(huì)引起器件的失效。

21、(7)因?yàn)楸景l(fā)明制備得到的鎢鈦合金靶材碳含量低，因此在濺射過程中不容易形成碳化物，不會(huì)影響膜層的電學(xué)特性和耐久性。

技術(shù)特征：

1.一種鎢鈦合金靶材的制備方法，其特征在于：包括如下步驟：

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述鎢鈦合金靶材的制備方法，其特征在于：所述鎢粉原料純度≥99.999％，粒徑尺寸≤5μm；鈦粉原料純度≥99.99％，粒徑尺寸≤30μm，混合粉末中鈦粉的質(zhì)量百分比為10％-30％，余量為鎢粉。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述鎢鈦合金靶材的制備方法，其特征在于：所述步驟(1)中，高能球磨使用聚四氟乙烯罐，球磨所用球?yàn)楦呒冣伹蚧蚋呒冩u球，球料比為5:1-10:1，轉(zhuǎn)速為150-250r/min，球磨混粉時(shí)間為5-10h，球磨氣體介質(zhì)為ar氣。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述鎢鈦合金靶材的制備方法，其特征在于：所述步驟(2)中，冷等靜壓成型的條件為：壓力為20-40mpa，壓制時(shí)間為30-60min。

5.根據(jù)權(quán)利要求1所述鎢鈦合金靶材的制備方法，其特征在于：所述步驟(3)中燒結(jié)過程中采用sic作為輔助加熱材料，al2o3纖維包套作為保溫材料。

6.根據(jù)權(quán)利要求1所述鎢鈦合金靶材的制備方法，其特征在于：所述步驟(3)中，微波燒結(jié)的工藝參數(shù)為：微波燒結(jié)頻率為2-6ghz、功率為4-10kw，燒結(jié)氣氛為h2，升溫速率20-60℃/min，燒結(jié)溫度為1100-1300℃，保溫時(shí)間為20-40min。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述鎢鈦合金靶材的制備方法，其特征在于：所述步驟(4)中管式爐中固溶處理的溫度為800-1000℃，時(shí)間為3h-4h，固溶處理氣體氛圍為ar氣。

8.權(quán)利要求1制備得到的鎢鈦合金靶材應(yīng)用于集成電路擴(kuò)散阻擋層的濺射。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種鎢鈦合金靶材的制備方法及應(yīng)用，屬于集成電路擴(kuò)散阻擋層用靶材技術(shù)領(lǐng)域。所制備的鎢鈦合金靶材氣體含量低、晶粒尺寸細(xì)小均勻，富鈦相均勻分布于富鎢相中，具有高致密度和高固溶度。制備步驟包括：將高純鎢粉與鈦粉進(jìn)行高能球磨混粉；冷等靜壓成型；微波燒結(jié)；固溶處理。采用本方法制備獲得的鎢鈦合金靶材可應(yīng)用于大規(guī)模集成電路擴(kuò)散阻擋層的濺射用。

技術(shù)研發(fā)人員：許彥亭,聞明,趙琪,沈月,王傳軍,施晨琦,陳靜洪,李治東
受保護(hù)的技術(shù)使用者：云南省貴金屬新材料控股集團(tuán)股份有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/12/19