CN107466328A

CN107466328A - 钽溅射靶的制造方法和由其制成的溅射靶

Info

Publication number: CN107466328A
Application number: CN201680021087.8A
Authority: CN
Inventors: E.Y.伊万诺夫; M.费希尔; A.库恩
Original assignee: Tosoh SMD Inc
Current assignee: Tosoh SMD Inc
Priority date: 2015-04-10
Filing date: 2016-04-01
Publication date: 2017-12-12
Also published as: US20180080120A1; TW201704492A; US10655214B2; US20200240006A1; KR20170134365A; JP2018519413A; WO2016164269A1

Abstract

Ta溅射靶的制造方法和由其制成的溅射靶。将Ta锭沿着x、y和z维度的至少两个进行压缩，且然后在这些维度的至少一个上进行横轧。然后，由经横轧的锭切割出一对靶坯。所得的靶主要具有混合的{100}和{111}织构，且具有减少的B{100}和B{111}成带系数。

Description

钽溅射靶的制造方法和由其制成的溅射靶

相关申请的交叉引用

本申请要求2015年4月10日提交的美国临时专利申请序号62/145,550的优先权权益。

技术领域

本发明涉及BCC金属和BCC金属合金溅射靶，并且涉及其制造方法，其中相比于现有技术方法，在靶中间厚度处的成带(banding)减少。本发明产生这样的Ta溅射靶：其改善膜厚度均匀性，其进而减小薄层电阻的变化。

背景技术

常规的Ta和其它BCC金属靶在中间厚度靶区域附近呈现{111}和{100}结晶取向的带(band)。这些带在所述靶的整个寿命中在溅射时导致基底不均匀性。

发明内容

在本发明的一个示例性方面中，制备BCC金属或BCC金属合金靶。提供靶锭(锭料，ingot)，该锭具有大体上圆柱形的外形且具有x、y和z维度方向。将所述锭在这些维度方向的至少两个上压缩(压制，compress)并且在所述维度方向的至少一个上横轧(crossroll)。将所得的锭垂直于所述维度方向的第一个且平行于所述维度方向的第二个进行切割以至少形成一对靶坯(靶坯件，target blank)。然后，对所述靶坯各自进行横轧。

在一个示例性实施方式中，将所述锭在y和z方向上压缩，且然后将所述锭通过垂直于z方向且平行于y方向进行切割而切割成一对靶坯。在一些实施方式中，所述压缩步骤可包括锻造。在另外的实施方式中，该锻造可在x、y和z维度方向上进行，从而限定三轴向锻造。

在本发明的另外的实施方式中，BCC金属为Ta或Ta合金。由此提供包含Ta金属或Ta合金的溅射靶，且这些靶具有厚度维度和至少99.5％的纯度以及小于约25ppm的合计的C、O、N、H含量。Ta金属或金属合金可具有约50-100微米的晶粒尺寸和混合织构(texture)且在厚度维度的整个中间部分(mid-fraction)基本上没有梯度。

在一些实施方式中，溅射靶可具有小于25ppm的C、O、N、H含量，且晶粒尺寸为约50-150微米。在一些实施方式中，溅射靶具有99.995％或更大的纯度。所述靶可以主要具有混合的{100}和{111}织构为特征，且所述靶具有减少的{100}和{111}成带系数，其中B{100}和B{111}成带系数各自小于5.00％。

在另外的实施方式中，成带系数B{100}和B{111}小于约4.00％。在某些示例性实施方式中，所述靶具有约30％的{100}摩尔分数和约27％的{111}摩尔分数。

附图说明

图1a是显示按照本发明的一个示例性制造方案的示意性工艺图；

图1b是显示按照本发明的另一示例性制造方案的示意性工艺图；

图2是显示按照本发明的一个溅射靶的全靶织构的图。在该图中，x方向表示靶厚度，以及y方向显示在特定的靶厚度位置处存在的指定结晶取向的量。

图3是除了以下之外和图2中所示的图类似的图：该图说明经由现有工艺制备的靶的全靶织构；和

图4是显示对比性溅射靶C-1和按照本发明制成的靶X-1在不同靶功率输出下溅射的膜的不均匀性的百分数的图。

具体实施方式

在本发明的一个实施方式中，获得Ta或Ta合金或其它BCC金属的锭。在一个实施方式中，如图1a中所示，将锭电子束熔化，并且进行真空电弧熔化。将所述锭的中心线定义为原始锭的中心z-轴。在各三轴向锻造步骤期间将坯料(billet)围绕x-轴转动90度。该三轴向锻造可重复若干次，在它们的每一次中降低高度并且然后将所述坯料模锻(旋锻，swage)回到其原始直径，且高度沿着x-轴增加。在每个模锻步骤之后，将坯料轴围绕y-轴再转动90度。然后，将所述锭真空退火，且随后进行切割步骤以产生双靶坯(double target blank)，其重量为最终靶重量的大约2.2倍(即双坯自身重约2.2x的最终靶重量)。可对靶双坯进行镦锻和周向轧制(clock roll)。在所述镦锻和周向轧制期间，将所述锭的中心线维持在锭的中心处且与在制造期间使用的压缩力平行。在第一周向轧制步骤之后，将靶双坯垂直于锭中心线且平行于靶坯表面切割成两半。对所得的两个工件进行另外的周向轧制步骤，随后进行最终真空退火。该加工产生作为溅射靶使用的接近最后的(净，net)形状的坯。

如图1a中所示，将具有沿着z-轴的锭中心轴的起始锭1平行于中心轴镦锻到特定高度以形成坯料2，然后将坯料2围绕x-轴旋转90度。将坯料2模锻回到锭1的原始直径，以得到坯料3。用于模锻坯料3的压缩力是沿着y-轴、平行于锭中心轴的。再重复以上过程两次以产生具有原始尺寸和与锭1相同的锭中心轴的坯料7。然后，将坯料7用越来越小的模具以沿着y轴的压缩力模锻至规定直径，以产生坯料8。坯料在x、y和z方向上的该锻造称为“三轴向”锻造。图1中的黑色箭头标明锭中心轴；红色箭头标明用于制作当前锭形态的压缩力的方向。将所得坯料8切段(section)成双靶坯，用沿着z轴的压缩力对其进行镦锻和横轧或周向轧制，如在10和11处所示的。然后，如在12处所示的，将所述坯料垂直于z轴且平行于y轴进行切割，随后如在13处所示的，将每个所得坯料半部分(half)进行横轧。对所得的两个工件进行最终真空退火。

图1b显示其中在两个方向：y和z上锻造所述坯料的另一实施方式。这里，将所述坯料沿着z轴镦锻，如由在坯料2周围的红色箭头所示的。将坯料2模锻回到锭1的原始直径以得到坯料3。用于模锻坯料3的压缩力是沿着y轴、垂直于锭中心轴的。重复该过程三次以得到坯料3。然后，将坯料3用越来越小的模具以沿着y-轴的压缩力模锻至规定的直径以产生坯料4。将所得的坯料4切段成双靶坯，用沿着z轴的压缩力对其进行镦锻和横轧或周向轧制，如在6和7处所示的。然后，如在8处所示的，将所述坯料垂直于z轴且平行于y轴进行切割，随后如在9处所示的，将每个所得的坯料半部分横轧。对所得的两个工件进行最终真空退火。在图1a和1b中，点虚线箭头102f标明力的方向，且实线箭头102cl表示锭中心线。为了简化的意图，所述箭头的仅一些具有加到其上的参考数字。

于是，明晰的是，按照两个实施方式1a和1b，Ta或Ta合金(或BCC金属或合金)靶通过如下而制备：提供大体上圆柱形的坯料，该坯料具有x方向、垂直于x方向的y方向、和垂直于由在x和y方向上延伸的矢量限定的平面的z方向。然后，沿着这三个方向的至少两个压缩所述坯料。在各锻造步骤之间可进行重结晶退火，且重结晶退火优选地在各模锻步骤之后且在最终的横轧或周向轧制步骤之后实施。

图1a和1b实施方式两者均产生至少一对接近最后的靶形状的坯，其在适当的最终机械加工和/或抛光步骤之后可用作适宜的溅射靶。提供其中Ta的纯度为至少99.5％且具有小于约25ppm的间隙含量(C、O、N、H)的Ta和Ta合金靶。按照本发明的Ta靶具有约50-100微米的均匀晶粒尺寸和在所述坯的整个厚度中混合的均一的{100}/{111}/{110}织构。

按照本发明的一种靶的织构在图2中示出。这里，该图的x方向表示靶厚度，且y方向表示在特定的靶厚度位置处存在的结晶取向的量。线200描绘{100}织构，线202描绘{l1l}织构，且线204表示{110}织构。在图2中，{100}的摩尔分数为0.300，{l1l}为0.278，且{110}为0.046。(这些各自乘以100以得出存在的摩尔％)。成带系数B为B{100}3.616％和B{111}4.138％。对于{100}和{l1l}各自而言，小于约5.00％的成带系数是有益的，其中小于约4.50％的B系数是甚至更优选的。所述靶的平均B{100}和B{l1l}成带为3.877％，其中小于约4.50的平均B{100}和B{l1l}成带系数被视为有益的。因此，该靶主要呈现混合的{100}和{l1l}且基本上没有成带。{110}以少量存在。

由按照本发明制造的溅射靶形成的薄膜具有3.000％或更小和更优选地2.000％或更小的膜厚度均匀性变化(不均匀性百分比)。参见图4。此外，由按照本发明制造的溅射靶形成的薄膜具有4.00％或更小和更优选地3.00％或更小的在晶片内和在晶片之间的薄层电阻的变化。

按照本发明制造的一个靶具有如图4中所呈现的示例性溅射性能。该靶具有成带系数B{100}3.798％和B{111}4.126％以及3.962％的平均B{100}和B{111}。该靶呈现1.447％的平均不均匀性百分比(对于所得的溅射膜)，在所述靶的整个寿命中实现低达0.928％。在晶片内，薄层电阻的变化百分比平均为2.61％，实现低达1.77％。清楚的是，对于{100}和{111}两种织构具有小于5.00％的成带系数的溅射靶导致示例性的薄膜性质。

图3表示按照现有技术常规加工的Ta靶的织构。线300表示{100}织构；线302表示{111}织构；和线304表示{110}织构。这里，{100}的摩尔分数为0.163，且{111}以0.359的量存在。{110}以0.107的量存在。成带是显著的：B{100}＝6.039％，和B{111}＝8.80％。

按照本发明的Ta靶主要呈现混合的{100}{111}织构，即{100}和{111}两种织构当合计时等于或大于50％摩尔分数(以100％摩尔分数计)，且所述靶的成带系数B{100}和B{111}各自小于5.00％。存在的织构的摩尔分数和成带系数的测定方法详细记载于公布的美国专利申请2011/0214987中，该专利申请通过引用并入本文中。

在整个工艺中，约900-1300℃的重结晶退火步骤可在不同时间进行，且例如可在最终的周向轧制步骤(例如图1a和1b中的工作站13和9)之后和所述工艺的其它压缩步骤之前或之间在真空条件下进行。各个横轧或周向轧制步骤在一些实施方式中可导致约70％的面积减少。

优选地，所述BCC金属为Ta，尽管也可提及Nb。通过所述工艺还可处理Ta/Nb合金。

对于织构分量的定量、全厚度变化(variation through thickness)，领先的钽溅射板供应商和用户协作开发出容许各特征被彼此独立地测量的方法。在轧制的钽板中，所述织构标称关于其中间厚度中心线对称，且各半部分(上部和下部)可独立地分析和比较。在具有电子背散射衍射能力的SEM中测量全厚度样品，并且采集二维图谱作为EBSD数据文件。‘测量的’取向在横平面上，且旋转各数据点以显示在板法向取向(ND)上的织构。各数据点具有织构取向，且可对单个晶粒进行索引。在以下分析中使用像素乘像素数据。

可将原始的EBSD数据从表示所有可能织构的多色图谱转换为三原色。选择原色是因为它们在显示器中以相等的对比度显示。所分析的三种织构的在15°截止(切断，cut-off)内未标记的任何点作为灰色出现，并且未计数在所分析的织构的体积分数(F总)中。

为了计算，将全部数据集分解成垂直于x方向(厚度方向)的薄片(slice)。在各片中对结晶织构(在y方向上)取平均。各片的宽度为x-步距(step distance)。其规定为用于制作像素图谱的在x方向上的最小电子束步进增量的整数倍(n-步)。通常使用1的n-步。如果电子束步进距离相比于晶粒尺寸设定得非常小，则其可为更大的。EBSD步长应该设定为平均线性截距(ASTM El12 Grain Size方法)的约1/3。该分析区域应该为至少100步宽(RD轧制方向)。

分量(100//ND和111//ND通常为钽板中的两个主要分量)的强度使用15°截止作为各半部分厚度的面积百分数而测量。对于二维EBSD图谱的分析，分析仅三个织构分量：{100}，{110}和{111}。需要四个阵列(各自的长度n-计数)来接收来自EBSD输入文件的数据，即F100、F110、F111和F总。对于像素图谱中的各点，x-位置(厚度方向)确定用于更新计算阵列的索引位置：

欧拉角Ф和Ф₂确定取向空间内的靶表面法线(Nt)的位置。这两个角分别可在0-90°和0-360°的范围内。对于数据文件中的各像素，必须计算Nt和相关织构分量的各取向方向的角度。对于所述三个分量，要计算26个角度。通过施加晶体对称操作，可减小Ф和Ф₂的范围。所发现的最小角确定织构分量‘候选者’。将该角与选择为15°的“截止”角进行比较。如果所述角小于所述“截止”角，则候选者阵列加1(即，F100(索引)＝F100(索引)+1)。总的计数阵列加1(F总(索引)＝F总(索引)+1)。

一旦已经如上所概述地完成所有像素数据点的计算，就以深度方向(x)与x-步的深度分辨率的函数计算所述织构分量的体积分数。

通过将视窗跨越分析区域移动并在各视窗中收集F(hkl)来分析各织构分量。将F(hkl)的值通过位置(视窗的中心)作图。通过创建大于x-步的带或视窗并对在所述带或视窗内的体积分量取平均可使数据平滑。将体积分数数据作为在各x步位置处带内的平均值作图。

一旦面积分数F(hkl)由各视窗位置获知，就可使用最小二乘方法(线性回归)将所述数据拟合为直线。该直线的斜率是单位为面积分数/距离(％/mm)的织构梯度。所述梯度必须针对仅半部分厚度进行计算。可测量所述样品的两个半部分以确定所述板的对称性。

对于成带，可将F(hkl)直线拟合为4阶以下的多项式，并且使用所述数据对所述多项式的平均偏差(差值的绝对值)作为成带严重性数量。所述多项式计及梯度的非线性性，并且结果避免过度估算成带。噪音也是成带计算的问题。

在EBSB分析中，与传统的单个平面的X-射线衍射织构分析相比，分析非常少数量的晶体(几千个vs.几百万个)。对于所述分析可使用相对低数量的晶粒导致低的信噪比。为了估算噪音水平，可将随机(无规)织构归属到分析网格中的所有点(所有的EBSD点)，并且完成相同的分析。大于零的成带数量将是结果。通过多次进行所述噪音计算，可确定平均的随机噪音，并且将其与来自实际数据集的结果进行比较。所述EBSD测量方法是有效的但是费时的。累积来自和传统的XRD相同数量的晶粒的数据将是不切实际的。为了有助于所述分析，可编写计算机程序以自动地由EBSD数据文件作出计算并提供图表形式的结果。可创建这样的程序并使其对于为了开发所述方法而在一起工作的成员是可获取的。

已经通过参考本发明的多个示例性实施方式对其进行描述，将明晰的是在不偏离所附的权利要求中限定的本发明的范围的情况下修改和变化是可能的。

Claims

1.BCC金属或BCC金属合金靶的制造方法，其包括如下步骤

(a)提供锭，所述锭具有大体上圆柱形的外形且具有x、y和z维度方向，

(b)在所述维度方向的至少两个上压缩所述锭，

(c)沿着所述维度方向的至少一个横轧所述锭，

(d)垂直于所述维度方向的第一个且平行于所述维度方向的第二个切割由所述步骤(c)得到的所述锭以至少形成一对靶坯，和

(e)横轧所述靶坯的每一个。

2.如权利要求1中所述的方法，其中步骤b中的所述至少两个维度方向为y和z方向，和在步骤(d)中所述第一维度方向为z方向且第二维度方向为y方向。

3.如权利要求中所述的方法，其中所述步骤(b)包括锻造。

4.如权利要求3中所述的方法，其中所述锻造在x、y和z维度方向上进行，从而限定三轴向锻造。

5.如权利要求1-4中任一项所述的方法，其中所述BCC金属为Ta或Ta合金。

6.如权利要求5中所述的方法，其中所述靶主要具有混合的{100}和{111}织构且具有减少的{100}和{111}成带系数，其中B{100}和B{111}成带系数各自小于5.00％。

7.如权利要求6中所述的方法，其中B{100}和B{111}各自小于4.50％。

8.如权利要求7中所述的方法，其中所述Ta具有99.5％和更大的纯度、和约50-100微米的均匀晶粒尺寸。

9.如权利要求6中所述的方法，其中B{100}和B{111}的平均值小于约4.00％。

10.如权利要求8中所述的方法，其中所述靶具有约30％的{100}摩尔分数。

11.如权利要求8中所述的方法，其中所述靶具有约27％的{111}摩尔分数。

12.如权利要求1中所述的方法，其中所述步骤b包括锻造、模锻或挤出。

13.通过使用根据权利要求1-12的钽溅射靶制作的用于半导体应用的薄膜，其中膜厚度均匀性的变化(不均匀性百分比)为3.000％或更小，且在晶片内和在晶片之间，薄层电阻的变化为4.00％或更小。

14.溅射靶，其包括Ta金属或Ta金属合金，所述靶具有厚度维度且具有至少99.5％的纯度以及小于约25ppm的合计的C、O、N、H含量，所述Ta金属或Ta金属合金具有约50-150微米的晶粒尺寸和混合织构且在所述厚度维度的整个中间部分没有成带。

15.如权利要求14中所述的溅射靶，其中所述C、O、N、H含量小于25ppm，且所述晶粒尺寸为约50-150微米。

16.如权利要求14中所述的溅射靶，其具有99.995％或更大的纯度。

17.如权利要求14中所述的溅射靶，其中所述靶主要具有混合的{100}和{111}织构且具有减少的{100}和{111}成带系数，其中B{100}和B{111}成带系数各自小于5.00％。

18.如权利要求17中所述的溅射靶，其中B{100}和B{111}各自小于4.50％。

19.如权利要求18中所述的溅射靶，其中B{100}和B{111}的平均值小于约4.00％。

20.如权利要求18中所述的溅射靶，其中所述靶具有约30％的{100}摩尔分数和约27％的{111}摩尔分数。