CN109338314A - 一种超细晶铜锰合金靶材的加工方法 - Google Patents

一种超细晶铜锰合金靶材的加工方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于集成电路用溅射靶材制造技术领域，公开了一种超细晶铜锰合金靶材的加工方法。该方法主要包括如下步骤：1)对铜锰合金铸锭进行高温锻造开坯；2)对步骤1)所得物进行150‑250℃多轮次低温三向锻造；3)对步骤2)所得物在425‑475℃进行再结晶热处理；4)对步骤3)所得物进行多次冷变形+回复退火，得到超细晶铜锰合金靶材。本发明得到的长寿命铜锰合金靶材其寿命可达3000kwh，平均晶粒尺寸在1μm以下，维氏硬度超过140HV，(220)取向百分比超过80％，可以有效提高靶材利用率，能够满足集成电路28nm及以下工艺制程的要求。

Description

一种超细晶铜锰合金靶材的加工方法
技术领域
本发明属于靶材制造技术领域，特别涉及一种超细晶铜锰合金靶材的加工方法。
背景技术
目前，集成电路行业技术顶尖的公司Samsung已经实现7nm工艺量产，预计2020年实现5nm量产；全球最大的芯片代工公司TSMC主流技术同样已经进入7nm工艺，在进行5～3nm工艺研制。整体上从工艺水平看，全球集成电路芯片10nm及以下工艺占全球市场主导地位；据预测，到2019年7nm及以下工艺将成为主流。
目前全球45nm及以下产能占半导体制造总产能的比例越来越大，特征尺寸的减小使新材料的更新发展成为必然。在45nm及以下制程阶段，集成电路芯片电路的金属线宽愈来愈微小，互连线层数越来越多。45nm以下制程要求以铜合金取代高纯铜作为互连线，以解决随着线宽减小带来的电迁移、RC延迟等难题。采用铝、锰等金属掺杂的铜合金材料能够有效抑制电迁移、提高Cu种子层的稳定性，是铜互连工艺中的重要发展方向。
高纯铜合金溅射靶材是纳米集成电路铜互连用关键支撑材料。由于溅射靶材的性能直接决定了金属薄膜的质量水平，集成电路工艺的高品质需求则对靶材的化学纯度及其微观组织提出了极高的要求。目前，28nm制程量产用量最大的靶材是铜锰合金靶材，主要被Nikko、Honeywell等国外电子材料巨头公司垄断，其中极具代表性的为Honeywell公司生产的超细晶铜锰合金靶材，具有以下优点：(1)靶材晶粒尺寸细小均匀；(2)靶材维氏硬度高达140HV以上，溅射过程中抗变形能力强，靶材变形不超过0.5mm；(3)超细晶靶材具有超长的使用寿命，可达3000kwh以上，极大的提高了靶材的利用率，节省靶材更换以及机台维护所需的时间和精力，最大限度的降低了半导体厂家的生产成本。目前该款靶材广泛应用于全球28nm先进制程。
超细晶材料是指平均晶粒尺寸在0.1-1μm的纳米晶或亚微米晶材料，具有优异的物理、力学性能,是材料领域的研究热点之一。等通道弯角挤压技术(ECAP)是利用由两个相交的等径通道组成的模具使金属获得大的塑性剪切变形，试样变形前后的形状和尺寸不发生改变，因此可以进行多次变形。该方法通过反复多次等通道弯角挤压使靶材的应变高达6-8，从而获得超细晶组织。不过由于设备限制，目前全球仅有Honeywell有大型等通道弯角挤压设备可以采用该方法加工大尺寸超细晶靶材，因此需要开发其他新型超细晶靶材加工方法。
专利CN1484711A公开了物理气相沉积靶及制造金属材料的方法，该方法以预定的路径和次数进行等通道弯角挤压，并在等通道弯角挤压之后进行交叉轧制或锻造，最后经过再结晶退火，获得平均晶粒尺寸为1-30μm，(220)取向百分比>90％的靶坯。
专利CN1592797A公开了一种高强溅射靶及其制造方法，该方法采用等通道弯角挤压细化晶粒，最终获得的靶材晶粒尺寸<1μm，取向随机的溅射靶材，溅射靶材材质主要包含Al、Ti、Cu、Ta、Ni、Mo、Au、Ag、Pt。
专利CN1681960公开了一种铜溅射靶材和形成铜溅射靶材的方法，该方法采用300℃热锻开坯，使高度下降为至少约为40％，只有进行挤压工艺，使热锻坯料通过等通道弯角挤压至少4遍，期间进行热处理，最后冷轧至压下量小于90％，从而形成半成品，获得的靶材平均粒径小于1μm，整个靶材内粒径均匀性标准偏差小于或等于15％。
专利CN102925832A公开了一种制备超细挛晶铜的大塑性变形方法，该方法采用多道次异步叠轧过程中的剪切应力和累积应变效应促进材料内部的堆垛错排、晶粒的细化和界面的复合，之后通过退火过程中位错的滑移和攀移，使局部点阵和晶界面取向变动，促进退火过程中挛晶的形成，然后随炉冷却至室温去除，即得到超细挛晶铜材。但是该方法仅适用于薄带材加工，无法应用于溅射靶材加工领域。
专利CN105039670A公开了一种双面搅拌摩擦加工超细晶板材设备及方法，该方法通过合理的设计双面搅拌摩擦加工设备及方法，能够有效消除相邻搅拌区之间的热机影响区及热影响区，有效提高超细晶板材的力学性能。
发明内容
本发明的目的是提供一种超细晶铜锰合金靶材的加工方法，其特征在于，包含如下步骤：
1)对铸锭进行高温(900-950℃)锻造开坯，之后进行150-250℃多轮次低温三向锻造，充分破碎坯料组织。对锻后坯料在425-475℃进行再结晶热处理，获得细小的晶粒尺寸。
2)对坯料进行多次冷变形+回复退火，进一步细化晶粒，实现超细晶铜锰合金靶材的制备，得到寿命可达3000kwh，平均晶粒尺寸在1μm以下，维氏硬度超过140HV，(220)取向百分比超过80％的超细晶铜锰合金溅射靶材
所述的铜锰合金中Mn含量为0.3at％-1at％。
所述的低温三向锻造，要求终锻温度不超过400℃，锻造次数为2-3次。
所述的多次冷变形+回复退火，处理次数为3-4次，单次冷变形量为40-60％，回复退火温度为300-350℃。
本发明的有益效果：本发明的加工方法可以实现超细晶铜锰合金靶材的制备，得到的长寿命铜锰合金靶材其寿命可达3000kwh，平均晶粒尺寸在1μm以下，维氏硬度超过140HV，(220)取向百分比超过80％，可以有效提高靶材利用率，能够满足集成电路28nm及以下工艺制程的要求。
附图说明
图1为典型超细晶铜锰合金靶材EBSD照片(×6000)。
图2为典型超细晶铜锰合金靶材晶粒分布直方图(×6000)。
图3为1次低温三向锻造后铜锰靶材EBSD照片(×6000)。
图4为1次低温三向锻造后铜锰靶材晶粒分布直方图(×6000)
图5为2次冷变形+回复退火后铜锰靶材EBSD照片(×6000)
图6为2次冷变形+回复退火后铜锰靶材晶粒分布直方图(×6000)
图7为5次冷变形+回复退火后铜锰靶材EBSD照片(×300)
图8为5次冷变形+回复退火后铜锰靶材晶粒分布直方图(×300)
具体实施方式
本发明提供一种超细晶铜锰合金靶材的加工方法，包含如下步骤：
1)对铸锭进行高温锻造开坯，之后进行150-250℃多轮次低温三向锻造，充分破碎坯料组织。对锻后坯料在425-475℃进行再结晶热处理，获得细小的晶粒尺寸。
2)对坯料进行多次冷变形+回复退火，进一步细化晶粒，实现超细晶铜锰合金靶材的制备，得到平均晶粒尺寸在1μm以下、维氏硬度超过140HV、(220)取向百分比超过80％的超细晶铜锰合金溅射靶材，其寿命可达3000kwh。
下面结合附图和实施例对本发明详细说明。
实施例1和2
结果见表1及图1、图2所示；
铜锰合金铸锭规格为φ180×310t，在900-950℃热透后进行高温热锻开坯，之后在200℃进行低温三向热锻。锻后坯料规格为φ205×240t；对锻后坯料进行450℃再结晶热处理；之后进行第一轮冷变形+回复退火，变形后坯料规格为φ290×120t，热处理温度为300℃；之后进行第二轮冷变形+回复退火，变形后坯料规格为φ410×60t，热处理温度为300℃；最终经过第三轮冷变形+回复退火，变形后坯料规格为φ580×30t，热处理温度为300℃，获得半成品靶坯。
得到的结果见表1，可以看出在低温锻造次数为2-3次的条件下对铸锭进行充分细化，再经过3轮冷变形+回复退火，得到的超细晶铜锰合金溅射靶材平均晶粒尺寸在1μm以下(见图1、2)，随着低温锻造次数的增加，平均晶粒尺寸逐渐减小。
实施例3和4
结果见表1及图1、图2所示；
铜锰合金铸锭规格为φ180×310t，在900-950℃热透后进行热锻开坯，之后在200℃进行低温三向热锻2轮，锻后坯料规格为φ205×240t，对锻后坯料进行450℃再结晶热处理；之后进行3-4轮冷变形+回复退火，变形后坯料规格为φ580×30t，热处理温度为300℃，获得半成品靶坯。
得到的结果见表1，可以看出在低温三向热锻2次的条件下对铸锭进行充分细化，再经过3-4轮冷变形+回复退火，得到的超细晶铜锰合金溅射靶材平均晶粒尺寸在1μm以下，随着冷变形+回复退火次数的增加，平均晶粒尺寸逐渐减小。对比例1和2
结果见表1及图3、图4所示
为了得到超细晶铜锰合金靶材低温三向热锻次数的范围，分别进行1次低温三向锻造和4次低温三向锻造试验，与实施例进行对比。
铜锰合金铸锭规格为φ180×310t，在900-950℃热透后进行热锻开坯，之后在200℃分别进行1次和4次低温三向锻造，锻后坯料规格为φ205×240t，对锻后坯料进行450℃再结晶热处理；之后进行第一轮冷变形+回复退火，变形后坯料规格为φ290×120t，热处理温度为300℃；之后进行第二轮冷变形+回复退火，变形后坯料规格为φ410×60t，热处理温度为300℃；最终经过第三轮冷变形+回复退火，变形后坯料规格为φ580×30t，热处理温度为300℃，获得成品靶坯。
得到的结果见表1，可以看出低温三向锻造次数低于2次时，铸锭内柱状晶破碎不充分，靶坯平均晶粒尺寸超过1μm，达不到亚微米级别；低温三向锻造次数超过3次时，靶坯平均晶粒尺寸在1μm以下，晶粒细化已经没有本质区别，而且低温三向锻造次数超过3次时，靶材生产效率会受到严重影响，阻碍靶材生产产能，因此不建议继续提高低温三向锻造次数。
对比例3和4
结果见表1及图5-图8所示
为了得到超细晶铜锰合金靶材冷变形+回复退火次数的范围，分别进行2次冷变形+回复退火和5次冷变形+回复退火试验，与实施例进行比对。
铜锰合金铸锭规格为φ180×310t，在900-950℃热透后进行热锻开坯，之后200℃低温三向锻造2轮，锻后坯料规格为φ205×240t，对锻后坯料进行450℃再结晶热处理；之后进行2轮和5轮冷变形+回复退火，变形后坯料规格为φ580×30t，热处理温度为300℃，获得成品靶坯。
得到的结果见表1，可以看出2轮低温三向锻造后，经过2轮冷变形+回复退火后，靶坯内组织被严重拉长，晶粒长度超过5μm，宽度在1μm以下，此种形态的组织结构不利于溅射薄膜的均匀性；经过5轮冷变形+回复退火后，由于单次冷变形量过小，达不到晶粒细化的目的，平均晶粒尺寸超过10μm.
表1铜锰合金溅射靶材的比对结果
上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。

Claims (5)

1.一种超细晶铜锰合金靶材的加工方法，其特征在于，包含如下步骤：
1)对铜锰合金铸锭进行高温锻造开坯；
2)对步骤1)所得物进行150-250℃多轮次低温三向锻造；
3)对步骤2)所得物在425-475℃进行再结晶热处理；
4)对步骤3)所得物进行多次冷变形+回复退火，得到超细晶铜锰合金靶材。
2.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于，步骤1)中所述铜锰合金中Mn含量为0.3at％-1at％。
3.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于，步骤2)中所述低温三向锻造，要求终锻温度不超过400℃，锻造次数为2-3次。
4.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于，步骤4)中所述多次冷变形+回复退火，处理次数为2-4次，单次冷变形量为40-60％，回复退火温度为300-350℃。
5.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于，步骤1)中所述高温锻造开坯的温度为900-950℃。
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