靶材制備研究現狀及研發趨勢

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前言

隨著電子信息產業的飛速發展,薄膜科學應用日益廣泛。濺射法是制備薄膜材料的主要技術之一,濺射沉積薄膜的源材料即為靶材。用靶材濺射沉積的薄膜致密度高,附著性好。20世紀90年代以來,微電子行業新器件和新材料發展迅速,電子、磁性、光學、光電和超導薄膜等已經廣泛應用于高新技術和工業領域,促使濺射靶材市場規模日益擴大。如今,靶材已蓬勃發展成為一個專業化產業。目前,全世界的靶材主要由日本、美國和德國生產,我國靶材產業的研發則相對滯后。雖然國內也有一些大學和研究院對靶材進行了研制,但仍處于理論研究和試制階段,尚沒有專業生產靶材的大公司,大量靶材還需進口。如今,微電子等高科技產業的高速發展促進了中國靶材市場日益擴大,從而為中國靶材產業的發展提供了機遇。靶材是微電子行業的重要支撐產業之一,如果我們能及時抓住機遇發展我國的靶材產業,不僅會縮短與國際靶材水平的差距,參與國際市場競爭,還能降低我國微電子行業的生產成本,提高我國電子產品的國際競爭力。
有關靶材應用和市場前景方面的綜述已有多篇,本文重點總結靶材的制備工藝,為靶材制備研究者提供有價值的參考。文中首次詳細列出我國靶材研究單位和生產企業,對其研究方向和產品進行了系統歸納;并分析了國內外靶材專利對我國靶材產業化的影響。
1 靶材的分類
根據應用主要包括半導體領域應用靶材、記錄介質用靶材、顯示薄膜用靶材、光學靶材、超導靶材等。上海鋼鐵研究所張青來等人對靶材的分類及其對應的材料種類和應用領域劃分得較為詳細。其中半導體領域應用靶材、記錄介質用靶材和顯示靶材是市場規模最大的三類靶材。
靶材形狀有長方體、正方體、圓柱體和不規則形狀。長方體、正方體和圓柱體形靶材為實心,濺射過程中,圓環形永磁體在靶材表面建立環形磁場,在軸間等距離的環形表面上形成刻蝕區,其缺點是薄膜沉積厚度均勻性不易控制,靶材的利用率較低,僅為20%~30%。目前國內外都在推廣應用旋轉空心圓管磁控濺射靶,其優點是靶材可繞固定的條狀磁鐵組件旋轉,因而360°靶面可被均勻刻蝕,利用率高達80%。
2 靶材的性能要求
靶材制約著濺鍍薄膜的物理、力學性能,影響鍍膜質量,因而靶材質量評價較為嚴格,主要應滿足如下要求;
1)雜質含量低,純度高。靶材的純度影響薄膜的均勻性。
2)高致密度。高致密度靶材具有導電、導熱性好、強度高等優點,使用這種靶材鍍膜,濺射功率小,成膜速率高,薄膜不易開裂,靶材使用壽命長,而且濺鍍薄膜的電阻率低,透光率高。
3)成分與組織結構均勻。靶材成分均勻是鍍膜質量穩定的重要保證。
4)晶粒尺寸細小。靶的晶粒尺寸越細小,濺鍍薄膜的厚度分布越均勻,濺射速率越快。正因為靶材在性能上有上述諸多特殊要求,導致其制備工藝較為復雜。
3 靶材的制備工藝
目前制備靶材的方法主要有鑄造法和粉末冶金法。
鑄造法;將一定成分配比的合金原料熔煉,再將合金熔液澆注于模具中,形成鑄錠,最后經機械加工制成靶材。鑄造法在真空中熔煉、鑄造。常用的熔煉方法有真空感應熔煉、真空電弧熔煉和真空電子轟擊熔煉等。其優點是靶材雜質含量(特別是氣體雜質含量)低,密度高,可大型化;缺點是對熔點和密度相差較大的兩種或兩種以上金屬,普通熔煉法難以獲得成分均勻的合金靶材。
粉末冶金法;將一定成分配比的合金原料熔煉,澆注成鑄錠后再粉碎,將粉碎形成的粉末經等靜壓成形,再高溫燒結,最終形成靶材。粉末冶金法的優點是靶材成分均勻;缺點是密度低,雜質含量高等。常用的粉末冶金工藝包括冷壓、真空熱壓和熱等靜壓等。
3.1 鑄造法
3.1.1 NiCrSi高阻濺射靶材
該靶材主要用于制備金屬膜電阻器和金屬氧化膜高阻電阻器,集成電路布線及傳感器等,應用于電子計算機、通訊儀器、電子交換機中,逐漸成為替代碳膜電阻的新一代通用電阻器。目前用于生產高穩定性金屬膜電阻器的高阻靶材,主要依靠進口,價格昂貴,制約了我國電子工業的發展。上海交通大學在NICrSi合金內添加稀土以改良靶材性能,其制備工藝如下;
1)備料;Cr、Ni元素純度大于99.5%;Si元素純度大于99.9%;稀土元素混合物純度大于98%。2)將Ni、Cr及少量的Si熔煉成中間合金,電弧爐熔煉時的電壓為20V,電流為500~600A,時間為2~5min。3)然后進行整個靶材的真空感應熔煉,即采用特殊真空感應熔煉石蠟熔模精密澆鑄;在真空感應熔煉中將制備好的中間合金放在加料器的底部,難熔材料在上部,在真空感應熔煉中使中間合金先熔化,然后再將難熔Si材料加入。真空感應熔煉時的真空度為2×10-2torr,功率為35kW,時間為1h。4)隨后進行精煉,精煉時功率為20kW,時間為30min。5)稀土元素在精練階段加入,并用電磁感應將溶液均勻攪拌,注入熔模,熔模冷卻后經脫模工序得到靶材的鑄造件。6)對靶材鑄造件熱處理和機械加工。熱處理工藝為;在800℃下保溫2h。
天津大學在NICrSi合金內加入Ti,并調整了各元素的含量(成分; Si45% ~ 55%, Cr40% ~50%,Ni3%~6%,Ti0.1%~0.3%),所制備的靶材具有表面光滑、平整、外部無裂紋,內部無氣孔等優點。用該靶材生產的金屬膜電阻器具有較高的穩定性。所采用的制備工藝如下;1)采用剛玉-石墨-鎂砂復合型中頻真空感應爐,將配好的料放入剛玉坩鍋內,在1×10-2torr真空條件下冶煉,熔煉溫度為1 500~1 550℃,時間為1h。中頻感應爐的功率為10~40kW,感應圈電壓和電流分別為100~400V和200~380A。2)模殼內設置管口伸至模殼底面的澆鑄管,烘烤模殼,使其溫度達到650~700℃時,料液通過澆鑄管底面而澆鑄。澆鑄后模殼緩慢冷卻至850~800℃,保溫1h,然后再以10~15℃/h的速度冷卻至室溫。
為提高強度,NiCrSi靶材的背面需覆加襯板,即在背面焊接一塊銅板。銅板形狀和尺寸與靶材相同,厚度為1~3mm。用銦錫釬焊或環氧樹脂粘接的方法將靶材和銅板焊接牢固,焊接溫度為250~270℃,時間為4h。
3.1.2 Ag及Ag合金靶材
Ag靶材主要應用于光盤介質的反射膜;STN液晶顯示裝置或有機EL顯示裝置等的光反射性薄膜。在Ag合金中添加少量的In、Sn、Zn或Au、Pd、Pt,或根據情況添加少量的Cu,可將低濺射靶材電阻,提高靶材圖案形成性、耐熱性、反射率和耐硫化性等。
日本石福金屬興業株式會社采用燃氣爐、高頻熔煉爐,在空氣(或惰性氣體環境或真空下)冶煉、制備Ag合金靶材,熔煉溫度為1 000~1 050℃。
3.1.3 鎳基變形合金靶材
該靶材主要應用于合金鋼領域,適用于建筑裝飾玻璃鍍膜用。
冶金工業部鋼鐵研究總院采用如下工藝制備該靶材;
1)真空感應爐或非真空感應爐加電渣重熔方法冶煉。2)采用熱鍛方法進行熱加工,或采用熱鍛加熱軋方法進行加工成型。開鍛溫度為1230℃,終鍛溫度為980℃;開軋溫度為1 130℃,終軋溫度為1 000℃。
3.1.4 純金屬鋁、鈦、銅,或其合金靶材
由純金屬鋁、鈦或銅,或是添加銅、硅、鈦、鋯、錒、鉬、鎢、白金、金、鈮、鉭、鈷、錸、鈧等至少一種不同金屬所形成的合金靶材主要應用于半導體產業及光電產業。光洋應用材料科技股份有限公司采用雙V熔煉法制備該類靶材;
1)將純金屬或合金進行真空感應熔煉。
2)對鑄件進行高溫鍛造加工,產生晶粒細小及二次相微細化的高均質化材料。
3)真空電弧精煉。將鍛造后的材料當作電極,利用一高直流電源,在此電極與一導電坩鍋之間產生電弧,融化由單一金屬或合金所形成的電極,熔融物落至導電坩鍋中固化而獲得靶材。
3.1.5 鋁系合金靶材
鋁系合金靶材主要應用于光碟和液晶顯示屏上。
三井金屬工業株式會社采用濺射方法制備鋁-碳合金靶材,其制備工藝如下;
1)分別準備鋁和碳的靶材,對這些靶材進行同時或交替濺射,將其堆積在基板上,形成鋁-碳合金靶材。
2)將該通過濺射形成的鋁-碳合金塊材再熔化,加入合金元素,然后冷卻凝固,從而制造成具有優異特性薄膜的鋁系合金靶材。
然而該工藝存在如下缺點;靶材內易形成粗大的Al4C3相;由于利用濺射裝置,生產效率低,制造成本高。
因而,三井金屬工業株式會社又對鋁系合金靶材的制備工藝進行了深入研究,重新制訂了制備工藝;
1)鋁-碳二元系合金靶材的制造;將鋁放入碳坩鍋中,加熱至1 600~2 500℃,將鋁熔化,在碳坩鍋中形成Al-C合金,使該溶液冷卻凝固,冷卻速度為3~2×105℃/S,從而形成Al-C相均勻微細分散在鋁母相中的Al-C合金。冷卻速度越大,鋁-碳相越越細小,分布越均勻??蓪⑷垡簼踩腓T模中鑄造;也可采用驟冷凝固法形成非晶態金屬,如單輥法、雙輥法等熔融旋壓成形法。將熔融旋壓成形法驟冷凝固得到的線狀或箔狀材料再熔化,形成塊狀體,用作靶材。
2)鋁-碳-X三元系合金靶材的制造;先將該Al-C合金錠進行冷軋等冷加工,然后在660~900℃下二次熔化(最好在惰性氣體氣氛中進行),并加入鎂等添加元素,攪拌后進行鑄造。二次熔化時,只要使Al-C合金達到添加元素進行攪拌的流動狀態即可,以免鋁母相中的Al-C相粗化。冷加工的目的是預先使鋁-碳針狀析出相微細化,防止最終成形加工時出現開裂。
該制備工藝的難點是;如何控制合金的含量。三井金屬工業株式會社預先在碳坩堝中生成含碳量較高的鋁-碳合金;再熔化時,將鋁-碳合金錠與添加元素一起加入鋁內,從而精確地控制合金元素的含量。采用該工藝,能夠獲得組成均勻的鋁系合金靶材,并能降低靶材內部缺陷,抑制材料氧化。因而使用該靶材能夠形成耐熱性及低電阻性優異的鋁合金薄膜。
3.2 粉末冶金法
粉末冶金制備靶材流程略。
3.2.1 鋱鐵鈷-稀土系列磁光靶材
西南交通大學張喜燕等人采用磁懸浮熔煉技術熔煉靶材合金,通過磁場攪拌熔體,保證合金成分均勻??杀苊馐褂檬③釄逅鶎е碌母叱杀?、低效率問題。制造工藝如下。
1)料處理及配料;處理工業純鐵和鈷表面,然后將鋱、輕稀土、鐵放入磁懸浮爐內精練,最后在氣體保護下配料。采用磁懸浮熔煉技術熔煉基靶合金,基靶合金成分為鐵鈷合金,將純鋱和輕稀土線切割成扇片或圓片,對稱地鑲嵌在鐵轱合金基靶刻蝕最大的圓環內制成復合靶,通過調節鋱片、輕稀土片的數量與位置或改變基靶合金含量,來改變靶材成分。
2)熔煉;將原料置于坩堝內,磁懸浮熔煉2~3次。
3)制粉;在有氬氣保護的真空配料箱內將合金錠粗碎,然后球磨。
4)冷壓成型;用冷等靜壓技術將純凈合金粉料壓制成型。
5)燒結;將裝靶的石英容器置于高溫真空燒結爐內,在1 000℃以上保溫燒結5h,然后爐冷。
6)封裝;在真空箱內將靶材打磨,拋光,測尺寸,稱質量后,取出封裝成型。
3.2.2 銦錫氧化物靶材(ITO)
銦錫氧化物薄膜具有透明和導電雙重優點,被廣泛用于太陽能電池、觸摸屏、液晶顯示器和等離子顯示器等領域。近年來,電子行業的迅速發展促進了銦錫氧化物靶材的需求量逐年大幅增加。銦錫氧化物靶材的制備工藝相對較為復雜,分為兩部分;首先制成氧化銦錫粉末,然后再將粉末燒結成靶材。
中南工業大學于1999年提出了如下制備工藝;
1)首先用化學方法制成銦錫氧化物化學復合粉末,或者將單體氧化銦粉末和單體氧化錫粉末按9;1質量比混合,制成機械復合粉末。粉末呈球形或準球形,平均粒徑為30 ~ 200nm,純度為99·99%,無硬團聚。
2)將復合粉末在1 350℃氧氣氛中進行脫氧處理。
3)把復合粉末裝入包套內進行冷等靜壓。冷等靜壓介質為油,壓力為200~280MPa,保壓時間為10min。獲得的粗坯密度為理論密度的45%~55%。
4)粗坯裝入相應尺寸的容器內。容器與粗坯間隔以金屬鉭膜或鎳膜或鈮膜或鉑膜,以阻止它們在高溫高壓下發生反應。
5)抽真空,封裝有粗坯的容器。
6)將上述容器放入熱等靜壓爐中進行熱等靜壓處理。熱等靜壓溫度為1 100~1 300℃,保溫時間為0.5~6h,氬氣氛壓力為100~120MPa。
7)熱等靜壓后用稀硝酸酸洗去除碳鋼容器,剝離金屬箔隔層,獲得靶材。
8)用線切割方法切割靶材,獲得所需尺寸的產品。
冷等靜壓包套(用橡膠制成)和熱等靜壓容器(由碳鋼制成,為方拄形或圓柱形)是由中南工業大學根據靶材特點而專門設計。
采用該方法制備的銦錫氧化物靶材具有密度高、純度高、尺寸大,生產效率高、成本低等優點。北京市東燕郊隧道局二處防疫站蔣政等人于2001年提出如下ITO制粉和靶材制備工藝。氧化銦錫粉末的制造工藝;
1)將金屬銦和金屬錫用硫酸、硝酸、鹽酸中的任一種溶解?;旌媳壤秊檠趸熍c氧化錫之比為9:1。
2)溶液混合后,配置成[In3+]為1-3M的溶液。
3)溶液中加入濃度為5%的氨水直至溶液的PH值達到7-7.5。
4)將生成的白色沉淀經洗滌、過濾,然后在80-120℃烘干。
5)最后在500-800℃焙燒,得到ITO粉。所獲得的氧化銦錫粉末的BET比表面積在25-40m2/g之間。氧化銦錫靶材的制備工藝;
1)研磨ITO粉(如球磨)。
2)將研磨后的ITO粉放入石墨模具中。
3)在真空或惰性氣體環境中,800~960℃條件下,加壓燒結1~2h,壓力為15~30MPa。
4)加工研磨后得到銦錫氧化物靶材。
為防止銦錫氧化物粉與石墨模具發生反應,在石墨模具內表面噴涂一層金屬鎳和一層氧化鋁,每層厚300μm。株洲冶煉集團有限責任公司龔鳴明等人于2003年也提出銦錫氧化物的制備工藝,如下;
1)制備銦錫混合鹽溶液。
2)溶液的均相共沉淀。添加劑為檸檬酸或酒石酸,加熱溫度為92℃。
3)沉淀物的煅燒。在400~1 200℃,22%~35%氧氣濃度下,于隧道窯中煅燒。
4)銦錫氧化物預還原脫氧。脫氧是在溫度300~600℃,氫氣流量1 ~ 3m3/h,反應時間15 ~60min,脫氧率控制6%~20%的管道爐中進行。
5)銦錫氧化物冷等靜壓二次成形。將銦錫氧化物粉末,在壓力80~120MPa,保壓時間1~5min條件下,于冷等靜壓機中預壓成粗坯,再將粗坯破碎成粒,在壓力150~200MPa、保壓時間5~10min條件下,于冷等靜壓機中壓制成坯件。
6)銦錫氧化物坯件的熱等靜壓燒結。熱等靜壓是將坯件置于具有隔離材料的包套中,在熱等靜壓機中進行燒結。隔離材料為氧化鋯和銅箔(或氧化鋁和銅箔)等。
7)將靶材脫模。
8)將靶材切割成產品。
3.2.3 稀土過渡族金屬合金靶材
稀土族指重稀土族鋱、鏑元素中的至少一種元素,輕稀土族指釹、釤元素中的至少一種元素,過渡族指鐵、鈷、鉻元素中的至少一種元素。稀土過渡族金屬合金靶材主要應用于磁光盤記錄介質。熔煉稀土過渡族金屬合金材料的常用方法有電爐熔煉和石英管真空保護熔煉等。
電爐熔煉;將裝有合金原料的坩鍋放入熔煉電爐中,再對坩鍋和爐膛抽真空或抽真空后充入惰性氣體,隨后加熱熔化合金,再將合金熔液倒入澆注模具中。其缺點是;易造成坩鍋材料的污染,及成份和均勻性不易控制。
石英管真空保護熔煉;將合金原料放入石英管中后,抽真空后密封,然后加熱至一定溫度將合金熔化;熔煉過程中需不斷轉動石英管,待冷卻后打碎石英管。其缺點是;成分難以均勻化,成本高,效率低。
西南交通大學采用磁力攪拌懸浮熔煉和粉末燒結技術制備稀土過渡族金屬合金靶,工藝如下;
1)將稀土族和過渡族金屬原料或預先煉制的中間合金按設計重量稱好放入磁力攪拌懸浮熔煉爐的水冷坩鍋中進行感應加熱懸浮熔煉,對坩鍋抽真空,再充入99.5%純度的氬氣后進行熔煉。熔煉過程中借助磁場作用攪拌熔體,使合金成份更加均勻。稱量稀土元素時應考慮熔煉時的燒損量。
2)在真空環境下將合金鑄錠粉碎,然后放入球磨機中研磨,獲得粒徑在0.5~400μm之間的合金粉末。
3)將合金粉末放入模具中進行冷壓成型。
4)對冷壓成型體放入熱等靜壓燒結爐中進行高溫燒結,燒結環境為真空或惰性氣體。用真空電子束焊接技術密封燒結包套。
5)對燒結后的成型體進行機械加工。
6)將靶材進行真空塑料封裝。
所使用的靶材等靜壓成型模具由定位鋼圈,定位板和橡膠壓板組成,并由螺栓緊固密封。熱等靜壓燒結包套用真空電子束焊接密封,可有效解決已有技術中合金熔煉時的材料污染、成分均勻性不易控制等問題,提高了效率,降低了成本。
3.2.4 鋅鎵氧化物陶瓷靶材
清華大學莊大明等人提出的鋅鎵氧化物陶瓷靶材制備工藝如下;
1)將93.8%(質量百分比)的氧化鋅粉末和2%~ 7%的氧化鎵粉末混均(粉末純度均為99·9%)。
2)將混合粉末冷壓成型,壓力為2.5×106N。
3)將成形的塊體在1 000~1 700℃、常壓、常氣氛下燒結成密度為理論密度96%的塊體。該制作工藝相對簡單、經濟,制成的靶材成分均勻,性能穩定。
3.2.5 鋁合金濺鍍靶材
本文在鑄造法一節中介紹了用鑄造法和濺射成形法制備鋁合金濺鍍靶材,鑄造法的缺點是靶材易發生偏析現象,影響濺鍍薄膜的質量,且濺鍍靶表面易產生微顆粒,影響薄膜性質的均勻性。濺射成形法雖然能避免鑄造法的缺點,但工藝復雜,制備成本較高,質量不易控制。中國臺灣財團法人工業技術研究院采用氣噴粉末方法制備鋁合金濺鍍靶材,能夠避免材料偏析和微顆?,F象,生產效率高,成本較低。其制備工藝如下;
1)熔熔金屬原料。
2)然后以氣噴法將該金屬熔液制成金屬粉末。
3)篩分合金粉,獲得適當粒徑的粉末。
4)最后,以真空熱壓法將該篩分后的金屬粉末成形,制成鋁合金濺鍍靶材。熱壓成形溫度為500~ 650℃,時間為80 ~ 100min,壓力為20 ~50MPa;通入氬氣作為保護氣體,氫氣作為還原氣體。
4 靶材的研究熱點
近年來,越來越多的國內外研究人員通過向基靶內添加稀土元素來改良靶材性能,進而提高濺鍍薄膜的綜合性能。
Ag金屬膜具有低電阻、高光反射率等優點,但其缺點是對基板的附著性低,易產生應力變形,且耐熱性和耐腐蝕性均較低。日立金屬株式會社在Ag合金中添加Sm(杉)、Dy(鏑)、Tb(鋱)稀土元素,應用該Ag合金靶材獲得了低電阻、高反射率、高耐熱性、耐環境性,高附著性的Ag合金膜。傳統制備金屬膜或金屬氧化膜電阻器的常用濺射靶材為Cr-Ni-Si,Cr-Ni,Cr-Ni,Cr-SiOx系合金和化合物,但上述靶材的通用性較差,無法達到用一種濺射靶材能同時適合于制備金屬膜電阻器和金屬氧化膜電阻器,致使工藝復雜,生產成本高。上海交通大學吳建生等人通過向CrNiSi三元合金加入0.1%~3%的鑭系和錒系稀土元素,提高了靶材的通用性、精密性和穩定性。
但添加稀土元素也帶來了一些負面效應,如;1)電阻增大,并且電阻值隨著稀土含量的增加而上升。2)膜的平均反射率下降。由于不同種類稀土元素對電阻值和反射率的影響不同,可通過優化稀土元素來降低上述負面作用,提高濺鍍薄膜的整體性能。
5 靶材的技術問題
當前濺射靶材制備方面面臨的主要技術問題是;
1)提高濺射靶材利用率。
2)在保證高密度、高致密性、微觀結構均勻條件下,大面積濺射靶材制作技術。
3)提高濺鍍靶材的致密度。
4)降低靶材內晶粒的尺寸。
5)提高濺射速率及濺射過程的穩定性。
6 國內靶材的主要研究單位及國內外主要生產商
對國內研究單位的詳細掌握,可以尋求恰當的技術合作伙伴。我國大學和研究所已經開發的許多種類靶材并沒有見諸于市場,如北京工業大學研制的復合梯度靶,清華大學和西南交通大學研制的鋁摻雜氧化鋅陶瓷靶材等,即靶材產品研發和市場嚴重脫節。
7 靶材專利問題
目前靶材專利不多,主要為日本和美國所有(日本最多),歐洲和中國也有一些,但數量較少。已公示靶材專利主要集中于保護靶材的制備工藝,少量專利保護靶材材料設計(且主要集中于添加稀土元素,改良原有基靶的性能)。從中國目前國情來看,制備工藝專利僅具有形式上的約束作用,而很難有實質性的制約。因而,靶材的生產不會出現無鉛釬料面對的國外專利規避問題。
8 靶材的發展趨勢
靶材服務于濺鍍薄膜,單一的靶材研究毫無應用意義。為適應微電子、信息等行業的發展需求,需要將靶材研究和薄膜研究結合起來,研究靶材成份、性能與濺射薄膜性能間的關系,不斷研發滿足薄膜性能要求的新型靶材,促進靶材產業迅速發展。
納米材料是未來材料領域的主導產品,如何將靶材研究與納米科技相結合,研制出高性能靶材,將是靶材研發的主要發展趨勢。

2017年7月6日 15:25
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