濺射是制備薄膜材料的主要技術(shù)之一，它利用離子源產(chǎn)生的離子，在真空中經(jīng)過加速聚集，而形成高速度能的離子束流，轟擊固體表面，離子和固體表面原子發(fā)生動能交換，使固體表面的原子離開固體并沉積在基底表面。被轟擊的固體材料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，附著性好等特點(diǎn)。隨著微電子行業(yè)新器件和新材料的迅速發(fā)展，及電子、磁性、光學(xué)、光電和超導(dǎo)薄膜等在高新技術(shù)和工業(yè)領(lǐng)域中的應(yīng)用，促使濺射靶材市場規(guī)模日益擴(kuò)大[1]。目前，全世界的靶材主要由日本、美國和德國生產(chǎn)，我國靶材產(chǎn)業(yè)的研發(fā)則相對滯后，大量靶材還需進(jìn)口。
作為被濺射的基材，為了獲得均勻一致的薄膜淀積速率，對濺射銅靶材的要求主要是包括均勻的組分和微觀組織、細(xì)小的晶粒尺寸。本文研究了高純銅靶材的制備工藝，通過摸索合理的鍛造、軋制和熱處理工藝，生產(chǎn)出晶粒尺寸小于100μm，具備均勻等軸晶組織的濺射鍍膜用銅靶材。
1、研究現(xiàn)狀及試驗(yàn)方法
高純金屬是制備靶材的重要原料，金屬的純度是制備合格靶材，發(fā)揮靶材濺射薄膜功能的關(guān)鍵。金屬的純度越高，濺射后薄膜的均勻性也越好。通常用于制備靶材的金屬純度要求必須在4N及以上水平。
目前制備靶材的方法主要有鑄造法和粉末冶金法。鑄造法通過真空感應(yīng)熔煉、真空電弧熔煉和真空電子轟擊熔煉等方法進(jìn)行錠坯的熔煉或澆鑄，最后經(jīng)機(jī)械加工制成靶材。鑄造法可生產(chǎn)雜質(zhì)含量低，密度高，體型較大的靶材，不適用于生產(chǎn)對熔點(diǎn)和密度相差較大的兩種或兩種以上金屬，普通熔煉法生產(chǎn)的合金靶材成分偏差大。而粉末冶金法是通過冷壓、真空熱壓和熱等靜壓等工藝將一定成分配比的合金粉末原料進(jìn)行熔煉，澆注成鑄錠后再粉碎，將粉碎形成的粉末經(jīng)等靜壓成形，再高溫?zé)Y(jié)，最終形成靶材。粉末冶金法可制備出成分均勻的合計(jì)靶材，但是靶材通常具有密度低，雜質(zhì)含量高等缺點(diǎn)[2-3]。
本實(shí)驗(yàn)使用直徑為φ280的高純銅，純度大于99.99％，對銅錠分別在450℃進(jìn)行了單向拔長和軋制和450℃與550℃下進(jìn)行鐓拔開坯鍛造至δ80×B×L的板坯，再經(jīng)換向軋制后進(jìn)行450℃、500℃、550℃、600℃、650℃熱處理試驗(yàn)，采用Olympus光學(xué)顯微鏡對銅靶材的微觀組織進(jìn)行觀察，并對比不同工藝對銅靶材微觀組織的影響。
2、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及討論
2.1溫度對高純銅錠開坯效果的影響
對無氧銅TU1在450℃和550℃進(jìn)行開坯鐓拔后發(fā)現(xiàn)，在450℃下，高純銅依然保持著比較高的變形抗力，導(dǎo)致錠坯在鍛造后的微觀組織沒有達(dá)到理想的開坯效果，即便采取鐓拔措施，在其微觀組織中仍存在很多粗大的樹枝狀晶粒，板坯表面和中心的晶粒的微觀尺寸相差較大。而550℃開坯后，組織的晶粒得到了充分的破碎，組織整體比較均勻，晶粒尺寸滿足要求。由此可見，若要使高純銅靶材獲得較好的微觀組織，減少工藝步驟和提高生產(chǎn)效率，采取鐓拔開坯是一項(xiàng)合理的工藝措施，從實(shí)際生產(chǎn)效果看，550℃加熱后進(jìn)行開坯，既可以有效降低錠坯的變形抗力，使組織的變形更均勻，晶粒破碎更充分，同時(shí)也避免了由于加熱溫度過高而造成鑄錠過軟，在鍛造和夾持時(shí)形成較深的折疊和夾痕，從而避免在后續(xù)的加工過程中引起產(chǎn)品質(zhì)量問題。如圖1所示。
2.2退火溫度對高純銅靶材微觀組織的影響
對δ80×B×L的板坯，在原來鑄錠軸向鐓拔、鍛方的基礎(chǔ)上進(jìn)行換向軋制至12mm，后進(jìn)行不同溫度下的退火處理，處理溫度分別為450℃、500℃、550℃、600℃和650℃，微觀組織如圖2所示。
從圖2中可見，高純銅在450℃下已經(jīng)開始結(jié)晶并形成了細(xì)小的晶粒。此時(shí)晶粒的晶界顯得比較尖銳，晶粒之間相互包裹，表明晶粒內(nèi)任然存在應(yīng)變能，使得晶粒間的內(nèi)能存在勢差，使得部分內(nèi)能較高的晶粒處于一種長大的過程和狀態(tài)中，而此類晶粒在整個(gè)微觀組織中的體積分?jǐn)?shù)較大，因此，此時(shí)微觀組織尚未完全再結(jié)晶。隨著時(shí)間由30 min延長至60 min，溫度由450℃升高到500℃時(shí)，各晶粒的晶界逐漸變得圓潤，晶粒尺寸有所增加，各晶粒相對獨(dú)立，并且晶界更加清晰。在550℃／30min熱處理狀態(tài)下，微觀組織中的晶粒尺寸較之500℃／60 min長大比較明顯，說明在這個(gè)溫度段晶粒的完全再結(jié)晶基本結(jié)束，晶粒的長大過程受溫度的影響較大，而受保溫時(shí)間的影響較小。因此在550℃下，晶粒獲得了足夠的驅(qū)動能，整個(gè)微觀組織中晶粒之間的生長處于一種平衡的狀態(tài)，從而促使整個(gè)微觀組織的每一個(gè)晶粒都能夠均勻的長大。但是此時(shí)的晶粒尺寸已經(jīng)接近100μm，所以對于銅靶材制品，其熱處理溫度已接近上限。
在550℃，30 min熱處理狀態(tài)下，微觀組織中的晶粒尺寸較之500℃／60min長大比較明顯，說明在這個(gè)溫度段晶粒的完全再結(jié)晶基本結(jié)束，晶粒的長大過程受溫度的影響較大，而受保溫時(shí)間的影響較小。因此在550℃下，晶粒獲得了足夠的驅(qū)動能，整個(gè)微觀組織中晶粒之間的生長處于一種平衡的狀態(tài)，從而促使整個(gè)微觀組織的每一個(gè)晶粒都能夠均勻的長大。但是此時(shí)的晶粒尺寸已經(jīng)接近100μm，所以對于銅靶材制品，其熱處理溫度已接近上限。
從550℃/6min的金相試樣照片中可以看到，微觀組織中的個(gè)別晶粒的尺寸發(fā)生了突變，而其它晶粒的尺寸卻沒有發(fā)生明顯變化。當(dāng)溫度升高到600℃后，發(fā)生突變長大的晶粒尺寸越來越大，不斷“吞噬”著正常晶粒，而且突變晶粒的晶界也變得越發(fā)平直。發(fā)生突變的各晶粒的晶界逐漸開始接觸，不斷將未發(fā)生突變的正常晶粒包圍，而正常晶粒的接觸也慢慢被突變的晶粒阻隔。600℃保溫60 min后，金相組織中完全被大尺寸的晶粒占據(jù)，幾乎看不到正常的晶粒。溫度升高到650℃后，各晶粒之間的融合仍在繼續(xù)，晶界逐漸消失，融合后形成了尺寸更大的晶粒。
從圖2所示的金相組織圖中，可以得出高純銅及靶材制品的合理熱處理溫度在450℃～550℃之間，熱處理溫度為30min~60min。
3、結(jié)束語
綜上分析，得出：
(1)為了制備高品質(zhì)的高純銅靶材，并獲得細(xì)小均勻的晶粒尺寸，必須對高純銅錠進(jìn)行鐓拔工藝處理。高純銅鑄錠在550℃具有較低的變形抗力，鐓拔開坯后，鑄態(tài)組織得到充分破碎，而且組織比較均勻。
(2)高純銅及靶材制品的合理熱處理溫度在450℃～550℃之間，熱處理時(shí)間為30min～60min。
參考文獻(xiàn)：
[1]何金江，陳明，朱曉光，等.高純貴金屬靶材在半導(dǎo)體制造中的應(yīng)用與制備技術(shù)[J].貴金屬，2013，34(S1)：79—83.
[2]金永中，劉東亮，陳建.濺射靶材的制備及應(yīng)用研究[J].四川理工學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2005，18(3)：22—24.
[3]李晶，王錦，安耿，等.不同鍛造變形量對管狀濺射靶材晶粒組織的影響[J].中國鉬業(yè)，2012，36(4)：48—51.
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