Высокочистый танталовый материал для мишеней для магнетронного распыления
Способ получения высокочистого танталового материала для мишеней для магнетронного распыления относится к специальной технической области получения тугоплавких металлов. Способ включает: химическое осаждение из паровой фазы с использованием пентафторида тантала и водорода в качестве реагентов или пентахлорида тантала и водорода в качестве реагентов; проволочную резку для удаления подложки с целью получения высокочистой танталовой пластины с чистотой 99,999% или выше; прокатку высокочистой танталовой пластины для получения прокатанной заготовки; термообработку прокатанной заготовки в вакууме или атмосфере инертного газа для ее рекристаллизации в танталовую заготовку для мишени; механическую обработку заготовки; и сварку обработанной танталовой заготовки для мишени с подложкой для получения высокочистого танталового материала для магнетронного распыления. Материал танталовой мишени для магнетронного распыления, полученный этим методом, имеет чистоту более 99,999%, что выше, чем у танталовых мишеней, полученных традиционными методами порошковой металлургии. Это эффективно предотвращает перенос внутренних примесей из танталовой мишени в конечный продукт под воздействием электронной бомбардировки во время распыления, что эффективно повышает стабильность конечного продукта.
В настоящее время основным процессом нанесения металлических межсоединений в интегральных схемах является физическое осаждение из паровой фазы, а мишени для магнетронного распыления являются ключевыми расходными материалами в этом процессе. В последние годы, с быстрым развитием индустрии производства электронных информационных продуктов, требования к уровню интеграции интегральных схем, являющихся ядром информационных продуктов, стали все более жесткими. Количество транзисторов на кремниевой (Si) подложке на единицу площади растет экспоненциально. В настоящее время диаметр кремниевой подложки, используемой в передовых процессах изготовления микросхем, достиг 300 мм, а минимальная ширина проводниковой разводки достигла 10 нм. Таким образом, мишени для магнетронного распыления также требуют соответствующих больших размеров, а требования к качеству напыляемых покрытий становятся все более жесткими и однородными, что делает изготовление мишеней все более сложным. В процессах межсоединений микросхем глубокого субмикронного размера (ниже 90 нм) технология медных межсоединений постепенно вытесняет традиционную технологию алюминиевых межсоединений, чтобы снизить сопротивление металлических межсоединений и уменьшить энергопотребление микросхемы.
Как правило, мишени для магнетронного распыления состоят в основном из двух частей: заготовки мишени и подложки, преимущественно круглой формы. Общий процесс производства качественного материала мишени выглядит следующим образом: сначала высокочистые сырьевые материалы разрезаются, затем подвергаются пластической обработке и термообработке для улучшения их микроструктуры, образуя заготовку мишени. Затем заготовка мишени обрабатывается и приваривается к подложке в чистой среде для образования основного материала мишени. Далее выполняется тонкая механическая обработка для обеспечения соответствия материала мишени требованиям точности. Наконец, обработанный материал мишени отправляется в чистое помещение для очистки и упаковки с целью удаления любых неорганических или органических веществ, прилипших к его поверхности. Затем его помещают в специальный пластиковый пакет для предотвращения окисления, загрязнения и попадания влаги. Заготовка мишени представляет собой материал мишени, бомбардируемый высокоскоростным центробежным пучком, и является основным компонентом мишени для распыления данных. В процессе распыления, после бомбардировки танталовой мишени ионами, атомы тантала на ее поверхности распыляются и осаждаются на кремниевой подложке для получения соответствующей тонкой пленки.
Традиционные процессы производства танталовых мишеней используют танталовый порошок в качестве сырья, сначала формируя слитки путем плавки и литья или порошковой металлургии, а затем обрабатывая их путем резки, литья и прокатки. В настоящее время основным методом формирования слитков танталовых мишеней является литье из расплава, в основном включающее дуговую плавку, плазменную плавку и электронно-лучевую плавку. Он обладает такими преимуществами, как однородный состав и хорошая плотность; однако он имеет недостатки, включая низкую чистоту и трудности в контроле однородности размера зерен и ориентации текстуры зерен, что легко приводит к образованию полосчатых структур. Технологии порошковой металлургии для получения слитков в основном включают горячее прессование, горячее изостатическое прессование, холодное изостатическое прессование и вакуумное спекание. К их преимуществам относится легкое получение ультрамелких, однородных зерен, но они страдают от высокого содержания химических примесей, низкой чистоты и высокой пористости. Кроме того, поскольку в традиционных процессах в качестве сырья для танталовых мишеней используется танталовый порошок, для получения высокочистых танталовых мишеней с чистотой более 99,999% требуется еще более чистый танталовый порошок, чего трудно достичь с помощью современных технологий. Поэтому необходимо исследовать новые методы получения высокочистых танталовых мишеней для преодоления вышеупомянутых недостатков существующих технологий, особенно проблемы низкой чистоты.
Предложен метод получения высокочистых танталовых мишеней для магнетронного распыления, в котором танталовая мишень, полученная этим методом, имеет чистоту более 99,999%, что выше, чем у танталовых мишеней, полученных традиционными методами порошковой металлургии. Этот метод эффективно предотвращает перенос внутренних примесей из танталовой мишени для распыления в конечный продукт под воздействием электронной бомбардировки в процессе распыления, тем самым эффективно повышая стабильность конечного продукта. Метод сначала использует химическое осаждение из газовой фазы для реакции пентафторида тантала с водородом или пентахлорида тантала с водородом в определенных условиях для получения высокочистой танталовой пластины. Микроструктура высокочистой танталовой пластины представляет собой в основном столбчатую кристаллическую структуру. Затем высокочистая танталовая пластина прокатывается, а прокатанная заготовка рекристаллизуется путем высокотемпературной термообработки, в результате чего получается заготовка танталовой мишени с однородной внутренней микроструктурой и равноосными кристаллами, отвечающими требованиям к танталовым мишеням для распыления. После механической обработки и сварки получается высокочистая танталовая мишень для распыления с высокой чистотой, высокой плотностью и мелкими, равномерно распределенными зернами.
Предложен способ получения высокочистых танталовых мишеней для распыления. Данный метод уточняет диапазоны параметров управления для каждого процесса при получении мишеней из высокочистого тантала методом химического осаждения из газовой фазы (CVD), эффективно способствуя технологическому развитию отрасли производства мишеней из высокочистого тантала. По сравнению с процессами порошковой металлургии, этот метод имеет более короткий технологический цикл и обеспечивает более стабильную и надежную микроструктуру. Изделия порошковой металлургии после использования в высокотемпературных средах демонстрируют значительный рост зерен и многочисленные дефекты в виде пустот. Предложенный в данном изобретении метод позволяет избежать этих явлений, и зерна остаются стабильными без существенных изменений после использования.