M anufacture and appl ica tion of sputter ing target m ter ia ls
YAN G B ang2chao , CU I Hong2ling (U n iv ersity of E lectron ic S cience and T echnology , S heng d u 610054, C h ina )
近年来随着微电子产业的迅速发展, 硅片尺寸
迅速由 6 、8 进步到 12 , 布线宽度由 0. 5 Λm 减小到 0. 25 Λm、0. 18 Λm 甚至 0. 13 Λm ; 在溅射淀 积过程中, 对于如此不断扩大的淀积面积, 对成膜面
积的薄膜均匀性要求必须提高, 才能确保如此细小
的布线质量。以前 99. 995% (4 N 5) 的靶材纯度可满 足 0. 35 Λm IC 的工艺要求, 现在制备 0. 18 Λm 线条 的靶材纯度则要求在 99. 999% (5N ) 甚至 99. 999% (6N ) 才行。
领 域 微电子 磁记录
铝合金 (4N 26N ) 硅化物(5N ) 金(5N ) 镍(4N ) 高熔点金属 (3N 26N )
硅 铬(3N ) 钽(3N 26N ) 铜(4N 26N ) 钛(4N 25N )
钴(3N )
镍 铁合金 铬(3N 24N )
碲、硒(4N )
光碟 稀土2迁移 金属(3N )
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真 空 第 3 期
表 2 溅射靶材在各种产业的应用 Table 1 Industry appl ica tion s of sputter ing target
由于碱金属离子 (N a+ 、K+ ) 易在绝缘层中成为 可移动性离子, 降低元器件性能, 铀 (U ) 和钛 (T i) 等 元素会释放 Α射线, 造成器件产生软击穿, 铁、镍离 子会产生界面漏电及氧元素增加等等, 所以靶材生
产厂必须要标明其含杂质的种类与数量。 作为一个
实例, 表 4 为钴 (Co ) 溅射的杂质标准。
Key words: sp u t tering; ta rget m a teria l; film
在微电子半导体集成电路, 薄膜混合集成电路, 片式元器件, 特别是光盘、磁盘及液晶平面显示器 L CD 等技术领域, 需使用各种性能各异, 要求不同 的溅射靶材, 例如各种光碟、液晶显示器 L CD 及 L S I 等的产品数量已十分巨大, 仅以我国台湾为例, 其 CD 2R 在 1999 年就生产约 17. 7 亿片, 2000 年的 产量将达到 47 亿片, CD 2RW 片 2000 年将达到 1. 8 亿片, DVD 用碟片 2000 年也将超过 1 亿片; T FT 2 L CD 的产值 2000 年预计将达到 900 亿台币。 在这 些电子产品生产过程中, 均须采用多种溅射技术, 溅 射单层或多层各种不同材质的金属、半导体或非金 属薄膜, 以达到产品的功能要求。本文对靶材的制备 工艺、特性及其在资讯产业方面的应用作一简要介 绍, 供读者参考。
使 用 靶 材 A l, A l2Si, A l2Cu, A l2T i, A l2Si2Cu, A l2Si2Pd, A l2Si2T i, M o2Si,W 2Si, T i2Si, A u, A u, A u2Sn, A u2Ge N i, N i2C r
M o2W , T i2W
加 P 硅, 加N 硅 C r, C r2Si Ta Cu Ti Co2N i, Co2N i2C r, Co2C r2T a, Co2C r2 P t, Co2C r N i2Fe Fe2Co, Fe2Si2A l, Fe2Ga2Si Cr T e, Se, T b2Fe2Co, D y2T b2Fe2Cb, N d2D y2Fb2Co, Gd2T b2Fe2Co, D y2Fe2 Co T b2Fe, T b2Fe2Co, D y2T b2Fe2Co, D y2 Fe2Co, N d2D y2Fb2Co Gd2T b2Fe2Co, D y2Fe2Co
德国、美国、新加坡
400Biblioteka 3 To soh SM D
日本、韩国、美国
400
4 J ap an Energy
日本、美国
325
5 M aterial R esearch Co rp
美国、法国、日本、韩国 250
6 V acuum M etallu rgical Co 日本
40
7 W. C. H eraeu s Gm bh
由 John son M a they E lect ron ics 与 H P 公司共
材料
应用
同进行的一项研究结果表明, 真空热压法制造的靶 材, 要比其他粉末烧结法 (冷压、热等静压、惰性气体 热压) 所制造的靶材气孔含量少。 3. 3 结晶取向
由于在溅射时靶材原子容易沿着原子六方最紧 密排列方向择优溅射出来, 因此, 为达到最高溅射速 率, 常通过改变靶材结晶结构的方法来增加溅射速 率。不同材料具有不同的结晶结构, 因而应采用不同 的成型方法, 热处理方法与条件。材料的结晶方向对 溅射膜层的厚度均匀性影响也较大。
以下, 且晶粒大小的变化保持在 20% 以内, 其溅射 及控制溅镀工艺参数等来实现, 不同的合金, 薄膜晶
所得薄膜的质量可得到大幅度改善。
粒的大小, 晶粒分布等均会影响磁性能的优劣及抗
采用真空熔炼方法制造的靶材可确保块材内部 无气孔存在, 但粉末冶金法制造的靶材, 则极有可能 含有一定数量的气孔, 气孔的存在, 会导致溅射时产 生不正常放电, 而产生杂质粒子。 另外, 含有气孔的 靶材在搬动、运输、安装、操作时, 因其密度较低, 也
1 靶材的种类与应用
靶材的种类按其组成可分为纯金属、合金和化 合物靶材三大类。表 1 示出了靶材材质的种类, 这些 不同性质的靶材在各种产业上的应用情况, 归结起 来如表 2 所示。
收稿日期: 2001202227 作者简介: 杨邦朝 (19382) , 男, 重庆市人, 教授, 博导。
表 1 靶材种类 Table 1 Sputter ing target ca tegory
Abstract: M any k ind s of sp u ttering target m aterials are necessary fo r m anufactu ring in IT. P rocess of m ak ing sp u ttering
ta rget m a teria ls and the m a in app lied ca ses a re b riefly d iscu ssed.
表 4 高纯钴靶的杂质含量标准 Table 4 Im pur ity con ten t standard of h igh pur ity Co target
元 素 钠、钾 铀、钛 铁、镍
氧 碳
含量上限 (ppm ) 每种元素 0. 05 每种元素 1 (ppb)
每种元素 1
100
50
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贵金属
薄膜电阻
导电膜 表面改性 光罩层 装饰层 EL 电极 L CD 电极
其它
金、银 (4N 25N ) 白金、靶
(4N ) 镍合金(3N ) 钽(3N 26N )
铬(3N ) 铟(4N ) 钛、锆(3N )
(3N )
(2N )
(4N )
(3N 24N ) 氧化物 (3N )
石英(5N ) 硅
钛、钽
分类
组成
纯金属 A l, A u, C r, Co, N i, Cu,M o, T i, T a……
合金
N i2C r, Co2N i, Co2C r, T b2Fe2Co, Gd2Fe2Co, M o2W , C r2Si…
化合物 氧化物, 硅化物, 碳化物, 硫化物…
2 溅射靶的制备
靶材的制造工艺按金属、非金属类区别, 按图 1 所示的不同工艺流程进行, 除严格控制成分、尺寸之 外, 对材料的纯度、热处理条件及成型加工方法等亦 需加以严格控制。
速率要比粗晶粒者快; 而晶粒尺寸相差较小的靶,
磁性材料层: 由钴合金 (如钴2铂) 靶溅镀形成,
淀积薄膜的厚度分布也较均匀。 据日本 Energy 公 厚度约 35 nm , 磁性材料层必须提供足够的磁性能
司研究发现, 若将钛靶的晶粒尺寸控制在 100 Λm 及低干扰特性, 在工艺上则依靠薄膜微结构的设计
表 3 全球前 7 大溅射靶材制造商 Table 3 M a in sputter ing target manufacturers
排 名
公 司
靶材工厂房
员工 人数
1 John son M atthey E lectron ics 美国、日本、韩国、台湾、英国 500
2 L eybo ld M aterials Gm bH
表 3 列出了目前世界上从事靶材产业的各主要 生产厂的排名情况, 由该表可看出日本和德国是世 界的先导国家, 据统计从 1990 年到 1998 年之间, 世 界各国在美国申请的靶材专利数量, 日本占 58% , 美国为 27% , 德国为 11%。 这也再次证明日本在靶 材的研制、开发与生产方面居世界领先地位, 同时, 从事溅射靶材的人数也最多。
第 2001
3期 年6
月 真 空 VACUUM
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溅射靶材的制备与应用
杨邦朝, 崔红玲