钽靶材(cai)的生产流(liu)程(cheng)与工(gong)艺(yi)方(fang)法

半导(dao)体(ti)磁(ci)控溅射(she)用高(gao)纯钽靶(ba)材加(jia)工流(liu)程(cheng)为(wei)通(tong)过(guo)铸(zhu)造(zao)制(zhi)备(bei)成分合(he)格的(de)锭(ding)材，形状根据(ju)铸(zhu)造(zao)模(mo)具(ju)，为不同直(zhi)径的(de)圆(yuan)柱(zhu)形，然后对(dui)锭(ding)材(cai)进(jin)行切片(pian)，对(dui)圆(yuan)片(pian)进(jin)行(xing)变形(xing)与热(re)处(chu)理(li)，控(kong)制其(qi)晶粒度(du)和(he)晶粒(li)取向(xiang)，晶粒取向是影(ying)响溅(jian)射出(chu)的(de)薄膜(mo)性(xing)能(neng)（电(dian)阻以及(ji)厚度(du)均(jun)匀性(xing)）的(de)关键(jian)参(can)数，因此变形与热(re)处(chu)理是靶材(cai)生(sheng)产(chan)非常(chang)关(guan)键的工序(xu)。

对经(jing)过了塑性(xing)变(bian)形(xing)和(he)热(re)处理的 Ta 靶(ba)坯(pi)与(yu)背板(ban)进行(xing)焊(han)接，之后进行机(ji)械(xie)加(jia)工成(cheng)匹配(pei)溅射机台(tai)的(de)尺(chi)寸(cun)形(xing)状(zhuang)，然后(hou)检测、清(qing)洗包装(zhuang)出(chu)货(huo)，整个(ge) Ta 靶(ba)生产(chan)流(liu)程如图1所(suo)示(shi)。

目前主要(yao)用熔炼铸(zhu)造(zao)和(he)粉末冶(ye)金的(de)方(fang)法(fa)制(zhi)备(bei)出(chu)高纯钽(tan)材(cai)料。熔炼铸(zhu)造(zao)法(fa)是(shi)用(yong)真空(kong)电弧(hu)熔(rong)炼、等离(li)子熔(rong)炼或者(zhe)电(dian)子束熔(rong)炼来制(zhi)备(bei)钽铸(zhu)锭(ding)。其(qi)优(you)点(dian)是(shi)靶(ba)材(cai)纯(chun)度(du)高、气体(ti)元素(su)含量(liang)低(di)、致密度(du)高(gao)且可大(da)批量制(zhi)造(zao)，其(qi)缺点(dian)是对密度(du)与(yu)熔(rong)点差异(yi)较(jiao)大(da)的两(liang)种(zhong)或两(liang)种(zhong)以上(shang)金属，普通的熔炼(lian)法(fa)比较(jiao)难(nan)以(yi)获得成分均匀的材料。

相比于熔炼铸(zhu)造法，粉(fen)末(mo)冶(ye)金(jin)的(de)方法(fa)更容(rong)易制(zhi)备(bei)出细小均匀(yun)的(de)组(zu)织(zhi)，粉(fen)末冶金制备(bei)的(de) Ta 产(chan)品有着(zhe)微(wei)观(guan)组(zu)织(zhi)均匀、织构均(jun)匀性较(jiao)好等(deng)优(you)点(dian)而广泛使(shi)用(yong)，但(dan)是(shi)缺(que)点(dian)是(shi)杂质含量(liang)高、致(zhi)密(mi)度低(di)，而(er)集成(cheng)电(dian)路用的(de)靶(ba)材对于纯度以(yi)及(ji)致(zhi)密度(du)有着(zhe)极(ji)高(gao)的要(yao)求(qiu)，因(yin)此粉末冶金(jin)制备(bei)的 Ta 材(cai)料(liao)无法(fa)应(ying)用(yong)于(yu)半导(dao)体(ti)集成电(dian)路产(chan)业。

实(shi)际生(sheng)产(chan)中(zhong)通(tong)常(chang)采(cai)用(yong)电(dian)子(zi)束(shu)熔(rong)炼并(bing)辅以(yi)轧(ya)制与热处理方式获(huo)得不(bu)同生(sheng)产(chan)要(yao)求的(de)钽产品。电子(zi)束(shu)熔(rong)炼(lian)法(fa)具(ju)有(you)良好(hao)的除(chu)杂(za)净(jing)化(hua)能(neng)力(li)，可(ke)以使(shi)钽(tan)材料中(zhong)的(de)杂质含(han)量如氧(yang)和(he)氮(dan)降(jiang)低(di)到 150 wt-ppt 以下水(shui)平。现(xian)在通过电子束熔(rong)炼(lian)的方(fang)法可制备出 99.999%（5N）的高纯度(du)钽(tan)。

钽(tan)靶(ba)材(cai)背(bei)板(ban)采用黄铜材料（CuZn标准(zhun)牌号(hao)C46400），成分表如(ru)表(biao)1。

靶(ba)坯(pi)焊接面进(jin)行(xing)0.45×0.15mm毛(mao)化处(chu)理，与(yu)背板用不(bu)锈钢包(bao)套进(jin)行(xing)真(zhen)空密封，密(mi)封后(hou)放(fang)入热等静(jing)压(ya)（HIP）腔(qiang)体，焊接(jie)温度与(yu)时(shi)间(jian)分别(bie)为750℃、5h，焊接最大压力(li)为115MPa。焊(han)接(jie)结果评价方(fang)式(shi)为超声(sheng)波无(wu)损探伤(shang)检(jian)测(ce)焊(han)接(jie)结(jie)合率，焊接(jie)结合率(lv)要(yao)求99%以(yi)上。

靶(ba)材(cai)在(zai)焊接(jie)后(hou)，到(dao)成(cheng)品之前，需(xu)要经过精密(mi)的外(wai)形(xing)尺(chi)寸(cun)机械加工，其加(jia)工(gong)精(jing)度需(xu) 0.1mm 以(yi)下，使(shi)靶(ba)材(cai)的(de)表面(mian)平(ping)面度以(yi)及(ji)表(biao)面(mian)质(zhi)量符(fu)合半(ban)导体(ti)磁控溅(jian)射(she)的要(yao)求(qiu)。

对尺(chi)寸较大的(de)靶材进行机(ji)械(xie)加工时(shi)容易(yi)出现变(bian)形(xing)等问(wen)题，从(cong)而(er)引(yin)起(qi)靶(ba)材(cai)的表(biao)面平整度、平面度以及表面粗糙(cao)度等较(jiao)差(cha)，从(cong)而(er)影(ying)响溅射性(xing)能(neng)。尺(chi)寸(cun)较大的(de) Ta 靶材（300mm 晶(jing)圆(yuan)用 Ta 靶(ba)最(zui)大(da)外径(jing)尺(chi)寸(cun)为 524mm），需(xu)要在(zai)大(da)型的加工车(che)床(chuang)或者(zhe)是加(jia)工(gong)中(zhong)心设备上(shang)进行(xing)精(jing)密的机加工(gong)，具体工(gong)艺(yi)如(ru)下(xia)：

Ta 材(cai)料在(zai)高(gao)温(wen)的(de)状(zhuang)态(tai)下容(rong)易(yi)发生(sheng)表(biao)面(mian)氧(yang)化(hua)的(de)问(wen)题，因此在机械(xie)加(jia)工的过程(cheng)中(zhong)，加工刀具(ju)与 Ta 材(cai)料接触时(shi)的热(re)量(liang)尽可能(neng)的少，在(zai)这(zhe)个前提下，要(yao)求加工时的进刀(dao)量(liang)需(xu)要减少，一(yi)般(ban)进给量在 300mm 每(mei)分钟以(yi)下(xia)，吃刀(dao)量(liang)在 0.03mm 以下(xia)，靶材(cai)溅射(she)面(mian)的(de)表(biao)面(mian)粗(cu)糙度(du) Ra 在(zai) 0.5μm 以(yi)下(xia)，以(yi)保(bao)证(zheng)靶(ba)材在(zai)溅射(she)初(chu)期(qi)的(de)溅(jian)射性能(neng) 。