袁學(xué)敏趙中雷

（1甘肅省科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所，甘肅 蘭州 730000；2金川集團(tuán)鎳合金有限公司，甘肅 蘭州 730101）

國(guó)內(nèi)濺射靶材行業(yè)視角下鎳釩濺射靶材的制備及應(yīng)用探討

袁學(xué)敏1趙中雷2

（1甘肅省科學(xué)技術(shù)情報(bào)研究所，甘肅 蘭州 730000；2金川集團(tuán)鎳合金有限公司，甘肅 蘭州 730101）

鎳釩濺射靶材是在制備鎳釩和金的過(guò)程中，在鎳熔體中加入釩，使制備出的合金更有利于磁控濺射，結(jié)合了鎳濺射靶材和釩濺射靶材的優(yōu)點(diǎn)。隨著社會(huì)的進(jìn)步和半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，電子及信息、集成電路、顯示器等產(chǎn)業(yè)對(duì)靶材的需求量越來(lái)越大，鎳釩濺射靶材需求量也會(huì)增多。本文重點(diǎn)介紹了鎳釩濺射靶材的應(yīng)用，對(duì)化學(xué)成分、純度、雜質(zhì)、氣孔、晶粒度等的要求，制備工藝等。

濺射靶材；鎳釩合金；應(yīng)用；制備

濺射靶材集中用于信息存儲(chǔ)、集成電路、顯示器、汽車(chē)后視鏡等產(chǎn)業(yè)[1]，主要用于磁控濺射各種薄膜材料。磁控濺射是一種制備薄膜材料的方法，利用離子源產(chǎn)生的離子，在真空中加速聚集成高速離子流,被加速的粒子流轟擊到待沉積薄膜的物體表面，離子和待沉積薄膜的物體表面的原子發(fā)生動(dòng)能交換，在待沉積薄膜的物體表面沉積上了納米(或微米)薄膜。而被轟擊的固體是用濺射法沉積薄膜的原材料,稱為濺射靶材[2]。

在集成電路制作中一般用純金作表面導(dǎo)電層，但金與硅晶圓容易生成AuSi低熔點(diǎn)化合物，導(dǎo)致金與硅界面粘結(jié)不牢固，人們提出了在金和硅晶圓的表面增加一粘結(jié)層,常用純鎳作粘結(jié)層，但鎳層和金導(dǎo)電層之間也會(huì)形成擴(kuò)散，因此需要再有一阻擋層，來(lái)防止金導(dǎo)電層和鎳粘結(jié)層之間的擴(kuò)散。阻擋層需要采用熔點(diǎn)高的金屬，還要承受較大的電流密度，高純金屬釩能滿足該要求[3]。所以在集成電路制作中會(huì)用到鎳濺射靶材、釩濺射靶材、金濺射靶材等。

鎳釩濺射靶材是在制備鎳釩和金的過(guò)程中，在鎳熔體中加入釩，使制備出的合金更有利于磁控濺射，結(jié)合了鎳濺射靶材和釩濺射靶材的優(yōu)點(diǎn)，可一次完成濺射鎳層（粘結(jié)層）和釩層（阻擋層）。鎳釩合金無(wú)磁性，有利于磁控濺射[3]。在電子及信息產(chǎn)業(yè)中，已完全替代了純鎳濺射靶材。

1 鎳釩合金靶材的特點(diǎn)及應(yīng)用

鎳釩合金靶材主要用于太陽(yáng)能行業(yè)，電子行業(yè)等領(lǐng)域。鎳-釩靶材的應(yīng)用及要求的純度如表1所示。1）鋼鐵研究總院開(kāi)發(fā)出母盤(pán)用的關(guān)鍵耗材—鎳釩靶現(xiàn)已在國(guó)內(nèi)幾個(gè)知名光盤(pán)復(fù)制企業(yè)得到應(yīng)用，產(chǎn)品成分均勻，組織細(xì)小，完全能夠達(dá)到國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品的水平，用戶對(duì)產(chǎn)品反應(yīng)良好。2）太陽(yáng)薄膜電池：世界上越來(lái)越多的國(guó)家意識(shí)到要保持社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，應(yīng)盡可能地用潔凈能源。對(duì)可更新資源的廣泛需求促使光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展，太陽(yáng)能發(fā)電也憑借著其強(qiáng)吸收性、高利用率、易儲(chǔ)存性等特點(diǎn)，在太陽(yáng)能發(fā)電領(lǐng)域得到廣泛運(yùn)用，它們的發(fā)展大大提高了市場(chǎng)上對(duì)高質(zhì)量濺射靶材的需求。3）平板顯示器鍍膜。4）廣泛用于電子及半導(dǎo)體領(lǐng)域；如集成電路、背板金屬化、光電子等應(yīng)用。5）建筑玻璃用。濺射靶材被廣泛應(yīng)用于大型建筑 玻璃、汽車(chē)玻璃及其他特殊領(lǐng)域玻璃的鍍膜，能達(dá)到抗靜電、增透、防反射等效果。

表1 鎳釩合金靶材的應(yīng)用及要求的純度

2 鎳釩合金濺射靶材的特性要求[4]

濺射鎳釩靶材要求純度高、雜質(zhì)少，化學(xué)成分均勻、無(wú)偏析，無(wú)氣孔，晶粒組織均勻，晶粒尺寸大小為微米-毫米級(jí)，單個(gè)濺射靶材中要求晶粒尺寸盡量相差越小越好。這樣在磁控濺射不容易產(chǎn)生放電現(xiàn)象，磁控濺射薄膜均勻。

2.1 純度

濺射靶材首先是要純度高，因?yàn)闉R射靶材中的雜質(zhì)對(duì)磁控濺射薄膜的性能影響最大，所以應(yīng)盡可能降低濺射靶材中雜質(zhì)含量，國(guó)內(nèi)外很多半導(dǎo)體或電子產(chǎn)品制造企業(yè)對(duì)濺射靶材雜質(zhì)含量提出。

2.2 雜質(zhì)含量

濺射靶材中的雜質(zhì)要嚴(yán)格，鎳釩合金濺射靶材，Cr、Al、Mg雜質(zhì)的含量不超過(guò)10ppm，超過(guò)10ppm,腐蝕性能變差。U、Th的含量不超過(guò)1ppb,Pb和Bi的含量小于0.1ppb，超過(guò)這個(gè)含量，對(duì)電子電荷產(chǎn)生不良影響，將會(huì)發(fā)生故障。N含量在1-100ppm之間，N含量增加，腐蝕性能差，所以要嚴(yán)格控制雜質(zhì)的含量。

2.3 密度

濺射靶材對(duì)內(nèi)部氣孔要求很?chē)?yán)格，因?yàn)榘胁闹袣饪讜?huì)影響濺射薄膜的各方面性能，磁控濺射過(guò)程中產(chǎn)生不正常放電，會(huì)對(duì)磁控濺射薄膜光電學(xué)性能有影響。因此要求靶材有較高的密度。此外，高密度、高強(qiáng)度濺射靶材更能承受磁控濺射中產(chǎn)生的熱應(yīng)力。

濺射靶材制備工藝一般分為粉末冶金法和熔煉法。粉末冶金法制備的濺射靶材，氣孔數(shù)量多，密度低。熔煉方法普通熔煉法和真空熔煉。普通熔煉法，在熔煉過(guò)程中，大氣中的氣體很容易進(jìn)入熔體，造成熔煉的鑄錠氣體含量不能滿足濺射靶材要求。所以濺射靶材和金制備一般采用真空熔煉法，可確保材料內(nèi)部無(wú)氣孔。

2.4 晶粒尺寸及晶粒尺寸分布

靶材需要經(jīng)過(guò)多道次冷熱加工工序，制備好的靶坯為多晶結(jié)構(gòu)，晶粒尺寸大小要求不是很?chē)?yán)格，晶粒小到幾微米，大到幾毫米。但從濺射性能方面考慮，對(duì)于化學(xué)成分相同的磁控濺射靶材，晶粒細(xì)小濺射速率比晶粒大的濺射速率快，靶材內(nèi)部晶粒越均勻，靶濺磁控濺射到帶硅晶圓上的薄膜厚度越均勻。

3 鎳釩合金靶材的制備[5]

鎳釩合金中，釩的量稍微改變，都會(huì)很明顯的改變鎳釩合金的性能。從而使得Ni-V合金不能夠經(jīng)過(guò)后續(xù)加工獲得濺射靶材，典型的鎳釩合金成分是Ni-7V。生產(chǎn)高純Ni-V合金，其關(guān)鍵在于：1）必須用高品位的金屬原料鎳和釩，純度必須在99wt%以上,其中鎳原料的純度達(dá)到4N5（99.995wt%）甚至5N都沒(méi)問(wèn)題，但是釩原料的純度一般只有2N5（99.5wt%）甚至更低，釩的純度限制了鎳釩合金的純度，所以現(xiàn)在也需要提高金屬釩的純度。2）釩熔點(diǎn)1919±2℃，屬于難熔金屬，并且鎳、釩熔點(diǎn)相差很大(約336℃)，所以采用一般的熔煉方法很難制備出成分均勻的靶材用鑄錠。在特殊的應(yīng)用領(lǐng)域，首先需將鎳、釩用真空熔融方法（電子束或真空電弧重熔（VAR）或真空感應(yīng)熔煉(VIM)）獲得鑄錠，經(jīng)過(guò)多次重復(fù)真空熔煉提高合金鑄錠的總純度；3）制備過(guò)程嚴(yán)格控制雜質(zhì)元素的引入。圖1是鎳釩合金生產(chǎn)工藝流程圖。

圖1 鎳釩合金生產(chǎn)工藝流程圖

4 結(jié) 語(yǔ)

本文簡(jiǎn)要介紹了鎳釩合金濺射靶材的應(yīng)用與制備情況，以及濺射靶材的特性要求。隨著社會(huì)的進(jìn)步，半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，中國(guó)市場(chǎng)對(duì)靶材的需求量會(huì)越來(lái)越大，國(guó)內(nèi)外企業(yè)對(duì)鎳釩合金及靶的關(guān)注也越來(lái)越密切，這使得鎳釩合金靶市場(chǎng)越來(lái)越受到各方的關(guān)注。隨著中國(guó)市場(chǎng)的高速發(fā)展，鎳釩濺射靶材在今后幾年的銷(xiāo)量也將會(huì)有快速的增長(zhǎng)，具有好的市場(chǎng)前景。

[1]陳建軍,楊慶山,賀豐收等．濺射靶材的種類(lèi)、應(yīng)用、制備及發(fā)展趨勢(shì)[J]．湖南有色金屬,2006,22(4):38-41

[2]田民波,劉德令．薄膜科學(xué)與技術(shù)手冊(cè)[M]．北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1992:5-15．

[3]夏慧，真空磁控濺射靶Ni-V合金的均勻性研究[J]．稀有金屬，1994年,第18卷第6期．

[4]儲(chǔ)志強(qiáng)，國(guó)內(nèi)外磁控濺射靶材的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)[J]．金屬材料與冶金工程，2011年，第39卷第4期．

[5]Yuichiro Shindo,Ibaraki(JP);Yasuhiro Yamakoshi,Ibaraki(JP)．High-purity Ni-V alloy,target therefrom,high-purity Ni-V alloy thin film and process for producing high-purity Ni-V alloy[P]．US 7,938,918 B2,2011．5．10．

Manufacture and application of Ni-V sputtering target materials from a perspective of sputtering target industry

Ni-V alloy combined the advantages of nickel and vanadium sputtering target sputtering target．It is adding vanadium in nickel melt．With the social progress and the development of the semiconductor industry, the demand for electronic and information industry, integrated circuit,display of the target is more and more big, the nickel vanadium sputtering target demand will increase．This paper describes the Application of nickel vanadium sputtering,chemical composition,purity, impurity,porosity,grain size and other requirements, the preparation process．

sputtering target；Ni-V alloy；application；manufacture

TG146．1

B

1003-8965(2017)03-0080-02