徐亞軍，張 博，沈英華，李永奇，馬小紅，劉鵬飛

（新疆眾和股份有限公司，新疆 烏魯木齊 830013）

半導體集成電路（IC）的快速發(fā)展及集成度的增加使其對金屬互連線的質量要求進一步提高。超高純鋁合金靶材作為IC制造中金屬互連線的主要配套材料，其市場規(guī)模日益擴大。濺射靶材對材料成分有極高的要求，其鋁基純度達到99.999%以上。濺射靶材產品中常添加少量的銅或硅合金，主要目的為改變鋁合金靶材的熱膨脹系數，從而消除薄膜中的產生的壓縮參與應力從而消除膜層起包現象。

楊亞卓[1]等人研究了熱處理對99.9995%的高純ALSi1%合金第二相的影響。結果顯示高純AL-Si1%合金均熱溫度高于530℃，保溫時間7h后，合金中的枝晶偏析基本消除。鑄錠冷鍛、中間退火后冷軋加工，70%大變形量下，再結晶溫度約300℃，平均晶粒度為55μm。退火溫度高于420℃晶粒長大。對于AL-Si1%合金，大變形量的塑性變形對Si相的破碎和細化效果不明顯，均勻化處理是消除及細化硅相的有效手段。

針對高純?yōu)R射靶材用鋁硅合金及鍵合絲用鋁硅絲的變形加工及性能的研究國內加工廠家及高校已有較多相關研究。而鋁硅濺射靶材用棒材坯料目前主要由德國、法國及日本進口。一方面是鋁硅濺射靶材用原料純度較高，國內高純鋁原料的提純工藝受限，另一方面是超純鋁基鋁硅合金棒材的熔煉及鑄造工藝經驗匱乏。

濺射靶材用超純鋁基合金中銅及硅合金均為少量摻雜，通常摻雜比例低于8%，且因鋁基純度的高標準要求，合金鑄造過程無法使用細化劑進行組織調控，故鑄造過程合金內部極易形成缺陷組織如浮游晶、羽毛晶等。本文通過超純鋁基硅合金AL-Si1%產品內部缺陷檢測，分析缺陷產生原因并提出預防措施。

1 試驗方法

本實驗試制了φ150mm圓鑄錠，棒材成分見表1所示。

表1 AL-Si1%鋁合金棒材化學成分（質量分數%）

試驗樣品為高純鋁基鋁硅合金鑄錠，合金組分ALSi1%。由4根棒材頭尾部鋸切φ150mm×25mm樣片，樣片表面銑面至光潔度Ra1.6,采用3wt%的燒堿溶液腐蝕5min～10min后進行表面觀察。

觀察宏觀腐蝕樣片中組織狀態(tài)有柱狀晶組織，羽毛狀晶組織、光亮晶組織。

為進一步分析組織特性，由宏觀樣片中鋸切25mm×25mm×25mm的金相觀察小樣。使用240#砂紙將試樣鋸切痕跡打磨干凈，后依次使用600#，1000#，1500#，2000#砂紙打磨。將磨好的試樣在拋光機上進行拋光，使用9μm金剛石拋光膏拋至表面無可見劃痕，使用新的拋光布配合3μm金剛石拋光膏拋至樣品表面為鏡面。

采用覆膜液對小樣進行陽極覆膜。覆膜液配比為氫氟酸:氟硼酸：蒸餾水=15：（10-15）：400；覆膜工藝為電壓15V～25V，覆膜時間3-5min，覆膜液溫度≤5℃。覆膜完成后使用OLYMPUS GX51光學顯微鏡偏光下觀察金相組織。

2 實驗結果與討論

2.1 鋁硅合金柱狀晶組織

Al-Si1wt%合金鑄態(tài)柱狀晶金相組織如圖1所示。

圖1 Al-Si1%合金鑄態(tài)柱狀晶組織

宏觀觀察柱狀晶組織由初晶殼內重新結晶或由初晶殼直接生長為柱狀晶，柱狀晶組織由棒材邊部萌生，匯聚在棒材心部。柱狀晶組織在橫截面的面積及形狀取決于液穴深度。

2.2 鋁硅合金羽毛狀晶組織

Al-Si1wt%合金鑄態(tài)柱狀晶金相組織如圖2所示。

羽毛狀晶的低倍組織是由許多平行的結晶細條組成如圖2（a）所示。平行的長條具有孿晶組織特征，其孿晶面是（111），孿晶方向<112>。每條晶粒一邊為平直的，另一邊呈鋸齒狀。羽毛晶的生長方向與鑄錠的傳熱方向相同。

觀察圖2（b）中箭頭所示部位羽毛狀晶的起源是在柱狀晶的晶界處。關于羽毛晶的產生原因仍無定論，但其中較為合理的一種解釋是半連續(xù)鑄造過程中，結晶前沿某處發(fā)生異常過冷，即該處的溫度梯度發(fā)生突變，與正常溫度梯度存在較大偏差時，與傳熱方向相同的枝晶則快速生長，從而抑制了其他方向枝晶的生長形成羽毛晶[2]。

圖2 Al-Si1%合金鑄態(tài)羽毛狀晶組織

2.3 鋁硅合金浮游晶組織

從宏觀組織觀察浮游晶在色澤上與正常組織不同，相比正常組織更亮。從不用角度觀察，均可看到其金屬光澤亮與其他組織有明顯區(qū)別。微觀組織25倍下觀察光亮晶組織為樹枝狀晶。沿主干兩側長出長度基本相同的枝晶，整體分析浮游晶尺寸不均，小尺寸為300μm～400μm，較大尺寸有2mm～4mm。將浮游晶組織放大至100X觀察單個枝晶組織寬度約30μm～80μm平行均勻排列，符合自發(fā)形核及自由生長組織特征。

2.4 異常組織的控制

鑄錠內部的羽毛狀晶及浮游晶由于其組織形態(tài)特性與其他組織明顯不同，取向及成分偏析造成棒材內部性能不均勻，而由于組織特征的遺傳特性，對加工后成品組織有不同程度的影響。應用于濺射靶材的棒材坯料，通過加工工序為鍛造、軋制、鋸切、精加工、綁定（焊接）至濺鍍成膜。羽毛狀晶和浮游晶在后加工工序無法消除。根據前期研究結果顯示，鍛造前的高溫均熱，可實現硅相的有效細化，但無法改變晶粒形態(tài)。鑄錠中大片狀的羽毛晶及發(fā)達枝晶的浮游晶組織，經變形后會被一定程度的破碎，但組織仍保留本來的取向及晶體結構。特別是羽毛狀晶經破碎后其孿晶的組織狀態(tài)不會發(fā)生變化。

圖3 Al-Si1%合金鑄態(tài)浮游晶組織

前期相關研究顯示，帶有羽毛狀晶的靶材經濺鍍后殘靶表面仍帶有羽毛狀晶的形態(tài)，形成平行深入的濺鍍坑。正常的柱狀晶組織經變形及退火后，其組織破碎為細小的等軸晶組織，濺鍍深度均勻，殘靶表面無異常的凹坑。羽毛狀晶濺鍍過程由于明顯的取向特性，濺鍍過程延固定方向深入，極易造成基板表面成膜厚度不均，影響最終成膜質量。

因而，鑄錠內部不允許存在異常組織或對異常組織占比有要求標準。異常組織在鑄造凝固過程中萌生，后期加工過程無法使其消除，故其管控措施主要集中在熔鑄工序。

2.4.1 羽毛晶組織控制措施

因濺射靶材應用的超純鋁基鋁硅合金無法使用異質添加劑，故羽毛晶管控措施主要集中在鑄造工藝參數的管控：

（1）冷卻水：需同時控制鑄盤內冷卻水壓及結晶器出水眼的水壓及水流的均勻控制。

（2）鋁液溫度：控制鑄盤內部不同區(qū)域的鋁液溫度均勻，防止溫度異常偏差。鋁液熔煉過程溫度過高及熔煉時間過長均會提高羽毛晶出現傾向。

2.4.2 浮游晶組織的控制措施

（1）耐火材料充分烘烤：流槽及鑄盤內部耐火材料的充分及均勻烘烤，避免溫度不均勻。高溫鋁液接觸耐火材料后溫度快速下降至凝固點將造成鋁液在耐火材料表面結晶后脫落至結晶器內。

（2）鋁液溫度過低：鑄盤內鋁液溫度過低時，鋁液在結晶器上部耐火材料或分流盤表面結晶也會形成浮游晶。

2.5 鑄造工裝分析

現階段棒材鑄造多采用熱頂式結晶器，熱頂式結晶器上部的保溫層為耐火材料。為降低鋁液到達結晶器的后的熱量散失，鑄造前會對結晶器上部的耐火材料進行烘烤、預熱。常用的預熱方式有燃氣（可燃氣）烘烤、熱風烘烤及電烘烤。

燃氣烘烤方式因為成本低，裝置簡單應用較為普遍，但存在烘烤溫度不均的問題。燃氣靠近部位溫度急劇升高，而距離較遠部位溫度較低。故鋁液接觸耐火材料后由于耐火材料本身溫度不均，通過熱傳導導致鋁液局部溫度不均，增加缺陷組織形成風險。隨鑄造過程的持續(xù)進行，經熱傳導鋁液溫度緩慢均勻。

電烘烤與燃氣烘烤存在同樣的問題，熱源接觸部位溫度偏高，而遠離部位溫度偏低。

近幾年快速推廣的熱風烘烤可解決烘烤溫度不均問題，更有利于棒材鑄造前鑄造設備溫度的均勻管控。

3 結論

超純鋁基鋁硅1%合金中由于鋁基純度的高標準要求，抑制羽毛狀晶及浮游晶最有效的晶粒細化劑無法使用，故異常組織控制集中在鑄造工藝參數的管控，包括鋁液溫度、冷卻工藝及鑄造前準備工序。