Распыляемая мишень из молибдена высокой чистоты и способ ее производства

Изобретение относится к области металлургии цветных металлов, а именно к производству распыляемых металлических мишеней из молибдена, и может быть использовано в микроэлектронике для нанесения покрытий тонкопленочной металлизацией. Способ включает последовательное глубокое вакуумное рафинирование электронно-лучевым переплавом металлокерамической заготовки высокой чистоты с получением монокристаллического или поликристаллического молибдена. После чего из полученного продукта электронно-лучевым переплавом в горизонтальном или вертикальном кристаллизаторе формируют заготовку мишени в виде монокристаллического или поликристаллического слитка. Затем проводят механическую обработку полученной заготовки. Технический результат - повышение качества и надежности барьерных и проводящих пленок при распылении литых мишеней из молибдена высокой чистоты. 3 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к области производства распыляемых металлических мишеней для микроэлектроники. Молибден представляет значительный интерес в связи с его уникальными возможностями как материала низкоомных контактов с кремнием (10^-5-10^-4 Ом·см) и токопроводящих систем. Молибден имеет относительно низкое удельное электросопротивление и наиболее близкую к кремнию величину коэффициента термического расширения. Однако использование молибдена осложняется трудностями получения пленок с физическими свойствами массивных образцов. В настоящее время основной промышленной технологией нанесения тонких пленок в промышленности является магнетронное распыление мишеней. Для изготовления мишеней используют методы порошковой металлургии.

Наиболее близким к заявленному объекту является патент США №20060042728 от 02.03.2006, в котором предложен способ получения распыляемых мишеней из молибдена, заключающийся в использовании методов порошковой металлургии: прессование и спекание порошка молибдена высокой чистоты при температуре, давлении и выдержке, достаточных для образования мишени с мелкозернистой микроструктурой. При реализации этого способа возникают принципиальные препятствия, усложняющие получение качественных мишеней.

- Даже при использовании вакуумных процессов и высоких температур не удается удалить тонкую примесную оболочку, которой покрыта каждая порошинка молибдена высокой чистоты. Впоследствии эти примеси перераспределяются между границами и объемом зерен в спеченной мишени. Магнетронное распыление таких мишеней сопровождается существенной структурной и химической неоднородностью тонких пленок.

- Получение материала с высокой плотностью, близкой к теоретической плотности, даже при экстремальных значениях всех технологических параметров методов порошковой металлургии оказывается нереальным. Вследствие повышенного содержания газовых примесей в межзеренных границах и микродефектах нагрев металлокерамической мишени до 250-300°С в процессе распыления сопровождается обильным выделением газов, нарушением геометрии мишеней и нестабильностью электрофизических свойств напыленных тонких пленок.

- При распылении металлокерамических мишеней плазменный поток мелкодисперсных ионизированных частиц сопровождается потоком крупных нейтральных частиц наносимого вещества, осаждающихся на поверхности напыляемых пленок и резко снижающих качество пленок вследствие образования «проколов» и других дефектов.

- Синтез металлокерамических мишеней с использованием порошковых технологий при экстремальных давлении, вакуума и выдержки характеризуется значительными аппаратными и технологическими сложностями в процессе изготовления мишеней и пока реализован только в Японии.

Техническая задача - повышение качества распыляемых мишеней из Мо.

Это достигается тем, что способ производства распыляемой мишени высокой чистоты включает глубокое вакуумное рафинирование электронно-лучевым зонным переплавом металлокерамической заготовки высокой чистоты с получением монокристаллического молибдена, формирование из него электронно-лучевым переплавом в горизонтальном кристаллизаторе заготовки мишени в виде поликристаллического слитка и механическую обработку полученной заготовки. Это достигается тем, что способ производства распыляемой мишени высокой чистоты включает последовательное глубокое вакуумное рафинирование электронно-лучевым капельным переплавом металлокерамической заготовки высокой чистоты с получением поликристаллического молибдена, формирование из него электронно-лучевым переплавом в вертикальном кристаллизаторе заготовки мишени в виде поликристаллического слитка и механическую обработку полученной заготовки. Это достигается тем, что распыляемая мишень из молибдена высокой чистоты получена способом по п.1 или 2.

Предлагаемый метод получения литых мишеней молибдена высокой чистоты позволяет получать массивные литые мишени, имеющие значительно более высокую чистоту и плотность по сравнению с металлокерамическими или литыми мишенями. Формирование поликристаллических слитков различной геометрии (круглых, прямоугольных) производят с помощью электронно-лучевого переплава высокочистого монокристаллического молибдена, полученного электронно-лучевой зонной плавкой металлокерамических заготовок. Поликристаллические слитки для заготовок мишеней выплавляют в горизонтальном кристаллизаторе (круглом, прямоугольном) с геометрией, соответствующей геометрии готовой мишени и позволяющей при минимальной финишной механической обработке получать мишени с заданными размерами (см. чертеж).

Пример реализации способа.

Реализацию способа осуществили при изготовлении литых мишеней из поликристаллических слитков молибдена высокой чистоты. В качестве исходного материала для получения слитков молибдена использовали металлокерамические заготовки высокой чистоты. Рафинирование производили с помощью электронно-лучевой зонной плавки в высоком вакууме на установке С-701. Затем производили электронно-лучевой переплав монокристаллического молибдена на установке ЕМО-250 в горизонтальных кристаллизаторах различной геометрии для получения поликристаллических слитков, имеющих геометрию, близкую к геометрии готовых мишеней. Механическая обработка и отходы при финишной обработке заготовок распыляемых мишеней были минимальными. Физико-химический и металлографический анализ слитков молибдена проводили на образцах, вырезанных из каждого слитка в поперечном и продольном сечениях. Содержание углерода в образцах определяли кулонометрическим методом, кислорода - нейтронно-активационным методом, металлические примеси - масс-спектрометрическим методом. В слитках молибдена содержится: углерод 1·10^-4%, натрий 5·10^-3%, калий 5·10^-3%, вольфрам 1·10^-2%, остальные примеси - по <1·10^-4%. В макроструктуре слитков литого молибдена в основном присутствуют зерна длиной 40-60 мм и средним диаметром 0,2-3,0 мм. Изготовлено 6 распыляемых мишеней из молибдена двух типов - круглые и прямоугольные (овальные). Проведено детальное исследование как процессов магнетронного распыления мишеней из молибдена, так и тонких пленок и приборов, полученных распылением мишеней из высокочистого молибдена. В результате распыления на мишенях образовывалась зона эрозии (распыления), размеры которой превышали область осаждения в магнетронной установке, что обеспечивало воспроизводимость толщины наносимого слоя на подложке с точностью ±2%. Использование мишеней обоего типа прекращали после достижения определенной глубины (~10 мм) по всей зоне эрозии. Установлено, что выход годных мишеней по предлагаемому способу составляет 100%, а замечания по тонким пленкам молибдена были минимальными и не были связаны с качеством распыляемых мишеней.

Итак, получение литых распыляемых мишеней из молибдена высокой чистоты массивных размеров показало их серьезные преимущества при получении интегральных схем по сравнению с приготовлением тонких пленок магнетронным распылением мишеней из металлокерамического молибдена.

1. Способ производства распыляемой мишени из молибдена высокой чистоты, включающий последовательное глубокое вакуумное рафинирование электронно-лучевым зонным переплавом металлокерамической заготовки высокой чистоты с получением монокристаллического молибдена, формирование из него электронно-лучевым переплавом в горизонтальном кристаллизаторе заготовки мишени в виде поликристаллического слитка и механическую обработку полученной заготовки.

2. Способ производства распыляемой мишени из молибдена высокой чистоты, включающий последовательное глубокое вакуумное рафинирование электронно-лучевым капельным переплавом металлокерамической заготовки высокой чистоты с получением поликристаллического молибдена, формирование из него электронно-лучевым переплавом в вертикальном кристаллизаторе заготовки мишени в виде поликристаллического слитка и механическую обработку полученной заготовки.

3. Распыляемая мишень из молибдена высокой чистоты, полученная способом по п.1 или 2.