近年來，隨著電子信息產業的快速發展，集成電路用濺射靶材也得到了較大發展。用于制造半導體芯片的金屬靶材中，常見的濺射靶材有Ta、Ti、Al、Co和Cu等有色金屬。其中集成電路制造用金屬濺射靶材中用量最大的是超高純鋁[>99.999%]和超高純鋁合金靶材，用來濺射阻擋層的是超高純鈦靶材。在大規模集成電路中，金屬互連電遷移為主要失效機制之一。在大電流密度下，鋁線易發生電遷移導致鋁互連線薄膜上形成突起和空洞，從而降低集成電路的運行效率和可靠性。Cu的電阻率要比Al約低35%，抗電遷移能力也較強;并且隨著集成電路的高度規模化發展，集成化程度越來越高，對用于制造互線和阻擋層的濺射靶材提出了更高的技術要求，在深亞微米工藝中[≤0.18μm]，銅將逐步代替鋁成為硅片上金屬化布線的材料，超高純銅靶材得以更多的應用，與之相應的用來濺射阻擋層的是高純鉭靶材
隨著作為濺射阻擋層鍍膜材料的高純鉭靶材用量增大，其對靶材性能要求也越來越高，如要求濺射靶材尺寸越來越大，微觀織構越精細均勻等。因此對于濺射靶材的制備工藝研究也逐漸受到關注B,目前，高純鉭濺射靶材的制備工藝主要有熔煉鑄錠法和粉末冶金法。通過介紹上述兩種工藝制備產品的特點以及目前國內外生產現狀等，為廣大科研工作者提供參考。
1、高純鉭濺射靶材制備工藝
1.1熔煉鑄錠法制備高純鉭濺射靶材
熔煉鑄錠法是目前制備鉭濺射靶材的主要方法，一般是將鉭原料進行熔煉[電子束或電弧、等離子熔煉等]、鑄造，將得到的錠或坯料反復進行熱鍛、退火，再進行軋制、退火，精加工后而成靶材。生產工藝流程如圖1所示。錠或坯料經過熱鍛破壞鑄造組織，使氣孔或偏析擴散、消失，再通過退火使其再結晶化，從而提高組織的致密化和強度。
為保證靶材能夠濺射高質量的薄膜，一般對鉭濺射靶材有很高的純度要求，通常靶材純度越高，薄膜質量相對越好。如在集成電路上使用時，由于鈾和釷有α衰變，α粒子會造成半導體材料中器件電擊穿，要求鈾和釷的含量必須要低于μg/kg級的水平;堿金屬鈉鉀離子易擴散到絕緣層[SiO2]中去，并以電的載體進行活動;鐵元素可能會降低器件性能;因此對鈉鉀雜質、鐵元素也有嚴格要求。氣體元素[C、N、O、S等]過高會降低靶材濺射性能，而其它難熔金屬元素鎢、鉬、鈮等元素也要求盡量降低。熔煉鑄錠法可以制備出高純或超純的鉭濺射靶材，一般可達4N以上,商用鉭靶化學雜質元素分析見表1。
表1商用鉭靶[4~5N]化學元素分析表
| 化學雜質 | Fe | Na | Cr | Ni | Si | Mn | Mg | Zr | Al | Cu | U |
| 含量/mg·kg-1 | <0.1 | <0.1 | <0.1 | <0.1 | <0.1 | <0.1 | <0.1 | <0.1 | <0.1 | <0.1 | <0.0005 |
| 化學雜質 | Th | Ti | W | Mo | Nb | Au | Co | C | 0 | N | S |
| 含量/mg·kg-1 | <0.001 | <0.1 | <1 | <1 | <1 | <10 | <0.1 | 10 | 20 | 10 | 10 |
如果制備的鉭濺射靶材中含有孔隙，則會極大影響濺射性能，如濺射過程中若是含有氣體的孔隙被打通就可能會釋放出氣體，令濺射過程的瞬間不穩定，甚至產生電弧現象，使得沉積膜均勻性難以保證，因此，鉭濺射靶材應保證致密度。通常熔煉鑄錠法制備的鉭靶材致密度相對較好。
靶材晶粒尺寸和晶粒尺寸的均勻性也是影響靶材濺射性能的重要因素之一。一般來說，熔煉錠或坯料晶粒粗大，通常直徑在50mm以上，經過熱鍛和再結晶退火后，可以得到100μm以下的晶粒。如文獻提到，將純度[除去氧和其它氣體雜質]為99.998%以上、高為200mm、直徑為200mm、晶粒尺寸為55mm左右的電子束熔煉錠坯料，經反復鍛造、軋制、再結晶退火等，可獲得平均晶粒尺寸在110μm以下、晶粒直徑偏差為±20%以下、且組織均勻、鍍膜均勻性較好的鉭濺射靶。但是熔煉鑄錠法制備靶材，仍存在靶材晶粒尺寸和晶粒織構取向均勻性較難控制的缺點，易產生帶狀織構，如圖2所示。
1.2粉末冶金法制備高純鉭濺射靶材
粉末冶金法制備高純鉭靶材的方法主要有熱壓、熱等靜壓、冷等靜壓真空燒結等，工藝流程如圖3所示。目前較為常見的粉末冶金制備鉭濺射靶材法主要為熱壓和熱等靜壓法，如有文獻中提到，通過將金屬粉末表面氮化的方法，可以獲得氧含量在300 mg/kg以下，氮含量在10mg/kg以下的鉭粉，然后裝入模具，再經冷壓成型和熱等靜壓成型或其它燒結等方法，可獲得純度為99.95%以上、平均晶粒尺寸小于50μm，甚至10μm，織構隨機、且沿靶材表面和厚度方向織構均勻的鉭靶。
而對于冷等靜壓，再進行真空燒結制備高純鉭濺射靶材的方法，文獻資料較少，目前尚不成熟，以下是進行的初步探索試驗。取平均粒徑為8.0μm的鉭粉，裝入包套模具內。然后進行冷等靜壓成型，成型壓力220 MPa,保壓20 min;將成型后的鉭坯置于真空爐內進行燒結，燒結溫度最高為2100℃，保溫6~8h;然后對燒結后鉭進行軋制、再結晶退火等，再進行精加工后即為成品。下面從純度、孔隙度、晶粒尺寸和織構幾個方面對靶材成品性能進行分析。
1.2.1純度
該試驗制備的鉭靶材化學雜質分析結果見表2。從表2可以看出，同熔煉錠法制備鉭靶[表1]相比，該試驗制備鉭靶的化學雜質含量普遍偏高，尤其是氣體雜質“O”含量，遠高于商用鉭靶中氧元素的含量。作為半導體用濺射靶材，通常要求“O”含量在100 mg/kg以下。而該試驗制備的鉭濺射靶，較難保證低的氣體“O”雜質含量。
表2鉭靶材化學雜質元素分析表
| 化學雜質 | Fe | Na | Cr | Ni | Si | Mn | Mg | Zr | Al | Cu |
| 含量/mg·kg-1 | <10 | <10 | <10 | < | <10 | <1 | <10 | 11 | <1 | <1 |
| 化學雜質 | Ti | W | Mo | Nb | Cd | Co | C | 0 | N | S |
| 含量/mg·kg-1 | <1 | <10 | <10 | <10 | <5 | <1 | 70 | 750 | 50 | 7 |
1.2.2晶粒尺寸
靶材的晶粒尺寸及其均勻性對靶材濺射性能有重要影響，極大規模集成電路用半導體濺射靶材要求靶材有合適的晶粒尺寸[小于100μm或更小40μm]，并保證其均勻性。該試驗方法制備的鉭靶材，燒結后晶粒尺寸為60~80μm，經少量加工軋制便可獲得超細、均勻性好的晶粒，晶粒尺寸在15~40μm范圍內，靶材金相照片如圖4所示。因此，粉末冶金法制備鉭濺射靶材，更易獲得超細、均勻性好的晶粒。
1.2.3孔隙度
試驗制備的鉭靶材成品相對密度為99.65%，從圖4的金相照片來看，尚且沒有明顯的孔洞，致密度較好。
1.2.4織構
一般來說，靶材織構取向越隨機，鍍出的膜厚均勻性越好，織構取向越強，鍍膜的均勻性越差通過采用EBSD[電子背散射衍射]手段對該試驗制備的鉭靶材進行分析，如圖5所示。其中{111}織構比例為19.6%。由圖5可以看出，該鉭靶材具有隨機、均勻的織構取向，沒有帶狀織構。因此，相比熔煉鑄錠法制備鉭靶材易產生織構取向，粉末冶金法可避免鉭靶中產生強的織構取向現象，更易獲得織構隨機、均勻性較好的靶材。
隨著半導體硅片尺寸的增大，濺射靶材的尺寸也在向大型化發展，為保證濺射過程中靶材的穩定性和利用率，還要求靶材在三維方向上要保持晶粒尺寸和織構的均一，以獲得優異的薄膜性能。粉末冶金法制備鉭靶材更有利于保證其微觀組織的均勻性。該方法其關鍵在于選擇高純、超細粉末作為原料和能夠快速致密化的成型燒結技術，以保證靶材的低孔隙率，控制晶粒度，并且制備過程嚴格控制雜質元素的引入。而其中的鉭粉原料氣體雜質[O、C等]含量控制，燒結工序等是其技術難點。
2、國內外現狀及展望
我國雖有豐富的原材料，但由于此前全球只有美國、日本具備濺射高純靶材的生產能力，關鍵技術及市場一直被國外公司壟斷。目前掌握鉭靶材制造技術的，主要有日本日礦公司[Nikko]、美國普蘭克西公司[Praxair]、美國霍尼韋爾公司[Honeywell]、美國東曹公司[ Tosoh]等四家公司。近年來，國內半導體靶材生產廠家經過努力，也取得了較大的進步，如寧夏東方鉭業股份有限公司已獲得穩定的高純鉭濺射靶材生產工藝路線。盡管與國外技術還有一些差距，堅信將來一定會突破技術難關，躋身于國際市場。熔煉鑄錠法制備高純鉭濺射靶材，可獲得高純或超純且致密性優良的靶材，這對于獲取高性能靶材是非常重要的，因此目前該方法仍是制造鉭濺射靶材的主流方法。粉末冶金法可獲得晶粒更細、性能更均一的靶材，具有潛在優勢，盡管國外有公司稱已經生產出粉末冶金坯制造的鉭板，能夠符合制造靶的要求，但目前仍未被廣泛使用于市場，或許還存在一些技術瓶頸，相信隨著研究進展，必將克服技術壁壘，制備出性能更優異的高純鉭濺射靶材。
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（注，原文標題：高純鉭濺射靶材制備工藝進展_鄭金鳳）
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