一种高纯铜合金靶材的制备装置、制备方法及应用

技术领域

本发明属于半导体技术领域，具体涉及一种高纯铜合金靶材的制备装置、制备方法及其应用。

背景技术

单组元金属的性质经常因含有微量杂质而受到极大影响，提高金属的纯度可发现金属的本征性质，并可创造出性质完全不同于常用金属材料的全新金属。目前，高纯金属在当前高科技领域的应用越来越广，人们对高纯金属的纯度要求也越来越高。

随着集成电路不断向大规模甚至超大规模发展，电子元器件尺寸越来越向微型化演变，芯片特征尺寸也逐渐缩小到深亚微米和纳米的水平。12英寸、微纳米技术和铜工艺被称为引导大规模集成电路发展趋势的三大浪潮。传统的6-8寸集成电路工艺都是主要采用了铝作为金属互联材料，但是随着器件特征尺寸的减小以及硅片载体规格的增加和集成度的提高，铝布线出现了电迁移严重、电阻率高等缺陷，这些缺陷严重时会导致电路板失效。后来人们又采用Al-Si、Al-Cu、Al-Si-Cu等一系列以铝为基体的铝合金，试图解决上述问题，但没有成功。铜及铜合金的出现给硅芯片的互连材料带来了巨大的变化，从根本上解决了上述问题。它以低电阻率、高导电性和布线工艺步骤少等优势在大规模逻辑芯片的高端应用上优势明显。

铜工艺与铝工艺完全不同。铜工艺是采用嵌入式工艺得到图形化的导线。上下层铜导线之间通过微通孔互相连接，微通孔是通过另外一层光刻和蚀刻步骤形成的。目前国际主流技术已从65nm技术向45-28nm转移。高纯铜及其合金作为溅射靶材在大规模集成电路制造中主要用于包括接触、通孔、互连线、阻挡层等PVD镀膜。

大规模集成电路用高纯铜靶材主要分为：高纯铜靶材和高纯铜合金靶材两大类，其中铜的纯度都要满足大于99.9999wt％(6N)。90-45nm之间主要以高纯铜靶材为主，但是对于布线宽度为45nm及以下，纵横尺寸比超过8的超精细布线，种子层厚度变为90nm以下的极薄膜，用6N超高纯铜靶形成种子层的场合，就会产生凝聚，不能形成良好的种子层，而且电迁移问题也愈显严重。因此，研究者引入铜合金靶材来抑制电迁移，提高铜种子层的稳定性和均匀性，同时避免电镀期间出现凝聚物的现象。

在高纯铜中加入一种或多种合金元素能够更好地控制高纯铜靶材的晶粒尺寸，同时也能够保证铜靶材晶粒尺寸的均匀性，提高靶材本身的强度和稳定性。但是，由于合金元素的存在影响铜的电阻率，所以通常将靶材内合金化元素的总量限制为小于10％wt。对于有特定用处的铜薄膜和内部连线，需要与高纯铜相匹配的电阻率，将合金化的量限制为不大于3wt％。目前主要的铜合金靶材为Cu-Al、Cu-Mn合金靶材。与纯铜相比，采用合金化的方式可以降低电迁移、应力迁移、腐蚀和氧化性等一些副作用，同时在含铜导电材料中仍保持低的总电阻。

目前，人们制造铜锰合金、铜铝合金的方法主要包括电子束熔炼、悬浮熔炼、区域熔炼等方法，这些方法存在生产成本高、产品均匀性差的问题，影响了集成电路、显示器、超导、量子计算等高技术领域的发展。基于以上问题，本专利提出一种电弧熔炼生产高纯铜合金靶材的装置及方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种高纯铜合金靶材的制备装置，解决现有熔炼方法的产品均匀性差、易受污染、生产设备复杂的问题。

本发明提供了如下的技术方案：

一种高纯铜合金靶材的制备装置，其特征在于，包括：

铜基体，所述铜基体内开孔，所述孔内塞入异种金属形成合金件；

两根所述合金件呈间隔状相向放置于一个密闭的真空室，所述真空室内充入惰性气体；两根所述合金件分别作为电极一和电极二并连接至真空室外的高压电源；

两根所述合金件分别由驱动装置驱动而相向移动，直至产生电弧，电弧随着合金件的靠近而逐渐烧蚀并熔化所述电极一和所述电极二；

熔化的液滴在定向流动的惰性气体带动下进入预热后的铸模中凝固形成高纯合金靶材。

优选的，两根所述合金件相对的端部为熔化端，所述熔化端悬空，所述熔化端产生的液滴直接进入铜铸模形成铜基合金。

优选的，所述铜基体为纯度为99.9999％的高纯铜；所述异种金属为锰或者铝，所述异种金属的纯度为99.999％。

优选的，所述孔位于所述铜基体的中心位置，所述异种金属填充满所述孔。

优选的，所述驱动装置为由伺服电机驱动的电动滑台或者电动丝杠。

优选的，所述铸模内通冷却介质，将滴入的液滴快冷成型。

本发明的另一目的是提供一种高纯铜合金靶材的制备方法，由上述制备装置实现，该制备方法包括以下步骤：

制备装置置于密闭的真空室内；

将纯度为99.9999％的铜基体从中间开孔，将纯度为99.999％的异种金属插入所述孔内；按此方法制作两根合金件；

将两根合金件相向地固定于两个驱动装置上，并且连接至真空室外的高压电源；真空室内充入惰性气体；

启动驱动装置，驱动两根合金件相向移动，随着合金件逐渐靠近而产生电弧，熔化合金件的端部，产生坠落的液滴。

优选的，合金件端部产生的液滴在定向流动的惰性气体带动下进入预热后的铸模中形成高纯合金靶材。

优选的，所述驱动装置控制合金件的移动速度，保证持续产生电弧，不断融化合金件。

本发明的另一目的是提供由上述高纯铜合金靶材的制备方法获得的铜基合金在集成电路中的应用。

本发明的有益效果是：

本发明在铜基体内开孔，孔内塞入锰棒或者铝棒，形成合金件(成份不限于铜锰和铜铝)，将两根合金件相对地固定于两个驱动装置上，并且两根合金件分别作为电极一和电极二连接高压电源，由驱动装置驱动它们相向移动，在移动过程中产生电弧，熔化合金件的端部而产生合金液滴。该合金的制备装置结构简单紧凑、制备方法简便易行，形成的合金成份均匀性高。

本制备装置置于密闭的真空室内，真空室内充入惰性气体，避免合金受到氧气污染；同时，熔化的液滴在定向流动的惰性气体带到下进入预热后的铜铸模中凝固形成高纯合金靶材，熔炼过程中液滴不接触其他容器，避免合金受到容器污染，本装置的上述结构协同作用，使获得的合金中各组分含量精确可控。

使用本发明的方法可直接制造出低偏析、晶粒尺寸小于100微米的高纯铜合金靶材。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是本发明的结构示意图；

图中标记为：1.铜基体；2.异种金属；3.驱动装置；4.高压电源；5.熔化端；6.液滴；7、铸模；8、冷却流道。

具体实施方式

如图1所示，一种高纯铜合金靶材的制备装置，本装置置于一个密闭的真空室内，包括铜基体1，铜基体1的形状可选棒状，其材质为纯度99.9999％及以上的高纯铜。在铜基体的中心位置开一直径很小的孔，该孔沿长度方向贯穿铜基体，孔的直径根据铜与异种金属的质量配比计算，将质量配比换算成体积即可。

将孔内塞入细棒状的异种金属2形成合金件，异种金属2可选择但不限于锰棒或者铝棒，其纯度为99.999％。异种金属3塞满孔。

两个驱动装置3相对安装，中间设有间隔。驱动装置3为由伺服电机驱动的电动滑台或者电动丝杠，驱动装置3设有用于对合金件的移动导向的导轨，伺服电机精确控制合金件的移动速度，保证持续产生电弧，不断熔化合金件。

两根合金件分别固定于两个驱动装置3上，两根合金件分别作为电极一和电极二并连接至真空室外的高压电源4。

两根合金件分别由驱动装置3驱动而相向移动，逐渐靠近从而产生电弧，电弧随着合金件的靠近而逐渐烧蚀并熔化电极一和电极二。

两根合金件相对的端部为熔化端5，熔化端5悬空，熔化端5产生的液滴在定向流动的惰性气体带动下进入预热后的铜铸模中，凝固形成高纯合金靶材，不受坩埚等其他容器和氧气的污染，获得的合金含量精度高。

铸模7内设有冷却流道8，冷却流道8内充入液氮、冷却水等介质，使液滴快速冷却固化，其冷却速度可达10

高纯铜合金靶材的制备方法包括以下步骤：

制备装置放置于密闭的真空室内；

将纯度为99.9999％及以上的铜基体1从中间开一条细孔，将纯度为99.999％的锰棒或者铝棒插入孔内；按此方法制作两根合金件；

将两根合金件相向地固定于两个驱动装置3上，合金件的熔化端5悬空，两个合金件分别作为电极一和电极二连接真空室外的高压电源4，高压电源4的功率100KW，电压50V；真空室内充入惰性气体；

启动驱动装置3，驱动两根合金件相向移动，随着合金件逐渐靠近而产生电弧，烧熔合金件的熔化端5，产生液滴6，液滴6在定向流动的惰性气体带动下进入预热后的铜铸模中，然后铜铸模中通入冷却介质，将其快速凝固形成致密均匀的铜锰合金或者铜铝合金；

驱动装置控制合金件的移动速度，保证持续产生电弧，不断融化合金件，滴入下方的铸模7中，直接制造出低偏析、晶粒尺寸小于100微米的高纯铜合金靶材。

作为一种可选方案，采用上述方法按铜：99.25％，锰或者铝0.75％的配比，制备得到的铜锰合金及铜铝合金可应用于集成电路中，作为高纯铜合金靶材。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。