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金屬釩在鎳釩靶材中的應用

鎳釩濺射靶材是在制備鎳釩合金的過程中,在鎳熔體中加入釩,使制備出的合金更有利于磁控濺射,結合了鎳濺射靶材和釩濺射靶材的優點。隨著社會的進步和半導體產業的發展,電子及信息、集成電路、顯示器等產業對鎳釩靶材的需求量越來越大。

濺射靶材集中用于信息存儲、集成電路、顯示器、汽車后視鏡等產業,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生動能交換,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。

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

鎳釩濺射靶材是在制備鎳釩合金的過程中,在鎳熔體中加入釩,使制備出的合金更有利于磁控濺射,結合了鎳濺射靶材和釩濺射靶材的優點,可一次完成濺射鎳層(粘結層)和釩層(阻擋層)。鎳釩合金無磁性,有利于磁控濺射,在電子及信息產業中,基本替代了純鎳濺射靶材。

 

一、鎳釩合金濺射靶材的特性要求

濺射鎳釩靶材要求純度高、雜質少,化學成分均勻、無偏析,無氣孔,晶粒組織均勻,晶粒尺寸大小為微米級,單個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生放電現象,磁控濺射薄膜均勻。

1.純度

濺射靶材首先是要純度高,因為濺射靶材中的雜質對磁控濺射薄膜的性能影響最大,所以應盡可能降低濺射靶中雜質含量,國內外很多半導體或電子產品制造企業對濺射靶材雜質含量提出很高要求。            2.雜質含量 

濺射靶材中的雜質要求嚴格, 鎳釩合金濺射靶材中Cr、Al、Mg雜質的含量不超過10ppm,超過10ppm,腐蝕性能變差。U、Th 的含量不超過1ppb,Pb和Bi的含量小于0.1ppb,超過這個含量,對電子電荷產生不良影響,將會發生故障。N含量在1-100ppm之間,N含量增加,腐蝕性能差,所以要嚴格控制雜質的含量。

3.密度

濺射靶材對內部氣孔要求很嚴格,因為靶材中氣孔會影響濺射薄膜的各方面性能,磁控濺射過程中產生不正常放電,會對磁控濺射薄膜光電學性能有影響,因此要求靶材有較高的密度。此外,高密度、高強度濺射靶材更能承受磁控濺射中產生的熱應力。鎳釩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,氣孔數量多,密度低。熔煉方法分為普通熔煉法和真空熔煉。普通熔煉法,在熔煉過程中,大氣中的氣體很容易進入熔體,造成熔煉的鑄錠氣體含量不能滿足濺射靶材要求,所以鎳釩濺射靶材合金制備一般采用真空熔煉法,可確保材料內部無氣孔。

4.晶粒尺寸及晶粒尺寸分布

鎳釩靶材需要經過多道次冷熱加工工序,制備好的靶坯為多晶結構,晶粒尺寸大小要求嚴格,晶粒應控制在100微米以內。從濺射性能方面考慮,對于化學成分相同的磁控濺射靶材,晶粒細小比晶粒大的濺射速率快,同時靶材內部晶粒越均勻,濺射到帶硅晶圓上的薄膜厚度越均勻。

二、鎳釩合金靶材的制備

鎳釩合金中, 釩的量稍微改變, 都會很明顯的改變鎳釩合金的性能,從而使得Ni-V合金不能夠經過后續加工獲得濺射靶材。典型的鎳釩合金成分是Ni-7V,生產高純Ni-V合金,其關鍵在于:

  • 必須用高品位的金屬原料鎳和釩,純度必須在95wt%以上,其中鎳原料的純度達到4N5(99.995wt%)甚至5N都沒問題,但是釩原料的純度一般只有2N5-3N(99.5wt%-99.9wt%),釩的純度限制了鎳釩合金的純度。
  • 釩熔點1919± 2℃,屬于難熔金屬,并且鎳、釩熔點相差很大(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。在特殊的應用領域, 首先需將鎳、釩用真空熔融方法(電子束或真空電弧重熔(VAR)或真空感應熔煉(VIM))獲得鑄錠, 經過多次重復真空熔煉提高合金鑄錠的總純度。

3) 制備過程嚴格控制雜質元素的引入,圖1是鎳釩合金生產工藝流程圖。

將7%的釩加入鎳中可以帶來以下的作用:

1.提高硬度和強度:釩可以與鎳形成固溶體,增強了合金的硬度和強度。在高溫下,釩可以形成穩定的碳化物和硼化物,進一步提高了合金的硬度和強度。

2.提高耐腐蝕性:釩可以提高合金的耐腐蝕性能,尤其是在氧化和還原性環境下的耐腐蝕性能。釩在鎳合金中的作用類似于鉻在不銹鋼中的作用。

3.提高耐高溫性能:釩可以提高鎳合金的高溫強度和穩定性,使其在高溫下表現出優異的性能。釩的加入可以有效地抑制合金的晶粒長大,減少晶界裂紋和斷裂,提高合金的高溫斷裂韌性

4.提高抗氧化性:釩可以促進合金表面形成一層致密的氧化物層,增強合金的抗氧化性能,抑制氧化層的剝落和脫落,延長合金的使用壽命。

三、鎳釩合金靶材的特點及應用

鎳釩合金靶材主要用于太陽能行業, 電子行業等領域,鎳釩靶材的

應用及要求的純度如表 1 所示。

  1. 光存儲;

2.太陽薄膜電池;

3.平板顯示器鍍膜;

4.電子及半導體領域;

5.建筑玻璃;

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