一種鉑鎳合金濺射靶材及其制備方法與流程

本發明涉及一種鉑鎳合金濺射靶材及其制備方法，屬于薄膜科學領域。

背景技術：

科學和生產發展的事實說明，電子學的發展深刻地影響著當今社會的各個領域。在電子學的發展中，起重要作用的是在理論研究的指導下，關鍵性新器件和新材料的制造。薄膜科學是開發新材料和新器件非常重要的領域。材料的結構向二維(薄膜)化發展是充分發揮材料潛能的重要途徑。作為二維材料的功能薄膜，是在21世紀前夕為開拓高新技術而日益受到重視并發展起來的。高技術材料由體材向薄膜轉移，從而使鍍膜器件迅速發展起來。薄膜科學應用日益廣泛，電子、磁性、光電、光學薄膜等己經廣泛應用于以集成電路、分立器件等為主的半導體制造、以TFT-LCD、OLED等為主的平面顯示面板制造和以薄膜太陽能電池為主的新能源制造等領域。近年來，在國家政策大力支持下，上述高新技術產業均實現了跨越式發展，我國逐漸成為世界上薄膜材料的最大需求地區之一。

貴金屬具有良好的化學穩定性，高電導率和熱導率，特有的電學、磁學、光學等性能，廣泛應用于高性能薄膜材料的制備，各種高純單質貴金屬及新型合金及化合物功能薄膜不斷得到開發。

濺射是制備薄膜材料的主要技術之一。用加速的離子轟擊固體表面，離子和固體表面原子交換動量，使固體表面的原子離開固體并沉積在基底表面，這一過程稱為濺射。被轟擊的固體是用濺射法沉積薄膜的源(source)材料，通常稱為靶材。用靶材濺射沉積的薄膜致密度高，與基材之間的附著性好。

在半導體制造技術中，金屬硅化物起著重要的作用，它廣泛用于以下方面：①肖特基二極管中制備勢壘接觸層；②在大規模集成電路VLSI/ULSI器件技術中用于源、漏和柵極與金屬電極之間的接觸。隨著半導體技術的發展，金屬硅化物的組成也從最初的TiSi、CoSi化合物逐漸發展到具有低電阻率、低硅消耗的NiSi化合物。但是在市場應用中人們逐漸發現NiSi化合物耐熱性較差，且隨著超大極大規模集成電路VLSI/ULSI器件技術的不斷發展，NiSi化合物也無法適應于高性能、特征尺寸為45nm以下的集成電路。

技術實現要素：

為了解決現有技術中金屬硅化物耐熱性差、無法適應45nm以下的集成電路的缺陷，本發明提供一種鉑鎳合金濺射靶材及其制備方法。

為解決上述技術問題，本發明所采用的技術方案如下：

一種鉑鎳合金濺射靶材，包括鉑60-80％和鎳20-40％，所述百分比為質量百分比，鉑和鎳的質量含量之和為100％。

申請人經研究發現，上述靶材與硅反應，形成的硅化物在器件工作溫度下穩定，耐熱性好，并主要表現金屬型導電性能，該產品能完美的解決了NiSi存在的問題；鉑(Pt)金屬具有較高的功函數(5.65eV)，其費米能級接近于半導體，能夠在p型Si上面獲得較低的功函數差，利用鎳(Ni)和鉑(Pt)形成合金可以用來調節功函數，且在鎳(Ni)中添加一定量的鉑(Pt)能大幅提高高溫穩定性。解決了耐熱性差的問題。

使用時，采用帶有一層硅區域的半導體襯底，隨后在硅區域制備離子注入層，再在其上生長一層硅外延層，隨后采用NiPt靶材在硅外延層的表面磁控濺射一層NiPt薄膜，最后退火處理形成含Pt的NiSi化合物薄膜，這樣可以適用于尺寸為45nm以下的集成電路。本發明產品主要應用于廈門三安光電股份有限公司等半導體廠家。

為了進一步提高耐熱性，鉑鎳合金濺射靶材，包括鉑60％和鎳40％，所述百分比為質量百分比。作為本申請的另一種優選方案，上述鉑鎳合金濺射靶材，包括鉑70％和鎳30％，所述百分比為質量百分比。作為本申請的另一種優選方案，上述鉑鎳合金濺射靶材，包括鉑80％和鎳20％，所述百分比為質量百分比。

為了進一步保證產品的高強度、高耐溫和高耐酸等綜合性能，鉑的純度為99.99％以上，所述百分比為質量百分比。鎳的純度為99.9％以上，所述百分比為質量百分比。

為了保證產品的硬度、均勻性等，上述鉑鎳合金濺射靶材的制備方法，依次包括清洗、鑄態、均勻化退火和溫軋。

為了保證產品的綜合性能，上述清洗為分別將鎳片和鉑片進行如下操作：線切割、除油、酸洗，然后在超聲波清洗器中依次用丙酮、乙醇和去離子水各清洗5±2min，最后烘干備用。

也即鎳片和鉑片分別經過相同的清洗工藝：線切割、除油、酸洗，然后在超聲波清洗器中依次用丙酮、乙醇和去離子水各清洗5±2min，最后烘干備用。

為了保證產品的硬度、均勻性等綜合性能，鑄態為將清洗后的鎳和鉑按配比裝入坩堝進行真空熔煉、澆鑄獲得NiPt鑄錠；均勻化退火為將NiPt鑄錠放入真空箱式退火爐在800±20℃下進行均勻化退火處理，真空度為-0.1Mpa，時長為5±0.2h。

為了進一步保證產品的硬度、均勻性等綜合性能，溫軋在450±10℃下進行，道次變形量為40±2％，總變形量為80±2％，合金的最終厚度為1±0.1mm，溫軋后采用線切割制成靶材。

優選，磁控濺射參數：工作氣體為氬氣，功率250W，濺射氣壓為2.5Pa。

本發明未提及的技術均參照現有技術。

本發明鉑鎳合金濺射靶材，可在高強度、高耐溫、高耐酸等高性能要求的半導體、顯示屏器、記錄介質等中應用；制備方法簡單易實行，且進一步保證了靶材的均勻性、硬度、塑形流變等性能。

附圖說明

圖1為實施例1中清洗+鑄態+均勻化退火+溫軋的金相圖。

圖2為實施例1中清洗+鑄態+溫軋的金相圖。

圖3為實施例1中清洗+鑄態+均勻化退火+溫軋的電鏡圖。

圖4為實施例1中清洗+鑄態+溫軋的電鏡圖。

具體實施方式

為了更好地理解本發明，下面結合實施例進一步闡明本發明的內容，但本發明的內容不僅僅局限于下面的實施例。

實施例中鉑的純度為99.99％，由上海黃金交易所提供；鎳的純度為99.9％，由南京迪鈉光電材料有限公司提供。

實施例1

一種鉑鎳合金濺射靶材，包括鉑60％和鎳40％，所述百分比為質量百分比。

鉑鎳合金濺射靶材的制備方法，包括順序相接的如下步驟：

A、清洗：分別將鎳片和鉑片進行如下操作：線切割(切割尺寸為14×14×90mm)、除油、酸洗，然后在超聲波清洗器中依次用丙酮、乙醇和去離子水各清洗5min，最后烘干備用；

B、鑄態：將清洗后的鎳和鉑按配比裝入坩堝進行真空熔煉、澆鑄獲得NiPt鑄錠；

C、均勻化退火：將NiPt鑄錠放入真空箱式退火爐在800℃下進行均勻化退火處理，真空度為-0.1Mpa，時長為5h；

D、溫軋：在450℃下進行溫軋，道次變形量為40％，總變形量為80％，合金的最終厚度為1mm，溫軋后采用線切割制成的靶材。

磁控濺射參數：工作氣體為氬氣，功率250W，濺射氣壓為2.5Pa。

各步驟對產品性能的影響：通過實驗發現，清洗+鑄態+均勻化退火+溫軋的合金硬度由292上升至439，約為軋制前的2倍；清洗+鑄態+溫軋的硬度也得到了顯著提高(為423)，但其硬度強化效果低于有均勻化退火后溫扎的樣品；而清洗+鑄態+均勻化退火的合金硬度由292下降至218，可見溫扎是一種強化NiPt合金的有效方法，且清洗+鑄態+均勻化退火+溫軋的效果最佳。

在金相顯微鏡下，通過金相照片(見圖1-2)，首先觀察到合金在鑄態結構下晶粒較大、形狀不規則，其分布范圍為數百微米到毫米級之間，晶粒內部明顯可見樹枝晶結構；在進行均勻化退火后，晶粒從不規則狀向等軸晶轉變，樹枝晶逐漸消失，即在均勻化退火過程中發生了靜態再結晶；對均勻化退火后的合金進行溫扎，整體微觀結構比較均勻，晶粒沿軋制方向被拉成近似平行的扁平狀結構，同時在部分拉長晶粒內部存在平行條帶。若將鑄態組織不進行均勻化退火而直接進行溫扎，部分晶粒沿著軋向形成帶狀結構，但是帶狀結構邊界呈波浪狀，且帶狀結構寬度分布不均勻。總之，清洗+鑄態+均勻化退火+溫軋的結構比清洗+鑄態+溫軋的結構更加均勻，這是由于均勻化退火調整了合金的取向從而有利于合金的塑性流變。

對靶材濺射后的掃描電鏡表面形貌圖像(見圖3-4)進行分析：清洗+鑄態+均勻化退火+溫軋的合金在濺射后，表面呈高低起伏狀態，整體形貌比較均勻。清洗+鑄態+溫軋的合金在濺射后，左邊呈大小不一的凹坑，而右邊則相對比較平滑，整體形貌不均勻。

下面我們用吉布斯自由能在解釋摻入Pt以后使得耐熱性得到了提高。首先，我們研究發現NiSi在600℃時開始結團，在750℃時開始向高電阻NiSi₂轉化，于是，取計算溫度值為800℃。在800℃的條件下，已知NiSi、Si、NiSi₂三物質的吉布斯自由能分別為-169.37KJ/mol、-35.25KJ/mol、-214.45KJ/mol，根據NiSi+Si→NiSi₂反應，計算出未摻有Pt的吉布斯自由能改變量△G＝-9.84KJ/mol。摻入Pt之后，也就是本發明，根據反應式Ni_1-xPt_xSi+(1-x)Si→(1-x)NiSi₂+xPtSi(其中x為Pt的含量比)，計算的出吉布斯自由能改變量為△G＝-3.27KJ/mol。可以發現，加入了Pt之后，吉布斯自由能|△G|減少了很多，這時Ni硅化物更難形成高電阻NiSi₂，并且Ni_1-xPt_xSi六角形結構有效降低了NiSi和Si兩者之間的界面能，增加了向NiSi₂轉變的界面能改變量△σ。通常定義NiSi₂成核的勢壘高度來作為衡量硅化物是否穩定的標準。正因為|△G|減少使得△σ增加這很大程度的增加了勢壘高度致使形成NiSi₂非常困難，從而使得鎳硅化合物薄膜的熱穩定性得到了提高。

實施例2

一種鉑鎳合金濺射靶材，包括鉑70％和鎳30％，所述百分比為質量百分比。

鉑鎳合金濺射靶材的制備方法同實施例1。

通過實驗對比發現其金相圖和電鏡圖與實施例1接近，不重復提供。吉布斯自由能改變量△G＝-2.63J/mol，相比實施例1|△G|更低，更能增加鎳硅化合物薄膜的熱穩定性。

實施例3

一種鉑鎳合金濺射靶材，包括鉑80％和鎳20％，所述百分比為質量百分比。

鉑鎳合金濺射靶材的制備方法同實施例1。

通過實驗對比發現其金相圖和電鏡圖與實施例1接近，不重復提供。吉布斯自由能改變量△G＝-1.33J/mol，相比實施例2|△G|更低，從而得出結論隨著Pt含量的增加，|△G|越來越低，從而鎳硅化合物薄膜的熱穩定性越來越好。

應用實施例

LED生產廠分別將本發明實例1、2、3用于生產肖特基二極管，利用本發明接觸勢壘來制造肖特基二極管，通過濺射0.1～0.2μm金屬薄膜(分別利用實施例1-3所得靶材濺射)，在600℃左右條件下，使得金屬與硅進行低溫固相反應，形成硅化物接觸層，實踐證明本發明參與生產的肖特基二極管因為形成了硅化物接觸層從而將其正向導通降壓為0.4V左右，一般肖特基二極管為0.3V左右，提高了其正向特性；其反向偏壓額定值最大可達到200V，相對于一般的肖特基二極管反向偏壓只有50V，大大提高了其反向偏壓。