一种溅射旋转铝铜合金靶材及其制备方法[发明专利]

(12)发明专利申请

(10)申请公布号 CN 110396669 A(43)申请公布日 2019.11.01

(21)申请号 201910734709.7(22)申请日 2019.08.09

(71)申请人 广州市尤特新材料有限公司

地址 510800 广东省广州市花都区花山镇

华侨科技工业园华辉路4号(72)发明人 吴健　雷雨　肖世洪　周志宏　

沈艳斌　周昭寅　(74)专利代理机构 广州三环专利商标代理有限

公司 44202

代理人 颜希文　宋静娜(51)Int.Cl.

C23C 14/34(2006.01)C22C 21/12(2006.01)C23C 24/04(2006.01)

权利要求书1页 说明书7页

(54)发明名称

一种溅射旋转铝铜合金靶材及其制备方法(57)摘要

本发明公开了一种溅射旋转铝铜合金靶材及其制备方法。所述溅射旋转铝铜合金靶材包括以下重量百分比的组分：难熔物质0.2-3wt％、铜0.5-6wt％和铝余量，所述难熔物质为熔点超过1500℃的金属或氧化物。本发明以高纯铝粉、铜粉、难熔金属或氧化物粉末为原料，经冷喷涂制备旋转铝铜合金靶材。本发明所用方法工艺简单、操作方便，适合大规模工业生产，制备出的靶材纯度高(≥99.9％)、相对密度大(≥95％)，氧含量小于1500ppm，综合性能优异。

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权　利　要　求　书

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1.一种溅射旋转铝铜合金靶材，其特征在于，包括以下重量百分比的组分：难熔物质0.2-3wt％、铜0.5-6wt％和铝余量，所述难熔物质为熔点超过1500℃的金属或氧化物。

2.根据权利要求1所述的溅射旋转铝铜合金靶材，其特征在于，包括以下重量百分比的组分：难熔物质0.8-2wt％、铜4.5-6wt％和铝余量。

3.根据权利要求1或2所述的溅射旋转铝铜合金靶材，其特征在于，所述难熔物质包括钽、钛、钇、氧化锆中的至少一种；所述氧化锆中含有5-7wt％氧化钇。

4.一种如权利要求1-3所述的溅射旋转铝铜合金靶材的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)按比例配料，通过机械混合或喷雾造粒的方式，获得目标粉末；(2)以不锈钢钢管或钛管作为基管，对基管进行表面喷砂处理后，继续进行电弧打底或热喷涂处理；

(3)冷喷涂成型：安装处理后的基管，加入目标粉末，启动冷却装置进行冷喷涂，得到靶材；

(4)对步骤(3)制得的靶材进行机械加工，得到成品。

5.根据权利要求4所述的溅射旋转铝铜合金靶材的制备方法，其特征在于，所述目标粉末的D50粒径为10-80μm，氧含量低于1500ppm，纯度为99.9％以上。

6.根据权利要求4所述的溅射旋转铝铜合金靶材的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，表面喷砂处理所用的砂为白刚玉、钢丝切丸或铸钢砂；优选地，表面喷砂处理所用的砂为铸钢砂。

7.根据权利要求4所述的溅射旋转铝铜合金靶材的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，经电弧打底或热喷涂处理后的基管表面粗糙度Ra为240-500μm。

8.根据权利要求7所述的溅射旋转铝铜合金靶材的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，电弧打底所用的打底材料包括铜铝丝、镍铝丝、铜包镍粉中的至少一种；优选地，采用电弧打底方式，打底材料选用铜镍丝和铜铝丝。

9.根据权利要求4所述的溅射旋转铝铜合金靶材的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，冷却装置为水冷却装置或气冷却装置。

10.根据权利要求4所述的溅射旋转铝铜合金靶材的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中，冷喷涂的工艺参数为：主气压力为2-10Mpa，载气压力为3-10Mpa；主气加热温度为300-1000℃；喷涂距离为20-100mm；主气及载气均为惰性气体，优选地，所述惰性气体选用氮气。

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一种溅射旋转铝铜合金靶材及其制备方法

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技术领域

[0001]本发明涉及旋转靶材技术领域，具体涉及一种溅射旋转铝铜合金靶材及其制备方法。

背景技术

[0002]目前，生产的铝铜合金靶材大部分是通过拼接绑定小尺寸的平面靶材或较短的空心圆形靶材来制备大尺寸的靶材。一方面绑定加工时存在风险，存在多次绑定的可能，增加了生产成本；另一方面，由于绑定间隙的存在，靶材溅射时若发生打弧现象，将会影响镀膜质量。同时，绑定的平面靶材或旋转靶材，其利用率均偏低。常见的铝铜合金靶材，铜含量一般不超过5wt％。铜含量越高，导电性能越好，热稳定性差。而对于集成电路、半导体等行业，耐高温、耐高压及热稳定性等要求非常严格。因此，开发新型铝铜合金靶材非常有必要。发明内容

[0003]本发明的目的在于克服现有技术的不足之处而提供一种溅射旋转铝铜合金靶材及其制备方法，该靶材纯度高、相对密度大、氧含量小于1500ppm，导电性、热稳定性和耐高压性能优异。

[0004]为实现上述目的，本发明采取的技术方案如下：[0005]一种溅射旋转铝铜合金靶材，包括以下重量百分比的组分：难熔物质0.2-3wt％、铜0.5-6wt％和铝余量，所述难熔物质为熔点超过1500℃的金属或氧化物。[0006]本发明的溅射旋转铝铜合金靶材，通过添加Cu增强了导电性能；另外高稳定难熔金属或氧化物的添加，改善了靶材的抗腐蚀性能和抗氧化性能，同时抑制了铝铜合金薄膜的电迁移，增强了薄膜的强度。该靶材纯度高(≥99.9％)、相对密度大(≥95％)、氧含量小于1500ppm，具有较好的导电性、耐高温、耐高压及热稳定性。[0007]优选地，所述的溅射旋转铝铜合金靶材，包括以下重量百分比的组分：难熔物质0.8-2wt％、铜4.5-6wt％和铝余量。采用该配比制备得到的溅射旋转铝铜合金靶材，兼具更好的导电性、耐高压和耐高温性。[0008]优选地，所述难熔物质包括钽、钛、钇、氧化锆中的至少一种；所述氧化锆中含有5-7wt％钇。优选难熔物质的种类，进一步改善靶材的抗腐蚀性能和抗氧化性能。采用高温煅烧过的含5-7％钇的稳定白色粉末，可提升靶材的耐高温和耐高压性能，其中钇还能增加薄膜层的附着力。

[0009]一种上述的溅射旋转铝铜合金靶材的制备方法，包括以下步骤：[0010](1)按比例配料，通过机械混合或喷雾造粒的方式，获得目标粉末；[0011](2)以不锈钢钢管或钛管作为基管，对基管进行表面喷砂处理后，继续进行电弧打底或热喷涂处理；[0012](3)冷喷涂成型：安装处理后的基管，加入目标粉末，启动冷却装置进行冷喷涂，得到靶材；

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(4)对步骤(3)制得的靶材进行机械加工，得到成品。

[0014]本发明采用冷喷涂工艺溅射旋转铝铜合金靶材，与传统喷涂技术相比，减少了氧气及其他杂质的介入，氧含量低，良率高、粉末沉积率高。[0015]优选地，所述目标粉末的D50粒径为10-80μm，氧含量低于1500ppm，纯度为99.9％以上。

[0016]优选地，所述步骤(2)中，表面喷砂处理所用的砂为白刚玉、钢丝切丸或铸钢砂；优选地，表面喷砂处理所用的砂为铸钢砂。[0017]优选地，所述步骤(2)中，经电弧打底或热喷涂处理后的基管表面粗糙度Ra为240-500μm。

[0018]优选地，所述步骤(2)中，电弧打底所用的打底材料包括铜铝丝、镍铝丝、铜包镍粉中的至少一种；优选地，采用电弧打底方式，打底材料选用铜镍丝和铜铝丝。[0019]优选地，所述步骤(3)中，冷却装置为水冷却装置或气冷却装置，减少基管及涂层受热膨胀。更优选地，冷却装置为水冷却装置。[0020]优选地，所述步骤(3)中，冷喷涂的工艺参数为：主气压力为2-10Mpa，载气压力为3-10Mpa；主气加热温度为300-1000℃；喷涂距离为20-100mm；主气及载气均为惰性气体，优选地，所述惰性气体选用氮气。本发明通过相关工艺参数，进一步提升良率和粉末沉积率。[0021]与现有技术相比，本发明的有益效果为：[0022]本发明以高纯铝粉、铜粉及难熔金属或氧化物粉末为原料，经冷喷涂制备旋转铝铜合金靶材。本发明所用方法工艺简单、操作方便，适合大规模工业生产，制备得到的靶材纯度高(≥99.9％)、相对密度大(≥95％)，氧含量小于1500ppm。[0023]现有纯铝靶电阻率一般为(5-3)×E-4Ω/cm，镀膜时使用低温为100-160℃、低电压为300-420V)。本发明制备的铝铜合金靶材电阻率可达到(6-2)×E-6Ω/cm，温度可在200-300℃，电压可达500-650V，而电阻率越低，导电性能好。因此，本发明制备的靶材在提高导电性能的基础上又具备良好的耐高温耐高压性能，综合性能优异。具体实施方式

[0024]为更好地说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明进一步说明。本领域技术人员应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。[0025]实施例中，所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法，所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。[0026]实施例1

[0027]一种溅射旋转铝铜合金靶材，包括以下重量百分比的组分：钽0.5wt％、钇0.5wt％、铜2wt％和铝余量。

[0028]不锈钢基管上制备Al-Cu 2wt％-Ta 0.5wt％-Y 0.5wt％成分的铝铜合金靶材，具体包括以下步骤：[0029](1)采购纯度为99.9％、目数为20-40μm的铝粉、铜粉、钽粉和钇粉，按上述比例配置原料粉末，通过机械混合的方式制备D50粒径为10-80μm的目标粉末；[0030](2)以不锈钢管作为基管，并对选用的不锈钢管表面进行清洗和采用铸钢砂进行

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喷砂处理，再使用铜铝丝电弧打底，使基管粗糙度达到270-320μm；[0031](3)将处理好的基管安装在喷涂设备上，加入目标粉末，通循环水，水温5-40℃，冷喷涂形成涂层，主气及载气均为氮气，工艺参数表1所示：[0032]表1

[0033]

主气压力Mpa主气流量Slpm温度℃42300420基管转速r/min喷枪移动速度mm/s喷涂距离mm1203035[0034](4)根据所需的尺寸和精度对步骤(3)制得的靶材进行机械加工，得到成品[0035]本实施例的靶材所形成的涂层结构致密，成分均匀，无裂纹，厚度为5mm；密度95％，氧含量小于1300ppm。电阻率6×E-6Ω/cm，耐高温200-220℃。[0036]实施例2

[0037]一种溅射旋转铝铜合金靶材，包括以下重量百分比的组分：钽0.4wt％、钇0.4wt％、铜4wt％、氧化锆2wt％和铝余量。[0038]钛管上制备Al-Cu 4wt％-Ta 0.4wt％-Y 0.4wt％-ZrO2 2wt％成分的铝铜合金靶材，具体包括以下步骤：[0039](1)采购纯度为99.9％、目数为45-70μm的铝粉、铜粉、钽粉、钇粉、氧化锆粉(高温煅烧的含7wt％氧化钇的稳定粉末)，按上述比例配置原料粉末，通过机械混合的方式制备D50粒径为10-80μm的目标粉末；[0040](2)以钛管作为基管，并对选用的不锈钢管表面进行清洗和采用铸钢砂进行喷砂处理，再使用铜镍丝电弧打底，使基管粗糙度达到300-340μm；[0041](3)将处理好的基管安装在喷涂设备上，加入目标粉末，氮气风刀冷却，冷喷涂形成涂层，主气及载气均为氮气，工艺参数表2所示：[0042]表2

[0043]

主气压力Mpa主气流量Slpm温度℃4.52310460基管转速r/min喷枪移动速度mm/s喷涂距离mm1303240[0044](4)根据所需的尺寸和精度对步骤(3)制得的靶材进行机械加工，得到成品[0045]本实施例的靶材所形成的涂层结构致密，成分均匀，无裂纹，厚度为8mm；密度96％，氧含量小于800ppm。电阻率3.5×E-6Ω/cm，镀膜产品薄膜附着力为12N/mm2。[0046]实施例3

[0047]一种溅射旋转铝铜合金靶材，包括以下重量百分比的组分：钇0.8wt％、铜4wt％、氧化锆2wt％和铝余量。[0048]钛管上制备Al-Cu 4wt％-Y 0.8wt％-ZrO2 2wt％成分的铝铜合金靶材，具体包括以下步骤：[0049](1)采购纯度为99.9％、目数为45-70μm的铝粉、铜粉、钇粉、氧化锆粉(高温煅烧的

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含7wt％氧化钇的稳定粉末)，按上述比例配置原料粉末，通过机械混合的方式制备D50粒径为10-80μm的目标粉末；[0050](2)以钛管作为基管，并对选用的不锈钢管表面进行清洗和采用铸钢砂进行喷砂处理，再使用铜镍丝电弧打底，使基管粗糙度达到310-340μm；[0051](3)将处理好的基管安装在喷涂设备上，加入目标粉末，氮气风刀冷却，冷喷涂形成涂层，主气及载气均为氮气，工艺参数表3示：[0052]表3

[0053]

主气压力Mpa载气压力Mpa温度℃4.52330450基管转速r/min喷枪移动速度mm/s喷涂距离mm1503540[0054](4)根据所需的尺寸和精度对步骤(3)制得的靶材进行机械加工，得到成品。[0055]本实施例的靶材所形成的涂层结构致密，成分均匀，无裂纹，厚度为7.5mm；密度96％，氧含量小于800ppm。电阻率3.3×E-6Ω/cm，镀膜产品薄膜附着力为13N/mm2。[0056]实施例4

[0057]一种溅射旋转铝铜合金靶材，包括以下重量百分比的组分：钽0.5wt％、钇0.5wt％、铜6wt％、氧化锆2wt％和铝余量。[0058]钛管上制备Al-Cu 6wt％-Ta 0.5wt％-Y 0.5wt％-ZrO2 2wt％成分的铝铜合金靶材，具体包括以下步骤：[0059](1)采购纯度为99.9％、目数为45-70μm的铝粉、铜粉、钽粉、钇粉、氧化锆粉(高温煅烧的含7wt％氧化钇的稳定粉末)，按上述比例配置原料粉末，通过机械混合的方式制备D50粒径为10-80μm的目标粉末；[0060](2)以钛管作为基管，并对选用的不锈钢管表面进行清洗和采用铸钢砂进行喷砂处理，再使用铜镍丝电弧打底，使基管粗糙度达到300-340μm；[0061](3)将处理好的基管安装在喷涂设备上，加入目标粉末，氮气风刀冷却，冷喷涂形成涂层，主气及载气均为氮气，工艺参数表4所示：[0062]表4

[0063]

主气压力Mpa主气流量Slpm温度℃52300480基管转速r/min喷枪移动速度mm/s喷涂距离mm1503540[0064](4)根据所需的尺寸和精度对步骤(3)制得的靶材进行机械加工，得到成品[0065]本实施例的靶材所形成的涂层结构致密，成分均匀，无裂纹，厚度为8mm；密度96％，氧含量小于750ppm。电阻率2.2×E-6Ω/cm，耐高温215-245℃。[0066]实施例5

[0067]一种溅射旋转铝铜合金靶材，包括以下重量百分比的组分：钽0.1wt％、钇0.1wt％、铜0.5wt％和铝余量。

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不锈钢基管上制备Al-Cu 0.5wt％-Ta 0.1wt％-Y 0.1wt％成分的铝铜合金靶材，

具体包括以下步骤：[0069](1)采购纯度为99.9％、目数为20-40μm的铝粉、铜粉、钽粉和钇粉，按上述比例配置原料粉末，通过机械混合的方式制备D50粒径为10-80μm的目标粉末；[0070](2)以不锈钢管作为基管，并对选用的不锈钢管表面进行清洗和采用铸钢砂进行喷砂处理，再使用铜铝丝电弧打底，使基管粗糙度达到270-320μm；[0071](3)将处理好的基管安装在喷涂设备上，加入目标粉末，通循环水，水温5-40℃，冷喷涂形成涂层，主气及载气均为氮气，工艺参数表5所示：[0072]表5

[0073]

主气压力Mpa主气流量Slpm温度℃4.52320430基管转速r/min喷枪移动速度mm/s喷涂距离mm1203035[0074](4)根据所需的尺寸和精度对步骤(3)制得的靶材进行机械加工，得到成品[0075]本实施例的靶材所形成的涂层结构致密，成分均匀，无裂纹，厚度为5mm；密度95％，氧含量小于1350ppm。电阻率8×E-6Ω/cm，耐高温205-235℃。[0076]实施例6

[0077]一种溅射旋转铝铜合金靶材，包括以下重量百分比的组分：钽0.4wt％、钇0.4wt％、铜6wt％和铝余量。

[0078]不锈钢基管上制备Al-Cu 6wt％-Ta 0.4wt％-Y 0.4wt％成分的铝铜合金靶材，具体包括以下步骤：[0079](1)采购纯度为99.9％、目数为20-40μm的铝粉、铜粉、钽粉和钇粉，按上述比例配置原料粉末，通过机械混合的方式制备D50粒径为10-40μm的目标粉末；[0080](2)以不锈钢管作为基管，并对选用的不锈钢管表面进行清洗和采用铸钢砂进行喷砂处理，再使用铜铝丝电弧打底，使基管粗糙度达到290-320μm；[0081](3)将处理好的基管安装在喷涂设备上，加入目标粉末，通循环水，水温5-40℃，冷喷涂形成涂层，主气及载气均为氮气，工艺参数表6所示：[0082]表6

[0083]

主气压力Mpa主气流量Slpm温度℃52320480基管转速r/min喷枪移动速度mm/s喷涂距离mm1203035[0084](4)根据所需的尺寸和精度对步骤(3)制得的靶材进行机械加工，得到成品[0085]本实施例的靶材所形成的涂层结构致密，成分均匀，无裂纹，厚度为6.5mm；密度96％，氧含量小于700ppm，电阻率2.5×E-6Ω/cm，耐高温235-265℃。[0086]实施例7

[0087]一种溅射旋转铝铜合金靶材，包括以下重量百分比的组分：钽0.8wt％、钇

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1.2wt％、铜4.5wt％和铝余量。[0088]不锈钢基管上制备Al-Cu 4.5wt％-Ta 0.8wt％-Y 1.2wt％成分的铝铜合金靶材，具体包括以下步骤：[0089](1)采购纯度为99.9％、目数为20-40μm的铝粉、铜粉、钽粉和钇粉，按上述比例配置原料粉末，通过机械混合的方式制备D50粒径为15-45μm的目标粉末；[0090](2)以不锈钢管作为基管，并对选用的不锈钢管表面进行清洗和采用铸钢砂进行喷砂处理，再使用铜铝丝电弧打底，使基管粗糙度达到270-320μm；[0091](3)将处理好的基管安装在喷涂设备上，加入目标粉末，通循环水，水温5-40℃，冷喷涂形成涂层，主气及载气均为氮气，工艺参数表7所示：[0092]表7

[0093]

主气压力Mpa主气流量Slpm温度℃4.52315460基管转速r/min喷枪移动速度mm/s喷涂距离mm1253535[0094](4)根据所需的尺寸和精度对步骤(3)制得的靶材进行机械加工，得到成品[0095]本实施例的靶材所形成的涂层结构致密，成分均匀，无裂纹，厚度为6mm，密度95％，氧含量小于850ppm，电阻率3.1×E-6Ω/cm，耐高温245-275℃，镀膜产品薄膜附着力16.5N/mm2。

[0096]比较实施例1-5和实施例6-7结果可知，通过调整难熔物质、铜的配比，能够有效提升靶材的导电性、耐高温以及镀膜产品薄膜的附着力，其中靶材中难熔物质0.8-2wt％、铜4.5-6wt％时，靶材所形成的涂层的电阻率较低，耐高温和薄膜附着力较高。[0097]对比例1

[0098]一种溅射旋转铝铜合金靶材，包括以下重量百分比的组分：铜2wt％和铝余量。[0099]不锈钢基管上制备Al-Cu 2wt％成分的铝铜合金靶材，具体包括以下步骤：[0100](1)采购纯度为99.9％、目数为20-40μm的铝粉和铜粉，按上述比例配置原料粉末，通过机械混合的方式制备D50粒径为10-80μm的目标粉末；[0101](2)以不锈钢管作为基管，并对选用的不锈钢管表面进行清洗和采用铸钢砂进行喷砂处理，再使用铜铝丝电弧打底，使基管粗糙度达到270-320μm；[0102](3)将处理好的基管安装在喷涂设备上，加入目标粉末，通循环水，水温5-40℃，冷喷涂形成涂层，主气及载气均为氮气，工艺参数表8所示：[0103]表8

[0104]

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(4)根据所需的尺寸和精度对步骤(3)制得的靶材进行机械加工，得到成品。

[0107]本对比例靶材电阻率6.5×E-6Ω/cm，耐高温155-175℃。与实施例1的区别在于，本对比例未添加难熔金属，耐高温性能差异较大。进一步说明了本发明添加难熔金属的必要性。

[0108]对比例2

[0109]一种溅射旋转铝铜合金靶材，包括以下重量百分比的组分：钽0.5wt％、钇0.5wt％和铝余量。

[0110]不锈钢基管上制备Al-Ta 0.5wt％-Y 0.5wt％成分的铝铜合金靶材，具体包括以下步骤：[0111](1)采购纯度为99.9％、目数为20-40μm的铝粉、钽粉和钇粉，按上述比例配置原料粉末，通过机械混合的方式制备D50粒径为10-80μm的目标粉末；[0112](2)以不锈钢管作为基管，并对选用的不锈钢管表面进行清洗和采用铸钢砂进行喷砂处理，再使用铜铝丝电弧打底，使基管粗糙度达到270-320μm；[0113](3)将处理好的基管安装在喷涂设备上，加入目标粉末，通循环水，水温5-40℃，冷喷涂形成涂层，主气及载气均为氮气，工艺参数表9所示：[0114]表9

[0115]

主气压力Mpa主气流量Slpm温度℃4.52330460基管转速r/min喷枪移动速度mm/s喷涂距离mm1203030[0116](4)根据所需的尺寸和精度对步骤(3)制得的靶材进行机械加工，得到成品[0117]本对比例的靶材电阻率3×E-5Ω/cm。与实施例1的区别在于，本对比例未添加Cu元素，二者电阻率相差较大，进一步说明了本发明添加Cu的必要性。[0118]最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

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