一种晶粒高定向取向的铱溅射靶材及其制备方法

摘要

本发明公开了一种晶粒高定向取向的铱溅射靶材及其制备方法，铱溅射靶材呈现(111)晶面高定向取向，致密度不低于99.5%，晶粒尺寸1‑10 μm，氧含量100 ppm以内；所述(111)晶面与(200)晶面积分强度比不低于4。所述制备方法包括以下步骤：选择4N及以上纯度，粒度为1‑10 μm的铱粉；随后将粉末进行冷压成型；再将冷压成型的锭坯进行低温微波烧结；再将锭坯进行低温真空热压烧结进一步提高致密度；最后机加工获得靶材。本发明采用较低的烧结温度、低温真空热压技术及充氢气形成还原气氛，使得铱溅射靶材性能优异，高致密度和(111)晶面高定向取向有助于获得高溅射速率、厚度均匀的铱薄膜，制备工艺简便，条件温和易于操控，而且可大大提高了生产效率，极大地节约制备成本。

权利要求

1.一种晶粒高定向取向的铱溅射靶材，其特征在于所述铱溅射靶材呈现（111）晶面高定向取向，其致密度不低于99.5%，晶粒尺寸5 9μm；无内部缺陷，所述的（111）晶面与（200）~

晶面积分强度比4.2 4.9；薄膜溅射率1.5 2.1μm/h；所述铱溅射靶材由以下工艺制备：~ ~

（1）原料准备：选择4N 5N纯度的铱粉，粉末粒度为1～10μm；

~

（2）冷压成型：将粉末放入模具中进行冷压成型，冷压压力为100～300MPa，保压时间为

10～60min；

‑3 ‑

（3）低温微波烧结：将冷压成型的锭坯进行微波烧结，首先抽真空至1×10 ～8×103

Pa，再通入高纯氢气至1～10Pa，随后按升温速率为20～50℃/min升温至400～800℃进行微波烧结10～30min，微波频率为2.45GHz；烧结时间到达后，锭坯随炉冷却，降温至室温后，关闭氢气，取出锭坯；

（4）低温真空热压：将微波烧结后的铱靶锭坯进行真空热压烧结处理，烧结温度为500～900℃，升温速率为10～20℃/min，热压压力为100～300MPa，升温至控制温度后保温30～‑3 ‑4

60min，真空度为1×10 ～1×10 Pa，烧结时间到达后，按10 30MPa/min的降压速率降压，~

锭坯随炉冷却，降温至室温后，取出锭坯；真空烧结温度高于微波烧结温度50 200℃；

~

（5）机加工：进行机加工处理得到需要尺寸的靶材产品。

说明书

一种晶粒高定向取向的铱溅射靶材及其制备方法

技术领域

[0001] 本发明属于粉末冶金技术领域，进一步属于贵金属溅射靶材技术领域，具体涉及用于电子信息产业的晶粒高定向取向，高致密度的铱溅射靶材及其制备方法。

背景技术

[0002] 铱(Ir)为面心立方结构的铂族金属，其熔点高达2443℃，是熔点最高的一种贵金3
属，其密度高(22.65g/cm)、化学性质稳定、硬度高、高温性能好，是高温下热强度和热稳定
性最优良的金属之一，也是拥有极高熔点同时具有很强抗氧化性的金属。另外，它也是最耐
腐蚀的金属之一，能经受许多熔融试剂和高温硅酸盐的侵蚀，它能够在高温下抵御几乎所
有酸、王水、熔融金属，甚至是硅酸盐的腐蚀。

[0003] 正由于其优异的物理化学稳定性，铱薄膜在电子信息产业领域的应用越来越广泛。例如在微机电系统(MEMS)中纯铱薄膜作为上电极层(用于引出电极)及下电极层(用于
连结衬底层)，Ir‑Ta‑O复合薄膜用于集成电路中的铁电电容器的电极层等；纯铱薄膜通过
以铱溅射靶材为源材料，在氩气气氛下进行磁控溅射直接获得；而Ir‑Ta‑O复合薄膜则是采
用铱靶和钽靶，在氧气气氛下进行反应共溅射而获得。为了形成高质量的薄膜，铱靶的制备
极为关键，通常对铱溅射靶材的要求是高纯度(4N)、高致密度(达到理论密度的99％以上)，
以及细小的晶粒(1～10μm)，从而在溅射过程获得具有低缺陷密度、厚度均匀的铱薄膜。随
着现代微电子器件的细小化及结构复杂化，需要溅射薄膜的层数逐渐增加，相应的溅射工
艺变得愈加复杂，耗时延长。因此，如果能提高薄膜溅射沉积速率将有利于提高生产效率，
极大地节约成本。为此，可以分为两个方向的改进，其一是对于镀膜设备的改进如对溅射磁
场的改良设计等；其二对于溅射靶材微观结构的改进例如晶粒取向的控制等。溅射磁场的
改良设计相对比较复杂，而对靶材微观结构调整相对简单。

[0004] 检索目前的专利，主要是涉及铱丝、铱板的加工成型，而关于铱靶的制备专利很少。

[0005] 如中国专利申请，一种高密度铱合金坯及其制备方法(CN102168200A，公开日2011年8月31日)，公开了一种高密度铱合金坯及其制备方法。该发明侧重于铱合金原料的均匀
混合、合金的致密度，其制备方法是根据最终铱合金坯的成分要求，采用高能球磨机将钨
粉、钨钍合金粉和铱粉高能活化并混合均匀后置于真空烘箱中烘干，得到高能活化混合粉，
然后将高能活化混合粉经模压或冷等静压的方式压制成型，制得粉末压坯，再将粉末压坯
置于高温烧结炉中烧结(2200～2290℃)，随炉冷却得到高密度铱合金坯，相对密度达到
95％以上，该发明方法难以控制晶粒取向。

[0006] 再如，中国专利申请，一种铱合金棒材或板材的加工方法(CN102205486A，公开日2011年10月5日)，该发明方法着眼于提高铱合金的致密度，其选用热轧金属钼板做为包套
材料，包覆待加工的铱合金并进行焊接，然后加热后加工成棒材或板材，随后进行退火处
理，最后将棒材或板材置于王水中浸泡以除去包覆的热轧金属钼板，获得铱合金棒材或板
材。本发明用钼板包覆技术，使得铱合金在不受环境条件影响的条件下顺利完成加工。该发
明同样无法控制晶面取向。

[0007] 综上，现有技术的铱靶材制备方法有热锻/热轧、冷等静压加烧结、模压加烧结等，虽然通过工艺参数的调整可获得高致密度的靶材，但是难以控制靶材的晶粒取向。根据材
料学知识，我们知道靶材的晶粒取向对溅射成膜具有显著影响，例如金属密排面上的原子
密度最高、密排面之间间距最大，密排面之间的结合力相对最弱。铱的密排面为(111)晶面，
因此，需要提供一种调整铱靶材晶粒的取向趋于(111)晶面高定向取向的方法，在溅射功率
一定的条件下，有利于提高其溅射沉积速率。

发明内容

[0008] 本发明的第一目的在于提供一种具有针对(111)晶面且晶粒高定向取向的铱溅射靶材。

[0009] 本发明的另一目的在于提供一种晶粒高定向取向的铱溅射靶材的制备方法。

[0010] 本发明的第一目的是这样实现的，所述铱溅射靶材呈现(111)晶面高定向结构取向，其致密度不低于99.5％，晶粒尺寸1～10μm，氧含量100ppm以内。

[0011] 本发明的另一目的是这样实现的，包括原料准备、冷压成型、低温微波烧结及低温真空热压，具体包括以下步骤：

[0012] (1)原料准备：选择4N及以上纯度的铱粉，粉末粒度为1～10μm；

[0013] (2)冷压成型：将粉末放入模具中进行冷压成型，冷压压力为100～300MPa，保压时间为10～60min；

[0014] (3)低温微波烧结：将冷压成型的锭坯进行微波烧结，首先抽真空至1x10‑2～1x10‑3
Pa，再通入高纯氢气至1～10Pa,随后升温至烧结温度400～800℃进行烧结，其中微波频率
为2.45GHz，升温速率为10～50℃/min，烧结时间为10～30min，烧结时间到达后，锭坯随炉
冷却，降温至室温后，关闭氢气，取出锭坯；

[0015] (4)低温真空热压：将微波烧结后的锭坯进行真空热压烧结处理，烧结温度为400～900℃，升温速率为10～30℃/min，热压压力为100～300MPa，烧结时间为30～60min，真空
‑3 ‑4
度为1x10 ～1x10 Pa，烧结时间到达后，按10～30MPa/min的降压速率降压，锭坯随炉冷
却，降温至室温后，取出锭坯；

[0016] (5)机加工：进行机加工处理得到需要尺寸的靶材产品。

[0017] 本发明采用低温微波烧结+低温真空热压技术的两步组合技术方案，即通过烧结温度和烧结时间的有效控制，获得致密的具有(111)晶面择优取向的铱靶。本方案的优势在
于：其一，相较于传统的高温锻造/轧制或者高温烧结方法比(1500～2300℃)，本方案较低
的烧结温度(400～900℃)有效限制了晶粒长大；其二，采用低温真空热压技术既不改变微
波烧结形成的择优取向结果，又进一步提高了靶材的致密度；其三，在微波烧结过程中充入
氢气，形成了还原气氛，有助于控制靶材中的氧含量。以上三点也就是本发明之两步法可获
得高致密度和(111)晶面择优取向的铱靶材，其(111)密排面择优取向在随后的溅射过程
中，获得了具有高溅射速率、膜厚均匀的铱薄膜，而且大大提高了生产效率，极大地节约了
成本。

具体实施方式

[0018] 下面结合实施例对本发明作进一步的说明，但不以任何方式对本发明加以限制，基于本发明教导所作的任何变换或替换，均属于本发明的保护范围。

[0019] 本发明一种晶粒高定向取向的铱溅射靶材，所述铱溅射靶材呈现(111)晶面高定向取向，其致密度不低于99.5％，晶粒尺寸1～10μm，氧含量100ppm以内。

[0020] 所述的(111)晶面与(200)晶面积分强度比不低于4。

[0021] 本发明制备晶粒高定向取向的铱溅射靶材的方法，包括原料准备、冷压成型、低温微波烧结及低温真空热压，具体包括以下步骤：

[0022] (1)原料准备：选择4N及以上纯度的铱粉，粉末粒度为1～10μm；

[0023] (2)冷压成型：将粉末放入模具中进行冷压成型，冷压压力为100～300MPa，保压时间为10～60min；

[0024] (3)低温微波烧结：将冷压成型的锭坯进行微波烧结：首先抽真空至1x10‑2～1x10‑3
Pa，再通入高纯氢气至1～10Pa,随后升温至烧结温度400～800℃进行烧结，其中，微波频
率为2.45GHz；

[0025] (4)低温真空热压：将微波烧结后的锭坯进行真空热压烧结处理，烧结温度为400～900℃，升温速率为10～30℃/min，热压压力为100～300MPa，烧结时间为30～60min，真空
‑3 ‑4
度为1x10 ～1x10 Pa，烧结时间到达后，按10～30MPa/min的降压速率降压，锭坯随炉冷
却，降温至室温后，取出锭坯；

[0026] (5)机加工：进行机加工处理得到需要尺寸的靶材产品。

[0027] 所述步骤3中升温速率为10～50℃/min。

[0028] 所述步骤3中烧结时间为10～30min。

[0029] 所述步骤3中，烧结时间到达后，锭坯随炉冷却，降温至室温后，关闭氢气，取出锭坯。

[0030] 所述步骤4中的烧结温度比步骤3的烧结温度高50～200℃。

[0031] 实施例1

[0032] 一种晶粒高定向取向的铱溅射靶材的制备，(1)选择4N纯度的铱粉，粉末粒度为1～10μm，平均粒径5μm；(2)将粉末放入模具中进行冷压成型，冷压压力为150MPa，保压时间
‑
为30min；(3)将冷压成型的锭坯进行微波烧结，微波频率为2.45GHz，首先抽真空至8x10
3
Pa，再通入高纯氢气至3Pa,随后以30℃/min的升温速率升温至烧结温度400℃进行烧结，
烧结10min，烧结时间到达后，锭坯随炉冷却，降温至室温后，关闭氢气，取出锭坯；(4)将微
波烧结后的锭坯进行真空热压烧结处理，升温速率为10℃/min，烧结温度为500℃，热压压
‑3
力为180MPa，到温后保温时间为35min，真空度为1x10 Pa，保温时间到达后，按18MPa/min的
降压速率降压，锭坯随炉冷却，降温至室温后，取出锭坯；(5)机加工处理得到需要尺寸的铱
溅射靶材产品，其性能指标见表1。

[0033] 实施例2

[0034] 一种晶粒高定向取向的铱溅射靶材的制备，(1)选择4N5纯度的铱粉，粉末粒度为1～10μm，平均粒径5μm；(2)将粉末放入模具中进行冷压成型，冷压压力为100MPa，保压时间
‑
为10min；(3)将冷压成型的锭坯进行微波烧结：微波频率为2.45GHz，首先抽真空至1x10
3
Pa，再通入高纯氢气至1Pa,随后以40℃/min的速率升温至烧结温度500℃进行烧结，烧结
10min，烧结时间到达后，锭坯随炉冷却，降温至室温后，关闭氢气，取出锭坯；(4)将微波烧
结后的锭坯进行真空热压烧结处理，升温速率为20℃/min，烧结温度为550℃，热压压力为
‑3
100MPa，到温后保温时间为30min，真空度为1x10 Pa，保温时间到达后，按10MPa/min的降压
速率降压，锭坯随炉冷却，降温至室温后，取出锭坯；(5)机加工处理得到需要尺寸的铱溅射
靶材产品，其性能指标见表1。

[0035] 实施例3

[0036] 一种晶粒高定向取向的铱溅射靶材的制备，(1)选择5N纯度的铱粉，粉末粒度为1～10μm，平均粒径6μm；(2)将粉末放入模具中进行冷压成型，冷压压力为210MPa，保压时间
‑
为20min；(3)将冷压成型的锭坯进行微波烧结：微波频率为2.45GHz，首先抽真空至1x10
3
Pa，再通入高纯氢气至5Pa,随后以20℃/min的速率升温至烧结温度600℃进行烧结，烧结
时间为20min，烧结时间到达后，锭坯随炉冷却，降温至室温后，关闭氢气，取出锭坯；(4)将
微波烧结后的锭坯进行真空热压烧结处理，升温速率为15℃/min，烧结温度为650℃，热压
‑4
压力为210MPa，到温后保温时间为40min，真空度为1x10 Pa，保温时间到达后，按30MPa/min
的降压速率降压，锭坯随炉冷却，降温至室温后，取出锭坯；(5)机加工处理得到需要尺寸的
铱溅射靶材产品，其性能指标见表1。

[0037] 实施例4

[0038] 一种晶粒高定向取向的铱溅射靶材的制备，(1)选择4N5纯度的铱粉，粉末粒度为1～10μm，平均粒径7μm；(2)将粉末放入模具中进行冷压成型，冷压压力为250MPa，保压时间
‑
为20min；(3)将冷压成型的锭坯进行微波烧结：微波频率为2.45GHz，首先抽真空至6x10
3
Pa，再通入高纯氢气至7Pa,随后以30℃/min的速率升温至烧结温度700℃烧结25min，烧结
时间到达后，锭坯随炉冷却，降温至室温后，关闭氢气，取出锭坯；(4)将微波烧结后的锭坯
进行真空热压烧结处理，升温速率为15℃/min，烧结温度为800℃，热压压力为250MPa，到温
‑3
后保温时间为50min，真空度为1x10 Pa，保温时间到达后，按25MPa/min的降压速率降压，锭
坯随炉冷却，降温至室温后，取出锭坯；(5)机加工处理得到需要尺寸的铱溅射靶材产品，其
性能指标见表1。

[0039] 实施例5

[0040] 一种晶粒高定向取向的铱溅射靶材的制备，(1)选择4N8的铱粉，粉末粒度为1～10μm，平均粒径8μm；(2)将粉末放入模具中进行冷压成型，冷压压力为300MPa，保压时间为
‑3
60min；(3)将冷压成型的锭坯进行微波烧结，微波频率为2.45GHz，首先抽真空至1x10 Pa，
再通入高纯氢气至10Pa,随后以50℃/min的速率升温至烧结温度800℃进行烧结，烧结
30min，烧结时间到达后，锭坯随炉冷却，降温至室温后，关闭氢气，取出锭坯；(4)将微波烧
结后的锭坯进行真空热压烧结处理，升温速率为20℃/min，烧结温度为900℃，热压压力为
‑4
300MPa，烧结时间为60min，真空度为1x10 Pa，保温时间到达后，按15MPa/min的降压速率降
压，锭坯随炉冷却，降温至室温后，取出锭坯；(5)机加工处理得到需要尺寸的铱溅射靶材产
品，其性能指标见表1。

[0041] 对比例1

[0042] 一种铱溅射靶材的制备，对比例1与实施例1相比，步骤1‑3都相同，缺少实施例1中的步骤4：选择4N纯度的铱粉，粉末粒度为1～10μm，平均粒径5μm；随后将粉末放入模具中进
行冷压成型，冷压压力为150MPa，保压时间为30min；随后将冷压成型的锭坯进行微波烧结，
‑3
微波频率为2.45GHz，首先抽真空至8x10 Pa，再通入高纯氢气至3Pa,随后以30℃/min的升
温速率升温至烧结温度400℃进行烧结，烧结10min，烧结时间到达后，锭坯随炉冷却，降温
至室温后，关闭氢气，取出锭坯；最后进行机加工处理得到需要尺寸的铱溅射靶材产品，其
性能指标见表1。

[0043] 对比例2

[0044] 一种铱溅射靶材的制备，对比例2与实施例1相比，步骤1、2、4都相同，对比例2缺少实施例1中的步骤3：选择4N纯度的铱粉，粉末粒度为1～10μm平均粒径5μm；；随后将粉末放
入模具中进行冷压成型，冷压压力为150MPa，保压时间为30min；将锭坯进行真空热压烧结
处理，升温速率为10℃/min，烧结温度为500℃，热压压力为180MPa，到温后保温时间为
‑3
35min，真空度为1x10 Pa，保温时间到达后，按18MPa/min的降压速率降压，锭坯随炉冷却，
降温至室温后，取出锭坯；最后进行机加工处理得到需要尺寸的铱溅射靶材产品，其性能指
标见表1。

[0045] 对比例3

[0046] 一种铱溅射靶材的制备，对比例3与实施例5相比，步骤1、2、3都相同，对比例3中步骤4中真空热压温度为1000℃：选择4N8的铱粉，粉末粒度为1～10μm，平均粒径8μm；将粉末
放入模具中进行冷压成型，冷压压力为300MPa，保压时间为60min；将冷压成型的锭坯进行
‑3
微波烧结：微波频率为2.45GHz，首先抽真空至1x10 Pa，再通入高纯氢气至10Pa,随后以50
℃/min的速率升温至烧结温度800℃进行烧结，烧结30min，烧结时间到达后，锭坯随炉冷
却，降温至室温后，关闭氢气，取出锭坯；将微波烧结后的锭坯进行真空热压烧结处理，升温
速率为20℃/min，烧结温度为1000℃，热压压力为300MPa，烧结时间为60min，真空度为
‑4
1x10 Pa，保温时间到达后，按15MPa/min的降压速率降压，锭坯随炉冷却，降温至室温后，取
出锭坯；最后进行机加工处理得到需要尺寸的铱溅射靶材产品，其性能指标见表1。

[0047] 对比各实施例与对比例靶材的性能参数，结果见表1。

[0048] 表1不同实施例及对比例的性能评价(数据)

[0049]

[0050] 注：1、溅射条件为直流磁控溅射，溅射功率为400W，Ar气压力为5Pa，沉积温度为室温，基底为单晶硅片。

[0051] 从表1可知，对比例1获得的溅射铱薄膜的溅射速率虽然与实施例1差异不大，但能观察到明显颗粒/孔洞缺陷；而对比例2中获得的靶材铱薄膜溅射速率明显小于实施例1，且
能观察到明显颗粒/孔洞缺陷；对比例3虽然溅射成膜无明显孔洞和缺陷，但是由于其真空
热压温度达到1000℃，从而使得其晶粒尺寸增大，并且(111)晶面择优取向减弱，从而溅射
速率明显低于实施例5；实施例1‑5中靶材产品溅射得到的铱薄膜溅射速率快，且未观察到
明显颗粒/孔洞缺陷，并且(111)晶面定向性明显优于对比例，所有实施例的膜厚均匀性优
于对比例，所得到材料的性能远远优于对比例及现有技术。