СПОСОБ ПОЛУЧЕНИЯ ВЫСОКОЧИСТОГО КОБАЛЬТА ДЛЯ РАСПЫЛЯЕМЫХ МИШЕНЕЙ
PROCEDURE FOR PRODUCTION OF HIGH PURITY COBALT FOR SPUTTERING TARGET

Изобретение относится к области металлургии цветных металлов и может быть использовано при производстве распыляемых магнетронных мишеней, предназначенных для использования в технологии производства кремниевых интегральных схем в микроэлектронике.
Из уровня техники известен способ производства распыляемых мишеней из высокочистого кобальта (US Patent №6391172 от 21.05.2002), в соответствии с которым металлический кобальт определенной чистоты подвергают холодной деформации в течение нескольких часов, в результате чего в металле образуется определенная микроструктура. К сожалению, несмотря на мелкозернистую структуру продукта чистота кобальта по многим примесям оказывается явно недостаточной. Известен способ (US PTO Patent Application № 20070180953) получения высокочистого кобальта, в соответствии с которым предлагается производить высокочистый кобальт хлоридным способом с последующей плазменно-дуговой плавкой с целью компактирования и очистки от газовых и легких примесей с помощью активного водорода в плазме. Недостатком этого способа является то, что в хлоридном процессе удаление примесей сильно зависит от выбора материала и емкости реакционного сосуда, соотношения хлора и исходного металла, подбора температуры для осаждения и чистоты исходного продукта. Кроме того, в исходном продукте присутствуют газовые примеси, негативно влияющие на эффективность процесса, а примеси, близкие по своим химическим свойствам к кобальту, удаляются крайне неэффективно. Использование плазменно-дугового метода для плавления и очистки исходных порошков также малоэффективно, поскольку металл такой плавки имеет неудовлетворительную структуру, а удаление легких примесей с помощью активного водорода вообще представляется маловероятным. Известен способ получения высокочистого кобальта для распыляемых мишеней [патент РФ №2370558, 26.06.2008], в соответствии с которым обрабатываемый материал в виде порошка хлорида кобальта помещают в реактор из огнеупорного материала, разогревают до температуры 700-750°С, пропускают через реактор осушенный водород для гетерогенного восстановления хлорида кобальта до порошка металлического кобальта, в том же реакторе восстановленный порошок металлического кобальта разогревают до температуры 600-650°С, пропускают через реактор поток хлора со скоростью 100 мл/мин в течение 30 мин для неполного хлорирования металлического кобальта с преимущественным образованием хлоридов легколетучих примесей, порошок металлического кобальта прессуют в пруток, подвергают электронной вакуумной зонной перекристаллизации до получения кристаллов высокочистого кобальта, полученные кристаллы подвергают электронному вакуумному переплаву в охлаждаемом кристаллизаторе с каждой стороны на всю глубину не менее двух раз до получения плоского слитка со структурой высокого качества. Этот способ хорошо реализован на практике и позволил с большой уверенностью получать распыляемые мишени высокого качества. В то же время высокая сложность и соответственно большая продолжительность указанного технологического процесса вынуждает вести поиск более простых схем производства с сохранением высокого качества продукта.
Техническая задача - разработка высокотехнологического процесса получения высокочистого кобальта для производства распыляемых мишеней для тонкопленочной металлизации.
Это достигается тем, что в способе получения высокочистого кобальта для распыляемых мишеней, включающем восстановление хлорида кобальта водородом при нагревании до получения металлического кобальта в виде порошка или губки, прессование их в пруток, электронную вакуумную перекристаллизацию прутка до получения кристаллов металлического кобальта, электронный переплав полученных кристаллов в охлаждаемом кристаллизаторе с каждой стороны на всю глубину не менее двух раз для получения плоского слитка кобальта высокого структурного качества, перед восстановлением хлорид кобальта подвергают зонной сублимации с пропусканием потока влажного аргона со скоростью 100 мл/мин навстречу перемещения зоны сублимации шириной 50 мм с длиной первоначальной засыпки 500 мм и скоростью перемещения зоны сублимации 50 мм/ч в 10 проходов при температуре 940-960°С, после зонной сублимации отделяют 90-95% начальной части слитка хлорида кобальта и восстановлению подвергают отделенную часть слитка хлорида кобальта при температуре 750-780°С в течение 1 часа.
2
2
3
2
Способ получения высокочистого кобальта для распыляемых мишеней осуществляется следующим образом. Порошок хлорида кобальта помещают в реактор и производят зонную сублимацию, которая сочетается с пропусканием потока влажного аргона со скоростью 100 мл/мин. Аргон пропускается через барботер с водой при комнатной температуре и подается навстречу перемещения зоны сублимации шириной 50 мм, вследствие чего за 10 проходов зона сублимации перемещается по всей длине первоначальной засыпки, равной 500 мм. Температура в зоне сублимации поддерживается в интервале 940-960°С. При скорости перемещения зоны сублимации 50 мм/ч зонная сублимация завершается за 10 часов. В этих условиях в зоне сублимации кроме чисто кристаллизационных процессов очистки происходит высокотемпературный гидролиз легкогидролизуемых хлоридов примесей, таких как NiCl, FeCl, FeCl, CuCl и др. Совмещение этих двух процессов существенно повышает эффективность очистки. Образующиеся нелетучие оксиды примесей остаются в реакторе на месте первоначальной засыпки, а очищаемый хлорид кобальта перемещается вдоль реактора по направлению потока аргона на длину, равную длине первоначальной засыпки хлорида кобальта. После 10 проходов зоной сублимации производят отделение начальной и средней частей слитка, как наиболее чистых, и подвергают их гетерогенному восстановлению водородом при температуре 750-780°С в течение 1 часа до получения металлического кобальта в виде порошка и губки. Полученный металлический кобальт прессуют в пруток, который подвергают электронной вакуумной перекристаллизации до получения кристаллов высокочистого кобальта. Необходимое количество кристаллов помещают в плоский водоохлаждаемый кристаллизатор и подвергают электронному переплаву с каждой стороны на всю глубину не менее двух раз для получения плоского слитка высокого структурного качества.
Пример реализации способа.
В качестве исходного материала использовали порошок хлорида кобальта марки ОСЧ. Навеску порошка хлорида кобальта помещали в кварцевый реактор и производили зонную сублимацию с пропусканием потока влажного аргона при скорости 100 мл/мин. Аргон подавали навстречу перемещения зоны сублимации, имеющей ширину 50 мм. Длина первоначальной засыпки хлорида кобальта составляла 500 мм. Скорость перемещения зоны сублимации составляла 50 мм/ч при температуре 940-960°С. После 10 проходов зоной сублимации, слиток хлорида кобальта удаляли из кварцевого реактора, отделяли 90-95% начальной части слитка хлорида кобальта, и этот материал подвергали восстановлению. Восстановление хлорида кобальта проводили в кварцевых лодочках в токе осушенного водорода при температуре 750-780°С. В результате этой процедуры происходило гетерогенное восстановление хлорида кобальта с получением металлического кобальта в виде порошка и губки, которые прессовали в прутки квадратного сечения для последующей электронной перекристаллизации в вакууме. Элементный анализ проводили с помощью масс-спектрометра с ионизацией пробы в индуктивно связанной плазме, а также с помощью атомно-эмиссионного анализа с индуктивно связанной плазмой. Приготовление магнетронных мишеней различной конструкции производили в специальном охлаждаемом кристаллизаторе, смонтированном в вакуумной плавильной установке с аксиальной электронной пушкой большой мощности. В кристаллизатор помещали необходимое по массе количество прутков высокочистого кобальта и производили вакуумный переплав до получения плоского слитка в виде «блина», причем проплавление слитка с каждой стороны производили на полную глубину не менее двух раз. На основе проведенного элементного анализа установлено, что предложенный способ получения высокочистого кобальта позволил производить кобальт высокой чистоты, который сравним по качеству с материалом, производимым по известной технологической схеме, однако временные затраты на получение аналогичной массы финишного продукта в виде мишеней оказались значительно ниже вследствие большей технологичности предлагаемого процесса. Так, увеличение временных затрат за счет зонной сублимации легко компенсировалось существенным снижением примесей в результате использования этой операции и сокращением продолжительности последующих операций очистки и формирования распыляемых мишеней - электронной вакуумной перекристаллизации и электронному вакуумному переплаву.