[发明专利]利用倾斜轧制控制板材和片材织构的方法和设备

说明书

本申请是申请日为2008年8月6日、申请号为200880101947.4、发明名称为“利用倾斜轧制控制板材和片材织构的方法和设备”的发明专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及加工方法和设备，用于制造具有剪切织构或最小厚度方向织构梯度或这二者的板材和片材。

背景技术

板材或片材的结晶织构在许多应用场合扮演着重要角色。结晶织构对于用于沉积薄膜的溅射靶的性能而言至关重要，这是因为溅射速率取决于结晶织构。

由具有非均匀结晶织构的溅射靶沉积薄膜的均匀度不能令人满意。只有在整个体积内都具有均匀织构的板材才能获得最佳性能。

靶中晶粒的溅射速率取决于晶粒的晶面相对于表面的取向(参看Zhang等人的“Effect of Grain Orientation on Tantalum Magnetron Sputtering Yield”,J.Vac.Sci.Technol.A24(4),2006年7/8月刊)；相对于板材法向的每个取向的溅射速率是不同的。另外，某些结晶方向是溅镀原子飞行的优选方向(参看Wickersham等人的“Measurement of Angular Emission Trajectories for Magnetron-Sputtered Tantalum”,J.Electronic Mat.,Vol34,No12,2005)。溅射靶的晶粒是如此之小(典型地具有50-l00μm直径)，因而任何单个晶粒的取向都没有显著作用。然而，在大区域内(大约5cm至10cm直径的区域)的织构可能就会有显著作用。因此，如果靶表面上的一个区域内的织构不同于任何其它区域内的织构，所产生的膜的厚度难以在整个基板上都是均匀的。另外，如果某个表面区域内的织构不同于靶板材的同一区域在某个深度处的织构，在后续基板(在靶被使用或腐蚀到该深度后)上产生的膜的厚度容易不同于第一基板上产生的膜的厚度。

这样，只要一个区域中的织构类似于任何其它区域中的织构即可，而织构是什么织构并不重要。换言之，每个晶粒的111晶向平行于板材法向方向(ND)的靶板材不比每个晶粒的100晶向平行于ND的靶板材更好或更差，也不比由100、111和其它晶向的晶粒的混合体构成的靶板材更好或更差，只要混合体中的比例在不同区域之间保持恒定即可。

膜厚度的均匀度也是重要的。对于集成电路，举例来说，它们几百个在硅晶片上同时产生，在某个点太薄的膜将不能提供重复的扩散屏蔽膜，而在另一点太厚的膜将挡住通孔或沟，或者如果是在后续步骤中将被去除的区域，则可能导致无法去除。如果沉积膜的厚度不在设计者规定的范围内，则器件可能无法装配使用，并且从制造直至测试阶段的全部成本都浪费了，因为通常不可能进行修复或改造。

如果靶不具有均匀织构，并且因此而不提供可预测的均匀溅射速率，则利用现有技术水平的溅镀设备，不可能控制基板上的某点到另一点的厚度变化。利用测试件，可实现在基板与基板之间、靶与靶之间局部的而非全局的厚度变化控制。然而，利用测试件，是耗时且高成本的。

对于根据现有技术制造的靶，靶板材的织构中的非均匀度会导致在溅射速率(定义为对应于每个入射氩离子从靶上打下的钽原子的平均数量)方面的不可预期性或可变性，导致产生在特定基板上的膜的厚度变化，以及不同基板之间、不同靶之间的膜厚度变化。

结晶织构还会影响材料的机械性能。这是因为各向异性材料的单晶的机械性能在沿不同方向测试时存在差异。尽管单晶材料在各种场合被使用，但实际中使用的大多数材料是由许多晶粒构成的多晶的。如果形成多晶的晶粒具有优选取向(即结晶织构)，则材料趋向于表现为类似于具有相似取向的单晶。材料的可成型性取决于材料的机械性能，而机械性能又在很大程度上取决于结晶织构。

其它材料特性例如磁渗透性也会受到结晶织构的影响。例如，结晶织构是影响晶粒取向硅钢的性能的重要因素，硅钢主要用作变压器和其它电机的铁心。改进的磁特性，例如晶粒取向硅钢的高磁渗透性，导致能量节约。为实现良好的磁特性，晶粒取向硅钢应当具有强<110>//ND和<100>//RD(轧制方向)织构(高斯取向)，这样就容易沿轧制方向磁化。

材料被塑性变形时会产生结晶织构，并且塑性变形只会沿着那些在变形过程中变成活性的滑移系统（滑移系统）发生。法向和剪切应变成分，以及其它参数例如温度，决定了哪个滑移系统变成活性的。滑移系统的活性化导致晶粒朝向特定取向转动，从而产生结晶织构。材料最终的结晶织构主要取决于初始织构和材料中发生的应变。