超高纯Cu-Mn合金轧制与退火过程中微观组织与织构的研究

摘要

随着集成电路的发展，金属化布线宽度越来越细，铜取代铝作为金属化布线材料成为必然趋势。高纯铜合金靶材在作为一种新兴的电子材料在集成电路工业中得到越来越多的应用。高纯Cu-Mn合金在溅射过程中能形成自扩散阻挡层，能作为合金化的新一种材料在靶材制造中慢慢凸显其优势，所以其形变、热处理过程中的研究对于现代半导体工业技术发展来说也是不可缺少的。
　　本文结合金相显微镜(OM)、显微硬度、X射线衍射(XRD)等分析手段，系统研究了超高纯Cu-0.4％Mn合金单向轧制和交叉轧制过程中微观组织结构及织构演变特征；同时考察了单向轧制和交叉轧制超高纯Cu-0.4%Mn合金退火过程中微观组织结构及织构的演变。对交叉轧制超高纯Cu-0.4%Mn合金变形及退火状态下的微观组织及织构均匀性进行了深入研究。
　　研究得到如下结论：
　　①样品经过单向轧制原始材料中的粗大晶粒被破碎，组织呈现纤维状结构，并且随着变形量的增大，纤维组织间的宽度越来越窄，变形纤维组织与轧制方向几乎平行一致。织构由原始状态下的近似立方织构，随变形量的增大逐渐转变为铜型织构{112}<111>，当变形量增大到86%，转变为典型的黄铜织构{110}<112>。
　　②单向轧制样品在450℃开始再结晶，随着温度的增加再结晶晶粒逐渐增多，到500℃时已基本完成再结晶，组织中大多数为等轴晶。在350℃时，整个样品的织构类型为变形态的黄铜织构。退火过程中，随着退火温度的增加，再结晶的发生，织构出现随机化的趋势，当温度增大达500℃时，再结晶基本完成，表现为微弱织构。当温度到达600℃时，晶粒出现立方织构，说明了取向长大的特征。单向轧制后所得样品经过在450℃下不同时间内退火，发现随着退火时间的增加，再结晶晶粒逐渐增多；织构组分由于经过再结晶过程而从变形织构转向再结晶织构类型。
　　③交叉轧制下，晶粒也有所被破坏，并且随着变形程度的增加产生变形纤维组织，与单向轧制相比，交叉轧制后的变形纤维组织宽度较为均匀，当变形增加到80%时组织更为均匀。中高变形状态下（63%），交叉轧制主要的织构类型为{110}<111>，相较于单向轧制，在同样的变形条件下，交叉轧制出现了高斯织构{110}<001>，强度较高。同时整个样品中出现了较为少量的R织构{123}<412>，这是单向轧制所没有的织构组分。当变形量增加到80%时，{110}<111>织构依然为主导织构类型，同时，高斯织构显著减少，与单向轧制织构一样，此时开始出现黄铜织构。交叉轧制高纯铜锰合金板材在经过不同退火时间后，随着时间的增加再结晶晶粒逐渐增多，到120min时已基本完成再结晶，组织中大多数为等轴晶，还有一些较为细长的晶粒。{001}<100>织构呈现随退火温度的升高逐渐减弱的趋势。
　　④均匀性研究中发现：交叉轧制中沿径向方向不同部位组织表现较为相似，但略有差异，靠近中心的部分组织中变形带宽度较表面处均匀一致，总得宽度也比较细小，并无表面处的宽大。在表面处的织构类型为{112}<111>的铜型织构和一定量的S织构{132}<643>，但是未发现黄铜型织构。而靠近中心织构类型较为相似，为黄铜织构{110}<112>和铜型织构由此可知整个样品沿径向方向有所区别。
　　⑤交叉轧制所得试样在经过不同温度退火后也发现同单向与交叉轧制类似的结果，不过沿厚度方向组织越来越均匀。400℃时黄铜织构较350℃下有明显减少，此时并无高斯织构出现，在温度升到450℃时，黄铜织构下降，高斯织构开始出现，但是总量不大，此时已经出现{001}<100>织构。当温度增加到600℃时，高斯织构与立方织构开始大幅度增加。轧制所得试样在经过不同退火时间后也发现同单向与交叉轧制类似的结果，不过沿厚度方向组织越来越均匀。400℃的残留下的变形态织构类型，黄铜织构极大的降低，铜型织构随退火时间的增加逐渐有上升的趋势。整个退火中，高斯织构随时间的增加的增大，最终出现{001}<110>织构类型。

目录

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目录

1 绪 论

1.1 引言

1.2 集成电路用高纯金属和合金互联线及溅射靶材概述

1.2.1 超高纯金属及合金互连线靶材材料的应用与发展

1.2.2 超高纯铜及合金靶材微观结构与性能

1.2.3 超高纯铜及合金靶材的制备及加工工艺

1.3 形变及再结晶织构理论基础

1.4 铜及铜合金织构与加工工艺对铜合金塑性变形行为与织构的影响

1.4.1 铜及铜合金的轧制织构

1.4.2 铜及铜合金的再结晶织构

1.4.3 加工工艺对铜合金织构的影响

1.5 课题研究目的意义、主要内容

2 实验材料及方法手段

2.1 试样制备过程

2.1.1 试验使用的材料

2.1.2课题技术路线

2.1.3 均匀性研究交叉轧制

2.1.4 单向轧制与交叉轧制对照实验

2.2 检测与分析

2.2.1 显微硬度测试

2.2.2 金相组织观察

2.2.3 X射线衍射（XRD）

2.3 本章小结

3 高纯铜锰合金变形及退火过程中组织结构及织构演变

3.1 引言

3.2 原始样品组织和织构

3.3 变形过程中组织与织构变化

3.3.1 单向轧制过程中组织变化

3.3.2 单向轧制过程中织构变化

3.3.3 单向轧制下不同退火温度后的微观组织结构与织构演变

3.3.4 单向轧制下不同退火时间的微观组织结构与织构演变

3.4 交叉轧制过程中的微观组织与织构变化

3.4.1 交叉轧制过程中组织变化：

3.4.2 交叉轧制过程中织构演变

3.4.3 交叉轧制下不同退火温度后的微观组织结构与织构演变

3.4.4交叉轧制下不同退火时间的微观组织结构与织构演变

3.5 本章小结

4 交叉轧制过程中微观组织及织构演变的均匀性研究

4.1 均匀性研究交叉轧制微观组织与织构演变

4.1.1 均匀性研究交叉轧制微观组织变化

4.1.2 均匀性研究交叉轧制织构变化

4.2 交叉轧制下不同退火温度后的微观组织结构与织构演变

4.3 交叉轧制下不同退火时间的微观组织结构与织构演变

4.4 本章小结

5 结 论

致谢

参考文献