高纯钨是一种制造集成电路的基本材料.材料形状可以是箔膜,薄片,靶材,细丝,绝缘线,直棒,圆管,粉末,单晶体等.广泛用作半导体大规模集成电路的门电路电极材料、布线材料和屏蔽金属材料.

简介

微电子技术中大规模集成电路集成度的提高对材料提出了更高要求,传统的Si基器件已不再适用.高纯钨或超纯钨(5N或6N)由于具有高电子迁移抗力、高温稳定性以及非常高的电子发射系数,广泛用作半导体大规模集成电路的门电路电极材料、布线材料和屏蔽金属材料.高纯金属钨靶是制造集成电路的基本材料之一,其市场前景与集成电路发展密切相关;若钨靶纯度不高,将造成大规模集成电路的作业可靠性降低,甚至产生泄电现象.采用高纯钨,可减少甚至消除有害杂质的影响,提高终端产品的性能.

性质

高纯钨的纯度达到%记为5N和6N的纯钨.它的各种杂质元素含量应在(～1000)×10-12之间,对于某些杂质元素的含量,如碱金属元素、重金属元素和气体元素等还分别有特殊的要求.

制备

高纯钨的制备方法可分为粉末冶金法、熔炼法和化学气相沉积法.

粉末冶金法

粉末冶金法是指钨粉经过成形后,加热到其熔点下的某个温度,通过物质迁移完成致密化的过程,最终可得到钨坯或某些形状简单的钨制品.

熔炼法

熔炼法是指将钨原料加热到其熔点以上形成液相,去除杂质后再冷却凝固实现致密化的过程,根据所采用的手段不同,具体方法有真空自耗电弧熔炼法、电子束熔炼法和等离子束熔炼法等.

化学气相沉积法

化学气相沉积是指以钨化合物气体(一般为WF6)为钨源,在一定温度下被H2还原,将生成的钨沉积在特定的基底上,沉积完成后去除基底材料获得致密钨坯(或者制品)的过程.

用途

高纯钨及其硅化物用于超大规模集成电路作为电阻层、扩散阻挡层等以及在金属氧化物半导体型晶体管中作为门材料及连接材料等 .

高纯钨中痕量杂质的检测

高纯钨中痕量元素的测定是评价高纯钨性能的重要标准,降低痕量元素的测定下限和增加痕量元素的测定数目,提高测量的精确度和灵敏度是高纯钨检测工艺的主要攻关方向.高纯金属中痕量元素的检测常用手段有光谱分析、质谱分析、中子分析等.随着材料纯度的提高,传统的光谱分析以及中子分析所测元素的量及分析灵敏度均不能满足6N 钨粉的分析要求,而质谱分析在高纯钨中痕量杂质的检测方面发挥着越来越重要的作用.

电感耦合等离子质谱法( ICP-MS) 测定方法是新一代痕量分析技术,具有检测限低、能进行多元素同时分析等优点,但仍存在基体效应的干扰问题.

北京有色金属研究院采取预分离富集技术,借助离子色谱分离基体,降低基体对杂质检测的干扰,利用膜去溶装置吹扫溶剂有效地降低了ICP-MS检测过程中氧化物的产率,精确地测定了6N 钨粉中的杂质.

与ICP-MS 法相比,辉光放电质谱法(GDMS)具有可对固体样品直接测量、样品制备简单的优点,同时避免了ICP-MS法溶样过程中难溶元素的损失和污染的引入,可更有效地应用于6N及以上高纯钨的全面分析检测.随着仪器灵敏度、分辨率、稳定性等的进一步提高,GD-MS作为对超纯样品直接分析的质谱方法将得到更广泛的应用 .

研究与展望

随微电子工业和光电技术的发展,高纯钨的用途日益增加,其中5N及以上高纯钨年消耗量为500t,预计到2020年其消耗量将增加到1200t,需求量日益增加,同时对W的纯度也将提出更高要求.由于W产品高纯度化和新功能化的发展跟不上电子元器件的需要,高纯钨及其相关产品质量较国外同类产品仍有一定的差距,许多相关技术尚处于实验室阶段,没有形成规模生产能力.许多公司仍是采用传统加工工艺生产,依靠价格取胜的代加工型企业.高纯钨的制备工艺繁冗,同时各种提纯方法在脱除不同杂质的效果上存在很大差异;国内在高纯钨的精炼工艺方面,仍只是采用简单的真空脱气处理除去间隙杂质,产品纯度受到一定的-.而熔炼法由于温度高,无污染,提纯效果好等特点,在提纯难熔金属方面具有极大的优势;但其原料纯度要求较高,成本高,工艺费时.因此,如何将各个工艺有机结合成功制备出高纯钨成为研究热点与难点.我国是W资源大国,应充分发挥其产业优势.微电子和核技术的发展势不可挡,高纯钨是其应用的重要原料;如何改进提纯工艺,制备出性能更加优异的高纯钨及其相关产品,实现其工业化是今后的发展方向.