CN101543934B - 靶材结构及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种靶材结构及其制作方法。其中靶材结构的制作方法包括：提供靶材；在靶材的焊接面上形成粘结层；在所述粘结层上进行扩散焊处理，将背板焊接至靶材。与现有技术相比，本发明可以使得钽靶材与铜背板实现可靠结合，提升靶材结构的品质。

Description

靶材结构及其制作方法
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及靶材结构及其制作方法。
背景技术
物理气相沉积(PVD)技术，例如溅射，应用于很多领域，用于提供带有原子级光滑表面的具有精确控制厚度的薄膜材料沉积物。在溅射过程中，位于充满惰性气体气氛的腔室里的靶材暴露于电场中而产生等离子区。这个等离子区中的等离子与溅射靶材的表面发生碰撞，从而使靶材从靶材表面逸出原子。靶材与待涂布基材之间的电压差使得逸出原子在基材表面上形成预期的膜层。
一般，靶材组件是由符合溅射性能的靶材和与所述靶材结合、具有一定强度的背板构成。所述背板可以在所述靶材组件装配至溅射基台中起到支撑作用，并具有传导热量的功效。在溅射过程中，所述靶材组件的工作环境比较恶劣，例如，靶材组件工作温度较高，例如300℃至500℃；另外，靶材组件的一侧充以冷却水强冷，而另一侧则处于10-9Pa的高真空环境下，由此在靶材组件的相对二侧形成有巨大的压力差；再有，靶材组件处在高压电场、磁场中，受到各种粒子的轰击。在如此恶劣的环境下，如果靶材组件中靶材与背板之间的结合度较差，将导致靶材在受热条件下变形、开裂、并与结合的背板相脱落，使得溅射无法达到溅射均匀的效果，同时还可能会对溅射基台造成损伤。
因此选择一种有效的焊接方式，使得靶材与背板实现可靠结合，满足长期稳定生产、使用靶材的需要，就显得十分必要。
例如，对于靶材与背板在熔点等物理性能相接近的产品，可以采用常规的焊接方式，例如钎焊；对于靶材与背板在熔点等物理性能相差很大的产品，可以采用扩散焊接。所谓的扩散焊接是指互相接触的材料表面，在一定温度、压力作用下靠近，局部产生塑性变形，原子间互相扩散，在界面处形成新的扩散层，实现可靠结合。相比于常规焊接方式，所述扩散焊接具有结合紧密度高、受热抗变形能力强等优点。
虽然扩散焊接得到了广泛的应用，但在对于某些金属的靶材组件而言，仍具有一定的局限性。以钽靶材与铜背板为例，由于钽是性质比较稳定的金属元素，铜是较易氧化的金属元素，在焊接面处会出现氧化，致使焊接的紧密度较差，靶材与背板很难通过直接的扩散焊接来实现结合。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何使得靶材与背板达到较佳的结合效果。
为解决上述问题，本发明提供一种靶材结构的制作方法，包括：提供靶材；在靶材的焊接面上形成粘结层；在所述粘结层上进行扩散焊处理，将背板焊接至靶材。
可选地，所述靶材具体是由钽或者钽合金所制成的。
可选地，在形成粘结层之前还包括步骤：清洗所述靶材的表面。
可选地，所述清洗靶材的表面具体为使用含有氢氟酸的溶剂进行酸洗。
可选地，形成所述粘结层的方法具体为物理气相沉积工艺。
可选地，所述粘结层的厚度为10nm至3.5mm。优选地，所述粘结层的厚度为50nm至2mm。
可选地，所述粘结层的材料具体为铜、铝、镍、铬、钛或者它们中任一种金属的合金。
可选地，所述背板具体是由铜、铝或者包括有铜和铝中任一种金属的合金所制成的。
根据本发明的另一方面，还提供一种靶材结构，包括：靶材；形成于所述靶材的粘结层；与所述粘结层结合的背板。
可选地，所述靶材的材料具体是由钽或者钽合金所制成的。
可选地，所述形成于靶材的粘结层是利用物理气相沉积工艺实现的。
可选地，所述粘结层的厚度为10nm至3.5mm。优选地，所述粘结层的厚度为50nm至2mm。
可选地，所述粘结层的材料具体为铜、铝、镍、铬、钛、或者包括有它们中任一种金属的合金。
可选地，所述背板是利用扩散焊与粘结层结合的。
可选地，所述背板具体是由铜、铝或者包括有铜和铝中任一种金属的合金所制成的。
与现有技术相比，本发明所制作的靶材结构，在靶材与背板之间具有粘结层，利用粘结层作为中间媒介，使得靶材与背板经过焊接后实现二者的可靠结合，具有结合紧密度高、受热抗变形能力强等优点。
附图说明
图1为本发明一个实施例制作靶材结构的流程图；
图2至图4为根据图1所示流程制作靶材结构的示意图。
具体实施方式
本发明的发明人发现，在制作靶材结构时，如果靶材的性质比较稳定(例如钽靶材熔点较高)、背板的性质比较活泼(例如铜背板的表面易氧化)，利用焊接方式将靶材与背板进行直接焊接就会致使二者的结合度较差。有鉴于此，故提出在靶材与背板之间增加作为中间媒介的粘结层，这样，就可以通过能同时与靶材和背板达成紧密结合的粘结层，使得靶材与背板的结合，完成靶材结构的制作。因此，根据本发明的一个方面，提供一种靶材结构，在其中的靶材和背板之间包括有粘结层。
本发明的发明人提出一种靶材结构的制作方法，如图1所示，包括步骤：
S101，提供靶材；
S102，清洗靶材的表面；
S103，在靶材的焊接面上形成粘结层；
S104，进行扩散焊处理，将背板焊接至靶材的粘结层上。
下面结合附图对上述图1中所示的制作方法进行详细说明。
首先执行步骤S101，提供靶材20，如图2所示。在本实施例中，所述靶材20是由钽或者钽合金所制成的。另外，靶材20的形状，根据应用环境、溅射设备的实际要求，可以为圆形、矩形、环形、圆锥形或其他类似形状(包括规则形状和不规则形状)中的任一种，且其厚度可以为1mm至80mm不等。如图2所示，靶材20的形状可以为圆形，直径为350mm，厚度为8.5mm。
接着执行步骤S102，清洗靶材20的表面。清洗靶材20表面的方法有多种，其中的一个例子就是先用酸液清洗，再用有机溶剂清洗。所述用于清洗的酸液可以选取氢氟酸(HF)、硝酸(HNO3)、盐酸(HCL)、硫酸(H2SO4)或包含它们中任意配比的混合溶剂。较佳地，例如可以是氢氟酸(HF)和硝酸(HNO3)的混合溶剂，所述混合溶剂中氢氟酸与硝酸的配比可以为1∶2至1∶6，优选地，HF∶HNO3＝1∶3。在其他实施例中，所述酸液也可以是由氢氟酸(HF)、硝酸(HNO3)和盐酸(HCL)配比而成的混合溶剂。所述有机溶剂则可以是异丁醇IBA、异丙醇IPA或混丙醇IPB中的任一种，优选地，选取异丙醇IPA。
通过步骤S102的清洗，可以将靶材20表面的杂质和氧化物清除干净，使得靶材20的表面光洁度可达0.5um至2um，这样，就为后续的焊接工艺打下良好的基础。
需说明的是，在上述清洗的步骤中，可以将靶材20整个地浸入盛有清洗溶剂的容器中，用于对靶材20的各个表面都进行清洗；也可以根据实际需要，仅针对靶材20中需进行后续处理的焊接面200进行表面清洗处理，相对于置于容器中清洗的方式，可节省清洗溶剂并提高清洗效率。
接着执行S103，在靶材20的焊接面200上形成粘结层22，形成如图3所示的结构。形成粘结层22的方法可以有多种，在本实施例中，具体可以采用物理气相沉积工艺。所述物理气相沉积工艺主要是利用灯丝加热后发射的电子，经电场加速、磁场聚焦后，高速撞击置于水冷坩埚中的蒸发材料，使得蒸发材料表面的原子吸收电子携带的动能，将温度迅速升高，在真空环境下蒸发或升华形成的低密度、非平衡蒸汽粒子射流与靶材20相撞，并在一定条件下生长为薄膜(即粘结层22)。通过上述物理气相沉积工艺或其他类似的薄膜形成工艺，可以使得在焊接面200上形成的粘结层22具有表面粗糙度低、结合强度高、致密度高等优点。所述粘结层22的材料可以是单一金属，例如铜、铝、镍、铬、钛等，也可以是包括有上述多种金属中任一种金属的合金，例如为铜-铝合金、镍-铬合金等。所述形成的粘结层22的厚度较小，一般为10nm至3.5mm，优选地，更可以达到50nm至2mm。
接着执行步骤S104，进行扩散焊处理，将背板24焊接至靶材20的粘结层22上，形成如图4所示的结构。所述背板24的材料可以是单一金属，例如铜或铝等，也可以是包括有铜和铝中任一种金属的合金。
上述步骤中的扩散焊处理，具体来讲，可以包括步骤：将形成有粘结层22的靶材20、背板24同时放入加热炉中升温到350℃至500℃，并保温0.5小时至1小时后取出，再迅速加压到1.5MPa至3MPa，直至使它们的变形量达到30％至60％，其中在加压过程中，靶材20与背板24通过粘结层22结合在一起，构成靶材结构；将加压后的靶材结构再放回加热炉中，升温到400℃至550℃，并保温3小时至5小时后取出，水冷；将淬火后的靶材结构重新放回加热炉中，升温至150℃至200℃，并保温7小时至9小时后取出，空冷。采用扩散焊处理的技术，可以将背板24通过粘结层22与靶材20结合在一起，制作完成靶材结构，使得所述靶材结构具有结合紧密度高、受热抗变形能力强等优点。
需说明的是，本实施例中虽是以扩散焊为例进行说明的，但并不以此为限，例如，在其他实施例中，也可以采用其他焊接工艺，例如银蜡焊或钎焊，将背板24焊接至靶材20的粘结层22上。因银蜡焊或钎焊为本领域技术人员所熟知的现有技术，故在此不再赘述。
当然，本领域技术人员知道，在进行焊接处理之前，还可以对背板24作表面清洗处理。在本实施例中，所述表面清洗处理可以直接使用异丁醇IBA、异丙醇IPA或混丙醇IPB中的任一种有机溶剂进行清洗，改善背板24的表面光洁度，为焊接工艺打下良好的基础。
另外，为防止背板24产生开裂，背板24在焊接前还可以进行包括例如均质化处理在内的其他预处理。
以下结合本发明所提供的靶材结构的制作方法来对某一具体实施例进行详细地描述。在所述具体实施例中，是以高纯度金属钽作为靶材，金属铜作为背板。
首先，分别清洗钽靶材与铜背板的表面。对于钽靶材，先利用HF∶HNO3＝1∶3的混合溶剂清洗，再利用异丙醇IPA的有机溶剂清洗；对于背板，则直接利用异丙醇IPA的有机溶剂清洗。
接着，采用物理气相沉积工艺在靶材的焊接面上进行喷涂以形成一层厚度较薄的由镍-铬合金构成的粘结层。所述粘结层具有厚度均匀、表面粗糙度低、结合强度高、致密度高等优点。
再次，进行扩散焊处理，使得粘结层与铜背板结合，这样，铜背板与钽靶材通过所述粘结层结合，制作完成靶材结构。相比于将钽靶材与铜背板直接焊接在一起易导致焊接不牢固的现有技术，本发明通过在钽靶材与铜背板之间提供用于作为焊接媒介的粘结层，可以使得钽靶材与铜背板实现可靠结合，提升靶材结构的品质。
虽然本发明己以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (8)

1.一种靶材结构的制作方法，其特征在于，所述方法包括：
提供靶材；
采用物理气相沉积工艺在靶材的焊接面上形成粘结层，所述粘结层的材料具体为铜、镍、铬、钛或者包括有它们中任一种金属的合金；
在所述粘结层上进行扩散焊处理，将背板焊接至靶材；
其中，所述扩散焊处理包括：将形成有粘结层的靶材、背板同时放入加热炉中升温到350℃至500℃，并保温0.5小时至1小时后取出，再迅速加压到1.5MPa至3MPa，直至使它们的变形量达到30％至60％，其中在加压过程中，靶材与背板通过粘结层结合在一起，构成靶材结构；将加压后的靶材结构再放回加热炉中，升温到400℃至550℃，并保温3小时至5小时后取出，水冷；将淬火后的靶材结构重新放回加热炉中，升温至150℃至200℃，并保温7小时至9小时后取出，空冷。
2.根据权利要求1所述的靶材结构的制作方法，其特征在于，所述靶材具体是由钽或者钽合金所制成的。
3.根据权利要求1所述的靶材结构的制作方法，其特征在于，在形成粘结层之前还包括步骤：清洗所述靶材的表面。
4.根据权利要求3所述的靶材结构的制作方法，其特征在于，所述清洗靶材的表面具体为使用含有氢氟酸的溶剂进行酸洗。
5.根据权利要求1所述的靶材结构的制作方法，其特征在于，所述物理气相沉积工艺包括利用灯丝加热后发射的电子，经电场加速、磁场聚焦后，高速撞击置于水冷坩埚中的蒸发材料，使得蒸发材料表面的原子吸收电子携带的动能，将温度迅速升高，在真空环境下蒸发或升华形成的低密度、非平衡蒸汽粒子射流与靶材相撞而生长为所述粘结层。
6.根据权利要求1所述的靶材结构的制作方法，其特征在于，所述粘结层的厚度为10nm至3.5mm。
7.根据权利要求6所述的靶材结构的制作方法，其特征在于，所述粘结层的厚度为50nm至2mm。
8.根据权利要求1所述的靶材结构的制作方法，其特征在于，所述背板具体是由铜、铝或者包括有铜和铝中任一种金属的合金所制成的。
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