CN101619430A - 铜靶材的加工方法 - Google Patents

Abstract

一种铜靶材的加工方法，包括：对铜工件进行三次精度渐增的机械加工，其中，在第三次机械加工时采用喷雾冷却，在三次机械加工过程中用全周夹具固定铜工件，并且在第一次机械加工和第二次机械加工之间对铜工件进行应力释放。通过所述铜靶材的加工方法可以防止铜在机械加工过程中氧化，并使获得的铜靶材具有较好的表面纹路一致性，以及较低的表面粗糙度。

Description

铜靶材的加工方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及铜靶材的加工方法。

背景技术

通过溅射方法在基底上形成的薄膜的质量会受到用于溅射的靶材表面粗糙度的影响。当尺寸超过一定水平的凸起存在于靶材表面时，可在凸起上产生异常放电(微电弧放电)。所述异常放电可导致大粒子从靶材的表面溅出并沉积于基地上。沉积的大粒子可在薄膜上形成斑点并导致半导体器件的短路。

许多材料可被用来制作靶材，包括铜、铝、钛等。在具体应用中，靶材可包括合金或其他金属的混合物，例如铜、铝、钛中的一种或多种。靶材也可包括具体金属材料的所谓“高纯度”形式，例如铜、铝、钛中的一种或多种中的99.9％～99.9999％的纯度。

目前，在对铜进行加工以制作靶材时发现，无氧铜(纯度为99.995％的金属铜)在高速加工时容易与空气中的氧气、水和二氧化碳相互作用而发生氧化(生锈)，使得制成的铜靶材性能降低，甚至不能达到靶材的要求。

发明内容

本发明解决的问题是现有技术中，对铜进行加工以制作靶材时，铜容易发生氧化，从而影响制成的铜靶材性能的问题。

为解决上述问题，本发明提供一种铜靶材的加工方法，包括：在对铜工件进行机械加工时采用喷雾冷却。

可选的，所述机械加工包括三次精度渐增的机械加工，其中，在第三次机械加工时采用喷雾冷却。

可选的，在机械加工过程中用全周夹具固定铜工件。

可选的，在机械加工过程中用刀头具有凸部的刀具加工铜工件。

可选的，在两次机械加工之间对铜工件进行应力释放。

与现有技术相比，上述技术方案具有以下优点：

在机械加工时采用喷雾冷却，可以隔离铜工件表面和空气中的水分接触，从而防止无氧铜在高速加工过程中氧化。

在机械加工时采用喷雾冷却，也减少了铜工件表面被划伤的情况，并且可以减小加工过程中刀具的磨损程度，进而降低成本。

通过全周夹具固定铜工件，由于全周夹具包裹了铜工件的整个外形，使得铜工件在加工过程中的受力比较均匀，不易产生振动，从而减小了铜工件的变形。

通过改变刀具的刀头结构使刀具加工时的作用力减小，进一步减小了铜工件在加工过程中的变形，同时也减小了加工过程中刀具的磨损程度。

在各次机械加工之间对铜工件进行应力释放，也减小了由于加工过程中的应力释放导致的变形。

附图说明

图1是本发明铜靶材的加工方法的一种实施方式流程图；

图2a和图2b分别是普通夹具和全周夹具固定铜工件的示意图；

图3a和图3b分别是普通刀具和特殊刀具的刀头示意图；

图4是铜靶材加工过程中使用图2b所示全周夹具和图3b所示刀具的示意图；

图5是本发明铜靶材的加工方法的一种实施例流程图。

具体实施方式

铜氧化是铜与空气中的氧气、水和二氧化碳相互作用的结果，因此，为了防止铜氧化，需要隔离铜与空气中的氧气、水或二氧化碳接触。发明人发现，在对铜工件进行机械加工时，采用喷雾冷却可以隔离铜与空气中的水分接触，因为喷雾冷却使用的切削液喷射到铜工件的切削区，即切削液喷射在铜工件表面，隔离了铜工件表面与空气中的水分接触。

切削液在金属切削中主要起两个作用，一是润滑作用；二是冷却作用。切削液能否充分发挥有效的润滑作用，其渗透能力强弱是一个重要的因素。常规的浇注式切削液在切削加工中的渗透以液体渗透和气体渗透两种方式进行：浇注的液体渗透效率较低，在高速切削时效率更低；气体渗透是由于浇注在切屑表面裂纹中的液体随着切削温度的上升发生汽化而向前刀面进行渗透的。试验证明，常规切削液的渗透能力不强，能够被汽化的液体量很少，使润滑效果受到限制。而喷雾冷却形成的两相流体，能够弥补切削液渗透能力的不足。气液两相流体喷射到切削区时，有较高的速度，动能较大，因此渗透能力较强。此外，在气液两相流体中微量液体的尺寸很小，遇到温度较高的金属极易汽化，可从多个方面向刀具前刀面渗透。虽然射流中的液体量很少，但被汽化的部分则比连续浇注切削液时多，因而润滑效果较好。

另一方面，在金属加工中切削热主要来源于金属的塑性变形，切削区的冷却过程就是固体与流体之间的传热过程。由于流体与固体分子之间的吸引力和流体粘度作用，在固体表面就有一个流体滞流层，从而增加了热阻。滞流层越厚，热阻越大，而滞流层的厚度主要取决于流体的流动性即粘度。粘度小的流体冷却效果比粘度大的流体冷却效果好。例如，可以选用酒精作为切削液，因为酒精相对于其他溶液来说，其粘度更小。

参照图1所示，本发明铜靶材的加工方法的一种实施方式包括：

步骤s1，以全周夹具固定铜工件，进行第一次机械加工；

步骤s2，对铜工件进行应力释放；

步骤s3，以全周夹具固定铜工件，进行第二次机械加工，其精度高于第一次机械加工；

步骤s4，以全周夹具固定铜工件，进行第三次机械加工，其精度高于或等于第二次机械加工，并且采用喷雾冷却。

上述实施方式中，第一次机械加工为粗加工，其目的在于去除铜工件大部分的余量，以获得较规则的半成品，也就是说，切削出靶材的大致形状。而第二次机械加工为半精加工，其精度要高于第一次机械加工，其目的在于去除铜工件小部分的余量，以获得更接近于实际靶材形状尺寸要求的半成品。而第三次机械为精加工，其精度要高于或等于第二次机械加工，其目的在于对铜工件进行最后的精细加工以获得最终的铜靶材。

上述实施方式中，在第一次机械加工和第二次机械加工之间进行应力释放是因为，在机械加工之前，一般在铜工件内部有一定的内应力。在机械加工时所述内应力会从铜工件内部逐渐的释放，从而导致铜工件的变形，使平面度产生偏差。一般在粗加工和半精加工后容易出现变形，特别是粗加工。因而，通过在第一次机械加工(粗加工)后进行应力释放，来消除铜工件的内应力，以减小铜工件的变形。

而上述实施方式中，各次机械加工时，铜工件都是通过全周夹具固定。图2a和图2b分别为普通夹具和全周夹具固定铜工件的示意图。对比图2a和图2b，普通夹具20是通过三角固定的方式来固定铜工件10，而全周夹具21则包裹整个铜工件10。相对普通夹具20，全周夹具21使得铜工件10在高速加工过程中的受力更加均匀。

可选的，在各次机械加工时，都是用特殊刀具加工铜工件。图3a和图3b分别为普通刀具和特殊刀具的刀头示意图。对比图3a和图3b，刀具31的刀头具有凸部31a，相对普通刀具30，特殊刀具31的刀头与铜工件的接触面小，使得刀具加工时的作用力小。

参照图4所示，在刀具31对铜工件10进行高速加工的过程中，全周夹具21使得铜工件10更加稳定，不易产生振动，从而可以减小铜工件在加工过程中的变形。另一方面，刀具31加工时的作用力减小，进而也可以减小铜工件在加工过程中的变形。

可选的，在第二次机械加工和第三次机械加工之间也对铜工件进行应力释放。如前所述，在第二次机械加工(半精加工)后，铜工件也容易出现变形，因而在第二次机械加工后，再次通过应力释放来减小铜工件的变形。

可选的，在第一次机械加工后对铜工件进行整平后再进行应力释放。考虑到第一次机械加工(粗加工)的过程中，铜工件的形状已经产生了变化，其内部会产生应力，因而为了进一步减小铜工件的变形，可以在应力释放之前，先对铜工件进行校正。具体地说，可以采用压力机对铜工件进行校正。使用压力机时，对铜工件施加的压力小于60吨。因为压力过大可能会造成铜工件的断裂。

可选的，所述应力释放包括：将铜工件闲置至少8小时。所述闲置可以为将铜工件置于室温条件下。通过所述应力释放来消除产品内应力。

在第三次机械加工时采用喷雾冷却，所述喷雾冷却包括：将切削液喷射到切削区。喷雾冷却可以防止铜在机械加工时氧化。

此外，通过对现有铜靶材的加工技术分析发现，在对铜工件进行精加工车削时，由于无氧铜材料是一种粘性材料，加工过程中不容易断屑，铜屑呈现丝状，缠绕在加工刀具上，导致工件表面划伤，出现凹凸不平，表面粗糙度提高，并且还会磨损刀具。由于切削液润滑效果较好，切削时产生的铜屑缠绕在刀具上的几率就减小，从而可以改善由于铜屑缠绕在刀具上而导致的铜工件表面划伤，出现凹凸不平等情况。因此，铜工件表面的粗糙度就得以减小，表面更加光滑，并且刀具的磨损程度也得以减小。

图5是本发明铜靶材的加工方法的一种实施例流程图。参照图5所示，所述铜靶材的加工方法包括：

步骤s10，以全周夹具固定铜工件，用刀头具有凸部的刀具对铜工件进行第一次机械加工，切削去除铜工件的至少一半余量；

步骤s20，采用压力机对铜工件进行整平，并在整平后对铜工件进行应力释放；

步骤s30，以全周夹具固定铜工件，用刀头具有凸部的刀具对铜工件进行第二次机械加工，切削去除铜工件剩余余量的至少一半；

步骤s40，对铜工件再次进行应力释放；

步骤s50，以全周夹具固定铜工件，用刀头具有凸部的刀具对铜工件进行第三次机械加工，切削去除铜工件的剩余余量，并且采用喷雾冷却。

以下结合图4和图5对上述各步骤进一步说明。

步骤s10，以全周夹具21固定铜工件10，用刀头具有凸部31a的刀具31对铜工件10进行第一次机械加工，切削去除铜工件10的至少一半余量。由于有全周夹具21将铜工件10固定，当使用刀具31对铜工件10进行切削时，铜工件10不易产生振动。因此在第一次机械加工时就可以避免因为铜工件10的反弹，造成刀具31崩刀。同时，由于在加工时铜工件10的稳定，刀具31在铜工件10表面形成的纹路也能保持一致。用刀头具有凸部31a的刀具31切削铜工件，刀具的作用力小。而通过第一次机械加工的快速大量切削，也使得铜工件10形成铜靶材的初步形状。

步骤s20，采用压力机对铜工件10进行整平，并在整平后对铜工件10进行应力释放。在第一次机械加工后，将铜工件10从全周夹具21中取出，并放入压力机中对铜工件10进行整平，以校正铜工件10在第一次机械加工时产生的变形。在整平后，将铜工件10闲置8小时或8小时以上，进行应力释放，以消除铜工件10内的应力。

步骤s30，以全周夹具21固定铜工件10，用刀头具有凸部31a的刀具31对铜工件10进行第二次机械加工，切削去除铜工件10剩余余量的至少一半。在应力释放后，再次以全周夹具21固定铜工件10，用刀具31对铜工件10进行第二次机械加工，本次机械加工相对于第一次机械加工所去除的余量有较大的减少。通过本次机械加工，获得基本接近于最终铜靶材的半成品。

步骤s40，对铜工件10再次进行应力释放。经过了第二次机械加工，铜工件10内部又会产生新的应力，因而可以通过再一次的应力释放，来减小铜工件10的变形。通过将铜工件10闲置8小时或8小时以上，进行应力释放，以消除铜工件10内的应力。

步骤s50，以全周夹具21固定铜工件10，用刀头具有凸部31a的刀具31对铜工件10进行第三次机械加工，切削去除铜工件10的剩余余量，并且采用喷雾冷却。在第二次应力释放后，再次以全周夹具21固定铜工件10，用刀具31对铜工件10进行第三次机械加工，本次机械加工相对于第二次机械加工所去除的余量有所减少。并且，在进行第三次机械加工的时候，采用喷雾冷却的方法。具体地说，所述喷雾冷却包括：通过适用于车床的喷雾冷却装置将切削液喷射到切削区。所述切削液可以选用粘度较小的液体，例如酒精。通过本次机械加工，获得最终的铜靶材。

综上所述，在机械加工时采用喷雾冷却，可以防止无氧铜在高速加工过程中氧化和减小加工过程中刀具的磨损程度，进而降低成本。

通过在加工过程中以全周夹具固定铜工件，并在各次机械加工之间进行应力释放，或者更进一步采用刀头具有凸部的刀具加工铜工件和加入整平，减小了铜工件在加工过程中的变形。从而使得最终形成铜靶材表面的纹路一致性较高，且具有较低的表面粗糙度。

虽然本发明已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 (9)

1.一种铜靶材的加工方法，包括对铜工件进行机械加工，其特征在于，在对铜工件进行机械加工时采用喷雾冷却。

2.如权利要求1所述的铜靶材的加工方法，其特征在于，所述机械加工包括三次精度渐增的机械加工，其中，在第三次机械加工时采用喷雾冷却。

3.如权利要求1或2所述的铜靶材的加工方法，其特征在于，所述喷雾冷却包括：将切削液喷射到切削区。

4.如权利要求3所述的铜靶材的加工方法，其特征在于，所述切削液为酒精。

5.如权利要求1或2所述的铜靶材的加工方法，其特征在于，在机械加工过程中用全周夹具固定铜工件。

6.如权利要求1或2所述的铜靶材的加工方法，其特征在于，在机械加工过程中用刀头具有凸部的刀具加工铜工件。

7.如权利要求2所述的铜靶材的加工方法，其特征在于，在两次机械加工之间对铜工件进行应力释放。

8.如权利要求7所述的铜靶材的加工方法，其特征在于，所述应力释放包括：将铜工件闲置至少8小时。

9.如权利要求8所述的铜靶材的加工方法，其特征在于，所述将铜工件闲置为将铜工件置于室温条件下。

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