CN103343321A - 一种制造溅射靶材的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了属于溅射靶材技术领域的一种制造溅射靶材的方法。该方法主要包括：背板具有一凹槽，该凹槽为圆柱形凹槽或者为直径向内侧逐渐减小的阶梯式凹槽，靶坯具有一凸起，该凸起为圆柱形凸起或者为直径向内侧逐渐减小的阶梯式圆柱凸起，通过热压、冷压或钎焊的方法，将靶坯的凸起压入背板的凹槽内，制备出整体的靶材。本发明还包括在靶坯和背板中间通过电镀、热喷涂、溅射和钎焊的方法加入中间层，通过热压、冷压或钎焊的方法，将靶坯和背板焊合成为一体。该方法能够明显的提高靶材的焊接强度，提高靶坯的使用效率。

Description

一种制造溅射靶材的方法

技术领域

本发明属于溅射靶材技术领域，特别涉及一种制造溅射靶材的方法。

背景技术

随着半导体集成电路芯片的制备向着大尺寸化方向发展(8、12甚至18英寸)，溅射靶材的尺寸和溅射功率也随之增大。对溅射靶材的微观组织以及靶材与背板连接的要求也越来越高。大面积靶材与背板的连接技术已成为靶材组件制备的关键技术。多数靶材在溅射前必须与无氧铜(或Al等其他材料))底盘连接到一起，使溅射过程中靶材与底盘的导热导电状况良好。

在溅射过程中，靶材组件作为阴极，首先应具有优良的导电性，同时为了排放高能态离子高速轰击靶材表面产生的热量，靶材组件也要具有优良的导热性。因此，靶材与背板的连接既要有一定的结合强度，以避免溅射靶在工作中的脱落、脆裂等问题，又要有高的热传导率和电传导率，靶材与背板连接的常用技术包括：机械咬合、钎焊、扩散焊等。

在平面磁控溅射过程中，由于正交电磁场对溅射离子的作用关系，溅射靶在溅射过程中将产生不均匀冲蚀(Erosion)现象，从而造成溅射靶材的利用率普遍低下，只有30％左右。近年来，设备改善后靶材的利用率提高到50％左右。由于靶材优先从中心溅射，因此圆柱形靶在溅射过程中的产量或利用率较低，因此如何利用此特点为提高溅射靶材的使用效率和使用寿命创造了机会。

CN1849408A公开了一种溅射靶材的制作方法，它采用锥形嵌入的方法制备靶坯和背板的组合件。该方法的主要缺陷为无法完全控制溅射的区域，有可能打穿溅射靶，从而影响溅射寿命。同时该组合件的加工难度大，要求高，焊接强度低，容易变形。而且在焊接过程中，还容易过快的导致焊接层处接近溅射区域，而焊接层处的晶粒极易长大，从而影响溅射质量。

CN201793723U也公开了一种溅射靶材组件的制作方法，该专利是通过改变靶材的上表面的设计，来提高靶材的使用寿命的。这是两种不同的考虑延长靶材寿命的方法。

发明内容

本发明的目的在于利用靶材的溅射特点，合理的设计和利用靶坯和背板的结构，通过加厚靶坯的总厚度，来达到充分提高靶坯的使用效率而又不影响靶坯和背板的结合强度的作用。本发明能够显著的提高靶材寿命，靶材的使用寿命提高了至少30％，最多能够提高100％以上，采用本发明方法制备靶材可改善劳动生产率，降低成本，降低更换靶材的时间。使得焊接层远离溅射表面，提高溅射效果。

传统的溅射靶材中背板和靶坯的焊接面都为水平，靶坯尺寸小于背板尺寸(如图1所示)。

本发明提出一种制造溅射靶材的方法，该方法主要包括以下步骤：

(1)背板的制备，背板具有一凹槽，槽深为1-15毫米，该凹槽为圆柱形凹槽或者为直径向内侧逐渐减小的阶梯式凹槽，该凹槽具有一定的深度和直径(如图2、图3、图4、图5、图6和图7所示)，该凹槽用以容纳溅射靶坯的嵌入，同时又不影响焊接强度；

(2)靶坯的制备，靶坯具有一凸起，凸起高1-15毫米，该凸起为圆柱形凸起或者为直径向内侧逐渐减小的阶梯式凸起，该凸起与背板上的凹槽相对应，用以嵌入相应的背板中(如图2、图3、图4、图5、图6和图7所示)；

其中，背板底部阶梯式凹槽可形成两层或大于两层的阶梯式结构，同时相应的靶坯也制作成两层或大于两层的阶梯式结构用以嵌入背板中；

(3)采用热压、冷压或者钎焊的方法，焊接靶坯和背板成为一体，将靶坯的凸起部分完全嵌入背板的凹陷部分内使得靶坯和背板完全充分结合。采用这样的方法能够显著提高靶坯的溅射深度，延长靶材的溅射时间。

在靶坯和背板的接触表面加工各种接触表面形状，包括锯齿型、嵌合齿型等，还包括一定的接触表面的粗糙化处理；还可以在接触表面制备中间层后再焊接靶坯和背板成为一体(图6和图7)，中间层厚度约为0.1-5毫米。该中间层通常为钛及钛合金，铝及铝合金，镍及镍合金，银及银合金，铜及铜合金，钒及钒合金等。该中间层可以在凹槽面上制备，也可以在凸起面上面制备，或者两个接触面都制备。中间层可以通过电镀、热喷涂、溅射、钎焊等方法制备。对于不能相互扩散焊接的金属或焊接强度低的金属来说，采用中间层进行过渡，加入中间层后可以使得靶材的焊接强度提高50％以上。

通过热压、冷压或钎焊等工艺后，可在200℃以上保温1小时以上强化靶坯和背板的焊合。采用该强化焊合步骤可使得焊接强度提高10％-30％。

靶坯和背板通过上述方法焊接制备成品靶材，成品靶材外形可为圆形、方形、三角形或异形。

靶坯材料可为铜、铜合金、铝、铝合金、钛、钛合金、镍、镍合金、钨、钨合金、铬、铬合金、钽或钽合金等各种可以成为溅射靶坯的材料；背板材料可为铜、铜合金、铝、铝合金、钛、钛合金、钼、钼合金或不锈钢等各种高性能背板材料。

本发明的背板底部阶梯式凹槽可形成两层或大于两层的阶梯式结构(图3、图4和图5)，同时相应的靶坯也制作成两层或或大于两层的阶梯式结构用以嵌入背板中，这些方法能够最大量的提高靶材的有效溅射厚度，延长靶材的溅射寿命。本发明方法制备的靶材因靶厚度的加深，使得靶材的寿命提高了至少30％，具有非常好的的实际意义。

附图说明

图1显示了传统的靶坯与背板的焊接方式；

图2显示了本发明的制造溅射靶材的工艺示意图；

图3、图4和图5显示了本发明的多层嵌入的靶材组件示意图；

图6和图7显示了有中间层的嵌入靶材组件示意图。

具体实施方式

通过结合附图对本发明的优选实施例进行的以下详细描述将更易于理解本发明的目的和优点。

为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：

具体实施方式：

本发明提供了一种制造溅射靶材的方法，如图2所示。靶坯通过A区域嵌入背板的B区域，通过这样嵌入的方法，溅射靶的有效溅射厚度相对于传统靶(图1)增加了50％-100％。同时通过真空热压或者热等静压的方式焊接靶坯与背板结合。由于靶坯和背板发生了强烈的塑性变形，这样嵌入式的结构能够将焊接强度提高30-50％。这样靶厚度加深，使得靶材的寿命提高了至少30％，具有非常好的的实际意义。该靶材经过热压后，再进行200℃以上的扩散1至5小时，使得焊接截面能够充分扩散，增强焊接强度。类似的方法也适用于图3、图4、图5、图6和图7，都能够提高靶材的有效溅射厚度，延长靶材的使用寿命。

在热压过程中，本发明还包括在靶坯A区域和C区域(图2)和背板B区域和D区域加工各种接触表面形状，包括接触表面的锯齿和一定的表面粗糙化处理；还包括在接触表面加入通过电镀、热喷涂、溅射等制备的中间层的方法(图6和图7)。这样的方法都能够增加靶材的焊接强度，防止靶材变形，提高溅射效果。

本发明的靶材外形为圆形、方形、三角形或异形。采用类似的方法都能够提高靶材的焊接强度和使用寿命。

实施例1

在高纯铜靶材的制备过程中，背板直径为500-550mm，靶坯直径为420-480mm(图2)。靶坯采用6N(99.9999％)高纯铜，背板选用Cu合金材料，其中背板的硬度要远大于靶坯的硬度(靶坯硬度约为50HV，背板硬度大于130HV)。在背板加工出一直径在400-450mm的圆柱形凹槽，同时在靶坯上加工出相应的圆柱形凸起，凹槽或凸起的厚度均约为12mm。同时对接触表面进行毛化处理，在380℃左右进行高温热压，靶坯的凸起部分完全嵌入背板的凹陷部分内使得靶坯和背板完全结合，保温5小时后，进行退火处理，得到焊接性能可靠的高纯铜靶材。采用本实施例方法制备的高纯铜靶的寿命相较于传统的高纯铜靶材寿命提高了约50％。

实施例2

在高纯钛靶材的制备过程中，背板直径为480-580mm，靶坯直径为440-500mm(图2)。靶坯采用4N5(99.995％)高纯钛，背板选用Al合金材料。在背板加工出一直径在420-480mm的圆柱形凹槽，同时在靶坯上加工出相应的圆柱形凸起，凹槽和凸起的厚度均约为15mm。同时对接触表面进行毛化处理，在580℃左右进行高温热压，靶坯的凸起部分完全嵌入背板的凹陷部分内使得靶坯和背板完全结合，保温7小时后，进行退火处理，得到焊接性能可靠的高纯钛靶材。采用本实施例的方法制备的高纯钛靶的寿命相较于传统的高纯钛靶材寿命提高了约40％。

实施例3

在高纯铝靶材的制备过程中，背板直径为380-600mm，靶坯直径为300-500mm(图3)。靶坯采用5N(99.995％)高纯铝，背板选用Cu合金材料。在背板加工出一直径在280-460mm的直径向内侧逐渐减小的阶梯式凹槽，同时在靶坯上加工出相应的直径向内侧逐渐减小的阶梯式凸起，凹槽和凸起的总厚度均约为15mm。同时对接触表面进行毛化处理，在600℃左右进行高温热压，靶坯的凸起部分完全嵌入背板的凹陷部分内使得靶坯和背板完全结合，保温3小时后，进行退火处理，得到焊接性能可靠的高纯铝靶材。采用本实施例的方法制备的高纯铝靶的寿命相较于传统的高纯铝靶材寿命提高了约60％。

实施例4

在高纯铜靶材的制备过程中，背板直径为400-550mm，靶坯直径为320-480mm(图2)。靶坯采用6N(99.9999％)高纯铜，背板选用Al合金材料。在背板加工出一直径在300-450mm的圆柱形凹槽，同时在靶坯上加工出相应的圆柱形凸起，凹槽或凸起的厚度均约为15mm。同时对接触表面进行毛化处理，在360℃左右进行高温热压，靶坯的凸起部分完全嵌入背板的凹陷部分内使得靶坯和背板完全结合，保温4小时后，进行退火处理，得到焊接性能可靠的高纯铜靶材。采用本实施例方法制备的高纯铜靶的寿命相较于传统的高纯铜靶材寿命提高了约100％。

实施例5

在高纯钽靶材的制备过程中，背板直径为400-580mm，靶坯直径为320-520mm(图6)。靶坯采用4N(99.99％)高纯钽，背板选用Cu合金材料。在背板加工出一直径在350-520mm的直径向内侧逐渐减小的阶梯式凹槽，同时在靶坯上加工出相应的直径向内侧逐渐减小的阶梯式凸起，凹槽或凸起的总厚度均约为18mm。同时对接触表面进行毛化处理，采用电镀的方法在背板凹槽面上制备中间层(该中间层为镍合金或钛合金，厚度约为0.1mm)(图6)，在800℃左右进行高温热压，靶坯的凸起部分完全嵌入背板的凹陷部分内使得靶坯和背板完全结合，保温3小时后，进行退火处理，得到焊接性能可靠的高纯钽靶材。采用本实施例的方法制备的高纯钽靶相较于传统钽靶的焊接强度提高了50％，寿命提高了约40％。

实施例6

在高纯钴靶材的制备过程中，背板直径为400-580mm，靶坯直径为320-520mm(图7)。靶坯采用4N(99.99％)高纯钴，背板选用Cu合金材料。在背板加工出一直径在350-520mm的直径向内侧逐渐减小的阶梯式凹槽，同时在靶坯上加工出相应的直径向内侧逐渐减小的阶梯式凸起，凹槽或凸起的总厚度均约为14mm。同时对接触表面进行毛化处理，采用热喷涂的方法在背板凹槽面上制备中间层(该中间层为镍合金或钛合金，厚度约为5mm)(图7)，在1000℃左右进行高温热压，靶坯的凸起部分完全嵌入背板的凹陷部分内使得靶坯和背板完全结合，保温5小时后，进行退火处理，得到焊接性能可靠的高纯钴靶材。采用本实施例的方法制备的高纯钴靶相较于传统钴靶的焊接强度提高了100％，寿命提高了约80％。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种制造溅射靶材的方法，其特征在于该方法主要包括以下步骤：

(1)背板的制备，背板具有一凹槽，槽深为1-15毫米，该凹槽为圆柱形凹槽或者为直径向内侧逐渐减小的阶梯式凹槽，该凹槽用以容纳溅射靶坯的嵌入；

(2)靶坯的制备，靶坯具有一凸起，凸起高1-15毫米，该凸起为圆柱形凸起或者为直径向内侧逐渐减小的阶梯式凸起，该凸起与背板上的凹槽相对应，用以嵌入相应的背板中；

其中，背板底部阶梯式凹槽可形成两层或大于两层的阶梯式结构，同时相应的靶坯也制作成两层或大于两层的阶梯式结构用以嵌入背板中；

(3)采用热压、冷压或钎焊的方法，焊接靶坯和背板成为一体，将靶坯的凸起部分完全嵌入背板的凹陷部分内使得靶坯和背板完全结合。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：该方法包括在靶坯和背板的接触表面加工各种接触表面形状，包括锯齿型和嵌合齿型，还包括接触表面的粗糙化处理。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：在接触表面制备中间层后再焊接靶坯和背板成为一体，中间层厚度为0.1-5毫米，该中间层可以在凹槽面上制备，也可以在凸起面上面制备，或者两个接触面都制备。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：中间层通过电镀、热喷涂、溅射或钎焊方法制备。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：通过热压、冷压或钎焊工艺后，在200℃以上保温1小时以上强化靶坯和背板的焊合。

6.根据权利要求1-5任意一个权利要求所述的方法，其特征在于：成品靶材的外形为圆形、方形、三角形或异形。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：靶坯材料为铜、铜合金、铝、铝合金、钛、钛合金、镍、镍合金、钨、钨合金、铬、铬合金、钽或钽合金。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：背板材料为铜、铜合金、铝、铝合金、钛、钛合金、钼、钼合金或不锈钢。

9.根据权利要求3或4任意一个权利要求所述的方法，其特征在于：中间层材质为钛、钛合金、铝、铝合金、镍、镍合金、银、银合金、铜、铜合金、钒或钒合金。

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