CN103451606A - 钴靶材组件的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种钴靶材组件的制作方法，所述方法包括：提供钴靶材，所述钴靶材的钴含量大于90%；利用化学镀工艺，在所述钴靶材焊接面上形成镍镀层；将化学镀处理后的钴靶材焊接至背板。采用本发明的技术方案，可以提供结合牢固度高的钴靶材组件。

Description

钴靶材组件的制作方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及钴靶材组件的制作方法。

背景技术

一般，钴靶材组件是由符合溅射性能的钴靶材和与所述钴靶材结合、具有一定强度的背板构成。所述背板可以在所述钴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，所述钴靶材组件的工作环境比较恶劣，例如，钴靶材组件工作温度较高，一般保持在100℃至300℃之间；另外，钴靶材组件的一侧施加冷却水强冷，而另一侧则处于10^-9Pa的高真空环境下，这样在钴靶材组件的相对两侧形成有巨大的压力差；再有，钴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，如果钴靶材组件中钴靶材与背板之间的结合强度不高，会导致钴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，使得钴靶材与背板实现可靠结合，满足长期稳定生产、使用钴靶材的需要，就显得十分必要。

异种金属焊接是靶材生产过程中非常关键的一道工序，不同的靶材需要用不同的焊接方法焊接。以钴靶材为例，钴因为其特殊的物理化学性质，与现今流行的各种焊料（例如铟In、锡Sn）均没有很好的结合性能，结合强度不高，目前一般的处理方法就是采用钎焊方式将钴靶材与异种金属（可以是包括铜或铜合金的铜基合金，或者是包括铝或铝合金的铝基合金）背板直接进行焊接。但是，由于钴与低温钎料难以浸润融合，而使用高温钎料（焊接的工艺温度至少大于1000℃）时，铜或铜合金、铝或铝合金背板又容易氧化，焊缝抗拉强度低，焊接质量不稳定，达不到半导体钴靶材要求。

有鉴于此，实有必要提出一种新的钴靶材组件的制作方法，以解决上述问题。

发明内容

本发明解决的问题是将钴靶材与背板直接焊接，两者结合强度不高，达不到半导体钴靶材要求。

为解决上述问题，本发明提供一种钴靶材组件的制作方法，包括提供钴靶材，所述钴靶材的钴含量大于90%；利用化学镀工艺，在所述钴靶材焊接面上形成镍镀层；将化学镀处理后的钴靶材焊接至背板。

可选地，在所述钴靶材焊接面上形成镍层前还依次进行：

对所述钴靶材表面进行喷砂工艺；

对所述钴靶材表面进行活化处理；

对所述钴靶材表面进行水洗处理步骤。

可选地，在对所述钴靶材表面进行喷砂工艺处理之前，以及在对所述钴靶材表面进行喷砂工艺之后、对所述钴靶材表面进行活化处理之前分别还包括对钴靶材表面清洗的步骤。

可选地，对所述钴靶材表面进行活化处理的活化剂为体积百分比是5%~15%的氢氟酸溶液。

可选地，对所述钴靶材表面进行活化处理时间为30s~60s。

可选地，所述水洗处理采用纯净水或者去离子水进行。

可选地，所述镀液的PH值为4.0~5.0。

可选地，所述镀液的PH值为4.0~5.0，所述化学镀的镀液的温度控制在80℃~90℃。

可选地，所述镀液的PH值为4.0~5.0，所述化学镀的镀液的温度控制在80℃~90℃，所述化学镀的施镀时间控制在30min~60min。

可选地，所述镍镀层的厚度为6μm~10μm。

可选地，所述背板的材质为铜。

可选地，所述背板的材质为铝，将化学镀处理后的钴靶材焊接至背板前，还进行利用化学镀工艺在所述背板的焊接面上形成镍层的步骤。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：在钴靶材的焊接面上通过化学镀形成镍层，再利用镍层作为中间媒介，使得钴靶材与背板焊接后实现二者的牢固结合，具有较高的结合强度；此外，该化学镀镍法可以实现工业化生产，有利于提高生产效率。

可选方案中，镀镍过程中，所述镀液的PH值为4.0~5.0，所述化学镀的镀液的温度控制在80℃~90℃，所述化学镀的施镀时间控制在30min~60min，上述条件下，该镍层的性能较佳，更利于将钴靶材与背板进行结合。

可选方案中，本发明人发现，背板的材质为铝时，在该背板的焊接面上也进行镀镍工艺，进一步利于将钴靶材与铝背板结合。

附图说明

图1是本发明一个实施例制作钴靶材组件的流程示意图；

图2至图4为根据图1所示流程制作钴靶材组件的示意图。

具体实施方式

本发明的发明人发现在现有钴靶材组件的制作中是将钴靶材与异种金属（例如铜、铜合金、铝或铝合金）背板直接焊接，易造成二者焊接质量不稳定（例如焊接结合强度较弱），达不到半导体钴靶材要求。

本发明提供一种钴靶材组件的制作方法，包括：提供钴靶材，所述钴靶材的钴含量大于90%；利用化学镀工艺，在所述钴靶材焊接面上形成镍层；将化学镀处理后的钴靶材焊接至背板。

下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。

参考图1，本发明实施方式提供一种钴靶材组件的制作方法，包括如下步骤：

步骤S1，提供钴靶材，所述钴靶材的钴含量大于90%；

步骤S2，对所述钴靶材表面进行喷砂工艺；

步骤S3，对所述钴靶材表面进行活化处理；

步骤S4，对所述钴靶材表面进行水洗处理；

步骤S5，利用化学镀工艺，在水洗处理后的钴靶材焊接面上形成镍镀层；

步骤S6，将化学镀处理后的钴靶材焊接至背板形成钴靶材组件。

下面结合附图对于上述实施方式进行详细说明。

结合图1和图2所示，执行步骤S1，提供钴靶材20。此钴靶材20具有焊接面200。在本实施方式中，所述钴靶材的材料为纯度大于90%的钴，例如99%的钴靶材。另外，钴靶材的形状，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。本实施方式中以直径为310mm的圆形钴靶材为例，它的厚度为12mm，厚度会在设计尺寸上加1mm至3mm的加工余量，增加加工余量的目的是对形成钴靶材组件之后的加工步骤提供比较宽裕的加工空间。

接着执行步骤S2，对所述钴靶材表面进行喷砂工艺处理。对钴靶材表面进行喷砂处理的作用主要是使得钴靶材在进行化学镀时表面所形成的镍镀层是一个不连续镀层，降低镀层表面张力、增加钴靶材表面的粗糙度，提高镍镀层与钴靶材表面的结合力，使得镀层不容易从钴靶材表面上脱落。

喷砂是采用压缩空气为动力，以形成高速喷射束将喷料（铜矿砂、石英砂、金刚砂、铁砂、海南砂）高速喷射到需要处理的工件表面，使工件表面的外表面的外表或形状发生变化的工艺。由于喷料对工件表面的冲击和切削作用，使工件的表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度，使工件表面的机械性能得到改善，因此提高了工件的抗疲劳性，增加了它和镀层之间的附着力，延长了镀层的耐久性。

影响喷砂质量的主要因素有：砂粒材料、砂粒大小、空气压力、喷射角度、喷射距离。任何一个参数的变化都会不同程度地影响喷砂的效果，其中对于砂粒材料、砂粒大小、空气压力尤其重要。

本实施方式中选择每平方英寸内含有46粒白刚玉的46号白刚玉作为使用的砂粒。将46号白刚玉倒入喷砂机，喷砂机空气压力范围控制在0.4MPa～0.6MPa，空气压力若大于0.6MPa，则喷砂的动力太大，使钴靶材表面坑的平均深度（深度要求为6μm～10μm）加大，影响后续的镍镀层与钴靶材表面的结合力。如果空气压力小于0.4MPa，则喷砂的动力不足，使钴靶材表面坑的平均深度太小，同样影响后续的镍镀层与钴靶材表面的结合力。

本实施方式中，喷砂枪的喷嘴到钴靶材表面的距离范围为10cm～15cm，喷嘴喷出46号白刚玉的方向与钴靶材表面的夹角为除了90度（喷嘴与钴靶材表面垂直）以外的其他角度，最佳角度范围为30度～60度，可以保证喷砂的均匀性和有一定的覆盖范围。喷砂后在钴靶材表面形成平均深度为6μm～10μm的粗糙层。

在本步骤中，将钴靶材所有面或者仅将钴靶材的焊接面200进行喷砂。

接着执行步骤S3，对所述钴靶材表面进行活化处理。只有对钴靶材表面进行活化处理才能使钴靶材表面的化学镀镍层工艺顺利进行，因为，化学镀是并无外力启动的一种工艺，使得工件进入镀液能够形成均匀一致的沉积界面，因此，化学镀是靠表面条件启动的，即异相表面自催化反应，而不是电力。因此，对钴靶材表面进行活化处理是为了增大钴靶材表面的活化能，使钴靶材表面的反应活性增强，增加钴靶材表面的化学镀镍层的速度，避免镍镀层与基体结合不牢的严重问题。活化剂的选择与钴靶材材料有关，只要能增加钴靶材的表面的活化能、使得钴靶材表面的反应活性增强的活化剂都可以。

在本实施方式中，对钴靶材活化处理采用体积百分比为5%~15%的氢氟酸溶液(分析纯的高浓度HF酸溶液：水=5：100~15：100），活化时间为30s~60s。活化时间如果小于30s，则HF酸溶液对钴靶材的活化效果不好，没有起到完全活化的作用；如果活化时间大于60s，则氢氟酸溶液对钴靶材的活化时间太久，氢氟酸溶液会腐蚀钴靶材。

接着执行步骤S4，对所述钴靶材表面进行水洗处理。具体过程为用纯净水或者去离子水冲洗钴靶材表面1min～2min，目的是为了将钴靶材表面的酸液清洗干净。如果对所述钴靶材表面活化处理后，不对其进行水洗，则会有残留在钴靶材表面的酸液污染后续的化学镀镀液，对镀液的PH值产生影响，继而影响钴靶材化学镀的效果。

接着执行步骤S5，结合图1和图3所示，利用化学镀工艺，在水洗处理后的钴靶材20的焊接面200上形成镍镀层22。

化学镀工艺是一种不需要通电，依据氧化还原反应原理，利用强还原剂在含有金属离子的溶液中，将金属离子还原成金属而沉积在各种材料表面形成致密镀层的方法。所获得的镀层可使得材料表面具备多种新的功能。化学镀是一种新型的金属表面处理技术，该技术工艺简便、节能、环保。

在本实施方式中，是采用化学镀镍工艺，在钴靶材20的焊接面200上形成镍镀层22。具体工艺包括：将活化后的待焊接的钴靶材的所有表面浸入镀槽的镀液中，所述镀槽和镀液都为上海新阳半导体材料股份有限公司制造的化学镀镍的镀槽和镀液。所述镀液中含有镍离子，在本实施方式中，提供金属镍离子的可溶性镍盐为硫酸镍(NiSO₄·7H₂O)，其相对分子质量为280.88，绿色结晶，100℃时在100g水中的溶解度为478.5g，配成的溶液为深绿色，pH值为4.5。

本实施方式中，化学镀镍溶液配方中硫酸镍(NiSO₄·7H₂O)的浓度维持在20～40g／L，或者说含Ni 4～8g／L。硫酸镍(NiSO₄·7H₂O)的浓度过高，会导致有一部分游离的Ni²⁺存在于镀液中时，镀液的稳定性下降，得到的镀层常常颜色发暗，且色泽不均匀。硫酸镍(NiSO₄·7H₂O)的浓度过低，镀速（镀液的沉积速度）下降而且形成的镀层不够致密。

镀液中还包括还原剂。本实施方式中所述还原剂为次磷酸钠，使得镀液容易控制，它含有两个或多个活性氢，还原Ni²⁺就是靠还原剂的催化脱氢进行的。用次磷酸钠得到Ni-P合金镀层，而且Ni-P合金镀层性能优良。随着次磷酸盐浓度的增加，镍的沉积速度上升。但次磷酸盐的浓度也有限制，它与硫酸镍浓度的摩尔比，不应大于4，否则容易造成镀层粗糙，甚至诱发镀液瞬时分解。本实施方式中次磷酸钠的含量为20～40g／L。这样才能保证化学镀镍溶液既有最大的沉积速度，又有良好的稳定性。

为精确调整化学镀液的PH值，该镀液中还包括：乙酸钠和硼酸。

化学镀镍工艺的影响因素主要包括镀液温度、镀液的PH值、镀液装载量和施镀时间。

化学镀镍的过程中，镀液温度对于镀层的沉积速度、镀液的稳定性以及镀层的质量均有重要影响。化学镀镍的催化反应一般只能在加热条件下实现，许多化学镀镍的单个反应步骤只有在50℃以上才有明显的反应速度，特别是酸性溶液中，操作温度一般都在85～95℃之间。镀液沉积速度随温度升高而增快，一般温度每升高10℃，沉积速度就加快一倍。但需要指出的是，镀液温度过高，又会使镀液不稳定，容易发生自分解。温度除了影响镀液沉积速度之外，还会影响镀层质量，温度升高、镀液沉积速度快，镀层中含磷量下降，镀层的应力和孔隙率增加，耐蚀性能降低。本实施方式中，所述镀液的温度为80℃～90℃。另外，化学镀镍过程中温度控制均匀十分重要。最好维持溶液的工作温度变化在±2℃内，若施镀过程中温度波动过大，会发生片状镀层，镀层质量不好并影响镀层结合力。

PH值对镀液及镀层的影响很大，它是工艺参数中必须严格控制的重要因素。在酸性化学镀镍过程中，pH值对沉积速度及镀层含磷量具有重大的影响。随pH值上升，镍的沉积速度加快，同时镀层的含磷量下降。pH值变化还会影响镀层中应力分布：pH值高的镀液得到的镀层含磷低，表现为拉应力，反之，pH值低的镀液得到的镀层含磷高，表现为压应力。对每一个具体的化学镀镍溶液，都有一个最理想的pH值范围。例如，在本实施方式中，PH范围为4.0～5.0。而化学镀镍施镀过程中，随着Ni-P合金镀层不断的沉积，H⁺不断生成，镀液的pH值不断下降，因此，生产过程中必须及时调整，维持镀液的pH值，使其波动范围控制在±0.2范围之内。调整镀液pH值，一般使用乙酸钠和硼酸，调整镀液的PH值要在搅拌的情况下进行。用乙酸钠调整镀液pH值时，发生酸碱中和反应，将反应过程中生成的H⁺中和掉，而用硼酸调整镀液pH值时，可以防止乙酸钠过量。

镀液装载量是指工件施镀面积与使用镀液体积之比。化学镀镍施镀时，装载量对镀液稳定性影响很大。本实施方式中，镀液的装载量在0．5～1．5dm²／L。装载量过大，即催化表面过大，则沉积反应剧烈，易生成亚磷酸镍沉淀而影响镀液的稳定性和镀层性能；装载量过小，镀液中微小的杂质颗粒便会成为催化活性中心而引发沉积，容易导致镀液分解。

采用不同施镀时间对化学镀镍工艺中镀层的硬度、沉积速率、耐腐蚀性、微结构及形貌都有影响。本实施方式中，施镀持续时间可以为45min±5min，此时镀层质量最佳，所得镀层光亮，胞状组织均匀致密，耐腐蚀性强，并具有较高的硬度，钴靶材表面所镀镍层的厚度为6μm～10μm。如果化学镀镍的时间过长（大于60min），则钴靶材表面所镀镍层的厚度过厚（大于10μm），这样镍层与钴靶材表面的结合力不强。如果化学镀镍的时间过短（小于30min），则镀层颜色不够光亮，胞状组织不会均匀致密，耐腐蚀性较差而且镀层的厚度和硬度达不到要求（厚度要求为6μm～10μm）。

然后将所述钴靶材取出，进行清洗。包括：将所述钴靶材取出，以纯净水或者去离子水清洗；在纯净水或者去离子水中浸润，烘干。所述在纯净水或者去离子水中浸润的时间为1分钟至3分钟，温度为35℃至45℃。

特别地，化学镀镍处理后，钴靶材若不是直接与背板钎焊，而是需存储一段时间时，还可以包括将清洗后的电镀有镍镀层的钴靶材予以真空包装的步骤，可以避免钴靶材暴露于外界环境下出现例如氧化、受潮等问题。

需要说明的，镍镀层22既可以形成在钴靶材20的各个表面上（图未示），然后用机械加工的方法将除焊接面200以外的其他镍镀层去除；也可以仅形成在钴靶材20的焊接面200上。如果镍镀层22形成在钴靶材20的各个表面上，则对钴靶材进行化学镀之前需要将钴靶材的各个表面进行喷砂处理，各个表面进行活化处理，各个表面进行水洗处理，之后对钴靶材的各个表面进行化学镀工艺；如果镍镀层22仅形成在钴靶材20的焊接面200上，在对钴靶材进行喷砂处理，活化处理，水洗处理以及化学镀工艺步骤中，对除焊接面200以外的其他表面进行保护，使得其他表面不进行上述一系列操作。但是，保护其他表面而只将镍镀层22镀在焊接面200的化学镀方法的成本要比镍镀层22形成在钴靶材20的各个表面上，然后用机械加工的方法将除焊接面200的镍镀层去除的成本高。

接着执行步骤S6，结合图1和图4所示，提供背板24，对钴靶材20和背板24进行焊接，本实施方式为钎焊，将钴靶材20焊接至背板24形成钴靶材组件。背板24的材料为与所述钴靶材20的材料相异的金属，例如为铜或铜合金、铝或铝合金。

在本步骤中，具体可以包括：对钴靶材20进行预热，将钎料均匀分布在钴靶材20的焊接面200上；对铜或铜合金背板24的焊接面进行打磨处理，并进行预热，将钎料均匀分布在铜或铜合金背板24的焊接面上；让钴靶材20的焊接面200（焊接面200具有镍镀层22）与铜或铜合金背板24的焊接面接触，在高温高压作用下，将钴靶材20焊接至铜或铜合金背板24形成钴靶材组件。

其它实施例中，该背板的材质也可以为铝或铝合金，本发明人发现，若背板的材质为铝或铝合金时，在铝或铝合金的焊接面也形成一层镍镀层，有利于提高钴靶材与铝背板的焊接牢固度。在铝或铝合金背板的焊接面上形成镍镀层的步骤参照上述步骤S2至S5所述，具体参数可以根据需要选择。

在步骤S6中，在钴靶材20的焊接面200上已形成有易与铜或铜合金相结合的镍镀层22，利用镍镀层22作为中间媒介，可以使得钴靶材20与铜或铜合金背板24在经过钎焊作业后能牢固结合，具有很高的结合强度，符合钴靶材组件的制作要求。另外，在钴靶材组件中的钴靶材20溅射消耗后，可以通过抛光、打磨等表面处理方法，也能较容易的去除在铜或铜合金背板24的焊接面上残留的钎料和镍镀层，从而可以确保铜或铜合金背板重新投入使用，与其他钴靶材焊接构成新的钴靶材组件，提高了铜或铜合金背板利用率，节省了生产成本。

下面对本发明的一个实施方式做详细的说明。

具体实施例：

以99%的钴靶材为例来说明本发明的工艺步骤及结果：

（1）对钴靶材的各个表面进行喷砂工艺处理。采用46号白刚玉，空气压力为0.4MPa，喷砂枪的喷嘴到该钴靶材表面的距离为15cm，喷嘴喷出46号白刚玉的方向与钴靶材表面的夹角为60度，喷砂后在钴靶材表面形成平均深度为8μm的粗糙层；

（2）用纯净水或者去离子水冲洗该钴靶材各个表面5分钟（min）；

（3）把所述钴靶材的全部浸泡在体积百分比为10%氢氟酸溶液中进行活化，活化时间为40s；

（4）将活化后的钴靶材用纯净水冲洗钴靶材各个表面2min；

（5）将水洗后的钴靶材的所有表面浸入镀槽的镀液中，所述渡槽和镀液都为上海新阳半导体材料股份有限公司制造的化学镀镍的镀槽和镀液，化学镀镍溶液中硫酸镍(NiSO₄·7H₂O)的浓度维持在30g／L、次磷酸钠的含量为30g／L；镀液的装载量在1dm²／L；所述镀液的温度为85℃，化学镀镍过程中维持溶液的工作温度变化在±2℃内；调节并维持所述镀液PH值为4.5；施镀持续时间为40分钟（min），最后在钴靶材的各个表面形成厚度要求为7μm的镍层；

（6）将完成化学镀的所述钴靶材取出，采用大量的纯净水或者去离子水进行清洗；

（7）将所述靶材在纯净水或者去离子水中浸润，浸润的时间为2分钟左右，温度为40℃左右；

（8）将经过浸润的所述钴靶材取出并烘干；

（9）然后用机械加工的方法将焊接面以外的镍镀层去除；

（10）提供铜背板，对钴靶材和铜背板进行钎焊（用纯铟In焊料），形成钴靶材组件。

通过上述各步骤，可以使得所述钴靶材在化学镀处理后表面形成有镍镀层，从而使得经过铟焊作业后的钴靶材与铜或铝背板具有很高的结合强度，即此时铟焊的焊接强度基本位5MPa左右（其结合强度为最高极限结合强度），因此通过上述步骤制作出高质量的钴靶材组件。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明的技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (12)

1.一种钴靶材组件的制作方法，其特征在于，所述方法包括：

提供钴靶材，所述钴靶材的钴含量大于90%；

利用化学镀工艺，在所述钴靶材焊接面上形成镍镀层；

将化学镀处理后的钴靶材焊接至背板。

2.根据权利要求1所述的钴靶材组件的制作方法，其特征在于，在所述钴靶材焊接面上形成镍镀层前还依次进行：

对所述钴靶材表面进行喷砂工艺；

对所述钴靶材表面进行活化处理；

对所述钴靶材表面进行水洗处理步骤。

3.根据权利要求2所述的钴靶材组件的制作方法，其特征在于，在对所述钴靶材表面进行喷砂工艺处理之前，以及在对所述钴靶材表面进行喷砂工艺之后、对所述钴靶材表面进行活化处理之前分别还包括对钴靶材表面清洗的步骤。

4.根据权利要求2所述的钴靶材组件的制作方法，其特征在于，对所述钴靶材表面进行活化处理的活化剂为体积百分比是5%~15%的氢氟酸溶液。

5.根据权利要求2所述的钴靶材组件的制作方法，其特征在于，对所述钴靶材表面进行活化处理时间为30s~60s。

6.根据权利要求2所述的钴靶材组件的制作方法，其特征在于，所述水洗处理采用纯净水或者去离子水进行。

7.根据权利要求1所述的钴靶材组件的制作方法，其特征在于，所述化学镀的镀液的PH值为4.0~5.0。

8.根据权利要求7所述的钴靶材组件的制作方法，其特征在于，所述化学镀的镀液的温度控制在80℃~90℃。

9.根据权利要求8所述的钴靶材组件的制作方法，其特征在于，所述化学镀的施镀时间控制在30min~60min。

10.根据权利要求1所述的钴靶材组件的制作方法，其特征在于，所述镍镀层的厚度为6μm~10μm。

11.根据权利要求1所述的钴靶材组件的制作方法，其特征在于，所述背板的材质为铜。

12.根据权利要求1所述的钴靶材组件的制作方法，其特征在于，所述背板的材质为铝，将化学镀处理后的钴靶材焊接至背板前，还进行利用化学镀工艺在所述背板的焊接面上形成镍层的步骤。

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