CN104513952A - 靶材组件的制作方法和靶材组件 - Google Patents

Abstract

一种靶材组件的制作方法和靶材组件，其中靶材组件的制作方法，包括：提供第一靶材组件坯料，所述第一靶材组件坯料包括背板和固定在背板上的靶材；对所述第一靶材组件坯料进行第一机械加工，形成第二靶材组件坯料，所述第二靶材组件坯料的背板表面光滑；对所述第二靶材组件坯料的背板表面进行氧化处理，在所述背板的表面形成氧化膜；对所述氧化处理后的第二靶材组件坯料进行第一清洗，形成靶材组件。采用本发明的制作方法形成的靶材组件在基片上形成的膜层质量较高、磁控溅镀工艺的成本比较低，而且安装该靶材组件的溅射机台也不会被污染。

Description

靶材组件的制作方法和靶材组件

技术领域

本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种靶材组件的制作方法和靶材组件。

背景技术

在真空溅镀工艺中，靶材组件由符合溅射性能的靶材和具有一定强度的背板构成。所述背板不仅在所述靶材组件装配至溅射基台中起到支撑作用，而且其具有传导热量的功效，用于磁控溅镀工艺中靶材的散热。具体为：

在磁控溅镀过程中，靶材组件工作环境较为苛刻。其温度较高（如300℃至500℃），靶材组件处于高压电场和磁场强度较大的磁场中，且正面在10^-9Pa的高真空环境下，受到各种高能量离子轰击，致使靶材发生溅射，而溅射出的中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜。在磁控溅镀过程中，靶材组件的温度会急剧升高，因而需要通过靶材组件中的背板传递并迅速消散靶材的热量，并避免由此产生的靶材变形、靶材使用寿命减短、影响基片镀膜质量等问题。为此在靶材组件磁控溅射实践操作过程中，背板的背面采用高压冷却水冲击措施来对靶材组件进行散热。

但是，现有技术中的靶材组件在基片上形成的膜层质量不高、磁控溅镀工艺的成本比较高，而且安装该靶材组件的溅射机台也会被污染。

发明内容

本发明解决的问题是现有工艺中，背板的使用寿命较短，而且基片镀膜质量不高，不能满足要求越来越高的溅射工艺，而且溅射机台容易被污染。

为解决上述问题，本发明提供一种靶材组件的制作方法，包括：

提供第一靶材组件坯料，所述第一靶材组件坯料包括背板和固定在背板上的靶材；

对所述第一靶材组件坯料进行第一机械加工，形成第二靶材组件坯料，所述第二靶材组件坯料的背板表面光滑；

对所述第二靶材组件坯料的背板表面进行氧化处理，在所述背板的表面形成氧化膜；

对所述氧化处理后的第二靶材组件坯料进行第一清洗，形成靶材组件。

可选的，所述背板的材料为铝合金。

可选的，形成第二靶材组件坯料的步骤之后，对所述第二靶材组件坯料的背板表面进行氧化处理的步骤之前，还包括下列步骤：

对所述第二靶材组件坯料的背板表面进行脱脂处理；

对所述脱脂处理后的所述第二靶材组件坯料进行第二清洗。

可选的，所述对第二靶材组件坯料的背板表面进行脱脂处理的步骤前，还包括步骤:

在所述第二靶材组件坯料的表面形成保护层，所述保护层暴露所述背板表面，所述保护层防止背板表面以外的表面被脱脂处理和被氧化处理；

形成靶材组件后，还包括步骤：去除所述保护层。

可选的，所述脱脂处理的工艺条件为：将形成有保护层的第二靶材组件坯料放入浓度为40～60g/L的氢氧化钠溶液中进行浸泡，所述浸泡时间为30～120s。

可选的，对所述第二清洗后的所述第二靶材组件坯料的背板进行氧化处理包括：

将第二清洗后的形成有保护层的第二靶材组件坯料放入电解槽中，所述电解槽中含有含量为190～210g/L的H₂SO₄；设置所述电解槽的电流密度为2.0～2.5A/dm²，设置所述电解槽的温度为-2～2℃，所述电解槽的电解时间为20～30min。

可选的，所述保护层为胶布、胶带。

可选的，形成靶材组件后，所述靶材组件表面还具有去除所述保护层时形成的划痕，还包括下列步骤：

对所述靶材组件进行机械抛光，去除所述划痕；

对所述机械抛光的靶材组件进行第三清洗。

可选的，所述第一靶材组件坯料的形成方法包括：

提供靶材坯料与背板坯料；

对所述靶材坯料进行机械加工形成靶材；

对所述背板坯料进行机械加工形成背板；

对所述靶材与背板进行焊接形成第一靶材组件坯料。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

对第一靶材组件坯料进行第一机械加工，形成第二靶材组件，第二靶材组件坯料的背板表面光滑，接着对第二靶材组件坯料的光滑的背板表面进行氧化处理，才能在背板表面形成具有如下性质的氧化膜：组织结构均匀致密，耐腐蚀性强，并且具有较高的硬度。因此，后续在磁控溅镀过程中，氧化膜保护背板表面不会被电化学腐蚀，背板的表面也不会有凹凸不平的现象，从而可以提高基片上的镀膜质量。

另外，背板表面不会发生电化学腐蚀现象，则背板不会被更换、并且由该背板组成的靶材组件也不会被一起更换，因此，背板、由该背板组成的靶材组件的使用寿命被延长，进而减小了磁控溅镀工艺的成本。而且，冷却水管也不会被腐蚀产物所堵塞，因此，溅射机台也不会被污染。

为解决上述问题，本发明还提供一种靶材组件，包括：

背板，所述背板的表面光滑且具有氧化膜；

固定于所述背板上的靶材。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

靶材组件中的背板表面光滑且具有氧化膜，该氧化膜组织结构致密，耐腐蚀性强，并且具有较高的硬度，因此可以保护背板表面不容易被电化学腐蚀，背板的表面也不会有凹凸不平的现象，从而可以提高基片上的镀膜质量。

另外，靶材组件的背板不会发生电化学腐蚀现象，则背板不会被更换、并且由该背板组成的靶材组件也不会被一起更换，因此，背板、由该背板组成的靶材组件的使用寿命被延长，进而减小了磁控溅镀工艺的成本。而且，冷却水管也不会被腐蚀产物所堵塞，因此，溅射机台也不会被污染。

附图说明

图1～图6是本发明具体实施例的靶材组件制作方法的剖面示意图。

具体实施方式

经过发现和分析，现有技术中的靶材组件在基片上形成的膜层质量不高、磁控溅镀工艺的成本比较高，而且安装该靶材组件的溅射机台也会被污染的原因为：

在磁控溅镀过程中，靶材组件的背板在通电的情况下长时间的接触冷却水，经过一段时间后，背板与冷却水的接触面上会发生电化学腐蚀，被腐蚀的背板表面凹凸不平。磁控溅射过程中，表面凹凸不平的背板自身会产生紊乱的磁场，这些紊乱的磁场会干扰磁控溅镀工艺外加磁场的大小和方向，从而会影响基片镀膜质量，例如，基片上形成的膜层凹凸不平。

再者，由上可知，被电化学腐蚀的背板会影响基片镀膜质量。因此，背板一旦出现被腐蚀处，背板、由该背板组成的靶材组件会被一起更换，从而减短了该背板的使用寿命，由该背板组成的靶材组件的使用寿命也被减短，进而提高了磁控溅镀工艺的成本。

另外，溅射机台设备的冷却水管路会经过真空溅镀腔室，发生电化学腐蚀的背板上的腐蚀产物会被冷却水冲走并积留在冷却水管路中，这些腐蚀产物很难清理，从而会污染溅射机台设备。

为解决上述问题，获得了一种靶材组件的制作方法，图1～图6是本发明具体实施例的靶材组件制作方法的剖面示意图。靶材组件的制作方法具体为：

执行步骤S11，提供第一靶材组件坯料，所述第一靶材组件坯料包括背板和固定在背板上的靶材。

执行步骤S12，对所述第一靶材组件坯料进行第一机械加工，形成第二靶材组件坯料，所述第二靶材组件坯料的背板表面光滑。

执行步骤S13，对所述第二靶材组件坯料的背板表面进行氧化处理，在所述背板的表面形成氧化膜。

执行步骤S14，对所述氧化处理后的第二靶材组件坯料进行第一清洗，形成靶材组件。

下面结合附图，通过具体实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的可实施方式的一部分，而不是其全部。根据这些实施例，本领域的普通技术人员在无需创造性劳动的前提下可获得的所有其它实施方式，都属于本发明的保护范围。

首先，参考图1至图3，执行步骤S11，提供第一靶材组件坯料10”，所述第一靶材组件坯料10”包括背板12和固定在背板12上的靶材。

本实施例中，第一靶材组件坯料10”的形成方法如下：

参考图1，执行步骤S110，提供靶材坯料11’和背板坯料12’。

本实施例中，背板坯料12’的形状为圆柱体，其他实施例中，背板坯料12’的形状根据应用环境、溅射设备的实际要求，也可以为其他形状。背板坯料12’的材料为铝合金，例如，6061铝合金等，硬度为50～70HV，背板坯料的直径和厚度的实际加工尺寸会在设计尺寸上加有第一加工余量，增加第一加工余量的目的是为后续形成靶材组件加工步骤提供比较宽裕的加工空间。

靶材坯料11’的形状也为圆柱体，其他实施例中，靶材坯料11’的形状根据应用环境、溅射设备的实际要求，也可以为其他形状。根据背板坯料12’的材料为铝，靶材坯料11’的材料可以为铝、钛、钽或铜，靶材坯料11’的直径和厚度的实际加工尺寸会在设计尺寸上加有第一加工余量，增加第一加工余量的目的是为后续形成靶材组件加工步骤提供比较宽裕的加工空间。

参考图2，执行步骤S111，对所述靶材坯料11’进行机械加工形成靶材11；对所述背板坯料12’进行机械加工形成背板12。

本实施例中，采用车床和铣床对靶材坯料11’进行机械加工，包括：对靶材坯料11’的形状进行粗加工，使得后续形成的靶材11的尺寸、平整度平行度和平面度符合焊接要求。具体为本领域熟知技术，在此不再赘述。

采用车床和铣床对背板坯料12’进行机械加工，包括：对背板坯料12’的形状进行粗加工，使得后续形成的背板12的尺寸、平整度、平行度和平面度符合焊接要求。需要说明的是，如果背板内部具有冷却水道，第二机械加工包括对背板内部冷却水道的加工。具体为本领域熟知技术，在此不再赘述。

靶材11和背板12的直径、厚度的实际加工尺寸会在设计尺寸上加有第二加工余量，防止后续焊接形成的靶材组件10”出现变形现象，从而对后续焊接形成的靶材组件10”继续进行尺寸、平面度、平整度度的加工。

参考图3，执行步骤S112，对所述靶材11与背板12进行焊接形成第一靶材组件坯料10”。

本实施例中，焊接可以为钎焊、扩散焊接或电子束焊接。根据靶材材料的不同进行选择，形成靶材组件的焊接结合率高，变形量小，符合要求越来越高的溅射工艺。例如，铝背板和铜靶材的焊接为钎焊、铝背板和钛靶材的焊接为扩散焊接、铝背板和铝靶材的焊接为电子束焊接。

参考图4，执行步骤S12，对所述第一靶材组件坯10’’进行第一机械加工，形成第二靶材组件坯料10’，所述第二靶材组件坯料的背板表面光滑。

采用车床、铣床对第一靶材组件坯10’’进行第一机械加工，包括：

（1）经过焊接处理后，对第一靶材组件坯料10’’的尺寸、平行度、平面度进行精加工，得到最终尺寸，并且使得背板12的表面光滑。

（2）加工靶材11的溅射面，使其光滑度符合溅射要求。加工背板12表面，使其光滑度符合后续氧化处理的要求。其他实施例中，也可以只加工背板12中与靶材焊接面相对的面，使其光滑度符合后续氧化处理的要求。

（3）在背板12上加工安装孔，通过所述安装孔可以将背板12安装在溅射基台上。

（4）在背板12上加工密封槽（O-ring槽），后续的靶材组件安装通过背板安装在溅射基台时，在所述密封槽内放置密封圈（O-ring密封圈）实现真空罩与溅射基台的连接与密封。

（5）在背板12上加工排气槽，在真空溅镀过程中，通过所述排气槽实现废气的排除。

本实施例中，形成第二靶材组件坯料10’后，第二靶材组件坯料的背板表面光滑，表面光滑的背板是后续在所述背板上进行氧化处理（形成致密氧化膜）的必要条件。对第二靶材组件坯料10’进行清洗，以去除第二靶材组件坯料10’表面的污渍。具体采用异丙醇清洗。

接着，参考图5，执行步骤S13，对所述第二靶材组件坯料10’的背板12表面进行氧化处理，在所述背板的表面形成氧化膜。具体为：

在第二靶材组件坯料10’的表面形成保护层，所述保护层暴露所述背板表面，所述保护层防止非背板的表面被氧化处理。其他实施例中，也可以只留出背板中的与背板焊接面相对的面。本实施例中，所述保护层为胶布、胶带。采用胶布或胶带将第二靶材组件坯料10’的靶材11表面进行包裹，露出背板12的表面。

将裹有胶带的第二靶材组件坯料10’放入电解槽13中，因为，背板的材料为铝合金，所以本实施例中，电解槽中含有含量为190～210g/L的H₂SO₄；设置所述电解槽的电流密度为2.0～2.5A/dm²设置所述电解槽的温度为-2～2℃，所述电解槽的电解时间为20～30min，形成的氧化膜的成分为氧化铝。

电解槽中硫酸的含量如果太高，会发生过腐蚀现象，形成的背板表面会发黑，对背板的强度和硬度有影响；硫酸的含量如果太低，则无法在铝背板的表面形成氧化膜。

氧化铝的沉积速度随温度升高而增快，但需要指出的是，电解槽的温度过高，会使得电解槽内的溶液不稳定，容易发生自分解，电解槽内部会有白烟现象，具有较大的安全隐患。温度除了影响氧化铝的沉积速度之外，还会影响氧化膜的质量。温度升高，氧化铝沉积速度快，氧化膜的应力和孔隙率增加，耐蚀性能降低。当然，温度如果太低，也无法在铝背板的表面形成氧化膜。

电解槽中的电流密度如果太大或者电解时间如果太长，则铝背板都容易形成过腐蚀，从而影响铝背板的硬度和强度。电解槽中的电流密度如果太小或者电解时间如果太短，则无法在铝背板表面形成氧化膜。

因此，在背板的表面光滑的前提下，上述条件范围要严格控制。根据上述条件形成的氧化膜组织结构均匀致密，耐腐蚀性强，并且具有较高的硬度。在背板表面形成组织结构均匀致密的氧化膜，可以防止铝背板在真空溅镀的条件下发生电化学腐蚀。

需要说明的是，现有技术中，对铝材料进行氧化处理，在铝材料表面形成氧化膜的步骤为：对铝材料进行脱脂处理和清洗后，还需要对铝材料进行酸洗、碱洗和中和处理，酸洗和碱洗的目的是消除铝材料表面的挤压纹和划痕，形成表面光滑的铝材料表面。中和处理的目的是为了在对铝材料表面进行氧化处理之前，使得铝材料表面的PH值为中性，从而不影响氧化膜的质量。之后，在表面光滑的铝材料表面再进行氧化处理，形成氧化膜，形成氧化膜后，现有技术中的氧化膜内部具有微小孔隙，该微小孔隙对所述氧化膜的致密度略有影响。因此，现有技术中，需要对微小孔隙进行封孔处理。这样在铝材料表面才能形成致密的氧化膜。

本实施例中，由于对第一靶材组件坯料10”进行第一机械加工，形成第二靶材组件坯料10’，且第二靶材组件坯料10’中的背板表面光滑，没有挤压纹和划痕，因此，可以省略现有技术中的酸洗、碱洗和中和的步骤。再者，采用本实施例的对铝背板的氧化处理条件，不需要对形成氧化膜的第二靶材组件坯料10’进行封孔处理，就能形成组织结构均匀致密，耐腐蚀性强，并且具有较高硬度的氧化膜。因此，采用本实施例的对铝背板进行氧化处理的方法，不仅节省了工艺步骤而且还保证了氧化膜的质量。因此，采用本实施例的方法，同样也节省了形成靶材组件的工艺步骤。

执行步骤S14，对所述氧化处理后的第二靶材组件坯料10’进行第一次清洗，形成靶材组件10。

在所述第二靶材组件坯料10’的背板表面形成致密的氧化膜后，对第二靶材组件坯料10’进行第一次清洗，第一次清洗的目的是防止胶带上残留硫酸溶液。所述清洗为用去离子水清洗50～70min。水洗后，形成靶材组件10。

需要说明的是，本实施例中，形成第二靶材组件坯料的步骤之后，对所述第二靶材组件坯料的背板表面进行氧化处理的步骤之前，还包括下列步骤：对所述第二靶材组件坯料的背板表面进行脱脂处理；对所述脱脂处理后的所述第二靶材组件坯料进行第二清洗。

对背板的表面进行脱脂处理可以使后续的氧化处理工艺顺利进行，因为，对背板的表面进行活化处理增大了背板的表面的活化能，使背板表面的反应活性增强，增加背板表面的氧化处理的速度，避免产生的氧化层与背板表面结合不牢的严重问题。脱脂剂的选择与背板材料有关，

上述在S13步骤中的保护层需要形成在脱脂处理之前。接着，将形成有保护层的第二靶材组件坯料放入浓度为40～60g/L的氢氧化钠溶液中进行浸泡，所述浸泡时间为30～120s。

采用本实施例中的脱脂剂对背板进行脱脂处理，不仅可以对背板表面的各种污渍进行进一步深层次的清洗，还可以去除背板表面的自然氧化膜，而且还不会出现过去除现象，即产生大量的气体和黑污。

接着，对所述脱脂处理后的所述第二靶材组件进行第二清洗。

第二清洗为采用去离子水对第二靶材组件进行清洗。第二清洗的时间为50～70min。之所以采用去离子水进行清洗，防止在后续的氧化处理过程中引入其他杂质离子，进而影响后续氧化处理的效果。

形成靶材组件10后，将包裹靶材的胶布或胶带揭掉。将包裹靶材的胶布或胶带揭掉后，如果靶材组件表面还具有去除裹胶带或胶带时形成的划痕，还包括下列步骤：对述靶材组件10进行机械抛光，去除所述划痕，然后对机械抛光的靶材组件10进行第三清洗。以去除机械抛光过程中产生的油污等。

第三清洗后，对靶材组件10进行包装。

需要说明的是，本实施例是先进行焊接形成第一靶材组件坯料，对第一靶材组件进行第一机械加工，形成第二靶材组件坯料，所述第二靶材组件坯料的背板表面光滑，然后对第二靶材组件坯料进行氧化处理。是因为，焊接和机械加工过程容易使得靶材和背板发生变形，也就是说，如果先对背板进行氧化处理，在其表面形成致密的氧化膜后，还需要进行酸洗、碱洗和中和的步骤，另外，形成致密氧化膜的背板和靶材进行焊接形成第一靶材组件后，如果对第一靶材组件进行加工形成尺寸合格的靶材组件时，形成致密的氧化膜的背板很难被加工因次如果先对靶材坯料和背板坯料进行氧化处理然后再焊接、机械加工等操作，就无法形成尺寸合格的靶材组件，而且氧化处理的步骤繁多。

本实施例中，对第二靶材组件坯料的背板表面进行氧化处理，在所述背板的表面形成氧化膜，该氧化膜组织结构均匀致密，耐腐蚀性强，并且具有较高的硬度，因此，后续在磁控溅镀过程中，防止该背板被电化学腐蚀，因此，背板的表面也不会有凹凸不平的现象，从而可以提高基片上的镀膜质量。

另外，背板不会发生电化学腐蚀现象，则背板、由该背板组成的靶材组件也不会被一起更换，因此，背板的使用寿命会延长，进而减小了磁控溅镀工艺的成本。而且，冷水水管也不会被腐蚀产物所堵塞，因此，溅射机台也不会被污染。

再者，由于对第一靶材组件坯料进行第一机械加工，形成第二靶材组件坯料，且第二靶材组件坯料的背板表面光滑，因此，可以省略现有技术中的酸洗、碱洗和中和的步骤。另外，采用本实施例的对铝背板的氧化处理条件，不需要对形成氧化膜的第二靶材组件进行封孔处理，就能形成组织结构均匀致密，耐腐蚀性强，并且具有较高的硬度的氧化膜。因此，采用本实施例的对铝背板进行氧化处理的方法，不仅节省了工艺步骤，而且还不影响氧化膜的质量。因此，采用本实施例的方法，同样也节省了形成靶材组件的工艺步骤。

参考图6，本发明还提供了一组靶材组件，包括：

背板12，所述背板12的表面光滑且具有氧化膜；

固定于所述背板12上的靶材11。

本实施例中，靶材组件中的背板不容易被电化学腐蚀，背板的表面也不会有凹凸不平的现象，从而可以提高基片上的镀膜质量。

另外，靶材组件的背板不会发生电化学腐蚀现象，则背板、由该背板组成的靶材组件也不会被一起更换，因此，背板、靶材组件的使用寿命被延长，进而减小了磁控溅镀工艺的成本。而且，冷水水管也不会被腐蚀产物所堵塞，因此，溅射机台也不会被污染。

虽然本发明披露如上，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 (10)

1.一种靶材组件的制作方法，其特征在于，包括：

提供第一靶材组件坯料，所述第一靶材组件坯料包括背板和固定在背板上的靶材；

对所述第一靶材组件坯料进行第一机械加工，形成第二靶材组件坯料，所述第二靶材组件坯料的背板表面光滑；

对所述第二靶材组件坯料的背板表面进行氧化处理，在所述背板的表面形成氧化膜；

对所述氧化处理后的第二靶材组件坯料进行第一清洗，形成靶材组件。

2.如权利要求1所述的靶材组件的制作方法，其特征在于，所述背板的材料为铝合金。

3.如权利要求1所述的靶材组件的制作方法，其特征在于，形成第二靶材组件坯料的步骤之后，对所述第二靶材组件坯料的背板表面进行氧化处理的步骤之前，还包括下列步骤：

对所述第二靶材组件坯料的背板表面进行脱脂处理；

对所述脱脂处理后的所述第二靶材组件坯料进行第二清洗。

4.如权利要求3所述的靶材组件的制作方法，其特征在于，所述对第二靶材组件坯料的背板表面进行脱脂处理的步骤前，还包括步骤:

在所述第二靶材组件坯料的表面形成保护层，所述保护层暴露所述背板表面，所述保护层防止背板表面以外的表面被脱脂处理和被氧化处理；

形成靶材组件后，还包括步骤：去除所述保护层。

5.如权利要求4所述的靶材组件的制作方法，其特征在于，所述脱脂处理的工艺条件为：将形成有保护层的第二靶材组件坯料放入浓度为40～60g/L的氢氧化钠溶液中进行浸泡，所述浸泡时间为30～120s。

6.如权利要求5所述的靶材组件的制作方法，其特征在于，对所述第二清洗后的所述第二靶材组件坯料的背板进行氧化处理包括：

将第二清洗后的形成有保护层的第二靶材组件坯料放入电解槽中，所述电解槽中含有含量为190～210g/L的H₂SO₄；设置所述电解槽的电流密度为2.0～2.5A/dm²，设置所述电解槽的温度为-2～2℃，所述电解槽的电解时间为20～30min。

7.如权利要求4所述的靶材组件的制作方法，其特征在于，所述保护层为胶布、胶带。

8.如权利要求4所述的靶材组件的制作方法，其特征在于，形成靶材组件后，所述靶材组件表面还具有去除所述保护层时形成的划痕，还包括下列步骤：

对所述靶材组件进行机械抛光，去除所述划痕；

对所述机械抛光的靶材组件进行第三清洗。

9.如权利要求1所述的靶材组件的制作方法，其特征在于，所述第一靶材组件坯料的形成方法包括：

提供靶材坯料与背板坯料；

对所述靶材坯料进行机械加工形成靶材；

对所述背板坯料进行机械加工形成背板；

对所述靶材与背板进行焊接形成第一靶材组件坯料。

10.一种靶材组件，其特征在于，包括：

背板，所述背板的表面光滑且具有氧化膜；

固定于所述背板上的靶材。