CN105331938A - 靶材组件的制作方法 - Google Patents

Abstract

一种靶材组件的制作方法，包括：提供靶材，所述靶材为钨硅材料；对所述靶材的待焊接面进行喷砂处理；在所述喷砂处理之后，对所述靶材进行冲洗处理；在对所述靶材进行所述冲洗处理之后，对所述靶材的待焊接面进行活化处理；在所述活化处理之后，利用化学镀工艺在所述靶材的待焊接面上形成金属镀层；利用所述金属镀层将所述靶材与背板焊接在一起。所述靶材组件的制作方法使得钨硅材料形成的靶材组件具有足够的结合率和结合强度。

Description

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，尤其涉及一种靶材组件的制作方法。

背景技术

一般，靶材组件是由符合溅射性能的靶材和与背板构成。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，并可以传导热量。

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。而且，靶材组件的一侧施加冷却水强冷，而另一侧处于10^-9Pa的高真空环境下，由此在靶材组件的相对二侧形成巨大的压力差；再者，靶材组件处在高压电场、磁场中，会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强度不高，靶材在受热条件下可能变形、开裂，可能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。因此需要一种有效的焊接方式，以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。

异种金属焊接是靶材组件生产过程中非常关键的一道工序，不同的靶材需要使用不同的焊接方法焊接。

钨(Mo)硅(Si)材料被广泛应用于集成电路镀膜行业，市场前景广阔。我国是钨的全球最大存储与生产国，但我国对钨硅材料的开发应用尚处在初级阶段，还未能形成产能，因此我国在这一领域的开发具有很大的潜力。钨硅材料形成的靶材组件用于溅射镀膜前同样需与其它金属材料的背板进行焊接，并且焊接的结合率与结合强度直接影响钨硅靶材组件的使用性能。

然而，钨硅材料与现今流行的各种焊料(In、SnAgCu或Sn等)均没有很好的结合性能，如果直接将钨硅材料与背板进行焊接，则无法得到所需要结合率和结合强度的靶材组件。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种靶材组件的制作方法，以使得钨硅材料形成的靶材组件具有足够的结合率和结合强度。

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：

提供靶材，所述靶材为钨硅材料；

对所述靶材的待焊接面进行喷砂处理；

在所述喷砂处理之后，对所述靶材进行冲洗处理；

在对所述靶材进行所述冲洗处理之后，对所述靶材的待焊接面进行活化处理；

在所述活化处理之后，利用化学镀工艺在所述靶材的待焊接面上形成金属镀层；

利用所述金属镀层将所述靶材与背板焊接在一起。

可选的，所述冲洗处理采用高压水枪进行冲洗，所述冲洗处理采用的冲洗压力为0.5Mpa～1.5Mpa。

可选的，在进行所述冲洗处理之后，且在进行所述活化处理之前，还包括除油处理的步骤。

可选的，所述除油处理采用化学除油工艺。

可选的，所述化学除油工艺包括化学除油液清洗阶段、热水清洗阶段和冷水清洗阶段。

可选的，所述化学除油液为碱性化学除油液。

可选的，所述化学镀工艺过程中包括对所述化学镀液进行搅拌，搅拌时间为2min～3min。

可选的，所述化学镀工艺过程中采用pH值为4.6～4.8的化学镀液，并通过氨水调整所述化学镀液的pH值。

可选的，所述化学镀工艺的施镀时间为30min～40min。

可选的，所述喷砂处理采用的砂粒为46号白刚玉，所述喷砂处理采用的空气压力范围为0.25Mpa～0.35Mpa。

可选的，所述喷砂处理过程中，喷砂枪的喷嘴到所述靶材待焊接面的距离范围为10cm～15cm，所述喷嘴喷出的46号白刚玉的方向与所述靶材待焊接面的夹角小于90°。

可选的，所述活化处理采用的活化剂为硝酸、氢氟酸与水的混合溶液，所述活化处理的活化时间为60s～80s。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明的技术方案中，先提供钨硅材料靶材，然后对所述靶材的待焊接面进行喷砂处理，在所述喷砂处理之后，对所述靶材进行冲洗处理，在对所述靶材进行所述冲洗处理之后，对所述靶材的待焊接面进行活化处理，在所述活化处理之后，利用化学镀工艺在所述靶材的待焊接面上形成金属镀层，利用所述金属镀层将所述靶材与背板焊接在一起。由于采用化学镀的方法在钨硅材料靶材的待焊接面获得金属镀层，从而大大改善钨硅材料靶材与其它材料的焊接性能，以使得钨硅材料靶材与背板实现可靠结合，即使得钨硅材料形成的靶材组件具有足够的结合率和结合强度，满足靶材组件长期稳定使用的需要。

同时，所述冲洗处理能够去除靶材在喷砂、机械加工或储存过程中残留的砂粒等表面附着物。这些表面附着物在靶材表面上的附着力小，如果不在形成金属镀层前去除，会影响金属镀层与靶材的结合强度，进而影响焊接质量。而通过冲洗处理可以使这些表面附着物被去除，防止它们对后续金属镀层的形成产生不利影响，提高焊接质量。

进一步，所述冲洗处理采用的冲洗压力为0.5Mpa～1.5Mpa。如果冲洗压力低于0.5Mpa，砂粒等表面附着物难以被冲洗去除，导致后续在待焊接面上形成的金属镀层与待焊接面的(焊接)接合不牢固；而如果冲洗压力高于1.5Mpa，会影响上述喷砂处理产生的粗糙层，进而影响金属镀层的厚度均匀性。而靶材的待焊接面经过压力为0.5Mpa～1.5Mpa和冲洗后，后续形成的金属镀层厚度更均匀一致，并且外观色泽更好，质量更好，从而提高最终靶材组件的焊接强度。

进一步，在所述冲洗处理后进行除油处理。靶材在喷砂、机械加工或储存过程中残留的切削液、润滑油等油污同样会影响后续金属镀层的形成。如果不进行所述除油处理，这些油污会影响后续金属镀层的质量，使得金属镀层较薄，甚至镀不上金属镀层。而经过除油处理之后，就可以去除这些油污，从而保证后续金属镀层的形成，提高焊接质量。

附图说明

图1至图8是本发明实施例所提供的靶材组件的制作方法各步骤对应的结构示意图。

具体实施方式

正如背景技术所述，采用现有焊接方法，将钨硅材料与背板直接焊接结合强度不高，达不到半导体靶材的要求，即无法得到所需结合率和结合强度的钨硅材料的靶材组件。

为此，本发明提供了一种新的靶材组件的形成方法，所述方法先提供钨硅材料靶材，然后对所述靶材的待焊接面进行喷砂处理，在所述喷砂处理之后，对所述靶材进行冲洗处理，在对所述靶材进行所述冲洗处理之后，对所述靶材的待焊接面进行活化处理，在所述活化处理之后，利用化学镀工艺在所述靶材的待焊接面上形成金属镀层，利用所述金属镀层将所述靶材与背板焊接在一起。由于采用化学镀的方法在钨硅材料靶材的待焊接面获得金属镀层，从而大大改善钨硅材料靶材与其它材料的焊接性能，以使得钨硅材料靶材与背板实现可靠结合，即使得钨硅材料形成的靶材组件具有足够的结合率和结合强度，满足靶材组件长期稳定使用的需要。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

本发明实施例提供一种靶材组件的制作方法，请结合参考图1至图8。

请参考图1，提供靶材100，靶材100的材料为钨硅材料。

本实施例中，靶材100的材料可以是由纯度为99.9％或以上的钨和硅形成的合金。具体的，钨和硅的纯度可以为3N5(99.95％)、4N5(99.995％)或5N(99.999％)。另外，靶材100的形状可以根据应用环境、溅射设备的实际要求进行设计，例如具体可以为圆形、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。本实施例中以直径为310mm的圆形靶材为例。靶材100厚度可以为12mm，厚度会在设计尺寸上加1毫米至3毫米的加工余量。增加加工余量的目的是对形成靶材组件之后的加工步骤提供比较宽裕的加工空间。

请继续参考图1，对靶材100的待焊接面100a进行抛光处理。抛光处理目的是将靶材100的氧化皮去除，使得靶材100的待焊接面100a平整光亮。

对靶材100的待焊接面100a进行抛光处理可以采用打磨、车床或者是车削等机械加工方法。本实施例进行抛光处理是用由粗到细的水性砂纸进行打磨。具体来说，首先使用粗砂纸(本实施例为160号水性砂纸)打磨靶材100的表面(将靶材100全部表面或者仅将靶材100的待焊接面100a进行抛光处理)，打磨时间一般可以为10min左右；然后使用细砂纸(本实施例为400号水性砂纸)继续打磨靶材100的表面(将靶材100全部表面或者仅将靶材100的待焊接面100a进行抛光处理)，打磨时间一般可以为5min～10min，这样就可以得到平整光亮的磨面。在打磨时，水性砂纸贴在砂轮机的转盘上，按住靶材100(把需要打磨的表面朝向砂纸)在砂纸上磨。砂轮机转速可以为400～500转/min(r/min)。

请参考图2，对所述靶材100的待焊接面100a进行喷砂处理，从而使待焊接面100a变成具有粗糙层(未标注，图2中以黑点表示粗糙层)的待焊接面100b(即形成粗糙的待焊接面100b)。

喷砂处理的作用主要是使靶材100在进行化学镀时所形成的金属镀层为表面粗糙的镀层，从而降低此镀层的表面张力，提高此镀层与靶材100本体的结合力，以使此镀层不容易从靶材100本体脱落。

具体的，采用将46号白刚玉倒入喷砂机，通过空气压力将砂粒喷射至待焊接面100a。通过控制砂粒大小与空气压力使得表面质量达到设定要求。

本实施例中，之所以使用46号白刚玉，与钨硅材料的硬度较大有关。钨硅材料的硬度较大因此采用硬度同样较大的46号白刚玉，以形成具有足够粗糙度的粗糙面。

本实施例中，空气压力控制在0.25Mpa～0.35Mpa左右。空气压力不能过高，这是因为钨硅材料质脆，若大于0.35MPa，则喷砂的动力太大，使钨硅材料靶材100的棱线处出现崩角现象，影响产品外观及完整性。如果空气压力小于0.25MPa，则喷砂的动力不足，使靶材100的待焊接面坑的平均深度太小，影响后续的金属镀层与靶材100的待焊接面的结合力。

本实施例中，喷砂枪的喷嘴到图1所示靶材100的待焊接面100a的距离范围为10cm～15cm。喷嘴喷出46号白刚玉的方向与靶材100的待焊接面的夹角为非垂直夹角关系(即除了90°，其它小于180°的夹角均可)，较佳角度范围为30°～60°，这样喷砂的均匀性和覆盖范围更有保证。另外在喷钨硅材料靶材100棱线附近位置时最好使其距喷嘴的距离为15cm左右，角度最好是30°～60°可有效防止崩角现象。

喷砂工艺最终在钨硅材料靶材100的待焊接面100b形成平均深度为6μm～10μm的粗糙层。

请参考图3，在所述喷砂处理之后，对靶材100进行冲洗处理。本实施例中，所述冲洗处理采用高压水枪200喷出的水201以进行冲洗。其中水201可以是自来水，冲洗时间可以为2min。

所述冲洗处理能够去除靶材100在喷砂、机械加工或储存过程中残留的砂粒等表面附着物。这些表面附着物在靶材100表面上的附着力小，如果不在形成金属镀层前去除，会影响金属镀层与靶材100的结合强度，进而影响焊接质量。而通过冲洗处理可以使这些表面附着物被去除，防止它们对后续金属镀层的形成产生不利影响，提高焊接质量。

现有方法中，在喷砂工艺之后，通常也对靶材进行清洗。但是现有方法的清洗通常是常压条件下清洗，甚至采用干净的布料擦洗。但是，采用现有方法即使进行多次反复清洗，仍然无法很好地去除上述附着物。

而本实施例中，采用冲洗方法，利用高压的水流的冲击作用，使上述附着物与靶材脱离，从而达到良好的附着物去除效果。

本实施例中，所述冲洗处理采用的冲洗压力为0.5Mpa～1.5Mpa。如果冲洗压力低于0.5Mpa，砂粒等表面附着物难以被冲洗去除，导致后续在待焊接面上形成的金属镀层与待焊接面的(焊接)接合不牢固；而如果冲洗压力高于1.5Mpa，会影响上述喷砂处理产生的粗糙层，进而影响金属镀层的厚度均匀性。而靶材100的待焊接面100b经过压力为0.5Mpa～1.5Mpa和冲洗后，后续形成的金属镀层厚度更均匀一致，并且外观色泽更好，质量更好，从而提高最终靶材组件的焊接强度。

请参考图4，在所述冲洗处理之后，进行除油处理。本实施例中，所述除油处理采用化学除油工艺。所述化学除油工艺将靶材100浸渍在化学除油液300中，以去除靶材100在喷砂、机械加工或储存过程中残留的切削液、润滑油等油污。所述除油处理主要去除待焊接面100b上的油污，但是靶材100其它表面上的油污有时也会影响到焊接面100b，因此一并去除。

靶材100在喷砂、机械加工或储存过程中残留的切削液、润滑油等油污同样会影响后续金属镀层的形成。而上述冲洗处理很难清除这些油污。如果不进行所述除油处理，这些油污会影响后续金属镀层的质量，使得金属镀层较薄，甚至镀不上金属镀层。而经过除油处理之后，就可以去除这些油污，从而保证后续金属镀层的形成，提高焊接质量。

本实施例中，所述化学除油工艺可以包括化学除油液清洗阶段、热水清洗阶段和冷水清洗阶段。

请继续参考图4，在化学除油液清洗阶段，采用的化学除油可以为热的碱性化学除油液300。利用热的碱性化学除油液300对油脂的皂化和乳化作用，将靶材100表面油污去除。碱性化学除油液300通常包括两部分：一部分是碱性物质，如氢氧化钠、碳酸钠等；另一部分是硅酸钠、乳化剂等表面活性物质。碱性物质的皂化作用去除可皂化油，表面活性剂的乳化作用去除不可皂化油。使用碱性化学除油液300具有工艺简单、操作容易、成本低廉、除油液无毒、不易燃等特点。具体的碱性化学除油液300的组分可以为：氢氧化钠30g/L～50g/L、碳酸钠40g/L～60g/L、磷酸三钠15g/L～30g/L、乳化剂3g/L～5g/L。处理温度可以为60℃～80℃，处理时间可以为5min～10min，从而达到良好的除油效果。

在热水清洗阶段(未示出)，采用60℃～80℃的热水进行清洗，热水清洗阶段的清洗时间可以为2min。

在冷水清洗阶段(未示出)，采用清水二次逆流漂洗或喷淋，可在室温条件下进行，冷水清洗阶段的清洗时间可以为2min。

通过上述三个阶段的除油处理，本实施例得到各表面洁净的靶材100，从而保证后续形成在靶材100待焊接面100b的上金属镀层厚度均匀，质量好，与靶材100结合力强。

请参考图5，在所述除油处理后，对靶材100的待焊接面100b进行活化处理，所述活化处理将靶材100浸渍在活化剂400中进行。

对靶材100的待焊接面100b进行活化处理是为了增大了靶材100的待焊接面100b的活化能，使靶材100的待焊接面100b的反应活性增强，增加靶材100的待焊接面100b的化学镀金属层的速度，避免金属镀层与靶材100的待焊接面100b结合不牢的严重问题。

活化剂400的选择与靶材100材料有关，只要能增加靶材100的待焊接面100b的活化能、使得靶材100的待焊接面100b的反应活性增强的活化剂都可以。本实施例中，活化处理采用的活化剂400可以为氢氟酸(溶质的质量分数40％)与水的混合溶液，两者的体积比可以为1:4至1:8，活化处理的时间可以为60s～80s。

在所述活化处理后，可以对靶材100的待焊接面100b进行清洗处理。

请结合参考图6和图7，在所述活化处理并清洗之后，利用化学镀工艺在靶材100的待焊接面100b上形成金属镀层，所述化学镀工艺将靶材100浸渍在图6所示化学镀液500中进行。本实施例中，具体镍为例，在靶材100的待焊接面100b上进行镀镍处理，形成图7所示金属镍层110。

进行镀镍处理镀镍时，控制化学镀液500温度在86℃～90℃，化学镀液500温度影响镀层的沉积速度、化学镀液500的稳定性以及镀层的质量。化学镀的速度随温度升高而增快，但化学镀液500温度过高，又会使化学镀液500不稳定，容易发生自分解，因此应该选择温度在86℃～90℃，并尽量保持这一温度。一般碱性化学镀液温度较低，它在较低温度的沉积速度比酸性化学镀液快，但温度增加，镀速提高不如酸性化学镀液快。温度除了影响镀速之外，还会影响镀层质量。温度升高、镀速快，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，因此，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值对化学镀液500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值高的化学镀液得到的镀层含磷低，表现为拉应力，反之，pH值低的化学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，而镀镍过程中，适合采用4.6～4.8的pH值。

化学镀镍施镀过程中，随着镍-磷的沉积，H⁺不断生成，化学镀液500的pH值不断下降，因此，生产过程中必须及时调整，维持化学镀液500的pH值，使其波动范围控制在土0.2范围之内。调整化学镀液500的pH值，使用稀释过的氨水，在搅拌的情况下谨慎进行。采用不同碱液调整化学镀液500的pH值时，对化学镀液500的影响也不同。

本实施例中用氨水调整化学镀液500的pH值时，除了中和化学镀液500中的H⁺外，化学镀液500中的氨分子与化学镀液500中的Ni²⁺及络合剂还会生成复合络合物，降低了化学镀液500中游离的Ni²⁺浓度，有效抑制了亚磷酸镍的沉淀，提高了化学镀液500的稳定性。

对化学镀液500进行适当的搅拌会提高化学镀液500稳定性及镀层质量。首先搅拌可防止化学镀液500局部过热，防止补充化学镀液500时局部组分浓度过高，局部pH值剧烈变化，有利于提高化学镀液500的稳定性。另外，搅拌加快了反应产物离开工件表面的速度，有利于提高沉积速度，保证镀层质量，镀层表面不易出现气孔等缺陷。但过度搅拌也是不可取的，因为过度搅拌容易造成工件局部漏镀，并使容器壁和底部沉积上镍，严重时甚至造成化学镀液500分解。此外，搅拌方式和强度还会影响镀层的含磷量。本实施例中采用塑料管均匀缓慢搅拌2min～3min。

化学镀液装载量是指工件施镀面积与使用化学镀液体积之比。化学镀镍施镀时，装载量对化学镀液稳定性影响很大，允许装载量的大小与施镀条件及化学镀液组成有关。每种化学镀液在研制过程中都规定有最佳装载量，施镀时应按规定投放工件并及时补加浓缩液，这样才可以收到最佳的施镀效果。

本实施例中化学镀液500的装载量在0.5dm²/L～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化学镀液500的稳定性和镀层性能；装载量过小，化学镀液500中微小的杂质颗粒便会成为催化活性中心而引发沉积，容易导致化学镀液500分解。因此，为保证施镀的最佳效果，应将装载量控制在最佳范围。

化学镀工艺的施镀持续时间施镀持续时间影响着钨硅材料靶材100表面的金属镍层厚度，时间越长，厚度会适当增加，本实施例中的施镀时间为30min～40min，最后在靶材100的各个表面形成厚度约为8μm～10μm的金属镍层110，此厚度的金属镍层110有利于实现后续焊接。

通过控制各工艺参数而获得外观、性能优异的金属镍层110。

请参考图8，利用图7所示金属镍层110将靶材100与背板600焊接在一起，图8中省略显示图7中的金属镍层110。

本实施例中，背板600材料的材料可以为铜、铝、或铜铝的合金等。

在具体的焊接过程中，可以对靶材100和背板600进行钎焊(例如用纯铟焊料进行焊接)，形成靶材组件。如果直接将钨硅材料靶材100与背板600进行焊接，钨硅材料靶材100与背板600并不能很好的与焊料进行界面润湿而焊合，即此时焊接强度为0MPa左右(基本没有结合力)。而本实施例通过上述各步骤，可以使得钨硅材料靶材100在化学镀处理后的待焊接面100b形成有金属镍层110，从而使得经过化学镀焊接作业后，钨硅材料靶材100与背板600具有很高的结合强度，即此时焊接强度为5MPa左右(其结合强度为最高极限结合强度)。因此通过上述步骤能够制作出高质量的靶材组件，最后再通过粗加工和精加工制作出尺寸合格的溅射靶材组件产品。

综上可知，本发明实施例采用化学镀的方法在钨硅材料靶材的待焊接面获得金属镍层，从而大大改善钨硅材料与其它材料的焊接性能，以使得钨硅材料靶材与背板实现可靠结合，即使得钨硅材料形成的靶材组件具有足够的结合率和结合强度，满足靶材组件长期稳定使用的需要。

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：

提供靶材，所述靶材为钨硅材料；

对所述靶材的待焊接面进行喷砂处理；

在所述喷砂处理之后，对所述靶材进行冲洗处理；

在对所述靶材进行所述冲洗处理之后，对所述靶材的待焊接面进行活化处理；

在所述活化处理之后，利用化学镀工艺在所述靶材的待焊接面上形成金属镀层；

利用所述金属镀层将所述靶材与背板焊接在一起。

2.如权利要求1所述的靶材组件的制作方法，其特征在于，所述冲洗处理采用高压水枪进行冲洗，所述冲洗处理采用的冲洗压力为0.5Mpa～1.5Mpa。

3.如权利要求1所述的靶材组件的制作方法，其特征在于，在进行所述冲洗处理之后，且在进行所述活化处理之前，还包括除油处理的步骤。

4.如权利要求3所述的靶材组件的制作方法，其特征在于，所述除油处理采用化学除油工艺。

5.如权利要求4所述的靶材组件的制作方法，其特征在于，所述化学除油工艺包括化学除油液清洗阶段、热水清洗阶段和冷水清洗阶段。

6.如权利要求5所述的靶材组件的制作方法，其特征在于，所述化学除油液为碱性化学除油液。

7.如权利要求1所述的靶材组件的制作方法，其特征在于，所述化学镀工艺过程中包括对所述化学镀液进行搅拌，搅拌时间为2min～3min。

8.如权利要求1所述的靶材组件的制作方法，其特征在于，所述化学镀工艺过程中采用pH值为4.6～4.8的化学镀液，并通过氨水调整所述化学镀液的pH值。

9.如权利要求1所述的靶材组件的制作方法，其特征在于，所述喷砂处理采用的砂粒为46号白刚玉，所述喷砂处理采用的空气压力范围为0.25Mpa～0.35Mpa。

10.如权利要求1所述的靶材组件的制作方法，其特征在于，所述活化处理采用的活化剂为硝酸、氢氟酸与水的混合溶液，所述活化处理的活化时间为60s～80s。