CN105624622B - 靶材组件的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种靶材组件的制造方法，在提供铜合金后，在对铜合金进行固溶处理获得铜合金固溶体；并在铜合金固溶体冷却并经定型处理获得背板坯料后，将钛靶材的焊接面与背板坯料的焊接面贴合；之后对所述背板坯料和靶材坯料进行热等静压焊接处理，以形成靶材组件，在焊接处理过程中，所述背板坯料同时完成时效处理。即，背板坯料与靶材坯料的热等静压焊接工艺，与铜合金固溶体的时效处理步骤同时完成，在获得高硬度的铜合金背板的同时，简化了靶材组件的制造方法的工艺步骤。

Description

靶材组件的制造方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种靶材组件的制造方法。

背景技术

磁控溅射镀膜工艺中所使用的靶材组件由靶材和背板构成。

在磁控溅射镀膜过程中，在10^-9Pa的高真空环境下，靶材处于高压电场和磁场中，其正面由各种高能量离子轰击，溅射出中性靶原子或分子，所述中性靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜。由于磁控溅射过程靶材始终处于300℃至500℃高温条件下，靶材的温度会急剧升高，为此靶材组件需要通过背板及时传递并迅速消散靶材的热量，以避免靶材变形、使用寿命减短以及影响基片镀膜质量等问题。

为了提高背板的传热效率，磁控溅射过程中往往通过向背板的背面施以高压冷却水冲击，以提高靶材组件的散热功效。然而在实践使用过程中，在高温和高真空度条件下，背板的背面受到长时间的冷却水冲击，导致靶材组件的上下两侧形成巨大的压力差，为此背板需要具有足够的硬度和强度以抵抗靶材组件两侧巨大的压力差而导致背板产生形变的缺陷，如对于采用铜合金背板的钛靶材组件，铜合金背板的硬度需达到400HL～440HL。

通过提高背板的强度和硬度，可有效减小背板形变而引起的靶材组件形变缺陷，以及由此导致的对于磁控溅射镀膜造成的不良影响。

为此，为了克服铜合金原材料硬度较低的问题，在制备铜合金背板时，技术人员会对铜合金背板进行固溶时效处理，以提高铜合金的硬度。具体操作过程包括：

先将铜合金原料进行固溶处理，将铜合金原料加热到高温单相区恒温，并保持一段时间，使过铜合金过剩相充分溶解到固溶体中，得到铜合金的过饱和固溶体；

在对将铜合金的过饱和固溶体进行高温淬火以及冷加工变形成特定形状后，对铜合金的过饱和固溶体进行时效处理。所谓的时效处理包括：在较高的温度下进行恒温热处理，降低铜合金的内应力，以提高铜合金的硬度、强度和稳定性，得到合格的铜合金背板。

在完成铜合金背板制备后，再对靶材和铜合金背板进行焊接，获得合格的采用铜合金背板的靶材组件。

然而，在提高铜合金背板硬度后，技术人员发现具有较大硬度的铜合金背板会不利于后续背板和靶材的焊接处理。比如在对靶材和铜合金背板进行焊接时，为了提高靶材和铜合金背板的焊接强度，需要在靶材上形成螺牙，并将螺牙嵌入铜合金背板内，但基于铜合金背板的硬度较大，靶材上形成的螺牙难以嵌入铜合金背板内，将螺牙强行嵌入铜合金背板后，会造成铜合金背板损伤，进而提升了采用铜合金背板的靶材组件的制造难度，而且还会影响靶材和铜合金背板的焊接强度。

为此，如何提高铜合金背板硬度同时，降低靶材和铜合金背板的焊接难度，提高靶材和铜合金背板的焊接强度是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种靶材组件的制造方法，有效提高铜合金背板硬度同时，降低靶材与铜合金背板的焊接难度，并提高与铜合金背板的焊接强度。

本发明提供的一种靶材组件的制造方法，包括：

提供铜合金坯料；

对所述铜合金坯料进行固溶处理，获得铜合金固溶体；

对所述铜合金固溶体进行定型处理，获得背板坯料，所述背板坯料包括焊接面；

提供靶材坯料，所述靶材坯料包括焊接面；

将所述靶材坯料的焊接面和所述背板坯料的焊接面贴合；对所述背板坯料和靶材坯料进行热等静压焊接处理，形成靶材组件，其中，所述焊接处理过程中所述背板坯料同时完成时效处理。

可选地，所述靶材坯料的材料为钛。

可选地，所述靶材坯料的焊接面上形成有螺牙；

将所述靶材坯料的焊接面和所述背板坯料的焊接面贴合的步骤包括，将所述靶材坯料的螺牙嵌入所述背板坯料的焊接面内。

可选地，在提供铜合金坯料后，进行所述固溶处理前，所述制造方法还包括：对所述铜合金坯料进行锻打处理。

可选地，所述锻打处理包括：将所述铜合金加热至800～1000℃进行锻打。

可选地，所述定型处理为压延处理。

可选地，所述固溶处理包括：控制温度为800～1100℃条件下，保温处理1～2小时。

可选地，所述热等静压焊接的步骤包括：

将所述靶材坯料和所述背板坯料装入包套内，并置入热等静压炉内；

将热等静压炉升温至430～480℃，并持续保温3～10小时，使所述靶材坯料和所述背板坯料扩散焊接，并在所述热等静压炉内进行热等静压焊接过程中同时完成所述背板坯料的时效处理。

可选地，在将所述靶材坯料和所述背板坯料装入包套内之后，对所述热等静压炉进行升温前，所述制造方法还包括：对所述包套进行抽真空处理，至所述包套内的气压为10Pa～10^-2Pa。

可选地，在将所述包套抽真空后，对所述热等静压炉进行升温前，所述制造方法还包括：对所述热等静压炉进行冷加压处理，至所述热等静压炉内的气压为50MPa～60Mpa。

可选地，对所述热等静压炉进行升温的步骤包括：以3℃/min～8℃/min的加热速率升温。

可选地，所述铜合金为铜铬合金。

可选地，所述铜铬合金中铬的质量百分含量为0.5％～1.5％。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

在对铜合金坯料进行固溶处理后，使铜合金中各种相充分溶解，有效降低铜合金内的应力，并得到内部各组分均匀的铜合金固溶体；在所述铜合金固溶体冷却，并进行定型处理以得到背板坯料后，使靶材坯料的焊接面和背板坯料的焊接面贴合，对所述背板坯料和靶材坯料进行热等静压焊接处理，在热等静压焊接处理过程中，同时完成铜合金固溶体(即背板坯料)的时效处理，以减小背板坯料内的应力，重新析出新的晶粒使合金发生再结晶，从而有效提高同背板的硬度和强度。

本发明靶材组件的制造方法中，背板坯料与靶材坯料的热等静压焊接工艺，与铜合金固溶体的时效处理步骤同时完成，在获得高硬度的铜合金背板的同时，简化了靶材组件的制造方法的工艺步骤。

进一步可选地，在所述靶材坯料的焊接面上形成有螺牙，在上述铜合金的固熔处理过程中，铜合金内部组织被软化，因而，在背板坯料的焊接面和靶材坯料的焊接面贴合时，使得靶材坯料的螺牙顺利嵌入所述背板坯料内，有效降低螺牙插入背板坯料内难度，降低背板坯料损伤；且靶材坯料螺牙嵌入所述背板坯料后，再对背板坯料进行时效处理的工艺，可有效提高形成的铜合金背板硬度和强度的同时，提高螺牙与背板坯料的连结强度，进而提高背板坯料和靶材坯料的焊接强度。

附图说明

图1为本发明铜靶材制造方法的流程图；

图2～图4是本发明靶材组件的制造方法一实施例的结构示意图。

具体实施方式

正如背景技术所述，在磁控溅射工艺中，对于靶材组件的背板硬度以及强度具有较高要求，以克服背板产生形变而导致靶材组件产生形变，进而对磁控溅射镀膜造成不良影响的缺陷。

然而在靶材组件制造领域，当提高背板的硬度后，不利于后续靶材和背板的焊接进行，进而影响后续靶材和背板的焊接强度，降低靶材组件的质量。

为此，本发明提供了一种靶材组件的制造方法，参考图1，所述靶材组件的制造方法的具体过程包括：

步骤S1：提供铜合金坯料；

步骤S2：对所述铜合金坯料进行固溶处理，获得铜合金固溶体；

步骤S3：对所述铜合金固溶体进行定型处理，获得背板坯料，所述背板坯料包括焊接面；

步骤S4：提供靶材坯料，所述靶材坯料包括焊接面；

步骤S5：将所述靶材坯料的焊接面和所述背板坯料的焊接面贴合；对所述背板坯料和靶材坯料进行热等静压焊接处理，形成靶材组件，其中，在焊接处理过程中，所述背板坯料同时完成时效处理。

在步骤S2中，对铜合金坯料进行固溶处理后，使铜合金中各种相充分溶解，有效降低铜合金内的应力，并得到内部各组分均匀的铜合金固溶体；在之后的步骤S5中，在对所述背板坯料和靶材坯料进行热等静压焊接处理过程中，同时完成铜合金固溶体(即背板坯料)的时效处理，使得背板坯料内重新析出新的晶粒使合金发生再结晶，从而有效提高同背板的硬度和强度。

本发明靶材组件的制造方法中，背板坯料与靶材坯料的热等静压焊接工艺，与铜合金固溶体的时效处理步骤同时完成，在获得高硬度的铜合金背板的同时，简化了靶材组件的制造方法的工艺步骤。

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。

图2～图4为本发明靶材组件的制造方法一实施例的结构示意图。

本实施例铜合金背板的靶材组件的制造方法的具体步骤包括：

结合参考图1和图2，执行步骤S1，提供铜合金坯料10。所述铜合金坯料10用于形成靶材组件的背板。

本实施例中，所述铜合金坯料10为铜铬合金。可选地，所述铜铬合金中，铬的质量百分含量为0.5％～1.5％。

参考图2，本实施例中，在提供铜合金坯料10后，对所述铜合金坯料10进行锻打处理。

可选地，所述锻打处理的步骤包括：将铜铬合金加热至800～1000℃，之后以锻锤12对铜铬合金坯料10进行锻打。

铜铬合金为铸态组织结构，晶粒结构为较粗大的柱状晶体，在加热过程中，提升柱状晶体中的铜原子和铬原子的能量，并基于热胀冷缩，扩大各柱状晶体间的空隙，弱化各柱状晶体间连接；在以锻锤12对铜铬合金进行锻打的过程中，形成柱状晶体的原子间的连接键断裂，原先粗大的柱状晶体破碎成尺寸更小的细晶粒。同时基于锻打产生的打击力，这些细晶粒间的空隙被压缩，使得原先柱状晶体的疏松的结构被压实成紧致结构，从而实现了铜铬合金坯料的致密化处理，获得具有良好塑性以及力学性能的铜铬合金坯料，有利于提高后续形成的背板的硬度和强度。

在锻打处理后，接着执行步骤S2，对所述铜合金坯料10进行固溶处理，获得铜合金固溶体11。

本实施例中，所述铜合金为铜铬合金，对所述铜铬合金进行过固溶处理的步骤包括：加热铜铬合金坯料10的温度至800～1100℃，并在800～1100℃条件下持续保温处理1～2小时。

在所述固溶处理过程中，铜铬合金中的各种相充分溶解，铜铬合金中诸如碳化物等杂质被溶解，提高了铜铬合金内的韧性和抗蚀性能，消除铜铬合金内的应力，并使铜铬合金被软化，从而得到过饱和铜合金固溶体11。后续对所述铜合金固溶体11进行时效处理后，可有效提高铜铬合金的硬度和强度。

得到所述铜合金固溶体11后，对所述铜合金固溶体11进行冷却处理。

之后，执行步骤S3，对冷却后的所述铜合金固溶体11进行定型处理，获得背板坯料20，所述背板坯料20包括焊接面。

本实施例中，所述定型处理为压延处理，具体包括，以辊筒13对所述铜合金固溶体11进行延压处理，从而获得特定尺寸的背板坯料20。

接着执行步骤S4，提供靶材坯料，所述靶材坯料包括焊接面。

结合参考图1和图3，本实施例中，所述靶材坯料30为钛坯料，后续形成的靶材组件为采用铜铬合金背板的钛靶材组件。

可选地，所述靶材坯料30焊接面31上形成有螺牙32。

再执行步骤S5，将所述靶材坯料30的焊接面31和所述背板坯料20的焊接面21贴合，对所述背板坯料20和靶材坯料30进行热等静压焊接处理以形成靶材组件。其中，在焊接处理过程中，所述背板坯料20同时进行时效处理。

继续参考图3，本实施例中，在将所述靶材坯料30的焊接面31和所述背板坯料20的焊接面21贴合的步骤中，所述靶材坯料30的螺牙32嵌入所述背板坯料20的焊接面21内。

其中，基于所述固溶处理后得到的铜铬合金固溶体较软，因而，在背板坯料20的焊接面21和靶材坯料30的焊接面31贴合时，使得靶材坯料30的螺牙32顺利嵌入所述背板坯料20内，有效降低螺牙32插入背板坯料20内的难度，且减小背板坯料20损伤。

本实施例中，在对以钛为材料所述靶材坯料30和以铜铬合金固溶体为材料的背板坯料20进行热等静压焊接过程中，同时完成对铜铬合金固溶体的时效处理。

参考图4，本实施例中，所述热等静压焊接工艺的过程具体包括：

将所述靶材坯料30的焊接面31和背板坯料20的焊接面21贴合后，置入包套40内；之后对所述包套40进行抽真空处理，至包套40内的气压为10^-2Pa～10Pa，以去除所述包套40内的空气，防止后续焊接加热过程中，靶材坯料30以及背板坯料20与空气反应而形成氧化物的缺陷。

之后，将所述包套40的抽气口封死，并将包套40置于热等静压炉50内，对所述热等静压炉50进行加热，以实现热等静压焊接。

本实施例中，在将包套40置于所述热等静压炉50内后，在对所述热等静压炉50进行加热之前，先对所述热等静压炉50进行冷加压处理，提高热等静压炉50内的压力，以提高包套40内靶材坯料30和背板坯料20的贴合强度，以提高后续靶材坯料30和背板坯料20的扩散焊接速率。

所述冷加压处理可通过向所述热等静压炉50内通入高压液体或是高压气体完成，该工艺为本领域的成熟技术，在此不再赘述。

本实施例中，经所述冷加压处理后，将所述热等静压炉50内的压力提升为50MPa～60Mpa。

在冷加压处理后，提升所述热等静压炉50内的温度为430～480℃，并在该温度下持续保温3小时以上。从而使得所述背板坯料20的焊接面21和靶材坯料30的焊接面31之间发生原子扩散，实现扩散焊接。

若所述热等静压的持续时间过长，致使所述背板坯料20再结晶形成的晶粒过大，降低背板坯料20的强度和硬度。

本实施例中，所述热等静压的持续时间为3～10小时。

其中，所述背板坯料20和靶材坯料30发生扩散焊接的条件下，背板坯料20内的铜铬合金固溶体同时进行时效处理，铜铬合金固溶体内重新析出新的晶粒，使铜铬合金发生再结晶，减小所述背板坯料20内的应力，并有效提升铜铬合金背板坯料的硬度和强度；而且，在铜铬合金固溶体进行时效处理期间，同时提高了螺牙32与背板坯料20的连结强度，从而提高背板坯料20和靶材坯料30的焊接强度。

在所述热等静压炉50升温过程中，若升温速率过快，造成背板坯料20和靶材坯料30内的局部受热差异大，降低背板坯料20和靶材坯料30内部组织均匀性；若升温速率过慢，致使背板坯料20再结晶形成的晶粒过大，降低背板坯料20的强度和硬度。

可选地，在对所述热等静压炉50进行升温过程中，以3℃/min～8℃/min的加热速率升温，至所述热等静压炉50的温度为430～480℃。

本实施例提供的靶材组件的制造方法中，以铜铬合金作为背板材料，以钛作为靶材材料。先对铜铬合金进行固溶处理获得铜铬合金固溶体；在铜铬合金固溶体冷却并经定型处理获得背板坯料后，将钛靶材坯料的焊接面与背板坯料的焊接面贴合，并使钛靶材坯料的螺牙嵌入背板坯料中，基于所述铜铬合金固溶体较软(硬度较小)有效降低螺牙嵌入背板坯料中的难度，减小背板坯料的损伤；之后对所述背板坯料和钛靶材坯料进行热等静压焊接处理，以形成靶材组件，在焊接处理过程中，所述背板坯料同时完成时效处理。即，背板坯料与钛靶材坯料的热等静压焊接工艺，与铜铬合金固溶体的时效处理步骤同时完成，在获得高硬度的铜合金背板的同时，简化了靶材组件的制造方法的工艺步骤。

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 (11)

1.一种靶材组件的制造方法，其特征在于，包括：

提供铜合金坯料；

对所述铜合金坯料进行固溶处理，获得铜合金固溶体；

对所述铜合金固溶体进行定型处理，获得背板坯料，所述背板坯料包括焊接面；

提供靶材坯料，所述靶材坯料包括焊接面；

将所述靶材坯料的焊接面和所述背板坯料的焊接面贴合；对所述背板坯料和靶材坯料进行热等静压焊接处理，形成靶材组件，其中，所述焊接处理过程中所述背板坯料同时完成时效处理；

所述固溶处理的步骤包括：控制温度为800～1100℃，保温处理1～2小时；

所述热等静压焊接处理的步骤包括：

将所述靶材坯料和所述背板坯料装入包套内，并置入热等静压炉内；

将热等静压炉升温至430～480℃，并持续保温3～10小时，使所述靶材坯料和所述背板坯料扩散焊接，并在所述热等静压炉内进行热等静压焊接过程中同时完成所述背板坯料的时效处理。

2.根据权利要求1所述的靶材组件的制造方法，其特征在于，所述靶材坯料的材料为钛。

3.根据权利要求1所述的靶材组件的制造方法，其特征在于，所述靶材坯料的焊接面上形成有螺牙；

将所述靶材坯料的焊接面和所述背板坯料的焊接面贴合的步骤包括，将所述靶材坯料的螺牙嵌入所述背板坯料的焊接面内。

4.根据权利要求1所述的靶材组件的制造方法，其特征在于，在提供铜合金坯料后，进行所述固溶处理前，所述制造方法还包括：对所述铜合金坯料进行锻打处理。

5.根据权利要求4所述的靶材组件的制造方法，其特征在于，所述锻打处理的步骤包括：将所述铜合金加热至800～1000℃进行锻打。

6.根据权利要求1所述的靶材组件的制造方法，其特征在于，所述定型处理为压延处理。

7.根据权利要求1所述的靶材组件的制造方法，其特征在于，在将所述靶材坯料和所述背板坯料装入包套内之后，对所述热等静压炉进行升温前，所述制造方法还包括：对所述包套进行抽真空处理，至所述包套内的气压为10^-2Pa～10Pa。

8.根据权利要求7所述的靶材组件的制造方法，其特征在于，在将所述包套抽真空后，对所述热等静压炉进行升温前，所述制造方法还包括：对所述热等静压炉进行冷加压处理，至所述热等静压炉内的气压为50MPa～60Mpa。

9.根据权利要求1所述的靶材组件的制造方法，其特征在于，对所述热等静压炉进行升温的步骤包括：以3℃/min～8℃/min的加热速率升温。

10.根据权利要求1所述的靶材组件的制造方法，其特征在于，所述铜合金为铜铬合金。

11.根据权利要求10所述的靶材组件的制造方法，其特征在于，所述铜铬合金中铬的质量百分含量为0.5％～1.5％。