CN106702333A - 靶材组件的制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种靶材组件的制造方法，包括：提供靶材、背板和缓冲层，所述缓冲层的热膨胀系数介于所述靶材的热膨胀系数与背板的热膨胀系数之间；将所述靶材、缓冲层和背板进行装配形成初始组件，在所述初始组件中，所述缓冲层位于所述靶材和背板之间且分别与所述靶材和背板相接触；将所述初始组件进行扩散焊接，形成靶材组件。本发明通过在靶材与背板之间加入热膨胀系统介于两者之间的缓冲层，起到应力缓冲的作用；与背板相比，所述靶材与缓冲层的热膨胀系数相近，在扩散焊接中当高温冷却至室温时，靶材和缓冲层的扩散界面由于拉伸产生的应力较小，从而避免靶材的断裂，进而提高了靶材组件的良率。

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，尤其涉及靶材组件的制造方法。

背景技术

溅射技术是半导体制造领域的常用工艺之一，随着溅射技术的日益发展，溅射靶材在溅射技术中起到了越来越重要的作用，溅射靶材的质量直接影响到了溅射后的成膜质量。

WTi靶材是一种比较典型的合金靶材，WTi合金具有低电阻系数、良好的热稳定性和抗氧化性，在现有技术中，WTi靶材的背板一般为Al合金或Cu合金。

靶材组件的制造方法有很多，早期主要采用钎焊的焊接方式，采用材质较为柔软的In作为焊料，防止冷却过程中由于背板变形产生的应力将WTi靶材撕裂，但由于In焊料的熔点只有156.61℃，形成的溅射靶材使用温度过高时会造成In焊料熔化、脱焊，导致溅射靶材的使用温度受限。

因此为了避免上述情况，采用扩散焊接的方式，将WTi靶材与Al或Cu背板直接进行扩散焊接，但形成的溅射靶材良率较低。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种靶材组件的制造方法，以提高溅射靶材的良率。

为解决上述问题，本发明提供一种靶材组件的制造方法。包括：

提供靶材、背板和缓冲层，所述缓冲层的热膨胀系数介于所述靶材的热膨胀系数与背板的热膨胀系数之间；

将所述靶材、缓冲层和背板进行装配形成初始组件，在所述初始组件中，所述缓冲层位于所述靶材和背板之间且分别与所述靶材和背板相接触；

将初始组件进行扩散焊接，形成靶材组件。

可选的，所述背板的材料为Al合金，所述靶材的材料为WTi，所述缓冲层的热膨胀系数介于WTi热膨胀系数和Al合金热膨胀系数之间。

可选的，所述背板的材料为Cu合金，所述靶材的材料为WTi，所述缓冲层的热膨胀系数介于WTi热膨胀系数和Cu合金热膨胀系数之间。

可选的，所述缓冲层的材料为钛。

可选的，所述缓冲层的材料为高纯钛，高纯钛中钛的含量大于99.9999％。

可选的，所述缓冲层的厚度为2毫米至3毫米。

可选的，所述扩散焊接的步骤包括：包套焊接、脱气、加热和热等静压工艺。

可选的，所述加热步骤中，工艺温度为200℃至300℃，工艺时间为1小时至3小时。

可选的，所述热等静压工艺中，工艺温度为300℃至400℃，环境压强为150MPa至180MPa，在所述工艺温度和环境压强下的工艺时间为5小时至8小时。

可选的，所述脱气步骤包括：将初始组件放置于包套后，对所述包套进行抽真空，抽真空后所述包套内的真空度至少为1E-2Pa，且在所述热等静压工艺过程中使所述真空包套保持密封状态。

可选的，与缓冲层相接触的靶材表面为第一焊接面，与背板相接触的缓冲层表面为第二焊接面，将所述靶材、缓冲层和背板进行装配形成初始组件前，所述靶材组件的制造方法还包括：对所述第一焊接面和第二焊接面进行机械加工，在所述第一焊接面和第二焊接面上形成车削螺纹；

对机械加工后的所述靶材、背板和缓冲层进行超声波清洗工艺；

超声波清洗工艺后，真空干燥所述靶材、背板和缓冲层。

可选的，所述超声波清洗工艺所采用的清洗液为异丙醇胺液或无水酒精。

可选的，所述超声波清洗工艺的工艺时间为5分钟至10分钟。

可选的，所述真空干燥的工艺时间为30分钟至60分钟。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：本发明通过在靶材与背板之间加入热膨胀系统介于两者之间的缓冲层，起到应力缓冲的作用；与背板相比，所述靶材与缓冲层的热膨胀系数相近，在扩散焊接中当高温冷却至室温时，靶材和缓冲层的扩散界面由于拉伸产生的应力较小，进而避免靶材的断裂，提高了靶材组件的良率。

进一步，本发明靶材组件的制造方法采用热等静压工艺，可以将靶材组件的焊接强度从5MPa至8MPa提升至50MPa以上，从而使形成的靶材组件扩散结合效果较现有技术更好，且提升了靶材组件的使用温度，充分满足半导体靶材的使用需求。

附图说明

图1是本发明靶材组件的制造方法一实施例的流程示意图；

图2至图6是本发明靶材组件的制造方法一实施例中各材料层的结构示意图

图7是本发明靶材组件的制造方法一实施例中真空包套模具的组装示意图；

图8是本发明靶材组件的制造方法一实施例中热等静压工艺的工艺原理图。

具体实施方式

现有技术采用钎焊的焊接方式将WTi靶材和Al合金背板(或Cu合金背板)进行焊接结合，但由于焊料的熔点较低，形成的溅射靶材使用温度过高时会造成焊料熔化或脱焊，导致溅射靶材的使用温度受限；为了解决靶材使用温度受限的问题，将靶材直接与背板进行扩散焊接，但是WTi热膨胀系数与Al合金热膨胀系数、Cu合金热膨胀系数相差较大，且WTi韧性相对较差，在扩散焊接中当高温冷却至室温时，Al合金背板或Cu合金背板的变形较大，而WTi靶材的变形较小，扩散界面处由于拉伸会产生的很强的应力，容易造成WTi靶材的断裂。

为了解决上述问题，本发明提供一种靶材组件的制造方法，包括：

提供靶材、背板和缓冲层，所述缓冲层的热膨胀系数介于所述靶材的热膨胀系数与背板的热膨胀系数之间；将所述靶材、缓冲层和背板进行装配形成初始组件，在所述初始组件中，所述缓冲层位于所述靶材和背板之间且分别与所述靶材和背板相接触；将初始组件进行扩散焊接，形成靶材组件。

本发明通过在靶材与背板之间加入热膨胀系统介于两者之间的缓冲层，起到应力缓冲的作用；由于所述靶材与缓冲层的热膨胀系数相近，在扩散焊接中当高温冷却至室温时，靶材和缓冲层的扩散界面由于拉伸产生的应力较小，从而避免靶材的断裂，进而提高了靶材组件的良率。

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。

参考图1，图1是本发明靶材组件的制造方法一实施例的流程示意图，本实施例靶材的制作方法包括以下基本步骤：

步骤S1：提供靶材、背板和缓冲层；

步骤S2：对靶材和缓冲层表面进行机械加工，在焊接面上形成车削螺纹；

步骤S3：对靶材、背板和缓冲层进行超声波清洗，清洗后真空干燥；

步骤S4：将靶材、缓冲层和背板进行装配形成初始组件，在所述初始组件中，所述缓冲层位于所述靶材和背板之间且分别与所述靶材和背板的焊接面相接触，将初始组件装入真空包套内，然后对所述真空包套抽真空；

步骤S5：对抽真空后的真空包套进行加热并保温，完成初次扩散焊接；

步骤S6：对完成初次扩散焊接的初始组件进行热等静压工艺；

步骤S7：对真空包套进行去压冷却；

步骤S8：去除真空包套，获得靶材组件。

为了更好地说明本发明实施例的靶材组件的制造方法，下面将结合参考图2至图8，对本发明的具体实施例做进一步的描述。

结合参考图2至图4，首先执行步骤S1，提供靶材500、背板502和缓冲层501。

本实施例中，所述靶材500的材料为WTi合金，WTi合金硬度大，具有低电阻系数，良好的热稳定性和抗氧化性；为了提高溅射靶材的导电性和导热性，所述背板502的材料为Al合金或Cu合金。

WTi热膨胀系数与Al合金的热膨胀系数、Cu合金的热膨胀系数相差较大(Al的热膨胀系数为23/℃，Cu的热膨胀系数为19/℃，WTi的热膨胀系数为6/℃)，为了缓解靶材500与背板502之间由于拉伸产生的应力，采用热膨胀系数介于所述靶材500的热膨胀系数与所述背板502的热膨胀系数之间缓冲层501，起到应力缓冲作用。

本实施例中，所述背板502的材料为Al合金，所述靶材500的材料为WTi，所述缓冲层501的热膨胀系数介于WTi热膨胀系数和Al合金热膨胀系数之间；或者，所述背板502的材料为Cu合金，所述靶材500的材料为WTi，所述缓冲层501的热膨胀系数介于WTi热膨胀系数和Cu合金热膨胀系数之间；由于所述靶材500与缓冲层501的热膨胀系数相近，在后续扩散焊接工艺中，当高温冷却至室温时，所述靶材500和缓冲层501的扩散焊接面由于拉伸产生的应力较小，从而避免所述靶材500的断裂，进而提高了后续形成的靶材组件的良率。

本实施例中，所述缓冲层501的材料为Ti，具体地，所述缓冲层501的材料为Ti含量达到99.9999％以上的高纯Ti(热膨胀系数为11/℃)。

当所述缓冲层501的厚度过薄时，后续无法在所述缓冲层501表面进行机械加工以形成车削螺纹，且后续靶材500上的车削螺纹容易扎穿所述缓冲层501，从而影响扩散焊接效果以及靶材组件的良率；当所述缓冲层501的厚度过厚时，会导致靶材组件的导电性和导热性变差。本实施例中，所述缓冲层501的厚度为2毫米至3毫米。

结合参考图5和图6，执行步骤S2，对靶材500和缓冲层501表面进行机械加工，在焊接面上形成车削螺纹。

用于与所述缓冲层501相接触的靶材500表面为第一焊接面，用于与所述背板502相接触的缓冲层501表面为第二焊接面，为了提高后续扩散焊接的效果，本实施例中，对所述第一焊接面和第二焊接面进行机械加工，在所述第一焊接面和第二焊接面上形成车削螺纹，从而增加所述靶材500与缓冲层501之间，以及所述缓冲层501与所述背板502之间的接触面积。

进一步，在后续的扩散焊接过程中，所述第一焊接面上的车削螺纹扎入所述缓冲层501内，所述第二焊接面上的车削螺纹扎入所述背板502内，从而增强了所述靶材500与缓冲层501之间、所述缓冲层501与背板502之间的扩散效果。

接着执行步骤S3，对靶材500、背板502和缓冲层501进行超声波清洗，清洗后真空干燥。

具体地，在进行扩散焊接之前，为了确保各焊接面的洁净度，对所述靶材500、背板502和缓冲层501进行超声波清洗工艺，然后真空干燥。

本实施例中，所述超声波清洗工艺所采用的清洗液为异丙醇胺(IPA)液或无水酒精，所述超声波清洗工艺的工艺时间为5分钟至10分钟，从而去除所述靶材500、背板502和缓冲层501表面的灰尘或颗粒；然后采用烘箱对所述靶材500、背板502和缓冲层501进行真空干燥，所述真空干燥工艺的温度为60℃至80℃，在所述温度下的工艺时间为30分钟至60分钟。

结合参考图7，执行步骤S4，将所述靶材500、背板502和缓冲层501进行装配形成初始组件503，在所述初始组件503中，所述缓冲层501位于所述靶材500和所述背板502之间且分别与所述靶材500和所述背板502相接触。

本实施例中，采用扩散焊接的方式使所述靶材500、缓冲层501和背板502形成靶材组件。具体地，所述扩散焊接的步骤包括包套焊接、脱气、加热和热等静压工艺。

具体地，包套焊接的步骤包括：将所述初始组件503装入包套504内，封死所述包套504，所述包套504引出一个脱气管508并通过所述脱气管508抽真空，形成真空包套504'。

本实施例中，所述包套504包括包套薄壁505、包套下盖板506和包套上盖板507；所述包套504采用不锈钢焊接成型。所述不锈钢材质的包套强度较大，可以防止在后续工艺的受热条件下所述包套发生形变或开裂。

本实施例中，通过氩弧焊接的方式先将所述包套薄壁505和包套下盖板506进行焊接，然后将装配好的初始组件503装入未焊接所述包套上盖板507的包套内，盖上包套上盖板507后再通过氩弧焊接的方式将所述上盖板507焊接至所述包套薄壁505的上表面，使所述包套504被封死。

脱气的步骤包括：将初始组件503放置于包套504后，对所述包套504进行抽真空，抽真空后所述包套504'内的真空度至少为1E-2Pa，且在后续热等静压工艺过程中使所述真空包套504'保持密封状态。具体地，本实施例中，所述包套504引出一个脱气管508，将所述脱气管508与真空设备相连，将装有所述初始组件503的包套504放置在加热炉中，开启真空设备对所述包套504抽真空形成真空包套504'，使所述真空包套504'内的真空度达到1E-2Pa。

继续参考图7，执行步骤S5，对所述抽真空后的真空包套504'进行加热并保温，完成初次扩散焊接。

本实施例中，当所述真空包套504'内的真空度达到1E-2Pa时，启动加热炉对所述真空包套504'进行加热；将所述真空包套504'由室温加热至200℃至300℃后，并在所述温度下保温1小时至3小时，完成初次扩散焊接，使所述靶材500和缓冲层501的扩散界面、所述缓冲层501和背板502的扩散界面完成初步结合。

在加热炉升温及保温过程中，真空设备一直处于开启状态，从而使所述真空包套504'内的真空度始终至少维持在1E-2Pa；保温结束后，从加热炉中取出所述真空包套504'，在继续保持其内部真空的状态下封闭所述脱气管508，使所述真空包套504'内部形成一个密闭的真空环境。

结合参考图8，执行步骤S6，对完成初次扩散焊接的初始组件503进行热等静压工艺。

本实施例中，将装有所述初始组件503且闭气好的真空包套504'放置在热等静压炉中，先进行升温升压，使工艺温度达到300℃至400℃、环境压强达到150MPa至180MPa，使所述真空包套504'受到来自各向均等且全方位的150MPa至180MPa的气体压力；在升温升压步骤之后，在所述工艺温度和环境压强下保温5小时至8小时。

本实施例中，将工艺温度、环境压强和保温时间做了最优化的搭配。

当所述工艺温度低于300℃时，由于温度不够，导致所述初始组件503的各材料层之间无法彻底地进行扩散结合，影响热等静压后靶材组件的质量；当所述工艺温度高于400℃时，过高的工艺温度使所述真空包套504'处于恶劣的环境中，容易引起所述真空包套504'发生形变或开裂，更甚者可能会使所述真空包套504'熔化或者使所述真空包套504'与所述靶材500、背板502、缓冲层501发生反应，引起靶材组件的报废。

当所述环境压强小于150MPa时，由于在所述真空包套504'上施加的力不够大，导致所述初始组件503各材料层之间无法彻底地扩散结合，导致最终获得的靶材组件容易脱焊；当所述环境压强大于180MPa时，对于已经完成最好的扩散结合的所述初始组件503，难以进一步扩散结合，再提高环境压强已经没有意义，反而浪费能源，甚至过高的环境压强可能使所述真空包套504'发生形变或开裂。

当所述保温时间少于5小时时，由于在适当温度和压强下施加压力的时间不够长，导致所述初始组件503各材料层之间无法完全扩散结合，导致最终获得的靶材组件容易脱焊；当保温时间多于8小时时，对于已经完成最好的扩散结合的所述初始组件503，难以进一步扩散结合，再增加保温时间反而浪费能源、降低靶材组件的制造效率。

执行步骤S7，对所述真空包套504'(如图8所示)进行去压冷却。

本实施例中，所述初始组件503完成热等静压工艺后，关闭热等静压炉，使所述真空包套504'(如图8所示)随炉自然冷却至室温25℃至200℃，这种方法避免了因温度的骤降引起靶材500(如图8所示)断裂的问题，且使扩散结合后的靶材组件更加坚实。

最后执行步骤S8，去除所述真空包套504'(如图8所示)，获得靶材组件。

具体地，将所述真空包套504'(如图8所示)随炉冷却后，通过车削加工等机械加工工艺将所述靶材组件表面的包套材料去除，获得以WTi合金为靶材、以Al合金或Cu合金为背板的靶材组件。

需要说明的是，本发明旨在靶材与背板之间加入热膨胀系统介于两者之间的缓冲层，起到应力缓冲的作用；与背板相比，所述靶材与缓冲层的热膨胀系数相近，在扩散焊接中当高温冷却至室温时，所述靶材和缓冲层的扩散界面由于拉伸产生的应力较小，进而避免靶材的断裂，提高了靶材组件的良率。上述实施例中，在提供靶材、背板和缓冲层之后，还进行了机械加工、超声波清洗和真空干燥的步骤，这些步骤的目的是为了增加焊接效果，但是在本发明其他实施例中，还可以省略机械加工、超声波清洗和真空干燥的步骤。

还需要说明的是，在上述实施例中，在形成初始组件之后，进行扩散焊接的步骤包括：包套焊接、脱气、加热和热等静压工艺等。但是本发明对此不作限制，也可以采用其他工艺实现扩散焊接。

虽然本发明己披露如上，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 (14)

1.一种靶材组件的制造方法，其特征在于，包括：

提供靶材、背板和缓冲层，所述缓冲层的热膨胀系数介于所述靶材的热膨胀系数与背板的热膨胀系数之间；

将所述靶材、缓冲层和背板进行装配形成初始组件，在所述初始组件中，所述缓冲层位于所述靶材和背板之间且分别与所述靶材和背板相接触；

将初始组件进行扩散焊接，形成靶材组件。

2.如权利要求1所述的靶材组件的制造方法，其特征在于，所述背板的材料为Al合金，所述靶材的材料为WTi，所述缓冲层的热膨胀系数介于WTi热膨胀系数和Al合金热膨胀系数之间。

3.如权利要求1所述的靶材组件的制造方法，其特征在于，所述背板的材料为Cu合金，所述靶材的材料为WTi，所述缓冲层的热膨胀系数介于WTi热膨胀系数和Cu合金热膨胀系数之间。

4.如权利要求2或3所述的靶材组件的制造方法，其特征在于，所述缓冲层的材料为钛。

5.如权利要求4所述的靶材组件的制造方法，其特征在于，所述缓冲层的材料为高纯钛，高纯钛中钛的含量大于99.9999％。

6.如权利要求1所述的靶材组件的制造方法，其特征在于，所述缓冲层的厚度为2毫米至3毫米。

7.如权利要求1所述的靶材组件的制造方法，其特征在于，所述扩散焊接的步骤包括：包套焊接、脱气、加热和热等静压工艺。

8.如权利要求7所述的靶材组件的制造方法，其特征在于，所述加热步骤中，工艺温度为200℃至300℃，工艺时间为1小时至3小时。

9.如权利要求7所述的靶材组件的制造方法，其特征在于，所述热等静压工艺中，工艺温度为300℃至400℃，环境压强为150MPa至180MPa，在所述工艺温度和环境压强下的工艺时间为5小时至8小时。

10.如权利要求7所述的靶材组件的制造方法，其特征在于，所述脱气步骤包括：将初始组件放置于包套后，对所述包套进行抽真空，抽真空后所述包套内的真空度至少为1E-2Pa，且在所述热等静压工艺过程中使所述真空包套保持密封状态。

11.如权利要求1所述的靶材组件的制造方法，其特征在于，与缓冲层相接触的靶材表面为第一焊接面，与背板相接触的缓冲层表面为第二焊接面，将所述靶材、缓冲层和背板进行装配形成初始组件前，所述靶材组件的制造方法还包括：对所述第一焊接面和第二焊接面进行机械加工，在所述第一焊接面和第二焊接面上形成车削螺纹；

对机械加工后的所述靶材、背板和缓冲层进行超声波清洗工艺；

超声波清洗工艺后，真空干燥所述靶材、背板和缓冲层。

12.如权利要求11所述的靶材组件的制造方法，其特征在于，所述超声波清洗工艺所采用的清洗液为异丙醇胺液或无水酒精。

13.如权利要求11所述的靶材组件的制造方法，其特征在于，所述超声波清洗工艺的工艺时间为5分钟至10分钟。

14.如权利要求11所述的靶材组件的制造方法，其特征在于，所述真空干燥的工艺时间为30分钟至60分钟。