CN107805790A - 一种高比表面积的靶材组件及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于磁控溅射靶材制造技术领域，公开了一种高比面积的靶材组件及其制造方法，所述靶材组件包括靶材和支撑所述靶材的背板，所述背板有接触冷却水区域，该区域有数控铣床等机加工设备加工出的阿基米德螺旋线沟槽。所述背板接触冷却水区域的比表面积从100％增加到150％以上，通过增加背板上接触冷却水区域的表面积及水流导向，可实现对靶材溅射过程产生的热量快速导出，从而降低靶材表面温升，提高镀膜性能。
Description
技术领域
本发明属于磁控溅射靶材制造技术领域，尤其涉及一种高比表面积的靶材组件及其制造方法。
背景技术
在微电子镀膜领域，常用磁控溅射靶材沉积镀膜制备互联线、阻挡层、通孔、抗反射层、籽晶层等。利用高能粒子(如Ar+)轰击靶材，溅射出的中性靶材原子或原子团沉积到靶材对面的衬底上，形成薄膜层。在溅射靶材过程中，高能粒子在靶材上产生高热量，导致靶材表面温度大幅升高，从而造成靶材变形、开裂等，造成镀膜均匀性差，微颗粒数量超标等，从而影响镀膜性能。因此，常规方法为采用热导率高的Al合金、Cu及Cu合金材料与靶材背面复合起来，作为靶材的背板支撑。背板通常为一平板状，距离背板面～1mm间隙的为旋转的磁铁，在磁控溅射过程中，背板面及旋转的磁铁浸入循环的冷却水，以带走溅射过程中产生的热量，如图1为一典型的溅射系统。但由于旋转磁铁32距离背板面20很近，磁铁旋转速度约60转/分钟(不同型号机台，转速可能有区别)，导致背板面20与磁铁32间的水层很容易甩出，造成该种结构方法带走的热量非常有限。一种改良方法(专利文献1：用于物理气相沉积(PVD)处理系统的靶材冷却，CN 104583453A)在背板内部加工出蛇形暗水道，冷却水从背板上进水口通入暗水道，最后从背板出水口流出。通过增加暗水道的长度及提高冷却水速，可有效带走溅射过程中产生的热量。但该改良方法制备的靶材，由于特殊冷却结构，仅适用专用的磁控溅射机台；此外，背板内部加工暗水道工艺非常复杂、成本高。
发明内容
针对现有技术中提到的问题，本发明公开了一种高比表面积的靶材组件及其制造方法，
上述高比面积的靶材组件，包括靶材和支撑所述靶材的背板，所述背板有接触冷却水区域，该区域有数控铣床等机加工设备加工出的阿基米德螺旋线沟槽。
进一步，所述阿基米德螺旋线沟槽的深度2～6mm，宽度4～6mm，槽底为半圆弧面，沟槽表面粗糙度Ra0.8微米以内，沟槽沿圆周等角度分布，沟槽数量为9～64条。
进一步，所述阿基米德螺旋线沟槽的旋转方向与其上方的磁铁旋转方向一致。
进一步，背板上接触冷却水区域的中心区域为圆形平面凹槽，直径不大于100mm，深度与阿基米德螺旋线沟槽深度相同。
进一步，所述背板上接触冷却水区域的直径为400mm以上。
上述高比面积的靶材组件的制造方法，是通过粘接或焊接方式将靶材和支撑所述靶材的背板组装为一体，所述背板通过机加工设备在其接触冷却水区域加工出阿基米德螺旋线沟槽。
进一步，所述机加工设备包括数控铣床。
进一步，所述背板的材质为Al合金，Cu及Cu合金，Mo及Mo合金或Ti及Ti合金。
本发明的有益效果：
工艺简单，易于加工，采用数控铣床等机加工方式，在常规圆形平面背板上加工出敞开的阿基米德螺旋线沟槽，无需对溅射机台冷却水系统进行改造，且外形轮廓不变，不降低背板强度，不会造成背板明显变形。但大大增加了背板接触冷却水的面积，对冷却水流有导向作用，该接触冷却水区域的比表面积从100％增加到150％以上，实现了对靶材溅射过程产生的热量快速导出，降低了靶材表面温升，提高镀膜性能。
附图说明
图1.为典型磁控溅射系统结构示意图。
图2为本发明靶材背板的剖面示意图。
图3为本发明靶材背板中沟槽的斜视图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
图1.为典型磁控溅射系统结构示意图，图中：
10-典型磁控溅射系统，11-圆形复合靶材的背板组件，12-圆形复合靶材的参与溅射组件，13-衬底，14-遮挡罩，15-溅射环，20-背板上接触冷却水面，21-背板上中心圆形平面凹槽，22-背板上的阿基米德螺旋线沟槽，31-循环的冷却水，32-磁铁(包括N、S极),33-磁铁底座，34-磁铁旋转轴，35-冷却水进口，36-冷却水出口，37-磁铁旋转方向(如顺时针)
图2为本发明靶材背板的剖面示意图；图中：
D-背板上接触冷却水直径，D0-背板中心区域为圆形平面凹槽直径，不大于100mm，W-阿基米德螺旋线沟槽宽，H-阿基米德螺旋线沟槽深，Ra-沟槽表面粗糙度，0.8微米以内
图3为本发明靶材背板中沟槽的斜视示意图；图中：
22(G1)-第1条阿基米德螺旋线沟槽，
22(G2)-第2条阿基米德螺旋线沟槽，
22(Gn-1)-第n-1条阿基米德螺旋线沟槽，
22(Gn)-第n条阿基米德螺旋线沟槽，
23-阿基米德螺旋线旋转方向，与磁铁旋转方向一致(如顺时针)。
如图2和图3所示。在常规圆形靶材的平面背板接触冷却水区域，机加工出阿基米德螺旋线沟槽，沟槽的深度2～6mm，宽度4～6mm，沟槽数量为9～64条，以背板中心为坐标原点，阿基米德螺旋线沟槽方程见公式(1)：
其中，
x:阿基米德螺旋线各点横坐标；
y:阿基米德螺旋线各点纵坐标；
D：背板接触冷却水区域半径；
n:自然数，范围为1～180；
π：圆周率，近似取3.1415926
比表面积计算见公式(2)：
其中，
S％:比表面积；
S0:加工沟槽前，初始的背板冷却水平面区域总面积；
S1:加工沟槽后，背板冷却水三维面区域总面积；
通过采用该结构，其一，阿基米德螺旋线沟槽有一定深度，增加了背板与磁铁间的冷却水层厚度，且沟槽增加背板与冷却水的接触面积。其二，沟槽采用阿基米德曲线，沟槽旋转方向与磁铁旋转方向一致(如顺时针)，冷却水从中心区域流入，沿着螺旋线由直径较小的部分旋转到直径较大的部分，水流可顺畅从背板边缘区域流出。其三，沟槽底部为半圆弧面，阿基米德螺旋线沟槽表面粗糙度Ra0.8微米以内，降低了水流导出过程的与阿基米德螺旋线沟槽壁的摩擦阻力。
综上所述，本发明靶材背板中的阿基米德螺旋线沟槽，既增加了背板与冷却水的接触面积，又对冷却水流有导向作用，这样在溅射过程中，吸纳了热量的冷却水可随旋转磁铁旋转快速带走，而新鲜的冷却水可快速补充，从而也提高了冷却水对热量的导出速率。如果阿基米德螺旋线沟槽太浅(＜2mm)，阿基米德螺旋线沟槽数量太少，增加的表面积有限，如果阿基米德螺旋线沟槽太深(＞6mm)则会大大降低背板整体强度，所以，本发明阿基米德螺旋线沟槽深为2～6mm，槽宽4～6mm，阿基米德螺旋线沟槽数量为9～64条，背板接触冷却水区域的比表面积从100％(平面区域)增加到150％以上，确保在靶材溅射过程中，背板不会产生明显变形。此外，多条阿基米德螺旋线沟槽会在背板接触冷却水区域的中心区域重叠交汇，本发明在背板中心区域为圆形平面凹槽，直径不大于100mm，平面凹槽深度与阿基米德螺旋线沟槽深度相同。
实施例1～7及对比例1～2
(1)通过机加工制备加工出圆形复合靶材轮廓，背板为平板状，背板上接触冷却水部分面积假定为100％。
(2)采用数控铣床等在背板上接触冷却水部分加工出阿基米德螺旋线沟槽及中心区域的平面凹槽，使得背板接触冷却水区域的比表面积从100％增加到150％以上。阿基米德螺旋线沟槽沿圆周等角度分布，且阿基米德螺旋线沟槽旋转方向与磁铁旋转方向一致。
(3)采用塞尺等对背板面整体变形尺寸进行测量。
本发明的实施例1～7及对比例1～2阿基米德螺旋线沟槽的尺寸及背板变形数据见表1：
表1、实施例1～7及对比例1～4沟槽的尺寸及背板变形对比
上述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明。显然，本发明并不局限于所描述的实施例。基于本发明中的实施例，熟悉本技术领域的人员还可据此做出多种变化，但任何与本发明等同或相类似的变化都属于本发明保护的范围。
Claims (8)
1.一种高比面积的靶材组件，其特征在于，所述靶材组件包括靶材和支撑所述靶材的背板，所述背板有接触冷却水区域，该区域有阿基米德螺旋线沟槽。
2.根据权利要求1所述的靶材组件，其特征在于，所述阿基米德螺旋线沟槽的深度2～6mm，宽度4～6mm，槽底为半圆弧面，沟槽表面粗糙度Ra0.8微米以内，沟槽沿圆周等角度分布，沟槽数量为9～64条。
3.根据权利要求1所述的靶材组件，其特征在于，所述阿基米德螺旋线沟槽的旋转方向与其上方的磁铁旋转方向一致。
4.根据权利要求1所述的靶材组件，其特征在于，背板上接触冷却水区域的中心区域为圆形平面凹槽，直径不大于100mm，深度与阿基米德螺旋线沟槽深度相同。
5.根据权利要求1所述的靶材组件，其特征在于，所述背板上接触冷却水区域的直径为400mm以上。
6.权利要求1-5任一项权利要求所述靶材组件的制造方法，其特征在于，所述靶材组件通过粘接或焊接方式将靶材和支撑所述靶材的背板组装为一体，所述背板通过机加工设备在其接触冷却水区域加工出阿基米德螺旋线沟槽。
7.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述机加工设备包括数控铣床。
8.根据权利要求6所述的制造方法，其特征在于，所述背板的材质为Al合金，Cu及Cu合金，Mo及Mo合金或Ti及Ti合金。
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