CN113878308B - 一种靶材组件及靶材组件制作方法 - Google Patents

一种靶材组件及靶材组件制作方法 Download PDF

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Abstract

本申请涉及半导体制造领域，特别涉及一种靶材组件及靶材组件制作方法。本发明通过对喷砂区位置靠近靶材溅射面边缘一侧的靶材侧壁进行螺纹处理，使得靠近靶材溅射面边缘一侧的靶材侧壁凹凸不平，为后续的反溅射层附着提供粗糙面。虽然靠近靶材溅射面边缘一侧的靶材侧壁积累的反溅射材料较少，但长期积累还是容易产生一定厚度的反溅射层，且因为靠近靶材溅射面边缘一侧，无法在该区域形成熔射层(以避免熔射层材料被溅射)，因此在靠近靶材溅射面边缘一侧的靶材侧壁形成螺纹层，为后续的反溅射层附着提供粗糙面。

Description

一种靶材组件及靶材组件制作方法
技术领域
本申请涉及半导体制造领域，特别是涉及一种靶材组件及靶材组件制作方法。
背景技术
在半导体器件制造领域，利用物理气相沉积(Physical Vapour Deposition，PVD)法制备薄膜具有技术工艺简单、对环境无污染、成膜均匀致密、所需耗材少且与基底的结合力强等优点，因此物理气相沉积法应用非常广泛。实现物理气相沉积的方法主要包括：磁控溅射法、离子镀膜法和真空热蒸镀法等，其中磁控溅射法和离子镀膜法都需要靶材作为溅射源。
图1是现有技术中所使用的靶材组件的剖面示意图，如图1所示，所述靶材组件包括靶材10和靶材背板20。在成膜过程中，高速核能粒子轰击所述靶材10表面，被轰击到的靶材10表面的金属粒子脱离所述靶材10成为游离粒子，所述游离粒子迁移到靶材对面的基片上凝聚成膜。但是溅射出的所述游离粒子仍有小部分在磁场的作用下沉积在靶材10与所述靶材背板20连接处及附近区域11，这些沉积在靶材10与靶材背板20连接处及附近区域11的游离粒子被称为反溅射物质，当靶材经过多次溅射后，连接处及附近区域11沉积的反溅射物质增多，形成反溅射层30。但由于反溅射物质之间、反溅射物质与待溅射胚体10之间、反溅射物质与靶材背板20之间均存在应力，当反溅射物质堆积到一定程度后，所述反溅射物质会由于应力集中从靶材上剥落，形成异常放电，影响溅射环境并且在晶圆表面附着异常颗粒，影响后续薄膜沉积、电性测试及芯片良率。
由于反溅射物质需要一定时间的积累才容易从靶材上剥落，因此靶材使用中后期更容易发生晶圆异常颗粒偏高，当异常颗粒超过一定阈值，靶材的寿命就此终结。但其实此时靶材仅被消耗掉薄薄的一层，绝大部分的靶材只能被丢弃了，非常浪费。因此如果减少靶材使用中后期反溅射物质的脱落量，能大大提升靶材寿命，这对降低靶材的使用成本而言非常重要。
发明内容
基于此，有必要针对上述技术问题，提供一种靶材组件及靶材组件制作方法，能大大降低靶材使用中后期反溅射物质的脱落量。
本发明实施例提供一种靶材组件制作方法，包括：
提供靶材组件，所述靶材组件包括靶材和靶材背板，所述靶材的结合面与靶材背板相结合,且所述靶材溅射面边缘具有圆弧形倒角和位于圆弧形倒角下侧的向内凹陷斜面；
对所述向内凹陷斜面靠近连接处位置和靶材背板靠近连接处位置进行喷砂处理，形成喷砂区；对所述喷砂区进行熔射处理，形成熔射层；
对喷砂区位置靠近靶材溅射面边缘一侧的靶材侧壁进行螺纹处理，形成螺纹区。
可选的，所述螺纹区螺纹的深度为0.15mm～0.55mm。
可选的，所述螺纹区包括位于喷砂区位置靠近靶材溅射面边缘一侧的向内凹陷斜面和部分或全部圆弧形倒角。
可选的，所述螺纹区包括位于喷砂区位置靠近靶材溅射面边缘一侧的向内凹陷斜面。
可选的，所述螺纹处理的具体工艺包括：采用特制金刚石或硬质合金刀具，将刀具尖角打磨至30-60°；加工时主轴转速不高于100rpm，车削螺纹深度0.15mm～0.55mm，螺距0.45mm～1.1mm。
可选的，所述靶材为钛靶材或钽靶材。
本发明实施例提供了一种靶材组件，包括：
靶材和靶材背板，所述靶材与靶材背板相结合,且所述靶材边缘具有圆弧形倒角和位于圆弧形倒角下侧的向内凹陷斜面；所述靶材边缘圆弧形倒角形成有喷砂区；所述靶材边缘向内凹陷斜面和靶材背板靠近所述连接处位置形成有熔射层；所述喷砂区位置靠近靶材溅射面边缘一侧的靶材侧壁形成有螺纹区。
可选的，所述螺纹区螺纹的深度为0.15mm～0.55mm。
可选的，所述螺纹区包括位于喷砂区位置靠近靶材溅射面边缘一侧的向内凹陷斜面和部分或全部圆弧形倒角。
可选的，所述螺纹区包括位于喷砂区位置靠近靶材溅射面边缘一侧的向内凹陷斜面。
有益效果：本发明通过对喷砂区位置靠近靶材溅射面边缘一侧的靶材侧壁进行螺纹处理，使得靠近靶材溅射面边缘一侧的靶材侧壁凹凸不平，为后续的反溅射层附着提供粗糙面。虽然靠近靶材溅射面边缘一侧的靶材侧壁积累的反溅射材料较少，但长期积累还是容易产生一定厚度的反溅射层，且因为靠近靶材溅射面边缘一侧，无法在该区域形成熔射层(以避免熔射层材料被溅射)，因此在靠近靶材溅射面边缘一侧的靶材侧壁形成螺纹层，为后续的反溅射层附着提供粗糙面。
由于圆弧形倒角本身比平面具有更大的应力集中系数，当圆弧形倒角的半径越小时，应力集中系数越大，因此通过对圆弧形倒角进行螺纹处理，增强圆弧形倒角与反溅射层之间的吸附力，抵消部分圆弧形倒角较小带来的应力集中系数较大的问题，从而可以有效避免反溅射层剥离的同时降低靶材非溅射区边缘的厚度，降低靶材的成本且降低了靶材的使用成本。当所述圆弧形倒角的半径较大，通过螺纹处理，位于圆弧形倒角的反溅射层更不容易剥离，大大延长了靶材的使用寿命，有效提高了靶材的使用效率。
附图说明
图1为现有技术中所使用的靶材组件的剖面示意图；
图2为本发明一个实施例中靶材组件未喷砂、螺纹处理前的剖面示意图；
图3为本发明一个实施例中靶材组件边缘喷砂、螺纹处理后的放大剖面示意图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
本发明实施例首先提供了一种靶材组件制作方法，包括：
步骤S10，提供靶材组件，所述靶材组件包括靶材和靶材背板，所述靶材结合面与靶材背板相结合,且所述靶材溅射面边缘具有圆弧形倒角和位于圆弧形倒角下侧的向内凹陷斜面；
步骤S20，对所述向内凹陷斜面靠近连接处位置和靶材背板靠近连接处位置进行喷砂处理，形成喷砂区；对所述喷砂区进行熔射处理，形成熔射层；
步骤S30，对喷砂区位置靠近靶材溅射面边缘一侧的靶材侧壁进行螺纹处理，形成螺纹区。
具体的，请参考图2，所述靶材组件包括靶材110和靶材背板120，所述靶材110的结合面与靶材背板120相结合。所述靶材110包括中心位置的溅射区111和溅射区111之外的非溅射区112，非溅射区112位于靶材110的边缘，为靶材110溅射面的边缘区域。其中虽然称为非溅射区112，只不过因为该区域的磁场相对较弱导致靶材溅射较少。
在具体实施例中，所述靶材可以是钛靶材或钽靶材。在本实施例中，所述靶材110为半导体真空溅射用300mm钛靶材。但不限于此，在其他实施例中，靶材可以是其他尺寸、类型的靶材。
所述靶材溅射面边缘，即非溅射区112最外围边缘具有圆弧形倒角112和位于圆弧形倒角113下侧的向内凹陷斜面114，所述下侧为圆弧形倒角112与靶材、靶材背板连接处之间的位置，所述靶材边缘的向内凹陷斜面114由于为向内凹陷，便于后续形成的熔射层不会被溅射。
当后续溅射过程中反溅射层形成于所述靶材溅射面边缘，由于所述靶材溅射面边缘具有圆弧形倒角112，能够有效的缓解反溅射层因热膨胀系数的差异产生的应力不匹配和应力集中的问题，有效避免反溅射层剥离和等离子体尖端放电的问题。但现有技术中所述圆弧形倒角112尺寸较大，往往在6mm以上，因此导致靶材溅射面边缘的厚度受到圆弧形倒角112尺寸的影响，无法制作较薄的非溅射区112边缘。而非溅射区因为被溅射的几率较低，出于成本的考量，一般非溅射区的厚度会小于溅射区111，且越靠近边缘厚度越低，但因为圆弧形倒角的原因导致非溅射区的厚度受到局限，无法降低成本。
为此，请参考图3，本发明对所述向内凹陷斜面靠近连接处位置和靶材背板靠近连接处位置进行喷砂处理，形成喷砂区115，所述喷砂区的位置从圆弧形倒角下端某处到靶材与靶材背板的连接处，且在靶材背板靠近所述连接处位置也形成喷砂区。
喷砂是采用压缩空气为动力，以形成高速喷射束将喷料(铜矿砂、石英砂、金刚砂、铁砂、海南砂)高速喷射到需要处理的工件表面，使工件表面的外表面的外表或形状发生变化，由于喷料对工件表面的冲击和切削作用，使工件的表面获得一定的清洁度和不同的粗糙度。对靶材边缘表面进行喷砂处理，可以改善靶材边缘表面的机械性能，提高靶材边缘表面的抗疲劳性，在将该靶材应用到真空溅射时，避免溅射的靶材原子对靶材边缘表面造成损伤。同时，对靶材边缘表面进行喷砂处理，靶材边缘表面凹凸不平，为熔射粉末提供附着粗糙面，增强靶材边缘表面与熔射膜层之间的吸附力。
在具体实施例中，影响喷砂质量的主要因素有：砂粒材料、砂粒大小、砂粒重量、空气压力、喷射角度、喷射距离。任何一个参数的变化都会不同程度地影响喷砂的效果。下面详细说明本实施例中提供的一种喷砂的方法，采用此喷砂技术对靶材边缘表面进行处理，可以使得靶材边缘表面的粗糙度均匀、色差小。
在本实施例中，喷砂处理中的喷砂砂粒为46号白刚玉，也就是每平方英尺内含有46粒白刚玉。将1千克左右的46号白刚玉倒入喷砂机，喷砂机空气压强范围控制在0.441MPa～0.539MPa，空气压力如果大于0.539MPa，则喷砂的动力太足，使非溅射区表面冲击或切削形成的坑的平均深度加大，影响后续的熔射的膜层与粗糙面的结合力。如果空气压力小于0.441MPa，则喷砂的动力不够，使防着板的防着面坑的平均深度太小，同样影响后续的熔射的膜层与粗糙面的结合力。
在具体实施例中，喷砂处理过程中，喷砂枪枪嘴至非溅射区表面的距离是可调的，可根据待形成的不同的粗糙度进行调节。在本实施例中，喷砂枪枪嘴至非溅射区表面的距离范围为150mm～200mm。而且，喷砂枪喷嘴所喷砂粒所作的直线运动方向和非溅射区表面呈40°～55°范围的夹角，使得在喷砂枪喷嘴固定不动的前提下，砂粒做匀速运动，确保所述非溅射区表面喷砂后的表面粗糙度和均匀性一致，即可以保证喷砂的均匀性和预定的覆盖范围。在喷砂处理后，在所述非溅射区表面粗糙度为5.08μm～7.62μm的均匀粗糙层。
在本实施例中，对所述靶材边缘和靶材背板靠近所述连接处位置进行喷砂处理；在其他实施例中，也可以仅对所述靶材边缘位置进行喷砂处理，即对圆弧形倒角下端某处到靶材与靶材背板的连接处进行喷砂处理。
在对非溅射区表面进行喷砂处理后，可以对所述喷砂后的粗糙面进行清洗。在本实施例中，使用纯净水或去离子水清洗粗糙面，清洗干净粗糙面的喷砂砂粒，清洗时间大概为5min～10min。在其他实施例中，若喷砂处理后的粗糙面没有喷砂砂粒残留，或残留的喷砂砂粒不影响后续熔射过程，也可以不进行清洗处理。
对所述喷砂区进行熔射处理，形成熔射层。
熔射，又称热喷涂或喷焊，其基本原理是将材料(粉末或线材)加热熔化，在气体带送下高速冲击附着于底材(或工件)表面、堆积、凝固形成膜厚或涂层，达到防腐蚀、防锈、耐磨、润滑、表面粗糙化、吸附、绝缘、绝热等目的。在本实施例的熔射处理过程，熔射材料熔化后呈液态，由于经喷砂处理后的粗糙面凹凸不平，粗糙面更能“兜住”液态熔射材料，液态熔射材料在粗糙面凝固形成熔射层。由于粗糙面凹凸不平的缘故，熔射层亦凹凸不平，而且后续的反溅射层在粗糙熔射层的粘附力更强。
在本实施例中，熔射处理过程的熔射材料为铝粉末、或铝-硅系合金构成的焊接材料粉末，或者，可以为铝粉末和硅粉的混合粉末(硅的含量保持在5wt～50wt％)。
为了使上述熔射粉末在喷砂区表面的接触，为了使熔射粉末能光滑地通过熔射枪的细喷嘴，需要保持50％以上的熔射粉末的形状为球状。所述熔射粉末的粒径范围最好在20μm～100μm，如果上述熔射粉末的粒径大于100μm。在相邻的颗粒之间就会出现间隙，使得熔射处理后的熔射层表面太过粗糙；如果上述熔射粉末的粒径小于20μm，上述熔射粉末在熔射的过程中很容易被熔化，不利于熔射层的附着。
在具体实施例中，在粗糙面上进行熔射处理的温度控制在1200℃～1350℃，如果在非溅射区表面进行熔射处理的温度小于1200℃，熔射粉末的熔化就不充分，熔射层与喷砂区表面的粘附性较差。如果在喷砂区上进行熔射处理的温度超过了1350℃，就会使上述粉末内部会完全熔化，会在粗糙面形成坚硬的氧化层，该氧化层会阻碍熔射层与喷砂区表面的粘附。
在具体实施例中，在粗糙面进行熔射处理的熔射距离，即熔射枪头至喷砂区表面的距离范围为60mm～300mm，若熔射距离不到60mm，不但熔射粉末过度熔化，使得粗糙面表面氧化，而且喷砂区表面会因加热出现形状和组织变化。另外，如果熔射距离超过300mm，熔射粉末在到非溅射区表面的过程可能会再凝固，导致熔射层的附着量下降。
在具体实施例中，熔射粉末的供给量设定为40～150g/min。如果熔射粉末的供给量小于40g/min，则膜层在粗糙面的粘附性下降，若熔射粉末的供给量大于150g/min，则粗糙面的附着层变厚，由于冷却时的收缩差，使其粘附性下降的同时，增加成本。
对粗糙面进行熔射处理的过程中，为防止粗糙面氧化和粉末粒子的氧化，在粗糙面熔射处理环境中形成一种氮气的非氧化气氛比较好。
熔射后，在所述非溅射区表面形成粗糙度为10μm～25μm的均匀熔射层。经喷砂、熔射处理后的靶材表面形成的熔射层与靶材表面的粘附性强。在将本实施例的靶材应用到真空溅射较长时间，即使靶材原子形成堆积，膜层也不会脱落，不会出现现有技术的颗粒物脱落造成溅射参数不达标的问题，保持溅射参数稳定。而且，这显著提高了靶材的使用寿命，最终可提升多于50％的靶材寿命。
对喷砂区位置靠近靶材溅射面边缘一侧的靶材侧壁进行螺纹处理，形成螺纹区117。
在本实施例中，先进行喷砂和熔射处理，再进行螺纹处理。在其他实施例中，也可以先进行螺纹处理，再进行喷砂和熔射处理。
由于反溅射层主要集中在向内凹陷斜面靠近连接处位置和靶材背板靠近连接处位置，因此优先对上述位置生成熔射层。其次对喷砂区位置靠近靶材溅射面边缘一侧的靶材侧壁进行螺纹处理，由于螺纹处理后的靶材侧壁凹凸不平，为后续的反溅射层附着提供粗糙面，增强靶材侧壁与反溅射层之间的吸附力。在本发明实施例中，所述螺纹区螺纹的深度为0.15mm～0.55mm，能够大大增强靶材侧壁与反溅射层之间的吸附力。
在本实施例中，所述螺纹区117包括位于喷砂区位置靠近靶材溅射面边缘一侧的向内凹陷斜面。
在其他实施例中，所述螺纹区117包括位于喷砂区位置靠近靶材溅射面边缘一侧的向内凹陷斜面和部分或全部圆弧形倒角。
当对靶材边缘圆弧形倒角进行螺纹处理，使得靶材边缘圆弧形倒角凹凸不平，为后续的反溅射层附着提供粗糙面，增强圆弧形倒角与反溅射层之间的吸附力。且由于圆弧形倒角本身比平面具有更大的应力集中系数，当圆弧形倒角的半径越小时，应力集中系数越大，因此通过对圆弧形倒角进行螺纹处理，增强圆弧形倒角与反溅射层之间的吸附力，抵消部分圆弧形倒角较小带来的应力集中系数较大的问题，从而可以有效避免反溅射层剥离的同时降低靶材非溅射区边缘的厚度，降低靶材的成本且降低了靶材的使用成本。
所述圆弧形倒角的半径可以为2mm～4mm。当然在其他实施例中，所述圆弧形倒角的半径也可以大于4mm，例如5mm、6mm等，通过螺纹处理，位于圆弧形倒角的反溅射层更不容易剥离，大大增加了靶材使用寿命，有效降低了靶材的使用成本。
在本实施例中，所述螺纹处理的具体工艺包括：采用特制金刚石或硬质合金刀具，将刀具尖角打磨至30-60°；加工时主轴转速不高于100rpm，车削螺纹深度0.15mm～0.55mm，螺距0.45mm～1.1mm。
本发明实施例还提供了一种靶材组件，请参考图2和图3，包括：
靶材110和靶材背板120，所述靶材结合面110与靶材背板120相结合,且所述靶材边缘具有圆弧形倒角113和位于圆弧形倒角113下侧的向内凹陷斜面114；所述向内凹陷斜面114靠近连接处位置和靶材背板120靠近连接处位置形成有喷砂区115；所述喷砂区115表面形成有熔射层116；所述喷砂区115位置靠近靶材溅射面边缘一侧的靶材侧壁形成有螺纹区117。
所述螺纹区螺纹的深度为0.15mm～0.55mm。
在本实施例中，所述螺纹区117包括位于喷砂区位置靠近靶材溅射面边缘一侧的向内凹陷斜面。
在其他实施例中，所述螺纹区117包括位于喷砂区位置靠近靶材溅射面边缘一侧的向内凹陷斜面和部分或全部圆弧形倒角。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种靶材组件制作方法，其特征在于，包括：
提供靶材组件，所述靶材组件包括靶材和靶材背板，所述靶材的结合面与靶材背板相结合,且所述靶材溅射面边缘具有圆弧形倒角和位于圆弧形倒角下侧的向内凹陷斜面；
对所述向内凹陷斜面靠近连接处位置和靶材背板靠近连接处位置进行喷砂处理，形成喷砂区；
对所述喷砂区进行熔射处理，形成熔射层；
对喷砂区位置靠近靶材溅射面边缘一侧的靶材侧壁进行螺纹处理，形成螺纹区；
所述螺纹区包括位于喷砂区位置靠近靶材溅射面边缘一侧的向内凹陷斜面和部分或全部圆弧形倒角。
2.根据权利要求1所述的靶材组件制作方法，其特征在于，所述螺纹区螺纹的深度为0.15mm～0.55mm。
3.根据权利要求1所述的靶材组件制作方法，其特征在于，所述螺纹处理的具体工艺包括：采用特制金刚石或硬质合金刀具，将刀具尖角打磨至30°～60°；加工时主轴转速不高于100rpm，车削螺纹深度0.15mm～0.55mm，螺距0.45mm～1.1mm。
4.根据权利要求1所述的靶材组件制作方法，其特征在于，所述靶材为钛靶材或钽靶材。
5.一种靶材组件，其特征在于，包括：靶材和靶材背板，所述靶材与靶材背板相结合,且所述靶材边缘具有圆弧形倒角和位于圆弧形倒角下侧的向内凹陷斜面；所述向内凹陷斜面靠近连接处位置和靶材背板靠近连接处位置形成有喷砂区；所述喷砂区表面形成有熔射层；所述喷砂区位置靠近靶材溅射面边缘一侧的靶材侧壁形成有螺纹区，所述螺纹区包括位于喷砂区位置靠近靶材溅射面边缘一侧的向内凹陷斜面和部分或全部圆弧形倒角。
6.根据权利要求5所述的靶材组件，其特征在于，所述螺纹区螺纹的深度为0.15mm～0.55mm。
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