CN115198238A - 一种靶材背板及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种靶材背板及其制造方法，所述靶材背板包括支撑件与冷却件；所述支撑件为凹槽结构，凹槽结构的底面设置有通孔，通孔的直径小于凹槽结构的底面直径；所述冷却件包括冷却基体与冷却凸台；所述冷却基体与冷却凸台形成台阶状结构，通过通孔与支撑件连接；所述支撑件与冷却件的材质不同。本发明提供的靶材背板通过材料的选择、结构的改进以及制造方法的控制，使靶材背板具有极好的支撑强度，又具备良好的导热性能，且成本较同规格的铜背板更加低廉；将其用于磁控溅射时，使用寿命较长，且表面温度分布均匀，有利于提高磁控溅射的镀膜均匀性。
Description
技术领域
本发明属于半导体极速领域，涉及一种溅射组件，尤其涉及一种靶材背板及其制造方法。
背景技术
溅射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成膜的质量。
靶材组件是由复合溅射性能的靶坯、与靶坯通过焊接相结合的背板构成。在溅射过程中，靶材组件所处的工作环境比较恶劣。靶材组件的背板一侧通过一定压力的冷却水强冷，而靶坯一侧则处于高温真空环境下，因此在靶材组件的相对两侧形成巨大的压力差；再者，靶坯一侧受到高压电场和强磁场中各种粒子的轰击，有大量热量产生。在如此恶劣的环境下，为了确保薄膜质量的稳定性以及靶材组件的质量，对靶坯和背板的质量以及焊接结合率的要求越来越高，否则容易导致靶材组件在受热条件下发生变形与开裂等问题，从而影响成膜质量，甚至对溅射基台造成损伤。
CN 112475796A公开了一种靶材组件的焊接方法，所述焊接方法包括如下步骤：在靶材的焊接面机加工出凸台；在背板的焊接面机加工与凸台对应的嵌槽，并在嵌槽的底面机加工至少2个环形凸齿；组合靶材与背板，使靶材的凸台嵌入背板的嵌槽中，然后进行热等静压焊接，得到组合靶坯；机加工所得组合靶坯，暴露靶材台阶面与背板的接触位置，对接触位置进行真空电子束焊接，得到靶材组件。该方法通过工艺的改进提高了靶材与背板的焊接结合率，但并未涉及到对背板的单独改进。
CN 107457495A公开了一种背板及其制造方法以及靶材组件的制造方法，其中的背板包括：焊接面；凸出于焊接面上的多个环形凸齿，环形凸齿呈相互间隔的同心排布；环形凸齿内具有一个环形第一凹槽，且环形第一凹槽的内壁与环形凸齿的内壁构成尖角结构；或者，环形凸齿内具有环形凹槽组，环形凹槽组至少包括两个环形第一凹槽，且相连环形第一凹槽的内壁相连接构成第一尖角结构，环形第一凹槽的内壁与环形凸齿的内壁构成第二尖角结构；相邻环形凸齿的内壁与位于相邻环形凸齿之间的焊接面围成环形第二凹槽。
该方案通过对背板结构的改进，提高了靶材与背板的焊接结合率，但并不涉及对背板材料进行。本领域常规的背板材料选择具有较高强度和导热性良好的铝合金或铜合金，但是传统的铝合金强度有限，且铝合金的导热性能不及铜合金，而铜合金材料的价格昂贵，且生产成本高。
因此，如何提供一种具有良好的支撑强度，又具备良好的导热性能的靶材背板及其制备方法，对于提高溅射质量具有重要意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种靶材背板及其制造方法，所述靶材背板及其制造方法通过材料的选择、结构的改进以及制造方法的控制，使靶材背板具有极好的支撑强度，又具备良好的导热性能，且成本较同规格的铜背板更加低廉；将其用于磁控溅射时，使用寿命较长，且表面温度分布均匀，有利于提高磁控溅射的镀膜均匀性。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种靶材背板，所述靶材背板包括支撑件与冷却件；
所述支撑件为凹槽结构，凹槽结构的底面设置有通孔，通孔的直径小于凹槽结构的底面直径；
所述冷却件包括冷却基体与冷却凸台；所述冷却基体与冷却凸台形成台阶状结构，通过通孔与支撑件固定连接；
所述支撑件与冷却件的材质不同。
本发明使支撑件与冷却间的材质不同，并通过结构的设置，使冷却件发挥冷却靶材的功能，且支撑件发挥支撑冷却件的功能，通过支撑件与冷却件的配合，能够使靶材背板具有极好的支撑强度，又具备良好的导热性能，且成本较低。
优选地，所述支撑件的材质包括合金钢和/或碳素钢。
优选地，所述冷却件的材质包括铜或铜合金。
本发明采用强度较高的合金钢和/或碳素钢作为支撑件的材质，使最终所得靶材背板具有足够的使用强度；采用具有良好散热性能的铜或铜合金作为冷却件的材质，使最终所得靶材背板具有足够的散热性能，有利于提高磁控溅射的镀膜均匀性。
优选地，所述冷却凸台的顶面与凹槽结构的底面平齐。
本发明所述通孔的内径与冷却凸台的直径相等。
优选地，所述冷却凸台的厚度为1-3mm，例如可以是1mm、1.5mm、2mm、2.5mm或3mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述冷却基体与凹槽结构的重合宽度为0.4-0.6mm，例如可以是0.4mm、0.45mm、0.5mm、0.55mm或0.6mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
第二方面，本发明提供了一种如第一方面所述靶材背板的制造方法，所述制造方法包括如下步骤：
(1)冷却件与安装模块装配，安装模块与冷却件的形状匹配；
(2)使用盖板将与安装模块装配后的冷却件进行密封，形成包套结构，抽真空后进行焊接；
(3)完成焊接后，机加工去除盖板以及安装模块的端面，使冷却件中的冷区凸台暴露，形成所述靶材背板。
本发明所述安装模块经过机加工后形成支撑件，可以将安装模块视为具有端面的支撑件，通过常规机加工手段去除端面后，使冷区凸台暴露，得到第一方面所述结构的靶材背板。
通过本发明提供的制备方法，能够使支撑件与冷却件结合紧密，用于磁控溅射时，具有较长的使用寿命。
优选地，步骤(2)所述盖板的材质与安装模块相同。
优选地，所述盖板的材质包括合金钢和/或碳素钢。
优选地，步骤(2)所述抽真空为使包套结构内的真空度<0.1Pa。
优选地，步骤(2)所述焊接包括热等静压。
优选地，所述热等静压的温度为200-800℃，例如可以是200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃、700℃、750℃或800℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用，优选为400-600℃。
优选地，所述热等静压的压力为100-150MPa，例如可以是100MPa、110MPa、120MPa、130MPa、140MPa或150MPa，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述热等静压的时间为1-5h，例如可以是1h、2h、3h、4h或5h，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述热等静压之前进行冷等静压。
通过热等静压之前进行冷等静压，能够进一步提升支撑件与冷却件的连接强度，且能够降低焊接过程中冷却件的变形度，进而有利于高磁控溅射的镀膜致密度。
优选地，所述冷等静压的压力为210-240MPa，例如可以是210MPa、215MPa、220MPa、225MPa、230MPa、235MPa或240MPa，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述冷等静压的时间为10-30min，例如可以是10min、15min、20min、25min或30min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(3)所述机加工包括：安装模块的内壁与冷却基体形成0.3-0.5mm的间隙，例如可以是0.3mm、0.4mm或0.5mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明通过机加工时，使安装模块的内壁与冷却基体形成0.3-0.5mm的间隙，减少了使用过程中温度变化对使用寿命的不利影响，保证了靶材背板的使用寿命。
作为第二方面所述制造方法的优选技术方案，所述制造方法包括如下步骤：
(1)冷却件与安装模块装配，安装模块与冷却件的形状匹配；
(2)使用盖板将与安装模块装配后的冷却件进行密封，形成包套结构，抽真空至真空度<0.1Pa后进行焊接；所述盖板的材质与安装模块相同，均为合金钢和/或碳素钢；
所述焊接包括依次进行的冷等静压与热等静压；所述冷等静压的压力为210-240MPa，时间为10-30min；所述热等静压的温度为200-800℃，压力为100-150MPa，时间为1-5h；
(3)完成焊接后，机加工去除盖板以及安装模块的端面，使冷却件中的冷区凸台暴露，并使安装模块的内壁与冷却基体形成0.3-0.5mm的间隙，形成所述靶材背板。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明使支撑件与冷却件的材质不同，并通过结构的设置，使冷却件发挥冷却靶材的功能，且支撑件发挥支撑冷却件的功能，通过支撑件与冷却件的配合，能够使靶材背板具有极好的支撑强度，又具备良好的导热性能，且成本较低；
(2)通过本发明提供的制备方法，能够使支撑件与冷却件结合紧密，用于磁控溅射时，具有较长的使用寿命，有利于提高磁控溅射的镀膜均匀性。
附图说明
图1为本发明提供的靶材背板的结构示意图；
图2为冷却件与安装模块的装配示意图；
图3为包套结构的结构示意图。
其中：1，支撑件；2，冷却件；3，安装模块；4，盖板。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供了一种如图1所示的靶材背板，所述靶材背板包括支撑件1与冷却件2；
所述支撑件1为凹槽结构，凹槽结构的底面设置有通孔，通孔的直径小于凹槽结构的底面直径；
所述冷却件2包括冷却基体与冷却凸台；所述冷却基体与冷却凸台形成台阶状结构，通过通孔与支撑件1固定连接；
所述支撑件1的材质为碳素钢；所述冷却件2的材质为铜。
所述冷却凸台的顶面与凹槽结构的底面平齐，其中冷却凸台的厚度为2mm，冷却基体与凹槽结构的重合宽度为0.5mm；所述支撑件1的内壁与冷却基体形成0.4mm的间隙；
所述靶材背板的制造方法包括如下步骤：
(1)冷却件2与安装模块3装配(参见图2)，安装模块3与冷却件2的形状匹配；
(2)使用盖板4将与安装模块3装配后的冷却件2进行密封，形成包套结构(参见图3)，抽真空至真空度<0.1Pa后进行焊接；所述盖板4的材质与安装模块3相同，均为碳素钢；
所述焊接为热等静压；所述热等静压的温度为500℃，压力为130MPa，时间为3h；
(3)完成焊接后，机加工去除盖板4以及安装模块3的端面，使冷却件2中的冷区凸台暴露，并使安装模块3的内壁与冷却基体形成0.4mm的间隙，形成所述靶材背板。
实施例2
本实施例提供了一种如图1所示的靶材背板，所述靶材背板包括支撑件1与冷却件2；
所述支撑件1为凹槽结构，凹槽结构的底面设置有通孔，通孔的直径小于凹槽结构的底面直径；
所述冷却件2包括冷却基体与冷却凸台；所述冷却基体与冷却凸台形成台阶状结构，通过通孔与支撑件1固定连接；
所述支撑件1的材质为碳素钢；所述冷却件2的材质为铜。
所述冷却凸台的顶面与凹槽结构的底面平齐，其中冷却凸台的厚度为1.5mm，冷却基体与凹槽结构的重合宽度为0.55mm；所述支撑件1的内壁与冷却基体形成0.35mm的间隙；
所述靶材背板的制造方法包括如下步骤：
(1)冷却件2与安装模块3装配(参见图2)，安装模块3与冷却件2的形状匹配；
(2)使用盖板4将与安装模块3装配后的冷却件2进行密封，形成包套结构(参见图3)，抽真空至真空度<0.1Pa后进行焊接；所述盖板4的材质与安装模块3相同，均为碳素钢；
所述焊接为热等静压；所述热等静压的温度为400℃，压力为120MPa，时间为4h；
(3)完成焊接后，机加工去除盖板4以及安装模块3的端面，使冷却件2中的冷区凸台暴露，并使安装模块3的内壁与冷却基体形成0.35mm的间隙，形成所述靶材背板。
实施例3
本实施例提供了一种如图1所示的靶材背板，所述靶材背板包括支撑件1与冷却件2；
所述支撑件1为凹槽结构，凹槽结构的底面设置有通孔，通孔的直径小于凹槽结构的底面直径；
所述冷却件2包括冷却基体与冷却凸台；所述冷却基体与冷却凸台形成台阶状结构，通过通孔与支撑件1固定连接；
所述支撑件1的材质为碳素钢；所述冷却件2的材质为铜。
所述冷却凸台的顶面与凹槽结构的底面平齐，其中冷却凸台的厚度为2.5mm，冷却基体与凹槽结构的重合宽度为0.45mm；所述支撑件1的内壁与冷却基体形成0.45mm的间隙；
所述靶材背板的制造方法包括如下步骤：
(1)冷却件2与安装模块3装配(参见图2)，安装模块3与冷却件2的形状匹配；
(2)使用盖板4将与安装模块3装配后的冷却件2进行密封，形成包套结构(参见图3)，抽真空至真空度<0.1Pa后进行焊接；所述盖板4的材质与安装模块3相同，均为碳素钢；
所述焊接为热等静压；所述热等静压的温度为600℃，压力为140MPa，时间为2h；
(3)完成焊接后，机加工去除盖板4以及安装模块3的端面，使冷却件2中的冷区凸台暴露，并使安装模块3的内壁与冷却基体形成0.45mm的间隙，形成所述靶材背板。
实施例4
本实施例提供了一种如图1所示的靶材背板，所述靶材背板包括支撑件1与冷却件2；
所述支撑件1为凹槽结构，凹槽结构的底面设置有通孔，通孔的直径小于凹槽结构的底面直径；
所述冷却件2包括冷却基体与冷却凸台；所述冷却基体与冷却凸台形成台阶状结构，通过通孔与支撑件1固定连接；
所述支撑件1的材质为碳素钢；所述冷却件2的材质为铜。
所述冷却凸台的顶面与凹槽结构的底面平齐，其中冷却凸台的厚度为1mm，冷却基体与凹槽结构的重合宽度为0.6mm；所述支撑件1的内壁与冷却基体形成0.3mm的间隙；
所述靶材背板的制造方法包括如下步骤：
(1)冷却件2与安装模块3装配(参见图2)，安装模块3与冷却件2的形状匹配；
(2)使用盖板4将与安装模块3装配后的冷却件2进行密封，形成包套结构(参见图3)，抽真空至真空度<0.1Pa后进行焊接；所述盖板4的材质与安装模块3相同，均为碳素钢；
所述焊接为热等静压；所述热等静压的温度为200℃，压力为100MPa，时间为5h；
(3)完成焊接后，机加工去除盖板4以及安装模块3的端面，使冷却件2中的冷区凸台暴露，并使安装模块3的内壁与冷却基体形成0.3mm的间隙，形成所述靶材背板。
实施例5
本实施例提供了一种如图1所示的靶材背板，所述靶材背板包括支撑件1与冷却件2；
所述支撑件1为凹槽结构，凹槽结构的底面设置有通孔，通孔的直径小于凹槽结构的底面直径；
所述冷却件2包括冷却基体与冷却凸台；所述冷却基体与冷却凸台形成台阶状结构，通过通孔与支撑件1固定连接；
所述支撑件1的材质为碳素钢；所述冷却件2的材质为铜。
所述冷却凸台的顶面与凹槽结构的底面平齐，其中冷却凸台的厚度为3mm，冷却基体与凹槽结构的重合宽度为0.4mm；所述支撑件1的内壁与冷却基体形成0.5mm的间隙；
所述靶材背板的制造方法包括如下步骤：
(1)冷却件2与安装模块3装配(参见图2)，安装模块3与冷却件2的形状匹配；
(2)使用盖板4将与安装模块3装配后的冷却件2进行密封，形成包套结构(参见图3)，抽真空至真空度<0.1Pa后进行焊接；所述盖板4的材质与安装模块3相同，均为碳素钢；
所述焊接为热等静压；所述热等静压的温度为800℃，压力为150MPa，时间为1h；
(3)完成焊接后，机加工去除盖板4以及安装模块3的端面，使冷却件2中的冷区凸台暴露，并使安装模块3的内壁与冷却基体形成0.5mm的间隙，形成所述靶材背板。
实施例6
本实施例提供了一种如图1所示的靶材背板，所述靶材背板包括支撑件1与冷却件2；
所述支撑件1为凹槽结构，凹槽结构的底面设置有通孔，通孔的直径小于凹槽结构的底面直径；
所述冷却件2包括冷却基体与冷却凸台；所述冷却基体与冷却凸台形成台阶状结构，通过通孔与支撑件1固定连接；
所述支撑件1的材质为碳素钢；所述冷却件2的材质为铜。
所述冷却凸台的顶面与凹槽结构的底面平齐，其中冷却凸台的厚度为2mm，冷却基体与凹槽结构的重合宽度为0.5mm；所述支撑件1的内壁与冷却基体形成0.4mm的间隙；
所述靶材背板的制造方法包括如下步骤：
(1)冷却件2与安装模块3装配(参见图2)，安装模块3与冷却件2的形状匹配；
(2)使用盖板4将与安装模块3装配后的冷却件2进行密封，形成包套结构(参见图3)，抽真空至真空度<0.1Pa后进行焊接；所述盖板4的材质与安装模块3相同，均为碳素钢；
所述焊接包括依次进行的冷等静压与热等静压；所述冷等静压的压力为225MPa，时间为20min；所述热等静压的温度为500℃，压力为130MPa，时间为3h；
(3)完成焊接后，机加工去除盖板4以及安装模块3的端面，使冷却件2中的冷区凸台暴露，并使安装模块3的内壁与冷却基体形成0.4mm的间隙，形成所述靶材背板。
实施例7
本实施例提供了一种如图1所示的靶材背板，除冷等静压的压力为210MPa，时间为30min外，其余均与实施例6相同。
实施例8
本实施例提供了一种如图1所示的靶材背板，除冷等静压的压力为240MPa，时间为10min外，其余均与实施例6相同。
对比例1
本对比例提供了一种靶材背板，除支撑件1与冷却件2的材质均为碳素钢外，其余均与实施例1相同。
由于碳素钢的导热性能不佳，对比例提供的靶材背板无法满足磁控溅射的导热要求。
对比例2
本对比例提供了一种靶材背板，除支撑件1与冷却件2的材质均为铜外，其余均与实施例1相同。
虽然铜的导热性能较好，但铜的成本较高，不利于降低靶材背板的使用成本。
对实施例1-8以及对比例1-2提供的靶材背板于机械加工前的弯曲变形量进行检测，弯曲变形量的检测方法为采用直角尺进行检测，弯曲变形量越小，靶材背板与靶材的焊接结合率越高，越有利于其长时间使用，测试结果如表1所示。
表1
对实施例1-8以及对比例1-2提供的靶材背板与铜靶材进行热等静压焊接，温度为240℃，压强为120MPa，时间为6h，测定靶材背板与铜靶材的焊接强度。焊接强度的检测方法为：用压力机的外力将靶材和背板的焊接处拉开，根据所需的力合焊接面积计算焊接强度，所得结果如表2所示。
表2
综上所述，本发明使支撑件与冷却件的材质不同，并通过结构的设置，使冷却件发挥冷却靶材的功能，且支撑件发挥支撑冷却件的功能，通过支撑件与冷却件的配合，能够使靶材背板具有极好的支撑强度，又具备良好的导热性能，且成本较低；通过本发明提供的制备方法，能够使支撑件与冷却件结合紧密，用于磁控溅射时，具有较长的使用寿命，有利于提高磁控溅射的镀膜均匀性。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种靶材背板，其特征在于，所述靶材背板包括支撑件与冷却件；
所述支撑件为凹槽结构，凹槽结构的底面设置有通孔，通孔的直径小于凹槽结构的底面直径；
所述冷却件包括冷却基体与冷却凸台；所述冷却基体与冷却凸台形成台阶状结构，通过通孔与支撑件固定连接；
所述支撑件与冷却件的材质不同。
2.根据权利要求1所述的靶材背板，其特征在于，所述支撑件的材质包括合金钢和/或碳素钢；
优选地，所述冷却件的材质包括铜或铜合金。
3.根据权利要求1或2所述的靶材背板，其特征在于，所述冷却凸台的顶面与凹槽结构的底面平齐；
优选地，所述冷却凸台的厚度为1-3mm；
优选地，所述冷却基体与凹槽结构的重合宽度为0.4-0.6mm。
4.一种如权利要求1-3任一项所述靶材背板的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括如下步骤：
(1)冷却件与安装模块装配，安装模块与冷却件的形状匹配；
(2)使用盖板将与安装模块装配后的冷却件进行密封，形成包套结构，抽真空后进行焊接；
(3)完成焊接后，机加工去除盖板以及安装模块的端面，使冷却件中的冷区凸台暴露，形成所述靶材背板。
5.根据权利要求4所述的制造方法，其特征在于，步骤(2)所述盖板的材质与安装模块相同；
优选地，所述盖板的材质包括合金钢和/或碳素钢。
6.根据权利要求4或5所述的制造方法，其特征在于，步骤(2)所述抽真空为使包套结构内的真空度<0.1Pa。
7.根据权利要求4-6任一项所述的制造方法，其特征在于，步骤(2)所述焊接包括热等静压；
优选地，所述热等静压的温度为200-800℃，优选为400-600℃；
优选地，所述热等静压的压力为100-150MPa；
优选地，所述热等静压的时间为1-5h。
8.根据权利要求7所述的制造方法，其特征在于，所述热等静压之前进行冷等静压；
优选地，所述冷等静压的压力为210-240MPa；
优选地，所述冷等静压的时间为10-30min。
9.根据权利要求4-8任一项所述的制造方法，其特征在于，步骤(3)所述机加工包括：安装模块的内壁与冷却基体形成0.3-0.5mm的间隙。
10.根据权利要求4-9任一项所述的制造方法，其特征在于，所述制造方法包括如下步骤：
(1)冷却件与安装模块装配，安装模块与冷却件的形状匹配；
(2)使用盖板将与安装模块装配后的冷却件进行密封，形成包套结构，抽真空至真空度<0.1Pa后进行焊接；所述盖板的材质与安装模块相同，均为合金钢和/或碳素钢；
所述焊接包括依次进行的冷等静压与热等静压；所述冷等静压的压力为210-240MPa，时间为10-30min；所述热等静压的温度为200-800℃，压力为100-150MPa，时间为1-5h；
(3)完成焊接后，机加工去除盖板以及安装模块的端面，使冷却件中的冷区凸台暴露，并使安装模块的内壁与冷却基体形成0.3-0.5mm的间隙，形成所述靶材背板。
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