靶材组件及其制作方法与流程

1.本发明属于半导体设备技术领域，具体涉及一种靶材组件及其制作方法。


背景技术：

2.在半导体、电子设备等的制造中，用于薄膜形成的铝、铝合金溅射靶通过与由铝合金制成的背板接合来使用。
3.溅射靶与背板接合采用热等静压(hip)扩散接合，但hip扩散接合需要插入ni等接合材料，并且hip扩散接合需要进行装罐、脱气等预处理，生产效率低，成本非常高，溅射靶的使用寿命短。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是针对现有技术中存在的上述不足，提供一种靶材组件及其制作方法，大大延长了靶材组件的使用寿命。
5.解决本发明技术问题所采用的技术方案是提供一种靶材组件，包括：靶材和背板，背板设置于靶材的外围，靶材与背板通过焊接的方法接合，靶材的溅射面相对于背板的前端表面凸出，靶材的溅射面更靠近靶材所在的溅射腔体的内部。
6.优选的是，靶材包括：靶材主体、与靶材主体连接的凹部，凹部设置于靶材边缘的背面，靶材边缘的背面为相对于靶材边缘的溅射面的一面，背板包括：背板主体、与背板主体连接的凸部，凸部设置于背板边缘的正面，相对于背板边缘的背面，背板边缘的正面更靠近背板所在的溅射腔体的内部，凸部设置于凹部内。
7.优选的是，凸部与凹部形状相适配。
8.优选的是，凸部包括朝内方向的第一侧面，凹部包括朝外方向的第二侧面，第一侧面与第二侧面相贴合，第一侧面与第二侧面沿着与靶材轴向垂直的方向上的长度相同，该长度为0.1～3mm。
9.优选的是，靶材的厚度为20～30mm。
10.优选的是，靶材的材质为纯铝、铝铜合金、铝硅合金、铜硅铝合金中的任意一种；
11.背板的材质为a5000系列铝、a6000系列铝、a2000系列铝中的任意一种。
12.优选的是，所述的靶材组件还包括：连接件，背板通过连接件与其所在的溅射腔室的腔室壁连接。
13.优选的是，所述的靶材组件还包括：接地屏蔽，接地屏蔽分别与背板、靶材接触连接，接地屏蔽通过连接件与其所在的溅射腔体连接。
14.优选的是，靶材的厚度比背板的厚度厚。
15.本发明还提供一种上述的靶材组件的制作方法，包括以下步骤：
16.将靶材的外围与背板接合，使得背板位于靶材的外围，将焊接用钻头从靶材外围与背板的接合中心线向背板侧偏移预设的距离，将靶材的外围与背板进行焊接接合。
17.优选的是，焊接温度为350～550℃。
18.优选的是，焊接用钻头从接合中心线向背板侧偏移预设的距离为0.1～3mm。
19.优选的是，靶材与背板进行焊接的焊接方法为搅拌摩擦焊。
20.优选的是，焊接用钻头旋转速度为1,000至2,500rpm，进给速率为50至300mm/min。
21.本发明中的靶材组件及其制作方法，通过将背板设置于靶材的外围，由于背板没有在靶材的背面进行占位，溅射范围的厚度全部由靶材构成，所以间接使得靶材自身可以设置更厚的厚度，延长了靶材自身的使用寿命，因此与以往产品相比，能够将综合功率延长至寿命末期，实现靶材组件的长寿命化。
附图说明
22.图1是本发明实施例2中的靶材组件的结构示意图；
23.图2是本发明实施例3中通过超声波探伤试验检测到的靶材和背板焊接的接合界面处的间隙图；
24.图3是本发明实施例8中的靶材组件的结构示意图；
25.图4是本发明实施例8中的溅射掉部分靶材的靶材组件的结构示意图；
26.图5是本发明实施例8中的靶材组件的结构示意图。
27.图中：1
‑
靶材；11
‑
靶材主体；12
‑
凹部；2
‑
背板；21
‑
背板主体；22
‑
凸部；3
‑
第一侧面；4
‑
第二侧面；5
‑
溅射掉的靶材；6
‑
法兰；7
‑
第一螺栓；8
‑
第二螺栓；9
‑
接地屏蔽。
具体实施方式
28.为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。
29.下面详细描述本专利的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本专利，而不能理解为对本专利的限制。
30.实施例1
31.本实施例提供一种靶材组件，包括：靶材和背板，背板设置于靶材的外围，靶材的溅射面相对于背板的前端表面凸出，靶材的溅射面更靠近靶材所在的溅射腔体的内部。
32.本实施例还提供一种上述的靶材组件的制作方法，包括以下步骤：
33.将靶材的外围与背板接合，使得背板位于靶材的外围，将焊接用钻头从靶材外围与背板的接合中心线向背板侧偏移预设的距离，将靶材的外围与背板进行焊接接合。
34.本实施例中的靶材组件及其制作方法，通过将背板设置于靶材的外围，由于背板没有在靶材的背面进行占位，溅射范围的厚度全部由靶材构成，所以间接使得靶材自身可以设置更厚的厚度，延长了靶材自身的使用寿命，因此与以往产品相比，能够将综合功率延长至寿命末期，实现靶材组件的长寿命化。
35.实施例2
36.如图1所示，本实施例提供一种靶材组件，包括：靶材1和背板2，背板2设置于靶材1的外围，靶材1与背板2通过焊接的方法接合，靶材1的溅射面相对于背板2的前端表面凸出，靶材1的溅射面更靠近靶材1所在的溅射腔体的内部。
37.由于靶材1的溅射面相对于背板2的前端表面凸出，所以等离子体主要轰击靶材1
的溅射面，减少了对于背板2的损伤。
38.优选的是，靶材1包括：靶材主体11、与靶材主体11连接的凹部12，凹部12设置于靶材1边缘的背面，靶材1边缘的背面为相对于靶材1边缘的溅射面的一面，背板2包括：背板主体21、与背板主体21连接的凸部22，凸部22设置于背板2边缘的正面，相对于背板2边缘的背面，背板2边缘的正面更靠近背板2所在的溅射腔体的内部，凸部22设置于凹部12内。
39.优选的是，凸部22与凹部12形状相适配。
40.优选的是，凸部22包括朝内方向的第一侧面3，凹部12包括朝外方向的第二侧面4，第一侧面3与第二侧面4相贴合，第一侧面3与第二侧面4沿着与靶材1轴向垂直的方向上的长度x相同，该长度x为0.1～3mm。
41.在靶材1的一面与背板2的接合线进行焊接时，有效防止靶材1的另外一面与背板2接合线处的焊缝开裂。
42.具体的，本实施例中的第一侧面3与第二侧面4沿着与靶材1轴向垂直的方向上的长度x为1.5mm。
43.优选的是，靶材1的厚度为20～30mm。
44.具体的，本实施例中的靶材1的厚度为30mm。
45.优选的是，靶材1的材质为纯铝、铝铜合金、铝硅合金、铜硅铝合金中的任意一种；
46.背板2的材质为a5000系列铝、a6000系列铝、a2000系列铝中的任意一种。
47.优选的是，靶材1的厚度比背板2的厚度厚，不仅靶材1厚度增加延长靶材组件的使用寿命，而且节约了背板2的用料。
48.需要说明的是，在溅射范围内的靶材1厚度方向上，本实施例中的靶材1的材质为铜硅铝合金，靶材1由纯度为4n5以上的含si、cu添加元素的铝靶材1组成。靶材1与背板2为异种材料。
49.本实施例还提供一种上述的靶材组件的制作方法，包括以下步骤：
50.1)靶材1(tg)材料为al
‑
cu合金，背板2(bp)材料为a6061合金，分别将靶材1、背板2固定在专用夹具上，将靶材1的外围与背板2接合，使得背板2位于靶材1的外围，将两者之间的接缝间隙调整到0.2mm以下。
51.2)将搅拌摩擦焊(fsw)搅拌工具的钻头对准接合中心线，向背板2侧偏移预设的距离为1mm，插入深度为17mm，倾斜角为3
°
，转速为1600rpm。钻头向背板2侧偏移，可以减少熔化的背板2材料进入到熔化的靶材1材料内部，增加了溅射靶材1的纯度，提高了后续靶材1使用的溅射工艺的稳定性。
52.3)将fsw搅拌工具插入接缝材料后，在该位置保持5秒，待焊接接缝温度超过500℃后开始运动。
53.4)移动靶材1和背板2，使fsw搅拌工具的移动速度对应150mm/min，开始接合。
54.5)钻头从起点旋转360
°
后，在接缝线上重叠30mm以上，移至成品外侧，拔出fsw搅拌工具，得到靶材组件。
55.优选的是，焊接工序从靶材1的溅射面、背面或两侧进行。
56.fsw焊具有固相焊的特点，不需要加罐、脱气等预处理，在空气中对准后即可立即开始，其提高生产率和降低成本是hip扩散焊接的两倍以上。
57.相对钻头的前进方向，钻头的旋转方向设为逆时针方向。
58.靶材1和背板2接合后，将焊接处正反面切割去除1.0mm，进行超声波探伤试验(c
‑
scan)，确认fsw接合处未检测到接合缺陷。
59.靶材1和背板2接合和c
‑
scan后，再将焊接处的正反面切割去除1.3mm，对靶材1和背板2的接合界面进行氦泄漏试验，在内部充满he气，进行检漏，确认在1e
‑
10pa
·
m3/s以下的灵敏度，未检测出泄漏。
60.本实施例中的靶材组件及其制作方法，通过将背板2设置于靶材1的外围，由于背板2没有在靶材1的背面进行占位，溅射范围的厚度全部由靶材1构成，所以间接使得靶材1自身可以设置更厚的厚度，延长了靶材1自身的使用寿命，因此与以往产品相比，能够将综合功率延长至寿命末期，实现靶材组件的长寿命化。
61.实施例3
62.本实施例提供一种靶材组件，与实施例2中的靶材组件的区别为：
63.本实施例中的第一侧面与第二侧面沿着与靶材轴向垂直的方向上的长度x为3mm。
64.本实施例中的靶材的厚度为20mm。
65.本实施例还提供一种上述的靶材组件的制作方法，包括以下步骤：
66.1)靶材(tg)材料为al
‑
cu合金，背板(bp)材料为a6061合金，分别将靶材、背板固定在专用夹具上，将靶材的外围与背板接合，使得背板位于靶材的外围，将两者之间的接缝间隙调整到0.2mm以下。
67.2)将搅拌摩擦焊(fsw)搅拌工具的钻头对准接合中心线，向背板侧偏移预设的距离为1mm，插入深度为17mm，倾斜角为3
°
，转速为800rpm。
68.3)将fsw搅拌工具插入接缝材料后，在该位置保持5秒，待焊接接缝温度超过500℃后开始运动。
69.4)移动靶材和背板，使fsw搅拌工具的移动速度对应100mm/min，开始接合。
70.5)钻头从起点旋转360
°
后，在接缝线上重叠30mm以上，移至成品外侧，拔出fsw搅拌工具，得到靶材组件。
71.如图2所示，靶材和背板接合后，将焊接处正反面切割去除1.0mm，进行超声波探伤试验(c
‑
scan)，检测出fsw接合部的接合缺陷。
72.靶材和背板接合和c
‑
scan后，再将焊接处的正反面切割去除1.3mm，进行氦泄漏试验，在内部充满he气，进行检漏，确认在1e
‑
10pa
·
m3/s以下的灵敏度，检测出泄漏。泄漏处的断面上发生了空洞缺陷和未接合缺陷，这被认为是由于钻头转速低。
73.由图2可以看出，在氦泄漏试验中检测出泄漏，在靶材和背板焊接的接合界面处可以看到间隙。
74.实施例4
75.本实施例提供一种靶材组件，与实施例2中的靶材组件的区别为：
76.本实施例中的第一侧面与第二侧面沿着与靶材轴向垂直的方向上的长度x为0.1mm。
77.本实施例中的靶材的厚度为24mm。
78.本实施例还提供一种上述的靶材组件的制作方法，包括以下步骤：
79.1)靶材(tg)材料为al
‑
cu合金，背板(bp)材料为a6061合金，分别将靶材、背板固定在专用夹具上，将靶材的外围与背板接合，使得背板位于靶材的外围，将两者之间的接缝间
隙调整到0.2mm以下。
80.2)将搅拌摩擦焊(fsw)搅拌工具的钻头对准接合中心线，向背板侧偏移预设的距离为1mm，插入深度为17mm，倾斜角为3
°
，转速为2000rpm。
81.3)将fsw搅拌工具插入接缝材料后，在该位置保持5秒，待焊接接缝温度超过500℃后开始运动。
82.4)移动靶材和背板，使fsw搅拌工具的移动速度对应200mm/min，开始接合。
83.5)钻头从起点旋转360
°
后，在接缝线上重叠30mm以上，移至成品外侧，拔出fsw搅拌工具，得到靶材组件。
84.靶材和背板接合后，将焊接处正反面切割去除1.0mm，进行超声波探伤试验(c
‑
scan)，确认fsw接合处未检测到接合缺陷。
85.靶材和背板接合和c
‑
scan后，再将焊接处的正反面切割去除1.3mm，对靶材和背板的接合界面进行氦泄漏试验，在内部充满he气，进行检漏，确认在1e
‑
10pa
·
m3/s以下的灵敏度，未检测出泄漏。
86.实施例5
87.本实施例提供一种靶材组件，与实施例2中的靶材组件的区别为：
88.靶材的材质为纯铝。
89.背板的材质为a5000系列铝。
90.本实施例提供一种上述靶材组件的制作方法，与实施例2中的靶材组件的制作方法的区别为：
91.步骤2)中将搅拌摩擦焊(fsw)搅拌工具的钻头对准接合中心线，向背板侧偏移预设的距离为0.1mm，转速为1000rpm。
92.步骤3)中将fsw搅拌工具插入接缝材料后，在该位置保持5秒，待焊接接缝温度为350℃后开始运动。
93.步骤4)中移动靶材和背板，使fsw搅拌工具的移动速度对应50mm/min，开始接合。
94.实施例6
95.本实施例提供一种靶材组件，与实施例2中的靶材组件的区别为：
96.靶材的材质为铝硅合金。
97.背板的材质为a6000系列铝。
98.本实施例提供一种上述靶材组件的制作方法，与实施例2中的靶材组件的制作方法的区别为：
99.步骤2)中将搅拌摩擦焊(fsw)搅拌工具的钻头对准接合中心线，向背板侧偏移预设的距离为3mm，转速为2500rpm。
100.步骤3)中将fsw搅拌工具插入接缝材料后，在该位置保持5秒，待焊接接缝温度为400℃后开始运动。
101.步骤4)中移动靶材和背板，使fsw搅拌工具的移动速度对应300mm/min，开始接合。
102.实施例7
103.本实施例提供一种靶材组件，与实施例2中的靶材组件的区别为：
104.靶材的材质为铜硅铝合金。
105.背板的材质为a2000系列铝。
106.本实施例提供一种上述靶材组件的制作方法，与实施例2中的靶材组件的制作方法的区别为：
107.步骤2)中将搅拌摩擦焊(fsw)搅拌工具的钻头对准接合中心线，向背板侧偏移预设的距离为2mm，转速为2200rpm。
108.步骤3)中将fsw搅拌工具插入接缝材料后，在该位置保持5秒，待焊接接缝温度为520℃后开始运动。
109.步骤4)中移动靶材和背板，使fsw搅拌工具的移动速度对应200mm/min，开始接合。
110.实施例8
111.如图3所示，本实施例提供一种靶材组件，与实施例2中的靶材组件的区别为：
112.靶材1不包括凸部22，背板2不包括凹部12，靶材1外围与背板2仅通过一个曲面贴合。
113.由图4可以看出溅射掉的靶材5，靶材1的厚度明显增加，通过将背板2设置于靶材1的外围，由于背板2没有在靶材1的背面进行占位，溅射范围的厚度全部由靶材1构成，所以间接使得靶材1自身可以设置更厚的厚度，延长了靶材1自身的使用寿命，因此与以往产品相比，能够将综合功率延长至寿命末期，实现靶材组件的长寿命化。
114.优选的是，所述的靶材组件还包括：连接件，背板2通过连接件与其所在的溅射腔室的腔室壁连接。具体的，本实施例中的连接件为法兰6。
115.优选的是，所述的靶材组件还包括：接地屏蔽9，接地屏蔽9分别与背板2、靶材1接触连接，接地屏蔽9通过连接件与其所在的溅射腔体连接。
116.如图5所示，具体的，本实施例中将靶材组件中的背板2通过法兰6与其所在的溅射腔室的腔室壁连接，背板2通过第一螺栓7与法兰6连接，法兰6由传统材料制成，不会引起安装问题。具体的，本实施例中的法兰6由铝合金制成。接地屏蔽9通过第二螺栓8与法兰6连接。
117.可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。