专利名称：一种靶材的加工方法
技术领域：
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及靶材的加工方法。
背景技术：
溅射是物理气相沉积(PVD)技术的一种，目前常用来进行薄膜沉积。具体过程是以一定能量的粒子轰击固体表面，使固体近表面的离子能够获得足够的能量而最终逸出固体，在溅射过程中，被轰击的固体材料称为靶材。靶材由靶材坯料(Target Blank)和支撑靶材坯料的背板(Backing Plate)组成。实际生产中为了满足溅射镀膜的需要，常通过将靶材分割成多个靶材小片，即分割靶材，于背板上进行接合，从而制造溅射靶材。专利申请号为200880001823. 9的专利申请文件中就公开了一种此类由分割靶材构成的溅射靶。图1是一种现有的扇形分割靶材的正面示意图。所述分割靶材包括平面11、斜面 12、固定孔13和凹槽14。图3是图1沿A-A线的的剖视图。结合图1和图3可以看出，凹槽14位于平面11上，所述凹槽14有多个，与靶材同心，各凹槽14形状、尺寸相同，且间距相同。图2是图1中分割靶材的反面示意图，包括平面21和斜面22。现有技术中三片所述分割靶材接合组成一个完整的圆形靶材，主要的加工方法包括以下步骤首先提供方形坯料， 按扇形分割靶材图纸下料；粗铣平面11和平面21 ；铣扇形四周轮廓；精铣平面11、斜面12 ； 加工固定孔13 ；铣斜面22 ；攻螺纹后得到一片扇形分割靶材；重复上述加工步骤获得三片扇形分割靶材；三片扇形分割靶材装配合一枚靶材，精车形成平面11上的凹槽14。上述现有技术的加工方法存在以下问题1.工序复杂，耗时过久；2.毛坯尺寸大，浪费原材料；3.每片分割靶材加工工序不集中，需要多次装夹，而且在重复装夹时定位精度不高，增加产品的累积公差；4.机械加工时，主轴高速旋转，靠定位夹具装夹的靶材容易松动和移位，造成产品尺寸精度不高，装配困难，且表面凹槽一致性差，影响靶材的溅射效果；5.产品在高速旋转加工中的不连续加工，车刀的涂层刀片容易坑刀或者崩裂，造成刀片的报废，以及产品表面产生积屑瘤，影响产品表面的质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种新的靶材加工方法，缩短工序，节约材料，并保证靶材的尺寸精度、表面粗糙度以及凹槽表面纹路的一致性和均勻性，以满足半导体靶材溅射要求。为解决上述问题，本发明提供一种靶材的加工方法，提供靶材坯料；对所述靶材坯料按目标靶材的形状进行下料，所述目标靶材为多个分割靶材装配组成的靶材；对下料后的靶材坯料进行机械加工，得到半成品靶材；将所述半成品靶材利用线切割进行分割，得到分割靶材。
可选的，所述靶材材料为铜锰合金。可选的，所述机械加工包括以下步骤粗车靶材正反两面；加工固定孔；攻螺纹； 精车靶材溅射面；精车形成靶材溅射面的凹槽。可选的，加工固定孔包括在所述靶材表面形成至少一个固定孔，所述固定孔贯通靶材厚度。可选的，精车形成靶材溅射面的凹槽包括在所述靶材表面形成至少一个凹槽，所述凹槽与靶材呈同心环状。可选的，所述凹槽为多个，各凹槽形状、尺寸相同，所述凹槽间距相同。可选的，所述线切割为慢走丝线切割。可选的，所述慢走丝线切割的参数为0. 18mm的钼丝作为电极丝，工作液的浓度为10%，切割电流为2A，开路电压为60V，脉冲宽度为10 15 μ S，脉冲间隙为7 11 μ S， 功率管为5 6个。可选的，所述靶材加工还包括对所述分割靶材进行抛光处理。可选的，所述分割靶材为扇形靶材时，所述下料作业为圆形下料。可选的，所述分割靶材形状、尺寸相同。可选的，所述分割靶材的圆心角为90 120°。与现有技术相比，本发明具有以下优点采用靶材毛坯，按目标靶材形状下料，与现有技术中采用方形坯料，下料后得到扇形靶材相比，毛坯尺寸合理，节省原材料。下料后再进行机械加工，得到半成品靶材，所述机械加工包括粗车靶材正反两面；加工固定孔； 攻螺纹；精车靶材溅射面；精车形成溅射面的凹槽。与现有技术中的加工方法相比，工序简单，加工效率提高；而且在机械加工时，工序集中，不需要反复装夹，可防止刀片的坑刀或者崩裂，产品的表面也不易产生积削瘤；此外由整块靶材加工凹槽，避免了分割靶材分别加工再装配车床加工凹槽可能导致的尺寸不匹配、精度差的问题，整体加工出来的凹槽一致性好；利用慢走丝线切割进行分割，产品尺寸精度高，表面粗糙度达到溅射要求。
图1是扇形分割靶材的正面示意图；图2是扇形分割靶材的反面示意图；图3是沿图1中A-A线的剖视图；图4是本发明实施例中靶材加工的流程示意图。图5是本发明实施例中靶材机械加工的流程示意图。图6是本发明实施例的一个例子中机械加工后得到的整圆靶材的平面示意图。
具体实施例方式现有技术中，方形毛坯材料经过一系列繁杂的机械加工后，得到一片扇形分割靶材半成品，三片同样加工好的扇形分割靶材半成品装配组合为一枚靶材，再精车加工其表面的凹槽。工序非常复杂，靶材在反复的装夹过程中容易产生累积公差，表面凹槽也难以一致，尺寸精度和表面粗糙度都较难达到溅射靶材的要求。本发明提供一种靶材加工方法，包括先将靶材坯料下料成目标靶材的形状，然后进行一系列的机械加工，得到半成品靶材，后续切割形成分割靶材。下面结合附图对本发明的具体实施方式
做详细的说明。参考图4，本发明实施方式提供一种靶材的加工方法，包括如下步骤步骤Si，提供靶材坯料；步骤S2，对所述靶材坯料按目标靶材的形状进行下料作业，所述目标靶材为多个分割靶材装配组成的靶材；步骤S3，对下料后的靶材坯料进行机械加工，得到半成品靶材；步骤S4，将所述半成品靶材利用线切割进行分割，得到分割靶材。如步骤Sl所述，提供靶材坯料。在本实施方式中，所述靶材的材料可以是高纯度或超高纯度的金属或合金，本实施例中以铜锰合金为例。接着执行步骤S2，对所述靶材坯料进行下料作业，所述目标靶材为多个分割靶材装配组成的靶材。下料方法可以是剪切、气割等。靶材的形状，根据应用环境、溅射设备的实际要求，可以为圆形、矩形、环形、圆锥形或其他类似形状(包括规则形状和不规则形状) 中的任一种。靶材坯料按目标靶材的形状下料，所述目标靶材即多个分割靶材最终装配组合形成的靶材。对比现有技术中的方料扇形下料节省原料，避免了原材料的浪费。接着执行步骤S3，对下料后的靶材坯料进行机械加工，得到半成品靶材。结合图 5所示，所述机械加工包括以下步骤S31粗车靶材正反两面；S32加工固定孔；S33攻螺纹； S34精车靶材溅射面；S35精车形成溅射面的凹槽。首先执行步骤S31，粗车靶材正反两面。经过下料作业获得的靶材仅具有靶材的基本形状和尺寸，进行粗加工，可去除大部分加工余量，获得与实际产品形状、尺寸接近的半成品。接着执行步骤S32加工固定孔。如图6所示，靶材上设有固定孔13，所述固定孔 13贯通靶材厚度。所述固定孔13可以是通孔或螺纹孔；如是通孔的话，可与螺丝和螺母配合；如是螺纹孔的话，可仅与螺丝配合即可实现固定。所述固定孔13的数量与背板上的固定孔匹配。如果上述固定孔13为螺纹孔，则执行步骤S33，攻螺纹。然后执行步骤S34，精车靶材溅射面。经过上一步S31粗车靶材正反面，所述靶材的溅射面已经具有基本的形状和尺寸，此处进一步精加工，去除多余的材料，获得更精确的尺寸及较小表面粗糙度，以满足所述靶材的溅镀需要。然后执行步骤S35，精车形成靶材溅射面上的凹槽。所述凹槽可以是方形槽、V形槽、半圆槽，本实施例中凹槽为V形槽。以形成与现有圆形靶材相同的凹槽结构为例，结合图6和图3所示，靶材溅射面设有至少一个凹槽14。所述凹槽14与靶材呈同心圆环。所述凹槽14的尺寸、数量根据实际溅射需要确定。本实施例中，所述多个凹槽14间距相同。目前加工凹槽所使用的精加工车床的刀具后角一般较小(通常在15度左右)，这样可以防止当车床震动过大时对刀具稳定性的影响，同时也可以延长刀刃的使用寿命。但是，当使用这种刀具加工所述靶材上的凹槽时，由于刀具的后角较小，可能会磨到已加工的表面。尤其在加工V形槽的底部位置时，就会蹭到附近槽壁，从而造成靶材的损伤。因此， 因此，加工凹槽所用刀具应考虑V形槽夹角决定V形槽夹角越大，后角越小，V形槽夹角越小，后角越大。
经过上述一系列机械加工，得到半成品靶材。然后执行步骤S4将所述半成品靶材利用线切割进行分割，得到分割靶材。将半成品靶材装夹到线切割机床上，利用连续移动的金属丝(电极丝)作为电极， 对靶材进行脉冲火花放电切割所述靶材，得到所需的分割靶材。电火花线切割机床通常分为两类，一类是慢走丝线切割机，也称低速走丝电火花线切割机床。电极丝作低速单向运动，工件平稳、均勻、抖动小、加工质量较好，但不适宜加工厚度较大工件。另一类为快走丝线切割机，也称高速往复走丝电火花线切割机床。电极丝作高速往复运动，加工效率高，但是加工精度不高。实际生产中，根据靶材的厚度尺寸以及溅镀的精度需求，可以选择采用慢走丝或者快走丝线切割。在本实施例中，优选慢走丝线切割对靶材进行分割。利用慢走丝线切割对半成品靶材进行分割时，主要的加工参数有电极丝的种类、 直径；切割电流；加工电压；脉冲宽度、脉冲间隔；功率管数等。本实施例中，电极丝为钼丝，钼丝的直径为0. 16 0. 20mm，优选的为0. 18mm。在一定条件下，其他工艺参数不变的情况下，切割电流越大，切割速度越快，但表面粗糙度就越大。这是因为切割电流越大，单个脉冲的能量越大，放电的电痕也就越大，切割速度快，表面粗糙度高。同时在增大切割电流的同时，电极丝的损耗也加大，严重的情况下甚至会发生断丝现象，也会影响加工精度。本实施例中，切割电流为2 2. 5A。加工电压增大时，切割速度和加工的稳定性都有所提高。但是随着加工间隙的增大，加工的精度略有下降。同时加工电压的增大还会使电极丝发生震动，加大电极丝的损耗。本实施例中，加工电压值一般选取60V 150V。脉冲宽度是指脉冲电流的持续时间。脉冲宽度与放电量成正比，当脉冲宽度增大时，切割速度提高，但是电蚀物也随之增加，如果不能及时排除则会使加工不稳定，表面粗糙度也增大。本实施例中，脉冲宽度值通常选取2 60 μ S。脉冲间隙是指两个相邻脉冲之间的时间。脉冲间隙增大，加工稳定但切割速度下降。减小脉冲间隙，可提高切割速度，但对排屑不利，在本实施例中，脉冲间隙可以选为6 15 μ S。线切割时，走丝速度在同一机床上一般是固定的，因此进给速度的调整主要调整工件与电极丝直接的间隙。进给速度要和电蚀速度相协调。在同一固定加工条件下，存在最佳的进给速度，需根据大量实验，确定所述最佳速度，即钼丝的进给速度等于工件实际最大的电刻蚀速度。进给速度过快，容易造成短路和断丝。而进给速度太慢，会发生二次放电， 影响加工表面质量。因此进给速度需和工件被放电的速度相当。功率管对工件的加工效率有较大影响。功率管数一般与工件的材质和厚度有关。 工件厚度大，选择大的功率管数；工件厚度小，则选择小的功率管数。在慢走丝线切割过程中，靶材的材料、厚度；切割面的长度、切割的精度等都会影响加工参数的选择。本实施例中，线切割过程中可以选用合适的线切割工作液。所述线切割工作液由专用乳化油和自来水配制，也可以采用蒸馏水或磁化水与乳化油配制。工作液配制的浓度取决于加工工件的厚度、材质和加工精度要求。从加工工件的厚度来看，加工工件厚度薄， 可以选用浓度稍高一些的工作液；从工件材质来看，易于蚀除的材料，可以适当提高工作液的浓度，以充分利用放电电能，提高加工效率，但同时也应选择较大直径的电极丝进行切割，以利于充分排屑。而从加工精度来看，工作液浓度高，放电间隙小，工件表面粗糙度较好，但是不利于排屑，容易造成短路。总之，在配制工作液时，根据实际加工情况，综合考虑上述因素，在保证排屑顺利、加工稳定的前提下，尽量提高加工表面竞速。在本实施例中，工作液浓度为8% 12%。在本实施例中，为获得较小的表面粗糙度，还可以采用多次切割技术。通过一次切割成形，二次切割提高精度，三次以上切割来提高表面质量。通过多次切割技术可以提高慢走丝线切割的加工精度和靶材表面质量，降低表面粗糙度，以满足溅镀的需要。本实施例中，根据实际需要，所述目标靶材可以分割为尺寸、形状等同的或者不同的分割靶材。优选的，将目标靶材分割为尺寸、形状相同的分割靶材，方便加工、装配。在本实施例中，将目标靶材分割为分割靶材后，还进一步对分割靶材进行抛光，以获得更高的尺寸精度和更小的表面粗糙度。所述抛光的对象可以是分割靶材的溅射面、溅射面上的凹槽底面及侧壁，也可以是分割靶材的分割面中的全部或者部分。根据不同的需要，所述抛光过程可以为手工抛光、电解抛光、等离子电浆抛光或者精密的研磨、喷砂过程， 只要能达到抛光，降低表面粗糙度的效果并符合溅射的要求即可。下面就本实施例中一个较佳的例子进行说明。本实施例中要加工一个圆形靶材，所述靶材的材料为铜锰合金。所述圆形靶材的直径为310mm，厚度为13mm。所述圆形靶材的溅射面上的凹槽为V形槽，所述V形槽如图6所示与靶材呈同心圆环，所述V形槽的夹角为60°，深度为4mm。所述圆形靶材由多片形状、尺寸相同的分割靶材拼接使用。所述分割靶材的圆心角为90 120°，本实施例中较佳的例子为三片分割靶材装配组合成目标圆形靶材，即所述分割靶材的圆心角为120°首先在靶材坯料上进行下料作业，得到尺寸接近的圆形靶材，预留加工余量。将所述靶材固定在数控车床上，粗加工靶材的正反两表面，去除大部分加工余量；接着加工出固定孔，攻螺纹；然后精加工靶材的溅射面，获得较高的尺寸精度。进一步利用车床精加工靶材表面的V形凹槽。所用加工工具为自制刀具，由前述的基于V形槽夹角决定刀具后角，在 V形槽夹角为60°时，所述刀具的后角为30°。利用自制夹具将加工好的整圆靶材固定在慢走丝线切割机上。选择直径为0. 18mm 的钼丝作为电极丝。工作液的浓度为10%。加工参数为切割电流为2A，开路电压为60V， 脉冲宽度为10 15 μ s，脉冲间隙为7 11 μ s，功率管为5 6。整圆靶材经过慢走丝线切割后分成三片尺寸、形状相同的扇形分割靶材。所述分割靶材的切割面表面粗糙度可达到1. 6 μ m左右，为满足溅镀的需求，可进一步对分割靶材的切割面进行抛光。抛光后，所述分割靶材的切割面表面粗糙度可达到0. 8 μ m以下，符合溅镀的要求，镀膜更加均勻稳定。同时采用本实施例方法加工所述靶材，每三片分割靶材为一套。与现有技术相比， 每套节省成本为7000元左右；加工效率也显著提高。综上所述，本发明对靶材坯料按目标靶材的形状进行下料后，毛坯尺寸合理，节省原材料。下料后再经过粗车靶材正反两面；加工固定孔；攻螺纹；精车靶材溅射面；精车形成溅射面的凹槽，得到半成品靶材。工序集中，不需要反复装夹，可防止刀片的坑刀或者崩裂，产品的表面也不易产生积削瘤；此外由整块靶材加工凹槽，避免了多个分割靶材分别加工再装配车床加工凹槽可能导致的尺寸不匹配、精度差的问题，整体加工出来的凹槽一致性好；利用慢走丝线切割进行分割，产品尺寸精度高，表面粗糙度达到溅射要求。同时采用整套加工方法，节省时间，节约成本，提高加工效率。 以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明的技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
权利要求
1.一种靶材的加工方法，其特征在于，所述方法包括 提供靶材坯料；对所述靶材坯料按目标靶材的形状进行下料，所述目标靶材为多个分割靶材装配组成的靶材；对下料后的靶材坯料进行机械加工，得到半成品靶材； 将所述半成品靶材利用线切割进行分割，得到分割靶材。
2.根据权利要求1所述的靶材的加工方法，其特征在于，所述靶材材料为铜锰合金。
3.根据权利要求1所述的靶材的加工方法，其特征在于，所述机械加工包括以下步骤 粗车靶材正反两面；加工固定孔；攻螺纹；精车靶材溅射面；精车形成靶材溅射面的凹槽。
4.根据权利要求3所述的靶材的加工方法，其特征在于，加工固定孔包括在所述靶材表面形成至少一个固定孔，所述固定孔贯通靶材厚度。
5.根据权利要求3所述的靶材的加工方法，其特征在于，精车形成靶材溅射面的凹槽包括在所述靶材表面形成至少一个凹槽，所述凹槽与靶材呈同心环状。
6.根据权利要求5所述的靶材的加工方法，其特征在于，所述凹槽为多个，各凹槽形状、尺寸相同，所述凹槽间距相同。
7.根据权利要求1所述的靶材的加工方法，其特征在于，所述线切割为慢走丝线切割。
8.根据权利要求7所述的靶材加工方法，其特征在于，所述慢走丝线切割的参数为 钼丝直径为0. 16 0. 20mm，工作液的浓度为8 12%，切割电流为2 2. 5A，开路电压为 60 150V，脉冲宽度为6 20 μ s，脉冲间隙为7 11 μ s，功率管为5 6个。
9.根据权利要求1所述的靶材加工方法，其特征在于，还包括对所述分割靶材进行抛光处理。
10.根据权利要求1所述的靶材加工方法，其特征在于，所述分割靶材为扇形靶材时， 所述下料作业为圆形下料。
11.根据权利要求10所述的靶材加工方法，其特征在于，所述分割靶材形状、尺寸相同。
12.根据权利要求11所述的靶材加工方法，其特征在于，所述分割靶材的圆心角为 90 120° 。
全文摘要
一种靶材的加工方法，所述方法包括提供靶材坯料；对所述靶材坯料按目标靶材的形状进行下料，所述目标靶材为多个分割靶材装配组成的靶材；对下料后的靶材坯料进行机械加工，得到半成品靶材；将所述半成品靶材利用线切割进行分割，得到分割靶材。本发明工艺简单，工序集中，节约成本，同时保证产品尺寸精度和产品表面凹槽纹路的一致性。
文档编号B23P13/00GK102152060SQ20111002868
公开日2011年8月17日 申请日期2011年1月26日 优先权日2011年1月26日
发明者姚力军, 潘杰, 王学泽, 陈玉蓉 申请人:宁波江丰电子材料有限公司