靶材组件的制造方法与流程

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种靶材组件的制造方法。

背景技术：

溅射技术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后的成膜质量。

在溅射靶材制造领域中，靶材组件是由符合溅射性能的靶坯、与靶坯通过焊接相结合的背板构成。其中，钨钛靶坯是一种比较典型的合金靶坯，钨钛合金具有低电阻系数、良好的热稳定性和抗氧化性，在现有技术中，一般采用钨钛靶坯、以及铝合金或铜合金的背板构成所述靶材组件。

但是，现有技术形成的靶材组件的良率有待提高。

技术实现要素：

本发明解决的问题是提供一种靶材组件的制造方法，提高靶材组件的良率。

为解决上述问题，本发明提供一种靶材组件的制造方法，包括：提供钨钛靶坯和铜背板，所述钨钛靶坯的待焊接面为第一焊接面，所述铜背板的待焊接面为第二焊接面；将所述第一焊接面和第二焊接面相对设置并贴合，形成初始靶材组件；对所述初始靶材组件进行热等静压工艺，获得靶材组件。

可选的，所述钨钛靶坯的材料为wti合金，w和ti的总质量百分比含量大于或等于99.995％，w和ti的质量百分比含量的比值为8.5至9.5。

可选的，所述铜背板的材料为cu或cucr合金。

可选的，所述热等静压工艺的步骤包括：将所述初始靶材组件装入包套并对所述包套进行脱气处理以形成真空包套；将所述真空包套放置于热等静压炉中；对所述热等静压炉进行升温升压，直至达到工艺温度和工艺压强；在所述工艺温度和工艺压强下进行保温保压。

可选的，对所述热等静压炉进行升温升压，直至达到工艺温度和工艺压强的步骤中，工艺温度为600℃至800℃，工艺压强为120mpa至180mpa；在所述工艺温度和工艺压强下进行保温保压的步骤中，在所述工艺温度和工艺压强下的保温保压时间为4小时至6小时。

可选的，对所述包套进行脱气处理的步骤包括：将所述初始靶材组件放置于包套后，对所述包套进行脱气处理，脱气处理后所述真空包套内的真空度至少为2e-3pa；对所述热等静压炉进行升温升压以及保温保压的步骤中，所述真空包套保持密封状态。

可选的，所述脱气处理的工艺温度为350℃至500℃。

可选的，所述真空包套内的真空度达到2e-3pa后，所述制造方法还包括：在所述脱气处理的工艺温度下，对所述真空包套进行保温处理。

可选的，对所述真空包套进行保温处理的时间为3小时至4小时。

可选的，将所述初始靶材组件装入包套后，对所述包套进行脱气处理之前，所述制造方法还包括：采用氩弧焊接的方式密封所述包套；在所述包套引出一脱气管；在所述脱气处理的步骤中，通过所述脱气管对所述包套进行脱气。

可选的，采用氩弧焊接的方式密封所述包套后，对所述包套进行脱气处理之前，所述制造方法还包括：采用氦泄漏方法检测氩弧焊接后所述包套的密闭性。

可选的，完成所述热等静压工艺后，所述制造方法还包括：去除所述真空包套，以获得所述靶材组件。

可选的，完成所述热等静压工艺后，去除所述真空包套前，所述制造方法还包括：对所述真空包套进行去压冷却。

可选的，提供所述钨钛靶坯和铜背板后，形成所述初始靶材组件之前，所述制造方法还包括：对所述钨钛靶坯和铜背板进行超声波清洗处理；完成所述超声波清洗处理后，对所述钨钛靶坯和铜背板进行干燥处理。

可选的，对所述钨钛靶坯和铜背板进行超声波清洗处理的步骤包括：将所述钨钛靶坯和铜背板置于异丙醇溶液中进行超声波清洗处理，超声波清洗处理的时间为3分钟至7分钟。

可选的，所述干燥处理的参数包括：干燥温度为65℃至75℃，干燥时间为0.9小时至1.1小时。

可选的，提供钨钛靶坯和铜背板的步骤中，所述铜背板内具有一凹槽，所述凹槽的底部表面为所述第二焊接面；将所述第一焊接面和第二焊接面相对设置并贴合的步骤中，将所述钨钛靶坯嵌入至所述凹槽中。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

本发明通过对所述初始靶材组件进行热等静压工艺，可以实现所述钨钛靶坯和铜背板的大面积焊接。通过所述方法，可以提高所述钨钛靶坯和铜背板的结合强度，使形成的靶材组件的焊接结合率达到99％以上，焊接强度能够高达50mpa以上，从而可以避免所述靶材组件在使用过程中发生脱焊；且还具有焊接工艺简单、生产工艺稳定性高等优点。

可选方案中，提供所述钨钛靶坯和铜背板后，形成所述初始靶材组件之前，将所述钨钛靶坯和铜背板置于异丙醇溶液中进行超声波清洗处理，以去除表面油污和杂质；随后对所述钨钛靶坯和铜背板进行干燥处理；从而为后续热等静压工艺提供良好的界面态，有利于提高所述钨钛靶坯和铜背板的结合强度。

附图说明

图1是本发明靶材组件的制作方法一实施例的流程示意图；

图2至图8是图1所示实施例中各步骤的结构示意图。

具体实施方式

由背景技术可知，现有技术靶材组件的良率有待提高。分析其原因在于：

目前主要采用钎焊工艺来实现wti靶坯和cu背板的焊接以形成靶材组件。所述钎焊工艺使用的是熔点比靶坯和背板熔点低的焊料，例如：铟或锡。在钎焊工艺过程中，在低于所述靶坯和背板熔点、高于焊料熔点的温度下同时加热所述靶坯和背板，待焊料熔化后，使所述靶坯的待焊接面和背板的待焊接面相对设置并贴合，焊料与靶坯、背板相互扩散实现牢固连接。但是，在靶材组件的使用过程中，当溅射功率增大到一定程度后，所述靶材组件承受的温度较高，容易出现因焊料再熔化而引起所述靶材和背板脱落的问题，从而导致靶材组件的良率下降。

为了解决上述问题，本发明提供一种靶材组件的制造方法，包括：提供钨钛靶坯和铜背板，所述钨钛靶坯的待焊接面为第一焊接面，所述铜背板的待焊接面为第二焊接面；将所述第一焊接面和第二焊接面相对设置并贴合，形成初始靶材组件；对所述初始靶材组件进行热等静压工艺，获得靶材组件。

本发明通过对所述初始靶材组件进行热等静压工艺，可以实现所述钨钛靶坯和铜背板的大面积焊接。通过所述方法，可以提高所述钨钛靶坯和铜背板的结合强度，使形成的靶材组件的焊接结合率达到99％以上，焊接强度能够高达50mpa以上，从而可以避免所述靶材组件在使用过程中发生脱焊；且还具有焊接工艺简单、生产工艺稳定性高等优点。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

请参考图1，图1是本发明靶材组件的制作方法一实施例的流程示意图，本实施例靶材组件的制作方法包括以下基本步骤：

步骤s1：提供钨钛靶坯和铜背板，所述钨钛靶坯的待焊接面为第一焊接面，所述铜背板的待焊接面为第二焊接面；

步骤s2：将所述第一焊接面与所述第二焊接面相对设置并贴合，形成初始靶材组件；

步骤s3：对所述初始靶材组件进行热等静压工艺，获得靶材组件。

为了更好地说明本发明实施例的靶材组件的制作方法，下面将结合参考图2至图8，对本发明的具体实施例做进一步的描述。

结合参考图2和图3，执行步骤s1，提供钨钛靶坯100(如图2所示)和铜背板200(如图3所示)，所述钨钛靶坯100的待焊接面为第一焊接面101(如图2所示)，所述铜背板200的待焊接面为第二焊接面201(如图3所示)。

所述钨钛靶坯100的横截面形状可根据应用环境以及溅射要求呈圆形、矩形、环形、圆锥形或其他任意规则形状或不规则形状。本实施例中，所述钨钛靶坯100的横截面形状为圆形。

本实施例中，所述钨钛靶坯100的材料为wti合金，wti合金硬度大，具有低电阻系数，良好的热稳定性和抗氧化性。具体地，所述wti合金中，w和ti的总质量百分比含量大于或等于99.995％，w和ti的质量百分比含量的比值为8.5至9.5。

所述铜背板200的尺寸大于所述钨钛靶坯100的尺寸。本实施例中，所述铜背板200的表面包括第一区域ⅰ表面和环绕所述第一区域ⅰ的第二区域ⅱ表面，所述第一区域ⅰ表面的形状、尺寸与所述钨钛靶坯100的第一焊接面101的形状、尺寸相同，所述第一区域ⅰ表面为第二焊接面201，所述第二区域ⅱ表面为所述铜背板200的边缘区域。

本实施例中，所述铜背板200的材料为cucr合金。cucr合金具有较好的导电性和导热性，且cucr合金的强度较高，形成靶材组件后，在所述靶材组件的使用过程中，所述铜背板200不易发生变形。具体地，所述铜背板200的材料为c18200型号的cucr合金。

在其他实施例中，所述铜背板200的材料还可以为铜。

本实施例中，第一区域ⅰ的所述铜背板200内具有一凹槽250，所述凹槽250的底部表面为所述第二焊接面201，也就是说，所述第二焊接面201和所述铜背板200的侧壁围成所述凹槽250。

后续将所述第一焊接面101与所述第二焊接面201相对设置并贴合时，所述凹槽250用于对所述钨钛靶坯100进行限位和固定，使所述钨钛靶坯100嵌入至所述凹槽250，有利于提高所述第一焊接面101与所述第二焊接面201的对准精度和后续的结合强度。

需要说明的是，所述钨钛靶坯100和铜背板200通过对原材料进行机械加工而成，以形成满足图纸设计需求的所述钨钛靶坯100和铜背板200，例如：对原材料进行机械加工后，所述钨钛靶坯100和铜背板200的横截面形状为圆形。

还需要说明的是，提供所述钨钛靶坯100和铜背板200后，所述制造方法还包括：对所述钨钛靶坯100和铜背板200进行超声波清洗处理；完成所述超声波清洗处理后，对所述钨钛靶坯100和铜背板200进行干燥处理。

具体地，进行超声波清洗处理的步骤包括：将所述钨钛靶坯100和铜背板200置于异丙醇溶液中进行超声波清洗处理。

在形成所述钨钛靶坯100和铜背板200的机械加工过程中，一般采用切削液以起到润滑和冷却的作用，所述切削液为油性溶液，而所述异丙醇溶液为有机溶液，通过将所述钨钛靶坯100和铜背板200置于异丙醇溶液中进行超声波清洗处理，可以去除所述第一焊接面101和第二焊接面201的表面油污(例如切削液等)和杂质，从而提高所述第一焊接面101和第二焊接面201的表面清洁度，进而提高所述第一焊接面101和第二焊接面201的结合强度。

需要说明的是，所述超声波清洗处理的时间不宜过短，也不宜过长。如果所述时间过短，去除表面油污和杂质的效果不明显；如果所述时间过长，容易造成工艺成本和时间的浪费；同时长时间的超声波处理会使所述钨钛靶坯100和铜背板200发热，而导致所述第一焊接面101和第二焊接面201发生氧化，氧化形成的氧化膜会阻碍表面原子的扩散。为此，本实施例中，所述超声波清洗处理的时间为3分钟至7分钟。

还需要说明的是，为了保证所述钨钛靶坯100和铜背板200的充分干燥，且避免工艺成本和时间的浪费，本实施例中，干燥温度为65℃至75℃，干燥时间为0.9小时至1.1小时。

结合参考图4和图5，执行步骤s2，将所述第一焊接面101与第二焊接面201相对设置并贴合，形成初始靶材组件300(如图5所示)。

所述初始靶材组件300为后续形成靶材组件提供工艺基础。

具体地，使所述第一焊接面101朝向所述第二焊接面201后，将所述钨钛靶坯100嵌入至所述凹槽250中，实现所述第一焊接面101与第二焊接面201的贴合。

结合参考图6至图8，执行步骤s3，对所述初始靶材组件300进行热等静压工艺，获得靶材组件500(如图8所示)。

本实施例中，所述热等静压工艺的步骤包括：将所述初始靶材组件300装入包套401并对所述包套401进行脱气处理以形成真空包套401'；将所述真空包套401'放置于热等静压炉中；对所述热等静压炉进行升温升压，直至达到工艺温度和工艺压强；在所述工艺温度和工艺压强下进行保温保压。

通过所述脱气处理，排出所述真空包套401'内的绝大部分气体以及低沸点的液体(如水汽等)，在所述真空包套401'内形成真空、干燥、洁净的工艺氛围，从而避免在后续工艺过程中，所述真空包套401'内低沸点的液体在高温影响下形成蒸汽并污染所述第一焊接面101与第二焊接面201的问题，进而提高后续所形成靶材组件的焊接强度和成品率。

需要说明的是，将所述初始靶材组件300装入包套401后，对所述包套401进行脱气处理之前，所述制造方法还包括：采用氩弧焊接的方式密封所述包套401；在所述包套401引出一脱气管405；其中，所述脱气处理的步骤中，通过所述脱气管405对所述包套401进行脱气。

所述包套401包括包套薄壁402、包套下盖板403和包套上盖板404；所述包套401通过焊接成型。为了在后续热等静压过程中，使所述包套401将压力传导至所述初始靶材组件300，且为了提高所述包套401的抗压能力，本实施例中，所述包套401的壁厚为2mm至4mm。

本实施例中，所述包套401的材料为45#钢，45#钢是一种优质碳素结构钢，具有较好的加工性能和机械性能。在其他实施例中，还可以采用不锈钢包套。

具体地，通过氩弧焊接的方式先将所述包套薄壁402和包套下盖板403进行焊接，然后将所述初始靶材组件300装入未焊接所述包套上盖板404的包套401内，盖上包套上盖板404后再通过氩弧焊接的方式将所述包套上盖板404焊接至所述包套薄壁402的上表面，从而密封所述包套401。

本实施例中，将所述脱气管405与真空设备相连，将装有所述初始靶材组件300的包套401放置在加热炉中，开启真空设备对所述包套401进行脱气以形成真空包套401'；脱气处理后，所述真空包套401'内的真空度至少为2e-3pa。

需要说明的是，为了使所述真空包套401'内的真空度达到工艺要求，且可以排出低沸点的液体，本实施例中，加热炉的温度为350℃至500℃，即所述脱气处理的工艺温度为350℃至500℃。

还需要说明的是，本实施例中，所述真空包套401'内的真空度达到2e-3pa后，所述制造方法还包括：在所述脱气处理的工艺温度下，对所述真空包套401'进行保温处理。

在所述保温处理过程中，低沸点的液体继续形成蒸汽，因此在所述保温期间，继续对所述真空包套401'进行脱气处理，从而可以继续排出所述真空包套401'内的气体，以形成较好的真空环境。

还需要说明的是，为了形成较好的真空环境，同时为了控制工艺成本和时间，本实施例中，对所述真空包套401'进行保温处理的时间为3小时至4小时。

本实施例中，完成所述脱气处理后，从所述加热炉中取出所述真空包套401'，在继续保持其内部真空的状态下封闭所述脱气管405，使所述真空包套401'内部形成一个密闭的真空环境。而且，对所述热等静压炉进行升温升压以及保温保压的步骤中，所述真空包套401'保持密封状态。

需要说明的是，采用氩弧焊接的方式密封所述包套401后，对所述包套401进行脱气处理之前，所述制造方法还包括：采用氦泄漏方法检测氩弧焊接后所述包套401的密闭性，以确认所述包套401的密封性是否良好。

本实施例中，将所述真空包套401'放置于热等静压炉后，向所述热等静压炉中通入氩气，用于使所述真空包套401'受到来自各向均等且全方位的气体压力。

需要说明的是，本实施例中，将工艺温度、工艺压强和保温保压时间做了最优化的搭配。

当所述工艺温度过低时，由于温度不够，导致所述第一焊接面101与第二焊接面201的表面原子难以获得足够的扩散激活能，即所述第一焊接面101与第二焊接面201的材料之间难以彻底地进行扩散，从而容易导致形成的靶材组件发生脱焊；当所述工艺温度过高时，过高的工艺温度使所述真空包套401'处于恶劣的环境中，容易引起真空包套401'的形变或开裂，更甚者可能会使所述真空包套401'熔化或者使所述真空包套401'与所述初始靶材组件300发生反应，引起靶材组件的报废。为此，本实施例中，对所述热等静压炉进行升温升压，直至达到工艺温度和工艺压强的步骤中，设定工艺温度为600℃至800℃。

当所述工艺压强过小时，由于在所述真空包套401'上施加的力不够大，导致所述第一焊接面101与第二焊接面201的材料之间难以彻底地进行扩散，从而容易导致形成的靶材组件发生脱焊；当所述工艺压强过大时，对于已经完成最好焊接效果的初始靶材组件300，难以进一步提高所述第一焊接面101与第二焊接面201的结合强度，反而浪费能源，甚至过高的环境压强可能使所述真空包套401'发生形变或开裂。为此，本实施例中，对所述热等静压炉进行升温升压，直至达到工艺温度和工艺压强的步骤中，设定工艺压强为120mpa至180mpa，使所述真空包套401'受到来自各向均等且全方位的120mpa至180mpa的气体压力

当所述保温保压时间过短时，由于在适当温度和压强下施加压力的时间不够长，导致所述第一焊接面101与第二焊接面201的焊接效果较差，从而容易导致形成的靶材组件发生脱焊；当保温保压时间过长时，对于已经完成最好焊接效果的初始靶材组件300，难以进一步提高所述第一焊接面101与第二焊接面201的结合强度，反而浪费能源、降低制造效率。为此，本实施例中，在所述工艺温度和工艺压强下的保温保压时间为4小时至6小时。

需要说明的是，在所述升温过程中，升温速度不宜过慢，也不宜过快。如果升温速度过快，所述热等静压炉的炉温不容易扩散，容易造成炉温不均匀的问题，从而产生炉温偏差，进而影响后续的焊接效果；如果升温速度过慢，相应的，升温时间过长，容易造成生产效率下降。为此，本实施例中，所述升温速度为5℃/h至10℃/h。

为了配合所述升温速率，所述升压速度也需控制在合理范围内，从而使所述工艺温度和工艺压强几乎在同一时间内达到设定值，从而提高所述热等静压工艺的稳定性和高效性。本实施例中，所述升压速度为10mpa/h至15mpa/h。

本实施例中，所述热等静压工艺的真空度、工艺压强、工艺温度和工艺时间设定合理，所述第一焊接面101与第二焊接面201的结合强度较高。完成所述热等静压工艺后，所述初始靶材组件300的焊接结合率可达到99％以上，焊接强度高达50mpa以上，从而可以提高后续形成的靶材组件的良率和性能。

需要说明的是，本实施例中，完成所述热等静压工艺后，所述制造方法还包括：对所述真空包套401'进行去压冷却。

具体地，完成所述热等静压工艺后，关闭热等静压炉，采用随炉冷却的方法使所述真空包套401'自然去压并冷却至室温25℃至200℃，所述方法避免了温度的骤降，防止所述初始靶材组件300由于急速冷却而出现变形或应力集中的问题，以提高所述热等静压工艺后的初始靶材组件300的焊接强度。

还需要说明的是，将所述真空包套401'去压冷却后，通过车削加工等机械加工工艺将所述初始靶材组件300(如图7所示)表面的真空包套401'材料去除，以获得靶材组件500。

本发明通过对所述初始靶材组件300进行热等静压工艺，可以实现所述钨钛靶坯100(如图4所示)和铜背板200(如图4所示)的大面积焊接。通过所述方法，可以提高所述钨钛靶坯100和铜背板200的结合强度，使形成的靶材组件500(如图8所示)的焊接结合率达到99％以上，焊接强度能够高达50mpa以上，避免所述靶材组件500在使用过程中发生脱焊；且还具有焊接工艺简单、生产工艺稳定性高等优点。

虽然本发明己以较佳实施例披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。