CN101537530B

CN101537530B - 靶材结构的制作方法

Info

Publication number: CN101537530B
Application number: CN 200910127156
Authority: CN
Inventors: 姚力军; 潘杰; 毛立鼎; 刘庆
Original assignee: Ningbo Jiangfeng Electronic Material Co Ltd
Priority date: 2009-03-16
Filing date: 2009-03-16
Publication date: 2011-08-03
Anticipated expiration: 2029-03-16
Also published as: CN101537530A

Abstract

本发明提供一种靶材结构的制作方法，其包括：提供靶材，所述靶材为钽或者钽合金；利用电镀工艺，在靶材的焊接面上形成金属镀层；在所述金属镀层上进行扩散焊处理，将背板焊接至靶材。与现有技术相比，本发明可以使得钽靶材与铜背板实现可靠结合，提升靶材结构的品质。

Description

靶材结构的制作方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及靶材结构的制作方法。

背景技术

在半导体工业中，靶材结构是由符合溅射性能的靶材和与所述靶材结合、具有一定强度的背板构成。背板可以在所述靶材结构装配至溅射基台中起到支撑作用，并具有传导热量的功效。目前，例如，可以选用金属钽(Ta)作为靶材，选用具有足够强度，且导热、导电性也较高的铜或铝材料作为背板材料。

在溅射过程中，所述靶材结构的工作环境比较恶劣，例如，靶材结构工作温度较高，例如300℃至500℃；另外，靶材结构的一侧充以冷却水强冷，而另一侧则处于10^-9Pa的高真空环境下，由此在靶材结构的相对二侧形成有巨大的压力差；再有，靶材结构处在高压电场、磁场中，受到各种粒子的轰击。在如此恶劣的环境下，如果靶材结构中靶材与背板之间的结合度较差，将导致靶材在受热条件下变形、开裂、并与结合的背板相脱落，使得溅射无法达到溅射均匀的效果，同时还可能会对溅射基台造成损伤。

因此选择一种有效的焊接方式，使得靶材与背板实现可靠结合，满足长期稳定生产、使用靶材的需要，就显得十分必要。

例如，对于靶材与背板在熔点等物理性能相接近的产品，可以采用常规的焊接方式，例如钎焊；对于靶材与背板在熔点等物理性能相差很大的产品，可以采用扩散焊接。所谓的扩散焊接是指互相接触的材料表面，在一定温度、压力作用下靠近，局部产生塑性变形，原子间互相扩散，在界面处形成新的扩散层，实现可靠结合。相比于常规焊接方式，所述扩散焊接具有结合紧密度高、受热抗变形能力强等优点。

虽然扩散焊接得到了广泛的应用，但在对于某些金属的靶材结构而言，仍具有一定的局限性。以钽靶材与铜背板为例，由于钽是性质比较稳定的金属元素，铜是较易氧化的金属元素，在焊接面处会出现氧化，致使焊接的紧密度较差，靶材与背板很难通过直接的扩散焊接来实现结合。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：如何使得靶材与背板达到较佳的结合效果。

为解决上述问题，本发明提供一种靶材结构的制作方法，其包括：提供靶材，所述靶材为钽或者钽合金；利用电镀工艺，在靶材的焊接面上形成金属镀层；在所述金属镀层上进行扩散焊处理，将背板焊接至靶材。

可选地，在进行电镀工艺之前还包括清洗所述靶材的表面的步骤。

可选地，所述清洗靶材表面的步骤具体为使用含有氢氟酸的溶剂进行酸洗。

可选地，所述电镀工艺具体包括：将靶材接置在阴极，将镀层金属接置在阳极；将靶材和镀层金属放入包含镀层金属离子的电镀液中，通以直流电，至少在靶材的焊接面上形成金属镀层。

可选地，将靶材放入包含镀层金属离子的电镀液具体包括将靶材全部或者仅将靶材的焊接面放入电镀液中。

可选地，所述金属镀层的厚度为10nm至3.5mm。

可选地，所述金属镀层的厚度为50nm至2mm。

可选地，所述金属镀层的材料具体为铜、铝、镍、铬、钛或者它们中任一种金属的合金。

可选地，所述背板具体是由铜、铝或者包括有铜和铝中任一种金属的合金所制成的。

与现有技术相比，本发明所提供的靶材结构的制作方法，首先利用电镀工艺在靶材上形成金属镀层，再在所述金属镀层上进行扩散焊处理，将背板焊接至靶材，使得靶材与背板经过焊接后实现二者的可靠结合，具有结合紧密度高、受热抗变形能力强等优点。

附图说明

图1为本发明一个实施例制作靶材结构的流程图；

图2至图4为根据图1所示流程制作靶材结构的示意图；

图5为图1中步骤S11在一个实施例中的流程示意图；

图6为根据步骤S11在一个实施例中进行电镀工艺的示意图；

图7为图1中步骤S11在另一个实施例中的流程示意图。

具体实施方式

本发明的发明人发现，在制作靶材结构时，如果靶材的性质比较稳定(例如钽靶材熔点较高)、背板的性质比较活泼(例如铜背板的表面易氧化)，利用焊接方式将靶材与背板进行直接焊接就会致使二者的结合度较差。有鉴于此，故提出在靶材与背板之间增加作为中间媒介的金属镀层，这样，就可以通过能同时与靶材和背板达成紧密结合的金属镀层，使得靶材与背板的结合，完成靶材结构的制作。因此，根据本发明的一个方面，提供一种靶材结构，在其中的靶材和背板之间包括有金属镀层。

本发明的发明人提出一种靶材结构的制作方法，如图1所示，包括步骤：

S10，提供靶材，所述靶材为钽或者钽合金；

S11，利用电镀工艺，在靶材的焊接面上形成金属镀层；

S12，在所述金属镀层上进行扩散焊处理，将背板焊接至靶材。

下面结合附图对上述图1中所示的制作方法进行详细说明。

首先执行步骤S10，提供靶材20，如图2所示。在本实施例中，所述靶材20是由钽或者钽合金所制成的。另外，靶材20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，且其厚度可以为1mm至80mm不等。如图2所示，靶材20的形状可以为圆形，直径为350mm，厚度为8.5mm。

接着执行步骤S11，利用电镀工艺，在靶材20的焊接面200上形成金属镀层22，形成如图3所示的结构。

在实际应用中，如图5所示，显示了所述步骤S11在一个实施例中的流程示意图。其更进一步包括：首先执行步骤S110，清洗靶材20的表面。清洗靶材20表面的方法有多种，其中的一个例子就是先用酸液清洗，再用有机溶剂清洗。所述用于清洗的酸液可以选取氢氟酸(HF)、硝酸(HNO₃)、盐酸(HCL)、硫酸(H₂SO₄)或包含它们中任意配比的混合溶剂。较佳地，例如可以是氢氟酸(HF)和硝酸(HNO₃)的混合溶剂，所述混合溶剂中氢氟酸与硝酸的配比可以为1∶2至1∶6，优选地，HF∶HNO₃＝1∶3。在其他实施例中，所述酸液也可以是由氢氟酸(HF)、硝酸(HNO₃)和盐酸(HCL)配比而成的混合溶剂。所述有机溶剂则可以是异丁醇IBA、异丙醇IPA或混丙醇IPB中的任一种，优选地，选取异丙醇IPA。

通过步骤S110的清洗，可以将靶材20表面的杂质和氧化物清除干净，使得靶材20的表面光洁度可达0.5um至2um，这样，就为后续的焊接工艺打下良好的基础。

需说明的是，在上述清洗的步骤中，可以将靶材20全部浸入盛有清洗溶剂的容器中，用于对靶材20的各个表面都进行清洗；也可以根据实际需要，仅针对靶材20中需进行后续处理的焊接面200进行表面清洗处理，相对于置于容器中清洗的方式，可节省清洗溶剂并提高清洗效率。

接着执行步骤S111，将靶材20接置在阴极，将镀层金属30接置在阳极，如图6所示。在本实施例中，镀层金属30是以金属铜为例进行说明的。

接着执行步骤S112，将靶材20和镀层金属30放入包含镀层金属离子的电镀液40中，通以直流电，至少在靶材20的焊接面200上形成金属镀层22，具体可如图6所示。

由于在本实施例中，镀层金属30为金属铜，所以电镀液30中包括有作为镀层金属的铜离子。在本实施例中，所述铜离子的浓度范围可以为0.1mol/L至10mol/L。较佳地，可以是在0.5mol/L至1mol/L的浓度范围内。

另外，在实际应用中，所述电镀液30除了铜离子之外，还可以包括其他离子，例如氢离子和氯离子。

需说明的是，在本实施例中，我们采取的是将靶材20全部放入电镀液30中，这样，靶材20中包括焊接面200在内的各表面都浸没在电镀液30中。

如图6所示，待将靶材20和镀层金属30放入包含镀层金属离子的电镀液30后，通以直流电，当直流电通过两电极及两极间含铜离子的电镀液30时，电镀液30中的阴、阳离子由于受到电场作用，发生有规则的移动，阴离子移向阳极，阳离子移向阴极。此时，铜离子在阴极上发生还原，沉积成金属镀层22；而在阳极上发生氧化，将铜金属转移为离子。具体包括，当阴，阳离子到达阳，阴极表面时，就会发生氧化还原反应。其中，在阴极，发生还原反应：C_u ²⁺+2e＝C_u；在阳极，发生氧化反应：C_u-2e＝C_u ²⁺。这样，在靶材20的各表面(包括焊接面200)形成由铜离子还原形成的金属镀层22。所述形成的金属镀层22的厚度较小，一般为10nm至3.5mm。特别地，从制作工艺的复杂度和金属镀层结构的致密度上来综合考量，金属镀层22的厚度，优选地，可以为50nm至2mm。

值得注意的是，在上述实施例中，是以在靶材的表面电镀形成铜金属的镀层为例进行说明的，但并不以此为限，实际上，在其他实施例中，所述形成的金属镀层的材料还可以是铝、镍、铬、钛或者包括有它们中任一种金属的合金，例如为铜-铝合金、镍-铬合金等。例如，在另一实施例中，如果要在靶材的表面电镀形成镍-铬合金的镀层，则需要将靶材接置在阴极，将镍-铬合金的镀层金属接置在阳极；将靶材和镍-铬合金的镀层金属放入包含镀层金属离子(镍离子和铬离子)的电镀液中，通以直流电，这样，就可以在靶材的各表面上形成为镍-铬合金的金属镀层。

在上述形成金属镀层的工艺中，是将靶材20全部放入电镀液30中，进行电镀工艺后会在靶材20的各表面(包括焊接面200)都形成金属镀层22，因此还包括去除除焊接面200之外的其他表面上金属镀层22的步骤。

进行步骤S113，对靶材22进行精加工，去除除焊接面200之外的其他表面上金属镀层22，使得仅在焊接面200上保留有金属镀层22。

如图7所示，显示了所述步骤S11在另一个实施例中的流程示意图，其包括：步骤S110’，清洗靶材的表面；步骤S111’，将靶材接置在阴极，将镀层金属接置在阳极；步骤S112’，将靶材的焊接面和镀层金属放入包含镀层金属离子的电镀液中，通以直流电，在靶材的焊接面上形成金属镀层。在本实施例中，由于仅是将靶材的焊接面放入电镀液中，故在电镀工艺后，仅在所需的焊接面上形成有金属镀层，相比于将靶材全部放入电镀液中进行电镀工艺并在各表面都形成金属镀层相比，可以省去后续将除焊接面之外的其他表面上金属镀层进行去除的步骤，提高工作效率。

接着执行步骤S104，进行扩散焊处理，将背板24焊接至靶材20的金属镀层22上，形成如图4所示的结构。所述背板24的材料可以是单一金属，例如铜或铝等，也可以是包括有铜和铝中任一种金属的合金。

实际上，在进行扩散焊处理之前，还可以包括对金属镀层22进行清洗处理的步骤。以铜金属镀层为例，铜金属在空气中易于氧化，在其表面会形成氧化层，因此，可以通过例如氢氟酸(HF)、硝酸(HNO₃)、盐酸(HCL)、硫酸(H₂SO₄)或包含它们中任意配比的混合溶剂进行清洗，去除铜金属镀层表面的氧化层。

上述步骤中的扩散焊处理，具体来讲，可以包括步骤：将形成有金属镀层22的靶材20、背板24同时放入加热炉中升温到350℃至500℃，并保温0.5小时至1小时后取出，再迅速加压到1.5MPa至3MPa，直至使它们的变形量达到30％至60％，其中在加压过程中，靶材20与背板24通过金属镀层22结合在一起，构成靶材结构；将加压后的靶材结构再放回加热炉中，升温到400℃至550℃，并保温3小时至5小时后取出，水冷；将淬火后的靶材结构重新放回加热炉中，升温至150℃至200℃，并保温7小时至9小时后取出，空冷。采用扩散焊处理的技术，可以将背板24通过金属镀层22与靶材20结合在一起，制作完成靶材结构，使得所述靶材结构具有结合紧密度高、受热抗变形能力强等优点。

需说明的是，本实施例中虽是以扩散焊为例进行说明的，但并不以此为限，例如，在其他实施例中，也可以采用其他焊接工艺，例如银蜡焊或钎焊，将背板24焊接至靶材20的金属镀层22上。因银蜡焊或钎焊为本领域技术人员所熟知的现有技术，故在此不再赘述。

当然，本领域技术人员知道，在进行焊接处理之前，还可以对背板24作表面清洗处理。在本实施例中，所述表面清洗处理可以直接使用异丁醇IBA、异丙醇IPA或混丙醇IPB中的任一种有机溶剂进行清洗，改善背板24的表面光洁度，为焊接工艺打下良好的基础。

另外，为防止背板24产生开裂，背板24在焊接前还可以进行包括例如均质化处理在内的其他预处理。

本发明所提供的靶材结构的制作方法，主要是在将靶材与背板焊接前还包括利用电镀工艺在靶材上形成金属镀层，通过所述金属镀层作为中间媒介，将靶材与背板焊接在一起，制作完成靶材结构。相比于将钽靶材与铜背板直接焊接在一起易导致焊接不牢固的现有技术，本发明通过在钽靶材与铜背板之间提供用于作为焊接媒介的粘结层，可以使得钽靶材与铜背板实现可靠结合，提升靶材结构的品质。

另外，本发明所提供的靶材结构的制作方法，靶材上的金属镀层是采用电镀工艺形成的，相较于其他方式的形成工艺，电镀工艺具有工艺简单和成本较低的优点。

虽然本发明已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。

Claims

1.一种靶材结构的制作方法，其特征在于，所述方法包括：

提供靶材，所述靶材为钽或者钽合金；

利用电镀工艺，在靶材的焊接面上形成金属镀层，所述金属镀层的厚度为10-50nm；

在所述金属镀层上进行扩散焊处理，将背板焊接至靶材，所述扩散焊包括步骤：

将具有所述金属镀层的靶材和背板放到加热炉中加热到350℃至500℃，保持0.5小时至1小时后取出，再迅速加压到1.5Mpa至3Mpa，直至使它们的变形量达到30％至60％，使其结合；

将结合后的具有所述金属镀层的靶材和背板放到加热炉中加热到400℃至550℃，保持3小时至5小时后取出，进行水冷；

将淬火后的具有所述金属镀层的靶材和背板重新放回加热炉中，加热到150℃至200℃，保持7小时至9小时后取出空冷；

金属镀层的材料为铜，所述背板的材料为铜；或者金属镀层的材料为铝，所述背板的材料为铝。

2.根据权利要求1所述的靶材结构的制作方法，其特征在于，在进行电镀工艺之前还包括清洗所述靶材的表面的步骤。

3.根据权利要求2所述的靶材结构的制作方法，其特征在于，所述清洗靶材表面的步骤具体为使用含有氢氟酸的溶剂进行酸洗。

4.根据权利要求1所述的靶材结构的制作方法，其特征在于，所述电镀工艺具体包括：

将靶材接置在阴极，将镀层金属接置在阳极；

将靶材和镀层金属放入包含镀层金属离子的电镀液中，通以直流电，至少在靶材的焊接面上形成金属镀层。

5.根据权利要求4所述的靶材结构的制作方法，其特征在于，将靶材放入包含镀层金属离子的电镀液具体包括将靶材全部或者仅将靶材的焊接面放入电镀液中。