CN102501045B - 镍靶材组件的加工方法及加工装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种镍靶材组件的加工方法，包括：提供一侧设有多个水槽的背板、纯度为99.99％的镍靶材坯料；将镍靶材坯料与背板焊接在一起；将镍靶材组件固定在车床上对镍靶材坯料进行车削加工以得到镍靶材；将镍靶材组件固定在磨床上对镍靶材进行磨削加工。通过合理选用车床刀片，严格控制加工参数减小了车床加工时镍靶材表面上的缺陷；待车床加工完成后，利用磨床并合理选用磨具对镍靶材进行磨削、抛光以进一步减小镍靶材表面上的缺陷，从而得到尺寸精度高、表面粗糙度低的镍靶材，进而得到符合溅射性能的镍靶材组件。本发明还提供一种能对上述镍靶材组件进行加工的加工装置。

Description

镍靶材组件的加工方法及加工装置

技术领域

本发明属于半导体制造行业中的机械加工技术领域，特别是涉及一种镍靶材组件的加工方法和加工装置。

背景技术

物理气相沉积(PVD)技术应用于很多领域，其利用溅射靶材组件可提供带有原子级光滑表面的具有精确厚度的薄膜材料沉积物。靶材组件是由符合溅射性能的靶材和适于与靶材结合并具有一定强度的背板构成。在溅射过程中，靶材组件装配至溅射基台，位于充满惰性气体气氛的腔室里的靶材暴露于电场中从而产生等离子区。等离子区的等离子与溅射靶材的表面发生碰撞，从而从靶材表面逸出原子。靶材与待涂布基材之间的电压差使得逸出原子在基材表面上形成预期的薄膜，薄膜的质量会受到靶材表面粗糙度的影响。当靶材表面粗糙度较大时，靶材的表面会存在一些尺寸超过一定水平的凸起，在溅射的过程中，靶材表面上的凸起会产生异常放电(微电弧放电)。而异常放电会导致大粒子从靶材表面溅出并沉积在溅射基台上的待涂布基材表面，从而使形成的薄膜上形成斑点并导致半导体器件的短路。因此加工靶材组件的过程中控制靶材表面的加工精度非常重要。

目前，含有高纯度镍靶材的镍靶材组件的机械加工工艺非常不成熟，对于机械加工的加工参数的相关研究也几乎处于空白阶段，因此迫切需要有一种能制造出含有尺寸精度高、表面粗糙度低的高纯度镍靶材的镍靶材组件加工方法及加工装置。

发明内容

本发明要解决的问题是提供一种镍靶材组件的加工方法及加工装置，其中镍靶材的材料为4N镍(即纯度为99.99％)。由该方法加工出的镍靶材组件具有尺寸精度高、表面粗糙度低的镍靶材。

为解决上述问题，本发明提供一种镍靶材组件的加工方法，包括以下步骤：

提供一侧设有多个水槽的背板、纯度为99.99％的镍靶材坯料；

将所述镍靶材坯料与所述背板焊接在一起；

将所述镍靶材组件固定在车床上对所述镍靶材坯料进行车削加工以得到镍靶材；

将所述镍靶材组件固定在磨床上对所述镍靶材进行磨削加工。

可选的，所述车床的刀具采用立方氮化硼刀片。

可选的，所述车削加工包括粗加工及粗加工之后的精加工。

可选的，进行所述粗加工时，所述车床的主轴转速为300r/min～500r/min。

可选的，进行所述粗加工时，所述车床的进给量为0.3mm～0.5mm。

可选的，进行所述精加工时，所述车床的主轴转速为250r/min～300r/min。

可选的，进行所述精加工时，所述车床的进给量为0.01mm～0.1mm。

可选的，所述磨床的磨具采用立方氮化硼砂轮。

可选的，所述立方氮化硼砂轮的粒度为180目。

可选的，进行磨削加工时，所述立方氮化硼砂轮的转速为2800r/min～3200r/min。

可选的，进行磨削加工时，所述立方氮化硼砂轮的进给速度为450mm/min～550mm/min。

可选的，进行磨削加工时，所述立方氮化硼砂轮的进给量为0.005mm～0.02mm。

可选的，所述立方氮化硼砂轮的转速为3000r/min。

可选的，将所述镍靶材坯料与所述背板焊接在一起之前，还包括对所述镍靶材坯料、背板进行清洗的步骤。

可选的，进行所述车削加工步骤之后、所述磨削加工步骤之前，还包括对所述镍靶材、背板进行清洗的步骤。

可选的，将所述镍靶材坯料与所述背板焊接在一起步骤中，所述镍靶材坯料与所述背板通过钎焊连接在一起。

可选的，进行所述磨削加工时，利用乳化液对所述立方氮化硅砂轮、镍靶材组件进行冷却。

为解决上述问题，本发明还提供一种镍靶材组件的加工装置，所述镍靶材组件包括连接在一起的背板、纯度为99.99％的镍靶材坯料，所述加工装置包括：

车床，其刀具采用立方氮化硼刀片；

磨床，其磨具采用立方氮化硼砂轮。

本发明具有以下优点：

将背板与镍靶材坯料焊接在一起之后形成镍靶材组件，对镍靶材组件中的镍靶材坯料进行机械加工，包括对镍靶材坯料进行车削加工及磨削加工。通过合理选用车床刀片，严格控制加工参数减小了车床加工时镍靶材表面上的缺陷，以获得精度较高的镍靶材；待车床加工完成后，利用磨床并合理选用磨具对镍靶材进行磨削、抛光以进一步减小镍靶材表面上的缺陷，从而得到尺寸精度高、表面粗糙度低的镍靶材，进而得到符合溅射性能的镍靶材组件。

附图说明

图1是本发明镍靶材组件的加工方法实施例中镍靶材组件的加工流程图。

图2是本发明镍靶材组件的加工方法实施例中镍靶材组件的结构示意图。

图3是图2沿A-O-A的剖视图。

具体实施方式

本发明的目的是提供一种镍靶材组件的加工方法及加工装置，其中镍靶材的材料为4N镍。镍靶材组件的加工方法中包括对镍靶材组件中的镍靶材进行车削加工，通过合理选用车床刀片，严格控制加工参数减小了车床加工时镍靶材表面上的缺陷。待车床加工完成后，利用磨床并合理选用磨具对镍靶材组件中的镍靶材进行磨削、抛光以进一步减小镍靶材表面上的缺陷，从而得到尺寸精度高、表面粗糙度低的镍靶材，进而得到符合溅射性能的镍靶材组件。

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

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

在机械加工过程中人们通常都希望在保证机械加工装置寿命的前提下以最短的加工时间加工出精度高的产品。因此，在进行机械加工之前必须充分考虑加工件的材料、硬度、形状、加工余量及加工装置的性能等因素，然后再选择合适的加工工具及加工条件。在机械加工领域中所述加工条件即为机械加工三要素：转速、进给量和进给速度。其中，

转速：旋转物体在一分钟或一秒内的旋转圈数，其计量单位通常为r/min或r/s。

进给量：加工件或加工工具每旋转一周或往复一次时，加工件与加工工具在进给运动方向上的位移，其计量单位通常为mm。

进给速度：单位时间内加工件与加工工具在进给运动方向上的相对位移，其计量单位通常为mm/min。

图1是本发明镍靶材组件的加工方法实施例中镍靶材组件的加工流程图，如图1所示，镍靶材组件的加工方法包括以下步骤：

S1.提供镍靶材坯料、一侧设有多个水槽的背板。

S2.将镍靶材坯料、背板焊接在一起。

S3.将镍靶材组件固定在车床上对镍靶材坯料进行车削加工以获得镍靶材。

S4.车削加工后，对镍靶材、背板进行清洗。

S5.将镍靶材组件固定在磨床上以对镍靶材进行磨削加工。

图2是本发明镍靶材组件的加工方法实施例中镍靶材组件的结构示意图，图3是图2沿A-O-A的剖视图。下面将图1与图2、图3结合起来对上述镍靶材组件的加工流程作详细说明。

S1.提供镍靶材坯料、一侧设有多个水槽的背板。

镍靶材坯料的材料为4N镍(即纯度为99.99％)，本实施例中镍靶材坯料的材料中还包含铜，在其他实施例中镍靶材坯料可包含其他金属。根据应用环境、溅射设备的实际要求，镍靶材坯料10的形状可以为圆形、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。优选方案为圆形，它的直径尺寸为在设计尺寸上加3mm的加工余量，它的厚度尺寸为在设计尺寸上加1mm的加工余量。设置加工余量的目的是对镍靶材坯料提供比较宽裕的加工空间以得到符合要求的镍靶材组件。

背板11由机械加工形成以使其尺寸符合应用要求，它的材料可以是铜或铜合金。根据应用环境、溅射设备的实际要求，背板11的形状可以为圆形、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。如图2所示，优选方案为圆形。当进行溅射工艺时，镍靶材组件会装配至溅射基台，此时镍靶材组件的工作环境比较恶劣，例如，它所处的工作温度较高如300至500℃。另外，镍靶材组件的一侧会冲冷却水强冷，而另一侧会处于10-9Pa的高真空环境下，因此镍靶材组件的相对两侧形成很大的压差，而且镍靶材组件处于高压电场、磁场中会受到各种粒子的轰击。因此，镍靶材组件中的背板一方面起到支撑镍靶材的作用，另一方面具有传导热量的功效。溅射腔室内的温度很高，由于背板11会与镍靶材坯料10通过焊接连接在一起，为防止温度达到180℃左右时镍会催化背板与镍靶材坯料之间的焊料熔化以致影响镍靶材组件的溅射结果，可在背板11上设置多个深度较大的水槽12以对镍靶材10进行充分冷却。背板11上的水槽12可以利用机械加工的方法形成，如铣削加工。因此，背板11上水槽12所在位置的厚度较薄。如图2所示，水槽12的形状可为环形或圆形。

S2.将镍靶材坯料、背板焊接在一起。

为使镍靶材坯料10、背板11能更好的结合，在两者进行焊接之前可对镍靶材坯料10、背板11的预结合表面进行机械加工以使两者的预结合表面达到必要的光洁度(即表面粗糙度)。然后再对镍靶材坯料10、背板11进行清洗。清洗镍靶材坯料10、背板11的方法有很多种，其中的一种方法是利用有机溶剂进行清洗。有机溶剂可以是酒精、异丁醇(IBA)、异丙醇(IPA)或混丙醇(IPB)中的任一种。

可利用钎焊工艺将镍靶材坯料10、背板11焊接在一起，当然还可以以其它方式将镍靶材坯料10、背板11焊接在一起。

S3.将镍靶材组件固定在车床上对镍靶材坯料进行车削加工以获得镍靶材。

使车床夹具夹持镍靶材组件中的背板11，然后利用车刀对镍靶材坯料10进行车削加工。如图3所示，由于背板11中水槽12的深度较大，因此背板11中对应水槽12位置处的厚度较薄。对镍靶材坯料10进行车削加工，尤其是当加工到水槽12的附近位置时，该位置处的镍靶材组件刚度、机械强度较小，且该位置的受力较小，此时极易出现振刀的现象。振刀会严重影响加工件的加工精度，因此在加工过程中需尽量避免振刀现象的发生。

发明人发现，通过合理选用刀具、调整加工参数可以避免或减少振刀现象的发生。因此，车床的刀具选择立方氮化硼(CBN)刀片。立方氮化硼刀片具有很多优点，例如硬度高，因此可以使车床车削时选择较大的转速从而提高加工效率，而且此时立方氮化硼刀片的变形较小，可以得到加工精度较高的产品，即得到的产品尺寸精度高、表面粗糙度低。

镍靶材组件的车削过程包括粗加工、精加工。首先对镍靶材组件中的镍靶材坯料10进行粗加工。此时，车床主轴转速为300r/min～500r/min，进给量为0.3mm～0.5mm。然后对镍靶材组件中的镍靶材坯料10进行精加工。此时，车床主轴转速为250r/min～300r/min，进给量为0.01mm～0.1mm。当然，在进行粗加工之后、精加工之前还可相应调整加工参数对镍靶材组件中的镍靶材坯料10进行半精加工。车削加工后，镍靶材组件中镍靶材坯料10的精度大大提高从而得到镍靶材10。

S4.车削加工后，对镍靶材、背板进行清洗。

进行车削后，镍靶材组件上会附着有车削屑，为避免车削屑影响镍靶材组件的后续加工精度，可对镍靶材10、背板11进行清洗。清洗镍靶材10、背板11的方法有很多种，其中的一种方法是利用有机溶剂进行清洗。有机溶剂可以是酒精、异丁醇(IBA)、异丙醇(IPA)或混丙醇(IPB)中的任一种。

S5.将镍靶材组件固定在磨床上以对镍靶材进行磨削加工。

进行上述步骤S3之后，镍靶材表面的精度虽然有所提高，但仍存在部分缺陷，其表面粗糙度即光洁度还不能达到溅射工艺的要求。因此需对镍靶材组件中的镍靶材10进行进一步加工以提高镍靶材表面的光洁度。

利用磨床对镍靶材组件中的镍靶材进行进一步加工。磨床中的磨具选择粒度为180目的立方氮化硼砂轮。立方氮化硼砂轮具有很多优点，如可进行高速磨削加工，从而提高加工效率，另外，它还可以提高磨削加工的加工精度从而提高产品表面的加工质量。利用立方氮化硼砂轮对镍靶材10进行磨削加工，此时，立方氮化硼砂轮的转速可为2800r/min～3200r/min，进给速度可为450mm/min～550mm/min。

立方氮化硼砂轮的转速对其使用寿命有着非常大的影响。如果转速过高，立方氮化硼砂轮的温度因为摩擦而迅速上升，导致其寿命大大减少；如果转速过低，会降低加工效率。为此，当其转速为3000r/min时，立方氮化硼砂轮寿命与加工效率之间可以得到一个较好的平衡。

进给量是决定加工件表面质量的关键因素。如果进给量过小，立方氮化硼砂轮的磨削面磨损较大，使其寿命大大降低；如果进给量过大，会导致镍靶材组件出现崩裂的缺陷。因此，进给量选择0.005mm～0.02mm。

此外，为了减少因摩擦升温导致的立方氮化硼砂轮和镍靶材组件变形以致镍靶材的加工精度降低，并为了延长立方氮化硼砂轮的使用寿命，在磨削的过程中利用乳化液对立方氮化硼砂轮及镍靶材组件进行冷却，以减小它们的变形从而提高加工精度，并延长了立方氮化硼砂轮的使用寿命。

综上所述，本发明中镍靶材组件的加工方法具有以下优点：

将背板与镍靶材坯料焊接在一起之后形成镍靶材组件，对镍靶材组件中的镍靶材坯料进行机械加工，包括对镍靶材坯料进行车削加工及磨削加工。通过合理选用车床刀片，严格控制加工参数减小了车床加工时镍靶材表面上的缺陷，以获得精度较高的镍靶材；待车床加工完成后，利用磨床并合理选用磨具对镍靶材进行磨削、抛光以进一步减小镍靶材表面上的缺陷，从而得到尺寸精度高、表面粗糙度低的镍靶材，进而得到符合溅射性能的镍靶材组件。

相应的，本发明还提供一种镍靶材组件的加工装置，所述镍靶材组件包括连接在一起的背板、纯度为99.99％的镍靶材坯料，所述加工装置包括：

车床，其刀具采用立方氮化硼刀片；

磨床，其磨具采用立方氮化硼砂轮。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (6)

1.一种镍靶材组件的加工方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供一侧设有多个水槽的背板、纯度为99.99％的镍靶材坯料；

将所述镍靶材坯料与所述背板焊接在一起，所述背板为圆形，所述水槽为与所述背板同心的环形水槽，所述水槽设置在背板背离镍靶材坯料的一侧；

将所述镍靶材组件固定在车床上对所述镍靶材坯料进行车削加工以得到镍靶材，所述车床的刀具采用立方氮化硼刀片，所述车削加工包括粗加工及粗加工之后的精加工：进行所述粗加工时，所述车床的主轴转速为300r/min～500r/min，所述车床的进给量为0.3mm～0.5mm；进行所述精加工时，所述车床的主轴转速为250r/min～300r/min，所述车床的进给量为0.01mm～0.1mm；

将所述镍靶材组件固定在磨床上对所述镍靶材进行磨削加工，所述磨床的磨具采用立方氮化硼砂轮，所述立方氮化硼砂轮的粒度为180目，所述所述立方氮化硼砂轮的转速为2800r/min～3200r/min，所述立方氮化硼砂轮的进给速度为450mm/min～550mm/min，所述立方氮化硼砂轮的进给量为0.005mm～0.02mm。

2.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，所述立方氮化硼砂轮的转速为3000r/min。

3.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，将所述镍靶材坯料与所述背板焊接在一起之前，还包括对所述镍靶材坯料、背板进行清洗的步骤。

4.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，进行所述车削加工步骤之后、所述磨削加工步骤之前，还包括对所述镍靶材、背板进行清洗的步骤。

5.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，将所述镍靶材坯料与所述背板焊接在一起的步骤中，所述镍靶材坯料与所述背板通过钎焊连接在一起。

6.根据权利要求1所述的加工方法，其特征在于，进行所述磨削加工时，利用乳化液对所述立方氮化硼砂轮、镍靶材组件进行冷却。