CN111455328A - 一种避免反溅射层剥离的sip系列靶材及其用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种避免反溅射层剥离的SIP系列靶材及其用途。所述SIP系列靶材包括阴极金属，所述阴极金属边缘的倒角半径R≥4mm。针对现有技术中，常规的SIP系列靶材，阴极金属与反溅射层间的界面设计并不能很好地缓解因热膨胀系数差异而产生的界面应力不匹配和应力集中问题，存在反溅射层剥落的风险；且反溅射层剥落会产生异常物理尖端，从而引发尖端放电，导致后续芯片的电性测试失效及硅片报废的问题。本发明所述SIP系列靶材能够有效地缓解阴极金属与反溅射层间的应力不匹配和应力集中情形，能够避免反溅射层剥离和等离子体尖端放电的问题。

Description

一种避免反溅射层剥离的SIP系列靶材及其用途
技术领域
本发明属于半导体用溅射靶材技术领域，具体涉及一种避免反溅射层剥离的SIP系列靶材及其用途。
背景技术
在测控溅射物理气相沉积过程中，阴极金属靶材边缘不可避免地会形成反溅射层薄膜。常规工艺条件下，SIP系列靶材的反溅射层厚度通常约为几十微米；而在某些特定工艺参数和腔体环境中，SIP系列靶材反溅射层厚度甚至可达200μm以上。
反溅射层的化学成分通常与阴极金属靶材不同，视具体的工艺参数而定。比如，SIP Ti靶，采用TiN工艺，反溅射层成分主要为TiN。反溅射层与阴极靶材成分差异必然会导致二者的热膨胀系数不一致，从而在二者的界面处产生应力的不匹配。如SIP Ti靶，Ti的热膨胀系数大于TiN，因此，Ti中受到张应力作用，而TiN中受到压应力作用，二者的界面处应力不匹配会导致阴极金属Ti与反溅射层TiN膜相互背离的倾向。
常规的SIP系列靶材，阴极金属与反溅射层间的界面设计并不能很好地缓解因热膨胀系数差异而产生的界面应力不匹配和应力集中问题，存在反溅射层剥落的风险。反溅射层剥落会产生异常物理尖端，从而引发尖端放电，在硅片上随机产生异常颗粒，导致后续芯片的电性测试失效及硅片报废。
CN101360844公开了一种能够更有效地减少电弧放电发生的溅射靶、适用于所述溅射靶的溅射靶材及其制造方法。溅射靶材是在油分存在的情况下进行了切削加工的溅射靶材，附着在溅射前的该靶材表面上的油膜厚度为1.5nm以下，溅射靶包括所述溅射靶材和背衬板。但是所述方法得到的溅射靶无法有效解决阴极金属与产生的反溅射层间的界面应力不匹配和应力集中问题。
CN109894629A公开了一种圆柱形靶材增大溅射面积加工方法，包括以下步骤，提供靶材，所述靶材一端设置有待加工面，固定靶材，将靶材固定在机床一侧，根据提供的刻度，调整机床上的刻度盘，推动刻度盘上的小拖板，使小拖板上的设置有车刀的刀架往靶材的待加工面方向移动，车刀开始对待加工面车锥面。但是所述方法得到的圆柱形靶材无法有效解决阴极金属与产生的反溅射层间的界面应力不匹配和应力集中问题，存在反溅射层剥落的风险。
因此，本领域需要开发出一种新型SIP系列靶材，所述靶材能够有效地解决反溅射层剥离的问题。
发明内容
针对现有技术中，常规的SIP系列靶材，阴极金属与反溅射层间的界面设计并不能很好地缓解因热膨胀系数差异而产生的界面应力不匹配和应力集中问题，存在反溅射层剥落的风险；且反溅射层剥落会产生异常物理尖端，从而引发尖端放电，导致后续芯片的电性测试失效及硅片报废的问题。本发明的目的在于提供一种避免反溅射层剥离的SIP系列靶材及其用途。所述SIP系列靶材能够有效地缓解阴极金属与反溅射层间的应力不匹配和应力集中情形，能够避免反溅射层剥离和等离子体尖端放电的问题。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的目的之一在于提供一种避免反溅射层剥离的SIP系列靶材，所述SIP系列靶材包括阴极金属，所述阴极金属边缘的倒角半径R≥4mm，例如4.5mm、5mm、5.5mm、6mm、6.5mm、7mm、7.5mm、8mm、8.5mm、9mm、9.5mm、10mm、10.5mm、11mm、11.5mm、12mm、12.5mm、13mm、13.5mm、14mm、14.5mm或15mm等。
本发明通过设计边缘轮廓形貌，增加阴极金属边缘过渡圆弧R角(倒角)半径(R≥4mm)，大大降低了反溅射层与阴极金属界面间的应力集中系数，极大降低了反溅射层剥离的风险以及避免反溅射层剥离和等离子体尖端放电，解决了现有技术中SIP系列靶材阴极金属边缘设计的过渡圆弧R’角半径偏小(R’＝2mm)，造成的阴极金属界面间的应力集中系数过大，使得反溅射层容易剥离，形成异常尖端导致尖端放电的问题。
本发明所述倒角为：若阴极金属的非自由面为下表面，则与之相对的面为上表面，所述上表面与侧面之间的过渡圆弧即为倒角(在阴极金属边缘的过渡圆弧，且不与背板相接触的角)。
本发明通过测试得出的R角半径对应力集中系数的影响，公式为KT＝1+ARn(A,n为拟合参数，KT为应力集中系数)。
本发明对于阴极金属的形貌及尺寸不做具体限定，本领域技术人员可根据实际需要进行选择，示例性的阴极金属整体形貌为圆盘形，边缘带有斜边和R角设计，阴极金属的整体外圆直径为425mm，总高度为12.7mm。
优选地，所述倒角半径R≥6mm，例如6.5mm、7mm、7.5mm、8mm、8.5mm、9mm、9.5mm、10mm、10.5mm、11mm、11.5mm、12mm、13mm、14mm或15mm等。
优选地，所述倒角半径R为6～12mm，例如6.5mm、7mm、7.5mm、8mm、8.5mm、9mm、9.5mm、10mm、10.2mm、10.5mm、11mm、11.5mm、11.8mm和12mm。
优选地，所述倒角半径R为6～9mm，例如6.1mm、6.3mm、6.5mm、6.7mm、6.9mm、7mm、7.1mm、7.3mm、7.5mm、7.7mm、7.9mm、8.1mm、8.3mm、8.5mm、8.7mm或8.9mm等。
本发明中倒角半径R范围的选择可以有效的缓解阴极金属与反溅射层界面间的应力过于集中的问题，防止反溅射层剥离，进而达到最优的技术效果。倒角半径过大，阴极金属边缘倒角与背板的距离偏小，没有足够的空间进行侧壁表面处理，反而大大增加了放电和硅片报废的风险。在本发明优选的半径R为6～9mm范围内，可以达到最优的技术效果。
优选地，所述倒角半径R对应的圆心角为30～60°，例如32°、34°、35°、36°、38°、40°、42°、45°、46°、48°、50°、52°、55°或58°等。
优选地，所述SIP系列靶材还包括背板。
本发明对所述背板的材质、形貌及尺寸不做具体限定，本领域技术人员可根据实际需要进行选择，只要满足其可完全覆盖阴极金属的一个表面即可(即尺寸＞阴极金属)。
优选地，所述阴极金属的非自由面与背板相接触，所述阴极金属的非自由面为不含有所述阴极金属边缘的倒角的一面。
优选地，所述阴极金属包括金属Ti、金属Al、金属Ta和金属Cu中的任意一种或至少两种的组合，优选为金属Ti。
本发明的目的之二在于提供一种金属薄膜的制备方法，所述方法包括：在物理气相沉积PVD过程中，目的之一所述的避免反溅射层剥离的SIP系列靶材在Ar离子轰击下，形成金属薄膜。
优选地，所述避免反溅射层剥离的SIP系列靶材为SIP Ti靶材，所述方法包括：采用TiN工艺，以SIP Ti靶材制备Ti金属薄膜。
采用常规的SIP Ti靶，Ti的热膨胀系数大于TiN，Ti中受到张应力作用，而TiN中受到压应力作用，二者的界面处应力不匹配会导致阴极金属Ti与反溅射层TiN膜相互背离的倾向，因此无法采用常规的SIP Ti靶进行制备。而本发明的避免反溅射层剥离的SIP系列靶材通过改变阴极金属与反溅射层的界面轮廓，从而有效地缓解阴极金属与反溅射层间的应力不匹配和应力集中情形，避免反溅射层剥离，进而可以有效地解决阴极金属Ti与反溅射层TiN膜剥离的问题。
本发明的目的之三在于提供一种金属薄膜，所述金属薄膜通过目的之二所述的方法制备得到。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
本发明提出一种SIP系列靶材设计，通过改变阴极金属与反溅射层的界面轮廓(增加过渡圆弧半径)，从而有效地缓解阴极金属与反溅射层间的应力不匹配和应力集中的问题，能够有效地避免反溅射层剥离，以及反溅射层剥离和等离子体尖端放电的问题。
附图说明
图1是本发明实施例1和对比例1提供的SIP系列靶材结构对比例示意图，图中1为阴极金属，2为背板；
图2是本发明实施例1与对比例1中SIP系列靶材应力集中系数测试图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。在不脱离本发明实施例原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明实施例的保护范围。
实施例1
本实施例SIP系列靶材的结构示意图如图1所示，其中1为阴极金属，2为背板，半径R＝8mm；
本实施例SIP系列靶材中阴极材料、背板材料的组成、及制备方法如下所示：
阴极金属材料：4N5 Ti(纯度≥99.995％)；
阴极金属形状：圆盘形，边缘设计有斜边和R角；
阴极金属尺寸：整体外圆直径为425mm，总高度为12.7mm；
背板材料：Cu合金；
制备过程：采用机加工(普车、数控)方式在阴极金属边缘加工出圆弧过渡，半径R＝8mm。
实施例2
与实施例1的区别在于，所述半径R＝10mm。
实施例3
与实施例1的区别在于，所述半径R＝12mm。
实施例4
与实施例1的区别在于，所述半径R＝15mm。
通过实施例1-4进行对比可知，随着倒角半径逐渐增大，阴极金属边缘倒角与背板的距离偏小，没有足够的空间进行侧壁表面处理，反而大大增加了放电和硅片报废的风险，实施例1-4半径R逐渐增大，放电和硅片报废的风险逐渐增加。因此，在本发明优选的半径R为6～9mm范围内，不仅应力集中系数低，且放电和硅片报废的风险也较低，可以达到优异的技术效果。
对比例1
本对比例SIP系列靶材的结构示意图如图1所示，其中1为阴极金属，2为背板，半径R’＝2mm；
本对比例SIP系列靶材中阴极材料、背板材料的组成、及制备方法如下所示：
阴极金属材料：4N5 Ti(纯度≥99.995％)；
阴极金属形状：圆盘形，边缘设计有斜边和R角；
阴极金属尺寸：整体外圆直径为425mm，总高度为12.7mm；
背板材料：Cu合金；
制备过程：采用机加工(普车、数控)方式在阴极金属边缘加工出圆弧过渡，半径R’为2mm。
图2是本发明实施例1与对比例1中SIP系列靶材应力集中系数测试图(本发明通过测试得出的R角半径对应力集中系数的影响，公式为KT＝1+ARn，A，n为拟合参数)，由图中可以看出，本发明通过改变过渡圆弧的半径R，有效地降低了应力集中系数，从而有效地缓解阴极金属与反溅射层间的应力不匹配，以及应力集中的问题；能够有效地避免反溅射层剥离，以及反溅射层剥离和等离子体尖端放电的问题。
性能测试：
将各实施例和对比例得到的SIP系列靶材进行如下性能测试：
(1)应力集中系数：采用有限元方法构建阴极金属模型，并在阴极金属边缘圆弧过渡处表面构建反溅射层，反溅射层厚度200μm，靶材溅射过程中的腔体温度设定为200℃，通过有限元模拟腔体温度降为25℃过程中R角处的应力分布，计算出对应的应力集中系数。
表1
R角半径 圆心角 应力集中系数
实施例1 8mm 45° 1.6
对比例1 2mm 45° 3.5
通过表1可以看出，本发明通过增大过渡圆弧的半径R(现有技术通常为2mm)，有效地降低了应力集中系数，从而有效地缓解阴极金属与反溅射层间的应力不匹配，以及应力集中的问题；能够有效地避免反溅射层剥离，以及反溅射层剥离和等离子体尖端放电的问题。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细工艺设备和工艺流程，但本发明并不局限于上述详细工艺设备和工艺流程，即不意味着本发明必须依赖上述详细工艺设备和工艺流程才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。

Claims (11)

1.一种避免反溅射层剥离的SIP系列靶材，其特征在于，所述SIP系列靶材包括阴极金属，所述阴极金属边缘的倒角半径R≥4mm。
2.如权利要求1所述的避免反溅射层剥离的SIP系列靶材，其特征在于，所述倒角半径R≥6mm。
3.如权利要求1或2所述的避免反溅射层剥离的SIP系列靶材，其特征在于，所述倒角半径R为6～12mm。
4.如权利要求1-3之一所述的避免反溅射层剥离的SIP系列靶材，其特征在于，所述倒角半径R为6～9mm。
5.如权利要求1-4之一所述的避免反溅射层剥离的SIP系列靶材，其特征在于，所述倒角半径R对应的圆心角为30～60°。
6.如权利要求1-5之一所述的避免反溅射层剥离的SIP系列靶材，其特征在于，所述SIP系列靶材还包括背板。
7.如权利要求1-6之一所述的避免反溅射层剥离的SIP系列靶材，其特征在于，所述阴极金属的非自由面与背板相接触，所述阴极金属的非自由面为不含有所述阴极金属边缘的倒角的一面。
8.如权利要求1-7之一所述的避免反溅射层剥离的SIP系列靶材，其特征在于，所述阴极金属包括金属Ti、金属Al、金属Ta和金属Cu中的任意一种或至少两种的组合，优选为金属Ti。
9.一种金属薄膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括：在物理气相沉积PVD过程中，权利要求1-8之一所述的避免反溅射层剥离的SIP系列靶材在Ar离子轰击下，形成金属薄膜。
10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，所述避免反溅射层剥离的SIP系列靶材为SIP Ti靶材，所述方法包括：采用TiN工艺，以SIP Ti靶材制备Ti金属薄膜。
11.一种金属薄膜，其特征在于，所述金属薄膜通过权利要求9或10所述的方法制备得到。
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