CN112404461A - 一种钛靶材组件的车削方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种钛靶材组件的车削方法，所述车削方法包括如下步骤：先将钛锭切断进行塑性变形；然后将得到的钛靶材坯料与背板进行焊接，得到钛靶材组件粗品；随后将得到的钛靶材组件粗品中的所述钛靶材坯料的溅射面依次进行粗车削和精车削，得到所述钛靶材组件；其中，所述精车削的待加工余量为0.4‑0.6mm，所述精车削分为至少2刀进行车削。本发明所述车削方法采用依次进行粗车削和精车削的机加工方式，并进一步限定了所述精车削的待加工余量以及分为至少2刀进行车削，使得钛靶材组件的溅射面不仅可以满足粗糙度要求，还可以保证平面度＜0.1mm，避免表面应力留存，而且能够使得刀片的磨损速度变慢。
Description
技术领域
本发明涉及靶材加工领域，具体涉及一种钛靶材组件的车削方法。
背景技术
磁控溅射镀膜过程是将靶材和晶圆放在同一个真空密闭环境中，并在真空密闭环境中充入惰性气体氩气，将靶材置于正极，将晶圆置于负极，在电场的作用下，惰性气体氩气被电离分解成氩离子，氩离子在电场的作用下轰击靶材的表面使靶材的靶材原子溅射到晶圆表面。因此，置于正极的靶材的表面质量对于磁控溅射镀膜过程非常重要，一般要满足尺寸、平整度、纯度、成分含量、密度、晶粒尺寸和内部组织缺陷控制等多种要求。
由于靶材的强度不一，在实际应用过程中，需要将符合性能要求的靶材和具有一定强度的背板结合制成靶材组件，然后安装在溅射机台上，在磁场、电场作用下有效地进行磁控溅射控制。背板可以为靶材提供支撑作用，并具有传导热量的功效，因此需要将靶材和背板进行加工并焊接成型。
目前，高纯钛靶材在半导体芯片制作中有着广泛的应用，例如导电插塞金属填充、金属电极薄膜沉积等。但是，由于高纯钛靶材一般采用将高纯钛锭熔铸后经塑性变形工艺制备，使得高纯钛靶材具有强度高、硬度大等特点，并且钛成粉末时还容易燃烧。因此，当高纯钛靶材和背板焊接后的钛靶材组件需要进行机加工，才能满足用于磁控溅射镀膜的尺寸、平整度等要求。
现有技术公开了一些钛靶材组件的制备方法，例如CN111185659A公开了一种钛靶材和背板的扩散焊接方法及制得的钛靶材组件，所述焊接方法通过加入垫圈有效地改进了钛靶材和背板的装配结构，提高了钛靶材和背板的焊接结合度，然后依次进行机加工、尺寸检测、清洗干燥，即可得到用于磁控溅射镀膜的钛靶材组件；CN108687492A公开了一种靶材组件的制造方法，包括：提供钛靶材的坯料以及背板，所述坯料具有溅射面以及与所述溅射面相对的焊接面；对所述焊接面进行车削加工，在所述焊接面上形成螺纹；将所述钛靶材的坯料与所述背板采用热等静压工艺焊接在一起，形成靶材组件。
虽然上述方案公开了对高纯钛靶材以及钛靶材组件进行机加工，尤其是采用车削方式进行加工，但是仅仅是关注高纯钛靶材与背板相接触的焊接面的车削方法，并未公开高纯钛靶材的溅射面的车削方法。然而，目前对于高纯钛靶材溅射面的机加工方式仅仅采用粗车削的方式，不仅容易导致高纯钛靶材溅射面的表面产生挤压应力层，进而造成磁控溅射镀膜过程中发生异常放电现象，严重污染腔室环境，甚至污染晶圆，还容易加快刀片的磨损速度。
综上所述，目前亟需开发一种钛靶材组件的车削方法，使得钛靶材的溅射面不仅可以满足粗糙度要求，还可以保证平面度＜0.1mm，避免表面应力留存，有效地提高钛靶材的表面质量，而且能够使得刀片的磨损速度变慢。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供了一种钛靶材组件的车削方法，所述车削方法采用依次进行粗车削和精车削的机加工方式，并进一步限定了所述精车削的待加工余量以及分为至少2刀进行车削，使得钛靶材组件的溅射面不仅可以满足粗糙度要求，还可以保证平面度＜0.1mm，避免表面应力留存，减少了磁控溅射镀膜过程中的异常放电现象，而且能够使得刀片的磨损速度变慢。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的目的在于提供一种钛靶材组件的车削方法，所述车削方法包括如下步骤：
(1)将钛锭切断进行塑性变形，得到钛靶材坯料；
(2)将步骤(1)得到的钛靶材坯料与背板进行焊接，得到钛靶材组件粗品；
(3)将步骤(2)得到的钛靶材组件粗品中的所述钛靶材坯料的溅射面依次进行粗车削和精车削，得到所述钛靶材组件；
其中，所述精车削的待加工余量为0.4-0.6mm，所述精车削分为至少2刀进行车削。
现有技术采用粗车削的方式对钛靶材组件粗品进行机加工，进刀量较大，使得钛靶材的溅射面产生车削挤压层，会产生表面应力留存问题，在磁控溅射镀膜过程中在晶圆上会产生异常放电现象，污染溅射腔室的环境。为了解决这一问题，本发明所述车削方法采用依次进行粗车削和精车削的机加工方式，在产品快要加工到成品时，在厚度方向上还有0.4-0.6mm的待加工余量，将原来的粗车削改为精车削，并且分为至少2刀进行车削，使得钛靶材组件的溅射面不仅可以满足粗糙度要求，还可以保证平面度＜0.1mm，避免表面应力留存，减少了磁控溅射镀膜过程中的异常放电现象，有效地提高了钛靶材的表面质量，而且能够使得刀片的磨损速度变慢。
本发明所述精车削的待加工余量为0.4-0.6mm，例如0.4mm、0.45mm、0.5mm、0.55mm或0.6mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，步骤(3)所述精车削分为4-9刀进行车削，例如4刀、5刀、6刀、7刀、8刀或9刀中的任意一种方式。
优选地，步骤(3)所述精车削的第一刀的进刀量为0.2-0.25mm，例如0.2mm、0.21mm、0.22mm、0.23mm、0.24mm或0.25mm等，后续每一刀的进刀量为0.03-0.07mm，例如0.03mm、0.04mm、0.05mm、0.06mm或0.07mm等，但并不仅限于所列举的数值，上述数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(3)所述精车削的转动速度为200-300r/min，例如200r/min、220r/min、240r/min、250r/min、270r/min、290r/min或300r/min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明所述精车削进一步限定分为4-9刀进行车削，而且限定第一刀的进刀量为0.2-0.25mm，后续每一刀的进刀量为0.03-0.07mm，不仅可以保证粗糙度要求，保证平面度＜0.1mm，避免表面应力留存，减少磁控溅射镀膜过程中的异常放电现象，有效地提高钛靶材的表面质量，还可以尽可能地节约时间，提高加工效率。
作为本发明优选的技术方案，步骤(3)所述粗车削的待加工余量为0.7-1.3mm，例如0.7mm、0.8mm、0.9mm、1mm、1.1mm、1.2mm或1.3mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(3)所述粗车削的每一刀的进刀量为0.3-0.5mm，例如0.3mm、0.35mm、0.4mm、0.45mm或0.5mm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(3)所述粗车削的转动速度为200-300r/min，例如200r/min、220r/min、240r/min、250r/min、270r/min、290r/min或300r/min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明所述粗车削的目的是将所述钛靶材坯料的表面杂质去除，因为所述钛靶材坯料是采用铸造形成的，在前面的塑性变形期间进行了多次热处理，表面会存在较多杂质，为此，所述粗车削的待加工余量较大，每一刀的进刀量也较大。
作为本发明优选的技术方案，步骤(3)所述粗车削和所述精车削均采用车削液。
本发明所述车削液属于粗车削和精车削的辅助物，因为在粗车削和精车削的过程中，刀片转动的速度较快，刀片与钛靶材坯料的接触面温度会升高，使用车削液可以有效地降低接触面的温度，避免由于温度过高而产生火花，造成靶材组件和刀具的损坏，甚至发生危险事故。
优选地，所述车削液为乳化液的水溶液，即，采用乳化液兑水得到。
优选地，所述乳化液的水溶液的体积浓度为5-10％，例如5％、6％、7％、8％、9％或10％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述乳化液的含油量为50-80vol％，例如50vol％、55vol％、60vol％、65vol％、70vol％、75vol％或80vol％等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明所述含油量指的是乳化液中基础油的体积含量。
优选地，所述乳化液为加德士安快达3380水溶性车削液。
本发明所述乳化液在粗车削和精车削的过程中，具有润滑能力强、冷却性好且散热快等优点，使得刀片与钛靶材坯料之间的摩擦减少，从而降低接触面的表面温度，进而达到钛靶材溅射面的粗糙度要求，同时，有利于提高加工效率。
作为本发明优选的技术方案，步骤(3)所述粗车削和所述精车削均采用的是卧式数控机床。
优选地，所述卧式数控机床为台中精机VT22型号机床。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述塑性变形包括依次进行的锻造、退火、轧制、终端退火和机加工。
本发明所述包括依次进行的锻造、退火、轧制、终端退火和机加工的塑性变形可以去除钛锭内部的缺陷，细化晶粒，从而可以满足后续磁控溅射镀膜过程中对钛靶材的晶粒要求，而且，所述塑性变形均为现有技术，此处不再赘述。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述钛锭的纯度为99.995-99.999％，其余为不可避免的杂质。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述背板为铜合金背板或铝合金背板。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述焊接为扩散焊接或钎焊。
作为本发明优选的技术方案，所述车削方法包括如下步骤：
(1)将纯度为99.995-99.999％的钛锭切断，依次进行包括锻造、退火、轧制、终端退火和机加工在内的塑性变形，得到钛靶材坯料；
(2)将步骤(1)得到的钛靶材坯料与铜合金背板或铝合金背板进行焊接，得到钛靶材组件粗品；
其中，所述焊接为扩散焊接或钎焊；
(3)将步骤(2)得到的钛靶材组件粗品放入台中精机VT22型号机床内，对所述钛靶材坯料的溅射面依次进行粗车削和精车削，得到所述钛靶材组件；
其中，所述粗车削的待加工余量为0.7-1.3mm，所述粗车削的每一刀的进刀量为0.3-0.5mm，所述粗车削的转动速度为200-300r/min；
所述精车削的待加工余量为0.4-0.6mm，所述精车削分为4-9刀进行车削，所述精车削的第一刀的进刀量为0.2-0.25mm，后续每一刀的进刀量为0.03-0.07mm，所述精车削的转动速度为200-300r/min；
所述粗车削和所述精车削均采用加德士安快达3380水溶性车削液，所述车削液的体积浓度为5-10％。
与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：
本发明提供了一种钛靶材组件的车削方法，所述车削方法采用依次进行粗车削和精车削的机加工方式，并进一步限定了所述精车削的待加工余量以及分为至少2刀进行车削，使得钛靶材组件的溅射面不仅可以满足粗糙度要求，还可以保证平面度＜0.1mm，避免表面应力留存，减少了磁控溅射镀膜过程中的异常放电现象，而且能够使得刀片的磨损速度变慢。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供了一种钛靶材组件的车削方法，所述车削方法包括如下步骤：
(1)将纯度为99.999％的钛锭切断，依次进行包括锻造、退火、轧制、终端退火和机加工在内的塑性变形，得到钛靶材坯料；
(2)将步骤(1)得到的钛靶材坯料与铝合金背板进行焊接，得到钛靶材组件粗品；
其中，所述焊接为扩散焊接；
(3)将步骤(2)得到的钛靶材组件粗品放入台中精机VT22型号机床内，对所述钛靶材坯料的溅射面依次进行粗车削和精车削，得到所述钛靶材组件；
其中，所述粗车削的待加工余量为1mm，所述粗车削每一刀的进刀量为0.5mm，所述粗车削的转动速度为250r/min，所述粗车削共进行1刀，为后续所述精车削留下0.5mm的待加工余量；
所述精车削分为6刀进行车削，所述精车削的第一刀的进刀量为0.25mm，后续每一刀的进刀量为0.05mm，所述精车削的转动速度为250r/min；
所述粗车削和所述精车削均采用加德士安快达3380水溶性车削液，所述车削液的体积浓度为8％。
实施例2
本实施例提供了一种钛靶材组件的车削方法，除了将步骤(3)“所述精车削分为6刀进行车削”替换为“所述精车削分为9刀进行车削”，其他条件和实施例1完全相同，具体内容如下：
所述精车削分为9刀进行车削，所述精车削的第一刀的进刀量为0.25mm，后续每一刀的进刀量为0.03mm，所述精车削的转动速度为250r/min，值得说明的是，虽然剩余了0.01mm的待加工余量，但是在加工误差范围内，可以忽略。
实施例3
本实施例提供了一种钛靶材组件的车削方法，除了将步骤(3)“所述精车削分为6刀进行车削”替换为“所述精车削分为2刀进行车削”，其他条件和实施例1完全相同，具体内容如下：
所述精车削分为2刀进行车削，所述精车削的每一刀的进刀量均为0.25mm，所述精车削的转动速度为250r/min。
实施例4
本实施例提供了一种钛靶材组件的车削方法，所述车削方法包括如下步骤：
(1)将纯度为99.995％的钛锭切断，依次进行包括锻造、退火、轧制、终端退火和机加工在内的塑性变形，得到钛靶材坯料；
(2)将步骤(1)得到的钛靶材坯料与铝合金背板进行焊接，得到钛靶材组件粗品；
其中，所述焊接为扩散焊接；
(3)将步骤(2)得到的钛靶材组件粗品放入台中精机VT22型号机床内，对所述钛靶材坯料的溅射面依次进行粗车削和精车削，得到所述钛靶材组件；
其中，所述粗车削的待加工余量为0.7mm，所述粗车削每一刀的进刀量为0.3mm，所述粗车削的转动速度为300r/min，所述粗车削共进行1刀，为后续所述精车削留下0.4mm的待加工余量；
所述精车削分为6刀进行车削，所述精车削的第一刀的进刀量为0.2mm，后续每一刀的进刀量为0.04mm，所述精车削的转动速度为300r/min；
所述粗车削和所述精车削均采用加德士安快达3380水溶性车削液，所述车削液的体积浓度为10％。
实施例5
本实施例提供了一种钛靶材组件的车削方法，所述车削方法包括如下步骤：
(1)将纯度为99.999％的钛锭切断，依次进行包括锻造、退火、轧制、终端退火和机加工在内的塑性变形，得到钛靶材坯料；
(2)将步骤(1)得到的钛靶材坯料与铜合金背板进行焊接，得到钛靶材组件粗品；
其中，所述焊接为钎焊；
(3)将步骤(2)得到的钛靶材组件粗品放入台中精机VT22型号机床内，对所述钛靶材坯料的溅射面依次进行粗车削和精车削，得到所述钛靶材组件；
其中，所述粗车削的待加工余量为1.3mm，所述粗车削每一刀的进刀量为0.35mm，所述粗车削的转动速度为200r/min，所述粗车削共进行2刀，为后续所述精车削留下0.6mm的待加工余量；
所述精车削分为6刀进行车削，所述精车削的第一刀的进刀量为0.25mm，后续每一刀的进刀量均为0.07mm，所述精车削的转动速度为200r/min；
所述粗车削和所述精车削均采用加德士安快达3380水溶性车削液，所述车削液的体积浓度为5％。
对比例1
本对比例提供了一种钛靶材组件的车削方法，所述车削方法包括如下步骤：
(1)将纯度为99.999％的钛锭切断，依次进行包括锻造、退火、轧制、终端退火和机加工在内的塑性变形，得到钛靶材坯料；
(2)将步骤(1)得到的钛靶材坯料与铝合金背板进行焊接，得到钛靶材组件粗品；
其中，所述焊接为扩散焊接；
(3)将步骤(2)得到的钛靶材组件粗品放入台中精机VT22型号机床内，对所述钛靶材坯料的溅射面仅进行粗车削，得到所述钛靶材组件；
其中，所述粗车削的待加工余量为1mm，所述粗车削每一刀的进刀量为0.5mm，所述粗车削的转动速度为250r/min，所述粗车削共进行2刀；
所述粗车削采用加德士安快达3380水溶性车削液，所述车削液的体积浓度为8％。
也就是说，本对比例除了将步骤(3)所述“依次进行粗车削和精车削”替换为“仅进行粗车削”，其他条件和实施例1完全相同。
将上述实施例和对比例得到的钛靶材组件的溅射面通过平面度来表征表面应力的大小，当平面度＜0.1mm时，溅射面的表面应力留存较少，实际采用三坐标测量仪进行检测，具体测试结果如表1所示。
表1
| 组别 | 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | 对比例1 |
| 平面度 | 0.04mm | 0.04mm | 0.09mm | 0.05mm | 0.06mm | 0.3mm |
由表1可以看出如下几点：
(1)本发明所述车削方法采用依次进行粗车削和精车削的机加工方式，并进一步限定了所述精车削的待加工余量以及分为至少2刀进行车削，使得钛靶材组件的溅射面不仅可以满足粗糙度要求，还可以保证平面度＜0.1mm，避免表面应力留存，减少了磁控溅射镀膜过程中的异常放电现象，而且能够使得刀片的磨损速度变慢；
(2)将实施例1与2、3进行对比可以看出，当所述精车削的待加工余量、转动速度均保持一致的情况下，由于实施例3所述精车削分刀车削的刀数较少，即平均的进刀量较大，导致溅射面的平面度较大；然而，即使实施例2所述精车削分刀车削的刀数高达9刀，即平均的进刀量较小，溅射面的平面度却没有相应地进一步减少，反而耗能耗时。
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 (10)
1.一种钛靶材组件的车削方法，其特征在于，所述车削方法包括如下步骤：
(1)将钛锭切断进行塑性变形，得到钛靶材坯料；
(2)将步骤(1)得到的钛靶材坯料与背板进行焊接，得到钛靶材组件粗品；
(3)将步骤(2)得到的钛靶材组件粗品中的所述钛靶材坯料的溅射面依次进行粗车削和精车削，得到所述钛靶材组件；
其中，所述精车削的待加工余量为0.4-0.6mm，所述精车削分为至少2刀进行车削。
2.根据权利要求1所述的车削方法，其特征在于，步骤(3)所述精车削分为4-9刀进行车削；
优选地，步骤(3)所述精车削的第一刀的进刀量为0.2-0.25mm，后续每一刀的进刀量为0.03-0.07mm；
优选地，步骤(3)所述精车削的转动速度为200-300r/min。
3.根据权利要求1或2所述的车削方法，其特征在于，步骤(3)所述粗车削的待加工余量为0.7-1.3mm；
优选地，步骤(3)所述粗车削的每一刀的进刀量为0.3-0.5mm；
优选地，步骤(3)所述粗车削的转动速度为200-300r/min。
4.根据权利要求1-3任一项所述的车削方法，其特征在于，步骤(3)所述粗车削和所述精车削均采用车削液；
优选地，所述车削液为乳化液的水溶液；
优选地，所述乳化液的水溶液的体积浓度为5-10％；
优选地，所述乳化液的含油量为50-80vol％；
优选地，所述乳化液为加德士安快达3380水溶性车削液。
5.根据权利要求1-4任一项所述的车削方法，其特征在于，步骤(3)所述粗车削和所述精车削均采用的是卧式数控机床；
优选地，所述卧式数控机床为台中精机VT22型号机床。
6.根据权利要求1-5任一项所述的车削方法，其特征在于，步骤(1)所述塑性变形包括依次进行的锻造、退火、轧制、终端退火和机加工。
7.根据权利要求1-6任一项所述的车削方法，其特征在于，步骤(1)所述钛锭的纯度为99.995-99.999％。
8.根据权利要求1-7任一项所述的车削方法，其特征在于，步骤(2)所述背板为铜合金背板或铝合金背板。
9.根据权利要求1-8任一项所述的车削方法，其特征在于，步骤(2)所述焊接为扩散焊接或钎焊。
10.根据权利要求1-9任一项所述的车削方法，其特征在于，所述车削方法包括如下步骤：
(1)将纯度为99.995-99.999％的钛锭切断，依次进行包括锻造、退火、轧制、终端退火和机加工在内的塑性变形，得到钛靶材坯料；
(2)将步骤(1)得到的钛靶材坯料与铜合金背板或铝合金背板进行焊接，得到钛靶材组件粗品；
其中，所述焊接为扩散焊接或钎焊；
(3)将步骤(2)得到的钛靶材组件粗品放入台中精机VT22型号机床内，对所述钛靶材坯料的溅射面依次进行粗车削和精车削，得到所述钛靶材组件；
其中，所述粗车削的待加工余量为0.7-1.3mm，所述粗车削的每一刀的进刀量为0.3-0.5mm，所述粗车削的转动速度为200-300r/min；
所述精车削的待加工余量为0.4-0.6mm，所述精车削分为4-9刀进行车削，所述精车削的第一刀的进刀量为0.2-0.25mm，后续每一刀的进刀量为0.03-0.07mm，所述精车削的转动速度为200-300r/min；
所述粗车削和所述精车削均采用加德士安快达3380水溶性车削液，所述车削液的体积浓度为5-10％。
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