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固相扩散焊接

发布人:管理员 发布时间:2022-12-12

本文涉及一种由溅射靶材和背板组成的溅射靶材组件,更具体地说,涉及一种溅射靶材组件及其制造方法,其特征是通过固相扩散键合将溅射靶材和背板粘合在一起,在它们之间放置或不放置一个或多个嵌件。

通过固相扩散焊接,溅射靶材在保持其结构和晶体特性(包括晶增益尺寸、晶体取向等)的同时,在扩散焊接前没有可能造成的污染。


 溅射靶材作为溅射源,通过溅射操作在衬底上形成电极、栅极、布线、元件、保护膜等各种半导体器件。它们通常采用圆盘形板的形式。当加速粒子撞击靶材表面时,构成靶材的部分原子通过动量交换溅射到空间,沉积在相反位置的基板上。使用的典型溅射靶材包括Al和Al合金靶材,难熔金属及其合金(W,Mo,Ti,Ta,Zr,Nb等及其合金如W-Ti)靶材,以及高熔点硅化物(MoSi x,WSi x等)靶材。目标通常以与背衬材料(称为背板)整体粘合的组件形式使用,背衬材料提供支撑和冷却功能。溅射靶材组件安装在溅射系统中,背板的背面被冷却以散发溅射操作过程中靶材中产生的热量。目前使用的背板由具有良好导热性的金属和合金制成,例如无氧铜(OFC),铜合金,铝合金,不锈钢(SUS)以及Ti和Ti合金。

 迄今为止,对于溅射靶材和背板的粘接构成溅射靶材组件,主要采用采用低熔点钎焊材料如In或Sn合金的钎焊方法。但是,使用低熔点钎焊材料的钎焊技术具有以下缺点:

  • (1) 钎焊材料的低熔点,In为158°C,锡合金为160-300°C,当使用温度接近其熔点时,剪切下的结合强度急剧下降。具体来说,在室温下剪切下的结合强度对于In小于1 kg/mm²,对于具有相对高强度的Sn合金,也小于2-4 kg/mm²。这与钎焊材料的低熔点相结合,导致温度升高时剪切下的粘合强度急剧下降。
  • (2) 使用钎焊技术,由于钎焊材料在粘接过程中凝固时的收缩会沿着靶材和背板之间的粘合界面留下气孔(气隙),因此很难实现没有未粘合部分的100%粘合。

因此,用于溅射的电功率被限制在低水平。此外,当系统加载的溅射功率大于规定功率或在冷却水控制不足的情况下运行时,由于目标温度升高或钎焊材料熔化时粘合强度降低,会导致靶材分离等问题。
使用高熔点钎焊材料代替低熔点钎焊材料需要更高的温度进行钎焊,这有时会对目标质量产生不利影响。

最近的一种趋势是倾向于使用更大的电功率进行溅射,以提高通过溅射形成薄膜的吞吐量。有鉴于此,对即使在高温下也能将粘合强度保持在预定水平以上的靶材的需求强烈。其涉及将作为溅射材料的第一金属部件与作为支撑的第一金属部件整体粘合到直接或通过具有比第一金属部件更高的间隔物的插入作为支撑的第二金属部件的过程。关于将它们整体焊接在一起的方法,主要解释了爆炸性焊接。其他被称为可雇用的是热压机、HIP 和热轧方法。以热压法为例,它被描述为包括加工和加工的步骤,例如,以al-1%Si合金作为第一金属构件(溅射材料)和无氧铜作为第二金属构件(支撑),两者都形成相对简单的形状,并通过在300-500°C热压60分钟将两个构件焊接在一起, 由此被称为形成约2μm厚的扩散层,然后加工第一和第二金属构件(溅射材料和支撑)从而粘合在一起以达到最终配置。还规定,或者,已经加工成所需形状的第一和第二金属构件可以通过爆炸性焊接。

上述方法涉及在非常大的冲击或重载荷下对第一和第二金属构件进行高压粘接,例如爆炸粘接、热压、HIP或热轧技术。该过程导致第一个被溅射的金属部件(靶材)发生严重变形,并随之而来的是内部应变的增加和晶体结构的变化。具体地,由于靶材的晶粒尺寸和晶取向的均匀性被破坏,导致靶材不同位置上的晶粒直径和晶取向不同。结果,来自靶材的溅射量开始因点而异,这导致沉积膜厚度的变化,从而导致沉积膜性能的变化。这个问题最近有人指出,这是一个令人严重关切的问题。此外,所生产的靶材表层的污染很严重,因此要精加工到最终尺寸的靶材的产量非常差。尽管上述出版物中也指出,第一和第二金属构件在加工成所需配置后可以通过爆炸性进行焊接,但在这种情况下,目标材料的变形和随之而来的内部应变增加和晶体结构的变化以及表面层污染是不可避免的如上所述。

最近,熔点低于1000°C的目标材料,例如铝或铝合金,已迅速开始用于半导体器件的布线或互连。在许多情况下,这些目标材料以成品到最终几何形状的形式提供,纯度非常高。这种熔点相对较低的靶材容易对其晶体结构造成较大的破坏,有时还伴有靶材晶粒尺寸的粗化。

本文具有为其目的开发一种技术,用于将最终几何形状或接近净形状的目标材料粘结到具有高强度的背板上,同时保持晶体结构的均匀性并且不会对目标材料本身产生变形、降解或其它不利影响。
本文已经寻找一种用于靶材的焊接方法,该方法抑制晶体特性如晶粒生长并且对材料几乎没有引起变形或其它不利影响。因此,现在已经发现,无论是否使用嵌件,固相扩散焊接在其界面中产生的键比预期的要好得多。扩散焊接是在真空中的轻载荷(低应变率)下保持固相的同时进行的,具有高粘附性和高粘合强度,目标材料没有变形或变形非常小,并且沿界面没有未粘合的部分,例如孔隙,同时抑制了均匀晶体结构的破坏, 目标材料在粘合前具有的晶粒等的生长。
本文所用的术语“固相扩散焊接”是指在轻加热和压制条件下沿界面扩散来粘合目标材料和带有或不带嵌件的衬板或夹在其之间的嵌件的技术,其中两个部件在保持固相而不是熔化的同时粘合, 不会对目标材料造成不利影响,包括其晶粒生长和结构变化。

基于这一发现,本发明提供一种溅射靶材组件,包括溅射靶材和背板,其特征在于所述溅射靶材和背板是固相扩散焊接的,有或没有嵌件或嵌件,以便它们之间具有固相扩散焊接界面,所述扩散焊接溅射靶材基本上保持了冶金特性和性能,即 溅射靶材在扩散焊接到所述背板上之前具有。

 将目标材料分为熔融温度低于且不低于1000°C的材料并单独讨论是方便的。

本发明在其第一方面提供:

  • (1-1)一种固相扩散焊接溅射靶材组件,其特征在于由熔点低于1000°C的靶材、一个或多个嵌件和背板组成,所述靶材、所述嵌件和所述背板之间形成固相扩散焊接界面,所述靶材具有均匀的晶体结构,晶粒尺寸不超过250μm;和
  • (1-2)一种溅射靶材组件的制造方法,所述靶材的晶粒尺寸不超过250μm,其特征在于熔点低于1000°C的给定最终形状的靶材和给定最终形状的背板的固相扩散焊接,其间插入一个或多个嵌件, 在温度在150至300°C之间的真空下。


目标材料的典型由铝或铝合金组成。刀片通常由银或银合金、铜或铜合金、镍或镍合金组成。

    在第二方面提供:

  • (2-1)一种固相扩散焊接溅射靶材组件,其特征在于由熔点不低于1000°C的靶材、选自熔点低于靶材的金属或合金组成的组中的一个或多个嵌件,以及背板、所述靶材、所述嵌件和所述具有固相扩散键合界面的背板组成;和
  • (2-2)一种溅射靶材组件的制造方法,其特征在于熔点不低于1000°C的给定最终形状的靶材和给定最终形状的背板的固相扩散键合,中间插入一个或多个嵌件,所述嵌件由一种或多种材料选自熔点低于靶材的金属或合金组成的组, 在温度在 200 至 600 °C 之间,压力在 0.1 至 20 kg/mm² 之间的真空下。


目标材料通常包括选自W、Mo、Ti、Ta、Zr和Nb组成的组的难熔金属及其合金。刀片通常由银或银合金、铜或铜合金或镍或镍合金组成。

 在钛靶材和钛背板的组合中,我们发现固相扩散焊接是允许的,无需使用嵌件。

  然后,在第三方面

  • (3-1)一种固相扩散焊接溅射靶材组件,其特征在于由钛靶材和钛背板组成,它们之间形成固相扩散键合界面,所述靶材具有均匀的晶体结构,晶粒直径不超过100μm;和
  • (3-2)一种固相扩散焊接溅射靶材组件的制造方法,其中靶材具有均匀的晶体结构,晶粒直径不超过100μm,其特征在于钛靶材和钛背板在达到的应变速率最多为1 x 10⁻³/sec的条件下进行固相扩散焊接, 优选在350-650°C。


 所述目标与背板的固相扩散焊接,中间夹有或无一个或多个嵌件,在低温和低压下引起其组成原子的间扩散,以达到高粘附性和粘结强度,而不会伴随目标材料的劣化或变形,同时抑制目标材料中的晶粒生长。这样获得的键被证明是高度可靠的,因为它在使用温度升高时不会经历粘合强度的突然降低,并且由于固相键合,实现了100%的键合,没有未粘合的部分,例如沿界面留下的孔隙。

 固相扩散焊接在低温低压下具有以下特点:

  • (1)通过抑制晶粒生长保持晶体结构的均匀性。
  • (2)制造过程不会对靶材造成损坏。
  • (3) 构成目标材料、背板和嵌件的原子如果跨键界面使用,则会产生高度的粘附和键强度。
  • (4) 避免了低熔点钎焊材料可能出现的使用温度升高而导致的粘结强度急剧下降。
  • (5) 固相焊接可提供粘合面积百分比为 100% 的可靠粘合,而不会由于钎焊材料凝固时收缩而导致的普通粘合产生的非粘合部分,例如孔隙。


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