磁控溅射是集成电路制造工艺中的关键技术之一，无论是前道晶圆制造还是后道先进封装领域都发挥重要作用，是制作MOS管栅极、金属互连线、焊接凸块、硅穿孔(TSV)通孔等金属化层薄膜的关键制程。钛是重要的金属化薄膜材料之一，通过磁控溅射的方式广泛应用于上述功能结构中的硅化物层、阻挡层、粘附层等材料的制备。随着集成电路制造技术的发展，在集成密度和加工效率等方面提出了越来越高的要求[5]。在集成密度方面，由于芯片线宽的减小和封装集成密度的提高，高深宽比(通常AR>5)孔的加工成为难点，为了在孔中制备用作阻挡层、粘附层的钛金属薄膜，对磁控溅射技术提出了挑战，需要采用高功率溅射来提升薄膜的填孔能力；另一方面，为了实现高的生产效率，溅射用靶材的尺寸不断增大，同时需要采用高功率来提升靶材的溅射速率。对于300mm晶圆用大尺寸钛靶材，为了实现40kw甚至更高溅射功率下的稳定溅射，要求钛靶材组件具有优异的热稳定性、导热性能和力学性能，高导热性、高强度的Cu合金背板材料的选取以及高结合强度的焊接方法至关重要[10-11]。
以铝合金材料如6061A1等为背板的钛靶材只能适用于较低功率密度的磁控溅射，而传统的钎焊连接技术更是远远满足不了高功率高可靠溅射的要求。本文选择高强度高导电Cu合金背板材料，开展Cu合金背板与钛靶材的扩散焊接研究，对于制备大尺寸高性能钛靶材，满足高端集成电路应用需求具有重要的意义l1]。笔者查阅文献发现对靶材的绑定技术性文章较少，本文主要对纯度(质量分数)大于99．995的高纯金属Ti和CuCr合金绑定性能进行了研究，为制定大尺寸高性能高纯Ti靶材的加工提供依据。
1、实验材料和方法
实验材料为高纯Ti经过辉光放电质谱(GDMS)全元素分析，测得其他杂质微量元素总和不大于50×10-6，即高纯Ti纯度大于等于99.995％；退火态CuCr合金主元素Cr经电感耦合等离子原子发射光谱仪(ICP-OES)分析为1(质量分数)完全符合合金设计要求。高纯Ti锭经过开坯锻造．然后在冷轧机设备进行冷变形成8mlTl厚板料，切取2片直径120Film的网片，其中1片Ti样品在箱式热处理炉(温度误差为±5℃)里分别进行530℃退火，退火时间为1.5h。退火后水冷的实验。对加工态和退火态的Ti样品以及退火态的CuCr合金样品分别在不同区域取3点测试硬度，根据室温的硬度数据对样品进行车齿，等离子真空封焊接后热等静压(HIP)，测试焊接性能。
样品经机械抛光后，用10%硝酸酒精溶液擦拭侵蚀。金相组织观察在OlympusBX51光学显微镜上进行，试样的硬度在432SVD型显微硬度计上测试，载荷为1kg，保压时间为30s。
2、实验结果和讨论
高纯Ti锭经过开坯锻造轧制后、变形退火后及退火后CuCr合金在室温下的硬度关系如图1所示，根据以上硬度关系机加工Ti车齿设计和实际加工剖面如图2(a)所示，笔者确定机加工齿方案如下：加工Ti车齿对退火CuCr合金如图2(b)和退火CuCr合金车齿对退火态Ti如图2(C)。真空封焊以后进行热等静压实验，510℃／120MP保温4h。
热等静压示意图如图3所示，分别对热压样件沿直径方向取样做金相观察焊接界面如图4所示。图4(a)中可以看出加工态的Ti齿已经发生变形，但是CuCr合金没有发生可见的形变，由此可以看出加工态Ti和退火态的CuCr加压的情况下随着温度的升高，Ti和CuCr合金的屈服强度明显下降，但是下降的趋势是前者快于后者；也可以说加T态Ti和退火态的CuCr加压的情况下随着温度的升高Ti的硬度下降快于CuCr合金的硬度下降。但在图4(b)中可以看出，CuCr合金齿和退火态Ti基体都产生一定的形变，由此可以看出退火态Ti和退火态的CuCr加压的情况下随着温度的升高，两种金属的屈服强度和硬度均下降，CuCr合金齿原有的60。夹角几乎变成小的平面．可以判断L叶I在温度上升510℃附近时，两种金属强度和硬度基本相当，但是CuCr的屈服强度和硬度要大于金属Ti，三种状态的金属屈服强度和硬度随温度变化示意网如图5所示。
根据第一轮实验结果和高纯Ti的退火温度，选择退火CuCr合金车齿和退火态金属Ti真空封焊后，在525℃、120MPa压力下保温4h做热等静压实验，实验后的样件沿直径方向取金相样品，剩余样件同510℃剩余样件分别取3个拉伸试样做拉伸试验。金相结果如图6所示，525℃热等静压后CuCr合金齿的夹角由60。变成热压后的90。左右，齿全部压入Ti的基体，510℃热等静压后的样品虽然两金属界面紧密贴合，但是CuCr合金齿的夹角由60。几乎变成180。平面，表明525℃时CuCr合金和Ti的屈服强度和硬度差值比510℃在明显增大。对在不同剩余样件上分别取的3个样品进行拉伸，应力位移图如7所示，结果表明，510℃时热等静压焊接的界面断裂强度分别为67、94、l16MPa，平均界面断裂强度为92.3MPa；525℃时热等静压焊接的断裂强度分别为114、136、151MPa，平均强度达到133.6MPa，远远大于软钎焊焊接的焊接强度。同时用电子显微镜在界面线扫描，如图8所示，发现Ti/Cu元素在界面都有不同程度的扩散现象，525℃热等静压时Ti元素明显扩散到CuCr基体当中，要比在温度510℃热等静压多，界面冶金结合效果要好一些，这样为Ti靶材在工作环境中减少了热阻，把粒子的轰击热量迅速传递到冷却水中创造了有利条件。
3、结论
(1)高纯金属Ti和退火态的CuCr随着温度的升高，Ti和CuCr合金的屈服强度和硬度明显下降，且下降的趋势是前者快于后者。
(2)CuCr合金车齿，在和退火态的高纯Ti真空封焊热等静压焊接，温度525℃在120MPa压力下保温4h，能够得到130MPa的焊接强度，界面达到冶金结合可以满足靶材使用要求。
参考文献：
[1]王来森，刘小龙，张魁，等．[CrAISiN／SisN]多层膜的性能和抗氧化行为的研究[J]．金属功能材料，2016，23(4)：17．
[2]杨邦朝，王文生．薄膜物理与技术[M]．成都：电子科技大学出版社，1994．
[3]金永中，刘东亮，陈建．溅射靶材的制备及应用研究口]．四川理工学院学报(自科版)，2005，18(3)：22．
[4]张贤楠，刘思润，谢娟，等．单晶Fe。O超薄膜的制备与磁性研究[J]．金属功能材料，2016，23(2)：26．
[5]吴汉明，吴关平，吴金刚，等．纳米集成电路大生产中新工艺技术现状及发展趋势[J]．中国科学：信息科学，2012，42(12)：1509．
[6]何金江，万小勇，周辰。等．半导体用溅射靶材的应用及其利用率问题研究[J]．半导体技术，2014，39(1)：71．
[7]梁俊才，穆健刚，张风戈，等．硬质涂层用镀膜靶材的研究[J]．粉末冶金工业，2014，24(2)：38．
[8]汪冬梅，周海波，朱晓勇，等．溅射功率对射频磁控溅射Al掺杂ZnO(ZAO)薄膜性能的影响[J]．金属功能材料，2010，17(3)：57．
[9]罗俊锋，丁照崇，董亭义，等．钌金属溅射靶材烧结工艺研究[J]．粉末冶金工业，2012。22(1)：28．
[10]杨长胜，程海峰，唐耿平．磁控溅射铁磁性靶材的研究进展[J]．真空科学与技术学报，2005，25(5)：372．
[11]尚再艳，江轩，李勇军，等．集成电路制造用溅射靶材[J]．稀有金属，2005，29(4)：475．
[12]雷继峰．集成电路制造用溅射靶材绑定技术相关问题研究[J]．金属功能材料，2013，20(1)：50．
[13]宁波江丰电子材料有限公司．靶材与背板的焊接方法：中国，CN101543923A[P/OL]．2009-09-30[2017-05-30]．
相关链接
