高純稀土釔靶材焊接技術(shù)

徐國(guó)進(jìn)， 張巧霞， 羅俊鋒， 李勇軍， 滕海濤， 熊曉東

(1.有研億金新材料有限公司，北京 102200；2.北京市高純金屬濺射靶材工程技術(shù)研究中心, 北京 102200)

0 前言

隨著集成電路產(chǎn)業(yè)的飛速發(fā)展，中芯國(guó)際已于2019年底實(shí)現(xiàn)14 nm制程的量產(chǎn)，下一步將努力實(shí)現(xiàn)對(duì)7 nm的量產(chǎn)，英特爾將于2021年由10 nm制程升級(jí)到7 nm 極紫外光刻(EUV)工藝，臺(tái)積電5 nm制程預(yù)計(jì)2020年實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，三星在2021年將量產(chǎn)更先進(jìn)的3 nm GAA制程。隨著制程節(jié)點(diǎn)的減小，MOSFET器件尺寸不斷縮小，同時(shí)性能不斷提高，作為柵介質(zhì)層的二氧化硅膜厚也隨之減薄，但膜厚降到納米數(shù)量級(jí)以下時(shí)，電子的直接隧穿效應(yīng)導(dǎo)致器件的漏電流增加，同時(shí)出現(xiàn)擊穿及雜質(zhì)向硅襯底的擴(kuò)散等問(wèn)題[1-2]，這將嚴(yán)重影響器件的可靠性及壽命，需要采用高K柵介質(zhì)材料來(lái)取代傳統(tǒng)SiO2材料[3-4]。因稀土金屬La，Y，Pr，Ce等的氧化物[5-6]具有高介電常數(shù)、高熱穩(wěn)定性及對(duì)硅中的空穴和電子具有高能勢(shì)壘，是先進(jìn)制程理想的高K柵介質(zhì)材料。隨著PVD薄膜制備技術(shù)的發(fā)展，采用磁控濺射[7-8]方式制備高質(zhì)量薄膜材料在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，稀土靶材作為功能性薄膜制備用原材料，需求在快速增長(zhǎng)。濺射靶材常用的綁定技術(shù)包括機(jī)械連接、釬焊、膠粘結(jié)、擴(kuò)散焊、電子束焊和爆炸焊，不同的綁定技術(shù)一般應(yīng)用于特定的材料和靶材結(jié)構(gòu)型式[9-11]。靶材的釬焊技術(shù)是目前應(yīng)用最廣泛綁定技術(shù)，大部分材料靶材都可以采用該技術(shù)進(jìn)行綁定連接，但在大功率濺射中，因受焊料熔點(diǎn)的局限，需要采用擴(kuò)散焊接的方式對(duì)靶材和背板進(jìn)行綁定。目前，關(guān)于異質(zhì)金屬靶材焊接研究的論文較多[12-16]，如Ti/Cu，Au/Cu，Ti/Al，Al/Cu等異種材料間的焊接，對(duì)于稀土靶材異質(zhì)金屬間的焊接研究鮮有報(bào)道，文中以La系稀土金屬中的釔為研究對(duì)象，采用釬焊和擴(kuò)散焊接2種綁定方式，開(kāi)展稀土釔靶材的焊接技術(shù)研究，為制備大尺寸高性能稀土靶材提供依據(jù)。

1 試驗(yàn)及其檢測(cè)方法

文中選取純度為99.99%的稀土釔靶、銅背板和6061Al背板為原材料進(jìn)行試驗(yàn)。采用MUCT-1000S型超聲無(wú)損檢測(cè)設(shè)備進(jìn)行焊合率檢測(cè)；焊接強(qiáng)度采用GB/T 7314—2017標(biāo)準(zhǔn)在WDW-300型電子萬(wàn)能試驗(yàn)機(jī)上測(cè)試，使用JSM-IT500HR型掃描電鏡觀察稀土釔靶材與背板間的界面擴(kuò)散情況。

2 結(jié)果與討論

將焊接試樣稀土釔靶材和背板加工至尺寸φ100 mm×8 mm。試驗(yàn)采用最為常用的高純In作為焊料進(jìn)行稀土釔靶材與銅背板間的綁定試驗(yàn)。采用高純稀土釔與6061Al背板進(jìn)行擴(kuò)散焊接試驗(yàn)。

2.1 稀土釔與銅背板釬焊焊接性能的研究

2.1.1稀土釔靶材的浸潤(rùn)性能

圖1采用φ100 mm×8 mm的稀土釔靶材測(cè)試焊料與靶材的浸潤(rùn)性，如圖1a所示，高純In焊料與釔靶材的浸潤(rùn)性較差，無(wú)法浸潤(rùn)，為提高稀土釔靶材的綁定質(zhì)量，對(duì)靶材進(jìn)行金屬化鍍Ni處理，改善靶材的浸潤(rùn)性能。經(jīng)金屬化處理后，In焊料與靶材的不浸潤(rùn)問(wèn)題得到解決，如圖1b所示。

圖1 稀土釔靶材焊接浸潤(rùn)性試驗(yàn)

2.1.2焊接溫度對(duì)稀土釔靶材釬焊性能的影響

在稀土釔靶材(φ100 mm×8 mm)焊接面進(jìn)行金屬化鍍Ni處理，提高稀土釔的焊接性能，對(duì)稀土釔靶材和銅背板在不同的焊接溫度下進(jìn)行綁定試驗(yàn)，試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果見(jiàn)表1，焊合率圖如圖2所示。

表1 釬焊焊接試驗(yàn)參數(shù)及結(jié)果

圖2 稀土釔靶材焊合率

稀土釔靶材與銅背板釬焊焊合率隨著焊接溫度的升高而增加，在260 ℃時(shí)焊接溫度最高達(dá)到99.95%，最大單傷最小達(dá)到0.05%。隨著溫度的升高，In焊料的流動(dòng)性增加，提高了靶材的焊合率，但是過(guò)高的焊接溫度會(huì)引起高純In材料的氧化，增加高純In的用量，設(shè)備能耗增加。釬焊靶材焊合率一般要求達(dá)到焊合率≥95%，最大單傷≤2%，考慮到焊接質(zhì)量及成本，稀土釔靶材的最佳焊接溫度范圍為220～240 ℃。

2.1.3稀土釔與銅背板焊接強(qiáng)度及焊接界面分析

對(duì)4號(hào)稀土釔靶材機(jī)加工制備焊接強(qiáng)度測(cè)試試樣，試樣尺寸如圖3所示，測(cè)試稀土釔靶材焊接強(qiáng)度，檢測(cè)結(jié)果見(jiàn)表2，稀土釔靶材的焊接強(qiáng)度為8 MPa，達(dá)到常規(guī)釬焊靶材的焊接強(qiáng)度(≥5 MPa)要求。

圖3 焊接強(qiáng)度測(cè)試試樣

表2 4號(hào)樣件焊接強(qiáng)度測(cè)試結(jié)果

稀土釔材料活性高，需要分析焊接界面材料的反應(yīng)情況，對(duì)焊接試樣沿直徑方向取樣做焊接界面分析，如圖4所示。EDS能譜顯示，稀土釔與In焊料未發(fā)生明顯的反應(yīng)污染，這是由于稀土釔與In焊料間的金屬化Ni層起到了阻擋層的作用，將稀土釔與In焊料隔離開(kāi)。

2.2 稀土釔與6061Al背板擴(kuò)散焊接性能的研究

2.2.1稀土釔與6061Al背板擴(kuò)散焊接設(shè)計(jì)

對(duì)稀土釔靶材焊接面進(jìn)行金屬化設(shè)計(jì)，將稀土釔靶材與6061Al背板配合裝入包套內(nèi)，并對(duì)包套進(jìn)行電子束真空封焊加工，對(duì)真空封焊后的樣件進(jìn)行熱等靜壓(HIP)試驗(yàn)。封焊后包套及靶材截面結(jié)構(gòu)圖如圖5所示。等靜壓試驗(yàn)設(shè)計(jì)及參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 熱等靜壓試驗(yàn)參數(shù)

2.2.2稀土釔與6061Al背板焊接強(qiáng)度及焊接界面分析

對(duì)擴(kuò)散焊接樣品進(jìn)行解包套，對(duì)1～4號(hào)試樣進(jìn)行焊合率檢測(cè)，并制備焊接強(qiáng)度測(cè)試試樣，測(cè)試焊接強(qiáng)度。焊合率及焊接強(qiáng)度數(shù)據(jù)見(jiàn)表4。

表4 1～4號(hào)樣件焊合率及焊接強(qiáng)度結(jié)果

對(duì)擴(kuò)散焊接后樣件機(jī)加工去除包套，1號(hào)和2號(hào)高純稀土釔靶材與6061Al背板直接分離，靶材與背板未發(fā)生焊合；對(duì)3號(hào)和4號(hào)試樣加工焊接強(qiáng)度測(cè)試試樣，試樣尺寸如圖3所示，并進(jìn)行焊接強(qiáng)度測(cè)試，焊接強(qiáng)度分別為26 MPa和70 MPa，3號(hào)未達(dá)到高強(qiáng)度焊接，但焊接強(qiáng)度明顯高于釬焊焊接強(qiáng)度。1號(hào)試樣焊接溫度偏低，未發(fā)生擴(kuò)散連接；升高溫度至300 ℃，2號(hào)試樣與背板也未發(fā)生擴(kuò)散連接，而3號(hào)試樣與背板間發(fā)生了擴(kuò)散焊接，焊合率為100%，焊接強(qiáng)度為26 MPa，主要為3號(hào)試樣稀土釔與背板間增加了Ni薄膜，提高了界面的活性，但是焊接溫度偏低；4號(hào)試樣中稀土釔材料與背板發(fā)生了擴(kuò)散焊合，焊合率為100%，同時(shí)達(dá)到了高焊接強(qiáng)度。

對(duì)3號(hào)和4號(hào)擴(kuò)散焊接樣件沿直徑方向取樣做焊接界面分析試樣，采用能譜儀對(duì)3號(hào)和4號(hào)焊接界面進(jìn)行線掃描成分分析，結(jié)果如圖6和圖7所示。經(jīng)過(guò)熱等靜壓后，焊接界面緊密結(jié)合。300 ℃擴(kuò)散焊接的3號(hào)樣件界面間發(fā)生擴(kuò)散，擴(kuò)散區(qū)深度約為3 μm，擴(kuò)散深度較少，導(dǎo)致焊接強(qiáng)度較低；400 ℃擴(kuò)散焊接的4號(hào)樣件界面間發(fā)生擴(kuò)散，擴(kuò)散區(qū)深度約為8 μm，各成分在焊接界面區(qū)域形成了一個(gè)成分逐漸變化互擴(kuò)散層，在分布曲線上無(wú)平臺(tái)出現(xiàn)，表明焊接界面區(qū)域?yàn)榛U(kuò)散形成的固溶體，未形成金屬間化合物，焊接強(qiáng)度較高為70 MPa。若溫度繼續(xù)升高，擴(kuò)散區(qū)深度繼續(xù)增加，在擴(kuò)散區(qū)可能發(fā)生固相反應(yīng)擴(kuò)散，形成具有穩(wěn)定成分的金屬間化合物，導(dǎo)致焊接強(qiáng)度降低，具體溫度臨界點(diǎn)需要進(jìn)一步詳細(xì)試驗(yàn)分析。

圖6 3號(hào)樣件焊接界面擴(kuò)散線掃描圖

圖7 4號(hào)樣件焊接界面擴(kuò)散線掃描圖

3 結(jié)論

(1)稀土釔靶材釬焊性能較差，需要進(jìn)行金屬化處理來(lái)提高焊接性能。

(2)稀土釔靶材釬焊焊合率隨焊接溫度的升高而提高，稀土釔靶材最佳釬焊溫度為220～240 ℃，焊接質(zhì)量達(dá)到常規(guī)釬焊焊接要求。

(3)稀土釔靶材擴(kuò)散焊接強(qiáng)度明顯高于釬焊焊接強(qiáng)度，在HIP溫度400 ℃，壓力110 MPa，保溫3 h時(shí)，靶材的焊接強(qiáng)度達(dá)到70 MPa，實(shí)現(xiàn)擴(kuò)散焊接，得到高焊接強(qiáng)度靶材。