徐國進， 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，中芯國際已于2019年底實現(xiàn)14 nm制程的量產(chǎn)，下一步將努力實現(xiàn)對7 nm的量產(chǎn)，英特爾將于2021年由10 nm制程升級到7 nm 極紫外光刻(EUV)工藝，臺積電5 nm制程預(yù)計2020年實現(xiàn)量產(chǎn)，三星在2021年將量產(chǎn)更先進的3 nm GAA制程。隨著制程節(jié)點的減小，MOSFET器件尺寸不斷縮小，同時性能不斷提高，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)量級以下時，電子的直接隧穿效應(yīng)導(dǎo)致器件的漏電流增加，同時出現(xiàn)擊穿及雜質(zhì)向硅襯底的擴散等問題[1-2]，這將嚴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)定性及對硅中的空穴和電子具有高能勢壘，是先進制程理想的高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。濺射靶材常用的綁定技術(shù)包括機械連接、釬焊、膠粘結(jié)、擴散焊、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)進行綁定連接，但在大功率濺射中，因受焊料熔點的局限，需要采用擴散焊接的方式對靶材和背板進行綁定。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，對于稀土靶材異質(zhì)金屬間的焊接研究鮮有報道，文中以La系稀土金屬中的釔為研究對象，采用釬焊和擴散焊接2種綁定方式，開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 試驗及其檢測方法

文中選取純度為99.99%的稀土釔靶、銅背板和6061Al背板為原材料進行試驗。采用MUCT-1000S型超聲無損檢測設(shè)備進行焊合率檢測；焊接強度采用GB/T 7314—2017標(biāo)準在WDW-300型電子萬能試驗機上測試，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。試驗采用最為常用的高純In作為焊料進行稀土釔靶材與銅背板間的綁定試驗。采用高純稀土釔與6061Al背板進行擴散焊接試驗。

2.1 稀土釔與銅背板釬焊焊接性能的研究

2.1.1稀土釔靶材的浸潤性能

圖1采用φ100 mm×8 mm的稀土釔靶材測試焊料與靶材的浸潤性，如圖1a所示，高純In焊料與釔靶材的浸潤性較差，無法浸潤，為提高稀土釔靶材的綁定質(zhì)量，對靶材進行金屬化鍍Ni處理，改善靶材的浸潤性能。經(jīng)金屬化處理后，In焊料與靶材的不浸潤問題得到解決，如圖1b所示。

圖1 稀土釔靶材焊接浸潤性試驗

2.1.2焊接溫度對稀土釔靶材釬焊性能的影響

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

表1 釬焊焊接試驗參數(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 ℃時焊接溫度最高達到99.95%，最大單傷最小達到0.05%。隨著溫度的升高，In焊料的流動性增加，提高了靶材的焊合率，但是過高的焊接溫度會引起高純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度及焊接界面分析

對4號稀土釔靶材機加工制備焊接強度測試試樣，試樣尺寸如圖3所示，測試稀土釔靶材焊接強度，檢測結(jié)果見表2，稀土釔靶材的焊接強度為8 MPa，達到常規(guī)釬焊靶材的焊接強度(≥5 MPa)要求。

圖3 焊接強度測試試樣

表2 4號樣件焊接強度測試結(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。

2.2 稀土釔與6061Al背板擴散焊接性能的研究

2.2.1稀土釔與6061Al背板擴散焊接設(shè)計

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

表3 熱等靜壓試驗參數(shù)

2.2.2稀土釔與6061Al背板焊接強度及焊接界面分析

對擴散焊接樣品進行解包套，對1～4號試樣進行焊合率檢測，并制備焊接強度測試試樣，測試焊接強度。焊合率及焊接強度數(shù)據(jù)見表4。

表4 1～4號樣件焊合率及焊接強度結(jié)果

對擴散焊接后樣件機加工去除包套，1號和2號高純稀土釔靶材與6061Al背板直接分離，靶材與背板未發(fā)生焊合；對3號和4號試樣加工焊接強度測試試樣，試樣尺寸如圖3所示，并進行焊接強度測試，焊接強度分別為26 MPa和70 MPa，3號未達到高強度焊接，但焊接強度明顯高于釬焊焊接強度。1號試樣焊接溫度偏低，未發(fā)生擴散連接；升高溫度至300 ℃，2號試樣與背板也未發(fā)生擴散連接，而3號試樣與背板間發(fā)生了擴散焊接，焊合率為100%，焊接強度為26 MPa，主要為3號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號試樣中稀土釔材料與背板發(fā)生了擴散焊合，焊合率為100%，同時達到了高焊接強度。

對3號和4號擴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3號和4號焊接界面進行線掃描成分分析，結(jié)果如圖6和圖7所示。經(jīng)過熱等靜壓后，焊接界面緊密結(jié)合。300 ℃擴散焊接的3號樣件界面間發(fā)生擴散，擴散區(qū)深度約為3 μm，擴散深度較少，導(dǎo)致焊接強度較低；400 ℃擴散焊接的4號樣件界面間發(fā)生擴散，擴散區(qū)深度約為8 μm，各成分在焊接界面區(qū)域形成了一個成分逐漸變化互擴散層，在分布曲線上無平臺出現(xiàn)，表明焊接界面區(qū)域為互擴散形成的固溶體，未形成金屬間化合物，焊接強度較高為70 MPa。若溫度繼續(xù)升高，擴散區(qū)深度繼續(xù)增加，在擴散區(qū)可能發(fā)生固相反應(yīng)擴散，形成具有穩(wěn)定成分的金屬間化合物，導(dǎo)致焊接強度降低，具體溫度臨界點需要進一步詳細試驗分析。

圖6 3號樣件焊接界面擴散線掃描圖

圖7 4號樣件焊接界面擴散線掃描圖

3 結(jié)論

(1)稀土釔靶材釬焊性能較差，需要進行金屬化處理來提高焊接性能。

(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)量達到常規(guī)釬焊焊接要求。

(3)稀土釔靶材擴散焊接強度明顯高于釬焊焊接強度，在HIP溫度400 ℃，壓力110 MPa，保溫3 h時，靶材的焊接強度達到70 MPa，實現(xiàn)擴散焊接，得到高焊接強度靶材。