高纯稀土钇靶材焊接技术

徐国进， 张巧霞， 罗俊锋， 李勇军， 滕海涛， 熊晓东

(1.有研亿金新材料有限公司，北京 102200；2.北京市高纯金属溅射靶材工程技术研究中心, 北京 102200)

0 前言

随着集成电路产业的飞速发展，中芯国际已于2019年底实现14 nm制程的量产，下一步将努力实现对7 nm的量产，英特尔将于2021年由10 nm制程升级到7 nm 极紫外光刻(EUV)工艺，台积电5 nm制程预计2020年实现量产，三星在2021年将量产更先进的3 nm GAA制程。随着制程节点的减小，MOSFET器件尺寸不断缩小，同时性能不断提高，作为栅介质层的二氧化硅膜厚也随之减薄，但膜厚降到纳米数量级以下时，电子的直接隧穿效应导致器件的漏电流增加，同时出现击穿及杂质向硅衬底的扩散等问题[1-2]，这将严重影响器件的可靠性及寿命，需要采用高K栅介质材料来取代传统SiO2材料[3-4]。因稀土金属La，Y，Pr，Ce等的氧化物[5-6]具有高介电常数、高热稳定性及对硅中的空穴和电子具有高能势垒，是先进制程理想的高K栅介质材料。随着PVD薄膜制备技术的发展，采用磁控溅射[7-8]方式制备高质量薄膜材料在半导体产业中得到广泛应用，稀土靶材作为功能性薄膜制备用原材料，需求在快速增长。溅射靶材常用的绑定技术包括机械连接、钎焊、胶粘结、扩散焊、电子束焊和爆炸焊，不同的绑定技术一般应用于特定的材料和靶材结构型式[9-11]。靶材的钎焊技术是目前应用最广泛绑定技术，大部分材料靶材都可以采用该技术进行绑定连接，但在大功率溅射中，因受焊料熔点的局限，需要采用扩散焊接的方式对靶材和背板进行绑定。目前，关于异质金属靶材焊接研究的论文较多[12-16]，如Ti/Cu，Au/Cu，Ti/Al，Al/Cu等异种材料间的焊接，对于稀土靶材异质金属间的焊接研究鲜有报道，文中以La系稀土金属中的钇为研究对象，采用钎焊和扩散焊接2种绑定方式，开展稀土钇靶材的焊接技术研究，为制备大尺寸高性能稀土靶材提供依据。

1 试验及其检测方法

文中选取纯度为99.99%的稀土钇靶、铜背板和6061Al背板为原材料进行试验。采用MUCT-1000S型超声无损检测设备进行焊合率检测；焊接强度采用GB/T 7314—2017标准在WDW-300型电子万能试验机上测试，使用JSM-IT500HR型扫描电镜观察稀土钇靶材与背板间的界面扩散情况。

2 结果与讨论

将焊接试样稀土钇靶材和背板加工至尺寸φ100 mm×8 mm。试验采用最为常用的高纯In作为焊料进行稀土钇靶材与铜背板间的绑定试验。采用高纯稀土钇与6061Al背板进行扩散焊接试验。

2.1 稀土钇与铜背板钎焊焊接性能的研究

2.1.1稀土钇靶材的浸润性能

图1采用φ100 mm×8 mm的稀土钇靶材测试焊料与靶材的浸润性，如图1a所示，高纯In焊料与钇靶材的浸润性较差，无法浸润，为提高稀土钇靶材的绑定质量，对靶材进行金属化镀Ni处理，改善靶材的浸润性能。经金属化处理后，In焊料与靶材的不浸润问题得到解决，如图1b所示。

图1 稀土钇靶材焊接浸润性试验

2.1.2焊接温度对稀土钇靶材钎焊性能的影响

在稀土钇靶材(φ100 mm×8 mm)焊接面进行金属化镀Ni处理，提高稀土钇的焊接性能，对稀土钇靶材和铜背板在不同的焊接温度下进行绑定试验，试验参数及结果见表1，焊合率图如图2所示。

表1 钎焊焊接试验参数及结果

图2 稀土钇靶材焊合率

稀土钇靶材与铜背板钎焊焊合率随着焊接温度的升高而增加，在260 ℃时焊接温度最高达到99.95%，最大单伤最小达到0.05%。随着温度的升高，In焊料的流动性增加，提高了靶材的焊合率，但是过高的焊接温度会引起高纯In材料的氧化，增加高纯In的用量，设备能耗增加。钎焊靶材焊合率一般要求达到焊合率≥95%，最大单伤≤2%，考虑到焊接质量及成本，稀土钇靶材的最佳焊接温度范围为220～240 ℃。

2.1.3稀土钇与铜背板焊接强度及焊接界面分析

对4号稀土钇靶材机加工制备焊接强度测试试样，试样尺寸如图3所示，测试稀土钇靶材焊接强度，检测结果见表2，稀土钇靶材的焊接强度为8 MPa，达到常规钎焊靶材的焊接强度(≥5 MPa)要求。

图3 焊接强度测试试样

表2 4号样件焊接强度测试结果

稀土钇材料活性高，需要分析焊接界面材料的反应情况，对焊接试样沿直径方向取样做焊接界面分析，如图4所示。EDS能谱显示，稀土钇与In焊料未发生明显的反应污染，这是由于稀土钇与In焊料间的金属化Ni层起到了阻挡层的作用，将稀土钇与In焊料隔离开。

2.2 稀土钇与6061Al背板扩散焊接性能的研究

2.2.1稀土钇与6061Al背板扩散焊接设计

对稀土钇靶材焊接面进行金属化设计，将稀土钇靶材与6061Al背板配合装入包套内，并对包套进行电子束真空封焊加工，对真空封焊后的样件进行热等静压(HIP)试验。封焊后包套及靶材截面结构图如图5所示。等静压试验设计及参数见表3。

表3 热等静压试验参数

2.2.2稀土钇与6061Al背板焊接强度及焊接界面分析

对扩散焊接样品进行解包套，对1～4号试样进行焊合率检测，并制备焊接强度测试试样，测试焊接强度。焊合率及焊接强度数据见表4。

表4 1～4号样件焊合率及焊接强度结果

对扩散焊接后样件机加工去除包套，1号和2号高纯稀土钇靶材与6061Al背板直接分离，靶材与背板未发生焊合；对3号和4号试样加工焊接强度测试试样，试样尺寸如图3所示，并进行焊接强度测试，焊接强度分别为26 MPa和70 MPa，3号未达到高强度焊接，但焊接强度明显高于钎焊焊接强度。1号试样焊接温度偏低，未发生扩散连接；升高温度至300 ℃，2号试样与背板也未发生扩散连接，而3号试样与背板间发生了扩散焊接，焊合率为100%，焊接强度为26 MPa，主要为3号试样稀土钇与背板间增加了Ni薄膜，提高了界面的活性，但是焊接温度偏低；4号试样中稀土钇材料与背板发生了扩散焊合，焊合率为100%，同时达到了高焊接强度。

对3号和4号扩散焊接样件沿直径方向取样做焊接界面分析试样，采用能谱仪对3号和4号焊接界面进行线扫描成分分析，结果如图6和图7所示。经过热等静压后，焊接界面紧密结合。300 ℃扩散焊接的3号样件界面间发生扩散，扩散区深度约为3 μm，扩散深度较少，导致焊接强度较低；400 ℃扩散焊接的4号样件界面间发生扩散，扩散区深度约为8 μm，各成分在焊接界面区域形成了一个成分逐渐变化互扩散层，在分布曲线上无平台出现，表明焊接界面区域为互扩散形成的固溶体，未形成金属间化合物，焊接强度较高为70 MPa。若温度继续升高，扩散区深度继续增加，在扩散区可能发生固相反应扩散，形成具有稳定成分的金属间化合物，导致焊接强度降低，具体温度临界点需要进一步详细试验分析。

图6 3号样件焊接界面扩散线扫描图

图7 4号样件焊接界面扩散线扫描图

3 结论

(1)稀土钇靶材钎焊性能较差，需要进行金属化处理来提高焊接性能。

(2)稀土钇靶材钎焊焊合率随焊接温度的升高而提高，稀土钇靶材最佳钎焊温度为220～240 ℃，焊接质量达到常规钎焊焊接要求。

(3)稀土钇靶材扩散焊接强度明显高于钎焊焊接强度，在HIP温度400 ℃，压力110 MPa，保温3 h时，靶材的焊接强度达到70 MPa，实现扩散焊接，得到高焊接强度靶材。