專利名稱：鋁靶材坯料與鋁合金背板的焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體領(lǐng)域濺射靶材制造，尤其涉及鋁靶材坯料與鋁合金背 板的焊接方法。
背景技術(shù)：
在半導(dǎo)體工業(yè)中，靶材組件是由符合濺射性能的靶材和與所述靶材結(jié)合、 具有一定強(qiáng)度的背板構(gòu)成。背板可以在所述靶材組件裝配至濺射基臺中起到
支撐作用，并具有傳導(dǎo)熱量的功效。目前，主要使用金屬鉭(Ta)或者鋁(Al) 通過物理氣相沉積法(PVD)鍍膜并形成阻擋層作為靶材，在濺射過程中使 用磁控賊射；需要使用具有足夠強(qiáng)度，且導(dǎo)熱、導(dǎo)電性也較高的銅或鋁材料 作為背板材料。
將高純度鋁靶材坯料以及鋁合金背板經(jīng)過加工、焊接成型，制成半導(dǎo)體 工業(yè)所使用的耙材組件后，然后安裝在濺射機(jī)臺上，在磁場、電場作用下有 效進(jìn)行濺射控制?，F(xiàn)有濺射工藝中，靶材組件的工作環(huán)境非常惡劣，首先， 耙材組件工作溫度高達(dá)300。C至500。C;其次，靶材組件的一側(cè)充以冷卻水強(qiáng) 冷，而另一側(cè)則處于l(T9Pa的高真空環(huán)境下，由此在靶材組件的上下兩側(cè)形 成有巨大的壓力差；同時，靶材組件處在高壓電場、磁場中，受到各種粒子 的轟擊。如果靶材組件中靶材與背板之間的焊接質(zhì)量較差，將導(dǎo)致靶材在受 熱條件下變形、開裂、甚至從背板脫落，不但無法達(dá)到濺射均勻的效果，同 時還可能會導(dǎo)致濺射基臺損壞。
因此，需要選擇一種有效的焊接方式，使得靶材與背板實現(xiàn)可靠結(jié)合， 滿足長期穩(wěn)定生產(chǎn)、使用靶材的需要顯得十分必要。焊接是相互接觸的材料表面，在一定溫度、壓力作用下靠近，局部產(chǎn)生塑性 變形，原子間相互擴(kuò)散，在界面處形成新的擴(kuò)散層，而實現(xiàn)可靠連接完成焊 接過程。
然而在將鋁靶材坯料與鋁合金背板進(jìn)行擴(kuò)散焊接時，由于金屬鋁及其合
金的熔點較低(鋁熔點650°C ),且化學(xué)性質(zhì)較為活潑，采用常規(guī)的焊接設(shè)備 進(jìn)行擴(kuò)散焊接，溫度加熱至200。C以上時，焊接表面的氧化非常嚴(yán)重，從而使 得金屬接觸面原子不能進(jìn)行有效擴(kuò)散，難以達(dá)到理想的焊接效果。因此需要 研究一種新的擴(kuò)散焊接工藝，提高焊接后所得組件的結(jié)合率和強(qiáng)度。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決的問題是提供一種鋁靶材坯料與鋁合金背板的焊接方法，解 決擴(kuò)散焊接工藝中由于鋁靶材坯料以及鋁合金背板在加熱狀態(tài)下接觸面容易 氧化，而影響所得靶材組件的焊接效果。
為解決上述問題，本發(fā)明提供一種鋁靶材坯料與鋁合金背板的焊接方法， 包括
提供鋁耙材坯料和鋁合金背板；
將鋁靶材坯料和鋁合金背板放置入真空包套送入焊接設(shè)備；所述真空包 套釆用1.0mm 2.0mm低碳鋼或者鋁合金焊接成型的，裝入靶材坯料以及背板 后抽真空至10-3~10-5托再封閉；
釆用熱等靜壓工藝進(jìn)行擴(kuò)散焊接，將鋁靶材坯料焊接至鋁合金背板形成 耙材組件；所述熱等靜壓工藝具體參數(shù)優(yōu)選為焊接溫度為200。C 450。C,環(huán) 境壓強(qiáng)為50 160Mpa,并在此溫度壓強(qiáng)下保溫3 5小時；
完成焊接后，進(jìn)行空冷并拆除真空包套取出靶材組件。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點采用熱等靜壓工藝進(jìn)行焊接能 將兩種金屬面對面很好得結(jié)合在一起，從而可以實現(xiàn)對靶材和背板實施大面積焊接；由于本發(fā)明的熱等靜壓工藝是在真空包套中進(jìn)行焊接，因此有效防
止了待焊金屬被氧化，且降低了真空設(shè)備成本。通過本發(fā)明方法進(jìn)行焊接使 得鋁靶材坯料與鋁合金背板在接觸面的相互擴(kuò)散程度較高，結(jié)合強(qiáng)度能夠達(dá)
到40Mpa以上，還具有受熱抗變形能力強(qiáng)等優(yōu)點。


圖1為本發(fā)明所述鋁靶材坯料與鋁合金背板焊接方法的具體實施方式
流 程圖2至圖5為本發(fā)明所述鋁靶材坯料與鋁合金背板的焊接實施示意圖。
具體實施例方式
圖1為本發(fā)明所述靶材與背板的擴(kuò)散焊接方法具體實施方式
流程圖，結(jié) 合圖2至圖5的實施示意圖進(jìn)行說明，本發(fā)明主要步驟如下
S1 、提供鋁靶材坯料以及鋁合金背板。
提供的鋁靶材坯料，其形狀根據(jù)應(yīng)用環(huán)境、濺射設(shè)備的實際要求，可以 為圓形、矩形、環(huán)形、圓錐形或其他類似形狀(包括規(guī)則形狀和不規(guī)則形狀) 中的任一種，且其厚度一般為lmm 80mm，而面尺寸根據(jù)靶材所應(yīng)用的設(shè)備 不同并沒有固定范圍。另外，實際用于焊接的靶材坯料需要在設(shè)定尺寸上預(yù) 留2 5mm余量，以適應(yīng)焊接后金屬的膨脹變形。如圖2所示，本發(fā)明為說明 需要，在后述具體實施例均選擇一種較典型的鋁靶材坯料10,形狀為圓形， 直徑為350mm，厚度為10mm。而鋁合金背板20的形狀由濺射設(shè)備決定。
S2、對鋁耙材坯料以及鋁合金背板的表面進(jìn)行機(jī)械加工然后化學(xué)清洗；
其中對鋁耙材坯料以及鋁合金背板的表面進(jìn)行機(jī)械加工使之光亮，尤其 使兩者的接觸面達(dá)到必要的光潔度，以便于緊密的貼合，防止焊接過程中形 成突起或者凹槽等缺陷。鋁靶材坯料和鋁合金背板表面的清洗均可直接使用有機(jī)清洗溶劑清洗， 去除表面的可溶性雜質(zhì)，同樣可以防止焊接過程中的缺陷形成。
S3 、將鋁靶材坯料和鋁合金背板放置入真空包套送入焊接設(shè)備；
如圖3所示，將鋁耙材坯料10和鋁合金背板20組裝固定，使得對焊面 相貼合，然后裝入由1.0mm 2.0mm低碳鋼或者鋁合金焊接成型的真空包套30 中，再通過真空包套的抽氣口 31抽真空至10-3 10-5托，最后封閉抽氣口31, 在真空包套30內(nèi)形成真空環(huán)境；將上述真空包套30連同內(nèi)置的靶材坯料以 及背板整體送入焊接設(shè)備進(jìn)行焊接。
54、 采用熱等靜壓工藝進(jìn)行擴(kuò)散焊接，將鋁靶材坯料焊接至鋁合金背板 形成靶材組件；
所述熱等靜壓工藝是在高溫條件下，利用壓力機(jī)設(shè)備采用液體或氣體介 質(zhì)等方式在待焊工件周圍形成高壓強(qiáng)環(huán)境，進(jìn)行焊接。
如圖4所示，鋁靶材坯料10以及鋁合金背板20在真空包套30內(nèi)進(jìn)行焊 接，而真空包套30外部形成高溫高壓環(huán)境。由于真空包套30是薄壁焊接成 形的，所以真空包套會緊密貼合內(nèi)置的靶材組件，外界的高壓強(qiáng)會直接傳遞 至鋁靶材坯料10以及鋁合金背板20，在兩者各向接觸面形成壓力。真空包套 30起到的僅是隔絕空氣，并且進(jìn)行熱傳遞的作用。
熱等靜壓工藝的具體參數(shù)如下焊接溫度為200。C 450。C，環(huán)境壓強(qiáng)為 50 160Mpa，并在此溫度壓強(qiáng)下保溫3 5小時；
在上述條件下，鋁靶材坯料與鋁合金背板在接觸面上產(chǎn)生塑性變形，原 子間相互擴(kuò)散，在界面處形成新的擴(kuò)散層，最終實現(xiàn)可靠連接完成焊接過程。
55、 空冷以冷卻靶材組件，完成焊4妄。
如圖5所示，去除包套30,獲得完成擴(kuò)散焊-接的靶材組件。本發(fā)明采用熱等靜壓工藝將鋁靶材坯料和鋁合金背板實施大面積的對
焊；由于所述擴(kuò)散焊接是在真空包套中進(jìn)行，隔絕了空氣，因此能夠有效防
止焊接金屬的接觸面被氧化，提高鋁靶材坯料和鋁合金背板之間的結(jié)合強(qiáng)度， 避免濺射過程中靶材脫離背板，從而正常進(jìn)行濺射鍍膜。所形成的靶材組件 具有結(jié)合緊密度高、受熱抗變形能力強(qiáng)等優(yōu)點。 下面結(jié)合優(yōu)選實施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的介紹。
實施例一
以下為99.995%高純度A1耙材坯料與6061Al合金背板進(jìn)行擴(kuò)散焊接的工 藝步驟及焊接結(jié)果
(1) 靶材坯料、背板的表面加工對Al耙材坯料表面以及6061A1合金 背板表面進(jìn)行機(jī)械加工使之光亮，尤其使兩者接觸面的光潔度達(dá)到0.2um。
(2) 靶材坯料、背板的化學(xué)清洗對A1靶材坯料以及6061A1合金背板 采用有機(jī)溶劑清洗表面，去除表面的可溶性雜質(zhì)。所述有機(jī)溶劑則可以是異 丁醇IBA、異丙醇IPA或混丙醇IPB中的任一種，優(yōu)選地，選取異丙醇IPA。
(3) 將靶材坯料、背板裝入真空包套
先將Al靶材坯料和6061A1合金背板裝入薄壁焊接成形的真空包套中， 所述真空包套為1.0mm 2.0mm低碳鋼或者鋁合金焊接成型的，然后抽真空至 1(73~10-5托，其中1托=1毫米汞柱=133.32帕斯卡，再將真空包套的抽氣口采 用機(jī)械方法封死，完成待焊靶材坯料以及背板的真空包裝，最后整體送入焊 接設(shè)備中進(jìn)行焊接。
(4 )利用熱等靜壓工藝進(jìn)行擴(kuò)散焊接對將靶材坯料焊接至背板
將上步包裝好的產(chǎn)品送入焊接設(shè)備中，首先利用壓力機(jī)采用氣體介質(zhì)加 壓，氣體介質(zhì)加壓較之液體加壓具有各向壓強(qiáng)同性的特點，適合對焊時多接 觸面的焊接，使得真空包套內(nèi)Al靼材坯料與6061A1合金背板接觸面上的壓強(qiáng)達(dá)到150MPa;
然后再將焊接溫度提升至450°C，在此環(huán)境壓強(qiáng)以及溫度下保持5小時， 使Al靶材坯料與6061A1合金背板的接觸面相互熱擴(kuò)散，結(jié)合在一起，構(gòu)成 靶材組件。
(5)完成熱等靜壓工藝后，將耙材組件進(jìn)行空冷，去除真空包套，最終 獲得擴(kuò)散焊接后的產(chǎn)品。
最后，焊接狀況檢測利用C-SCAN檢測焊接結(jié)合率，該由A1靶材坯料 與6061Al合金背板所組成的靶材組件其焊接結(jié)合率達(dá)到98%，再測試其拉伸 強(qiáng)度，其擴(kuò)散焊接的平均強(qiáng)度為100Mpa，結(jié)果表明，采用本發(fā)明所述擴(kuò)散焊 接方法所取得的靶材組件焊接性能十分可靠。
實施例二
以下為99.99。/o高純度Al靶材坯料與6061Al合金背板進(jìn)行擴(kuò)散焊接的工 藝步驟及焊接結(jié)果
(1) 耙材坯料、背板的表面加工對A1靶材坯料表面以及6061A1合金 背板表面進(jìn)行機(jī)械加工使之光亮，尤其使兩者接觸面的光潔度達(dá)到3.2um。
(2) 靶材坯料、背板的化學(xué)清洗對A1靶材坯料以及6061A1合金背板 采用有機(jī)溶劑清洗表面，去除表面的可溶性雜質(zhì)。所述有機(jī)溶劑則可以是異 丁醇IBA、異丙醇IPA或混丙醇IPB中的任一種，優(yōu)選地，選取異丙醇IPA。
(3 )將靶材坯料、背板裝入真空包套
先將Al靶材坯料和6061A1合金背板裝入薄壁焊接成形的真空包套中， 所述真空包套為1.0mm 2.0mm低碳鋼或者鋁合金焊接成型的，然后抽真空至 10-3 10—5托，再將真空包套的抽氣口采用機(jī)械方法封死，完成待焊耙材坯料以 及背板的真空包裝，最后整體送入焊接設(shè)備中進(jìn)行焊接。(4 )利用熱等靜壓工藝進(jìn)行擴(kuò)散焊接對將靶材坯料焊接至背板
將上步包裝好的產(chǎn)品送入焊接設(shè)備中，首先利用壓力機(jī)釆用氣體介質(zhì)加 壓，氣體介質(zhì)加壓較之液體加壓具有各向壓強(qiáng)同性的特點，適合對焊時多接
觸面的焊接，使得真空包套內(nèi)Al靶材坯料與6061A1合金背板接觸面上的壓 強(qiáng)達(dá)到50MPa;
然后再將焊接溫度提升至200°C，在此環(huán)境壓強(qiáng)以及溫度下保持3小時, 使A1耙材坯料與6061A1合金背板的接觸面相互熱擴(kuò)散，結(jié)合在一起，構(gòu)成 輩巴材組件。
(5)完成熱等靜壓工藝后，將靶材組件進(jìn)行空冷，去除真空包套，最終 獲得擴(kuò)散焊接后的產(chǎn)品。
最后，焊接狀況檢測利用C-SCAN檢測焊接結(jié)合率，該由A1靶材坯料 與6061Al合金背板所組成的靶材組件其焊接結(jié)合率達(dá)到95%,再測試其拉伸 強(qiáng)度，其擴(kuò)散焊接的平均強(qiáng)度為40Mpa,結(jié)果表明，采用本發(fā)明所述擴(kuò)散焊 接方法所取得的靶材組件焊接性能十分可靠。
實施例三
以下為99.99。/。高純度A1靶材坯料與ZL105AL合金背板進(jìn)行擴(kuò)散焊接的 工藝步驟及焊接結(jié)果
(1) 靶材坯料、背板的表面加工對A1靶材坯料表面以及ZL105AL合 金背板表面進(jìn)行機(jī)械加工使之光亮，尤其使兩者接觸面的光潔度達(dá)到1.6um。
(2) 靶材坯料、背板的化學(xué)清洗對A1靶材坯料以及ZL105AL合金背 板采用有機(jī)溶劑清洗表面，去除表面的可溶性雜質(zhì)。所述有機(jī)溶劑則可以是 異丁醇IBA、異丙醇IPA或混丙醇IPB中的任一種，優(yōu)選地，選耳又異丙醇IPA。
(3) 將靶材坯料、背板裝入真空包套先將Al靶材坯料和ZL105AL合金背板裝入薄壁焊接成形的真空包套中， 所述真空包套為1.0mm 2.0mm低碳鋼或者鋁合金焊接成型的，然后抽真空至 10-3 1(15托，再將真空包套的抽氣口采用機(jī)械方法封死，完成待焊耙材坯料以 及背板的真空包裝，最后整體送入焊接設(shè)備中進(jìn)行焊接。
(4 )利用熱等靜壓工藝進(jìn)行擴(kuò)散焊接對將靶材坯料焊接至背板
將上步包裝好的產(chǎn)品送入焊接設(shè)備中，首先利用壓力機(jī)采用氣體介質(zhì)加 壓，氣體^h質(zhì)加壓較之液體加壓具有各向壓強(qiáng)同性的特點，適合對焊時多接 觸面的焊接，使得真空包套內(nèi)Al耙材坯料與ZL105A1合金背板接觸面上的壓 強(qiáng)達(dá)到lOOMPa;
然后再將焊接溫度提升至300。C，在此環(huán)境壓強(qiáng)以及溫度下保持4小時， 使A1靶材坯料與ZL105A1合金背板的接觸面相互熱擴(kuò)散,結(jié)合在一起，構(gòu)成 靶材組件。
(5)完成熱等靜壓工藝后，將靶材組件進(jìn)行空冷，去除真空包套，最終 獲得擴(kuò)散焊接后的產(chǎn)品。.
最后，焊接狀況檢測利用C-SCAN檢測焊接結(jié)合率，該由A1靶材坯料 與ZL105A1合金背板所組成的靶材組件其焊接結(jié)合率達(dá)到97%,再測試其拉 伸強(qiáng)度，其擴(kuò)散焊接的平均強(qiáng)度為80Mpa，結(jié)果表明，采用本發(fā)明所述擴(kuò)散 焊接方法所取得的靶材組件焊接性能十分可靠。
本發(fā)明雖然以較佳實施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何 本領(lǐng)域4支術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以估文出可能的變動和 修改，因此本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)當(dāng)以本發(fā)明權(quán)利要求所界定的范圍為準(zhǔn)。
10
權(quán)利要求
1.一種鋁靶材坯料與鋁合金背板的焊接方法，其特征在于，包括提供鋁靶材坯料和鋁合金背板；將鋁靶材坯料和鋁合金背板放置入真空包套送入焊接設(shè)備；采用熱等靜壓工藝進(jìn)行擴(kuò)散焊接，將鋁靶材坯料焊接至鋁合金背板形成靶材組件；完成焊接后，進(jìn)行空冷并拆除真空包套取出靶材組件。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁靶材坯料與鋁合金背板的焊接方法，其特征在于， 所述熱等靜壓工藝具體參數(shù)優(yōu)選為焊接溫度200。C 450。C,環(huán)境壓強(qiáng) 50 160Mpa，并在此溫度壓強(qiáng)下保溫3 5小時。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁靶材坯料與鋁合金背板的焊接方法，其特征在于， 所述真空包套采用1.0mm 2.0mm低碳鋼或者鋁合金焊接成型的，裝入靶 材坯料以及背板后抽真空至10-3~10-5托，再封閉。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的鋁靶材坯料與鋁合金背板的焊接方法，其特征在于， 在放置入真空包套前，還需要對鋁靶材坯料和鋁合金背板先進(jìn)行機(jī)械加工 再化學(xué)清洗。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的鋁靶材坯料與鋁合金背板的焊接方法，其特征在于， 機(jī)械加工使得靶材以及背板表面的光潔度達(dá)到0.2 3.2um。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的鋁靶材坯料與鋁合金背板的焊接方法，其特征在于， 所述化學(xué)清洗具體為使用有機(jī)清洗溶劑清洗，有機(jī)清洗溶劑為異丁醇IBA、 異丙醇IPA或混丙醇IPB中的任一種。
全文摘要
一種鋁靶材坯料與鋁合金背板的焊接方法，包括提供鋁靶材坯料和鋁合金背板；將鋁靶材坯料和鋁合金背板放置入真空包套送入焊接設(shè)備；采用熱等靜壓工藝進(jìn)行擴(kuò)散焊接，將鋁靶材坯料焊接至鋁合金背板形成靶材組件；完成焊接后，進(jìn)行空冷并拆除真空包套取出靶材組件。本發(fā)明采用真空套包實現(xiàn)靶材與背板與空氣隔絕，有效防止焊接時金屬表面被氧化，并降低了真空設(shè)備成本；另一方面，利用熱等靜壓工藝進(jìn)行擴(kuò)散焊接，進(jìn)一步地提高鋁靶材坯料與鋁合金背板之間的結(jié)合強(qiáng)度，且結(jié)合后彎曲變形小。
文檔編號C23C14/34GK101564793SQ20091013531
公開日2009年10月28日 申請日期2009年4月17日 優(yōu)先權(quán)日2009年4月17日
發(fā)明者慶 劉, 姚力軍, 杰 潘, 王學(xué)澤, 陳勇軍 申請人:寧波江豐電子材料有限公司