專利名稱：靶材與背板的焊接方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，尤其涉及靶材與背板的焊接方法。
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)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濺 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。
將高純度鉭靶材以及銅或鋁合金的背板經(jīng)過加工、焊接成型，制成半導(dǎo) 體工業(yè)所使用的把材組件后，然后安裝在賊射機(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， 把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(shí)，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(shí)還可能會(huì)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(shí)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。
在將鉭耙材與銅或鋁質(zhì)材料的背板進(jìn)行對焊時(shí)，由于兩者熔點(diǎn)相差太大(銅熔點(diǎn)1084。C，鋁熔點(diǎn)650。C,鉭熔點(diǎn)2996。C)，因此，采用常規(guī)的熔化焊 接設(shè)備很難實(shí)現(xiàn)有效的大面積焊接。
現(xiàn)有的一種釬焊方法可以實(shí)現(xiàn)兩者的有效結(jié)合。所謂釬焊是在兩種待焊 接材質(zhì)(母材)之間填充釬料金屬，利用填充的金屬熔點(diǎn)比母材低的特點(diǎn)， 經(jīng)加熱熔化后釬料形成液態(tài)，填充接頭間隙并與母材相互擴(kuò)散，而實(shí)現(xiàn)連接 的焊接方法。然而，半導(dǎo)體工業(yè)所使用的鉭靶材其材質(zhì)容易氧化，難以與釬 料浸潤融合，使得釬焊后的焊縫抗拉強(qiáng)度較低而達(dá)不到靶材要求。因此需要 研究一種新的釬焊工藝，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靶材與背板的焊接方法，解決釬焊工藝中 由于鉭耙材易氧化難以與釬料浸潤融合，而影響所得靶材組件的焊接效果。 為解決上述問題，本發(fā)明提供一種靶材與背板的焊接方法，包括 提供鉭靶材和背板； 在背板的焊接面上添加釬料；
在真空中進(jìn)行釬焊處理，加熱熔化釬料將鉭靶材焊接至背板形成靶材組
件；
對耙材組件進(jìn)行保溫?zé)釘U(kuò)散處理；
冷卻靶材組件，并進(jìn)行;feM成加工去除多余的4f料。
可選的，所述釬焊的溫度為350。C 1000。C高于釬料的熔點(diǎn)，保溫的溫度 可比釬焊溫度稍低至釬料熔點(diǎn)附近，時(shí)間可為1小時(shí)~5小時(shí)，
可選的，添加釬料的方法具體為在背板的焊接面上高溫涂覆半固態(tài)釬料 或者直接放置釬料塊，所述釬料的材料具體為銀、鋅或者錫以及這些金屬的 合金。
可選的，在添加釬料之前還包括步驟清洗所述鉭靶材以及背板的表面。 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)在設(shè)備的真空環(huán)境中進(jìn)行釬焊一方面可以有效防止金屬的焊接表面被氧化，有利于釬料與金屬的浸潤，另一方 面，也杜絕了空氣中的雜質(zhì)在高溫狀態(tài)下滲入釬料，而影響焊接效果。使得 鉭靶材和背板之間的結(jié)合強(qiáng)度提高，從而避免賊射過程中鉭耙材從背板脫離， 正常進(jìn)行濺射鍍膜。
進(jìn)一步的，釬料熔化后繼續(xù)加熱靶材組件，保持200。C 1000。C溫度1小 時(shí)~5小時(shí)，使得鉭靶材以及銅或鋁質(zhì)材料背板在接觸面與釬料的相互擴(kuò)散程 度進(jìn)一步提高，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(diǎn)。


圖1為本發(fā)明所述靶材與背板的焊接方法的具體實(shí)施方式
流程圖； 圖2至圖6為本發(fā)明所述靶材與背板進(jìn)行真空釬焊的實(shí)施示意圖。
具體實(shí)施例方式
圖1為本發(fā)明所述靶材與背板的焊接方法具體實(shí)施方式
流程圖，而圖2 至圖6為實(shí)施示意圖。主要步驟如下
51、 提供鉭靶材以及背板；
提供的鉭耙材，其形狀根據(jù)應(yīng)用環(huán)境、濺射設(shè)備的實(shí)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，且其厚度可以為lmm 80mm。如圖2所示，鉭靶材10的形狀優(yōu)選 為圓形，直徑為350mm，厚度為8.5mm。而背板20的形狀由濺射設(shè)備決定， 材質(zhì)可根據(jù)具體需要選擇， 一般可采用鋁、銅、鋁合金、銅合金等材質(zhì)。
52、 對鉭耙材以及背板表面進(jìn)行機(jī)械加工然后化學(xué)清洗；
其中對鉭靶材以及背板的表面進(jìn)行機(jī)械加工使之光亮。
鉭把材表面的清洗可先采用混合酸劑進(jìn)行酸洗然后使用有機(jī)清洗溶劑清洗，而背板表面則直接使用有機(jī)清洗溶劑清洗。
53、 在背板的焊接面上添加釬料；
添加釬料的方法具體為在背板的焊接面上高溫涂覆釬料或者直接放置釬 料塊，所述釬料的材料具體為銀、鋅或者錫以及這些金屬的合金。
如圖3所示，將釬料塊30直接置于背板20的焊接面上，然后再組合鉭 耙材10送入釬焊設(shè)備。
54、 在真空中進(jìn)行釬焊處理，加熱熔化釬料將鉭靶材與銅或鋁質(zhì)材料的 背板焊接形成靶材組件。
如圖4所示，利用釬焊設(shè)備加熱靶材組件，高溫熔化釬料塊20,使得液 態(tài)的釬料在鉭靶材10與背板20之間的焊接面上均勻分布，進(jìn)行焊接。
55、 對所述靶材組件進(jìn)行進(jìn)一步的保溫?zé)釘U(kuò)散處理。
如圖5所示，所述熱擴(kuò)散處理具體為在加熱狀態(tài)下保溫一定時(shí)間，使得 靶材與背板在焊接面上與釬料進(jìn)一步熱擴(kuò)散。
56、 冷卻耙材組件，并進(jìn)行機(jī)械加工去除多余的釬料。
如圖6所示，因?yàn)樵阝F焊過程中，液態(tài)的釬料有可能在靶材的邊緣溢出， 所以冷卻耙材組件后，還需機(jī)械加工以去除，最終獲得完成焊接的靶材組件。
本發(fā)明采用真空釬焊將鉭靶材和銅或鋁材質(zhì)背板實(shí)施大面積的焊接；由 于所述釬焊過程是在真空環(huán)境中進(jìn)行，因此能夠有效防止焊接金屬的焊接面 被氧化，還可以杜絕高溫環(huán)境下，空氣中雜質(zhì)滲透入^^f料影響焊接效果。進(jìn) 一步的，釬料熔化后繼續(xù)加熱靶材組件保溫，使得鉭靶材以及銅或鋁質(zhì)材料 背板在接觸面與釬料的相互擴(kuò)散程度進(jìn)一步提高，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(diǎn)。提高鉭靶材和銅或鋁質(zhì)材料背板之 間的結(jié)合強(qiáng)度，避免濺射過程中鉭靶材脫離背板，從而正常進(jìn)行濺射鍍膜。 下面結(jié)合具體實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的介紹。
7實(shí)施例一
以下為99.99。/。高純度Ta靶與6061A1合金背板進(jìn)行釬焊的工藝步驟及焊 接結(jié)果
(1 )靶材、背板的表面加工對Ta靶表面以及6061 Al合金背板表面進(jìn) 行機(jī)械加工使之光亮，光潔度達(dá)到0.2~1.6um。
(2) 靶材、背板的化學(xué)清洗對Ta靶先用酸液清洗，再用有機(jī)溶劑清 洗；而對6061A1合金背板直接采用有機(jī)溶劑清洗。所述用于清洗的酸液可以 是氫氟酸(HF )和硝酸(HN03)的混合溶劑，所述氫氟酸(HF )和硝酸(HN03) 混合溶劑中氫氟酸所占比例為3%~15%，硝酸所占比例可以為85%~97%;作 為優(yōu)選，HF :麗03配比的比例為1:3。另外，所述酸液也可以是由氫氟酸
(HF)、硝酸(HN03)和鹽酸(HCL)配比而成的混合溶劑。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) 釬料的添加以及在真空環(huán)境下的釬焊處理
第一步，先在6061Al合金背板表面高溫涂敷錫釬料，待冷固后將Ta靶 置于釬料上，組成夾心結(jié)構(gòu)。
第二步，將上述產(chǎn)品送入加熱爐加熱溫度到450°C;
第三步，高溫熔化錫釬料，液態(tài)錫在Ta靶與6061A1合金背板之間將會(huì) 重分布，直至錫釬料均勻的覆蓋整個(gè)焊接面。
(4) 耙材、背板的熱擴(kuò)散處理讓Ta靶與6061A1合金背板組成的靶 材組件在450。C狀態(tài)下保溫1小時(shí)。此處保溫的溫度也可以稍樣i降低至230。C 使得錫釬料處于半固態(tài)有利于靶材組件的穩(wěn)定，最終使得Ta靶以及6061A1 合金背板與焊接面上的錫釬料得以進(jìn)一步的相互擴(kuò)散，提高焊接的結(jié)合度。
8(5)將靶材組件進(jìn)行冷卻，并機(jī)械加工去除多余釬料，最終獲得焊接后 的產(chǎn)品。如果需求產(chǎn)品的尺寸精度要求較高，還可以進(jìn)一步進(jìn)行粗-精分布加 工，將靶材組件的外形尺寸加工至小誤差范圍。
最后，焊接狀況檢測利用C-SCAN檢測焊接結(jié)合率，該由Ta耙與6061A1 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 焊接的平均強(qiáng)度為80Mpa，結(jié)果表面，采用本發(fā)明所述焊接方法所取得的靶 材組件焊接性能十分可靠。
實(shí)施例二
以下為99.995%高純度Ta靶與黃銅背板進(jìn)行釬焊的工藝步驟及焊接結(jié)
果
(1) 靶材、背板的表面加工對Ta靶表面以及黃銅背板表面進(jìn)行機(jī)械 加工使之光亮，光潔度達(dá)到0.2~1.6um。
(2) 把材、背板的化學(xué)清洗對Ta靶先用酸液清洗，再用有機(jī)溶劑清 洗；而對黃銅背板直接采用有機(jī)溶劑清洗。所述用于清洗的酸液可以是氫氟 酸(HF)和硝酸(HN03)的混合溶劑，所述氫氟酸(HF)和硝酸(HN03) 混合溶劑中氫氟酸所占比例為3%~15%，硝酸所占比例可以為85% 970/。；作 為優(yōu)選，HF : HN03配比的比例為1 : 3。另外，所述酸液也可以是由氫氟酸
(HF)、硝酸(HN03)和鹽酸(HCL)配比而成的混合溶劑。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) 釬料的添加以及在真空環(huán)境下的釬焊處理
第一步，先在黃銅背板表面放置銀釬塊，然后將Ta靶置于銀釬塊上，組 成夾心結(jié)構(gòu)。
第二步，將上述產(chǎn)品送入加熱爐加熱溫度到700。C;第三步，高溫熔化銀釬塊，液態(tài)錫在Ta靶與黃銅背板之間將會(huì)重分布， 直至銀釬料均勻的覆蓋整個(gè)焊接面。
(4 )靶材、背板的熱擴(kuò)散處理讓Ta靶與黃銅背板組成的靶材組件在 700。C狀態(tài)下保溫2小時(shí)。最終使得Ta靶以及黃銅背板與焊接面上的銀釬料 得以進(jìn)一步的相互擴(kuò)散，提高焊接的結(jié)合度。
(5)將靶材組件進(jìn)行冷卻，并機(jī)械加工去除多余釬料，最終獲得焊接后 的產(chǎn)品。如果需求產(chǎn)品的尺寸精度要求較高，還可以進(jìn)一步進(jìn)行粗-精分布加 工，將靶材組件的外形尺寸加工至小誤差范圍。
最后，焊接狀況檢測利用C-SCAN檢測焊接結(jié)合率，該由Ta耙與黃銅 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，其焊接 的平均強(qiáng)度為105Mpa，結(jié)果表面，釆用本發(fā)明所述焊接方法所取得的靶材組 件焊接性能十分可靠。
實(shí)施例三
以下為99.99%高純度Ta靶與無氧銅背板進(jìn)行釬焊的工藝步驟及結(jié)果
(1) 靶材、背板的表面加工對Ta靶表面以及無氧銅背板表面進(jìn)行機(jī) 械加工^f吏之光亮，光潔度達(dá)到0.2~3.2um。
(2) 靶材、背板的化學(xué)清洗對Ta靶先用酸液清洗，再用有機(jī)溶劑清 洗；而對無氧銅背板直接采用有機(jī)溶劑清洗。所述用于清洗的酸液可以是氫 氟酸(HF )和硝酸(HN03)的混合溶劑，所述氫氟酸(HF )和硝酸(HN03) 混合溶劑中氫氟酸所占比例為3%~15%，硝酸所占比例可以為85% 97%;作 為優(yōu)選，HF : HN03配比的比例為1 : 3。另外，所述酸液也可以是由氫氟酸
(HF)、硝酸(HN03)和鹽酸(HCL)配比而成的混合溶劑。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)釬料的添加以及在真空環(huán)境下的4f焊處理
第一步，先在無氧銅背板表面放置銀釬塊，然后將Ta靶置于銀釬塊上， 組成夾心結(jié)構(gòu)。
第二步，將上述產(chǎn)品送入加熱爐加熱溫度到800°C;
第三步，高溫熔化銀釬塊，液態(tài)銀在Ta靶與無氧銅背板之間將會(huì)重分布， 直至均勻的覆蓋整個(gè)焊接面。
(4 )靶材、背板的熱擴(kuò)散處理讓Ta靶與無氧銅背板組成的靶材組件 在800。C狀態(tài)下保溫5小時(shí)。最終使得Ta靶以及黃銅背板與焊接面上的釬料 得以進(jìn)一步的相互擴(kuò)散，提高焊接的結(jié)合度。
(5)將靶材組件進(jìn)行冷卻，并機(jī)械加工去除多余4f料，最終獲得焊接后 的產(chǎn)品。如果需求產(chǎn)品的尺寸精度要求較高，還可以進(jìn)一步進(jìn)行粗-精分布加 工，將靶材組件的外形尺寸加工至小誤差范圍。
最后，焊接狀況檢測利用C-SCAN檢測焊接結(jié)合率，該由Ta靶與無氧 銅背板所組成的靶材組件其焊接結(jié)合率范圍97%，再測試其拉伸強(qiáng)度，其焊 接的平均強(qiáng)度為110Mpa，結(jié)果表面，采用本發(fā)明所述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(shí)施例公開如上，但其并不是用來限定本發(fā)明，任何 本領(lǐng)域技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，都可以做出可能的變動(dòng)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)。
權(quán)利要求
1. 一種靶材與背板的焊接方法，其特征在于，包括提供鉭靶材和背板；在背板的焊接面上添加釬料；在真空中進(jìn)行釬焊處理，加熱熔化釬料將鉭靶材焊接至背板形成靶材組件；對靶材組件進(jìn)行保溫?zé)釘U(kuò)散處理；冷卻靶材組件，并進(jìn)行機(jī)械加工去除多余的釬料。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的靶材與背板的焊接方法，其特征在于，所述釬焊處 理具體為將溫度加熱至35(TC 100(TC高于釬料熔點(diǎn)。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的靶材與背板的焊接方法，其特征在于，所述熱擴(kuò)散 處理的溫度為200。C 1000。C,保溫時(shí)間為1小時(shí)~5小時(shí)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的靶材與背板的焊接方法，其特征在于，所述背板為 銅、鋁、銅合金或者鋁合金材料。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的靶材與背板的焊接方法，其特征在于，添加釬料的 方法具體為在背板的焊接面上高溫涂覆半固態(tài)釬料或者直接放置釬料塊， 所述釬料的材料具體為銀、鋅、錫以及這些金屬的合金。
6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的靶材與背板的焊接方法，其特征在于，在所述添加 釬料前，還需要對鉭靶材和背板先進(jìn)行機(jī)械加工再化學(xué)清洗。
7. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的靶材與背板的焊接方法，其特征在于，機(jī)械加工使 得鉭耙材以及背板表面的光潔度達(dá)到0.2~3.2um。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述的靶材與背板的焊接方法，其特征在于，所述化學(xué)清 洗鉭靶材表面具體為先使用混合酸劑進(jìn)行酸洗，再使用有機(jī)清洗溶劑清洗； 化學(xué)清洗背板表面具體為使用有機(jī)清洗溶劑清洗。
9. 根據(jù)權(quán)利要求8所述的靶材與背板的焊接方法，其特征在于，所述混合酸劑為氫氟酸(HF )、硝酸(HN03 )混合溶劑或者由氫氟酸(HF )、硝酸(HN03) 與鹽酸(HCL )配比而成的混合溶劑。
10 .根據(jù)權(quán)利要求8所述的靶材與背板的焊接方法，其特征在于，所述有機(jī)清 洗溶劑為異丁醇IB A 、異丙醇IPA或混丙醇IPB中的任一種。
全文摘要
一種靶材與背板的焊接方法。其中靶材與背板的焊接方法，提供鉭靶材和背板；在背板的焊接面上添加釬料；在真空中進(jìn)行釬焊，加熱熔化釬料將鉭靶材焊接至背板形成靶材組件；然后保溫?zé)釘U(kuò)散處理；冷卻靶材組件，并進(jìn)行機(jī)械加工去除多余的釬料。本發(fā)明在設(shè)備的真空環(huán)境中實(shí)施大面積焊接，有效防止金屬的焊接表面被氧化，有利于釬料與金屬的浸潤，使得鉭靶材和背板之間的結(jié)合強(qiáng)度提高，從而在濺射過程中避免了鉭靶材從背板的脫離，正常進(jìn)行濺射鍍膜。
文檔編號B23K1/00GK101543924SQ200910127248
公開日2009年9月30日 申請日期2009年3月12日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月12日
發(fā)明者慶 劉, 姚力軍, 杰 潘, 陳勇軍 申請人:寧波江豐電子材料有限公司