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，主要使用金屬銅(Cu)通過物理氣相沉積法(PVD)鍍膜并形成阻擋層作為靶材，在'踐射過程中使用磁控濺射；需要使用具有足夠強度，且導(dǎo)熱、導(dǎo)電性也較高的銅或鋁材料作為背板材料。
將高純度銅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'賊射機臺上，在磁場、電場作用下有效進行濺射控制?，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50(TC;其次，靶材組件的一側(cè)充以冷卻水強冷，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。
在將銅靶材與鋁質(zhì)材料的背板進行對焊時，由于兩者熔點相差太大(銅熔點1084。C,鋁熔點650。C),因此，采用常規(guī)的熔化焊接設(shè)備很難實現(xiàn)有效的大面積焊^接。
現(xiàn)有的一種釬焊方法可以實現(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比母材低的特點，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散，而實現(xiàn)連接的焊接方法。然而，半導(dǎo)體工業(yè)所使用的銅靶材其材質(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，提高悍接后所得組件的結(jié)合率和強度。

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銅靶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，包括提供銅靶材和背板；在銅靶材的焊接面上形成金屬中間層；在背板的焊-接面上添加4千料；
進行釬焊處理，加熱熔化釬料將銅靶材焊接至背板形成靶材組件；對靶材組件進行保溫?zé)釘U散處理；
冷卻把材組件，并進行機械加工去除多余的釬料。可選的，所述釬焊的溫度為350。C至1000。C高于釬料的熔點，保溫的溫度可比釬焊溫度稍低至釬料熔點附近，時間可為1小時至5小時，
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銅耙材以及背板的表面。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點釬焊之前在銅靶材的焊接面形成一層容易與釬料浸潤的金屬中間層，改善了銅靶材與釬料的浸潤融合，提 高了銅靶材與背板的釬焊結(jié)合強度，在濺射過程中銅靶材不會脫開，可以正 常進行濺射鍍膜。
另外，釬焊溫度控制在200。C至450。C之間，可以很好地適應(yīng)銅制靶材與 背板的焊接，從而獲得很好的焊接質(zhì)量。
進一步的，釬料熔化后繼續(xù)加熱耙材組件，保持20(TC至1000。C溫度1 小時至5小時，使得銅靶材以及銅或鋁質(zhì)材料背板在接觸面與釬料的相互擴 散程度進一步提高，所形成的靶材組件具有結(jié)合緊密度高、受熱抗變形能力 強等優(yōu)點。


圖1為本發(fā)明所述靶材與背板的焊接方法的具體實施方式
流程圖； 圖2至圖7為本發(fā)明所述靶材與背板進行釬焊的實施示意圖。
具體實施例方式
圖1為本發(fā)明所述靶材與背板的焊接方法具體實施方式
流程圖，而圖2 至圖7為實施示意圖。主要步驟如下
51、 提供銅靶材以及背板；
提供的銅耙材，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，且其厚度可以為lmm至80mm。如圖2所示，銅靶材10的形狀優(yōu) 選為圓形，直徑為350mm,厚度為8.5mm,純度為99.99%至99.9999%。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、 在銅靶材的焊接面上形成一金屬中間層；如圖3所示，采用等離子噴涂的方法在銅靶的焊^接面上形成一層容易與
釬料浸潤的金屬中間層11,比如Cu層或者Ni-Cr合金層，厚度約為100um 至500um。
S2、對銅把材以及背板表面進行機械加工然后化學(xué)清洗；
其中對銅靶材以及背板的表面進行機械加工使之光亮。 銅耙材表面的清洗可先釆用混合酸劑進行酸洗然后使用有機清洗、溶劑清 洗，而背板表面則直接使用有機清洗溶劑清洗。
54、 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4所示，將釬料塊30直接置于背板20的焊接面上，然后再組合銅 耙材IO送入釬焊設(shè)備。
55、 在真空中進行釬焊處理，加熱熔化釬料將銅靶材與銅或鋁質(zhì)材料的 背板焊接形成靶材組件；
如圖5所示，利用釬焊設(shè)備加熱耙材組件至200。C至45(TC,高溫熔化釬 料塊20,使得液態(tài)的釬料在銅靶材10與背板20之間的焊接面上均勻分布， 進行焊接。
56、 對所述把材組件進行進一步的保溫?zé)釘U散處理。
如圖6所示，所述熱擴散處理具體為在加熱20(TC至1000。C的狀態(tài)下保 溫1小時至5小時，使得耙材與背板在焊接面上與釬料進一步熱擴散。
57、 冷卻靶材組件，并進行機械加工去除多余的釬料。
如圖7所示，因為在釬焊過程中，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，還需機械加工以去除，最終獲得完成焊接的靶材組件。本發(fā)明釬焊之前在銅靶材的焊接面形成一層容易與釬料浸潤的金屬中間 層，使釬焊后銅靶材和背板之間通過釬料融合，結(jié)合強度提高，進一步的， 釬料熔化后繼續(xù)加熱靶材組件保溫，使得銅靶材以及銅或鋁質(zhì)材料背板在接 觸面與釬料的相互擴散程度進一步提高，所形成的靶材組件具有結(jié)合緊密度
高、受熱抗變形能力強等優(yōu)點。提高銅靶材和銅或鋁質(zhì)材料背板之間的結(jié)合 強度，避免濺射過程中銅靶材脫離背板，從而正常進行濺射鍍膜。下面結(jié)合 具體實施例對本發(fā)明作進一步的介紹。
實施例一
以下為99.9999%高純度Cu靶與6061A1合金背板進4亍釬焊的工藝步驟及 焊接結(jié)果
(1) 在靶材表面形成金屬中間層采用等離子噴涂技術(shù)在Cu靶的焊接 一面上形成 一 層金屬中間層，具體為以直流電驅(qū)動的等離子電弧作為熱源， 將Cu或者Ni-Cr合金等易于與釬料浸潤的材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并 以高速噴向經(jīng)過預(yù)處理的Cu坯料表面而以形成附著牢固的金屬層，厚度為 400um。
(2) 革巴材、背板的表面加工對Cu靶表面以及6061Al合金背板表面進 4亍才幾械加工^f吏之光亮，光潔度達(dá)到0.2um至1.6um。
(3) 靶材、背板的化學(xué)清洗對Cu耙先用酸液清洗，再用有機溶劑清 洗；而對6061A1合金背板直接采用有機溶劑清洗。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%至15%,硝酸所占比例可以為85%至97%; 作為優(yōu)選，HF:HN03配比的比例為1 :3。另夕卜，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。
(4) 釬料的添加以及釬焊處理
第一步，先在6061Al合金背板表面高溫涂敷錫4f料，待冷固后將Cu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250°C;
第三步，高溫熔化錫釬料，液態(tài)錫在Cu靶與6061Al合金背板之間將會 重分布，直至錫釬料均勻的覆蓋整個焊接面。
(5) 靶材、背板的熱擴散處理讓Cu靶與6061Al合金背板組成的靶材 組件在450。C狀態(tài)下保溫1小時。此處保溫的溫度也可以稍微降低至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4吏得Cu靶以及6061 Al合 金背板與焊接面上的錫釬料得以進一步的相互擴散，提高焊接的結(jié)合度。
(6) 將靶材組件進行冷卻，并機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，還可以進一步進行粗-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Cu靶與6061A1 合金背板所組成的靶材組件其焊接結(jié)合率達(dá)到98%，再測試其拉伸強度，其 焊接的平均強度為100Mpa,結(jié)果表面，采用本發(fā)明所述釬焊方法所取得的靶 材組件焊接性能十分可靠。
實施例二
以下為99.9999%高純度Cu靶與ZL105鋁合金背板進行z纟千焊的工藝步驟 及焊接結(jié)果
(1)在靶材表面形成金屬中間層采用等離子 涂技術(shù)在Cu靶的焊接 一面上形成 一 層金屬中間層，具體為以直流電驅(qū)動的等離子電弧作為熱源，將Cu或者Ni-Cr合金等易于與釬料浸潤的材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并 以高速噴向經(jīng)過預(yù)處理的Cu坯料表面而以形成附著牢固的金屬層，厚度為 200um。
(2) 靶材、背板的表面加工對Cu靶表面以及ZL105鋁合金背板表面 進行才幾械加工^吏之光亮，光潔度達(dá)到0.2um至1.6um。
(3) 靶材、背板的化學(xué)清洗對Cu靶先用酸液清洗，再用有機溶劑清 洗；而對ZL105鋁合金背板直接采用有機溶劑清洗。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%至15%,硝酸所占比例可以為85% 至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。
(4) 釬料的添加以及釬焊處理
第一步，先在ZL105鋁合金背板表面放置錫釬塊，然后將Cu靶置于《艮釬 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400°C;
第三步，高溫熔化錫釬塊，液態(tài)錫在Cu靶與ZL105鋁合金背板之間將會 重分布，直至錫釬料均勻的覆蓋整個焊接面。
(5 )靶材、背板的熱擴散處理讓Cu靶與ZL105鋁合金背板組成的靶 材組件在450。C狀態(tài)下保溫2小時。最終使得Cu靶以及ZL105鋁合金背板與 焊接面上的錫釬料得以進一步的相互擴散，提高焊接的結(jié)合度。
(6)將靶材組件進行冷卻，并機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，還可以進一步進行粗-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Cu靶與ZL105 鋁合金背板所組成的靶材組件其焊接結(jié)合率達(dá)到97%,再測試其拉伸強度， 其焊接的平均強度為80Mpa，結(jié)果表面，采用本發(fā)明所述釬焊方法所取得的 靶材組件焊接性能十分可靠。
實施例三
以下為99.9999%高純度Cu靶與黃銅背板進行釬焊的工藝步驟及結(jié)果
(1 )在靶材表面形成金屬中間層采用等離子噴涂技術(shù)在Cu靶的焊接 一面上形成一層金屬中間層，具體為以直流電驅(qū)動的等離子電弧作為熱源， 將Cu或者Ni-Cr合金等易于與釬料浸潤的材料加熱到熔融或半熔融狀態(tài)，并 以高速噴向經(jīng)過預(yù)處理的Cu坯料表面而以形成附著牢固的金屬層，厚度為 200um。
(2) 靶材、背板的表面加工對Cu靶表面以及黃銅背板表面進行機械 加工4吏之光亮，光潔度達(dá)到0.2um至3.2um。
(3) 耙材、背板的化學(xué)清洗對Cu靶先用酸液清洗，再用有機溶劑清 洗；而對黃銅背板直接采用有機溶劑清洗。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%至15%,硝酸所占比例可以為85%至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。
(4) ^纟千料的添加以及^tf焊處理
第一步，先在黃銅背板表面放置銀釬塊，然后將Cu靶置于4艮釬塊上，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450°C;
第三步，高溫熔化銀釬塊，液態(tài)銀在Cu靶與黃銅背板之間將會重分布， 直至均勻的覆蓋整個焊接面。
(5) 靶材、背板的熱擴散處理讓Cu靶與黃銅背板組成的靶材組件在 800。C狀態(tài)下保溫5小時。最終使得Cu靶以及黃銅背板與焊接面上的釬料得 以進一步的相互擴散，提高焊接的結(jié)合度。
(6) 將靶材組件進行冷卻，并機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，還可以進一步進行粗-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Cu耙與黃銅 背板所組成的靶材組件其焊接結(jié)合率范圍98%,再測試其拉伸強度，其釬焊 的平均強度為120Mpa,結(jié)果表面，采用本發(fā)明所述釬焊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和 修改，因此本發(fā)明的保護范圍應(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，包括步驟提供銅靶材和背板；在銅靶材的焊接面上形成金屬中間層；在背板的焊接面上添加釬料；進行釬焊處理，加熱熔化釬料將銅靶材焊接至背板形成靶材組件；對靶材組件進行保溫?zé)釘U散處理；冷卻靶材組件，并進行機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20(TC至450°C，高于釬料熔點。
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，所述熱擴散 處理的溫度為200。C至IOO(TC,保溫時間為1小時至5小時。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的靶材與背板的焊接方法，其特征在于所述金屬中 間層由等離子噴涂形成，厚度為100um至500um,材質(zhì)為Cu、 M-Cr合金 或者其他易于與釬料浸潤的金屬。
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，所述背板為 銅、鋁、銅合金或者鋁合金材料。
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，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。
7. 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，還需要對銅靶材和背板先進行機械加工再化學(xué)清洗。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的靶材與背板的焊接方法，其特征在于，機械加工使 得銅耙材以及背板表面的光潔度達(dá)到0.2um至3.2um。
9. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的靶材與背板的焊接方法，其特征在于，所述化學(xué)清洗銅靶材表面具體為先使用混合酸劑進行酸洗，再使用有機清洗溶劑清洗；化學(xué)清洗背板表面具體為使用有機清洗溶劑清洗。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9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。
11. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的靶材與背板的焊接方法，其特征在于，所述有機清洗溶劑為異丁醇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，包括提供銅靶材和背板；在銅靶材的焊接面上形成金屬中間層；在背板的焊接面上添加釬料；進行釬焊加熱熔化釬料將銅靶材焊接至背板形成靶材組件；然后保溫?zé)釘U散處理；冷卻靶材組件，并進行機械加工去除多余的釬料。本發(fā)明通過金屬中間層改善了焊接工件與釬料難以浸潤的問題，有效提高銅靶材和背板之間的結(jié)合強度，在濺射過程中銅靶材不會脫開，可以正常進行濺射鍍膜。
文檔編號B23K1/00GK101648303SQ20091014041
公開日2010年2月17日 申請日期2009年5月8日 優(yōu)先權(quán)日2009年5月8日
發(fā)明者慶 劉, 姚力軍, 歐陽琳, 王學(xué)澤, 陳勇軍 申請人:寧波江豐電子材料有限公司