鉭靶材和鋁背板的熱等靜壓擴(kuò)散焊焊接方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種鉭靶材和鋁背板的熱等靜壓擴(kuò)散焊焊接方法，包括：將鉭靶材和鋁背板裝入真空包套；對(duì)所述真空包套進(jìn)行抽真空；將所述真空包套裝入熱等靜壓爐中，先進(jìn)行升溫升壓，再進(jìn)行保溫保壓；對(duì)所述真空包套進(jìn)行去壓冷卻；拆除所述真空包套取出所述鉭靶材和鋁背板焊接形成的靶材組合。本發(fā)明所提供的鉭靶材和鋁背板的熱等靜壓擴(kuò)散焊焊接方法所焊接得到的鉭靶材組件的焊接強(qiáng)度能高達(dá)150Mpa，成品率達(dá)到98%以上。通過本發(fā)明方法所形成的鉭靶材組件具有結(jié)合緊密度高、受熱抗變形能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
【專利說明】鉭靶材和鋁背板的熱等靜壓擴(kuò)散焊焊接方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及半導(dǎo)體制造領(lǐng)域，特別涉及一種鉭靶材和鋁背板的熱等靜壓擴(kuò)散焊焊接方法。
【背景技術(shù)】
[0002]在半導(dǎo)體工業(yè)中，靶材組件是由符合濺射性能的靶材及能與所述靶材結(jié)合并具有一定強(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(tái)中起到支撐作用，并具有傳導(dǎo)熱量的功效。在濺射過程中，靶材組件所處的工作環(huán)境比較惡劣。例如，靶材組件所處的環(huán)境溫度較高，例如300°C至600°C ;另外，靶材組件的一側(cè)沖以冷卻水強(qiáng)冷，而另一側(cè)則處于KT9Pa的高真空環(huán)境下，由此在靶材組件的相對(duì)二側(cè)形成有巨大的壓力差；再有，靶材組件處在高壓電場(chǎng)、磁場(chǎng)中，受到各種粒子的轟擊。在如此惡劣的環(huán)境下，如果靶材組件中靶材與背板之間的結(jié)合強(qiáng)度較差，將導(dǎo)致靶材組件在受熱條件下變形、開裂，甚至使得靶材與原來結(jié)合的背板脫開，進(jìn)而得不到濺射均勻的薄膜，同時(shí)還可能會(huì)對(duì)濺射基臺(tái)造成損傷。
[0003]當(dāng)靶材與背板的熔點(diǎn)等物理性能相接近時(shí)，可以采用常規(guī)的焊接工藝?yán)缛酆?、釬焊將靶材與背板焊接在一起以形成靶材組件；當(dāng)靶材與背板的熔點(diǎn)等物理性能相差很大時(shí)，可以采用擴(kuò)散焊接將靶材與背板焊接在一起以形成靶材組件。所謂的擴(kuò)散焊接是指將焊件緊密貼合，在一定溫度和壓力下保持一段時(shí)間，使兩焊件接觸面之間的原子相互擴(kuò)散形成連接的焊接方法。相對(duì)于常規(guī)的焊接方式，擴(kuò)散焊接具有結(jié)合緊密度高、受熱抗變形能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
[0004]對(duì)于鉭靶材與鋁背板構(gòu)成的靶材組件而言，由于鉭的熔點(diǎn)為2996°C，鋁的熔點(diǎn)660.37°C，兩種材料的熔點(diǎn)相差較大同時(shí)現(xiàn)有的熔焊設(shè)備不能實(shí)現(xiàn)大面積對(duì)焊，因此不適于利用熔焊將鉭靶材與鋁背板焊接在一起；釬焊工藝中采用的錫釬料或銦釬料熔點(diǎn)較低，以致當(dāng)利用釬焊將鉭靶材與鋁背板焊接在一起時(shí)，不僅兩者之間的結(jié)合強(qiáng)度較低，而且高溫環(huán)境會(huì)使釬料熔化，造成濺射工藝無法進(jìn)行。哪怕利用擴(kuò)散焊對(duì)鉭靶材與鋁背板進(jìn)行焊接，現(xiàn)有的工藝到的靶材組件的焊接質(zhì)量仍然十分不理想。
[0005]鑒于此，需研究一種新的焊接方法以使鉭靶材與鋁背板能進(jìn)行有效結(jié)合。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]由上述對(duì)已有技術(shù)的描述可知，鉭和鋁在熔點(diǎn)、熱膨脹系數(shù)和相互溶解度等方面存在很大的差異，用常規(guī)的焊接方法很難實(shí)現(xiàn)將兩者牢固焊接。本發(fā)明通過熱等靜壓的方法，使鉭和鋁之間充分?jǐn)U散，提高焊接面的整體的力學(xué)性能，同時(shí)也保證鉭的微觀組織在焊接過程中不受影響。熱等靜壓屬于擴(kuò)散焊的一種，特適用于性能差別大，互不溶解、互相間易產(chǎn)生脆性金屬間化合物的異種材料。
[0007]為解決上述問題，本發(fā)明提供了一種鉭靶材和鋁背板的熱等靜壓擴(kuò)散焊焊接方法，包括:
[0008]提供鉭靶材和鋁背板；[0009]將所述鉭靶材和所述鋁背板裝入真空包套；
[0010]對(duì)所述真空包套進(jìn)行抽真空；
[0011]將所述真空包套裝入熱等靜壓爐中，先進(jìn)行升溫升壓，再進(jìn)行保溫保壓；
[0012]對(duì)所述真空包套進(jìn)行去壓冷卻；
[0013]拆除所述真空包套取出所述鉭靶材和所述鋁背板焊接形成的鉭靶材組合。
[0014]可選的，對(duì)所述真空包套進(jìn)行抽真空至真空度達(dá)到2 X KT3Pa以下。
[0015]可選的，在對(duì)所述真空包套進(jìn)行抽真空過程中，包括對(duì)所述真空包套進(jìn)行加熱并保溫一段時(shí)間的操作。
[0016]可選的，將所述鉭靶材和鋁背板裝入真空包套時(shí)，在所述鉭靶材和鋁背板與所述
真空包套之間設(shè)置一層石墨紙。
[0017]可選的，在將所述鉭靶材和鋁背板裝入所述真空包套之前，對(duì)所述鉭靶材和鋁背板的焊接面進(jìn)行機(jī)械加工，加工至所述鉭靶材和鋁背板的焊接面光潔度為0.2μm-3.2μm。
[0018]可選的，在對(duì)所述鉭靶材和鋁背板的焊接面進(jìn)行機(jī)械加工后，采用氯化氫與水的體積比為1:5的鹽酸清洗液除去所述鉭靶材和鋁背板焊接面的雜質(zhì)。
[0019]可選的，在所述升溫升壓過程中，升溫速度為250°C /h^350°C /h，升壓速度為20MPa/tT30MPa/h，升溫到達(dá)的最高溫度控制在450°C~550°C之間，升壓到達(dá)的最大壓強(qiáng)控制在IOOMPa以上。
[0020]可選的，所述保溫保壓過程的時(shí)間為2-5小時(shí)。
[0021]可選的，所述真空包套采用厚度為1.0mnT2.0mm的低碳鋼或不銹鋼焊接形成。
[0022]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn):
[0023]本發(fā)明所提供的鉭靶材和鋁背板的熱等靜壓擴(kuò)散焊焊接方法所焊接得到的鉭靶材組件的焊接強(qiáng)度能高達(dá)150Mpa，成品率達(dá)到98%以上。同時(shí)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，提高鉭靶材和鋁背板之間的結(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。通過本發(fā)明方法所形成的鉭靶材組件具有結(jié)合緊密度高、受熱抗變形能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0024]圖1為本發(fā)明實(shí)施例鉭靶材和鋁背板的熱等靜壓擴(kuò)散焊焊接方法流程圖；
[0025]圖2為本發(fā)明實(shí)施例裝有鉭靶材和鋁背板的真空包套的示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0026]本發(fā)明實(shí)施例所提供的鉭靶材和鋁背板的熱等靜壓擴(kuò)散焊焊接方法，包括如圖1所示的各個(gè)步驟，以下將對(duì)各步驟做具體描述。
[0027]S1,提供鉭靶材和鋁背板。
[0028]本發(fā)明的實(shí)施例中，首先提供鋁背板和鉭靶材。根據(jù)應(yīng)用環(huán)境、濺射設(shè)備的實(shí)際要求，鉭靶材的形狀可以為圓形、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，優(yōu)選方案為圓形。它的直徑尺寸為在設(shè)計(jì)尺寸上加2mnT5mm的加工余量，它的厚度尺寸為在設(shè)計(jì)尺寸上加lmnT3mm的加工余量。設(shè)置加工余量的目的是為鉭靶材在后續(xù)的機(jī)械加工中提供比較寬裕的加工空間以得到符合要求的鉭靶材組件。提供鋁背板，這里的鋁背板可以是純鋁背板，也可以是摻雜有其它金屬的鋁合金背板，它的形狀可以根據(jù)濺射設(shè)備的要求設(shè)定。
[0029]S2，將鉭靶材和鋁背板裝入真空包套。
[0030]為了能使鉭靶材和鋁背板的預(yù)結(jié)合表面之間具有更好的結(jié)合能力，在將鉭靶材和鋁背板放入真空包套前，可以對(duì)鋁背板、鉭靶材的焊接面進(jìn)行表面處理，該處理包括對(duì)鋁背板和鉭靶材的焊接面進(jìn)行機(jī)械加工，以使得焊接面的光潔度更高。優(yōu)選的，可以使得光潔度達(dá)到0.2 μm~3.2 μ m。然后可以利用有機(jī)溶劑或酸液或兩者的混合溶液對(duì)鋁背板和鉭靶材進(jìn)行清洗，以去除焊接面上的異物和雜質(zhì)。例如，可以采用氯化氫與水的體積比為1:5的鹽酸清洗液除去所述鉭靶材和鋁背板焊接面的異物和雜質(zhì)。
[0031]在經(jīng)過上述機(jī)械加工和清洗步驟之后，可進(jìn)行用真空包套把鉭靶材和鋁背板包在里面的操作。具體的，在本發(fā)明的其中一個(gè)實(shí)施例中，所用的真空包套包括外層和里層，其中里層包括一層石墨紙。
[0032]如圖2所示，真空包套I包括有外層11、里層12和開口 13，開口 13用于作為抽真空的抽氣通道，在抽完真空后會(huì)將其密封。而真空包套I的外層11采用厚度為1.0mnT2.0mm的低碳鋼或不銹鋼焊接成型。由于真空包套I的外層11是由厚度很薄的低碳鋼或不銹鋼焊接形成，在外部環(huán)境壓強(qiáng)的作用下，鉭靶材2與鋁背板3的焊接面處會(huì)形成壓力，同時(shí)由于真空包套I中的產(chǎn)品長(zhǎng)時(shí)間位于高溫環(huán)境中，其中的鉭靶材2和鋁背板3的焊接面處會(huì)發(fā)生塑性變形、原子擴(kuò)散，最終實(shí)現(xiàn)鉭靶材2和鋁背板3的可靠焊接。而真空包套I的里層12包括一層石墨紙，石墨紙是將高碳磷片石墨經(jīng)化學(xué)處理，高溫膨脹軋制而成，它是制造各種石墨密封件的基礎(chǔ)材料。將石墨紙?jiān)O(shè)置于外層11和產(chǎn)品之間，能夠防止低碳鋼(或者不銹鋼)與產(chǎn)品發(fā)生粘結(jié)。本實(shí)施例中，石墨紙的厚度可以為小于2.0_，而其純度可以為99%以上。
[0033]S3，對(duì)所述真空包套進(jìn)行抽真空。
[0034]在上述將產(chǎn)品裝入真空包套的操作完成之后，檢查真空包套的氣密性。當(dāng)真空包套氣密性沒有問題后，可以對(duì)包有鉭靶材和鋁背板的所述真空包套進(jìn)行抽真空。本發(fā)明實(shí)施例在對(duì)所述真空包套進(jìn)行抽真空過程中，還包括對(duì)所述真空包套進(jìn)行加熱并保溫一段時(shí)間的操作。在對(duì)鉭靶材和鋁背板進(jìn)行熱等靜壓焊接的過程中，由于鉭靶材和鋁背板處于高溫環(huán)境中，當(dāng)溫度達(dá)到液態(tài)水及其它液體的沸點(diǎn)時(shí)，液態(tài)水及其它液體就會(huì)形成蒸汽，并污染鉭靶材和鋁背板的焊接面，從而降低鉭靶材組件的焊接強(qiáng)度及成品率。發(fā)明人經(jīng)過多次實(shí)驗(yàn)比較得知，當(dāng)真空包套內(nèi)部的液態(tài)水及其它液體成分越少，由上述制作方法形成的鉭靶材組件的焊接強(qiáng)度及成品率越高。為此，本發(fā)明在對(duì)真空包套進(jìn)行抽真空的過程中對(duì)真空包套進(jìn)行加熱以去除真空包套內(nèi)部的液態(tài)水及其它液體，從而保證鉭靶材和鋁背板置于真正的真空環(huán)境中，進(jìn)而獲得焊接強(qiáng)度及成品率高的鉭靶材組件。
[0035]發(fā)明人經(jīng)過不斷的實(shí)驗(yàn)得知，當(dāng)上述爐的溫度升高至400°C時(shí)，能保證真空包套內(nèi)部的液態(tài)水或其它液體形成蒸汽并被抽走，同時(shí)能控制制作成本。同時(shí)，當(dāng)上述爐的保溫時(shí)間為3h時(shí)，能保證真空包套內(nèi)的蒸汽全部被抽走，以形成真正的真空環(huán)境，為后續(xù)鉭靶材和鋁背板的焊接做準(zhǔn)備。
[0036]可利用多種方式對(duì)真空包套進(jìn)行抽真空，在本實(shí)施例中，可利用復(fù)合分子泵對(duì)真空包套進(jìn)行抽真空。即，在抽真空的過程中，復(fù)合分子泵連接真空包套的通氣管，氣體可由通氣管進(jìn)入復(fù)合分子泵中。復(fù)合分子泵具有很多優(yōu)點(diǎn)，如具有較高抽氣速度、較好的抽氣效果等等。利用復(fù)合分子泵持續(xù)對(duì)真空包套抽真空，能保證真空包套內(nèi)部能形成真正的真空環(huán)境。將內(nèi)部設(shè)置有鋁背板、鉭靶材的真空包套放入爐中，對(duì)真空包套進(jìn)行抽真空。待真空包套內(nèi)部達(dá)到一定真空度后，使?fàn)t的溫度升高到一定溫度，并使?fàn)t持續(xù)保溫一段時(shí)間。由于鉭靶材和鋁背板持續(xù)置于高溫環(huán)境中，因此鋁背板、鉭靶材中的液態(tài)水或其它液體會(huì)形成蒸汽。在爐的保溫期間，依然對(duì)真空包套進(jìn)行抽真空，在抽真空的過程中，真空包套內(nèi)部形成的蒸汽會(huì)被抽走。由于爐的保溫時(shí)間很長(zhǎng)，在這期間可保證真空包套內(nèi)的氣體全部被抽走，以形成真正的真空環(huán)境。為了同時(shí)保證抽真空過程的效率及制作成本，在本實(shí)施例中，上述一定真空度為絕對(duì)壓強(qiáng)小于2X 10_3Pa的真空度。
[0037]S4，將所述真空包套裝入熱等靜壓爐中，先進(jìn)行升溫升壓，再進(jìn)行保溫保壓。
[0038]熱等靜壓工藝具有許多優(yōu)點(diǎn)，如焊接件焊接面處的結(jié)合率高、結(jié)合強(qiáng)度高等。所謂熱等靜壓(hot isostatic pressing, HIP)的原理是將待焊接材料置于真空密封的真空包套內(nèi)，然后在高溫條件下利用高壓液體或高壓氣體對(duì)真空包套施加各向均等的壓力，使真空包套在此高溫高壓環(huán)境中保持一段時(shí)間以將待焊接材料緊密焊接在一起。
[0039]在抽真空完畢后，將所述真空包套裝入熱等靜壓爐中，先進(jìn)行升溫升壓，在所述升溫升壓過程中，升溫速度可以為250°C /h^350°C /h，升壓速度可以為20MPa/tT30MPa/h，升溫到達(dá)的最高溫度可以控制在450°C飛50°C之間，升壓到達(dá)的最大壓強(qiáng)優(yōu)選控制在IOOMPa以上。
[0040]所述升溫升壓過程中，如果升溫速度過快，熱等靜壓爐的爐溫不容易擴(kuò)散，造成熱等靜壓爐的爐溫不均勻，產(chǎn)生爐溫偏差，影響焊接質(zhì)量；如果升溫速度過慢，升溫時(shí)間過長(zhǎng)，則造成生產(chǎn)效率低，生產(chǎn)成本高，因而升溫速度優(yōu)選為250°C /h^350°C /h。同樣的，升壓速度也不宜過快或者過慢，而是適宜與升溫速度配合，使得兩者差不多在相同時(shí)間內(nèi)達(dá)到最大值，從而保證焊接穩(wěn)定高效進(jìn)行。
[0041]本實(shí)施例升溫達(dá)到的最高溫度(也即保溫溫度)為450°C飛50°C之間，雖然較高溫度有利于金屬原子的擴(kuò)散，有利于擴(kuò)散焊接，`但是如果最高溫度太高，不僅浪費(fèi)能源，還可能導(dǎo)致低熔點(diǎn)的鋁熔化，一旦鋁發(fā)生熔化就會(huì)使得產(chǎn)品報(bào)廢，因而最高溫度不宜過高。
[0042]本實(shí)施例中，最大壓強(qiáng)(也即保壓壓強(qiáng))控制在IOOMPa以上，該最大壓強(qiáng)的選取同樣是從焊接效率、效果以及可操作性綜合考慮得到的。
[0043]在升溫升壓之后再進(jìn)行保溫保壓，保溫保壓過程的時(shí)間為2飛小時(shí)，保溫保壓時(shí)，爐內(nèi)的溫度即為上述升溫過程中升至的最高溫度，爐內(nèi)的壓力即為上述升壓過程的升至的最高壓力。該保溫保壓時(shí)間同樣是為了保證熱等靜壓擴(kuò)散焊接能夠充分進(jìn)行。
[0044]S5,對(duì)所述真空包套進(jìn)行去壓冷卻。
[0045]上述焊接完成后，可使真空包套中的產(chǎn)品在熱等靜壓爐中隨爐冷卻，這種冷卻方式避免了突然的溫降，使得形成后的靶材組合更加堅(jiān)實(shí)。
[0046]S6，拆除所述真空包套，取出所述鉭靶材和鋁背板焊接形成的靶材組合。
[0047]冷卻后，去除真空包套以獲得鉭靶材組件。具體的，可以利用車削加工等工藝將真空包套去除。
[0048]發(fā)明人對(duì)鉭靶材和鋁背板所形成的靶材組合進(jìn)行測(cè)試，發(fā)現(xiàn)該鉭靶材組件的焊接強(qiáng)度能高達(dá)150Mpa，成品率達(dá)到98%以上。同時(shí)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，提高鉭靶材和鋁背板之間的結(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。通過本發(fā)明所形成的鉭靶材組件具有結(jié)合緊密度高、受熱抗變形能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
[0049]以上所述僅為本發(fā)明的具體實(shí)施例，目的是為了使本領(lǐng)域技術(shù)人員更好的理解本發(fā)明的精神，然而本發(fā)明的保護(hù)范圍并不以該具體實(shí)施例的具體描述為限定范圍，任何本領(lǐng)域的技術(shù)人員在不脫離本發(fā)明精神的范圍內(nèi)，可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施例做修改，而不脫離本發(fā)明的保護(hù)范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種鉭靶材和鋁背板的熱等靜壓擴(kuò)散焊焊接方法，其特征在于，包括: 提供鉭靶材和鋁背板； 將所述鉭靶材和所述鋁背板裝入真空包套； 對(duì)所述真空包套進(jìn)行抽真空； 將所述真空包套裝入熱等靜壓爐中，先進(jìn)行升溫升壓，再進(jìn)行保溫保壓； 對(duì)所述真空包套進(jìn)行去壓冷卻； 拆除所述真空包套，取出所述鉭靶材和所述鋁背板焊接形成的鉭靶材組合。
2.如權(quán)利要求1所述的焊接方法，其特征在于，對(duì)所述真空包套進(jìn)行抽真空至真空度達(dá)到2 X KT3Pa以下。
3.如權(quán)利要求1所述的焊接方法，其特征在于，在對(duì)所述真空包套進(jìn)行抽真空過程中，包括對(duì)所述真空包套進(jìn)行加熱并保溫一段時(shí)間的操作。
4.如權(quán)利要求1所述的焊接方法，其特征在于，將所述鉭靶材和鋁背板裝入真空包套時(shí)，在所述鉭靶材和鋁背板與所述真空包套之間設(shè)置一層石墨紙。
5.如權(quán)利要求1所述的焊接方法，其特征在于，在將所述鉭靶材和鋁背板裝入所述真空包套之前，對(duì)所述 鉭靶材和鋁背板的焊接面進(jìn)行機(jī)械加工，加工至所述鉭靶材和鋁背板的焊接面光潔度為0.2 μ π 3.2 μ m。
6.如權(quán)利要求5所述的焊接方法，其特征在于，在對(duì)所述鉭靶材和鋁背板的焊接面進(jìn)行機(jī)械加工后，采用氯化氫與水的體積比為1:5的鹽酸清洗液除去所述鉭靶材和鋁背板焊接面的雜質(zhì)。
7.如權(quán)利要求1所述的焊接方法，其特征在于，在所述升溫升壓過程中，升溫速度為250 V Α350 °C /h，升壓速度為20MPa/tT30MPa/h，升溫到達(dá)的最高溫度控制在4500C飛50°C之間，升壓到達(dá)的最大壓強(qiáng)控制在IOOMPa以上。
8.如權(quán)利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述保溫保壓過程的時(shí)間為2飛小時(shí)。
9.如權(quán)利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述真空包套采用厚度為1.0mnT2.0mm的低碳鋼或不銹鋼焊接形成。
【文檔編號(hào)】B23K20/22GK103801820SQ201210454432
【公開日】2014年5月21日 申請(qǐng)日期:2012年11月13日 優(yōu)先權(quán)日:2012年11月13日
【發(fā)明者】姚力軍, 相原俊夫, 大巖一彥, 潘杰, 王學(xué)澤, 張金林 申請(qǐng)人:寧波江豐電子材料有限公司