形成圓柱形濺射靶組件的方法
【專利摘要】在一種形成圓柱形濺射靶組件的方法中，所述方法包括以下步驟：(a)提供圓柱形背襯管；(b)提供圓柱形濺射靶，圓柱形濺射靶的內(nèi)徑大于背襯管的外徑；(c)圍繞背襯管布置濺射靶；以及(d)通過在背襯管與濺射靶之間提供焊料層來將濺射靶結(jié)合至背襯管；根據(jù)本發(fā)明，步驟(d)包括使焊料層定向地固化。
【專利說明】形成圓柱形濺射靶組件的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及圓柱形濺射靶組件，并且涉及形成該圓柱形濺射靶組件的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]盡管在許多濺射過程中仍采用平面濺射靶，但由于圓柱形濺射靶提供了比平面靶更高的材料使用效率，故近年來不斷作出努力以提供旋轉(zhuǎn)的圓柱形濺射靶。
[0003]如在平面祀中，同樣在圓柱形派射祀中，祀材料常常提供在背襯材料(backingmaterial)上。因此，圓柱形濺射靶通常包括承載管或背襯管，在濺射過程期間在承載管或背襯管內(nèi)提供磁鐵，以便產(chǎn)生用于濺射過程的磁場，并且可選地在濺射過程期間冷卻流體能夠穿過該磁場。濺射材料作為中空圓柱形層提供在背襯管的外側(cè)上。在形成濺射靶組件時，濺射靶材料可直接沉積在背襯管的外側(cè)上，或濺射靶材料首先可形成為圓柱形管或形成為多個管節(jié)段(segment)或套管(sleeve)，然后將它/它們附接至背襯管。將濺射靶附接至背襯管可借助于彈簧或夾具布置，通過環(huán)氧樹脂結(jié)合或如美國專利5，354，446中描述的通過在背襯管與濺射靶之間提供焊料層來實現(xiàn)。
[0004]盡管將濺射靶和背襯管制造為單獨的部件比起濺射靶直接形成于背襯管上的方法來具有某些優(yōu)點，但將濺射部結(jié)合至背襯管常被發(fā)現(xiàn)不令人滿意。考慮到濺射靶在它們于材料沉積過程中使用期間暴露于惡劣的過程條件，諸如高溫、高真空、大型磁場等，尤其對于圓柱形濺射靶來說，濺射靶與背襯管之間結(jié)合的均勻性(homogeneity)是產(chǎn)品質(zhì)量的重要因素。即是說，鑒于在平面濺射靶中，濺射靶與背襯板的熱膨脹差異可導致濺射靶相對于背襯板的移位，在圓柱形 濺射靶組件中不存在用于使圓柱形濺射靶和圓柱形背襯板相對于彼此沿徑向方向移動的空間(room)，從而使得當與平面靶相比時，濺射靶與背襯管的熱膨脹差異將總是導致部件內(nèi)更加高的應力。因此，如果在圓柱形濺射靶中，濺射靶與背襯管之間的結(jié)合是非均勻的，則濺射靶組件內(nèi)產(chǎn)生的局部應力可導致濺射靶材料內(nèi)的裂紋并且導致濺射靶材料從背襯管局部剝落。此外，除必須可靠地保持靶就位以外，結(jié)合部(bond)必須提供背襯管與靶材料之間良好的、一致的(uniform)導熱性。這很重要，因為當旋轉(zhuǎn)靶的外側(cè)在濺射沉積期間被加熱時，熱必須有效地傳遞至總體上被水冷的背襯管。冷卻背襯管減小了靶的總體(overall)溫度且允許在熱效應開始限制性能之前實現(xiàn)較高的濺射功率(sputtering power)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]鑒于上文，本發(fā)明的目的在于提供一種形成圓柱形濺射靶組件的方法，通過該方法可生產(chǎn)較高質(zhì)量并且尤其是在濺射靶與背襯板之間具有一致且均勻的結(jié)合的旋轉(zhuǎn)濺射靶。
[0006]在形成圓柱形濺射靶組件的方法中，所述方法包括以下步驟:
(a)提供圓柱形背襯管；
(b)提供圓柱形濺射靶，其內(nèi)徑大于背襯管的外徑；(C)圍繞背襯管布置濺射靶；以及
(d)通過在背襯管與濺射靶之間提供焊料層來將濺射靶結(jié)合至背襯管；
根據(jù)本發(fā)明達到(solve) 了上述目的，因為在將濺射靶結(jié)合至背襯管的過程中，焊料層被定向地固化(solidify)。
[0007]當深入研究時，發(fā)現(xiàn)了當被用來將濺射靶結(jié)合至背襯管的焊料層被定向地固化時，可使結(jié)合的一致性基本上得到改善。為了實現(xiàn)定向固化，將采取措施以在固化焊料層期間有意地引入溫度梯度，使得焊料層不會隨意或無定向地固化，而是焊料層的固化僅沿一個方向傳播(propagate)遍及整個工件。
[0008]本發(fā)明的優(yōu)選實施例在從屬權(quán)利要求中限定。
[0009]具體地，在焊料層的固化期間，優(yōu)選地沿著濺射靶組件的縱向軸線建立溫度梯度，以便尤其沿徑向方向提供一致性，就使用期間材料內(nèi)可能引起的應力而言，徑向方向在圓柱形濺射靶中是最關(guān)鍵的方向。
[0010]盡管焊料層的定向固化可通過在濺射靶與背襯管之間提供熔融焊料來執(zhí)行，然后以定向的傳播方式改變?yōu)R射靶組件的溫度使該焊料定向地固化，但在優(yōu)選實施例中，定向固化通過在焊料層的固化期間建立冷卻前部來實現(xiàn)，該冷卻前部沿著濺射靶組件的縱向軸線逐漸地移動。
[0011]因此，濺射靶與背襯管之間提供的熔融焊料層的定向固化可通過在焊料層中引起溫度梯度來實現(xiàn)，諸如通過以定向的傳播方式供應或回收熱等。
[0012]在濺射靶組件在結(jié)合期間被加熱的實施例中，熔融焊料層的定向固化可通過沿著濺射靶組件的長度逐漸地關(guān)閉加熱來實現(xiàn)，從而使得熔融焊料層逐漸冷卻到環(huán)境溫度。
[0013]代替采用環(huán)境冷卻，熔融焊料層的定向固化可由強制冷卻引起，即通過向濺射靶組件提供制冷，其中在焊料層的固化期間建立了冷卻前部，該冷卻前部沿著濺射靶組件的縱向軸線逐漸地移動。
[0014]這可通過采用熱交換介質(zhì)或熱交換裝置來執(zhí)行，使得溫度梯度沿著背襯管的內(nèi)部和/或沿著濺射靶的外部建立。
[0015]因此，在焊料層的固化期間，背襯管的內(nèi)部可逐漸地用冷卻介質(zhì)填充，諸如冷卻水等。備選地或另外，可采用冷卻介質(zhì)以逐漸地冷卻濺射靶的外部，諸如通過將濺射靶組件布置在逐漸用冷卻介質(zhì)(諸如冷卻水等)填充的容器內(nèi)。
[0016]當在焊料層的固化期間建立冷卻前部時，必須小心地選擇冷卻速率。盡管如果背襯管的材料和濺射靶的材料具有相似的熱膨脹系數(shù)則可使用較高的冷卻速率，但在其中背襯管的材料和濺射靶的材料具有不同熱膨脹系數(shù)的濺射靶組件的生產(chǎn)中冷卻速率應當被限制。如果在后者情況中采用了過高的冷卻速率，則在冷卻期間材料的不同熱膨脹在靶材料中產(chǎn)生了諸如裂紋等破壞風險。
[0017]取決于濺射靶組件的材料和標尺寸、采用的溫度和使用的冷卻介質(zhì)的特征，定向固化過程(在該定向固化過程期間焊料層的固化沿濺射靶組件的縱向方向傳播)可花費若干小時。
[0018]除采用冷卻介質(zhì)外或作為采用冷卻介質(zhì)的備選，在焊料層的固化期間，熱交換裝置可定位在背襯管的內(nèi)部內(nèi)和/或圍繞濺射靶外部定位(locate)，該熱交換裝置運行，從而使得熱交換在其內(nèi)實現(xiàn)的區(qū)域或容積沿著濺射靶組件的縱向軸線逐漸地移動或增大。[0019]已引入濺射靶與背襯管之間的熔融焊料層的定向冷卻可通過軸向地沿著濺射靶組件移動冷卻環(huán)(諸如水冷或氣冷的冷卻環(huán))來執(zhí)行。
[0020]在本發(fā)明的方法的優(yōu)選實施例中，在焊料層的固化期間，熱交換裝置圍繞濺射靶的外部定位，該熱交換裝置運行，從而使得熱交換在其內(nèi)實現(xiàn)的區(qū)域沿著濺射靶組件的縱向軸線逐漸地增大。此類熱交換裝置可適合用于定向環(huán)境冷卻，諸如通過采用沿著濺射靶組件的長度延伸的加熱器并且通過該加熱器使濺射靶組件加熱到便于將熔融焊料引入到背襯板與濺射靶之間形成的間隙中的溫度，其中當用熔融焊料填充間隙時，加熱器沿著濺射靶組件的縱向軸線逐漸地關(guān)閉。
[0021]備選地，熱交換裝置可適合用于定向強制冷卻，諸如通過采用沿著濺射靶組件的長度延伸的冷卻器，并且該冷卻器在焊料層的固化期間沿著濺射靶組件的縱向軸線逐漸地開啟。
[0022]盡管焊料層至少部分地可在背襯管的外側(cè)或濺射靶的內(nèi)側(cè)上預形成，但在該方法的優(yōu)選實施例中，當圍繞背襯管布置濺射靶時，在背襯板與濺射靶之間形成了間隙，然后間隙用熔融焊料填充。在大多數(shù)應用中，此類間隙且由此焊料層具有從0.7mm到1.5mm范圍內(nèi)(諸如大約1.0mm等)或從0.2mm到1.2mm范圍內(nèi)(諸如大約0.5mm等)的厚度。
[0023]在形成濺射靶組件時，(多個)濺射靶套管和背襯管優(yōu)選地被定向使得它們的縱向軸線是同心的且基本上是豎直的，其中熔融焊料從間隙的底部填充入在濺射靶與背襯管之間形成的間隙。將濺射靶和背襯管定向成豎直的在生產(chǎn)長濺射靶時具有特定優(yōu)勢，諸如具有例如IOcm到20cm的直徑和Im到5m的長度的派射祀,其中祀圓柱通常具有IOmm到20_的厚度，因為當以不同的方向來定向長濺射靶時，諸如例如定向成水平時，濺射靶和/或背襯管可下垂，這導致濺射靶相對于背襯管的不一致定位，且由此導致不同厚度的焊料層。當豎直定向濺射靶和背襯管時，從底部將焊料填充入間隙是優(yōu)選的，因為這促進了用焊料填充間隙的一致性和無氣體。
[0024]具體地，將焊料 從底部填充入間隙避免了在液體焊料材料內(nèi)的湍流的生成，否則湍流可導致氣體進入到液體焊料材料中。此外，由于存在于液體焊料中的任何氣體都將趨于在焊料內(nèi)向上移動，故焊料從底部填充入間隙不會妨礙任何此類氣體從焊料中排出。
[0025]通過將真空施加至間隙可進一步協(xié)助將存在于間隙內(nèi)的空氣或任何其它氣體由填充入間隙的熔融焊料來置換。
[0026]為了促進將熔融焊料引入到在背襯板與濺射靶之間形成的間隙中，可加熱整個濺射靶組件，優(yōu)選地加熱到高于焊料熔點的溫度且優(yōu)選地使用電子控制的加熱元件來加熱。在通過重力填充(即通過提供用于熔融焊料的定位于濺射靶組件的上端上方的水平處的容器)來將熔融焊料填充入背襯板與濺射靶之間的間隙的實施例中，如此的容器以及熔融焊料經(jīng)由其從容器傳送至濺射靶組件的任何管線也可被加熱，優(yōu)選地被加熱到高于焊料熔點的溫度。
[0027]已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在圍繞背襯管布置濺射靶之前，當背襯管的外部表面被磨光時，可進一步改善結(jié)合的質(zhì)量。磨光可通過將熔融焊料的薄層涂覆在背襯管的外部表面上并且例如通過使用刮刷將此類焊料層刷入背襯管的表面中來實現(xiàn)。
[0028]此外，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如果背襯管的外部表面和/或濺射靶的內(nèi)部表面涂鍍有結(jié)合層體系(bonding layer system)將是有利的。在特別優(yōu)選的實施例中，結(jié)合層體系包括促進粘附的底涂層，例如包括鈦層、鉻層、或鎳和鉻的合金(諸如鎳鉻合金)層的底涂層。在底涂層的頂部上可形成中間層，諸如鎳層、鎳釩合金層或鈀層，以及保護性的頂涂層，例如包括銀的頂涂層。結(jié)合層體系可通過物理氣相沉積來涂覆，諸如通過濺射，用濺射可實現(xiàn)特別均勻的涂層。要注意的是，在結(jié)合濺射靶之前使背襯管的外部表面磨光的實施例中，磨光將在使背襯管涂鍍有結(jié)合層體系之后實現(xiàn)。
[0029]用于將濺射靶結(jié)合至背襯管的焊料層可主要包括銦，即包括至少50%的銦，并且可包括多達100%的銦。用于在本發(fā)明的方法中使用的焊料層的實例包括銦與錫的混合物，諸如 In90:SnlOo
[0030]取決于濺射靶的最終目的，多種多樣材料可用于背襯管的制造。用于背襯管的特別優(yōu)選的材料為銅、鈦、不銹鋼和鍍鎳的不銹鋼。 [0031]利用本發(fā)明的方法總體上可生產(chǎn)任何類型的濺射靶，并且具體地濺射靶包括基本的(即純的材料)合金或復合物。對于本方法已被示出為具有特定優(yōu)點的材料是陶瓷材料或金屬，陶瓷材料諸如銦錫氧化物(有時縮寫為ΙΤ0)和氧化鋁與氧化鋅的混合物，諸如ZnO = Al2O3 (有時縮寫為ΑΖ0)，金屬諸如銅鎵等。
[0032]在濺射靶包括陶瓷材料并且尤其包括燒結(jié)的陶瓷材料的情況下，除陶瓷粉外，濺射靶可包括燒結(jié)添加劑。
[0033]要理解的是，不管怎樣制造背襯管和濺射靶都可應用本方法。本文中將不進一步詳細描述在靶形成之后的成形(formation)或加工靶的單獨步驟，諸如在預形成中使靶材料均勻、細磨削、粒化和壓制該靶材料，通過等靜壓壓制或通過單軸向壓制、預機加工、燒結(jié)、除去可選的添加劑(例如，燒熔此類添加劑)成為靶，以及可選的最終機加工，諸如切害I]、磨削和拋光。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]下文將參考附圖對本文中提出的方法的優(yōu)選實施例進行描述，在附圖中:
圖1示出了在制造期間圓柱形濺射靶組件的橫截面視圖；
圖2為在制造過程結(jié)束時圖1的濺射靶組件的放大截面視圖；
圖3為本發(fā)明的方法中使用的設備的示意性視圖；
圖4為當應用于通用測試樣本時的超聲波測試方法的示意圖；
圖5為當應用于如由本發(fā)明的方法生產(chǎn)的濺射靶組件時的超聲波測試方法的示意圖；
以及
圖6至圖9圖示了不同質(zhì)量的濺射靶組件的樣品的超聲波測試掃描。
【具體實施方式】
[0035]圖1中示出的濺射靶組件包括濺射靶10，諸如銦錫氧化物制成的陶瓷濺射靶等。濺射靶10呈具有內(nèi)徑CU的長中空圓柱的形狀，該濺射靶10同心地布置在具有外徑d12的圓柱形背襯管12上。濺射靶10的內(nèi)徑d1Q略微大于背襯管12的外徑d12，使得當濺射靶10圍繞背襯管12放置時形成間隙14，該間隙14在濺射靶組件的制造過程中用焊料填充。外背襯管的d12與靶材料的內(nèi)徑d1(l之間的尺寸差(常常被稱為結(jié)合間隙)對許多應用而言都在Imm左右。通常背襯管可具有。[0036] 圖2示出了在間隙14已用焊料填充之后的圖1的濺射靶組件的放大視圖。在圖2中示出的實施例中，在將濺射靶結(jié)合至背襯管之前，靶10的內(nèi)表面以及同樣地背襯管12的外表面涂鍍有(coat with)結(jié)合層體系。盡管不同的結(jié)合層體系可涂覆(apply)到濺射靶和背襯管上，但圖2示出了其中濺射靶10和背襯管12涂鍍有相同的結(jié)合體系(bondingsystem)的實施例。
[0037]具體地，濺射靶10在其內(nèi)表面上首先提供有鈦制成的底涂層16，以便促進結(jié)合層體系粘附至濺射靶。底涂層16繼而涂鍍有鎳釩制成的中間層18，該中間層18繼而又涂鍍有銀制成的保護層20。類似地，背襯管12涂鍍有鈦底涂層22，在該鈦底涂層22上提供有鎳釩中間層24和銀保護層26。圖2還示出了已形成于被涂鍍的濺射靶與被涂鍍的背襯管之間的焊料層28。
[0038]為了將熔融焊料引入到間隙14中，圓柱形靶和背襯管12被布置成使得它們的軸線30同軸延伸且被布置成基本上是豎直的。然后諸如銦或銦與錫的混合物等焊料被加熱到高于其熔點，并且從間隙14的下側(cè)被引入到間隙14中。為此，環(huán)形固定物(fixtUre)32可圍繞背襯管12附接，如圖1中所描繪的。固定物32借助于O形環(huán)密封件34抵靠背襯管12密封，并且借助于另一個O形環(huán)密封件36抵靠濺射靶10密封。固定物32包括環(huán)形間隙38，該環(huán)形間隙38與形成于濺射靶10與背襯管12之間的間隙14連通。熔融焊料從容器40經(jīng)由供給管線42供給到環(huán)形凹部38中，以便進入間隙14中且在間隙14內(nèi)上升，直到間隙14完全填充有熔融焊料。盡管在圖1中示出的實施例中熔融焊料可僅通過重力(即通過借助將容器40布置在比間隙14的上端更高水平處而產(chǎn)生的流體靜壓力)從容器40被傳送到間隙14中，但如果期望，泵可提供在管線42中，以便將熔融焊料泵送到間隙14中。在管線42鄰接固定物32的位置附近提供有閥70，以便隔離焊料容器40。
[0039]如果在將熔融焊料填充入間隙14期間間隙應被抽空，則類似于圖1中示出的固定物32的附加固定物可在濺射靶組件的上端處使用，諸如圖3中所示出的頂蓋72。頂蓋72借助于O形環(huán)密封件74抵靠背襯管12密封，并且借助于另一個O形環(huán)密封件76抵靠濺射靶12密封。頂蓋72包括與配件80連通的環(huán)形間隙78，真空泵82連接至配件80。通過使整個結(jié)合間隙和組件的底端和頂端處的固定物密封，并且通過使用真空泵以在結(jié)合間隙中以及在頂部固定物和底部固定物中的任何死角(dead space)中產(chǎn)生真空，防止結(jié)合期間氣泡在焊料結(jié)合層中形成。
[0040]在將焊料填充入間隙14之前和期間，焊料應被加熱到遠高于其熔點，而然后被填充入容器40 (焊料從容器40供給到間隙14中)，或者焊料通過適當?shù)募訜嵫b置在容器40內(nèi)直接加熱。為了防止熔融焊料在管線42內(nèi)早已結(jié)塊或固化，圍繞容器40和管線42提供有隔離材料(insulation) 48。
[0041]此外，加熱線圈46(圖1中僅示出了該加熱線圈的一部分)沿著濺射靶組件的長度圍繞濺射靶10的圓周布置，以便在將熔融焊料填充入間隙14期間加熱該濺射靶組件。
[0042]圖3示出了在熔融焊料已被填充入間隙14之后和在使焊料層28固化期間的濺射靶組件。為了使焊料層28固化，加熱線圈46被關(guān)閉或如圖3中所示出的被移除，并且冷卻環(huán)50圍繞濺射靶組件的外部定位。在圖3中示出的實施例中，濺射靶10和背襯管12的下端倚靠在基座(plinth) 64上，基座64在一方面與圖1中示出的環(huán)形固定物32所起的作用相同，但其另外允許控制在組件下端處的溫度。為此，基座64包括內(nèi)部加熱/冷卻裝置66，諸如加熱/冷卻介質(zhì)借助于控制單元68可流動通過的管道等。盡管在將熔融焊料填充入結(jié)合間隙14期間基座64可被加熱,但為了使焊料開始固化(solidification),至少在固化過程開始時冷卻基座，并且優(yōu)選地貫穿整個固化過程。
[0043]在圖3中示出的實施例中，冷卻環(huán)50為空氣冷卻器，空氣冷卻器供應有來自于泵52的空氣，泵52經(jīng)由柔性軟管54連接至冷卻環(huán)50上。為了沿著濺射靶組件的縱向軸線30提供焊料層28的定向固化(directional solidification),冷卻環(huán)50在如圖3中由平行于縱向軸線30的箭頭56指示的方向上沿著濺射靶組件緩慢移動。因此，在圖3中示出的實施例中，焊料層28從濺射靶組件的底端至頂端定向地固化。
[0044]應注意的是，盡管圖1示出了其中濺射靶10包括單個整體(unitary)圓柱的實施例，但在圖3中示出的實施例中，濺射靶10包括一個在另一個之上地堆疊在背襯管12上的三個節(jié)段58、60和62。由于對于通常的應用而言，濺射靶組件具有0.5m到5m的長度，故尤其對較大的濺射靶組件而言，形成具有多個堆疊的節(jié)段的濺射靶10促進了濺射靶組件的處理和制造。
[0045]此外，濺射靶10的單獨節(jié)段可一個在另一個之上地堆疊在背襯管12上，以便以較小的相互軸向距離而被布置。以此方式，能夠提供用于在使用期間可暴露于高溫的濺射靶材料的膨脹的空間。尤其是在背襯管和靶材料的熱膨脹系數(shù)基本上不同的情況下，在濺射靶節(jié)段之間提供間隙減小了由于背襯管與靶材料的不同熱膨脹而在靶材料中可引起的應力。
[0046]因此從上文將看到的是，形成濺射靶組件的過程可由以下步驟組成:
1.使用O形環(huán)將背襯管豎直地放置在基座上，并且用夾具將基座固定至背襯管。
[0047]2.如上文所描述的，將(多個)靶套管同心地圍繞背襯管布置。
[0048]3.再次使用“O”形環(huán)和夾具將背襯管頂部密封到金屬集管中。
[0049]4.用足量的固體焊料錠裝載焊料容器，以填充整個結(jié)合間隙。
[0050]5.通過附接蓋來密封焊料容器的頂部，以提供真空密封。
[0051]6.圍繞結(jié)合組件提供加熱元件，使得旋轉(zhuǎn)靶、旋轉(zhuǎn)靶的組件架以及焊料架可全部為溫度受控制的。旋轉(zhuǎn)靶結(jié)合組件現(xiàn)在準備好用于開始結(jié)合過程。
[0052]7.閉合將容器與管組件隔離的焊料容器輸出閥。
[0053]8.將包括焊料容器的整個組件加熱到高于焊料的熔點。
[0054]9.使用真空泵抽空焊料間隙外加頂部固定物和底部固定物(諸如底部基座和頂蓋組件)中的死角。還抽空焊料容器。打開焊料容器與組件其余部分之間的隔離閥，以允許焊料從底部進入焊料間隙中，直到焊料間隙以及基座和頂蓋空間充滿焊料。
[0055]10.閉合至焊料容器的隔離閥。
[0056]11.通過底部基座組件的受控制的強制冷卻來開始定向冷卻過程。
[0057]12.調(diào)整旋轉(zhuǎn)靶外側(cè)的加熱爐的溫度曲線，使得溫度沿著組件的軸線從濺射靶組件底部向頂部逐漸地降低，以便將冷卻前部從一端移動到另一端。在溫度降到焊料的熔點以下時，固化將以受控制的方式定向地發(fā)生，在底部處開始并且移動至頂部。
[0058]13. 當結(jié)合間隙和端部固定物的整個容積中的焊料已固化時，允許整個組件緩慢冷卻到室溫。
[0059]14.一旦處于室溫，就從靶中移除基部和頂蓋組件。[0060]15.提交靶以用于超聲波測試，作為產(chǎn)品評定和性能分級的一部分。
[0061]在形成圓柱形濺射靶組件的方法的圖示實例中，采用了由不銹鋼制成且具有大約133mm的直徑、3m的長度以及4mm的厚度的背襯管。陶瓷靶圓柱由鋁鋅氧化物制成且具有15mm的厚度。背襯管的外表面以及同樣地靶管的內(nèi)表面都涂鍍有厚度為50nm的鈦和鉻的第一涂層、厚度為200nm的NiV7的第二涂層，以及厚度為150nm的Ag的第三涂層。背襯管與靶圓柱之間的結(jié)合間隙具有大約Imm的寬度。
[0062]在用銦焊料填充結(jié)合間隙之前，整個組件被加熱到名義上200°C的溫度。為了提供定向固化，首先，通過使具有20°C的溫度的水流過基座持續(xù)大約I小時而使底部基座被冷卻到100°C的溫度。然后，使冷卻前部以大約60cm/h的速率沿著組件緩慢移動。當冷卻前部已到達靶組件的上端時，通過使組件暴露于室溫持續(xù)最少4小時來使組件進一步被冷卻到大約30°C的最終溫度。
[0063]焊料層28的無損超聲波測試和評定示出了當與現(xiàn)有技術(shù)的方法相比時，通過使用焊料層28的定向固化可實現(xiàn)更加一致和均勻的結(jié)合。因此，就如例如通過超聲波掃描所確定的結(jié)合至背襯管的外表面的濺射靶的內(nèi)表面的總面積的百分比而言，使用本文中提出的方法可實現(xiàn)更高的結(jié)合質(zhì)量。
[0064]在結(jié)合了旋轉(zhuǎn)靶之后，期望將其性能能力分級，以便將其限定為產(chǎn)品。優(yōu)選地，超聲波測試(UT)程序用于評定結(jié)合部的一致性和質(zhì)量。這些質(zhì)量本質(zhì)上與靶濺射的功率處理能力(power handling capacity)有關(guān)系。它限定了祀的性能且由此限定了產(chǎn)品規(guī)格。
[0065]用來評估結(jié)合部的質(zhì)量的超聲波測試方法被稱為脈沖回波技術(shù)。該方法需要既能夠發(fā)送超聲波信號又能夠探測超聲波信號的超聲波傳感器。作為在本質(zhì)上為“同軸式(in-line)”收發(fā)儀器，該傳 感器用來發(fā)出信號，并且隨后如果那些相同的信號從缺陷或從界面反射回，則用接收器探測它們。
[0066]在脈沖回波技術(shù)中，信號通過介質(zhì)(通常為水)朝待被測試的物體發(fā)送。出于圖示目的，參考圖4描述了水92中鋼塊90的浸潰檢測。在該簡化的情況中，聲能量離開傳感器94、途經(jīng)水92、遇到鋼塊90的前表面96、遇到鋼塊的后表面98，且在其返回至傳感器94的途中通過前表面96反射回。考慮到在水-不銹鋼界面處反射的能量為0.88或88%，在水鋼界面(前表面)處傳輸了僅12%的能量。在后表面處，能夠穿過前表面的12%中的88%或初始入射波強度的10.6%被反射。在波通過前表面離開部分樣本時，上述10.6%的僅12%或1.3%的原始能量被傳輸回至傳感器。
[0067]在表面為粗糙的且在材料中可能存在被隔離的非均勻性的更復雜的情況下，信號穿過水直到入射到物體上，于是信號在表面處被反射、由表面粗糙度造成的散射或由任何缺陷而減弱，或由這些材料的非均勻性而反射回。信號的其余部分繼續(xù)傳播通過該物體，直到該信號的其余部分入射在其將再次被反射且部分地減弱的另一個界面或缺陷上。
[0068]反射信號的振幅和(多個)發(fā)送信號與(多個)返回信號之間的時間間隔分別是界面的性質(zhì)和表面下方的距離的量度。反射信號的振幅是原始傳輸?shù)男盘枩p去減弱的信號減去繼續(xù)傳播通過物體的信號的量值的函數(shù)。吸收與散射的總和的超聲波衰減主要取決于來自信號遇到的(多個)材料界面或來自材料中的任何異常的阻尼能力和散射。
[0069]如果固體內(nèi)存在若干界面，則在每個界面處將存在顯示關(guān)于材料性質(zhì)的信息的一系列反射信號。因此，這些信號的分析(尤其如果在掃描模式中使用)可用來暴露界面處的局部缺陷。
[0070]如圖5中所圖示的，如果超聲波傳感器和物體(在此情況中為濺射靶組件)被放置在水浴槽中，則超聲波信號將首先通過水來傳輸直到其以垂直于靶的外表面的方式遇到該表面。此處其將被部分地吸收和部分地反射。該反射的、減弱的信號可由傳感器探測。當水與靶之間的界面為簡單的液體/固體界面時，反射的信號應是強烈的，具有相對少的衰減。
[0071]傳輸?shù)某暡ㄐ盘栍龅降南乱粋€界面將是靶/外結(jié)合層界面。在到達該界面時，信號的一部分將被反射，同時其余部分將減弱或繼續(xù)傳輸通過結(jié)合介質(zhì)。靶/焊料結(jié)合界面的特征對多少信號被反射、減弱或進一步傳輸是至關(guān)重要的。良好結(jié)合的區(qū)域應產(chǎn)生具有類似于輸入信號的頻譜寬度的清楚的明確的(well-defined)反射信號，但如果界面為不明確的(ill-defined)的，如在與靶材料分離的結(jié)合區(qū)域的情況下，則該信號由空氣間隙中的吸收而將嚴重減弱并且由界面的粗糙度而散射。因此，衰減可用作為結(jié)合部質(zhì)量的定性測量。
[0072]所發(fā)送的信號通常由每秒大約50至1000的脈沖組成，并且這些信號指向待測試的樣品(在該情況下垂直于結(jié)合靶的壁)。如果超聲波傳感器可沿平行于管狀靶組件的軸線方向移動，則可獲得管靶的部分的線性掃描。此外，如果通過例如每次旋轉(zhuǎn)I度來轉(zhuǎn)動或轉(zhuǎn)位(index)靶，則可實現(xiàn)整個靶結(jié)合部的360度線性掃描。
[0073]如果由傳感器測量的信號衰減可由不同顏色表示(取決于衰減度)，則可產(chǎn)生靶/結(jié)合界面的彩色圖形表示(pictorial representation)。圖6中示出的實例示出了旋轉(zhuǎn)革巴的超聲波測試掃描，其中沿著X軸線示出了靶的圓周并且沿著y軸線示出了靶的長度。盡管在實際測量期間采用色碼以使衰減度可視化，在_20dB到1.5dB范圍中的衰減通過該色碼能以基本上覆蓋了全色頻譜的色彩的連續(xù)范圍來顯示，但為了便于圖示，在所附附圖中，衰減的標度示出為被分成包括以淡灰色示出的_20dB到-7dB的低衰減、以影線示出的_7dB到_3dB的中等衰減以及以黑點示出的_3dB到1.5dB的高衰減的三個子范圍。
[0074]在產(chǎn)生了圖6至圖9中圖示的結(jié)果的測試中，UT掃描被設置使得來自靶表面的最大反射信號比輸出屏上的滿標度低20%。在該點上，來自靶內(nèi)的不同界面(諸如焊料/靶界面等)的其它峰值相比之下是非常小的。然后，所有的信號頻譜被放大+16dB，以便增加所有峰值的高度，以獲得更高的靈敏度。從外表面反射的信號現(xiàn)在完全偏離標度(offscale)，但現(xiàn)在其它較小信號在顯示屏上良好可見。應理解的是，本文中提及的超聲波傳感器信號的衰減的標度當然取決于掃描系統(tǒng)的特征和調(diào)整，諸如來自于掃描器中使用的超聲波源的信號強度。因此，本文中提及的標度不應被認為是絕對標度。
[0075]使用上述設置，如果區(qū)域展現(xiàn)出-20dB到_7dB的相對低的衰減(其在圖6至圖9中以淡灰色示出)，因此這表明強烈的超聲波信號，則該區(qū)域被分類為接近完美的且具有良好質(zhì)量的結(jié)合界面。展現(xiàn)出在_7dB到-3dB之間的衰減的區(qū)域(在圖6到圖9中以交叉的影線示出)被分類成良好但并不是那么完美。示出了 _3dB到+1.5dB的衰減(其表明微弱反射的且因此強烈減弱的超聲波信號)的區(qū)域被認為是表明不充分的結(jié)合，并且這些區(qū)域在圖6至圖9中以具有白點的黑色示出。具有不充分或失效的結(jié)合的此類區(qū)域可導致靶運行期間的局部加熱，由于在那些區(qū)域中結(jié)合部的導熱性且由此冷卻效率被降低。
[0076]因此，超聲波測試掃描允許容易地辨別低吸收區(qū)域(強烈反射的信號，即良好質(zhì)量的結(jié)合界面)與高吸收區(qū)域(微弱反射的信號，即不良的結(jié)合界面)。
[0077]在通過使用如以上所闡釋的超聲波測試掃描的旋轉(zhuǎn)濺射靶的結(jié)合質(zhì)量的評定和分類中，濺射靶組件優(yōu)選為以三個步驟的評定程序進行評估，其中在第一級評定中總體靶面積被評估。
【權(quán)利要求】
1.一種形成圓柱形濺射靶組件的方法，所述方法包括以下步驟: (a)提供圓柱形背襯管； (b)提供圓柱形濺射靶，所述圓柱形濺射靶的內(nèi)徑大于所述背襯管的外徑； (C)圍繞所述背襯管布置所述濺射靶；以及 (d)通過在所述背襯管與所述濺射靶之間提供焊料層來將所述濺射靶結(jié)合至所述背襯管； 其特征在于，步驟(d)包括使所述焊料層定向地固化。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中，在所述焊料層的固化期間，沿著所述濺射靶組件的縱向軸線建立溫度梯度。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中，在所述焊料層的固化期間，建立冷卻前部，所述冷卻前部沿著所述濺射靶組件的所述縱向軸線逐漸地移動。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，在所述焊料層的固化期間，所述背襯管的內(nèi)部逐漸地用冷卻介質(zhì)填充。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，在所述焊料層的固化期間，熱交換裝置定位在所述背襯管的內(nèi)部內(nèi)，所述熱交換裝置運行，從而使得熱交換在其內(nèi)實現(xiàn)的區(qū)域沿著所述濺射靶組件的所述縱向軸線逐漸地移動。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中，在所述焊料層的固化期間，熱交換裝置定位在所述背襯管的內(nèi)部內(nèi)，所述熱交換裝置運行，從而使得熱交換在其內(nèi)實現(xiàn)的區(qū)域沿著所述濺射靶組件的所述縱向軸線逐漸地增大。
7.根據(jù)權(quán)利要求3至6中任一`項所述的方法，其中，在所述焊料層的固化期間，熱交換裝置圍繞所述濺射靶的外部定位，所述熱交換裝置運行，從而使得熱交換在其內(nèi)實現(xiàn)的區(qū)域沿著所述濺射靶組件的所述縱向軸線逐漸地移動。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的方法，其中，在所述焊料層的固化期間，冷卻環(huán)軸向地沿著所述濺射靶組件移動。
9.根據(jù)權(quán)利要求3至6中任一項所述的方法，其中，在所述焊料層的固化期間，熱交換裝置圍繞所述濺射靶的外部定位，所述熱交換裝置運行，從而使得熱交換在其內(nèi)實現(xiàn)的區(qū)域沿著所述濺射靶組件的所述縱向軸線逐漸地增大。
10.根據(jù)權(quán)利要求6或9所述的方法，其中，所述熱交換裝置包括沿著所述濺射靶組件的所述縱向軸線定位的多個熱交換區(qū)段，并且其中在所述焊料層的固化期間，所述熱交換區(qū)段以按順序的方式運行。
11.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，在步驟(C)中，在所述背襯板與所述濺射靶之間形成間隙，并且其中步驟(d)包括將熔融焊料填充入所述間隙。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的方法，其中，在步驟(d)期間，所述濺射靶與所述背襯管被定向使得它們的縱向軸線基本上是豎直的，并且其中所述熔融焊料從所述間隙的底部填充入所述間隙。
13.根據(jù)權(quán)利要求11或12所述的方法，其中，在將熔融焊料填充入所述間隙期間，真空被施加至所述間隙。
14.根據(jù)權(quán)利要求11至13中任一項所述的方法，其中，在將熔融焊料填充入所述間隙期間，所述濺射靶組件被加熱，優(yōu)選地被加熱到高于所述焊料的熔點的溫度。
15.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，在步驟(c)之前所述背襯管的外部表面被磨光。
16.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，在步驟(c)之前，所述背襯管的外部表面和/或所述濺射靶的內(nèi)部表面涂鍍有結(jié)合層體系。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中，所述結(jié)合層體系包括促進粘附的底涂層、中間層以及保護性頂涂層。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的方法，其中，所述底涂層包括鈦層、鉻層，或鎳與鉻的合金層，所述中間層包括鎳、鎳釩合金或鈀，并且所述頂涂層包括銀。
19.根據(jù)權(quán)利要求16至18中任一項所述的方法，其中，所述結(jié)合層體系通過物理氣相沉積來涂覆。
20.根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項所述的方法，其中，所述焊料層主要包括銦，并且優(yōu)選地所述焊料層由銦組成。
21.一種具有如通過超聲波掃描器測量的結(jié)合部強度的圓柱形濺射靶組件，其包括: 圓柱形背襯管，其具有外徑； 圓柱形濺射靶，其具有大于所述圓柱形背襯管的外徑的內(nèi)徑，其中所述圓柱形背襯管同軸地設置在所述圓柱形濺射靶內(nèi)， 所述濺射靶和所述背襯 管由焊料材料結(jié)合，其中結(jié)合部具有如通過超聲波掃描器測量的平均_3dB到+1.5dB的衰減。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的圓柱形濺射靶組件，其中，所述圓柱形濺射靶包括若干單獨的節(jié)段。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的圓柱形濺射靶組件，其中，對結(jié)合至所述濺射靶的任何一個具體的單獨節(jié)段，不存在大于IOcm2的具有如通過所述超聲波掃描器測量的在_3dB到+1.5dB的范圍之外的衰減的單獨的點。
24.根據(jù)權(quán)利要求21所述的圓柱形濺射靶組件，其中，所述背襯管由銅、鈦、不銹鋼或鍍鎳不銹鋼制成。
25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的圓柱形濺射靶組件，其中，所述濺射靶為陶瓷材料。
26.根據(jù)權(quán)利要求21所述的圓柱形濺射靶組件，其中，所述陶瓷材料包括銦錫氧化物、鋁鋅氧化物、銅鎵，以及氧化鋁的混合物。
【文檔編號】G01N29/11GK103620082SQ201180071969
【公開日】2014年3月5日 申請日期:2011年4月29日 優(yōu)先權(quán)日:2011年4月29日
【發(fā)明者】D.武爾青格, D.丹尼爾 申請人:普萊克斯 S.T. 技術(shù)有限公司