CN101176960A - 一种金属靶材与靶托的连接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种金属靶材与靶托的连接方法。它主要包括加工连接面、涂钎焊料、挤压、焊接等步骤组成。靶材与靶托之间为非平面结合，通过钎焊料粘结在一起，同时在外力作用下，靶托边缘发生挤压变形，与靶材扣连，实现致密紧固对接。该方法能够在大气环境中实现靶材与靶托之间的稳定可靠连接，满足了靶材的组织性能和尺寸不受影响、与靶托接触良好、结合强度高等连接要求，快速高效，避免了必须在真空、高温或高压等环境下的成形问题，降低了生产成本。
Description
技术领域
本发明及一种金属靶材与靶托的连接技术，可以应用于半导体集成电路、记录介质、平面显示以及工件表面涂层制造用溅射靶的制备。
背景技术
各种类型的溅射薄膜材料在电子及信息相关产业中得到了非常广泛的应用，因而对溅射靶材这一具有高附加值的功能材料的需求量也逐年增多。靶材的质量是获得优质溅射薄膜材料的关键因素之一。随着集成电路等产业的发展，对于溅射靶及溅射薄膜的性能要求越来越高。溅射靶材的微观结构及化学纯度等方面都有越来越严格的限定，而且随着晶片尺寸逐渐增大(8～12英寸)，所使用的溅射靶材尺寸将随之增大，它的形状也必须能满足溅射设备的需求。靶材与靶托的连接作为溅射用靶制备工艺流程中重要的一个环节，需要保证靶材的晶粒大小、取向关系和纯度等不能改变，确保高质量靶材的使用性能。
在磁控溅射过程中，靶材作为阴极需要与靶托之间有良好的导电性，同时，为了排放高能态离子高速轰击靶材表面产生的热量，靶材和靶托之间还要求具有良好的导热性。此外，为了避免溅射靶在工作中的脱落、脆裂等问题，两者还需要一定的结合强度。
常用的靶材与靶托连接技术包括：机械压紧法、焊接法等。采用机械压紧法，靶材与靶托的对接面很难完全致密，可能存在的缝隙会导致靶材与靶托之间结合强度降低，同时影响溅射过程中的传热和导电性。靶材的焊接包括钎焊、扩散焊等，普通钎焊的结合强度较低，工艺可靠性不高。扩散焊接的结合强度能接近甚至超过基体的强度，但是为了避免高温焊接过程中材料发生氧化，通常需要在真空中进行，焊接过程繁杂，效率较低。随着晶片尺寸的增大(8～12英寸)，靶材的尺寸也越来越大，大尺寸靶材在受热过程中容易发生变形，对真空扩散焊接设备也提出了更高的要求，靶材焊接的成本也就随之增加。
发明内容
本发明提供了一种金属靶材与靶托的连接方法，它能够在大气环境中实现靶材与靶托之间的致密紧固连接，同时能够防止焊接过程中的污染，满足靶材与靶托的连接要求，避免必须在真空、高温或高压等环境下的变形问题，降低生产成本。
本发明的金属靶材与靶托的连接方法包括如下步骤：(1)分别在靶材、靶托对应的接触部位加工出用于结合的中间弧形凸面、中间弧形凹面，靶材凸面和靶托凹面的弧度相一致。其中靶托的边缘带有凸台，凸台上带有倒钩，凸台内侧壁面上分布排气通道；(2)清洗干净靶材、靶托的结合部位表面，并吹干；(3)加热靶托到高于钎焊料的液相线30～50℃，在靶托的凹面上均匀涂敷上钎焊料；(4)靶材凸面在一定的轴向压力下向靶托凹面挤进；(5)在挤压过程中，靶托凹面上的钎焊料熔化流动时充填接合面的各部位，随着靶材的挤进，靶托内钎焊料的液相逐渐抬高，在靶托凹面外的凸形环台内侧壁面存在的排气通道能够把残存的空气完全排除，并将表面可能部分氧化的钎焊料排出，靶托凹面和靶材凸面达到密切配合。同时，靶托的凸形环台能使靶材、靶托对中定位，台上的倒钩发生挤压变形与靶材紧密扣连，实现靶托和靶材的稳固结合。
在上述步骤(1)中加工的靶材凸面、靶托凹面的弧度范围为5°～15°，表面粗糙度(Ra)≤3.2。凸台上的倒钩与水平面之间存在有夹角，角度范围2°～6°。
上述步骤(3)中，涂敷钎焊料的厚度为0.5mm～1mm。
在步骤(4)中施加的作用力为5MPa～100MPa；靶材挤压的速度在2mm/s～10mm/s。
所述的一种金属靶材与靶托的连接方法，所用靶材主要包括Al、Al-Si、Al-Cu、Al-Si-Cu靶材，对应的靶托为Al合金靶托；还包括Ti、Ti-W、Ta、Ta-Si靶材，对应的靶托为无氧铜，黄铜，Ti合金靶托。
所用的钎焊料主要包括纯铟、铟合金、锡铜、锌锡、锡银铜钎料。
本方法的特点是，采用机械压紧和钎焊相结合的连接方法，其中靶材与靶托之间为非平面结合。其优点如下：
1、在大气环境下靶材与靶托之间通过倒钩结构和焊接紧密连接，结合强度高，且靶材的微观结构及组织性能、尺寸等不受影响，避免了靶材在与靶托连接制备过程中环境要求高、易发生脆裂、变形等问题。
2、通过导电及导热性良好的钎焊料填充于靶材与靶托之间各结合面，并且采用加热粘结的形式，保证结合面充分接触，有效提高了热传导率和电传导率。
3、连接方法简便，容易实现，降低生产成本。
附图说明
图1是本发明中靶材与靶托的连接装配图及靶托倒钩部位的放大图。
图2是图1中靶托的俯视及局部放大图(图中表示出对称的半部分)。
具体实施方式
下面根据附图和结合具体实施例对本发明的内容作进一步说明。
实施例1
如图1、2所示的金属靶材及靶托的连接结构，靶材1与靶托3之间由填充的钎焊料2焊接固定。
Al-Si合金靶材与普通Al合金靶托的连接是目前最常用的互连线制作材料之一，在制作时，首先采用数控机床对靶材1与靶托3进行加工，对Al-Si合金靶材1精加工出中间弧形凸面，弧度为5°，表面粗糙度Ra≤3.2，同时对普通Al合金靶托3精加工出中间弧形凹面，弧度为5°，表面粗糙度Ra≤3.2；靶托3的边缘加工凸台4，凸台4上带有倒钩，倒钩与水平面的夹角α为2°，凸台内侧壁面上带有半圆形排气通道5。
将靶材1与靶托3的加工面清洗干净。首先用丙酮除油，用纯净水清洗后，再进行酸洗(15wt％的HNO3溶液)，最后用纯净水清洗，热风吹干。
加热靶托3至200℃，在靶托3凹面上均匀涂上0.5mm的铟合金钎焊料2，其液相线温度约为150℃。在5MPa的压力作用下，将靶材1的凸面逐渐向靶托3凹面挤进，挤压速率为2mm/s，在液相钎焊料的作用下，靶材1与靶托3粘接在一起，对接面接触间隙中可能的空气从排气通道5排出，少量氧化的钎焊料从边侧挤出。同时在挤压过程中，靶托3所带的倒钩能和靶材1形成紧密扣连，结合稳固。
实施例2
Ti靶材和无氧铜靶托常用于制备集成电路阻挡层薄膜材料。在制作时，采用数控机床对靶材1与靶托3进行加工，对高纯Ti靶材1精加工出中间弧形凸面，弧度为15°，表面粗糙度Ra≤3.2。同时对无氧铜靶托3精加工出中间弧形凹面，弧度为15°，表面粗糙度Ra≤3.2，靶托3的边缘加工凸台4，凸台4上带有倒钩，倒钩与水平面的夹角α为6°，凸台内侧壁面上带有半圆形排气通道5。
将靶材1与靶托3的加工面用丙酮除油，纯净水清洗后，再进行酸洗(15wt％的HNO3溶液)，最后用纯净水清洗，热风吹干。加热靶托至250℃，在靶托3凹面上均匀涂上1mm厚的锡银铜合金钎焊料2，其液相线温度约为220℃。在100MPa的压力作用下，将靶材1的凸面逐渐向靶托3凹面挤进，挤压速率为10mm/s，实现两者之间的连接。本实施例所连接的靶材具有与实施例1相同的优点。
实施例3
Ti-W合金靶材和黄铜靶托的连接是常用的另一靶件。采用与实施例2相同的方法通过锡银铜合金钎焊料2将靶材1与靶托3粘接在一起。
在制作时，采用数控机床对靶材1与靶托3进行加工，对Ti-W合金靶材1精加工出中间弧形凸面，弧度为10°，表面粗糙度Ra≤3.2。同时对黄铜靶托3精加工出中间弧形凹面，弧度为10°，表面粗糙度Ra≤3.2，靶托3的边缘加工凸台4，凸台4上带有倒钩，倒钩与水平面的夹角α为3°，凸台内侧壁面上带有半圆形排气通道5。
将靶材1与靶托3的加工面用丙酮除油，纯净水清洗后，再进行酸洗(15wt％的HNO3溶液)，最后用纯净水清洗，热风吹干。加热靶托至260℃，在靶托3凹面上均匀涂上0.8mm厚的锡银铜合金钎焊料2，其液相线温度约为220℃。在50MPa的压力作用下，将靶材1的凸面逐渐向靶托3凹面挤进，挤压速率为6mm/s，实现两者之间的连接。本实施例所连接的靶材具有与实施例1相同的优点。
Claims (8)
1.一种金属靶材与靶托的连接方法，其特征是：包括如下步骤：
(1)分别在靶材、靶托对应的接触部位加工出用于结合的中间弧形凸面、中间弧形凹面，靶托的边缘加工出带有倒钩的凸台，凸台内侧壁面上带有排气通道，其中靶材凸面和靶托凹面的弧度相一致；
(2)将靶材与靶托的加工台面除油、酸洗等清洗干净，并吹干；
(3)加热靶托至钎焊料的液相线30～50℃，在靶托的凹面内均匀涂上钎焊料；
(4)靶材凸面在轴向压力下向靶托凹面挤进；
(5)在挤压过程中，靶托凹面上的钎焊料熔化流动时充填接合面的各部位，通过排气通道把残存的空气排除，并将表面可能部分氧化的钎焊料排出，靶托的凸形环台使靶材、靶托对中定位，台上的倒钩发生挤压变形与靶材紧密扣连。
2.根据权利要求1所述的一种金属靶材与靶托的连接方法，其特征还在于：步骤(1)中加工的靶材凸面、靶托凹面的弧度为5°～15°，表面粗糙度(Ra)≤3.2。
3.根据权利要求1所述的一种金属靶材与靶托的连接方法，其特征还在于：步骤(1)中倒钩与水平面之间存在有夹角，角度范围2°～6°。
4.根据权利要求1所述的一种金属靶材与靶托的连接方法，其特征还在于：步骤(3)中，涂钎焊料的厚度为0.5mm～1mm。
5.根据权利要求1所述的一种金属靶材与靶托的连接方法，其特征还在于：步骤(4)中轴向施加的压力为5MPa～100MPa。
6.根据权利要求1所述的一种金属靶材与靶托的连接方法，其特征还在于：步骤(4)中靶材挤压的速度在2mm/s～10mm/s。
7.根据权利要求1所述的一种金属靶材与靶托的连接方法，其特征还在于：靶材包括Al、Al-Si、Al-Cu、Al-Si-Cu靶材，对应的靶托为Al合金靶托；还包括Ti、Ti-W、Ta、Ta-Si靶材，对应的靶托为无氧铜、黄铜、Ti合金靶托。
8.根据权利要求1所述的一种金属靶材与靶托的连接方法，其特征还在于：所用钎焊料主要包括纯铟、铟合金、锡铜、锌锡、锡银铜钎焊料。
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