CN101543923B

CN101543923B - 靶材与背板的焊接方法

Info

Publication number: CN101543923B
Application number: CN2009101272479A
Authority: CN
Inventors: 姚力军; 潘杰; 陈勇军; 刘庆
Original assignee: Ningbo Jiangfeng Electronic Material Co Ltd
Current assignee: Ningbo Jiangfeng Electronic Material Co Ltd
Priority date: 2009-03-12
Filing date: 2009-03-12
Publication date: 2012-07-04
Anticipated expiration: 2029-03-12
Also published as: CN101543923A

Abstract

一种靶材与背板的焊接方法，包括：提供钽靶材和背板；在钽靶材的焊接面上形成金属中间层；在背板的焊接面上添加钎料；进行钎焊加热熔化钎料将钽靶材焊接至背板形成靶材组件；然后保温热扩散处理；冷却靶材组件，并进行机械加工去除多余的钎料。本发明通过金属中间层改善了焊接工件与钎料难以浸润的问题，有效提高钽靶材和背板之间的结合强度，在溅射过程中钽靶材不会脱开，可以正常进行溅射镀膜。

Description

靶材与背板的焊接方法

技术领域

本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及靶材与背板的焊接方法。

背景技术

在半导体工业中，靶材组件是由符合溅射性能的靶材和与所述靶材结合、具有一定强度的背板构成。背板可以在所述靶材组件装配至溅射基台中起到支撑作用，并具有传导热量的功效。目前，主要使用金属钽(Ta)通过物理气相沉积法(PVD)镀膜并形成阻挡层作为靶材，在溅射过程中使用磁控溅射；需要使用具有足够强度，且导热、导电性也较高的铜或铝材料作为背板材料。

将高纯度钽靶材以及铜或铝合金的背板经过加工、焊接成型，制成半导体工业所使用的靶材组件后，然后安装在溅射机台上，在磁场、电场作用下有效进行溅射控制。现有溅射工艺中，靶材组件的工作环境非常恶劣，首先，靶材组件工作温度高达300℃至500℃；其次，靶材组件的一侧充以冷却水强冷，而另一侧则处于10^-9Pa的高真空环境下，由此在靶材组件的上下两侧形成有巨大的压力差；同时，靶材组件处在高压电场、磁场中，受到各种粒子的轰击。如果靶材组件中靶材与背板之间的焊接质量较差，将导致靶材在受热条件下变形、开裂、甚至从背板脱落，不但无法达到溅射均匀的效果，同时还可能会导致溅射基台损坏。

因此，需要选择一种有效的焊接方式，使得靶材与背板实现可靠结合，满足长期稳定生产、使用靶材的需要显得十分必要。

在将钽靶材与铜或铝质材料的背板进行对焊时，由于两者熔点相差太大(铜熔点1084℃，铝熔点650℃，钽熔点2996℃)，因此，采用常规的熔化焊接设备很难实现有效的大面积焊接。

现有的一种钎焊方法可以实现两者的有效结合。所谓钎焊是在两种待焊接材质(母材)之间填充钎料金属，利用填充的金属熔点比母材低的特点，经加热熔化后钎料形成液态，填充接头间隙并与母材相互扩散，而实现连接的焊接方法。然而，半导体工业所使用的钽靶材其材质容易氧化，难以与钎料浸润融合，使得钎焊后的焊缝抗拉强度较低而达不到靶材要求。因此需要研究一种新的钎焊工艺，提高焊接后所得组件的结合率和强度。

发明内容

本发明解决的问题是提供一种靶材与背板的焊接方法，解决钎焊工艺中由于钽靶材易氧化难以与钎料浸润融合，而影响所得靶材组件的焊接效果。

为解决上述问题，本发明提供一种靶材与背板的焊接方法，包括：

提供钽靶材和背板；

在钽靶材的焊接面上形成金属中间层；

在背板的焊接面上添加钎料；

进行钎焊处理，加热熔化钎料将钽靶材焊接至背板形成靶材组件；

对靶材组件进行保温热扩散处理；

冷却靶材组件，并进行机械加工去除多余的钎料。可选的，所述钎焊的温度为350℃～1000℃高于钎料的熔点，保温的温度可比钎焊温度稍低至钎料熔点附近，时间可为1小时～5小时，

可选的，添加钎料的方法具体为在背板的焊接面上高温涂覆半固态钎料或者直接放置钎料块，所述钎料的材料具体为银、锌或者锡以及这些金属的合金。

可选的，在添加钎料之前还包括步骤：清洗所述钽靶材以及背板的表面。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：钎焊之前在钽靶材的焊接面形成一层容易与钎料浸润的金属中间层，改善了钽靶材与钎料的浸润融合，提高了钽靶材与背板的钎焊结合强度，在溅射过程中钽靶材不会脱开，可以正常进行溅射镀膜。

进一步的，钎料熔化后继续加热靶材组件，保持230℃～700℃温度1小时～5小时，使得钽靶材以及铜或铝质材料背板在接触面与钎料的相互扩散程度进一步提高，所形成的靶材组件具有结合紧密度高、受热抗变形能力强等优点。

附图说明

图1为本发明所述靶材与背板的焊接方法的具体实施方式流程图；

图2至图7为本发明所述靶材与背板进行钎焊的实施示意图。

具体实施方式

图1为本发明所述靶材与背板的焊接方法具体实施方式流程图，而图2至图6为实施示意图。主要步骤如下：

S1、提供钽靶材以及背板；

提供的钽靶材，其形状根据应用环境、溅射设备的实际要求，可以为圆形、矩形、环形、圆锥形或其他类似形状(包括规则形状和不规则形状)中的任一种，且其厚度可以为1mm～80mm。如图2所示，钽靶材10的形状优选为圆形，直径为350mm，厚度为8.5mm。而背板20的形状由溅射设备决定，材质可根据具体需要选择，一般可采用铝、铜、铝合金、铜合金等材质。

S2、在钽靶材的焊接面上形成一金属中间层；

如图3所示，采用等离子喷涂的方法在钽靶的焊接面上形成一层容易与钎料浸润的金属中间层11，比如Cu层或者Ni-Cr合金层，厚度约为100um～500um。

S2、对钽靶材以及背板表面进行机械加工然后化学清洗；

其中对钽靶材以及背板的表面进行机械加工使之光亮。

钽靶材表面的清洗可先采用混合酸剂进行酸洗然后使用有机清洗溶剂清洗，而背板表面则直接使用有机清洗溶剂清洗。

S4、在背板的焊接面上添加钎料；

添加钎料的方法具体为在背板的焊接面上高温涂覆钎料或者直接放置钎料块，所述钎料的材料具体为银、锌或者锡以及这些金属的合金。

如图4所示，将钎料块30直接置于背板20的焊接面上，然后再组合钽靶材10送入钎焊设备。

S5、在真空中进行钎焊处理，加热熔化钎料将钽靶材与铜或铝质材料的背板焊接形成靶材组件。

如图5所示，利用钎焊设备加热靶材组件至350℃～1000℃，高温熔化钎料块20，使得液态的钎料在钽靶材10与背板20之间的焊接面上均匀分布，进行焊接。

S6、对所述靶材组件进行进一步的保温热扩散处理。

如图6所示，所述热扩散处理具体为在加热200℃～1000℃的状态下保温1小时～5小时，使得靶材与背板在焊接面上与钎料进一步热扩散。

S7、冷却靶材组件，并进行机械加工去除多余的钎料。

如图7所示，因为在钎焊过程中，液态的钎料有可能在靶材的边缘溢出，所以冷却靶材组件后，还需机械加工以去除，最终获得完成焊接的靶材组件。

本发明钎焊之前在钽靶材的焊接面形成一层容易与钎料浸润的金属中间层，使钎焊后钽靶材和背板之间通过钎料融合，结合强度提高，进一步的，钎料熔化后继续加热靶材组件保温，使得钽靶材以及铜或铝质材料背板在接触面与钎料的相互扩散程度进一步提高，所形成的靶材组件具有结合紧密度高、受热抗变形能力强等优点。提高钽靶材和铜或铝质材料背板之间的结合强度，避免溅射过程中钽靶材脱离背板，从而正常进行溅射镀膜。下面结合具体实施例对本发明作进一步的介绍。

实施例一

以下为99.99％高纯度Ta靶与6061Al合金背板进行钎焊的工艺步骤及焊接结果：

(1)在靶材表面形成金属中间层：采用等离子喷涂技术在Ta靶的焊接一面上形成一层金属中间层，具体为以直流电驱动的等离子电弧作为热源，将Cu或者Ni-Cr合金等易于与钎料浸润的材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的Ta坯料表面而以形成附着牢固的金属层，厚度为400um。

(2)靶材、背板的表面加工：对Ta靶表面以及6061Al合金背板表面进行机械加工使之光亮，光洁度达到0.2～1.6um。

(3)靶材、背板的化学清洗：对Ta靶先用酸液清洗，再用有机溶剂清洗；而对6061Al合金背板直接采用有机溶剂清洗。所述用于清洗的酸液可以是氢氟酸(HF)和硝酸(HNO₃)的混合溶剂，所述氢氟酸(HF)和硝酸(HNO₃)混合溶剂中氢氟酸所占比例为3％～15％，硝酸所占比例可以为85％～97％；作为优选，HF∶HNO₃配比的比例为1∶3。另外，所述酸液也可以是由氢氟酸(HF)、硝酸(HNO₃)和盐酸(HCL)配比而成的混合溶剂。所述有机溶剂则可以是异丁醇IBA、异丙醇IPA或混丙醇IPB中的任一种，优选地，选取异丙醇IPA。

(4)钎料的添加以及钎焊处理：

第一步，先在6061Al合金背板表面高温涂敷锡钎料，待冷固后将Ta靶置于钎料上，组成夹心结构。

第二步，将上述产品送入加热炉加热温度到450℃；

第三步，高温熔化锡钎料，液态锡在Ta靶与6061Al合金背板之间将会重分布，直至锡钎料均匀的覆盖整个焊接面。

(5)靶材、背板的热扩散处理：让Ta靶与6061Al合金背板组成的靶材组件在450℃状态下保温1小时。此处保温的温度也可以稍微降低至230℃使得锡钎料处于半固态有利于靶材组件的稳定，最终使得Ta靶以及6061Al合金背板与焊接面上的锡钎料得以进一步的相互扩散，提高焊接的结合度。

(6)将靶材组件进行冷却，并机械加工去除多余钎料，最终获得焊接后的产品。如果需求产品的尺寸精度要求较高，还可以进一步进行粗-精分布加工，将靶材组件的外形尺寸加工至小误差范围。

最后，焊接状况检测：利用C-SCAN检测焊接结合率，该由Ta靶与6061Al合金背板所组成的靶材组件其焊接结合率达到98％，再测试其拉伸强度，其焊接的平均强度为100Mpa，结果表面，采用本发明所述钎焊方法所取得的靶材组件焊接性能十分可靠。

实施例二

以下为99.995％高纯度Ta靶与ZL105铝合金背板进行钎焊的工艺步骤及焊接结果：

(1)在靶材表面形成金属中间层：采用等离子喷涂技术在Ta靶的焊接一面上形成一层金属中间层，具体为以直流电驱动的等离子电弧作为热源，将Cu或者Ni-Cr合金等易于与钎料浸润的材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向经过预处理的Ta坯料表面而以形成附着牢固的金属层，厚度为200um。

(2)靶材、背板的表面加工：对Ta靶表面以及ZL105铝合金背板表面进行机械加工使之光亮，光洁度达到0.2～1.6um。

(3)靶材、背板的化学清洗：对Ta靶先用酸液清洗，再用有机溶剂清洗；而对ZL105铝合金背板直接采用有机溶剂清洗。所述用于清洗的酸液可以是氢氟酸(HF)和硝酸(HNO₃)的混合溶剂，所述氢氟酸(HF)和硝酸(HNO₃)混合溶剂中氢氟酸所占比例为3％～15％，硝酸所占比例可以为85％～97％；作为优选，HF∶HNO₃配比的比例为1∶3。另外，所述酸液也可以是由氢氟酸(HF)、硝酸(HNO₃)和盐酸(HCL)配比而成的混合溶剂。所述有机溶剂则可以是异丁醇IBA、异丙醇IPA或混丙醇IPB中的任一种，优选地，选取异丙醇IPA。

(4)钎料的添加以及钎焊处理：

第一步，先在ZL105铝合金背板表面放置锡钎块，然后将Ta靶置于银钎块上，组成夹心结构。

第二步，将上述产品送入加热炉加热温度到450℃；

第三步，高温熔化锡钎块，液态锡在Ta靶与ZL105铝合金背板之间将会重分布，直至锡钎料均匀的覆盖整个焊接面。

(5)靶材、背板的热扩散处理：让Ta靶与ZL105铝合金背板组成的靶材组件在450℃状态下保温2小时。最终使得Ta靶以及ZL105铝合金背板与焊接面上的锡钎料得以进一步的相互扩散，提高焊接的结合度。

最后，焊接状况检测：利用C-SCAN检测焊接结合率，该由Ta靶与ZL105铝合金背板所组成的靶材组件其焊接结合率达到97％，再测试其拉伸强度，其焊接的平均强度为80Mpa，结果表面，采用本发明所述钎焊方法所取得的靶材组件焊接性能十分可靠。

实施例三

以下为99.99％高纯度Ta靶与黄铜背板进行钎焊的工艺步骤及结果：

(2)靶材、背板的表面加工：对Ta靶表面以及黄铜背板表面进行机械加工使之光亮，光洁度达到0.2～3.2um。

(3)靶材、背板的化学清洗：对Ta靶先用酸液清洗，再用有机溶剂清洗；而对黄铜背板直接采用有机溶剂清洗。所述用于清洗的酸液可以是氢氟酸(HF)和硝酸(HNO₃)的混合溶剂，所述氢氟酸(HF)和硝酸(HNO₃)混合溶剂中氢氟酸所占比例为3％～15％，硝酸所占比例可以为85％～97％；作为优选，HF∶HNO₃配比的比例为1∶3。另外，所述酸液也可以是由氢氟酸(HF)、硝酸(HNO₃)和盐酸(HCL)配比而成的混合溶剂。所述有机溶剂则可以是异丁醇IBA、异丙醇IPA或混丙醇IPB中的任一种，优选地，选取异丙醇IPA。

(4)钎料的添加以及钎焊处理：

第一步，先在黄铜背板表面放置银钎块，然后将Ta靶置于银钎块上，组成夹心结构。

第二步，将上述产品送入加热炉加热温度到800℃；

第三步，高温熔化银钎块，液态银在Ta靶与黄铜背板之间将会重分布，直至均匀的覆盖整个焊接面。

(5)靶材、背板的热扩散处理：让Ta靶与黄铜背板组成的靶材组件在800℃状态下保温5小时。最终使得Ta靶以及黄铜背板与焊接面上的钎料得以进一步的相互扩散，提高焊接的结合度。

最后，焊接状况检测：利用C-SCAN检测焊接结合率，该由Ta靶与黄铜背板所组成的靶材组件其焊接结合率范围98％，再测试其拉伸强度，其钎焊的平均强度为120Mpa，结果表面，采用本发明所述钎焊方法所取得的靶材组件焊接性能十分可靠。

本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。

Claims

1.一种靶材与背板的焊接方法，其特征在于，包括：

提供钽靶材和背板，所述背板为铜、铝、铜合金或者铝合金材料；

在钽靶材的焊接面上形成金属中间层，所述金属中间层由等离子喷涂形成，厚度为100um～500um，材质为Cu、Ni-Cr合金或者其他易于与钎料浸润的金属；

在背板的焊接面上添加钎料，所述钎料的材料为锌、锡或者这些金属的合金；

进行钎焊处理，加热熔化钎料将钽靶材焊接至背板形成靶材组件，所述钎焊处理具体为将温度加热至350℃～1000℃，高于钎料熔点；

对经钎焊处理形成的靶材组件进行保温热扩散处理，所述热扩散处理的温度为200℃～1000℃，保温时间为1小时～5小时；

冷却靶材组件，并进行机械加工去除多余的钎料。

2.根据权利要求1所述的靶材与背板的焊接方法，其特征在于，添加钎料的方法具体为在背板的焊接面上高温涂覆半固态钎料或者直接放置钎料块。

3.根据权利要求1所述的靶材与背板的焊接方法，其特征在于，在所述添加钎料前，还需要对钽靶材和背板先进行机械加工再化学清洗。

4.根据权利要求3所述的靶材与背板的焊接方法，其特征在于，机械加工使得钽靶材以及背板表面的光洁度达到0.2～3.2um。

5.根据权利要求3所述的靶材与背板的焊接方法，其特征在于，所述化学清洗钽靶材表面具体为先使用混合酸剂进行酸洗，再使用有机清洗溶剂清洗；化学清洗背板表面具体为使用有机清洗溶剂清洗。

6.根据权利要求5所述的靶材与背板的焊接方法，其特征在于，所述混合酸剂为氢氟酸(HF)、硝酸(HNO₃)混合溶剂或者由氢氟酸(HF)、硝酸(HNO₃)与盐酸(HCL)配比而成的混合溶剂。

7.根据权利要求5所述的靶材与背板的焊接方法，其特征在于，所述有机清洗溶剂为异丁醇IBA、异丙醇IPA或混丙醇IPB中的任一种。