CN101648320B

CN101648320B - 靶材与背板的焊接方法

Info

Publication number: CN101648320B
Application number: CN 200910140416
Authority: CN
Inventors: 姚力军; 潘杰; 王学泽; 陈勇军; 周友平; 刘庆
Original assignee: Ningbo Jiangfeng Electronic Material Co Ltd
Priority date: 2009-05-08
Filing date: 2009-05-08
Publication date: 2012-06-27
Anticipated expiration: 2029-05-08
Also published as: CN101648320A

Abstract

一种靶材与背板的焊接方法，包括：提供铜靶材和背板；并对其表面进行机械加工以及化学清洗；采用热压处理，在真空环境下进行焊接作业，将铜靶材焊接至背板形成靶材组件；在真空常压环境下对靶材组件进行热扩散处理，然后空冷。本发明采用真空套包实现靶材与背板真空条件下的热压焊接，有效防止金属的焊接面被氧化，并降低了真空设备成本；另一方面，提供了较大的正向压力，进一步地促使靶材铜靶材与背板之间的结合强度提高。

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，主要使用金属铜(Cu)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。

将高纯度铜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。

在将铜靶材与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℃)，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。

现有的一种扩散焊接方法可以实现两者的有效结合。所谓扩散焊接是相互接触的材料表面，在一定温度、压力作用下靠近，局部产生塑性变形，原子间相互扩散，在界面处形成新的扩散层，而实现可靠连接完成焊接过程。然而由于在加热过程中，铜靶材与铜或铝质材料的背板在温度加热至200℃以上时，焊接表面的氧化非常严重，两种金属接触面原子不能进行有效扩散，难以达到理想的焊接效果。因此需要研究一种新的扩散焊接工艺，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，解决扩散焊接工艺中由于铜靶材以及背板在加热状态下接触面容易氧化，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：

提供铜靶材和背板；

采用热压处理，在真空环境下进行焊接作业，将铜靶材焊接至背板形成靶材组件；

在真空常压环境下对靶材组件进行热扩散处理，然后空冷。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：采用热压处理能将两种金属面对面很好得结合在一起，从而可以实现对铜靶材和铜或铝材质背板实施大面积焊接；由于本发明的热压处理是在真空中进行焊接，因此有效防止了金属被氧化，且采用真空套包降低了真空设备成本。另外，采用热压处理进行焊接的温度为200℃至500℃，在靶材和背板接触面上形成的压强为100MPa至200MPa，保压时间为1min至30min，使铜靶材与背板的结合强度增加，结合率可以达到95％以上，且结合后靶材组件弯曲变形小。

进一步，在常压条件下继续加热靶材组件，保持200℃至500℃温度120min至180min，使得铜靶材与铜或铝质材料背板在接触面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扩散焊接方法的具体实施方式流程图；

图2至图6为本发明所述靶材与背板的扩散焊接方法的实施示意图。

具体实施方式

图1为本发明所述靶材与背板的扩散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、提供铜靶材以及背板；

提供的铜靶材，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至80mm。如图2所示，铜靶材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、对铜靶材以及背板表面进行机械加工然后化学清洗；

其中对铜靶材以及背板的表面进行机械加工使之光亮，尤其使两者的接触面达到必要的光洁度。

铜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。

S3、采用热压处理在真空环境下，将铜靶材与铜或铝质材料的背板焊接形成靶材组件。

如图3所示，将铜靶材10和背板20组装固定，然后装入薄壁成形的包套30中通过抽气口31抽真空，然后封闭抽气口31，形成所述真空环境；

如图4所示，所述热压处理是在高温条件下，利用压力机设备采用液压等方式在铜靶材10与背板20的接触面上形成高压强，进行焊接。

S4、对所述靶材组件在真空常压环境下进行热扩散处理。

如图5所示，所述热扩散处理具体为，在真空常压环境下，将靶材组件继续加热，并保温一定时间，使得靶材与背板在接触面上进一步热扩散。

S5、空冷以冷却靶材组件，结束焊接。

如图6所示，去除包套30，获得完成扩散焊接的靶材组件。

本发明采用热压处理将铜靶材和铜或铝材质背板实施大面积的焊接；由于所述热压焊接是在真空环境中进行，因此能够有效防止焊接金属的接触面被氧化，提高铜靶材和铜或铝质材料背板之间的结合强度，避免溅射过程中铜靶材脱离背板，从而正常进行溅射镀膜。另外，在热压处理进行焊接之后，在常压条件下继续加热靶材组件，使得铜靶材与铜或铝质材料背板在接触面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。

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99.9999％高纯度Cu靶与6061Al合金背板进行扩散焊接的工艺步骤及焊接结果：

(1)靶材、背板的表面加工：对Cu靶表面以及6061Al合金背板表面进行机械加工使之光亮，尤其使两者接触面的光洁度达到0.2um至1.6um。

(2)靶材、背板的化学清洗：对Cu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％至15％，硝酸所占比例可以为85％至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。

(3)靶材、背板在真空环境下的热压处理：

第一步，先将Cu靶和6061Al合金背板装入薄壁成形的真空包套中，所述真空包套为1.0mm至2.0mm低碳钢焊接成型的，然后抽真空至压强为10^-3Torr至10^-5Torr，然后将真空包套的抽气口采用机械方法封死；

第二步，将上述产品送入加热炉加热温度到200℃；

第三步，将加热后的产品送入压力机采用液压加压，使真空包套内Cu靶与6061Al合金背板接触面上的压强达到100MPa，同时在此压力下保压30min，使Cu靶与6061Al合金背板结合在一起，构成靶材组件；

(4)靶材、背板在真空常压环境下的热扩散处理：从压力机中取出经过热压处理后的Cu靶与6061Al合金背板组成的靶材组件，重新送入加热炉加热至200℃，并且保温180min，这样使得Cu靶与6061Al合金背板的接触面上得以进一步的相互扩散，提高结合度。

(5)将靶材组件进行空冷，去除真空包套，最终获得扩散焊接后的产品。

最后，焊接状况检测：利用C-SCAN检测焊接结合率，该由Cu靶与6061Al合金背板所组成的靶材组件其焊接结合率达到95％，再测试其拉伸强度，其扩散焊接的平均强度为100Mpa，结果表面，采用本发明所述扩散焊接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99.9999％高纯度Cu靶与ZL105铝合金背板进行扩散焊接的另一种工艺步骤及焊接结果：(1)靶材、背板的表面加工：对Cu靶表面以及ZL105铝合金背板表面进行机械加工使之光亮，尤其使两者接触面的光洁度达到1.6um至3.2um。

(2)靶材、背板的化学清洗：对Cu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％至15％，硝酸所占比例可以为85％至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。

(3)靶材、背板在真空环境下的热压处理：

第一步，先将Cu靶和ZL105铝合金背板装入薄壁成形的真空包套中，所述真空包套为1.0mm至2.0mm低碳钢焊接成型的，然后抽真空至压强为10^-3Torr至10^-5Torr，然后将真空包套的抽气口采用机械方法封死；

第二步，将上述产品送入加热炉加热温度到500℃；

第三步，将加热后的产品送入压力机采用液压加压，使真空包套内Cu靶与ZL105铝合金背板接触面上的压强达到200MPa，同时在此压力下保压1min，使Cu靶与ZL105铝合金背板结合在一起，构成靶材组件；

(4)靶材、背板在真空常压环境下的热扩散处理：从压力机中取出经过热压处理后的Cu靶与ZL105铝合金背板组成的靶材组件，重新送入加热炉加热至500℃，并且保温120min，这样使得Cu靶与ZL105铝合金背板的接触面上得以进一步的相互扩散，提高结合度。

最后，焊接状况检测：利用C-SCAN检测焊接结合率，该由Cu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，其扩散焊接的平均强度为107Mpa，结果表面，采用本发明所述扩散焊接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99.9999％高纯度Cu靶与无氧铜背板进行扩散焊接的工艺步骤及结果：

(1)靶材、背板的表面加工：对Cu靶表面以及无氧铜背板表面进行机械加工使之光亮，尤其使两者接触面的光洁度达到0.2um至3.2um。

(2)靶材、背板的化学清洗：对Cu靶先用酸液清洗，再用有机溶剂清洗；而对无氧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％至15％，硝酸所占比例可以为85％至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。

(3)靶材、背板在真空环境下的热压处理：

第一步，先将Cu靶和无氧铜背板装入薄壁成形的真空包套中，所述真空包套为1.0mm至2.0mm低碳钢焊接成型的，然后抽真空至压强为10^-3Torr至10^-5Torr，然后将真空包套的抽气口采用机械方法封死；

第二步，将上述产品送入加热炉加热温度到200℃至500℃；

第三步，将加热后的产品送入压力机液压加压，使真空包套内Cu靶与无氧铜背板接触面上的压强达到100MPa至200MPa，同时在此压力下保压1至30min，使Cu靶与无氧铜背板结合在一起，构成靶材组件；

(4)靶材、背板在真空常压环境下的热扩散处理：从压力机中取出经过热压处理后的Cu靶与无氧铜背板组成的靶材组件，重新送入加热炉加热至200℃至500℃，并且保温120至180min，这样使得Cu靶与无氧铜背板的接触面上得以进一步的相互扩散，提高结合度。

最后，焊接状况检测：利用C-SCAN检测焊接结合率，该由Cu靶与无氧铜背板所组成的靶材组件其焊接结合率范围95至99％，再测试其拉伸强度，其扩散焊接的平均强度为107Mpa，结果表面，采用本发明所述扩散焊接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：

提供铜靶材和背板；

采用热压处理，在真空环境下进行焊接作业，将铜靶材焊接至背板形成靶材组件，所述热压处理具体为进行焊接时，将温度加热至200℃，靶材与背板接触面上的压强加压至100MPa，保压30min；

在真空常压环境下对靶材组件进行热扩散处理，然后空冷冷却，所述热扩散处理的温度为200℃，保温时间为180min。

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，所述背板为铜、铝、铜合金或者铝合金材料。

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，将铜靶材和背板装入薄壁成形的包套中抽真空，然后封闭抽气口，形成所述真空环境；在空冷冷却后去除真空包套得到扩散焊接完成的靶材组件。

4.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，在所述热压焊接作业前，还需要对铜靶材和背板先进行机械加工再化学清洗。

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

6.根据权利要求4所述的靶材与背板的焊接方法，其特征在于，所述化学清洗铜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。

7.根据权利要求6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。

8.根据权利要求6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。