CN103801820A - 钽靶材和铝背板的热等静压扩散焊焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种钽靶材和铝背板的热等静压扩散焊焊接方法，包括：将钽靶材和铝背板装入真空包套；对所述真空包套进行抽真空；将所述真空包套装入热等静压炉中，先进行升温升压，再进行保温保压；对所述真空包套进行去压冷却；拆除所述真空包套取出所述钽靶材和铝背板焊接形成的靶材组合。本发明所提供的钽靶材和铝背板的热等静压扩散焊焊接方法所焊接得到的钽靶材组件的焊接强度能高达150Mpa，成品率达到98%以上。通过本发明方法所形成的钽靶材组件具有结合紧密度高、受热抗变形能力强等优点。

Description

钽靶材和铝背板的热等静压扩散焊焊接方法
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，特别涉及一种钽靶材和铝背板的热等静压扩散焊焊接方法。
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及能与所述靶材结合并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。在溅射过程中，靶材组件所处的工作环境比较恶劣。例如，靶材组件所处的环境温度较高，例如300℃至600℃；另外，靶材组件的一侧冲以冷却水强冷，而另一侧则处于10-9Pa的高真空环境下，由此在靶材组件的相对二侧形成有巨大的压力差；再有，靶材组件处在高压电场、磁场中，受到各种粒子的轰击。在如此恶劣的环境下，如果靶材组件中靶材与背板之间的结合强度较差，将导致靶材组件在受热条件下变形、开裂，甚至使得靶材与原来结合的背板脱开，进而得不到溅射均匀的薄膜，同时还可能会对溅射基台造成损伤。
当靶材与背板的熔点等物理性能相接近时，可以采用常规的焊接工艺例如熔焊、钎焊将靶材与背板焊接在一起以形成靶材组件；当靶材与背板的熔点等物理性能相差很大时，可以采用扩散焊接将靶材与背板焊接在一起以形成靶材组件。所谓的扩散焊接是指将焊件紧密贴合，在一定温度和压力下保持一段时间，使两焊件接触面之间的原子相互扩散形成连接的焊接方法。相对于常规的焊接方式，扩散焊接具有结合紧密度高、受热抗变形能力强等优点。
对于钽靶材与铝背板构成的靶材组件而言，由于钽的熔点为2996℃，铝的熔点660.37℃，两种材料的熔点相差较大同时现有的熔焊设备不能实现大面积对焊，因此不适于利用熔焊将钽靶材与铝背板焊接在一起；钎焊工艺中采用的锡钎料或铟钎料熔点较低，以致当利用钎焊将钽靶材与铝背板焊接在一起时，不仅两者之间的结合强度较低，而且高温环境会使钎料熔化，造成溅射工艺无法进行。哪怕利用扩散焊对钽靶材与铝背板进行焊接，现有的工艺到的靶材组件的焊接质量仍然十分不理想。
鉴于此，需研究一种新的焊接方法以使钽靶材与铝背板能进行有效结合。
发明内容
由上述对已有技术的描述可知，钽和铝在熔点、热膨胀系数和相互溶解度等方面存在很大的差异，用常规的焊接方法很难实现将两者牢固焊接。本发明通过热等静压的方法，使钽和铝之间充分扩散，提高焊接面的整体的力学性能，同时也保证钽的微观组织在焊接过程中不受影响。热等静压属于扩散焊的一种，特适用于性能差别大，互不溶解、互相间易产生脆性金属间化合物的异种材料。
为解决上述问题，本发明提供了一种钽靶材和铝背板的热等静压扩散焊焊接方法，包括：
提供钽靶材和铝背板；
将所述钽靶材和所述铝背板装入真空包套；
对所述真空包套进行抽真空；
将所述真空包套装入热等静压炉中，先进行升温升压，再进行保温保压；
对所述真空包套进行去压冷却；
拆除所述真空包套取出所述钽靶材和所述铝背板焊接形成的钽靶材组合。
可选的，对所述真空包套进行抽真空至真空度达到2×10-3Pa以下。
可选的，在对所述真空包套进行抽真空过程中，包括对所述真空包套进行加热并保温一段时间的操作。
可选的，将所述钽靶材和铝背板装入真空包套时，在所述钽靶材和铝背板与所述真空包套之间设置一层石墨纸。
可选的，在将所述钽靶材和铝背板装入所述真空包套之前，对所述钽靶材和铝背板的焊接面进行机械加工，加工至所述钽靶材和铝背板的焊接面光洁度为0.2μm~3.2μm。
可选的，在对所述钽靶材和铝背板的焊接面进行机械加工后，采用氯化氢与水的体积比为1：5的盐酸清洗液除去所述钽靶材和铝背板焊接面的杂质。
可选的，在所述升温升压过程中，升温速度为250℃/h~350℃/h，升压速度为20MPa/h~30MPa/h，升温到达的最高温度控制在450℃~550℃之间，升压到达的最大压强控制在100MPa以上。
可选的，所述保温保压过程的时间为2~5小时。
可选的，所述真空包套采用厚度为1.0mm~2.0mm的低碳钢或不锈钢焊接形成。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
本发明所提供的钽靶材和铝背板的热等静压扩散焊焊接方法所焊接得到的钽靶材组件的焊接强度能高达150Mpa，成品率达到98%以上。同时由于所述扩散焊接是在真空包套中进行，隔绝了空气。因此能够有效防止焊接金属的接触面被氧化，提高钽靶材和铝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。通过本发明方法所形成的钽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为本发明实施例钽靶材和铝背板的热等静压扩散焊焊接方法流程图；
图2为本发明实施例装有钽靶材和铝背板的真空包套的示意图。
具体实施方式
本发明实施例所提供的钽靶材和铝背板的热等静压扩散焊焊接方法，包括如图1所示的各个步骤，以下将对各步骤做具体描述。
S1，提供钽靶材和铝背板。
本发明的实施例中，首先提供铝背板和钽靶材。根据应用环境、溅射设备的实际要求，钽靶材的形状可以为圆形、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，优选方案为圆形。它的直径尺寸为在设计尺寸上加2mm~5mm的加工余量，它的厚度尺寸为在设计尺寸上加1mm~3mm的加工余量。设置加工余量的目的是为钽靶材在后续的机械加工中提供比较宽裕的加工空间以得到符合要求的钽靶材组件。提供铝背板，这里的铝背板可以是纯铝背板，也可以是掺杂有其它金属的铝合金背板，它的形状可以根据溅射设备的要求设定。
S2，将钽靶材和铝背板装入真空包套。
为了能使钽靶材和铝背板的预结合表面之间具有更好的结合能力，在将钽靶材和铝背板放入真空包套前，可以对铝背板、钽靶材的焊接面进行表面处理，该处理包括对铝背板和钽靶材的焊接面进行机械加工，以使得焊接面的光洁度更高。优选的，可以使得光洁度达到0.2μm~3.2μm。然后可以利用有机溶剂或酸液或两者的混合溶液对铝背板和钽靶材进行清洗，以去除焊接面上的异物和杂质。例如，可以采用氯化氢与水的体积比为1：5的盐酸清洗液除去所述钽靶材和铝背板焊接面的异物和杂质。
在经过上述机械加工和清洗步骤之后，可进行用真空包套把钽靶材和铝背板包在里面的操作。具体的，在本发明的其中一个实施例中，所用的真空包套包括外层和里层，其中里层包括一层石墨纸。
如图2所示，真空包套1包括有外层11、里层12和开口13，开口13用于作为抽真空的抽气通道，在抽完真空后会将其密封。而真空包套1的外层11采用厚度为1.0mm~2.0mm的低碳钢或不锈钢焊接成型。由于真空包套1的外层11是由厚度很薄的低碳钢或不锈钢焊接形成，在外部环境压强的作用下，钽靶材2与铝背板3的焊接面处会形成压力，同时由于真空包套1中的产品长时间位于高温环境中，其中的钽靶材2和铝背板3的焊接面处会发生塑性变形、原子扩散，最终实现钽靶材2和铝背板3的可靠焊接。而真空包套1的里层12包括一层石墨纸，石墨纸是将高碳磷片石墨经化学处理，高温膨胀轧制而成，它是制造各种石墨密封件的基础材料。将石墨纸设置于外层11和产品之间，能够防止低碳钢（或者不锈钢）与产品发生粘结。本实施例中，石墨纸的厚度可以为小于2.0mm，而其纯度可以为99%以上。
S3，对所述真空包套进行抽真空。
在上述将产品装入真空包套的操作完成之后，检查真空包套的气密性。当真空包套气密性没有问题后，可以对包有钽靶材和铝背板的所述真空包套进行抽真空。本发明实施例在对所述真空包套进行抽真空过程中，还包括对所述真空包套进行加热并保温一段时间的操作。在对钽靶材和铝背板进行热等静压焊接的过程中，由于钽靶材和铝背板处于高温环境中，当温度达到液态水及其它液体的沸点时，液态水及其它液体就会形成蒸汽，并污染钽靶材和铝背板的焊接面，从而降低钽靶材组件的焊接强度及成品率。发明人经过多次实验比较得知，当真空包套内部的液态水及其它液体成分越少，由上述制作方法形成的钽靶材组件的焊接强度及成品率越高。为此，本发明在对真空包套进行抽真空的过程中对真空包套进行加热以去除真空包套内部的液态水及其它液体，从而保证钽靶材和铝背板置于真正的真空环境中，进而获得焊接强度及成品率高的钽靶材组件。
发明人经过不断的实验得知，当上述炉的温度升高至400℃时，能保证真空包套内部的液态水或其它液体形成蒸汽并被抽走，同时能控制制作成本。同时，当上述炉的保温时间为3h时，能保证真空包套内的蒸汽全部被抽走，以形成真正的真空环境，为后续钽靶材和铝背板的焊接做准备。
可利用多种方式对真空包套进行抽真空，在本实施例中，可利用复合分子泵对真空包套进行抽真空。即，在抽真空的过程中，复合分子泵连接真空包套的通气管，气体可由通气管进入复合分子泵中。复合分子泵具有很多优点，如具有较高抽气速度、较好的抽气效果等等。利用复合分子泵持续对真空包套抽真空，能保证真空包套内部能形成真正的真空环境。将内部设置有铝背板、钽靶材的真空包套放入炉中，对真空包套进行抽真空。待真空包套内部达到一定真空度后，使炉的温度升高到一定温度，并使炉持续保温一段时间。由于钽靶材和铝背板持续置于高温环境中，因此铝背板、钽靶材中的液态水或其它液体会形成蒸汽。在炉的保温期间，依然对真空包套进行抽真空，在抽真空的过程中，真空包套内部形成的蒸汽会被抽走。由于炉的保温时间很长，在这期间可保证真空包套内的气体全部被抽走，以形成真正的真空环境。为了同时保证抽真空过程的效率及制作成本，在本实施例中，上述一定真空度为绝对压强小于2×10-3Pa的真空度。
S4，将所述真空包套装入热等静压炉中，先进行升温升压，再进行保温保压。
热等静压工艺具有许多优点，如焊接件焊接面处的结合率高、结合强度高等。所谓热等静压（hot isostatic pressing，HIP）的原理是将待焊接材料置于真空密封的真空包套内，然后在高温条件下利用高压液体或高压气体对真空包套施加各向均等的压力，使真空包套在此高温高压环境中保持一段时间以将待焊接材料紧密焊接在一起。
在抽真空完毕后，将所述真空包套装入热等静压炉中，先进行升温升压，在所述升温升压过程中，升温速度可以为250℃/h~350℃/h，升压速度可以为20MPa/h~30MPa/h，升温到达的最高温度可以控制在450℃~550℃之间，升压到达的最大压强优选控制在100MPa以上。
所述升温升压过程中，如果升温速度过快，热等静压炉的炉温不容易扩散，造成热等静压炉的炉温不均匀，产生炉温偏差，影响焊接质量；如果升温速度过慢，升温时间过长，则造成生产效率低，生产成本高，因而升温速度优选为250℃/h~350℃/h。同样的，升压速度也不宜过快或者过慢，而是适宜与升温速度配合，使得两者差不多在相同时间内达到最大值，从而保证焊接稳定高效进行。
本实施例升温达到的最高温度(也即保温温度)为450℃~550℃之间，虽然较高温度有利于金属原子的扩散，有利于扩散焊接，但是如果最高温度太高，不仅浪费能源，还可能导致低熔点的铝熔化，一旦铝发生熔化就会使得产品报废，因而最高温度不宜过高。
本实施例中，最大压强(也即保压压强)控制在100MPa以上，该最大压强的选取同样是从焊接效率、效果以及可操作性综合考虑得到的。
在升温升压之后再进行保温保压，保温保压过程的时间为2~5小时，保温保压时，炉内的温度即为上述升温过程中升至的最高温度，炉内的压力即为上述升压过程的升至的最高压力。该保温保压时间同样是为了保证热等静压扩散焊接能够充分进行。
S5，对所述真空包套进行去压冷却。
上述焊接完成后，可使真空包套中的产品在热等静压炉中随炉冷却，这种冷却方式避免了突然的温降，使得形成后的靶材组合更加坚实。
S6，拆除所述真空包套，取出所述钽靶材和铝背板焊接形成的靶材组合。
冷却后，去除真空包套以获得钽靶材组件。具体的，可以利用车削加工等工艺将真空包套去除。
发明人对钽靶材和铝背板所形成的靶材组合进行测试，发现该钽靶材组件的焊接强度能高达150Mpa，成品率达到98%以上。同时由于所述扩散焊接是在真空包套中进行，隔绝了空气。因此能够有效防止焊接金属的接触面被氧化，提高钽靶材和铝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。通过本发明所形成的钽靶材组件具有结合紧密度高、受热抗变形能力强等优点。
以上所述仅为本发明的具体实施例，目的是为了使本领域技术人员更好的理解本发明的精神，然而本发明的保护范围并不以该具体实施例的具体描述为限定范围，任何本领域的技术人员在不脱离本发明精神的范围内，可以对本发明的具体实施例做修改，而不脱离本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种钽靶材和铝背板的热等静压扩散焊焊接方法，其特征在于，包括：
提供钽靶材和铝背板；
将所述钽靶材和所述铝背板装入真空包套；
对所述真空包套进行抽真空；
将所述真空包套装入热等静压炉中，先进行升温升压，再进行保温保压；
对所述真空包套进行去压冷却；
拆除所述真空包套，取出所述钽靶材和所述铝背板焊接形成的钽靶材组合。
2.如权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，对所述真空包套进行抽真空至真空度达到2×10-3Pa以下。
3.如权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，在对所述真空包套进行抽真空过程中，包括对所述真空包套进行加热并保温一段时间的操作。
4.如权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，将所述钽靶材和铝背板装入真空包套时，在所述钽靶材和铝背板与所述真空包套之间设置一层石墨纸。
5.如权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，在将所述钽靶材和铝背板装入所述真空包套之前，对所述钽靶材和铝背板的焊接面进行机械加工，加工至所述钽靶材和铝背板的焊接面光洁度为0.2μm~3.2μm。
6.如权利要求5所述的焊接方法，其特征在于，在对所述钽靶材和铝背板的焊接面进行机械加工后，采用氯化氢与水的体积比为1：5的盐酸清洗液除去所述钽靶材和铝背板焊接面的杂质。
7.如权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，在所述升温升压过程中，升温速度为250℃/h~350℃/h，升压速度为20MPa/h~30MPa/h，升温到达的最高温度控制在450℃~550℃之间，升压到达的最大压强控制在100MPa以上。
8.如权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述保温保压过程的时间为2~5小时。
9.如权利要求1所述的焊接方法，其特征在于，所述真空包套采用厚度为1.0mm~2.0mm的低碳钢或不锈钢焊接形成。
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