CN103894720A - 一种高纯钴靶材坯料与背板的焊接方法 - Google Patents

一种高纯钴靶材坯料与背板的焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种高纯钴靶材坯料与背板的焊接方法，包括依次进行的如下步骤：将高纯钴靶材坯料和背板的表面分别进行机械加工；将机械加工后的高纯钴靶材坯料和背板用有机清洗溶剂清洗；将清洗后的高纯钴靶材坯料和背板采用热压炉在压力为50～160MPa、温度为300～400℃、热压行程为8～12mm的条件下进行扩散焊3～5小时，然后进行冷却、卸压；将处理后的工件进行机械加工，得到有6061铝合金背板的高纯钴靶材组件。本发明采用热压炉扩散焊接，使得造价降低；此外，高纯钴靶材坯料与6061铝合金背板之间的结合率可以达到99%以上，且结合强度高，结合后弯曲变形小，对靶材组件的总体性能没有明显影响。

Description

一种高纯钴靶材坯料与背板的焊接方法
技术领域
本发明涉及一种高纯钴靶材坯料与背板的焊接方法。
背景技术
在半导体工业中，高纯钴被用来制造CoSi 2 接触层薄膜。在单晶硅硅片表面磁控溅射一层纯Co薄膜，然后通过适当的热处理，使Co和Si相互扩散反应生成CoSi 2 薄膜。磁控溅射过程使用的靶材组件通常是由符合溅射性能的靶坯和具有一定强度的背板构成。背板可以在靶材组件装配至溅射基台中起到支撑作用，并具有导热导电的功能。对于高纯钴靶材组件，一般使用具有足够强度，且导热、导电性也较高的铜或铜合金作为背板材料。钴靶材和铜背板之间的粘接方法有钎焊和扩散焊两种。钎焊靠在钴靶材和铜背板之间的低熔点焊料如铟或铟锡合金的熔融及凝固实现粘接，而扩散焊靠钴靶材和铜背板之间的钴和铜原子的相互扩散完成。由于钎焊焊料的熔点很低，钎焊粘接的高纯钴靶材组件只能用于低功率磁控溅射。
而对于高功率的磁控溅射，靶材组件工作温度高达300℃至500℃，超过钎焊焊料的熔点；另外，靶材组件的一侧充以冷却水强冷，而另一侧则处于高真空环境下，由此在靶材组件的上下两侧形成有巨大的压力差；同时，靶材组件处于高压电场、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度较差，将导致靶材在受热条件下变形、开裂、甚至与结合的背板相脱落，使得溅射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，需要选择更有效的扩散焊接方式，使靶材与背板实现可靠结合。但钴和铜之间的有效扩散粘接要求的温度高过Co的晶格转变温度，从而会改变钴靶材的晶格及晶粒取向，造成钴靶材的磁透率（Pass Through  Flux）下降，负面影响钴靶材的溅射性能。
针对上述问题，Nikko Materials（专利号US 6793124）发明了一种热等静压扩散焊接方法。该方法通过在高纯钴靶坯和铜合金板坯之间放入一层Al，并外加真空包套后，在200℃ ~450℃之间进行热等静压，充入的氩气为1~20kg/mm 2 , 保温时间为4h。由于Al原子在200 ℃~450℃温度区间有足够的扩散速度，上述热等静压扩散焊接方法使Al/Co和Al/Cu两个界面局部产生塑性变形，原子间相互扩散，在界面处形成扩散层，从而实现了可靠的扩散焊接。但这种热等静压设备昂贵，还需要采用复杂的包套技术，导致钴靶材组件的造价很高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种造价便宜的高纯钴靶材坯料与背板的焊接方法。
为解决以上技术问题，本发明采取如下技术方案：
一种高纯钴靶材坯料与背板的焊接方法，包括依次进行的如下步骤：
（1）、将高纯钴靶材坯料和背板的表面分别进行机械加工，其中，所述的背板的材质为6061铝合金，所述的高纯钴靶材坯料的面积小于所述的背板的面积；
（2）、将步骤（1）机械加工后的高纯钴靶材坯料和背板用有机清洗溶剂清洗；
（3）、将步骤（2）清洗后的高纯钴靶材坯料和背板采用热压炉在压力为50~160 MPa、温度为300~400℃、热压行程为8~12mm的条件下进行扩散焊3~5小时，然后进行冷却、卸压；
（4）、将步骤（3）处理后的工件进行机械加工，得到有6061铝合金背板的高纯钴靶材组件。
优选地，所述的高纯钴靶材坯料的纯度为99.999%以上，厚度为5.5~6mm。
优选地，步骤（1）中，机械加工后所述的高纯钴靶材坯料和背板的表面的粗糙度Ra小于3.2μm
更优选地，步骤（1）中，机械加工后所述的高纯钴靶材坯料和背板的表面的粗糙度Ra为0.8~1.6μm。
对机械加工的要求之一是使坯料厚度均匀，以便两块坯料叠放一起进行热压时可以受力均匀；另一要求是坯料的粘接面，即靶材坯料和背板坯料热压时的接触面，其粗糙度Ra要达到0.8~1.6μm，这样可以保证靶材坯料和背板坯料充分接触，利于Co/Al原子间扩散，从而获得满意的粘接强度。
优选地，步骤（2）中，所述的有机清洗溶剂为选自异丁醇、异丙醇、混丙醇中的任一种。
更优选地，所述的有机清洗溶剂为异丙醇。
优选地，步骤（3）中，将步骤（2）清洗后的高纯钴靶材坯料和背板依次放在所述的热压炉的底座或下压头上，并将所述的高纯钴靶材坯料和背板对中、定位；下移所述的下压头，进行所述的扩散焊。
优选地，所述的有6061铝合金背板的高纯钴靶材组件中钴靶材的厚度为4.5~5.5mm。
由于以上技术方案的实施，本发明与现有技术相比具有如下优点：
本发明通过采用热压炉扩散焊接工艺进行焊接，避免了使用昂贵的热等静压设备和复杂的包套技术，使得造价降低；此外，采用6061铝合金背板代替铜背板，使得高纯钴靶材坯料与6061铝合金背板之间的结合率可以达到99%以上，且结合强度高，结合后弯曲变形小，对靶材组件的总体性能没有明显影响。
附图说明
附图1为本发明的工艺流程图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的说明，但本发明并不限于以下实施例。实施例中采用的实施条件可以根据具体使用的不同要求做进一步调整，未注明的实施条件为本行业中的常规条件。
实施例1
一种高纯钴靶材坯料与背板的焊接方法，包括依次进行的如下步骤：
（1）提供纯度为99.999%、厚度为6mm的高纯钴靶材坯料和6061铝合金背板坯料，高纯钴靶材坯料的直径为285mm，背板的直径为350mm；
（2）将高纯钴靶材坯料和背板的表面分别进行机械加工使之光亮、坯料厚度均匀、两者表面的粗糙度Ra为1.6μm，以便于紧密的贴合，防止焊接过程中形成突起或者凹槽等缺陷；
（3）将机械加工后的高纯钴靶材坯料和背板用有机清洗溶剂清洗，去除表面的可溶性杂质，利于Al/Co原子间的有效扩散，同样可以防止焊接过程中的缺陷形成；有机清洗溶剂为异丙醇IPA；
（4）将清洗后的高纯钴靶材坯料和背板依次放在热压炉的底座或下压头上，并将高纯钴靶材坯料和背板对中、定位；下移下压头，在压力为150MPa、温度为320℃、热压行程为10mm的条件下进行扩散焊5小时，使高纯钴靶坯和6061铝合金板坯在焊接面上发生铝和钴的相互扩散，然后进行冷却、卸压；
（5）将步骤（4）处理后的工件进行机械加工，得到钴靶材直径为280mm。厚度为5 mm的有6061铝合金背板的高纯钴靶材组件。利用超声波c扫描（c-scan）检测焊接粘接率，其焊接粘接率至少99%。将高纯钴靶材组件安装在溅射基台上进行溅射实验，溅射功率30kW，连续溅射2小时后，打开溅射室，取出高纯钴靶材组件，肉眼观察，没有发现明显的变形，开裂，脱落等现象。结果表面，采用本发明热压炉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2
一种高纯钴靶材坯料与背板的焊接方法，包括依次进行的如下步骤：
（1）提供纯度为99.999%、厚度为6mm的高纯钴靶材坯料和6061铝合金背板坯料，高纯钴靶材坯料的直径为285mm，背板的直径为350mm；
（2）将高纯钴靶材坯料和背板的表面分别进行机械加工使之光亮、坯料厚度均匀、两者表面的粗糙度为0.8μm，以便于紧密的贴合，防止焊接过程中形成突起或者凹槽等缺陷；
（3）将机械加工后的高纯钴靶材坯料和背板用有机清洗溶剂清洗，去除表面的可溶性杂质，利于Al/Co原子间的有效扩散，同样可以防止焊接过程中的缺陷形成；有机清洗溶剂为异丙醇IPA；
（4）将清洗后的高纯钴靶材坯料和背板依次放在热压炉的底座或下压头上，并将高纯钴靶材坯料和背板对中、定位；下移下压头，在压力为100 MPa、温度为350℃、热压行程为10mm的条件下进行扩散焊5小时，使高纯钴靶坯和6061铝合金板坯在焊接面上发生铝和钴的相互扩散，然后进行冷却、卸压；
（5）将步骤（4）处理后的工件进行机械加工，得到直径为280mm、厚度为5 mm的有6061铝合金背板的高纯钴靶材组件。利用超声波c扫描（c-scan）检测焊接粘接率，其焊接粘接率至少99%。将高纯钴靶材组件安装在溅射基台上进行溅射实验，溅射功率30kW，连续溅射2小时后，打开溅射室，取出高纯钴靶材组件，肉眼观察，没有发现明显的变形，开裂，脱落等现象。结果表面，采用本发明热压炉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3
一种高纯钴靶材坯料与背板的焊接方法，包括依次进行的如下步骤：
（1）提供纯度为99.999%、厚度为6mm的高纯钴靶材坯料和6061铝合金背板坯料，高纯钴靶材坯料的直径为335mm，背板的直径为400mm；
（2）将高纯钴靶材坯料和背板的表面分别进行机械加工使之光亮、坯料厚度均匀、两者表面的光洁度为1.6μm，以便于紧密的贴合，防止焊接过程中形成突起或者凹槽等缺陷；
（3）将机械加工后的高纯钴靶材坯料和背板用有机清洗溶剂清洗，去除表面的可溶性杂质，利于Al/Co原子间的有效扩散，同样可以防止焊接过程中的缺陷形成；有机清洗溶剂为异丁醇IBA；
（4）将清洗后的高纯钴靶材坯料和背板依次放在热压炉的底座或下压头上，并将高纯钴靶材坯料和背板对中、定位；下移下压头，在压力为100 MPa、温度为380℃、热压行程为10mm的条件下进行扩散焊5小时，使高纯钴靶坯和6061铝合金板坯在焊接面上发生铝和钴的相互扩散，然后进行冷却、卸压；
（5）将步骤（4）处理后的工件进行机械加工，得到钴靶材直径为330mm、厚度为5 mm的有6061铝合金背板的高纯钴靶材组件。利用超声波c扫描（c-scan）检测焊接粘接率，其焊接粘接率至少99%。将高纯钴靶材组件安装在溅射基台上进行溅射实验，溅射功率30kW，连续溅射2小时后，打开溅射室，取出高纯钴靶材组件，肉眼观察，没有发现明显的变形，开裂，脱落等现象。结果表面，采用本发明热压炉扩散焊接方法所取得的靶材组件焊接性能十分可靠。
以上对本发明做了详尽的描述，其目的在于让熟悉此领域技术的人士能够了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明的精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (7)

1. 一种高纯钴靶材坯料与背板的焊接方法，其特征在于：包括依次进行的如下步骤：
（1）、将高纯钴靶材坯料和背板的表面分别进行机械加工，其中，所述的背板的材质为6061铝合金，所述的高纯钴靶材坯料的面积小于所述的背板的面积；
（2）、将步骤（1）机械加工后的高纯钴靶材坯料和背板用有机清洗溶剂清洗；
（3）、将步骤（2）清洗后的高纯钴靶材坯料和背板采用热压炉在压力为50~160 MPa、温度为300~400℃、热压行程为8~12mm的条件下进行扩散焊3~5小时，然后进行冷却、卸压；
（4）、将步骤（3）处理后的工件进行机械加工，得到有6061铝合金背板的高纯钴靶材组件。
2. 根据权利要求1所述的高纯钴靶材坯料与背板的焊接方法，其特征在于：所述的高纯钴靶材坯料的纯度为99.999%以上，厚度为5.5~6mm。
3. 根据权利要求1所述的高纯钴靶材坯料与背板的焊接方法，其特征在于：步骤（1）中，机械加工后所述的高纯钴靶材坯料和背板的表面的粗糙度Ra小于3.2μm。
4. 根据权利要求1所述的高纯钴靶材坯料与背板的焊接方法，其特征在于：步骤（2）中，所述的有机清洗溶剂为选自异丁醇、异丙醇、混丙醇中的任一种。
5. 根据权利要求4所述的高纯钴靶材坯料与背板的焊接方法，其特征在于：所述的有机清洗溶剂为异丙醇。
6. 根据权利要求1所述的高纯钴靶材坯料与背板的焊接方法，其特征在于：步骤（3）中，将步骤（2）清洗后的高纯钴靶材坯料和背板依次放在所述的热压炉的底座或下压头上，并将所述的高纯钴靶材坯料和背板对中、定位；下移所述的下压头，进行所述的扩散焊。
7. 根据权利要求1所述的高纯钴靶材坯料与背板的焊接方法，其特征在于：所述的有6061铝合金背板的高纯钴靶材组件中钴靶材的厚度为4.5~5.5mm。
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