CN104551381B - 钨靶材组件的焊接方法 - Google Patents

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Abstract

一种钨靶材组件的焊接方法，包括：提供钨靶材和铜背板；在所述钨靶材的焊接面车削螺纹；在所述铜背板中形成凹槽；将所述钨靶材安装至所述凹槽中；采用热等静压法将所述钨靶材和铜背板进行焊接。所述焊接方法通过在钨靶材焊接面车削螺纹，在铜背板中形成凹槽，再将两者安装在一起，使钨靶材位于凹槽中，然后进行热等静压焊接，焊接过程中，钨靶材形变量小，不易发生碎裂现象，而且，由于螺纹的存在，使得钨靶材的焊接面面积增大，增大了钨靶材组件的焊接强度，而且螺纹在焊接后，相当于从钨靶材焊接面嵌入到铜背板中，进一步增大了钨靶材组件的焊接强度。

Description

钨靶材组件的焊接方法
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及一种钨靶材组件的焊接方法。
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。例如，可以选用金属钨（Co）作为靶材，选用具有足够强度，且导热和导电性也较高的铜或铜合金材料作为背板以组成靶材组件。
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、并与结合的背板相脱落，使得溅射无法达到溅射均匀的效果，同时还可能会对溅射基台造成损伤。
因此，选择一种有效的焊接方式使得靶材与背板实现可靠结合并实现长期稳定生产就显得十分必要。
当钨靶材组件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；当钨靶材组件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。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。
热等静压（hot isostatic pressing，HIP）焊接是一种常被用于钨靶材组件焊接的方法，其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。
请参考图1，采用现有热等静压方法对钨靶材与铜背板进行焊接的过程如图1所示，将准备好的钨靶材100和铜背板200层叠，然后采用包套300将层叠后的钨靶材100和铜背板200包覆在一起，在一定温度和真空度下对包套300内的钨靶材100和铜背板200进行脱气处理，处理完毕后将装有钨靶材100和铜背板200的包套300放入热等静压设备中进行热等静压焊接。
在现有扩散焊接过程对钨靶材造成的形变量较大，由于钨较脆，钨靶材在焊接过程中易出现裂纹，裂纹的产生导致后续使用此钨靶材组件时，极易出现事故，并且由于钨和铜的物理性质差异较大，因此现有的热等静压焊接方法得到的钨靶材组件焊接强度低。
鉴于此，需研究一种新的钨靶材组件的焊接方法，以克服钨靶材和铜背板焊接强度低的问题，并且克服钨在焊接过程中易出现裂纹的问题。
发明内容
本发明解决的问题是，提供一种钨靶材组件的焊接方法，以提高钨靶材组件的焊接强度，并防止钨在焊接过程中出现裂纹。
为解决上述问题，本发明提供一种钨靶材组件的焊接方法，包括：
提供钨靶材和铜背板；
在所述钨靶材的焊接面车削螺纹；
在所述铜背板中形成凹槽；
将所述钨靶材安装至所述凹槽中；
采用热等静压法将所述钨靶材和铜背板进行焊接。
可选的，将所述钨靶材安装至所述凹槽内时，所述钨靶材高出所述铜背板0.3mm～0.5mm。
可选的，所述钨靶材的焊接面螺纹的宽度范围为0.4mm～0.7mm，深度范围为0.25mm～0.4mm。
可选的，采用所述热等静压法将所述钨靶材和铜背板进行焊接包括：
将所述钨靶材和铜背板包入真空包套内；
对包有所述钨靶材和铜背板的所述真空包套进行抽真空；
将抽真空后的所述真空包套放入热等静压设备中；
对所述热等静压设备中的所述真空包套进行热等静压焊接。
可选的，对包有所述钨靶材和铜背板的所述真空包套进行抽真空时，升温至250℃～350℃，抽真空至所述真空包套内的压强小于或者等于10-3Pa。
可选的，对所述静压设备中的所述真空包套进行热等静压焊接时，焊接温度范围为350℃～450℃，焊接保温时间为3h～5h，焊接压强大于或者等于100MPa。
可选的，所述真空包套的材料为1060纯铝板，所述纯铝板的厚度在2.5mm～3mm。
可选的，将所述钨靶材安装至所述凹槽中之前，所述方法还包括：
对所述铜背板的凹槽表面和所述钨靶材的焊接面进行抛光；
对所述钨靶材和铜背板进行清洗。
可选的，采用异丙醇超声波清洗方法清洗所述钨靶材和铜背板。
可选的，对所述钨靶材和铜背板进行清洗之后，且在将所述钨靶材安装至所述凹槽中之前，所述方法还包括：在真空条件下对所述钨靶材进行干燥，干燥温度范围为70℃～100℃，干燥时间范围为1h～3h。
与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：
本发明的技术方案中，通过在钨靶材焊接面车削螺纹，在铜背板中形成凹槽，再将两者安装在一起，使钨靶材位于凹槽中，然后进行热等静压焊接，由于钨靶材被限定在凹槽中，并且热等静压焊接在各个方向上均匀施力，因此，焊接过程中，钨靶材形变量小，不易发生碎裂现象，而且，由于螺纹的存在，使得钨靶材的焊接面面积增大，增大了钨靶材组件的焊接强度，而且螺纹在焊接后，相当于从钨靶材焊接面嵌入到铜背板中，进一步增大了钨靶材组件的焊接强度，此外，由于整个焊接过程是在真空环境下进行，防止焊接材料的表面被氧化。
进一步，设置钨靶材高出铜背板0.3mm～0.5mm，一方面保证在后续焊接过程中，真空包套能够将压力很好地传递至钨靶材，另一方面保证焊接后，钨靶材和铜背板基本齐平。
附图说明
图1为现有钨靶材组件的焊接方法示意图；
图2为本发明实施例所提供的钨靶材示意图；
图3为本发明实施例所提供的铜背板示意图；
图4为本发明实施例将钨靶材和铜背板安装在一起后的示意图；
图5为本发明实施例用真空包套将钨靶材和铜背板包在一起后的示意图；
图6为本发明实施例将包有钨靶材和铜背板的真空包套进行抽真空的示意图；
图7为本发明实施例将包有钨靶材和铜背板的真空包套进行热等静压焊接的示意图。
具体实施方式
由于钨的熔点为3407℃，铜的熔点1084℃，两种材料的熔点差别较大，钨原子与铜原子之间的扩散常导致脆性金属化合物的生成，因此采用铜背板形成的钨铜靶材组件焊接强度低。
为此，本发明提供一种钨靶材组件的焊接方法，通过在钨靶材焊接面车削螺纹，在铜背板中形成凹槽，再将两者安装在一起，使钨靶材位于凹槽中，然后进行热等静压焊接，由于钨靶材被限定在凹槽中，并且热等静压焊接在各个方向上均匀施力，因此，焊接过程中，钨靶材形变量小，不易发生碎裂现象，而且，由于螺纹的存在，使得钨靶材的焊接面面积增大，增大了钨靶材组件的焊接强度，而且螺纹在焊接后，相当于从钨靶材焊接面嵌入到铜背板中，进一步增大了钨靶材组件的焊接强度，此外，由于整个焊接过程是在真空环境下进行，防止焊接材料的表面被氧化。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
本发明实施例提供一种钨靶材组件的焊接方法，请参考图2至图7。
请参考图2，提供钨靶材400。
本实施例中，以纯度为99.995%的钨靶材400为例。根据应用环境、溅射设备的实际要求，钨靶材400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，本实施例具体以圆形为例。
本实施例中，所提供的钨靶材400已预先加工到所需尺寸，并且各尺寸控制在相应的余量允许范围，例如它的直径尺寸可以在设计尺寸上加2mm～5mm的加工余量，它的厚度尺寸可以在设计尺寸上加1mm～3mm的加工余量。设置加工余量的目的是为钨靶材400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钨靶材组件。
本实施例中，所提供的钨靶材400具有焊接面400A，焊接面400A后续与铜背板进行焊接。
请继续参考图2，在钨靶材400的焊接面400A车削螺纹（未示出）。
本实施例中，可通过将钨靶材400固定在相应的机床上，然后对焊接面400A进行车削形成螺纹，所述螺纹可以达到两个方面的效果：一方面，可以增大焊接面400A的面积，而增大焊接面400A的面积有利于增大焊接面400A与铜背板焊接面在焊接过程中进行相互扩散的面积，从而有助于提高钨靶材400和铜背板之间的焊接强度；另一方面，在将钨靶材400和铜背板焊接在一起形成钨靶材组件后，焊接面400A上的螺纹会嵌入到铜背板中，因此，后续对钨靶材组件进行抛光等机械加工时，嵌入到铜背板中的螺纹类似于卡在铜背板内，因此这些螺纹能够有效地抵抗机械加工时的剪切力（即平行于焊接面400A的扭曲力）。由此可知，通过在焊接面400A上车削螺纹，可以防止所形成的钨靶材组件在后续机械加工过程中发生松动等现象。
本实施例中，所形成的螺纹的宽度范围可以为0.4mm～0.7mm，深度范围可以为0.25mm～0.4mm，在上述尺寸范围内，一方面保证焊接面400A所增大面积达到较佳值，另一方面保证焊接后，钨靶材组件的焊接强度较高。
本实施例中，在焊接面400A上车削螺纹后，可进一步对焊接面400A进行抛光，具体的，可用砂纸摩擦进行抛光，待抛光干净后，进行清洗和干燥。对焊接面400A进行清洗过程可以为，首先采用钢刷刷洗车削后的焊接面400A，以防止车削产生的颗粒物停留在焊接面400A上。然后，可以在钢刷刷洗之后的焊接面400A上，继续采用异丙醇超声波清洗方法进一步清洗钨靶材400的焊接面400A。
本实施例中，在清洗钨靶材400之后，可以在真空条件下对钨靶材400进行干燥。为充分干燥钨靶材400，可将干燥温度范围设置为70℃～100℃，干燥时间范围设置为1h～3h。在真空条件下进行干燥可以防止钨靶材400被氧化。
请参考图3，提供铜背板500。
本实施例中，铜背板500可以是包括铬合金或锌的铜合金背板，也可以是锡黄铜，其形状可根据溅射设备的要求设置。
请继续参考图3，在铜背板500中形成凹槽501。
本实施例中，可以采用机械方法在铜背板500中形成凹槽501，例如采用相应的车床设备对原本具有统一厚度的铜背板500进行挖凿，形成凹槽501。其中，凹槽501的形状和尺寸与钨靶材400的形状和尺寸相匹配，以便后续钨靶材400可恰好安装至凹槽501中。
本实施例中，所形成的凹槽501包括底部501A和侧壁501B，其中底部501A亦为铜背板500的焊接面，后续底部501A与钨靶材400的焊接面400A进行焊接。
本实施例中，在采用机械方法形成凹槽501后，可进一步对铜背板500进行抛光。具体的，可用砂纸摩擦进行抛光，待抛光干净后，进行清洗和干燥。同样的，可采用异丙醇超声波清洗方法进行清洗，并且在真空条件下对钨靶材400进行干燥，干燥温度范围为70℃～100℃，干燥时间范围为1h～3h。铜更易氧化，并且干燥时进行了加热有助于氧化的进行，因此，干燥时，确保铜背板500在真空条件下进行。
请参考图4，将钨靶材400安装至凹槽501中。
本实施例中，可人工进行安装，使钨靶材400放入凹槽501中，使两者的焊接面相接触。操作时，工作人员需要带手套与防止对钨靶材400和背板造成污染。也可以采用机器设备进行安装，例如用机械手将铜背板500套在钨靶材400上，使图2中钨靶材400的焊接面400A与图3中凹槽501底部501A接触。
本实施例中，将钨靶材400安装至凹槽501中时，钨靶材400高出铜背板500的高度范围在0.3mm～0.5mm（图中未标注）。
本实施例设置钨靶材400高出铜背板500的高度范围在0.3mm～0.5mm，而不是与铜背板500齐平，这是因为：钨靶材400和铜背板500进行焊接的过程中，相互之间会发生扩散，因此，钨靶材400会有一部分“渗透”（扩散）到铜背板500中，导致焊接后钨靶材400和铜背板500的总厚度小于焊接前钨靶材400和铜背板500的总厚度，即钨靶材400会向铜背板500焊接面收缩一定厚度；并且由于焊接面400A具有螺纹，因此，这种收缩会进一步增加；如果在焊接前钨靶材400与铜背板500齐平，则焊接过程中，钨靶材400会凹入凹槽501内，即钨靶材400会低于铜背板500；由于钨靶材400和铜背板500是放在真空包套中进行热等静压焊接的，而真空包套本身是一层金属，因此，当钨靶材400会低于铜背板500后，由一定厚度金属制成的真空包套无法将压力很好地传递至钨靶材400和铜背板500的交界处，导致钨靶材400和铜背板500的交界处焊接不牢，影响整体的焊接强度；因此，本实施例预先使得钨靶材400高出铜背板500的高度为0.3mm～0.5mm，在此范围内，一方面保证在后续焊接过程中，真空包套能够将压力很好地传递至钨靶材400，另一方面保证焊接后，钨靶材400和铜背板500基本齐平。具体的，可将钨靶材400高出铜背板500的高度设置为0.3mm、0.35mm、0.4mm或者0.5mm。
请结合参考图5至图7，采用热等静压法将钨靶材400和铜背板500进行焊接。
首先请参考图5，将钨靶材400和铜背板500包入真空包套600内。
本实施例中，真空包套600包括有套口601，真空包套600的材料采用1060纯铝板，纯铝板的厚度可以为2.5mm～3mm，可采用钨极氩弧焊对纯铝板进行焊接形成真空包套600。具体的制作过程可以为，将钨靶材400和铜背板500放在1060纯铝板上，对纯铝板进行折叠以将钨靶材400和铜背板500包裹起来，然后进行钨极氩弧焊，形成仅有一个套口601能够与外界相通的真空包套600。
请参考图6，对包有钨靶材400和铜背板500的真空包套600进行抽真空。
本实施例中，通过将套口601连接至真空泵700，对包有钨靶材400和铜背板500的真空包套600进行抽真空。抽真空时，升温至250℃～350℃，以便使真空包套600内所气体容易被抽出，并且，抽真空至真空包套600内的压强（即绝对真空度）小于或者等于10-3Pa，以便后续进行热等静压焊接时，焊接件表面发生氧化，并且同时保证热等静压设备中的压力能够平均有效地传递至焊接件各个位置。
本实施例中，抽真空后，密封套口601，使真空包套600内的压强保持在小于或者等于10-3Pa的状态。
请参考图7，将抽真空后的真空包套600放入热等静压设备（未示出）中。
热等静压设备是一种能够产生高温高压密封容器，后续真空包套600在热等静压设备中进行热等静压的扩散焊接。
请继续参考图7，对热等静压设备中的真空包套600进行热等静压焊接。
本实施例中，可以以高压氩气或者氮气为介质，并将焊接温度的范围设置为350℃～450℃，将焊接压强设置为大于或者等于100MPa，焊接保温时间设置为3h～5h，对包有钨靶材400和铜背板500的真空包套600施加各向均等静压力（如图7中各实心箭头所示）。由于真空包套600是由厚度很薄的纯铝板形成，在外部环境压强的作用下，钨靶材400与铜背板500会受到高压气体的巨大压力，同时由于真空包套600长时间位于高温环境中，钨靶材400与铜背板500之间会发生塑性变形、原子扩散，最终实现钨靶材400与铜背板500的可靠焊接，形成高致密度和高焊接强度的钨靶材组件。
需要说明的是，焊接完成后，可对真空包套600进行冷却，例如在空气中自然冷却，然后去除真空包套600以获得钨靶材组件，具体的，可以利用车削加工工艺将真空包套600去除。
本实施例所提供的钨靶材组件的焊接方法中，通过在焊接面400A（请参考图2）车削螺纹，在铜背板500中形成凹槽501（请参考图3），再将两者安装在一起，使钨靶材400位于凹槽501中，并且焊接面400A与凹槽501的底部501A接触，然后进行热等静压焊接。由于钨靶材400被限定在凹槽501中，并且热等静压焊接在各个方向上均匀施力，因此，焊接过程中，钨靶材400形变量小，不易发生碎裂现象，而且，由于螺纹的存在，使得钨靶材400的焊接面400A面积增大，增大了钨靶材组件的焊接强度，而且螺纹在焊接后，相当于从焊接面400A嵌入到铜背板500中，进一步增大了钨靶材组件的焊接强度，此外，由于整个焊接过程是在真空环境下进行，防止焊接材料的表面被氧化。
虽然本发明披露如上，但本发明并非限定于此。任何本领域技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与修改，因此本发明的保护范围应当以权利要求所限定的范围为准。

Claims (8)

1.一种钨靶材组件的焊接方法，其特征在于，包括：
提供钨靶材和铜背板；
在所述钨靶材的焊接面车削螺纹；
在所述铜背板中形成凹槽；
将所述钨靶材安装至所述凹槽中；
采用热等静压法将所述钨靶材和铜背板进行焊接；
将所述钨靶材安装至所述凹槽内时，所述钨靶材高出所述铜背板0.3mm～0.5mm；
所述钨靶材的焊接面螺纹的宽度范围为0.4mm～0.7mm，深度范围为0.25mm～0.4mm。
2.如权利要求1所述的钨靶材组件的焊接方法，其特征在于，采用所述热等静压法将所述钨靶材和铜背板进行焊接包括：
将所述钨靶材和铜背板包入真空包套内；
对包有所述钨靶材和铜背板的所述真空包套进行抽真空；
将抽真空后的所述真空包套放入热等静压设备中；
对所述热等静压设备中的所述真空包套进行热等静压焊接。
3.如权利要求2所述的钨靶材组件的焊接方法，其特征在于，对包有所述钨靶材和铜背板的所述真空包套进行抽真空时，升温至250℃～350℃，抽真空至所述真空包套内的压强小于或者等于10-3Pa。
4.如权利要求2所述的钨靶材组件的焊接方法，其特征在于，对所述静压设备中的所述真空包套进行热等静压焊接时，焊接温度范围为350℃～450℃，焊接保温时间为3h～5h，焊接压强大于或者等于100MPa。
5.如权利要求2所述的钨靶材组件的焊接方法，其特征在于，所述真空包套的材料为1060纯铝板，所述纯铝板的厚度在2.5mm～3mm。
6.如权利要求1所述的钨靶材组件的焊接方法，其特征在于，将所述钨靶材安装至所述凹槽中之前，所述方法还包括：
对所述铜背板的凹槽表面和所述钨靶材的焊接面进行抛光；
对所述钨靶材和铜背板进行清洗。
7.如权利要求6所述的钨靶材组件的焊接方法，其特征在于，采用异丙醇超声波清洗方法清洗所述钨靶材和铜背板。
8.如权利要求6所述的钨靶材组件的焊接方法，其特征在于，对所述钨靶材和铜背板进行清洗之后，且在将所述钨靶材安装至所述凹槽中之前，所述方法还包括：在真空条件下对所述钨靶材进行干燥，干燥温度范围为70℃～100℃，干燥时间范围为1h～3h。
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