CN104668897A - 背板的形成方法 - Google Patents

Abstract

一种背板的形成方法，包括：提供第一底板坯料和第一盖板坯料；对所述第一底板坯料进行锻打，形成第二底板坯料；对所述第一盖板坯料进行锻打，形成第二盖板坯料；对所述第二底板坯料进行退火，形成底板；对所述第二盖板坯料进行退火，形成盖板；将所述底板与所述盖板进行焊接，形成背板。采用本发明的方法形成的背板应用在磁控溅镀工艺中，能够提高基片上形成的膜层质量，降低磁控溅镀工艺成本。

Description

背板的形成方法

技术领域

本发明涉及半导体领域，尤其涉及一种背板的形成方法。

背景技术

在磁控溅镀工艺中，靶材组件由符合溅射性能的靶材和具有一定强度的背板构成。背板不仅在所述靶材组件中起到支撑作用，而且具有传导热量的功效，因此，用于磁控溅镀工艺中靶材的散热。具体为：

在磁控溅镀过程中，靶材组件工作环境较为苛刻。其温度较高（如300℃至500℃），靶材组件处于高压电场和磁场强度较大的磁场中，且正面在10^-9Pa的高真空环境下，受到各种高能量离子轰击，致使靶材发生溅射，而溅射出的中性的靶原子或分子沉积在基片上形成薄膜。在磁控溅镀过程中，靶材组件的温度会急剧升高，因而需要通过靶材组件中的背板传递并迅速消散靶材的热量，并避免由此产生的靶材变形、靶材使用寿命减短、影响基片镀膜质量等问题。为此在靶材组件磁控溅射实践操作过程中，背板的内部如果没有冷却水道，会向背板的背面采用高压冷却水冲击措施来对靶材组件进行散热。背板的内部如果具有冷却水道，直接将冷却水通入冷却水道来对靶材进行散热。

现有技术中，以铝背板为例，形成铝背板的方法如下：提供第一底板坯料和第一盖板坯料，所述第一底板坯料和第一盖板坯料的材料为铝合金。然后直接将第一底板坯料和第一盖板坯料焊接形成背板，最后将背板进行机械加工形成尺寸合格的背板。

背板的材料为铝合金，直接将第一底板坯料和第一盖板坯料焊接形成背板后，将该背板应用到磁控溅射工艺中，基片上形成的膜层质量不高，磁控溅镀工艺成本高。

发明内容

本发明解决的问题是采用现有技术的方法形成的铝背板应用在磁控溅镀工艺中，基片上形成的膜层质量不高，磁控溅镀工艺成本高。

为解决上述问题，本发明提供一种背板的形成方法，包括：

提供第一底板坯料和第一盖板坯料；

对所述第一底板坯料进行锻打，形成第二底板坯料；

对所述第一盖板坯料进行锻打，形成第二盖板坯料；

对所述第二底板坯料进行退火，形成底板；

对所述第二盖板坯料进行退火，形成盖板；

将所述底板与所述盖板进行焊接，形成背板。

可选的，所述第一底板坯料和第一盖板坯料的材料为铝合金。

可选的，所述锻打温度为大于等于380℃且小于等于420℃，所述锻打压力为500公斤～750公斤。

可选的，所述退火温度为大于等于400℃且小于等于410℃，所述退火时间为58min～60min。

可选的，形成所述第二底板坯料的步骤之后、对所述第二底板坯料进行退火步骤之前，还包括对所述第二底板坯料进行水冷的步骤；

形成所述第二盖板坯料的步骤之后、对所述第二盖板坯料进行退火步骤之前，还包括对所述第二盖板坯料进行水冷的步骤；

形成所述底板的步骤之后，所述焊接步骤之前，还包括对所述底板进行水冷的步骤；

形成所述盖板的步骤之后，所述焊接步骤之前，还包括对所述盖板进行水冷的步骤。

可选的，所述焊接为真空钎焊工艺，焊接的钎料为铝基钎料。

可选的，所述真空钎焊工艺在所述真空钎焊炉中进行，所述真空钎焊炉的真空度小于等于10^-3Pa，所述真空钎焊炉的压力为0.28MPa～0.32MPa；

以大于等于5℃/min且小于等于10℃/min的升温速度将真空钎焊炉的温度升至焊接温度，所述焊接温度为大于等于600℃且小于等于630℃，并在所述焊接温度下保温大于等于120min且小于等于130min。

可选的，形成背板后，还包括对所述背板进行固溶时效处理的步骤。

可选的，所述固溶时效处理包括固溶处理和在所述固溶处理之后的时效处理。所述固溶处理的温度为大于等于535℃且小于等于550℃，并且保温大于等于180min且小于等于200min；所述时效处理的温度为大于等于160℃且小于等于180℃，并且保温大于等于450min且小于等于480min。

可选的，固溶处理之后，所述时效处理前还包括将所述固溶处理后的背板坯料进行水冷的步骤；所述时效处理后还包括将所述背板进行水冷的步骤。

与现有技术相比，本发明的技术方案具有以下优点：

对第一底板坯料、第一盖板坯料进行锻打和退火，一方面可以细化晶粒，使其晶粒尺寸符合溅镀要求，另一方面，可以控制形成的第二底板坯料内部的缺陷（空位、错位）分布，使铝合金元素原子与这些缺陷结合，利于铝合金元素进行偏聚形成硬化区，有利于提高后续形成的背板的硬度。将本发明的方法形成的背板应用在磁控溅镀工艺中变形率会明显降低，避免靶材出现不均匀轰击现象，从而可以提高基片上形成的膜层质量，同时还可以提高靶材的利用率，进而降低工艺成本。

另外，本发明的技术方案的真空钎焊工艺使得铝基钎料更容易扩散浸润至材料为铝合金的底板和盖板中，从而提高铝背板的焊接结合率，将该铝背板应用到磁控溅射工艺中，大大减少发生第一底板坯料和第一盖板坯料脱落的几率，从而提高基片上形成膜层质量，降低工艺成本。

附图说明

图1是本发明形成背板的方法流程示意图；

图2是本发明具体实施例中的第一底板坯料的立体结构示意图；

图3是本发明具体实施例中的第一盖板坯料的立体结构示意图；

图4是本发明具体实施例中的底板、盖板和钎料的侧面结构示意图；

图5是本发明具体实施例中的背板的侧面结构示意图。

具体实施方式

经发现和分析，采用现有技术的方法形成的背板应用到磁控溅射工艺中，基片上形成的膜层质量不高，磁控溅镀工艺成本高的原因如下：（1）采用现有技术的方法形成的背板的硬度最多为100HV，由于该背板硬度不够，应用在磁控溅镀工艺中变形率会增加，使靶材出现不均匀轰击现象，从而影响基片上形成的膜层质量。不均匀的轰击现象同时还会使靶材利用率降低，从而增加工艺成本。（2）采用现有技术的方法形成背板的焊接结合率不高，将该背板应用到磁控溅射工艺中，容易发生第一底板坯料和第一盖板坯料脱落的现象，从而无法在基片上形成完整的膜层，磁控溅镀工艺成本较高。

为解决上述问题，获得了一种背板的形成方法。下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。

参考图1至图5，本发明中，背板30的制作方法包括下列步骤：

首先，参考图2和图3，执行步骤S1，提供第一底板坯料11和第一盖板坯料12。

本实施例中，第一底板坯料11为圆柱体。其中第一底板坯料11的高度为h1。其他实施例中，第一底板坯料11的截面除了是圆形，还可以为其他形状，例如为长方形，正方形、环形，其他规则或不规则的形状。第一底板坯料11的材料为铝合金。

本实施例中，第一盖板坯料12也为圆柱体。其中第一盖板坯料12的高度为t1。其他实施例中，第一盖板坯料12的截面除了是圆形，还可以为其他形状，例如为长方形，正方形、环形，其他规则或不规则的形状。本实施例中，第一盖板坯料12的材料为铝合金。

接着，执行步骤S2，对所述第一底板坯料11进行锻打，形成第二底板坯料。

对第一底板坯料11进行锻打的实施方式为利用空气锤对着第一底板坯料11的上表面进行击打，为压缩锻打，对第一底板坯料11的上表面进行击打使得第一底板坯料11的高度降低，横截面积增大，并且，第二底板坯料的顶面形成盖板安装槽。

本实施例中，锻打的具体工艺条件为：锻打温度为380℃～420℃（包括端点），锻打压力为500公斤～750公斤，锻打变形率△H1为50%～70%。

其中，锻打变形率△H1=|h1-h2|/h1。h1为锻打之前第一底板坯料11的高度，h2为锻打完成后第二底板坯料的高度。

之所以严格采用上述的锻打条件，并且严格控制锻打的变形率，与后续的工艺是紧密不可分的。具体原因如下：

（1）使原来的粗大枝状晶粒和柱状晶粒打碎变为细小晶粒，使后续形成背板的晶粒度能够符合磁控溅镀要求。

（2）能够很好的平衡锻打过程中的第一底板坯料内部的硬度与塑性。具体为严格控制锻打后形成的第二底板坯料内部的缺陷（空位、错位）分布，在保证第二底板坯料塑性的前提下，尽量提高第二底板坯料内部的缺陷（空位、错位）的数量。便于后续退火过程中，铝合金元素原子与这些缺陷结合，利于铝合金元素进行偏聚形成硬化区，从而为后续可以得到硬度高的底板做准备，进而为后续可以得到硬度高的背板做准备，硬度高的背板应用于磁控溅镀工艺时不容易变形。本实施例的锻打条件还必须控制第一底板坯料11的塑性，以使锻打变形率满足50%～70%，进而使粗大枝状晶粒和柱状晶粒充分细化。

（3）减少第一底板坯料11的变形抗力，因而可以减少被锻打的第一底板坯料11变形时所需的锻压力，使锻压施加的力度大大减小。

另外，锻打温度如果太低、锻打压力太大会在第一底板坯料11的表面产生裂纹，如果锻打压力太小，锻打温度太高，就无法锻打至上述变形率，进而无法充分细化晶粒，得到的背板的性能不符合磁控溅镀的要求。

对第一底板坯料11进行锻打，形成第二底板坯料后，对第二底板坯料进行第一水冷，所述第一水冷为将第二底板坯料放入10℃～40℃（包括端点）的水中冷却至室温（23℃±2℃）。之所以采用第一水冷，而不用空冷等较慢的冷却方法，原因如下：（1）尽快保证第二底板坯料现有的晶粒尺寸，防止其长大。（2）防止出现混晶的现象。（3）减少第二底板坯料内部组织或质点析出。（4）锻打形成的缺陷（空位、错位）会被固定在第二底板坯料中。

接着，执行步骤S3，对所述第一盖板坯料12进行锻打，形成第二盖板坯料。

形成第二盖板坯料的锻打条件与形成第二底板坯料的锻打条件相同、变形率相同。得到的第二盖板坯料的性能与第二底板坯料的性能相同。

对第一盖板坯料12进行锻打，形成第二盖板坯料后，对第二盖板坯料进行第二水冷，所述第二水冷为将第二盖板坯料放入10℃～40℃（包括端点）的水中冷却至室温（23℃±2℃）。对第二盖板坯料进行第二水冷的作用与对第二底板坯料进行第一水冷的作用相同。

接着，执行步骤S4，对所述第二底板坯料进行退火，形成底板31（参考图4）。

本实施例中，对第二底板坯料进行退火的条件为：退火温度为380℃～420℃，退火时间为58min～60min。

本实施例中之所以对第二底板坯料进行上述退火是为了消除锻打的残余应力，防止后续形成的底板变形和开裂。退火温度太低、退火时间太短都很难将第二底板坯料内部的锻打残余应力去除。退火温度太高、退火时间太长都会影响后续形成底板31的性能。

形成底板31后，对底板31进行第三水冷。所述第三水冷为将第二底板坯料放入10℃～40℃（包括端点）的水中冷却至室温（23℃±2℃）。之所以进行第三水冷，原因如下：（1）上述温度的水冷有利于铝合金元素原子迅速与锻打工艺中缺陷结合，并且缺陷结合的铝合金元素原子不会慢慢移出底板31，利于铝合金元素进行偏聚形成硬化区，可以提高底板31的硬度。（2）减小退火工艺对底板31中各相成分含量的影响，减小底板31中粗大化合物数量，有利于控制晶粒尺寸。

接着，执行步骤S5，对所述第二盖板坯料进行退火，形成盖板32（参考图4）。

本实施例中，对第二盖板坯料进行退火、冷却的条件与对第二底板坯料进行退火、冷却的条件相同。形成盖板32的性能与底板31的性能相同。

本实施例中，后续形成的背板为带冷却水通道的背板，形成盖板32后，在底板31的盖板安装槽311底面加工冷却水道凹槽312’，所述冷却水道凹槽312’与所述盖板32底面组成冷却水道312（参考图5）。加工冷却水道的方法为本领域技术人员常用方法。

当然，在其他实施例中，如果制作没有水道的背板，在底板31的盖板安装槽底面也可以不加工冷却水道凹槽。

参考图4和图5，接着，执行步骤S6，将所述底板31与所述盖板32进行焊接，形成背板30。

本实施例中，所述焊接为真空钎焊工艺，选用的钎料33为铝基钎料。选用铝基钎料的优势如下：

（1）相对于其他钎料，铝基钎料在高温下实现铝合金材料的焊接时，可以最容易并且最快速的扩散浸润至铝合金材料中，铝基钎料焊接后形成的铝合金背板的结合强度很高、焊接速度快。

（2）铝基钎料在熔融态下实现焊接，熔融态的铝基钎料流动性很差，在焊接的过程中，熔融态的铝基钎料不会流入冷却水道中。

（3）铝基钎料含锡少，具有一定的硬度，因此容易做成薄片镂空结构，薄片状的铝基钎料方便置入底板31上。其中，钎料中的镂空处的形状与冷却水道槽状结构的形状是一一对应的。

本实施例中，将钎料33放置于底板31的盖板安装槽内，然后，将盖板22置入有钎料33的盖板安装槽内，焊接形成背板。

将钎料33放置于底板31的盖板安装槽内时，钎料33中的镂空处与冷却水道槽状结构对应放置，能够防止在冷却水道槽状结构的凹槽位置处也就是后续形成的冷却水通道中具有钎料，后续的焊接工艺中，冷却水道中如果有钎料，该钎料熔化后会发生冷却水道堵塞现象。

所述焊接工艺在真空钎焊炉中进行，真空钎焊炉的真空度小于等于10^-3Pa，真空钎焊炉的压力为0.28MPa～0.32MPa。

本实施例中，为了防止背板在焊接过程中发生氧化，将真空钎焊炉的真空度设置为小于等于100Pa，其中，真空度为给定空间内的绝对压强，和常规理解的真空度的概念不同。当然，真空钎焊炉的真空度越小越好，背板发生氧化的几率也就越小。

设置真空钎焊炉的压力为0.28MPa～0.32MPa，可以增加盖板32与底板31的焊接强度，同时缩短焊接时间。如果真空焊接炉施加的压力过大，后续形成的背板容易发生变形，例如，容易使得冷却水道发生变形，出现漏水等状况。当然，如果真空钎焊炉的压力小于0.28MPa，则后续形成的背板的焊接强度不符合要求。

焊接工艺在真空钎焊炉中进行，以大于等于5℃/min且小于等于10℃/min的升温速度将真空钎焊炉的温度升至焊接温度，所述焊接温度为大于等于600℃且小于等于630℃，并在所述焊接温度下保温大于等于120min且小于等于130min。

升温速度如果大于10℃/min，则升温速度太快，背板外表面温度过高不容易扩散至内部，造成背板坯料的内外温度不均匀，温度不均匀的背板会发生变形。发生变形的背板焊接结合强度差。升温速度如果小于5℃/min，则第一升温速度太慢，升温时间太长，时间成本和费用太高。

焊接温度之所以为600℃～630℃，铝基钎料处于熔融状态，一方面能够实现铝基钎料中的铝原子可以大量并且快速的扩散至铝合金中，实现结合能力强、高效的焊接；另一方面，在熔融状态的铝基钎料流动性很差，焊接过程中不流入至冷却水道中，防止堵塞冷却水道。因此，焊接温度如果超过630℃，铝基钎料会熔化，在焊接过程中容易流至冷却水道，将冷却水道堵塞；焊接温度如果低于600℃，则铝基钎料无法实现焊接。

在焊接温度下保温时间越长越有利于铝基钎料中铝原子的扩散，也就是说越有利于钎料与铝合金之间的浸润、相互扩散，因此，钎料与铝合金的焊接结合强度就越大。本实施例中，保温大于等于120min且小于等于130min。保温时间如果小于120min，钎料与铝合金之间的浸润不充分、扩散不充分，从而使得钎料与铝合金之间的焊接结合强度小。如果保温时间大于60min，则工艺成本比较高。

本实施例中的焊接工艺参数的设定、焊接钎料的选择在能够提高底板和盖板焊接结合强度的同时，还缩短了焊接时间。

钎焊完成后，形成背板30。

接着，需要对焊接后形成的背板30进行冷却。

本实施例中，所述冷却为第四水冷，属于快速冷却方式，之所以采用第四水冷，原因如下：本实施例中的焊接工艺使底板和盖板的焊接结合强度高，即确保了焊接后的底板、盖板不会因快速受冷产生体积收缩而脱落，更重要的是，确保了在锻打、退火工艺中被固定住的与空位结合的铝合金元素原子不会慢慢移出背板30，从而也保证了后续形成的背板硬度。因此，采用本发明的方法得到的背板30的焊接结合率、硬度都比现有技术都有所提高，其中硬度比现有技术中的背板硬度高20HV～30HV。另外，采用水冷相对于空冷和随炉冷却来说，节省了大量的冷却时间，提高了制作背板的效率。

当然，在其它实施例中，所述冷却也可以为空冷或随炉冷却。当冷却为空冷时，空冷的冷却速度较慢，避免快速冷却产生体积收缩，从而进一步提高了盖板与底板的焊接结合率。随炉冷却可以有效的利用钎焊炉的余热，冷却速度会更慢。因此，空冷或随炉冷却的底板与盖板的焊接结合率高些，尤其采用随炉冷却得到的背板坯料的焊接结合率会更高。需要说明的是后续形成的背板坯料的硬度稍差些，但是也比采用现有技术的方法形成的背板的硬度高。

采用本发明的方法形成的铝背板的硬度较高，应用在磁控溅镀工艺中变形率会明显降低，避免靶材出现不均匀轰击现象，从而可以提高基片上形成的膜层质量，同时还可以提高靶材的利用率，进而降低工艺成本。

采用本发明的真空钎焊工艺使得铝基钎料更容易扩散浸润至材料为铝合金的底板和盖板中，从而提高铝背板的焊接结合率，将该铝背板应用到磁控溅射工艺中，大大减少发生第一底板坯料和第一盖板坯料脱落的几率，从而提高基片上形成膜层质量，降低工艺成本。

接着，参考图1，执行步骤S7，对所述背板30进行固溶时效处理。

为了进一步提高后续形成背板的硬度，对背板30进行固溶时效处理，使铝合金中的更多合金元素偏聚形成硬化区。固溶时效处理包括固溶处理和固溶处理之后的时效处理。

本实施例中，固溶处理的步骤为：以8℃/min～15℃/min的升温速度升温至大于等于535℃且小于等于550℃，并且保温大于等于180min且小于等于200min。对背板30进行固溶处理后，背板30内部再次形成大量的空位，然后进行第五水冷，所述第五水冷为将背板30放入10℃～40℃（包括端点）的水中冷却至室温（23℃±2℃）之所以进行第五水冷，是因为：第五水冷对固溶处理后的背板30的冷却速度快，形成的大量缺陷（空位、错位）会被固定在背板30的内部，并且与铝合金元素原子结合在一起，此时的背板30为过饱和固溶体。由于过饱和固溶体处于不稳定状态，必然向平衡状态转变。因此，对固溶处理后的背板30进行时效处理。时效处理可以使得铝合金元素原子扩散，偏聚形成硬化区，从而提高背板30的硬度。本实施例中，时效处理的具体步骤为：以8℃/min～15℃/min的速度将温度升至160℃～180℃，然后保温450min～480min。

固溶处理的温度过低、保温时间过短，则过饱和固溶体中铝合金元素会少，后续的时效处理也会使得背板30的硬度无法提高；固溶处理的温度过高、保温时间太长，则过饱和固溶体的缺陷（空位、错位）会慢慢移出过饱和固溶体，后续的时效处理同样使得背板30的硬度无法提高。

时效处理的温度过低，则铝合金扩散速度慢，在一定的时间内不能使背板30的硬度提高；时效处理的温度过高，铝合金元素的扩散速度虽快但也会促进铝合金中的缺陷（空位、位错）移出饱和固溶体，背板30的硬度无法提高。

时效处理的保温时间过短，则铝合金元素不能充分与缺陷（空位、错位）结合，从而使得背板30的硬度无法提高；时间处理的保温时间太长，铝合金中的缺陷（空位、位错）与铝合金元素结合后也会会慢慢移出固溶体，从而使得背板30的硬度无法提高。

本实施例中，时效处理之后进行第六水冷，所述第六水冷为将时效处理后的背板30放入10℃～40℃（包括端点）的水中冷却至室温（23℃±2℃），通过第六水冷却将与铝合金中的缺陷（空位、位错）结合的铝合金元素原子迅速“固定”在饱和固溶体内，达到强化效果，从而使背板30硬度提高。硬度比现有技术中的背板硬度高40HV～50HV，达到140HV～150HV。

最后，将固溶时效处理后的背板进行机械加工，形成尺寸合格的背板。

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 (10)

1.一种背板的形成方法，其特征在于，包括：

提供第一底板坯料和第一盖板坯料；

对所述第一底板坯料进行锻打，形成第二底板坯料；

对所述第一盖板坯料进行锻打，形成第二盖板坯料；

对所述第二底板坯料进行退火，形成底板；

对所述第二盖板坯料进行退火，形成盖板；

将所述底板与所述盖板进行焊接，形成背板。

2.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，所述第一底板坯料和第一盖板坯料的材料为铝合金。

3.如权利要求2所述的形成方法，其特征在于，所述锻打温度为大于等于380℃且小于等于420℃，所述锻打压力为500公斤～750公斤。

4.如权利要求3所述的形成方法，其特征在于，所述退火温度为大于等于400℃且小于等于410℃，所述退火时间为58min～60min。

5.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，形成所述第二底板坯料的步骤之后、对所述第二底板坯料进行退火步骤之前，还包括对所述第二底板坯料进行水冷的步骤；

形成所述第二盖板坯料的步骤之后、对所述第二盖板坯料进行退火步骤之前，还包括对所述第二盖板坯料进行水冷的步骤；

形成所述底板的步骤之后，所述焊接步骤之前，还包括对所述底板进行水冷的步骤；

形成所述盖板的步骤之后，所述焊接步骤之前，还包括对所述盖板进行水冷的步骤。

6.如权利要求2所述的形成方法，其特征在于，所述焊接为真空钎焊工艺，焊接的钎料为铝基钎料。

7.如权利要求6所述的形成方法，其特征在于，所述真空钎焊工艺在所述真空钎焊炉中进行，所述真空钎焊炉的真空度小于等于10^-3Pa，所述真空钎焊炉的压力为0.28MPa～0.32MPa；

以大于等于5℃/min且小于等于10℃/min的升温速度将真空钎焊炉的温度升至焊接温度，所述焊接温度为大于等于600℃且小于等于630℃，并在所述焊接温度下保温大于等于120min且小于等于130min。

8.如权利要求1所述的形成方法，其特征在于，形成背板后，还包括对所述背板进行固溶时效处理的步骤。

9.如权利要求8所述的形成方法，其特征在于，所述固溶时效处理包括固溶处理和在所述固溶处理之后的时效处理。所述固溶处理的温度为大于等于535℃且小于等于550℃，并且保温大于等于180min且小于等于200min；所述时效处理的温度为大于等于160℃且小于等于180℃，并且保温大于等于450min且小于等于480min。

10.如权利要求9所述的形成方法，其特征在于，固溶处理之后，所述时效处理前还包括将所述固溶处理后的背板坯料进行水冷的步骤；所述时效处理后还包括将所述背板进行水冷的步骤。