CN110369897A - 一种靶材与背板的焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种靶材与背板的焊接方法，所述方法包括如下步骤：准备靶材与背板，在硬度较高的材料的焊接面上加工螺纹；组合靶材与背板，并将组合材料放置于金属包套中；对装入组合材料的金属包套进行脱气处理，然后将金属包套进行密封；加热密封后的金属包套至第一温度，然后加压至第一压力，随后加热至第二温度，压力随温度升高至第二压力，保温保压后冷却至室温；去除金属包套，完成靶材与背板的焊接。本发明通过先升温再加压的方法，使螺纹更好地嵌入到硬度较小的材料中，提高了焊接面的接触面积，并能够破坏焊接面的氧化层，减少了氧化层对扩散焊接的阻挡作用，提升了焊接强度。
Description
技术领域
本发明属于半导体技术领域，涉及一种焊接方法，尤其涉及一种靶材与背板的焊接方法。
背景技术
在磁控溅射过程中，靶材组件是一种常用的物料，靶材组件由靶材和背板焊接在一起而成。
CN 102133669 A公开了一种靶材与背板的焊接方法，该方法在靶材和背板的焊接面之间添加焊料，并将靶材与背板相互配合，将配合后的靶材和背板放置于线圈中，向线圈施加电流，然后对配合后的靶材和背板进行感应加热，焊接成靶材组件。所述方法为常规的焊接方法，靶材与背板的结合强度完全依赖于焊料的组成，且焊料的添加不利于提高磁控溅射成膜的效果。
热等静压工艺是将制品放置到密闭的容器中，向制品施加各向同等的压力，同时施以高温，在高温高压的作用下，制品得以烧结和致密化。把高温合金粉末或者金属板材装入抽真空的薄壁成型包套中，焊封后进行热等静压，除去包套即可获得致密的、接近所需形状的靶材组件。
扩散焊接为现有技术常用的一种焊接靶材的方法，扩散焊接的原理为在一定温度和压力下保持一段时间使接触面之间的原子相互扩散，形成联结的焊接方法。
CN 102430865 A公开了一种靶材与背板的焊接方法，包括：在靶材的背面形成多个燕尾槽，在背板的正面形成与燕尾槽匹配的多个燕尾状凸起；将靶材与背板叠合防止，并使燕尾状凸起与燕尾槽咬合在一起；采用静压方式处理靶材与背板中心区域，利用电子束焊接靶材与背板的边缘结合区域，该方法避免了采用钎焊的方式，降低了采用焊料所需的成本，但需要同时对靶材与背板进行加工，加工成本较高，难度较大。
CN 104551381 A公开了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；采用热等静压法将钨靶材和铜背板进行焊接。焊接过程中，钨靶材的形变量小，不易产生破损现象，但所述方法同样需要对靶材与背板进行同时加工，还需要使靶材上的螺纹与背板上的凹槽匹配，加工成本较高。
CN 101648316 A公开了一种靶材与背板的焊接结构及方法，所述方法包括：提供钛靶材和铝背板；对钛靶材和铝背板进行加工，在钛靶材焊接面加工成螺纹状；采用热压方法将钛靶材和铝背板进行焊接形成靶材组件，对靶材组件进行热扩散处理然后空冷冷却。所述方法使用螺纹撕裂背板上的氧化层，提高了靶材与背板之间的结合强度。但是，上述方法不适用于硬度差异较小的靶材与背板的组合。
在靶材与背板之间挑选硬度较高的材料，然后在其焊接面上车削螺纹，这样既能够提高焊接面的接触面积，提高焊接强度；又能够使螺纹嵌入另一种焊接材料中，破坏材料表面的氧化层，深入到材料基体内部，与基体内部新鲜的材料在高温下发生扩散，减少了氧化层对扩散的阻挡作用，提升了焊接强度。当靶材和背板的材料硬度差异较大时，较硬材料上的螺纹可以很好的嵌入到较软材料中，但当靶材和背板的硬度接近时，螺纹很难嵌入到另一种材料中，且会产生挤压变形，减少焊接面的接触面积，并在焊接面产生孔洞，也无法避免焊接面氧化层的影响，导致焊接质量大幅度下降。
发明内容
针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种靶材与背板的焊接方法，所述方法在靶材与背板之间挑选硬度较高的材料，然后在较硬材料的焊接面上车削螺纹，通过对热等静压操作的改进，使螺纹更好地嵌入到另一种硬度较低的材料中。所述方法不仅适用于硬度差距＞50％的靶材与背板，同样适用于硬度差≤50％的靶材与背板。
本发明提供了一种靶材与背板的焊接方法，所述方法包括如下步骤：
(1)准备靶材与背板，在硬度较高的材料的焊接面上加工螺纹；
(2)组合靶材与背板，并将组合材料放置于金属包套中；
(3)对装入组合材料的金属包套进行脱气处理，然后将金属包套进行密封；
(4)加热密封后的金属包套至第一温度，然后加压至第一压力，随后加热至第二温度，压力随温度升高至第二压力，保温保压后冷却至室温；
(5)去除金属包套，完成靶材与背板的焊接。
本发明在硬度较高的材料的焊接面上加工螺纹，然后将组合后的材料进行热等静压处理，从而达到扩散焊接的目的。在热等静压的过程中，本发明创造性的先对金属包套进行加热，随后再加压至一定压力，使螺纹在压力的作用下更好地嵌入硬度较小的材料中。
硬度不同的材料，随着外界温度的变化，材料的硬度也随之发生变化，即，随着温度的升高，硬度偏低的材料在升温过程中硬度下降的更快，因此，本发明通过先升温再加压的方法，使螺纹更好地嵌入到硬度较小的材料中，提高了焊接面的接触面积，并能够破坏焊接面的氧化层，减少了氧化层对扩散焊接的阻挡作用，提升了焊接强度。
本发明所述金属包套为本领域等静压处理常用的金属包套，本领域技术人员可根据热等降压处理的温度进行合理选择，具体的，当第二温度不超过500℃时，可选择铝包套；当第二温度在500℃以上时，可选择铝合金包套。
优选地，所述靶材包括金属靶材和/或合金靶材。
优选地，所述金属靶材包括镍靶材、钛靶材、锌靶材、铬靶材、镁靶材、铌靶材、锡靶材、铝靶材、铟靶材、铁靶材、锆靶材、铜靶材、钽靶材、锗靶材、铟靶材、钴靶材、金靶材、轧靶材、镧靶材、钇靶材、铈靶材、钼靶材或钨靶材中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述合金靶材包括铁钴靶材、铝硅靶材、铬硅靶材、锌铝靶材、钛锌靶材、钛铝靶材、钛锆靶材、钛镍靶材、镍铬靶材、镍铝靶材或镍铁靶材中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述背板包括CuZn合金背板、CuCr合金背板、铝合金背板或无氧铜背板中的任意一种。
优选地，所述靶材与背板的硬度差≤50％，例如可以是10％、15％、20％、25％、30％、35％、40％、45％或50％。
本发明所述靶材与背板的硬度差≤50％是指：
靶材的硬度为H1，背板的硬度为H2，当H1＞H2时，所述靶材与背板的硬度差为：
△H＝(H1-H2)/H1
靶材的硬度为H1，背板的硬度为H2，当H1＜H2时，所述靶材与背板的硬度差为：
△H＝(H2-H1)/H2
靶材的硬度与背板的硬度相差越小，螺纹越难以嵌入硬度较小的材料中，本发明通过改进热等静压的工艺，采用先加热的方法扩大了靶材与背板的硬度差，使螺纹更易嵌入到硬度较小的材料中，提高了焊接面的接触面积，破坏了焊接面的氧化层，减少了氧化层对扩散焊接的阻挡作用，提升了焊接强度。
优选地，步骤(2)所述组合为将靶材与背板按照焊接需要放置在一起。
优选地，步骤(3)所述脱气处理的真空度为1×10-4-1×10-1Pa，例如可以是1×10- 4Pa、5×10-4Pa、1×10-3Pa、5×10-3Pa、1×10-2Pa、5×10-2Pa或1×10-1Pa；温度为100-500℃，例如可以是100℃、150℃、200℃、250℃、300℃、350℃、400℃、450℃或500℃；时间为1-5h，例如可以是1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h或5h。
优选地，步骤(4)所述第一温度为100-300℃，例如可以是100℃、120℃、140℃、150℃、160℃、180℃、200℃、220℃、240℃、260℃、280℃或300℃。
优选地，步骤(4)所述第一压力为80-140MPa，例如可以是80MPa、85MPa、90MPa、95MPa、100MPa、105MPa、110MPa、115MPa、120MPa、125MPa、130MPa、135MPa或140MPa。
优选地，步骤(4)所述第二温度为300-700℃，例如可以是300℃、350℃、400℃、450℃、500℃、550℃、600℃、650℃或700℃；第二压力为130-180MPa，例如可以是130MPa、135MPa、140MPa、145MPa、150MPa、155MPa、160MPa、165MPa、170MPa、175MPa或180MPa。
优选地，步骤(4)所述保温保压的时间为2-5h，例如可以是2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h或5h。
优选地，步骤(4)所述冷却为空冷冷却。
本发明步骤(4)中所述室温为室内温度，包括10-30℃，例如可以是10℃、12℃、15℃、18℃、20℃、24℃、25℃、27℃或30℃，根据环境的不同，室内温度略有变化，但室内温度并不影响本申请所述方法的进行。
优选地，所述方法还包括步骤(1)与步骤(2)之间对靶材与背板的焊接面分别独立地进行清洗与干燥的步骤。
所述清洗的方法包括但不限于水洗，所述干燥的方法包括但不限于烘干和/或真空干燥，本发明通过清洗与干燥的操作使靶材与背板的焊接面保持洁净，从而提高靶材与背板的焊接效果。
作为本发明所述方法的优选技术方案，所述方法包括如下步骤：
(1)准备靶材与背板，靶材与背板的硬度差≤50％，在硬度较高的材料的焊接面上加工螺纹；
(2)清洗靶材与背板的焊接面，干燥后组合靶材与背板，并将组合材料放置于金属包套中；
(3)对装入组合材料的金属包套进行脱气处理，然后将金属包套进行密封，所述脱气处理的真空度为10-4-10-1Pa，温度为100-500℃，时间为1-5h；
(4)加热密封后的金属包套至100-300℃，然后加压至80-140MPa，随后加热至300-700℃，压力随温度升高至130-180MPa，保温保压2-5h，空冷冷却至室温；
(5)去除金属包套，完成靶材与背板的焊接。
本发明所述的数值范围不仅包括上述例举的点值，还包括没有例举出的上述数值范围之间的任意的点值，限于篇幅及出于简明的考虑，本发明不再穷尽列举所述范围包括的具体点值。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明采用热等静压的方式进行扩散焊接，无需使用钎料，节约了需要添加钎料产生的成本；
(2)本发明通过对热等静压工艺的改进，使所述方法能够对硬度差≤50％的靶材与背板进行焊接，使较硬材料上的螺纹能够更好地嵌入较软材料中，提高了焊接面的接触面积，并能够消除焊接面氧化层对扩散焊接的不利影响，提高了焊接强度。
附图说明
图1是实施例1靶材组件嵌合情况的断面图；
图2是对比例1靶材组件嵌合情况的断面图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供了一种靶材与背板的焊接方法，所述靶材为铜靶材，硬度为55Hv，所述背板为CuZn合金背板硬度为90Hv，靶材与背板的硬度差△H为39％，低于50％。
所述方法包括如下步骤：
(1)在CuZn合金背板的焊接面上加工螺纹；
(2)组合铜靶材与加工螺纹后的CuZn合金背板，并将组合材料放置于金属包套中；
(3)对装入组合材料的金属包套进行脱气处理，然后将金属包套进行密封，所述脱气处理的真空度为1×10-2Pa，温度为300℃，时间为3h；
(4)加热密封后的金属包套至200℃，然后加压至100MPa，随后加热至500℃，压力随温度升高至150MPa，保温保压3.5h，空冷冷却至室温；
(5)去除金属包套，完成靶材与背板的焊接。
对完成焊接的靶材组件进行破坏分析，切开靶材组件后在显微镜下观察断面螺纹的嵌合情况，嵌合情况如图1所示，由实施例1提供的方法处理后，螺纹能够完好的进行嵌入，没有空洞产生。
实施例2
本实施例提供了一种靶材与背板的焊接方法，所述靶材为铜靶材，硬度为55Hv，所述背板为CuZn合金背板硬度为90Hv，靶材与背板的硬度差△H为39％，低于50％。
所述方法包括如下步骤：
(1)在CuZn合金背板的焊接面上加工螺纹；
(2)组合铜靶材与加工螺纹后的CuZn合金背板，并将组合材料放置于金属包套中；
(3)对装入组合材料的金属包套进行脱气处理，然后将金属包套进行密封，所述脱气处理的真空度为1×10-3Pa，温度为400℃，时间为2h；
(4)加热密封后的金属包套至150℃，然后加压至90MPa，随后加热至400℃，压力随温度升高至140MPa，保温保压4h，空冷冷却至室温；
(5)去除金属包套，完成靶材与背板的焊接。
对完成焊接的靶材组件进行破坏分析，切开靶材组件后在显微镜下观察断面螺纹的嵌合情况，由实施例2提供的方法处理后，螺纹能够完好的进行嵌入，没有空洞产生。
实施例3
本实施例提供了一种靶材与背板的焊接方法，所述靶材为铜靶材，硬度为55Hv，所述背板为CuZn合金背板硬度为90Hv，靶材与背板的硬度差△H为39％，低于50％。
所述方法包括如下步骤：
(1)在CuZn合金背板的焊接面上加工螺纹；
(2)组合铜靶材与加工螺纹后的CuZn合金背板，并将组合材料放置于金属包套中；
(3)对装入组合材料的金属包套进行脱气处理，然后将金属包套进行密封，所述脱气处理的真空度为5×10-2Pa，温度为200℃，时间为4h；
(4)加热密封后的金属包套至250℃，然后加压至120MPa，随后加热至600℃，压力随温度升高至160MPa，保温保压3h，空冷冷却至室温；
(5)去除金属包套，完成靶材与背板的焊接。
对完成焊接的靶材组件进行破坏分析，切开靶材组件后在显微镜下观察断面螺纹的嵌合情况，由实施例3提供的方法处理后，螺纹能够完好的进行嵌入，没有空洞产生。
实施例4
本实施例提供了一种靶材与背板的焊接方法，所述靶材为钛靶材，硬度为120Hv，所述背板为无氧铜背板，硬度为80Hv，靶材与背板的硬度差△H为33％，低于50％。
所述方法包括如下步骤：
(1)在钛靶材的焊接面上加工螺纹；
(2)组合无氧铜背板与加工螺纹后的钛靶材，并将组合材料放置于金属包套中；
(3)对装入组合材料的金属包套进行脱气处理，然后将金属包套进行密封，所述脱气处理的真空度为1×10-4Pa，温度为500℃，时间为1h；
(4)加热密封后的金属包套至300℃，然后加压至140MPa，随后加热至700℃，压力随温度升高至180MPa，保温保压2h，空冷冷却至室温；
(5)去除金属包套，完成靶材与背板的焊接。
对完成焊接的靶材组件进行破坏分析，切开靶材组件后在显微镜下观察断面螺纹的嵌合情况，由实施例4提供的方法处理后，螺纹能够完好的进行嵌入，没有空洞产生。
实施例5
本实施例提供了一种靶材与背板的焊接方法，所述靶材为铜靶材，硬度为55Hv，所述背板为无氧铜背板，硬度为80Hv，靶材与背板的硬度差△H为31％，低于50％。
所述方法包括如下步骤：
(1)在铜靶材的焊接面上加工螺纹；
(2)组合无氧铜背板与加工螺纹后的铜靶材，并将组合材料放置于金属包套中；
(3)对装入组合材料的金属包套进行脱气处理，然后将金属包套进行密封，所述脱气处理的真空度为1×10-1Pa，温度为100℃，时间为5h；
(4)加热密封后的金属包套至100℃，然后加压至80MPa，随后加热至300℃，压力随温度升高至130MPa，保温保压5h，空冷冷却至室温；
(5)去除金属包套，完成靶材与背板的焊接。
对完成焊接的靶材组件进行破坏分析，切开靶材组件后在显微镜下观察断面螺纹的嵌合情况，由实施例5提供的方法处理后，螺纹能够完好的进行嵌入，没有空洞产生。
对比例1
本对比例提供了一种靶材与背板的焊接方法，所述靶材为铜靶材，硬度为55Hv，所述背板为CuZn合金背板硬度为90Hv，靶材与背板的硬度差△H为39％，低于50％。
所述方法包括如下步骤：
(1)在CuZn合金背板的焊接面上加工螺纹；
(2)组合铜靶材与加工螺纹后的CuZn合金背板，并将组合材料放置于金属包套中；
(3)对装入组合材料的金属包套进行脱气处理，然后将金属包套进行密封，所述脱气处理的真空度为1×10-2Pa，温度为300℃，时间为3h；
(4)加热密封后的金属包套至500℃，压力随温度升高至150MPa，保温保压3.5h，空冷冷却至室温；
(5)去除金属包套，完成靶材与背板的焊接。
对完成焊接的靶材组件进行破坏分析，切开靶材组件后在显微镜下观察断面螺纹的嵌合情况，嵌合情况如图2所示，由对比例1提供的方法处理后，CuZn合金背板上的螺纹无法完好嵌入铜靶材，有空洞产生。
综上所述，本发明通过对热等静压工艺的改进，使所述方法能够对硬度差≤50％的靶材与背板进行焊接，使较硬材料上的螺纹能够更好地嵌入较软材料中，提高了焊接面的接触面积，并能够消除焊接面氧化层对扩散焊接的不利影响，提高了焊接强度。
申请人声明，以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，所属技术领域的技术人员应该明了，任何属于本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (14)
1.一种靶材与背板的焊接方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)准备靶材与背板，在硬度较高的材料的焊接面上加工螺纹；
(2)组合靶材与背板，并将组合材料放置于金属包套中；
(3)对装入组合材料的金属包套进行脱气处理，然后将金属包套进行密封；
(4)加热密封后的金属包套至第一温度，然后加压至第一压力，随后加热至第二温度，压力随温度升高至第二压力，保温保压后冷却至室温；
(5)去除金属包套，完成靶材与背板的焊接。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述靶材包括金属靶材和或合金靶材。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述金属靶材包括镍靶材、钛靶材、锌靶材、铬靶材、镁靶材、铌靶材、锡靶材、铝靶材、铟靶材、铁靶材、锆靶材、铜靶材、钽靶材、锗靶材、铟靶材、钴靶材、金靶材、轧靶材、镧靶材、钇靶材、铈靶材、钼靶材或钨靶材中的任意一种或至少两种的组合。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述合金靶材包括铁钴靶材、铝硅靶材、铬硅靶材、锌铝靶材、钛锌靶材、钛铝靶材、钛锆靶材、钛镍靶材、镍铬靶材、镍铝靶材或镍铁靶材中的任意一种或至少两种的组合。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述背板包括CuZn合金背板、CuCr合金背板、铝合金背板或无氧铜背板中的任意一种。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述靶材与背板的硬度差≤50％。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述脱气处理的真空度为1×10-4-1×10-1Pa，温度为100-500℃，时间为1-5h。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述第一温度为100-300℃。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述第一压力为80-140MPa。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述第二温度为300-700℃，第二压力为130-180MPa。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述保温保压的时间为2-5h。
12.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(4)所述冷却为空冷冷却。
13.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括步骤(1)与步骤(2)之间对靶材与背板的焊接面分别独立地依次进行清洗与干燥的步骤。
14.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)准备靶材与背板，靶材与背板的硬度差≤50％，在硬度较高的材料的焊接面上加工螺纹；
(2)清洗靶材与背板的焊接面，干燥后组合靶材与背板，并将组合材料放置于金属包套中；
(3)对装入组合材料的金属包套进行脱气处理，然后将金属包套进行密封，所述脱气处理的真空度为10-4-10-1Pa，温度为100-500℃，时间为1-5h；
(4)加热密封后的金属包套至100-300℃，然后加压至80-140MPa，随后加热至300-700℃，压力随温度升高至130-180MPa，保温保压2-5h，空冷冷却至室温；
(5)去除金属包套，完成靶材与背板的焊接。
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