CN110756937A - 一种靶材与背板的钎焊方法 - Google Patents

一种靶材与背板的钎焊方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种靶材与背板的钎焊方法，所述钎焊方法包括如下步骤：(1)在背板坯料的焊接面加工与靶材配套的焊接槽，得到预加工背板；(2)预热步骤(1)所得预加工背板，然后在焊接槽内铺设钎料，升温使钎料熔化后压入靶材；(3)在步骤(2)所述靶材表面施压，冷却后完成靶材与背板的结合，得到靶材半成品组件；(4)加工步骤(3)所得靶材半成品组件，使背板尺寸满足工艺需要。本发明通过在背板坯料焊接面设置凹槽，避免了一次性焊接夹具的使用，降低了钎焊成本；而且，通过先将靶材与背板进行钎焊焊接，再对背板和/或靶材进行加工，减少了对背板以及靶材尺寸进行加工的次数以及难度，进一步降低了钎焊成本。

Description

一种靶材与背板的钎焊方法
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钎焊方法。
背景技术
物理气象沉积技术利用溅射靶材组件提供带有原子级光滑表面的具有精准厚度的薄膜材料沉积物。靶材组件是由符合溅射性能的靶材和适用于靶材结合并具有一定强度的背板构成。在溅射过程中，靶材组件装配置溅射机台，位于充满惰性气体气氛的腔室里的靶材暴露于电场中，从而产生等离子区，等离子区中的等离子与溅射靶材的表面发生碰撞，从而从靶材表面溢出原子。如果靶材组件中靶材与背板之间的焊接质量差，将导致靶材在受热条件下变形、开裂甚至从背板脱落，无法达到溅射均匀的效果。
焊料结合(Solder Bonding)指的是利用熔点比母材(被焊接材料)熔点低的填充金属(称为钎料或焊料)在低于母材熔点、高于焊料熔点的温度下，利用液态焊料在母材表面润湿、铺展和在母材间隙中填缝，与母材相互溶解与扩散，然后冷却，使焊料凝固而实现零件间的连接的焊接方法。
焊料结合的研究重点是根据母材的性质选用合适的焊料并且尽可能的减少焊料的使用和提高焊料的回收率以降低生产成本。目前半导体靶材领域应用较为广泛的焊料有两种：一种是铟，铟具有低熔点，延展性好等优点，降低了靶材焊接时的使用温度，减少了母材在高温及冷却时的变形；另一种是Sn合金焊料，例如Sn-Pb-Ag焊料、Sn-Ag-Cu焊料或Sn-Zn焊料等，Sn合金焊料的优点是价格便宜，焊接强度高，平均30-50MPa。
传统的靶材与背板的焊接工艺为将靶材与成品背板直接进行焊接，然而现有的钎焊工艺会对背板发生变形，从而使背板的尺寸偏离标准值。背板在客户端使用时，在水冷却面会有磁铁旋转，如果背板尺寸偏离标准尺寸，则会影响磁铁的使用，从而影响磁控溅射效果。
CN 1986133 A公开了一种钎焊方法，包括：焊前铜背板的焊接加工准备、铜背板预热与焊锡、铝靶材预热与焊锡、铜背板与铝靶材的结合、保持压力并循环水冷。其中铜背板预热焊锡的温度为250-300℃，还需要通过超声波焊接装置进行焊锡，铜背板与铝靶材结合时的压力为0.5MPa，这就势必造成焊接后铜背板的形貌以及尺寸发生不可预期的变化，影响溅射靶材的磁控溅射性能。
CN 101543924 A公开了一种靶材与背板的焊接方法，包括：提供钽靶材和背板；在背板的焊接面上添加钎料；在真空中进行钎焊，加热熔化钎料将钽靶材焊接至背板形成靶材组件；然后保温热扩散处理；冷却靶材组件经进行机械加工去除多余的钎料。其中钎料的处理温度为350-1000℃，热扩散处理的温度为200-1000℃，较高的温度下对背板与靶材进行钎焊焊接同样会使背板的结构发生变化，从而影响最终的磁控溅射性能。
因此，提供一种操作简单、成本较低且能够使背板尺寸满足磁控溅射要求的靶材与背板的钎焊方法，对于进一步提高磁控溅射质量具有重要的意义。
发明内容
本发明的目的在于提供一种靶材与背板的钎焊方法，本发明通过在背板坯料焊接面设置凹槽，避免了一次性焊接夹具的使用，降低了钎焊成本；而且，通过先将靶材与背板进行钎焊焊接，再对背板和/或靶材进行加工，减少了对背板以及靶材尺寸进行加工的次数以及难度，进一步降低了钎焊成本。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种靶材与背板的钎焊方法，所述钎焊方法包括如下步骤：
(1)在背板坯料的焊接面加工与靶材配套的焊接槽，得到预加工背板；
(2)预热步骤(1)所得预加工背板，然后在焊接槽内铺设钎料，升温使钎料熔化后压入靶材；
(3)在步骤(2)所述靶材表面施压，冷却后完成靶材与背板的结合，得到靶材半成品组件；
(4)加工步骤(3)所得靶材半成品组件，使背板尺寸满足工艺需要。
现有技术通常将背板成品与靶材进行钎焊焊接，焊接结束后背板易出现不可预期的形变，需要对背板形变进行测定及修正，这会消耗大量的时间。而本发明通过在背板坯料焊接面设置凹槽，避免了一次性焊接夹具的使用，降低了钎焊成本；而且，通过先将靶材与背板进行钎焊焊接，得到靶材半成品组件后再对背板进行加工，减少了对背板进行加工的次数以及难度，进一步降低了钎焊成本。
优选地，步骤(1)所述焊接槽的深度为2-5mm，例如可以是2mm、2.5mm、3mm、3.5mm、4mm、4.5mm或5mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未列举的数值同样适用。
所述焊接槽的形状包括长方形和/或圆形，本领域技术人员可根据靶材的形状进行合理地设置。本发明所述焊接槽的大小与靶材配套是指，使焊接槽内刚好能够放入靶材。
优选地，步骤(1)所述背板包括无氧铜背板、铝背板、铜合金背板或铝合金背板中的任意一种。所述铜合金背板包括CuZn合金背板和/或CuCr合金背板。
优选地，步骤(1)所述靶材包括金属靶材、陶瓷靶材或合金靶材中的任意一种或至少两种的组合，典型但非限制性的组合包括金属靶材与陶瓷靶材的组合，陶瓷靶材与合金靶材的组合或金属靶材与合金靶材的组合。
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，所述陶瓷靶材包括ITO靶材、氧化镁靶材、氧化铁靶材、氮化硅靶材、碳化硅靶材、氧化铬靶材、氧化锌靶材、二氧化硅靶材、氧化铈靶材、二氧化锆靶材、二氧化钛靶材或氮化硼靶材中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，步骤(2)所述预热的温度为150-200℃，例如可以是150℃、160℃、170℃、180℃、190℃或200℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述升温为升温至高于钎料熔点50-200℃，例如可以是50℃、80℃、100℃、120℃、150℃、180℃或200℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明所述钎料包括铟焊料和/或Sn合金焊料，所述Sn合金焊料包括Sn-Pb-Ag焊料、Sn-Ag-Cu焊料或Sn-Zn焊料中的任意一种或至少两种的组合。本领域技术人员可根据背板与靶材的类别对钎料进行合理地选择。
优选地，步骤(2)所述靶材为预热后的靶材，预热温度为250-300℃，例如可以是250℃、270℃、280℃、290℃或300℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明通过同时对背板与靶材进行预热，使靶材、钎料与背板能够紧密结合。而且，熔化后的钎料具有流动性，在毛细效应的作用下能够浸润背板与靶材接触的空隙，从而提高背板与靶材的焊接效果。
优选地，步骤(3)所述施压的压强为0.4-0.5MPa，例如可以是0.4MPa、0.42MPa、0.44MPa、0.45MPa、0.46MPa、0.48MPa或0.5MPa，但不限于所列举的数值，数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(4)所述加工的方法为车削。
本发明所述使背板尺寸满足工艺需要是指将背板加工为成品背板，车削工艺与车削参数本领域技术人员可根据背板形状以及厚度进行合理地选择，本发明在此不在赘述。
作为本发明所述钎焊方法的优选技术方案，所述钎焊方法包括如下步骤：
(1)在背板坯料的焊接面加工与靶材配套的深度为2-5mm的焊接槽，得到预加工背板；
(2)预热步骤(1)所得预加工背板至150-200℃，然后在焊接槽内铺设钎料，升温至高于钎料熔点50-200℃使钎料熔化后压入预热至250-300℃靶材；
(3)在步骤(2)所述靶材表面施压，施压的压强为0.4-0.5MPa，冷却后完成靶材与背板的结合，得到靶材半成品组件；
(4)车削步骤(3)所得靶材半成品组件，使背板尺寸满足工艺需要。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)本发明通过先将背板与靶材进行钎焊焊接，然后再对焊接完成后的背板进行车削加工，简化了背板加工成成品-焊接-对变形背板进行检测修正的步骤，缩短了焊接时间，提高了焊接效率，同时降低了焊接成本；
(2)本发明通过在背板焊接面设置于靶材配套的焊接槽，提高了背板、钎料以及靶材之间的结合强度，提高了背板与靶材的焊接效果，从而保证了靶材组件用于磁控溅射时的溅射效果。
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钛靶材与无氧铜背板的钎焊方法，所述钎焊方法包括如下步骤：
(1)在无氧铜背板坯料的焊接面加工与铝靶材配套的深度为3.5mm的焊接槽，得到预加工背板；
(2)预热步骤(1)所得预加工背板至180℃，然后在焊接槽内铺设铟焊料，升温至280℃使铟焊料熔化后，将预热至280℃的钛靶材压入焊接槽；
(3)在步骤(2)所述钛靶材表面施压，施压的压强为0.45MPa，冷却后完成钛靶材与无氧铜背板的结合，得到靶材半成品组件；
(4)车削步骤(3)所得靶材半成品组件，使无氧铜背板尺寸满足工艺需要。
本实施例先将背板与靶材进行钎焊焊接，再对背板进行车削加工，减少了背板的加工次数，缩短了背板的加工时间，提高了钎焊焊接效率，从而实现了降低钎焊焊接成本的目的。
实施例2
本实施例提供了一种镍靶材与无氧铜背板的钎焊方法，所述钎焊方法包括如下步骤：
(1)在无氧铜背板坯料的焊接面加工与镍靶材配套的深度为4mm的焊接槽，得到预加工背板；
(2)预热步骤(1)所得预加工背板至190℃，然后在焊接槽内铺设铟焊料，升温至320℃使铟焊料熔化后，将预热至290℃的镍靶材压入焊接槽；
(3)在步骤(2)所述镍靶材表面施压，施压的压强为0.42MPa，冷却后完成镍靶材与无氧铜背板的结合，得到靶材半成品组件；
(4)车削步骤(3)所得靶材半成品组件，使无氧铜背板尺寸满足工艺需要。
本实施例先将背板与靶材进行钎焊焊接，再对背板进行车削加工，减少了背板的加工次数，缩短了背板的加工时间，提高了钎焊焊接效率，从而实现了降低钎焊焊接成本的目的。
实施例3
本实施例提供了一种钛钨靶材与无氧铜背板的钎焊方法，所述钎焊方法包括如下步骤：
(1)在无氧铜背板坯料的焊接面加工与钛钨靶材配套的深度为3mm的焊接槽，得到预加工背板；
(2)预热步骤(1)所得预加工背板至160℃，然后在焊接槽内铺设铟焊料，升温至240℃使铟焊料熔化后，将预热至260℃的钛钨靶材压入焊接槽；
(3)在步骤(2)所述钛钨靶材表面施压，施压的压强为0.48MPa，冷却后完成钛钨靶材与无氧铜背板的结合，得到靶材半成品组件；
(4)车削步骤(3)所得靶材半成品组件，使无氧铜背板尺寸满足工艺需要。
本实施例先将背板与靶材进行钎焊焊接，再对背板进行车削加工，减少了背板的加工次数，缩短了背板的加工时间，提高了钎焊焊接效率，从而实现了降低钎焊焊接成本的目的。
实施例4
本实施例提供了一种铝靶材与铝背板的钎焊方法，所述钎焊方法包括如下步骤：
(1)在铝背板坯料的焊接面加工与铝靶材配套的深度为2mm的焊接槽，得到预加工背板；
(2)预热步骤(1)所得预加工背板至200℃，然后在焊接槽内铺设铟焊料，升温至360℃使铟焊料熔化后，将预热至300℃的铝靶材压入焊接槽；
(3)在步骤(2)所述铝靶材表面施压，施压的压强为0.4MPa，冷却后完成铝靶材与铝背板的结合，得到靶材半成品组件；
(4)车削步骤(3)所得靶材半成品组件，使铝背板尺寸满足工艺需要。
本实施例先将背板与靶材进行钎焊焊接，再对背板进行车削加工，减少了背板的加工次数，缩短了背板的加工时间，提高了钎焊焊接效率，从而实现了降低钎焊焊接成本的目的。
实施例5
本实施例提供了一种钛靶材与无氧铜背板的钎焊方法，所述钎焊方法包括如下步骤：
(1)在无氧铜背板坯料的焊接面加工与钛靶材配套的深度为5mm的焊接槽，得到预加工背板；
(2)预热步骤(1)所得预加工背板至150℃，然后在焊接槽内铺设铟焊料，升温至210℃使铟焊料熔化后，将预热至250℃的钛靶材压入焊接槽；
(3)在步骤(2)所述钛靶材表面施压，施压的压强为0.5MPa，冷却后完成钛靶材与无氧铜背板的结合，得到靶材半成品组件；
(4)车削步骤(3)所得靶材半成品组件，使无氧铜背板尺寸满足工艺需要。
本实施例先将背板与靶材进行钎焊焊接，再对背板进行车削加工，减少了背板的加工次数，缩短了背板的加工时间，提高了钎焊焊接效率，从而实现了降低钎焊焊接成本的目的。
综上所述，本发明通过先将背板与靶材进行钎焊焊接，然后再对焊接完成后的背板进行车削加工，简化了背板加工成成品-焊接-对变形背板进行检测修正的步骤，缩短了焊接时间，提高了焊接效率，同时降低了焊接成本；本发明通过在背板焊接面设置于靶材配套的焊接槽，提高了背板、钎料以及靶材之间的结合强度，提高了背板与靶材的焊接效果，从而保证了靶材组件用于磁控溅射时的溅射效果。
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 (10)

1.一种靶材与背板的钎焊方法，其特征在于，所述钎焊方法包括如下步骤：
(1)在背板坯料的焊接面加工与靶材配套的焊接槽，得到预加工背板；
(2)预热步骤(1)所得预加工背板，然后在焊接槽内铺设钎料，升温使钎料熔化后压入靶材；
(3)在步骤(2)所述靶材表面施压，冷却后完成靶材与背板的结合，得到靶材半成品组件；
(4)加工步骤(3)所得靶材半成品组件，使背板尺寸满足工艺需要。
2.根据权利要求1所述的钎焊方法，其特征在于，步骤(1)所述焊接槽的深度为2-5mm。
3.根据权利要求1或2所述的钎焊方法，其特征在于，步骤(1)所述背板包括无氧铜背板、铝背板、铜合金背板或铝合金背板中的任意一种。
4.根据权利要求1-3任一项所述的钎焊方法，其特征在于，步骤(1)所述靶材包括金属靶材、陶瓷靶材或合金靶材中的任意一种或至少两种的组合。
5.根据权利要求1-4任一项所述的钎焊方法，其特征在于，步骤(2)所述预热的温度为150-200℃。
6.根据权利要求1-5任一项所述的钎焊方法，其特征在于，步骤(2)所述升温为升温至高于钎料熔点50-200℃。
7.根据权利要求1-6任一项所述的钎焊方法，其特征在于，步骤(2)所述靶材为预热后的靶材，预热温度为250-300℃。
8.根据权利要求1-7任一项所述的钎焊方法，其特征在于，步骤(3)所述施压的压强为0.4-0.5MPa。
9.根据权利要求1-8任一项所述的钎焊方法，其特征在于，步骤(4)所述加工的方法为车削。
10.根据权利要求1-9任一项所述的钎焊方法，其特征在于，所述钎焊方法包括如下步骤：
(1)在背板坯料的焊接面加工与靶材配套的深度为2-5mm的焊接槽，得到预加工背板；
(2)预热步骤(1)所得预加工背板至150-200℃，然后在焊接槽内铺设钎料，升温至高于钎料熔点50-200℃使钎料熔化后压入预热至250-300℃的靶材；
(3)在步骤(2)所述靶材表面施压，施压的压强为0.4-0.5MPa，冷却后完成靶材与背板的结合，得到靶材半成品组件；
(4)车削步骤(3)所得靶材半成品组件，使背板尺寸满足工艺需要。
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