CN111001920A - 一种热等静压扩散焊接的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种热等静压扩散焊接的方法，所述方法包括如下步骤：(1)将靶材、背板与垫板的组合放置于金属包套中；(2)金属包套抽真空密封后，进行热等静压处理；步骤(1)所述靶材、背板与垫板的组合中，靶材位于背板与垫板之间；步骤(2)所述热等静压处理时，靶材在垫板压力作用下与背板扩散焊接。本发明通过在靶材顶部设置垫板，通过垫板将靶材与背板进行热等静压扩散焊接，克服了包套直接作用于靶材造成的靶材局部出现晶粒异常增大的缺陷，从而保证了靶材与背板的扩散焊接质量，保证了磁控溅射的效果。

Description

一种热等静压扩散焊接的方法
技术领域
本发明属于磁控溅射技术领域，涉及一种扩散焊接的方法，尤其涉及一种热等静压扩散焊接的方法。
背景技术
溅射靶材是制造半导体芯片所必须的一种极其重要的关键材料，利用其制作器件的原理是采用物理气相沉积技术，用高压加速气态离子轰击靶材，使靶材的原子被溅射出来，以薄膜的形式沉积到硅片上，最终形成半导体芯片中复杂的配线结构。
溅射靶材具有金属镀膜的均匀性、可控性等诸多优势，被广泛应用于半导体领域。由于铜具有更高的电导率和更好的抗电迁移特性，目前铜靶材被广泛地应用在超大规模集成电路的互连线中，铜溅射靶材已成为半导体行业发展不可或缺的关键材料。
靶材的晶粒尺寸、晶粒取向对集成电路金属薄膜的制备以及性能存在着很大的影响，主要表现为：随着晶粒尺寸的增加，薄膜沉积速率趋于降低；在合适的晶粒尺寸范围内，靶材使用时的等离子体阻抗较低，薄膜沉积速率高、薄膜厚度均匀性好。因此，为了提高靶材的性能，需要严格控制靶材的晶粒尺寸，使靶材均匀地溅射在溅镀基材上。
溅射靶材使用过程中需要与背板进行焊接组合，目前常用的焊接方式包括锡焊或扩散焊。锡焊由于锡的熔点较低，溅射机台的工作温度相对较高时容易出现锡料熔化使产品脱焊的风险；扩散焊是一种耐高温、高强度的焊接方式，但如果扩散焊接的温度较高，靶材中金属晶粒容易异常长大，不能达到晶圆线宽的要求，因此需要在较低的温度下降靶材与背板进行扩散焊接。
目前，半导体用芯片已经缩小到纳米级别，金属互连线的RC延迟和电迁移现象成为影响芯片性能的主要因素。铜具有较高的抗电迁移能力和更高的电导率，尤其是纯度为6N以上的铜对于降低芯片互连线电阻、提高芯片运算速度具有重要意义。
超高纯铜靶材(纯度≥6N)由于其优良的导电性能，是制造半导体芯片导线的常用材料。但由于超高纯铜靶材的硬度较低(60-65HV)，且超高纯铜靶材的成本较高。需要将超高纯铜靶材与硬度较高的铜合金背板焊接在一起。超高纯铜在高温和/或高压下晶粒极其容易长大，从而会对晶圆的线宽以及均匀性产生不利的影响。
为了实现超高纯铜靶材和铜合金背板的优良焊接，目前采用的方法为热等静压扩散的方法。例如CN 110539067 A公开了一种高纯铜靶材的扩散焊接方法，所述扩散焊接方法将经过表面处理的靶材与背板密封放置于包套中，通过热等静压的方法将靶材与背板焊接在一起。但是，超高纯铜靶材以及铜合金背板在热等静压过程中存在热胀冷缩的现象，靶材组件与包套之间的间隙过大或过小都会影响靶材与背板的焊接效果；另外，超高纯铜靶材与铜合金背板在热等静压焊接过程中，包套盖板在压力作用下使超高纯铜靶材外缘区域应力集中，从而造成晶粒粗化。
因此，需要对热等静压扩散焊接方法进行改进，以消除由于应力集中或装配间隙不合适造成的晶粒异常增大的问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种热等静压扩散焊接的方法，所述方法操作简单，能够克服包套直接作用于靶材造成的靶材局部出现晶粒异常增大的缺陷，从而保证了靶材与背板的扩散焊接质量，保证了磁控溅射的效果。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
本发明提供了一种热等静压扩散焊接的方法，所述方法包括如下步骤：
(1)将靶材、背板与垫板的组合放置于金属包套中；
(2)金属包套抽真空密封后，进行热等静压处理；
步骤(1)所述靶材、背板与垫板的组合中，靶材位于背板与垫板之间；
步骤(2)所述热等静压处理时，靶材在垫板压力作用下与背板扩散焊接。
本发明通过在靶材顶部设置垫板，通过垫板将靶材与背板进行热等静压扩散焊接，克服了包套直接作用于靶材造成的靶材局部出现晶粒异常增大的缺陷，从而保证了靶材与背板的扩散焊接质量，保证了磁控溅射的效果。
优选地，步骤(1)所述靶材为铜靶材；进一步优选的，步骤(1)所述的靶材为纯度为6N以上的超高纯铜靶材。
优选地，步骤(1)所述背板为铜合金背板。
优选地，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)所述背板设置有与靶材配套的凹槽，凹槽的深度低于靶材的厚度。
优选地，步骤(1)所述背板的焊接面设置有螺纹，螺纹深度为0.1-0.15mm，例如可以是0.1mm、0.11mm、0.12mm、0.13mm、0.14mm或0.15mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；螺距为0.15-0.25mm，例如可以是0.15mm、0.16mm、0.17mm、0.18mm、0.19mm、0.2mm、0.21mm、0.22mm、0.23mm、0.24mm或0.25mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明所述背板的硬度高于靶材的硬度，通过在背板的焊接面设置螺纹，提高了背板与靶材的扩散焊接面积，从而提高热等静压扩散焊接的效果。而且，本发明通过在背板的焊接面设置螺纹，能够使靶材与背板焊接在一起的同时，避免垫板与靶材焊接在一起。
本发明在背板的焊接面设置螺纹的步骤包括：在背板的焊接面车削螺纹，然后依次进行钢刷刷洗、超声波清洗与真空干燥。
优选地，所述超声波清洗为浸泡在异丙醇中进行超声波清洗，超声波清洗的时间为20-30min，例如可以是20min、21min、22min、23min、24min、25min、26min、27min、28min、29min或30min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，所述真空干燥的温度为60-80℃，例如可以是60℃、65℃、70℃、75℃或80℃，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用；真空干燥时的真空度为0.01Pa以下；真空干燥的时间为60-80min，例如可以是60min、65min、70min、75min或80min，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
完了防止设置完螺纹后的背板被氧化，使用前，背板暴露于空气中的时间不超过5min。
优选地，步骤(1)所述垫板的材质包括铜、铜合金或不锈钢中的任意一种，优选为不锈钢。
优选地，所述不锈钢包括304不锈钢和/或316L不锈钢。
当步骤(1)所述垫板的材质为铜和/或铜合金时，为了避免垫板与靶材焊接在一起，所述垫板与靶材之间还可以设置有直径与垫板相同，厚度为0.1-0.5mm的不锈钢板，所述不锈钢板的厚度可以是0.1mm、0.2mm、0.3mm、0.4mm或0.5mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(1)所述垫板的直径与所述背板的直径相同，所述垫板的厚度为7-10mm，例如可以是7mm、8mm、9mm或10mm，但不限于所列举的数值，数值范围内其它未列举的数值同样适用。
本发明所述背板与靶材的厚度为本领域常用背板与靶材的厚度，本发明在此不做过多限定。在背板与靶材为本领域常用背板与靶材的厚度时，垫板的厚度为7-10mm能够将靶材与背板扩散焊接，且晶粒不会异常变大。
优选地，基于现有工艺中靶材、背板以及包套的尺寸，所述垫板的厚度不超过10mm，例如可以是5mm、6mm、7mm、8mm、9mm或10mm，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)所述金属包套抽真空后，金属包套内的真空度为0.001Pa以下。金属包套抽真空密封后，距离热等静压处理的时间不超过24h，否则金属包套内的真空度降低，不利于后续热等静压处理的进行。
优选地，步骤(2)所述热等静压处理的温度为250-270℃，例如可以是250℃、255℃、260℃、265℃或270℃，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；热等静压处理的压力为95-105MPa，例如可以是95MPa、98MPa、100MPa、102MPa或105MPa，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；热等静压处理的时间为3-5h，例如可以是3h、3.5h、4h、4.5h或5h，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。
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)将超高纯铜靶材、铜合金背板与垫板的组合放置于金属包套中；
(2)金属包套抽真空至真空度0.001Pa以下，然后进行密封，并在250-270℃以及95-105MPa的条件下进行热等静压处理3-5h；
步骤(1)所述超高纯铜靶材、铜合金背板与垫板的组合中，超高纯铜靶材位于铜合金背板与垫板之间；且铜合金背板设置有与超高纯铜靶材配套的凹槽，凹槽的深度低于超高纯铜靶材的厚度；铜合金背板焊接面设置有螺纹深度为0.1-0.15mm、螺距为0.15-0.25mm的螺纹；垫板的直径与铜合金背板的直径相同，垫板的厚度为7-10mm；
步骤(2)所述热等静压处理时，超高纯铜靶材在垫板压力作用下与铜合金背板扩散焊接。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明通过在靶材顶部设置垫板，通过垫板将靶材与背板进行热等静压扩散焊接，克服了包套直接作用于靶材造成的靶材局部出现晶粒异常增大的缺陷，从而保证了靶材与背板的扩散焊接质量，保证了磁控溅射的效果。
附图说明
图1为本发明提供的热等静压扩散焊接的方法的示意图；
图2为实施例1热等静压扩散完成后，超高纯铜靶材表面的图片；
图3为对比例1热等静压扩散完成后，超高纯铜靶材表面的图片。
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热等静压扩散焊接的方法，所述方法的示意图如图1所示，包括如下步骤：
(1)将超高纯铜靶材(纯度≥6N)、CuZn合金背板与304不锈钢垫板的组合放置于金属包套中；
(2)金属包套抽真空至真空度0.001Pa以下，然后进行密封，并在260℃以及100MPa的条件下进行热等静压处理4h；
步骤(1)所述超高纯铜靶材、CuZn合金背板与304不锈钢垫板的组合中，超高纯铜靶材位于CuZn合金背板与304不锈钢垫板之间；且CuZn合金背板设置有与超高纯铜靶材配套的凹槽，凹槽的深度低于超高纯铜靶材的厚度；CuZn合金背板焊接面设置有螺纹深度为0.12mm、螺距为0.2mm的螺纹；304不锈钢垫板的直径与CuZn合金背板的直径相同，304不锈钢垫板的厚度为8mm；
步骤(2)所述热等静压处理时，超高纯铜靶材在304不锈钢垫板压力作用下与CuZn合金背板扩散焊接。
对焊接完成后超高纯铜靶材表面进行酸蚀，洗涤干燥后观察晶粒是否长大，由图2可知，超高纯铜靶材表面并没有出现晶粒异常增大。
实施例2
本实施例提供了一种热等静压扩散焊接的方法，所述方法的示意图如图1所示，包括如下步骤：
(1)将超高纯铜靶材(纯度≥6N)、CuCr合金背板与316L不锈钢垫板的组合放置于金属包套中；
(2)金属包套抽真空至真空度0.001Pa以下，然后进行密封，并在255℃以及102MPa的条件下进行热等静压处理3.5h；
步骤(1)所述超高纯铜靶材、CuCr合金背板与316L不锈钢垫板的组合中，超高纯铜靶材位于CuCr合金背板与316L不锈钢垫板之间；且CuCr合金背板设置有与超高纯铜靶材配套的凹槽，凹槽的深度低于超高纯铜靶材的厚度；CuCr合金背板焊接面设置有螺纹深度为0.11mm、螺距为0.18mm的螺纹；316L不锈钢垫板的直径与CuCr合金背板的直径相同，316L不锈钢板的厚度为9mm；
步骤(2)所述热等静压处理时，超高纯铜靶材在316L不锈钢垫板压力作用下与CuCr合金背板扩散焊接。
对焊接完成后超高纯铜靶材表面进行酸蚀，洗涤干燥后观察晶粒是否长大，超高纯铜靶材表面并没有出现晶粒异常增大。
实施例3
本实施例提供了一种热等静压扩散焊接的方法，所述方法的示意图如图1所示，包括如下步骤：
(1)将超高纯铜靶材(纯度≥6N)、CuCr合金背板与CuCr合金垫板的组合放置于金属包套中；
(2)金属包套抽真空至真空度0.001Pa以下，然后进行密封，并在265℃以及98MPa的条件下进行热等静压处理4.5h；
步骤(1)所述超高纯铜靶材、CuCr合金背板与CuCr合金垫板的组合中，超高纯铜靶材位于CuCr合金背板与垫板之间，CuCr合金垫板与超高纯铜靶材之间还设置有厚度为0.3mm的304不锈钢板；且CuCr合金背板设置有与超高纯铜靶材配套的凹槽，凹槽的深度低于超高纯铜靶材的厚度；CuCr合金背板焊接面设置有螺纹深度为0.14mm、螺距为0.22mm的螺纹；CuCr合金垫板以及304不锈钢板的直径分别独立地与CuCr合金背板的直径相同，CuCr合金垫板的厚度为7mm；
步骤(2)所述热等静压处理时，超高纯铜靶材在CuCr合金垫板压力作用下与CuCr合金背板扩散焊接。
对焊接完成后超高纯铜靶材表面进行酸蚀，洗涤干燥后观察晶粒是否长大，超高纯铜靶材表面并没有出现晶粒异常增大。
实施例4
本实施例提供了一种热等静压扩散焊接的方法，所述方法的示意图如图1所示，包括如下步骤：
(1)将超高纯铜靶材(纯度≥6N)、CuCr合金背板与CuZn合金垫板的组合放置于金属包套中；
(2)金属包套抽真空至真空度0.001Pa以下，然后进行密封，并在250℃以及105MPa的条件下进行热等静压处理3h；
步骤(1)所述超高纯铜靶材、CuCr合金背板与CuZn合金垫板的组合中，超高纯铜靶材位于CuCr合金背板与垫板之间，CuZn合金垫板与超高纯铜靶材之间还设置有厚度为0.5mm的316L不锈钢板；且CuCr合金背板设置有与超高纯铜靶材配套的凹槽，凹槽的深度低于超高纯铜靶材的厚度；CuCr合金背板焊接面设置有螺纹深度为0.1mm、螺距为0.15mm的螺纹；CuZn合金垫板以及316L不锈钢板的直径与CuCr合金背板的直径相同，CuZn合金垫板的厚度为10mm；
步骤(2)所述热等静压处理时，超高纯铜靶材在CuZn合金垫板压力作用下与CuCr合金背板扩散焊接。
对焊接完成后超高纯铜靶材表面进行酸蚀，洗涤干燥后观察晶粒是否长大，超高纯铜靶材表面并没有出现晶粒异常增大。
实施例5
本实施例提供了一种热等静压扩散焊接的方法，所述方法的示意图如图1所示，包括如下步骤：
(1)将超高纯铜靶材(纯度≥6N)、CuCr合金背板与Cu垫板的组合放置于金属包套中；
(2)金属包套抽真空至真空度0.001Pa以下，然后进行密封，并在270℃以及95MPa的条件下进行热等静压处理5h；
步骤(1)所述超高纯铜靶材、CuCr合金背板与Cu垫板的组合中，超高纯铜靶材位于CuCr合金背板与垫板之间，Cu垫板与超高纯铜靶材之间还设置有厚度为0.1mm的316L不锈钢板；且CuCr合金背板设置有与超高纯铜靶材配套的凹槽，凹槽的深度低于超高纯铜靶材的厚度；CuCr合金背板焊接面设置有螺纹深度为0.15mm、螺距为0.25mm的螺纹；Cu垫板以及316L不锈钢板的直径分别独立地与CuCr合金背板的直径相同，Cu垫板的厚度为8mm；
步骤(2)所述热等静压处理时，超高纯铜靶材在Cu垫板压力作用下与CuCr合金背板扩散焊接。
对焊接完成后超高纯铜靶材表面进行酸蚀，洗涤干燥后观察晶粒是否长大，超高纯铜靶材表面并没有出现晶粒异常增大。
实施例6
本实施例提供了一种热等静压扩散焊接的方法，除背板焊接面处未设置螺纹外，其余均与实施例1相同。
对焊接完成后超高纯铜靶材表面进行酸蚀，洗涤干燥后观察晶粒是否长大，超高纯铜靶材表面并没有出现晶粒异常增大。
对比例1
本对比例提供了一种热等静压扩散焊接的方法，除未设置垫板，使金属包套直接作用于靶材外，其余均与实施例1相同。
对焊接完成后超高纯铜靶材表面进行酸蚀，洗涤干燥后观察晶粒是否长大，由图3可知，超高纯铜靶材表面出现晶粒异常增大现象。
综上所述，本发明通过在靶材顶部设置垫板，通过垫板将靶材与背板进行热等静压扩散焊接，克服了包套直接作用于靶材造成的靶材局部出现晶粒异常增大的缺陷，从而保证了靶材与背板的扩散焊接质量，保证了磁控溅射的效果。
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 (12)

1.一种热等静压扩散焊接的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)将靶材、背板与垫板的组合放置于金属包套中；
(2)金属包套抽真空密封后，进行热等静压处理；
步骤(1)所述靶材、背板与垫板的组合中，靶材位于背板与垫板之间；
步骤(2)所述热等静压处理时，靶材在垫板压力作用下与背板扩散焊接。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述靶材为铜靶材。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述的靶材为纯度为6N以上的超高纯铜靶材。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述背板为铜合金背板。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述铜合金背板包括CuZn合金背板和/或CuCr合金背板。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述背板设置有与靶材配套的凹槽，凹槽的深度低于靶材的厚度。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述背板的焊接面设置有螺纹，螺纹深度为0.1-0.15mm，螺距为0.15-0.25mm。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述垫板的材质包括铜、铜合金或不锈钢中的任意一种。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述垫板的直径与背板的直径相同，垫板的厚度为7-10mm。
10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述金属包套抽真空后，金属包套内的真空度为0.001Pa以下。
11.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述热等静压处理的温度为250-270℃；热等静压处理的压力为95-105MPa；热等静压处理的时间为3-5h。
12.根据权利要求1-11任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
(1)将超高纯铜靶材、铜合金背板与垫板的组合放置于金属包套中；
(2)金属包套抽真空至真空度0.001Pa以下，然后进行密封，并在250-270℃以及95-105MPa的条件下进行热等静压处理3-5h；
步骤(1)所述超高纯铜靶材、铜合金背板与垫板的组合中，超高纯铜靶材位于铜合金背板与垫板之间；且铜合金背板设置有与超高纯铜靶材配套的凹槽，凹槽的深度低于超高纯铜靶材的厚度；铜合金背板焊接面设置有螺纹深度为0.1-0.15mm、螺距为0.15-0.25mm的螺纹；垫板的直径与铜合金背板的直径相同，垫板的厚度为7-10mm；
步骤(2)所述热等静压处理时，超高纯铜靶材在垫板压力作用下与铜合金背板扩散焊接。
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