CN111014930A - 一种钨靶材组件两步热等静压扩散焊接方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于磁控溅射靶材制造技术领域的一种钨靶材组件两步热等静压扩散焊接方法。所述焊接方法，以钨靶坯与Al中间层先进行热等静压扩散焊接，然后再将其与铜背板进行第二次热等静压扩散焊接，最终获得钨靶材组件，所述钨靶材组件的钨靶坯‑Al中间层焊接面的焊接强度≥125MPa，Al中间层‑铜背板焊接面的焊接强度≥65MPa，两个焊接面的焊合率均>99.5％，焊接后靶材的整体变形程度小，并且适用于大功率的溅射机台，保证溅射过程中不会脱焊、掉靶。

Description

一种钨靶材组件两步热等静压扩散焊接方法
技术领域
本发明属于磁控溅射靶材制造技术领域，尤其涉及一种钨靶材组件两步热等静压扩散焊接方法。
背景技术
高纯钨靶广泛应用于先进存储芯片制造，是3D NAND flash、DRAM等先进存储芯片制造关键材料。在栅极金属堆垛层中，形成WN/W，维持较低的栅极堆垛电阻率，且WN作为关键的阻挡层，可阻止W与多晶硅之间的反应。当前先进存储芯片内钨膜层主要采用磁控溅射钨靶进行沉积制备，在溅射镀膜过程中，高速粒子对靶材表面轰击刻蚀，若热量得不到有效传导，靶材表面温度会急剧升高，因此需要在其背面焊接背板来快速传导热量。通常使用的背板有Cu合金背板及Al合金背板，但由于W靶材用于大功率溅射镀膜，因此需要强度更高的Cu合金背板来传导热量。随着先进存储芯片的集成度日益提高、器件逐渐微型化、线宽减小，溅射功率的提高对钨靶材与Cu合金背板的焊接强度提出了更高的需求。扩散焊接具有焊合率高、焊接强度高等优点，保证靶材整体强度及良好导电导热性能，防止靶材脱焊甚至掉靶，特别适用于大功率、高效率溅射镀膜用靶材。而钨靶坯与铜合金背板间物理性能差异大，扩散焊接时热应力较大不易释放，导致靶材整体变形大、甚至碎裂。
现在常用的钨靶材热等静压扩散焊接方式大多为一步成型的方式，通过添加Al中间层进行过渡，适当释放焊接热应力，防止扩散焊接后发生撕裂的现象。但由于W靶坯、铜背板与Al中间层之间的物性差异巨大，通过一次热等静压直接焊接加Al中间层的钨靶坯与铜背板的方式，无法同时保证W靶坯-Al中间层和Al中间层-铜背板两个焊接面都具有较高的焊接强度。通常是一个焊接面的焊接强度较高，另外一个焊接面的焊接强度较低。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种钨靶材组件两步热等静压扩散焊接方法，包括如下步骤：
S1、对钨靶坯及Al中间层进行第一步热等静压扩散焊接形成W靶坯-Al中间层；
S2、对钨靶坯-Al中间层和铜背板进行第二步热等静压扩散焊接获得钨靶材组件；
所述钨靶材组件的钨靶坯-Al中间层焊接面的焊接强度≥125MPa，Al中间层-铜背板焊接面的焊接强度≥65MPa，两个焊接面的焊合率>99.5％。
一种钨靶材组件两步热等静压扩散焊接方法，包括以下步骤：
1)准备原材料钨靶坯、铜背板及Al中间层；
2)将步骤1)中的W靶坯及铜背板进行机械加工，并对机械加工后的W靶坯、铜背板和Al中间层进行超声波清洗，从而提高钨靶坯、Al中间层及铜背板之间的焊接结合能力；
3)将步骤2)机械加工后的钨靶坯和Al中间层放入不锈钢包套或Al包套中进行除气封焊；
4)将步骤3)的钨靶坯和Al中间层进行第一步热等静压扩散焊接，获得钨靶坯-Al中间层；
5)将步骤4)的钨靶坯-Al中间层进行机械加工去除包套，然后进行超声波清洗；
6)将步骤5)清洗后的钨靶坯-Al中间层和步骤2)的铜背板放置入不锈钢包套或Al包套中进行除气封焊；
7)将步骤6)的钨靶坯-Al中间层和铜背板进行第二步热等静压扩散焊接，得到钨靶坯-Al中间层-铜背板；
8)将步骤7)的钨靶坯-Al中间层-铜背板进行机械加工去除包套，最终获得钨靶材组件。
所述热等静压扩散焊接过程在热等静压炉中进行。
所述第一步热等静压扩散焊接过程，焊接温度为450℃～550℃，压力为100～150MPa，时间为2～4h。
所述第二步热等静压扩散焊接过程，焊接温度为300℃～400℃，压力为100～150MPa，时间为2～4h。
本发明的有益效果在于：
1.同时保证两个焊接面的焊接强度：两步法进行热等静压扩散焊接可分别采用适合W靶坯-Al中间层和Al中间层-铜背板的焊接条件进行焊接，使W靶坯-Al中间层和Al中间层-铜背板两个焊接面同时获得较高的焊接强度。
2.变形小：两步法进行热等静压扩散焊接可降低Al中间层-铜背板焊接温度，从而减小焊接后靶材整体的变形情况。
3.适用于大功率的溅射机台，保证溅射过程中不会脱焊、掉靶。
附图说明
图1为本发明所述钨靶材两步热等静压扩散焊接方法流程图；
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
实施例1～9
1.准备所需要的钨靶坯、铜背板及Al中间层。
2.机械加工：将钨靶坯及铜背板进行机械加工，从而提高钨靶坯、Al中间层及铜背板之间的焊接结合能力。
3.清洗：将机械加工后的钨靶坯和Al中间层进行超声波清洗。
4.除气封焊：将清洗后的钨靶坯和Al中间层放置入Al包套中进行除气封焊。
5.第一步热等静压扩散焊接：将除气封焊后的钨靶坯、Al中间层样品放入热等静压炉中进行热等静压扩散焊接，焊接温度为450℃～550℃，焊接压力为100～150MPa，时间为2～4h。获得热等静压扩散焊接后的钨靶坯-Al中间层组件。
6.机械加工：将钨靶坯-Al中间层焊接组件进行机械加工去除包套。
7.清洗：将去除包套后的钨靶坯-Al中间层焊接组件及机械加工后的铜背板进行超声波清洗。
8.除气封焊：将所清洗后的钨靶坯-Al中间层焊接组件及铜背板放置入Al包套中进行除气封焊。
9.第二步热等静压扩散焊接：将除气封焊的钨靶坯-Al中间层焊接组件及铜背板放入热等静压炉中进行热等静压扩散焊接，焊接温度为300℃～400℃，焊接压力为100～150MPa，时间为2～4h。最终获得热等静压扩散焊接后的钨靶坯-Al中间层-铜背板复合组件。
10.机械加工：将所获得的钨靶坯-Al中间层-铜背板复合组件进行机械加工去除包套，最终获得钨靶材热等静压扩散焊接组件。
对比例1
1.准备所需要的钨靶坯、铜背板及Al中间层。
2.机械加工：将钨靶坯及铜背板进行机械加工，从而提高钨靶坯、Al中间层及铜背板之间的焊接结合能力。
3.清洗：将机械加工后的钨靶坯、铜背板及Al中间层进行超声波清洗。
4.除气封焊：将清洗后的钨靶坯、铜背板和Al中间层按照从上至下依次为钨靶坯、Al中间层、铜背板的顺序放置入Al包套中进行除气封焊。
5.热等静压扩散焊接：将除气封焊后的钨靶坯-Al中间层-铜背板样品放入热等静压炉中进行热等静压扩散焊接，焊接温度为550℃，焊接压力为100MPa，时间为4h。获得热等静压扩散焊接后的钨靶坯-Al中间层-铜背板组件。
6.机械加工：将钨靶坯-Al中间层-铜背板组件进行机械加工去除包套，最终获得钨靶材热等静压扩散焊接组件。
对比例2
1.准备所需要的钨靶坯、铜背板及Al中间层。
2.机械加工：将钨靶坯及铜背板进行机械加工，从而提高钨靶坯、Al中间层及铜背板之间的焊接结合能力。
3.清洗：将机械加工后的钨靶坯、铜背板及Al中间层进行超声波清洗。
4.除气封焊：将清洗后的钨靶坯、铜背板和Al中间层按照从上至下依次为钨靶坯、Al中间层、铜背板的顺序放置入Al包套中进行除气封焊。
5.热等静压扩散焊接：将除气封焊后的钨靶坯-Al中间层-铜背板样品放入热等静压炉中进行热等静压扩散焊接，焊接温度为300℃，焊接压力为100MPa，时间为4h。获得热等静压扩散焊接后的钨靶坯-Al中间层-铜背板组件。
6.机械加工：将钨靶坯-Al中间层-铜背板组件进行机械加工去除包套，最终获得钨靶材热等静压扩散焊接组件。
实施例1～9及对比例1、2中W靶材主要焊接工艺及性能结果见表1。表1实施例及对比例W靶材主要焊接工艺及性能
Figure BDA0002331025500000041

Claims (5)

1.一种钨靶材组件两步热等静压扩散焊接方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、对钨靶坯及Al中间层进行第一步热等静压扩散焊接形成W靶坯-Al中间层；
S2、对钨靶坯-Al中间层和铜背板进行第二步热等静压扩散焊接获得钨靶材组件；
所述钨靶材组件的钨靶坯-Al中间层焊接面的焊接强度≥125MPa，Al中间层-铜背板焊接面的焊接强度≥65MPa，两个焊接面的焊合率>99.5％。
2.根据权利要求1所述一种钨靶材组件两步热等静压扩散焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)准备原材料钨靶坯、铜背板及Al中间层；
2)将步骤1)中的W靶坯及铜背板进行机械加工，并对机械加工后的W靶坯、铜背板和Al中间层进行超声波清洗，从而提高钨靶坯、Al中间层及铜背板之间的焊接结合能力；
3)将步骤2)机械加工后的钨靶坯和Al中间层放入不锈钢包套或Al包套中进行除气封焊；
4)将步骤3)的钨靶坯和Al中间层进行第一步热等静压扩散焊接，获得钨靶坯-Al中间层；
5)将步骤4)的钨靶坯-Al中间层进行机械加工去除包套，然后进行超声波清洗；
6)将步骤5)清洗后的钨靶坯-Al中间层和步骤2)的铜背板放置入不锈钢包套或Al包套中进行除气封焊；
7)将步骤6)的钨靶坯-Al中间层和铜背板进行第二步热等静压扩散焊接，得到钨靶坯-Al中间层-铜背板；
8)将步骤7)的钨靶坯-Al中间层-铜背板进行机械加工去除包套，最终获得钨靶材组件。
3.根据权利要求1或2所述焊接方法，其特征在于，所述热等静压扩散焊接过程在热等静压炉中进行。
4.根据权利要求1或2所述焊接方法，其特征在于，所述第一步热等静压扩散焊接过程，焊接温度为450℃～550℃，压力为100～150MPa，时间为2～4h。
5.根据权利要求1或2所述焊接方法，其特征在于，所述第二步热等静压扩散焊接过程，焊接温度为300℃～400℃，压力为100～150MPa，时间为2～4h。
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