CN112475505A - 一种靶材与背板的焊接结构及焊接方法 - Google Patents

一种靶材与背板的焊接结构及焊接方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种靶材与背板的焊接方法，包括以下步骤：提供靶材与背板，背板具有凹槽，凹槽的焊接面为螺旋沟槽结构；对靶材和背板进行激光清洗；将靶材放入背板的凹槽内并整体置于包套内整体置于包套内，对包套进行密封及真空处理；将抽真空后的包套进行热等静压处理，将靶材和背板进行焊接；焊接完成后，包套随炉冷却；冷却后去除包套以获得铝靶材组件。通过激光清洗，有效地清除材料表面可溶性杂质与氧化物层，实现靶材与背板直接接触并进行原子间的相互扩散。

Description

一种靶材与背板的焊接结构及焊接方法
技术领域
本发明涉及溅射靶材领域，尤其涉及一种靶材与背板的焊接结构及焊接方法。
背景技术
溅射工艺是以一定能量的粒子(离子或中性原子、分子)，在高真空中经过加速聚集，形成高速度能粒子流，轰击在固体表面上，使固体近表面的原子或分子获得足够大的能量而逸出固体表面，最终沉积于基体表面的工艺。被轰击而逸出表面的原子或分子原材料，称之为溅射靶材。
铝具有优异电导率，易加工，良好的抗电迁徙和抗应力迁徙等一系列优异的物理性能，使其在很多领域特别是高科技产业得到了广泛的应用。在IC制造中，成为金属互连线的主要配套材料。
在CN104588810B的中国专利中，阐述了利用热等静压的方式进行铝材和铝合金背板的扩散焊接方法。其通过在材料的焊接面制造钎料浸润层方式，促进了扩散效果，提高了结合强度。然而钎料熔点高，材料成本高，浸润层的制作工艺步骤复杂，浸润层的层厚与均匀性控制困难，浸润层制作过程中会造成铝材料氧化，并且仍然存在焊接结合度不高，耐高温性能差等问题。
在CN101564793A与CN111155059A的中国专利中，同样阐述了利用热等静压的方式进行铝材和铜材的扩散焊接方法。其采用超声波清洗，酸洗以及真空干燥的方式进行去除表面杂质，从而提高焊接贴合精密度。但是，上述化学清洗方法虽然可有效地清除表面氧化膜层，但是工序繁杂，效率低，化学介质会造成污染的同时，亦会对操作人员的身体健康造成损害。
发明内容
为克服上述缺点，本发明的目的在于提供一种靶材与背板的焊接结构及焊接方法，整体作业工序简单，效率高，满足长期稳定生产，并且最终实现靶材与背板的高强度结合。
为了达到以上目的，本发明采用的技术方案是：一种靶材与背板焊接方法，包括以下步骤：
步骤1、提供靶材与背板，所述背板具有供靶材放置并与靶材匹配的凹槽，所述凹槽的焊接面为螺旋沟槽结构，所述螺旋沟槽结构的沟槽为V形，其上的螺纹的高与间距为0.3mm～0.5mm；
步骤2、对靶材和背板分别进行激光清洗，激光器的输出激光功率为100W～400W，激光波长1064nm，光斑直径为60μm，线光斑为50mm，扫描速度1.2m～3m/min，搭接率50％；
步骤3、将靶材放入背板的凹槽内并整体置于包套内，包套外部环境温度为250℃～300℃，并对包套进行密封及真空处理，包套内的真空度为10-3Pa，进行保温、保压，保温、保压时间为2h；
步骤4、将抽真空后的包套进行热等静压处理，外部环境温度为350℃～400℃，外部环境压强为100MPa～150MPa将靶材和背板进行焊接，保温、保压时间为3h；
步骤5、焊接完成后，包套随炉冷却；冷却后去除包套以获得靶材组件。
进一步来说，所述靶材为圆片状结构，采用纯铝或高纯铝材料，其表面粗糙度Ra≤0.3；平整度≤0.3mm。
进一步来说，所述背板的材料为铝合金或铜合金。
一种靶材与背板的焊接结构，采用纯铝或高纯铝材料的靶材、铝合金或铜合金材料的背板，所述靶材与背板采用权利要求1的焊接方法进行组合。
进一步来说，所述背板上的凹槽深度低于靶材圆片的厚度，两者之间的差值介于1mm～2mm。
与当前的化学清洗等技术相比，本发明通过激光清洗方式，不伤害基体的前提下，可快速地清除材料表面可溶性杂质与氧化物层，实现靶材与背板直接接触并进行原子间的相互扩散。并且生产工序简单，效率高，满足长期稳定生产。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图。
图2为本发明实施例中靶材与背板示意图。
图3为靶材与背板放置包套内进行抽真空处理的结构示意图。
图4为包套进行热等静压处理示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的较佳实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
实施例
参见附图1所示，一种靶材与背板焊接方法，包括以下步骤：
S1、提供靶材与背板，所述背板具有供靶材放置并与靶材匹配的凹槽，所述凹槽的焊接面为螺旋沟槽结构，所述螺旋沟槽结构的沟槽为V形，其上的螺纹的高与间距为0.3mm～0.5mm；
S2、对靶材和背板分别进行激光清洗，激光器的输出激光功率为100W～500W，激光波长1064nm，光斑直径为60μm，线光斑为50mm，扫描速度1.2m～3m/min，
搭接率50％；
S3、将靶材放入背板的凹槽内并整体置于包套内，包套外部环境温度为250℃～300℃，并对包套进行密封及真空处理，包套内的真空度为10-3Pa，进行保温、保压，保温、保压时间为2h；
S4、将抽真空后的包套进行热等静压处理，外部环境温度为350℃～400℃，外部环境压强为100MPa～150MPa将靶材和背板进行焊接，保温、保压时间为3h；
S5、焊接完成后，包套随炉冷却；冷却后去除包套以获得靶材组件。
采用纯铝或高纯铝的胚料，并车削加工成圆片状形成靶材，表面粗糙度Ra≤0.3；平整度≤0.3mm。采用2024铝合金、6061铝合金、QSi1－3铜合金、HSn60－1铜合金中任一种制成背板，并在其上加工成凹槽，背板上的凹槽深度低于靶材的厚度，两者之间的差值介于1mm～2mm；凹槽的槽底为焊接面，其上的螺旋沟槽结构的沟槽可以采用V形槽，螺纹的高与间距为0.3mm～0.5mm，目的是为了增大焊接接触面积。
上述操作是针对原料加工处理，然后将处理好的靶材、背板组装后整体放置到包套内，该包套为金属包套，其材质为不锈钢，包套的厚度2mm～3mm。
一种靶材与背板的焊接结构，采用纯铝或高纯铝材料的靶材、铝合金或铜合金材料的背板，靶材与背板采用上述焊接方法进行组合。
试验1
如图2、图3、图4所示，靶材1为纯铝材质，背板2为2024铝合金，背板2的凹槽采用V形槽，螺纹的高与间距为0.3mm。包套3的厚度为3mm，包套采用不锈钢材质。将加工后的靶材圆片与背板进激光清洗。激光器的输出激光功率为100W，激光波长1064nm，光斑直径为60μm，线光斑为50mm，扫描速度3m/min，搭接率50％。然后将靶材安装在背板上并整体置于包套内，并进行焊接密封。包套的外部环境控制在250℃，并对包套内进行抽真空处理，使包套内部真空度处于10-3Pa以上，保温、保压2小时候进行机械封口，完成包套焊接。然后进行热等静压处理，使包套外部环境温度处于350℃、外部环境压强处于150MPa，并保持上述温度、压强3小时，将靶材、背板焊接在一起。
试验2
靶材为纯铝材质，背板为6061铝合金，背板的凹槽采用V形槽，螺纹的高与间距为0.5mm。包套的厚度为3mm，包套采用不锈钢材质。将加工后的靶材圆片与背板进激光清洗。激光器的输出激光功率为150W，激光波长1064nm，光斑直径为60μm，线光斑为50mm，扫描速度2.7m/min，搭接率50％。将靶材安装在背板上并整体置于包套内，并进行焊接密封。包套的外部环境控制在300℃，并对包套内进行抽真空处理，使包套内部真空度处于10-3Pa，保温、保压2小时候进行机械封口，完成包套焊接。然后进行热等静压处理，使包套外部环境温度处于400℃、外部环境压强处于100MPa，并保持上述温度、压强3小时，将靶材、背板焊接在一起。
试验3
靶材为高纯铝材质，背板为QSi1－3铜合金，背板的凹槽采用V形槽，螺纹的高与间距为0.3mm。包套的厚度为3mm，包套为不锈钢钢材质。将加工后的靶材圆片与背板进激光清洗。激光器的输出激光功率为300W，激光波长1064nm，光斑直径为60μm，线光斑为50mm，扫描速度1.8m/min，搭接率50％。将靶材安装在背板上并整体置于包套内，并进行焊接密封。包套的外部环境控制在250℃，并对包套内进行抽真空处理，使包套内部真空度处于10-3Pa，保温、保压2小时候进行机械封口，完成包套焊接。然后进行热等静压处理，使包套外部环境温度处于350℃、外部环境压强处于150MPa，并保持上述温度、压强3小时，将靶材、背板焊接在一起。
试验4
靶材为高纯铝材质，背板为HSn60－1铜合金，背板的凹槽采用V形槽，螺纹的高与间距为0.5mm。包套的厚度为3mm，包套为不锈钢材质。将加工后的靶材圆片与背板进激光清洗。激光器的输出激光功率为400W，激光波长1064nm，光斑直径为60μm，线光斑为50mm，扫描速度1.2m/min，搭接率50％。将靶材安装在背板上并整体置于包套内，并进行焊接密封。包套的外部环境控制在300℃，并对包套内进行抽真空处理，使包套内部真空度处于10-3Pa，保温、保压2小时候进行机械封口，完成包套焊接。然后进行热等静压处理，使包套外部环境温度处于400℃、外部环境压强处于100MPa，并保持上述温度、压强3小时，将靶材、背板焊接在一起。
申请人还对本发明的靶材和背板的焊接工艺所得的焊缝进行检测，检测数据如下：
实验组1－4为采用本发明的靶材和背板的焊接工艺，选取背板的凹槽深度为6mm、靶材的厚度为7mm进行焊接，焊接结束后利用超声波扫描成像探伤仪进行焊接结合度检测，并通过拉伸试验对结合强度进行评价。结果如下表1所示：
项目 试验组1 试验组2 试验组3 试验组4
焊接结合度 99.6％ 99.2％ 99.7％ 99.7％
拉伸强度 64MPa 65MPa 52MPa 55MPa
由上表1可以看出，采用本发明的靶材和背板的焊接螺纹紧密贴合，焊接质量良好，具有原子扩散程度高，靶材无变形等特点。其焊接结合率可达99％以上，其拉伸强度可达50MPa以上。结果表明，采用本发明所述的材料焊接方法，所得靶材和背板的焊接性能十分可靠。
以上实施方式只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人了解本发明的内容并加以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，凡根据本发明精神实质所做的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims (6)

1.一种靶材与背板焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、提供靶材与背板，所述背板具有供靶材放置并与靶材匹配的凹槽，所述凹槽的焊接面为螺旋沟槽结构，所述螺旋沟槽结构的沟槽为V形，其上的螺纹的高与间距为0.3mm～0.5mm；
步骤2、对靶材和背板分别进行激光清洗，激光器的输出激光功率为100W～400W，激光波长1064nm，光斑直径为60μm，线光斑为50mm，扫描速度1.2m～3m/min，搭接率50％；
步骤3、将靶材放入背板的凹槽内并整体置于包套内，包套外部环境温度为250℃～300℃，并对包套进行密封及真空处理，包套内的真空度为10-3Pa，进行保温、保压，保温、保压时间为2h；
步骤4、将抽真空后的包套进行热等静压处理，外部环境温度为350℃～400℃，外部环境压强为100MPa～150MPa将靶材和背板进行焊接，保温、保压时间为3h；
步骤5、焊接完成后，包套随炉冷却；冷却后去除包套以获得靶材组件。
2.根据权利要求1所述的靶材与背板焊接方法，其特征在于：所述靶材为圆片状结构，采用纯铝或高纯铝材料，其表面粗糙度Ra≤0.3；平整度≤0.3mm。
3.根据权利要求1所述的靶材与背板焊接方法，其特征在于：所述背板的材料为铝合金或铜合金。
4.根据权利要求1所述的靶材与背板焊接方法，其特征在于：所述背板上的凹槽深度低于靶材圆片的厚度，两者之间的差值介于1mm～2mm。
5.一种靶材与背板的焊接结构，其特征在于：采用纯铝或高纯铝材料的靶材、铝合金或铜合金材料的背板，所述靶材与背板采用权利要求1的焊接方法进行组合。
6.根据权利要求5所述的焊接方法，其特征在于：所述背板上的凹槽深度低于靶材圆片的厚度，两者之间的差值介于1mm～2mm。
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