CN112643188B - 一种靶材和背板的真空扩散接合方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种靶材和背板的真空扩散接合方法，特点是包括以下步骤：1)将内置加热装置的金属包套整体预热到300‑400℃，然后放置在液压机机床上；2)将背板插入到金属包套的凹槽中，将靶材置于背板上表面中央，再在靶材上表面放置压块；3)将安装在液压机的机床上部的排气容器下降直至排气容器底部的橡胶密封圈压到液压机的机床内下部的压台上，将排气容器进行抽真空或充入惰性气体置换空气或者充入氢气置换空气；4)将靶材和背板加热到400‑700℃，在压块上表面施加压力，在该温度和压力下保持一段时间，取出接合率达99％以上的背板和靶材，即完成背板和靶材的真空扩散接合，优点是能避免接合面被氧化，进一步提高接合率。

Description

一种靶材和背板的真空扩散接合方法
技术领域
本发明涉及一种靶材和背板的真空扩散接合方法。
背景技术
在半导体工业中，靶材组件是由符合溅射性能的靶材(TG)和与所述靶材结合、具有一定强度的背板(BP)构成。背板可以在所述靶材组件装配至溅射机台中起到支撑作用，并具有传导热量的功效。金属靶材用于半导体和电子设备等的薄膜形成，真空扩散接合方法用于金属靶材与Al合金或Cu及Cu合金背板的接合。为提高生产力，提高薄膜形成的速度，采用高电压。由此产生的问题是，用焊料进行接合的靶材会发生剥离问题。
为了解决这个问题，常规采用热等静压技术(HIP)或热压(HP)的扩散接合法。但是，HIP或HP除了设备成本高和占用面积大以外，还存在以下问题。采用HIP的情况下，将接合体封装在金属容器中，将内部加热到预定温度的同时进行抽真空，密封后需要进行加热及加压处理，HIP前的处理也需要很多的工序和成本。另外，尽管可以使用大型HIP实现批量生产，但由于需要保持相同的处理温度和加压力，因此该方法不适用于对不同材料一起进行处理。采用HP的情况下，一次可处理的枚数仅为1-2枚左右，并且加热至预定温度和冷却所需的时间长，生产率低。因此，需要一种成本低，且能适用于小批量多品种的高效率制备方法。
作为不使用HIP或HP的制备方法，在液压机上装上加热板，把预先被预热的TG和BP进行接合的方法。由于上述方法是在大气中进行的，因此存在靶材发生氧化的问题。低密度靶材会出现内部氧化而导致质量劣化的问题。另外，即使是高密度靶材，也需要在接合后通过处理来去除氧化层。材料成品率的降低会导致成本上升，并且残留的氧化层会导致质量劣化的问题。
常规在大气气氛中的接合方法，对加热后的TG和BP进行高压加压，当BP为Al合金或Cu及Cu合金时，会发生软化变形，接合率为90-96％，低于一般扩散接合要求的98％。另外，该变形会引起TG中心部和外周部的厚度不同，厚度对应的累积使用时间减少，不仅仅是TG，BP也会被溅射。针对这些问题，尽管提出了使用热模方式的扩散接合法，但是即使在这种情况下，也会出现接合面被氧化接合率降低的问题，以及TG发生氧化，在加工量增加或低密度的情况下，会出现内部发生氧化的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种能避免接合面被氧化导致接合率降低的靶材和背板的真空扩散接合方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种靶材和背板的真空扩散接合方法，包括以下步骤：
(1)将内置加热装置的金属包套整体预热到300-400℃，然后放置在液压机的机床上；
(2)将背板插入到金属包套的凹槽中，将靶材置于背板上表面中央，再在靶材上表面放置压块；
(3)将安装在液压机的机床上部的排气容器下降直至排气容器底部的橡胶密封圈压到液压机的机床内下部的压台上，将排气容器进行抽真空或充入惰性气体置换空气或者充入氢气置换空气；
(4)将靶材和背板加热到400-700℃，在压块上表面施加3-10kg/mm2的压力，在该温度和压力下保持60分钟，将排气容器继续进行抽真空直至压力变为10Pa以下，取出背板和靶材，通过采用超声波探伤仪检查接合层的缺陷，背板与靶材接合率可达99％以上，并且具有金属光泽，没有铜特有的黑色氧化情况出现。
优选的，步骤(3)和(4)中抽真空具体为：将排气容器进行抽真空，压力达到100Pa以下后，开始加热，在压块上加压力期间继续进行真空排气，使压力达到10Pa以下。
优选的，步骤(3)和(4)中充入惰性气体置换空气具体为：将排气容器进行抽真空，压力达到1Pa以下后通入惰性气体，调整惰性气体的流量使内部压力维持在10Pa，开始加热，在压块上加压力期间继续通入惰性气体维持内部压力在10Pa。
优选的，步骤(3)和(4)中充入氢气置换空气具体为：将排气容器进行抽真空，压力达到1Pa以下后通入氢气，调整氢气的流量使内部压力维持在10Pa，开始加热，在压块上加压力期间继续通入氢气维持内部压力在10Pa。
优选的，步骤(4)中施加压力为3-10kg/mm2的压力，时间为60分钟。
优选的，所述的靶材为铝及铝合金、铜及铜合金、钛、镍及镍合金、钽及钽合金、钨及钨合金，所述的背板为铝合金、铜及铜合金。
优选的，所述的金属包套由低热膨胀及高强度的不锈钢或者铁质材料构成。
与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明一种靶材和背板的真空扩散接合方法，针对Φ300以上的大直径靶材接合时，通过使用热模以防止加压时BP的变形，并且进一步通过将模具抽真空或通入惰性气体，以防止因为氧化导致接合率降低的问题，对于小批量多品种的生产也可以实现低成本。
附图说明
图1为本发明靶材和背板的真空扩散接合方法示意图，其中1-加热装置，2-金属包套，3-背板，4-靶材，5-压块，6-机床，7-排气容器，8-橡胶密封圈。
具体实施方式
以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。
实施例1
一种靶材4和背板3的真空扩散接合方法，如图1所示，包括以下步骤：
(1)将内置加热装置1的金属包套2整体预热到400℃，然后放置在液压机的机床6上；
(2)选择外径为440mm的纯铜靶材4，背板3材料为CuNiSi合金，将背板3插入到金属包套2的凹槽中，将靶材4置于背板3上表面中央，再在靶材4上表面放置压块5；
(3)将安装在液压机的机床6上部的排气容器7下降直至排气容器7底部的橡胶密封圈8压到液压机的机床6内下部的压台上，使排气容器7套设在金属包套2外周且保持排气容器7内部的气密性；将排气容器7进行抽真空，压力达到100Pa以下后，开始加热；
(4)将靶材4和背板3加热到500℃，在压块5上表面施加8kg/mm2的压力，在该温度和压力下保持60分钟，将排气容器7继续进行抽真空直至压力变为10Pa以下，取出背板3和靶材4，通过采用超声波探伤仪检查接合层的缺陷，背板3与靶材4接合率可达99％以上，并且具有金属光泽，没有铜特有的黑色氧化情况出现。
上述靶材4可以为铝及铝合金、铜及铜合金、钛、镍及镍合金、钽及钽合金、钨及钨合金，背板3可以为铝合金、铜及铜合金。金属包套2由低热膨胀及高强度的不锈钢或者铁质材料构成。
实施例2
同上述实施例1，其区别在于：
(1)将内置加热装置1的金属包套2整体预热到400℃，然后放置在液压机的机床6上；
(2)选择外径为400mm的镍靶材4，背板3材料为Cu，将背板3插入到金属包套2的凹槽中，将靶材4置于背板3上表面中央，再在靶材4上表面放置压块5；
(3)将安装在液压机的机床6上部的排气容器7下降直至排气容器7底部的橡胶密封圈8压到液压机的机床6内下部的压台上，将排气容器7进行抽真空，压力达到1Pa以下后通入氢气，调整氢气的流量使内部压力为10Pa，开始加热；
(4)将靶材4和背板3加热到400℃，在压块5上表面施加3kg/mm2的压力，在该温度和压力下保持60分钟，在压块上加压力期间继续通入氢气维持内部压力在10Pa，取出背板3和靶材4，通过采用超声波探伤仪检查接合层的缺陷，背板3与靶材4接合率可达99％以上，并且具有金属光泽，没有铜特有的黑色氧化情况出现。
实施例3
同上述实施例1，其区别在于：
(1)将内置加热装置1的金属包套2整体预热到400℃，然后放置在液压机的机床6上；
(2)选择外径为350mm的钨靶材4，背板3材料为Cu，将背板3插入到金属包套2的凹槽中，将靶材4置于背板3上表面中央，再在靶材4上表面放置压块5；
(3)将安装在液压机的机床6上部的排气容器7下降直至排气容器7底部的橡胶密封圈8压到液压机的机床6内下部的压台上，将先对排气容器7进行抽真空，压力达到1Pa以下后通入氩气，调整氩气的流量使内部压力为10Pa，开始加热；
(4)将靶材4和背板3加热到700℃，在压块5上表面施加10kg/mm2的压力，在该温度和压力下保持60分钟，在压块上加压力期间继续通入氩气维持内部压力在10Pa，取出背板3和靶材4，通过采用超声波探伤仪检查接合层的缺陷，背板3与靶材4接合率可达99％以上，并且具有金属光泽，没有铜特有的黑色氧化情况出现。
上述说明并非对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例。本技术领域的普通技术人员在本发明的实质范围内，做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种靶材和背板的真空扩散接合方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)将内置加热装置的金属包套整体预热到300-400℃，然后放置在液压机的机床上；
(2)将背板插入到金属包套的凹槽中，将靶材置于背板上表面中央，再在靶材上表面放置压块；
(3)将安装在液压机的机床上部的排气容器下降直至排气容器底部的橡胶密封圈压到液压机的机床内下部的压台上，将排气容器进行抽真空或充入惰性气体置换空气或者充入氢气置换空气；
(4)将靶材和背板加热到400-700℃，在压块上表面施加压力，在该温度和压力下保持一段时间，加压力期间将排气容器继续进行抽真空或者充入惰性气体或氢气，取出接合率达99％以上的背板和靶材，即完成背板和靶材的真空扩散接合，其中所述的抽真空具体为：将排气容器进行抽真空，压力达到100Pa以下后，开始加热，在压块上加压力期间继续进行真空排气，使压力达到10Pa以下；所述的充入惰性气体置换空气具体为：将排气容器进行抽真空，压力达到1Pa以下后通入惰性气体，调整惰性气体的流量使内部压力为10Pa，开始加热，在压块上加压力期间继续通入惰性气体使内部压力为10Pa；所述的充入氢气置换空气具体为：将排气容器进行抽真空，压力达到1Pa以下后通入氢气，调整氢气的流量使内部压力为10Pa，开始加热，在压块上加压力期间继续通入氢气维持内部压力为10Pa。
2.根据权利要求1所述的一种靶材和背板的真空扩散接合方法，其特征在于步骤(4)中施加压力为3-10kg/mm2的压力。
3.根据权利要求1所述的一种靶材和背板的真空扩散接合方法，其特征在于步骤(4)中施加压力时间为60分钟。
4.根据权利要求1所述的一种靶材和背板的真空扩散接合方法，其特征在于：所述的靶材为铝及铝合金、铜及铜合金、钛、镍及镍合金、钽及钽合金、钨及钨合金，所述的背板为铝合金、铜及铜合金。
5.根据权利要求1所述的一种靶材和背板的真空扩散接合方法，其特征在于：所述的金属包套由低热膨胀及高强度的不锈钢或者铁质材料构成。
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