CN113894401A - 一种超高纯铜靶材组件低温扩散焊接的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种超高纯铜靶材组件低温扩散焊接的方法，所述方法包括以下步骤：对超高纯铜靶材的焊接面进行预处理；对铜合金背板的焊接面进行车削螺纹；所述螺纹的间距为0.2‑0.45mm，所述螺纹的深度为0.1‑0.15mm；将处理后的超高纯铜靶材以及铜合金背板进行装配，然后经真空包装后放入包套内进行脱气处理；所述脱气处理后进行扩散焊接，然后冷却，得到超高纯铜靶材组件；通过在背板焊接面车削螺纹，并进一步控制螺纹尺寸，实现在较低的温度下将超高纯铜靶材和铜合金背板焊接在一起，且保证了超高纯铜靶材的晶粒尺寸、导电、导热性能以及焊接强度。
Description
技术领域
本发明属于铜靶材制备技术领域，具体涉及一种超高纯铜靶材组件低温扩散焊接的方法。
背景技术
随着超大规模集成电路的飞速发展，半导体用芯片尺寸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，传统的铝及铝合金互连线已经不能够满足超大规模集成电路工艺制程的需求。与铝相比，铜具有更高的抗电迁移能力和更高的电导率，尤其是超高纯铜(纯度≥6N),对于降低芯片互连线电阻、提高其运算速度具有重要意义。
超高纯铜靶材由于其优良的导电是半导体芯片制造常用的导线制造材料，一方面由于其硬度较低(60HV-65HV)，另一方面由于其成本相对较高，故需要与另一种强度相对较高的铜合金背板材料焊接在一起。铜合金背板一方面在溅射机台上起支撑作用，另一方面还具有优异的导热、导电效果。
CN101579782A公开了一种铜靶材坯料与铜合金背板的焊接方法，包括提供铜靶材坯料和铜合金背板，将铜靶坯料和铜合金背板放置入真空包套送入焊接设备，采用热等静压工艺进行扩散焊接，将铜靶材坯料焊接至铜合金背板形成靶材组件，完成焊接后，进行空冷并拆除真空包套取出靶材组件。该焊接方法采用的是HIP扩散焊接技术，通过机加工使得靶材以及背板表面的光洁度达到0.2μm-3.2μm，由此形成的焊接层较薄，焊接效果不佳，且HIP技术生产效率较低、生产成本较高。此外，热等静压技术是一种利用热等静压机在高温高压密封容器中，以高压惰性气体为介质，对其中的粉末或待压实的烧结坯料或异种金属施加各向均等静压力来制备高致密度坯料或零件的方法。而由于超高纯铜再结晶温度较低，在高温、高压下晶粒极其容易长大，从而会对晶圆的线宽及均匀性产生不利影响。因此，需要在保证焊接质量的条件下，开发一种低温焊接的方法。
CN101648303A公开了一种靶材与背板的焊接方法，包括：提供铜靶材和背板；在铜靶材的焊接面上形成金属中间层；在背板的焊接面上添加钎料；进行钎焊加热熔化钎料将铜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，并进行机械加工去除多余的钎料。该焊接方法虽然通过金属中间层改善了焊接工件与钎料难以浸润的问题，但是钎焊方法仍然存在焊接结合度不高、耐高温性能差的问题。
综上所述，提供一种在保证焊接强度的同时可提高生产效率高、降低生产成本的焊接方法具有重要的意义。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种超高纯铜靶材组件低温扩散焊接的方法，所述方法通过在背板焊接面车削螺纹，并进一步控制螺纹尺寸，实现在较低的温度下将超高纯铜和铜合金焊接在一起，且保证了超高纯铜靶材的晶粒尺寸、导电、导热性能以及焊接强度。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种超高纯铜靶材组件低温扩散焊接的方法，所述方法包括以下步骤：
(1)对超高纯铜靶材的焊接面进行预处理；对铜合金背板的焊接面进行车削螺纹；
所述螺纹的间距为0.2-0.45mm，例如0.2mm、0.25mm、0.3mm、0.35mm、0.4mm或0.45mm等；所述螺纹的深度为0.1-0.15mm，例如0.1mm、0.11mm、0.12mm、0.13mm、0.14mm或0.15mm等，上述数值的选择并不仅限于所列举的数值，在各自的数值范围内其他未列举的数值同样适用；
(2)将步骤(1)中处理后的超高纯铜靶材以及铜合金背板进行装配，然后经真空包装后放入包套内进行脱气处理；
(3)步骤(2)所述脱气处理后进行扩散焊接，然后冷却，得到超高纯铜靶材组件。
本发明中，低温焊接是相较于常规的热等静温度而言的，这里指低于220℃。
本发明中，所述方法通过在铜合金背板车削螺纹，且无需铺设铜粉，实现了在较低的温度下将超高纯铜和铜合金焊接在一起，且保证了焊接强度与靶材组件的质量。由于在低温高压下超高纯铜靶材和铜合金背板并未形成冶金结合，而是机械连接，所以螺纹尺寸对于超高纯铜靶材焊接质量也至关重要。若螺纹间距过大，会降低焊接时的接触面积，进而影响焊接强度；若螺纹间距过小，则会导致焊接时不易咬合，从而影响焊接强度；若螺纹深度过深，螺牙容易被压弯；若螺纹深度过浅，则会则会影响焊接时咬合深度进而影响焊接强度。
以下作为本发明优选的技术方案，但不作为本发明提供的技术方案的限制，通过以下技术方案，可以更好地达到和实现本发明的技术目的和有益效果。
作为本发明优选的技术方案，步骤(1)所述预处理包括采用金刚石刀具进行车削。
优选地，所述车削后，所述超高纯铜靶材焊接面的粗糙度不大于0.8μm，例如0.55μm、0.6μm、0.65μm、0.7μm、0.75μm或0.8μm等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述铜合金背板的材质包括铜锌合金或铜铬合金。
优选地，所述铜合金背板上设置有凹槽，所述凹槽的底面为焊接面。
本发明中，超高纯铜靶材的尺寸能够刚好放入背板的凹槽之中实现适配。
作为本发明优选的技术方案，进行步骤(2)所述装配之前，对车削螺纹后的铜合金背板依次进行清洁处理和干燥。
作为本发明优选的技术方案，所述清洁处理包括依次进行地除锈处理与清洗。
优选地，所述除锈处理采用钢丝刷进行。
优选地，所述除锈处理的具体操作包括：用钢丝刷沿着铜合金背板车削螺纹的方向进行清理。
优选地，所述清洗包括超声清洗。
优选地，所述超声清洗的清洗剂包括异丙醇。
优选地，所述超声清洗的时间为20-30min，例如20min、22min、24min、26min、28min或30min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，所述干燥的方式包括真空干燥。
优选地，所述真空干燥的时间为60-80℃，例如60℃、65℃、70℃、75℃或80℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述真空干燥的压力不超过10-2Pa，例如10-3Pa、2×10-3Pa、4×10-3Pa、6×10-3Pa、8×10-3Pa或10-2Pa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述真空干燥的时间为60-80min，例如60min、65min、70min、75min或80min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述包套的材质包括铝合金。
本发明中，选择铝合金包套便于扩散焊接时力的传递；且铝合金材质焊接性能较好且在扩散焊接时不易与铜及铜合金发生反应。此外，成本较低，便于工业化生产。
作为本发明优选的技术方案，步骤(2)所述真空包装的时间不超过5min，例如1min、2min、3min、4min或5min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述脱气处理的温度为150-200℃，例如150℃、160℃、170℃、180℃、190℃或200℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述脱气处理的时间为3-5h，例如3h、3.5h、4h、4.5h或5h等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，步骤(2)所述脱气后包套内压力不超过10-3Pa，例如10-4Pa、2×10-4Pa、4×10-4Pa、6×10-4Pa、8×10-4Pa或10-3Pa等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
作为本发明优选的技术方案，步骤(3)所述扩散焊接采用油压机进行。
优选地，所述扩散焊接的压力为2000-3000吨，例如2000吨、2200吨、2400吨、2600吨、2800吨或3000吨等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
与热等静压利用压缩气体膨胀作用于待焊接产品实现焊接的技术相比，本发明采用油压机通过轴向力直接作用于产品进行扩散焊接，有利于提升靶材组件的生产效率以及焊接强度。
优选地，所述扩散焊接的温度为180-220℃，例如180℃、190℃、200℃、210℃或220℃等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
本发明中，扩散焊接的温度对超高纯铜靶材的晶粒尺寸具有重要的影响。若温度过低，超高纯铜靶材的焊接性能变差，不利于焊接，且会导致靶材的晶粒再结晶不均匀；若温度过高，则会导致晶粒过分长大，不满足溅射性能。
优选地，所述扩散处理的时间为10-20min，例如10min、12min、14min、16min、18min或20min等，但并不仅限于所列举的数值，该数值范围内其他未列举的数值同样适用。
优选地，所述冷却的方式为空冷。
作为本发明优选的技术方案，所述方法包括以下步骤：
(1)对超高纯铜靶材的焊接面采用金刚石刀具进行车削，车削后的粗糙度不大于0.8μm；
对铜合金背板的焊接面车削间距为0.2-0.45mm、深度为0.1-0.15mm的螺纹，然后用钢丝刷沿着车削螺纹的方向进行清理，再用异丙醇进行超声清洗20-30min，洗净后在60-80℃的条件下进行真空干燥60-80min，控制真空干燥的压力在10-2Pa以下；
(2)将步骤(1)中处理后的超高纯铜靶材以及铜合金背板进行装配，然后在5min以内完成真空包装，再将包装好的靶材组件整体放入包套内，在150-200℃的条件进行脱气处理3-5h，脱气后包套内的压力不超过10-3Pa；
(3)步骤(2)所述脱气处理后采用油压机进行扩散焊接，其中，扩散焊接的压力为2000-3000吨，温度为180-220℃，时间为10-20min，然后冷却，得到超高纯铜靶材组件。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明所述方法通过在背板焊接面车削螺纹，并进一步控制螺纹尺寸，无需额外铺设铜粉，即可实现在较低的温度下将超高纯铜和铜合金焊接在一起，极大地提高了生效率，且保证了超高纯铜靶材晶粒尺寸、导电性以及导热性，使焊接强度达120MPa以上，超高纯铜靶材的晶粒尺寸为7.19-11.3μm。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的超高纯铜靶材的装配示意图；
其中，1-超高纯铜靶材，2-铜合金背板，3-包套顶板，4-包套底板。
图2是图1中超高纯铜靶材与铜合金背板焊接面结合部分的结构示意图；
其中，5-螺纹。
具体实施方式
为更好地说明本发明，便于理解本发明的技术方案，下面对本发明进一步详细说明。但下述的实施例仅是本发明的简易例子，并不代表或限制本发明的权利保护范围，本发明保护范围以权利要求书为准。
以下各实施例和对比例所使用的包套材质均为1060铝合金。
以下为本发明典型但非限制性实施例：
实施例1：
本实施例提供了一种超高纯铜靶材组件低温扩散焊接的方法，所述方法包括以下步骤：
提供超高纯铜靶材1(纯度为6N)以及铜合金背板2；所述铜合金背板2的材为铜锌合金，所述铜合金背板2上设置有凹槽，所述凹槽的底面为焊接面；
(1)对超高纯铜靶材1的焊接面采用金刚石刀具进行车削，车削后的粗糙度为0.8μm；
对铜合金背板2的焊接面车削间距为0.3mm、深度为0.15mm的螺纹5，然后用钢丝刷沿着车削螺纹的方向进行清理，再用异丙醇进行超声清洗25min，洗净后在70℃的条件下进行真空干燥70min，控制真空干燥的压力在10-2Pa；
(2)将步骤(1)中处理后的超高纯铜靶材1以及铜合金背板2进行装配，然后用时4min完成真空包装，再将包装好的靶材组件整体放入包套内，在180℃的条件进行脱气处理4h，脱气后包套内的压力为10-3Pa；
(3)步骤(2)所述脱气处理后采用油压机进行扩散焊接，其中，扩散焊接的压力为2500吨，温度为200℃，时间为15min，然后进行空冷，得到超高纯铜靶材组件。
上述方法中，超高纯铜靶材1以及铜合金背板2装配好放入包套后的结构示意图如图1所示。其中，图1中A圈的局部放大图如图2所示。
实施例2：
本实施例提供了一种超高纯铜靶材组件低温扩散焊接的方法，所述方法包括以下步骤：
提供超高纯铜靶材1(纯度为6N)以及铜合金背板2；所述铜合金背板2的材为铜铬合金，所述铜合金背板2上设置有凹槽，所述凹槽的底面为焊接面；
(1)对超高纯铜靶材1的焊接面采用金刚石刀具进行车削，车削后的粗糙度为0.7μm；
对铜合金背板2的焊接面车削间距为0.2mm、深度为0.15mm的螺纹5，然后用钢丝刷沿着车削螺纹的方向进行清理，再用异丙醇进行超声清洗20min，洗净后在60℃的条件下进行真空干燥60min，控制真空干燥的压力在5×10-3Pa；
(2)将步骤(1)中处理后的超高纯铜靶材1以及铜合金背板2进行装配，然后用时4.5min完成真空包装，再将包装好的靶材组件整体放入包套内，在150℃的条件进行脱气处理5h，脱气后包套内的压力为10-3Pa；
(3)步骤(2)所述脱气处理后采用油压机进行扩散焊接，其中，扩散焊接的压力为2000吨，温度为180℃，时间为20min，然后进行空冷，得到超高纯铜靶材组件。
实施例3：
本实施例提供了一种超高纯铜靶材组件低温扩散焊接的方法，所述方法包括以下步骤：
提供超高纯铜靶材1(纯度为6N)以及铜合金背板2；所述铜合金背板2的材为铜铬合金，所述铜合金背板2上设置有凹槽，所述凹槽的底面为焊接面；
(1)对超高纯铜靶材1的焊接面采用金刚石刀具进行车削，车削后的粗糙度为0.7μm；
对铜合金背板2的焊接面车削间距为0.45mm、深度为0.1mm的螺纹5，然后用钢丝刷沿着车削螺纹的方向进行清理，再用异丙醇进行超声清洗30min，洗净后在80℃的条件下进行真空干燥80min，控制真空干燥的压力在7×10-3Pa；
(2)将步骤(1)中处理后的超高纯铜靶材1以及铜合金背板2进行装配，然后用时4min完成真空包装，再将包装好的靶材组件整体放入包套内，在200℃的条件进行脱气处理3h，脱气后包套内的压力为10-3Pa；
(3)步骤(2)所述脱气处理后采用油压机进行扩散焊接，其中，扩散焊接的压力为3000吨，温度为220℃，时间为20min，然后进行空冷，得到超高纯铜靶材组件。
实施例4：
本实施例提供了一种超高纯铜靶材组件低温扩散焊接的方法，所述方法参照实施例2的方法，区别仅在于：扩散焊接的温度为150℃。
实施例5：
本实施例提供了一种超高纯铜靶材组件低温扩散焊接的方法，所述方法参照实施例3的方法，区别仅在于：扩散焊接的温度为250℃。
对比例1：
本对比例提供了一种超高纯铜靶材组件低温扩散焊接的方法，所述方法参照实施例1的方法，区别仅在于：铜合金背板2的焊接面不车削螺纹5。
对比例2：
本对比例提供了一种超高纯铜靶材组件低温扩散焊接的方法，所述方法参照实施例2的方法，区别仅在于：对铜合金背板2的焊接面车削间距为0.1mm、深度为0.15mm的螺纹5，即减小螺纹5的间距。
对比例3：
本对比例提供了一种超高纯铜靶材组件低温扩散焊接的方法，所述方法参照实施例3的方法，区别仅在于：对铜合金背板2的焊接面车削间距为0.6mm、深度为0.1mm的螺纹5，即增大螺纹5的间距。
对比例4：
本对比例提供了一种超高纯铜靶材组件低温扩散焊接的方法，所述方法参照实施例2的方法，区别仅在于：对铜合金背板2的焊接面车削间距为0.2mm、深度为0.3mm的螺纹5，即增大螺纹5的深度。
对比例5：
本对比例提供了一种超高纯铜靶材组件低温扩散焊接的方法，所述方法参照实施例1的方法，区别仅在于：采用的背板为A5083铝合金背板。
测定实施例1-5和对比例1-5得到的超纯铜合金靶材组件中超高纯铜靶材的晶粒尺寸以及超纯铜合金靶材组件的焊接强度，结果如表1所示。
表1
由表1可知，实施例1-3采用本发明的扩散焊接方法，极大地提升了焊接强度，达120MPa以上；实施例4降低了扩散焊接的温度，导致超高纯铜靶材的焊接性能变差，进而影响焊接强度；实施例5增大了扩散焊接的温度，导致部分晶粒过分长大，分布不均匀，影响了溅射性能。
对比例1没有对铜合金背板车削螺纹，根本无法实现焊接；对比例2-4调整了螺纹尺寸，均导致了焊接强度的下降；对比例5中采用铝合金作为背板，由于该材质极易变形，即使与实施例1一样进行了车削螺纹，依然无法保证所得靶材组件的最终质量，焊接强度极低。
综合上述实施例和对比例可以看出，本发明所述方法通过在背板焊接面车削螺纹，并进一步控制螺纹尺寸，无需额外铺设铜粉，即可实现在较低的温度下将超高纯铜和铜合金焊接在一起，极大地提高了生效率，且保证了超高纯铜靶材晶粒尺寸、导电性以及导热性，使焊接强度达120MPa以上，超高纯铜靶材的晶粒尺寸为7.19-11.3μm。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明操作的等效替换及辅助操作的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种超高纯铜靶材组件低温扩散焊接的方法，所述超高纯铜靶材组件包括超高纯铜靶材以及铜合金背板，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)对超高纯铜靶材的焊接面进行预处理；对铜合金背板的焊接面进行车削螺纹；
所述螺纹的间距为0.2-0.45mm，所述螺纹的深度为0.1-0.15mm；
(2)将步骤(1)中处理后的超高纯铜靶材以及铜合金背板进行装配，然后经真空包装后放入包套内进行脱气处理；
(3)步骤(2)所述脱气处理后进行扩散焊接，然后冷却，得到超高纯铜靶材组件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)所述预处理包括采用金刚石刀具进行车削；
优选地，所述车削后，所述超高纯铜靶材焊接面的粗糙度不大于0.8μm。
3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，所述铜合金背板的材质包括铜锌合金或铜铬合金；
优选地，所述铜合金背板上设置有凹槽，所述凹槽的底面为焊接面。
4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，进行步骤(2)所述装配之前，对车削螺纹后的铜合金背板依次进行清洁处理和干燥。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述清洁处理包括依次进行地除锈处理与清洗；
优选地，所述除锈处理采用钢丝刷进行；
优选地，所述除锈处理的具体操作包括：用钢丝刷沿着铜合金背板车削螺纹的方向进行清理；
优选地，所述清洗包括超声清洗；
优选地，所述超声清洗的清洗剂包括异丙醇；
优选地，所述超声清洗的时间为20-30min。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述干燥的方式包括真空干燥；
优选地，所述真空干燥的时间为60-80℃；
优选地，所述真空干燥的压力不超过10-2Pa；
优选地，所述真空干燥的时间为60-80min。
7.根据权利要求1-6任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述包套的材质包括铝合金。
8.根据权利要求1-7任一项所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述真空包装的时间不超过5min；
优选地，步骤(2)所述脱气处理的温度为150-200℃；
优选地，步骤(2)所述脱气处理的时间为3-5h；
优选地，步骤(2)所述脱气后包套内压力不超过10-3Pa。
9.根据权利要求1-8任一项所述的方法，其特征在于，步骤(3)所述扩散焊接采用油压机进行；
优选地，所述扩散焊接的压力为2000-3000吨；
优选地，所述扩散焊接的温度为180-220℃；
优选地，所述扩散处理的时间为10-20min；
优选地，所述冷却的方式为空冷。
10.根据权利要求1-9任一项所述的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)对超高纯铜靶材的焊接面采用金刚石刀具进行车削，车削后的粗糙度不大于0.8μm；
对铜合金背板的焊接面车削间距为0.2-0.45mm、深度为0.1-0.15mm的螺纹，然后用钢丝刷沿着车削螺纹的方向进行清理，再用异丙醇进行超声清洗20-30min，洗净后在60-80℃的条件下进行真空干燥60-80min，控制真空干燥的压力在10-2Pa以下；
(2)将步骤(1)中处理后的超高纯铜靶材以及铜合金背板进行装配，然后在5min以内完成真空包装，再将包装好的靶材组件整体放入包套内，在150-200℃的条件进行脱气处理3-5h，脱气后包套内的压力不超过10-3Pa；
(3)步骤(2)所述脱气处理后采用油压机进行扩散焊接，其中，扩散焊接的压力为2000-3000吨，温度为180-220℃，时间为10-20min，然后冷却，得到超高纯铜靶材组件。
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