CN115094391A - 一种铝靶材与背板的组装方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种铝靶材与背板的组装方法，属于靶材加工技术领域。该方法包括以下步骤：(1)将铝靶材和背板放置在加热台上进行逐步升温加热至157‑165℃；(2)将熔化的铟分别涂布在背板绑定面、铝靶材绑定面上；(3)将锡纤维放置在铝靶材绑定面的涂布面上，(4)将铝靶材和背板定位进行焊接，再逐步降温冷却。本发明在157‑165℃下，以熔融的铟作为主体焊接材料，锡纤维作为辅助焊接材料，绑定铝靶材和背板，有效避免了铝靶材和铟接触产生新的固溶物，提高焊合率；并且本发明的绑定温度小于铝靶材再结晶的温度，可以防止绑定过程中铝靶材再结晶结束，出现晶粒长大的现象。
Description
技术领域
本发明涉及一种靶材与背板的组装方法，属于靶材生产加工技术领域。
背景技术
目前，溅射靶材应用广泛，包括电子及信息产业和玻璃镀膜领域等领域。溅射机台里，在真空的状态下，通过轰击靶材表面，把高纯度的金属原子沉积到硅片上。超高纯铝靶是一种非常重要的工业及科研材料，具有高电导率；易加工、沉积和光刻；抗电化学腐蚀能力较强，与沉底之间的附着性极佳；成本相对低廉等优点。因此常被用于电子制造靶材领域，也就要求铝靶材的晶粒细小且均匀。
因为铝靶材由于材料的物理或者化学性能受限，不可直接装机镀膜使用，需要采用金属焊料将靶坯和背板相互焊合连接后使用，并且表面有效焊合率需要达到大于95％的大面积焊合，从而防止靶材因为受热不均而发生破裂，也可以节约成本防止靶材变形。因此将铝靶与铜背板绑定使用，可以大大防止在溅射过程中铝靶因为受热二发生弯曲。
常见的铝靶材绑定方式有铟绑定，所需温度在160-200℃之间，铟是最常见的低熔点焊料之一。但是因为铟与铝接触会生成少量黑色的固溶物，严重降低绑定强度，焊合率也难以达到要求。专利CN112475802A与专利CN104625389A中均给出：铝靶材和铝背板选择用扩散焊接来进行绑定，其温度分别为200-300℃、150-300℃，压力分别为80～120MPa、50-200MPa；但是铝的再结晶温度在165-198℃之间，扩散焊接的温度高于铝靶再结晶温度，因此增大了铝靶晶粒长大的概率，并且扩散焊接过程需要通过包套进行抽真空，过程复杂且真空焊接设备成本较大。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种铝靶材和背板的组装方法，该方法可以提高靶材的绑定率和绑定强度。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：提供一种铝靶材与背板的组装方法，包括以下步骤：
(1)将铝靶材和背板放置在加热台上进行逐步升温加热至157-165℃；
(2)将熔化的铟分别涂布在背板绑定面、铝靶材绑定面上；
(3)将锡纤维放置在铝靶材绑定面的涂布面上，
(4)将铝靶材和背板定位压实，再逐步降温冷却。
本发明以熔体铟和锡纤维作为铝靶材和背板的绑定材料，其中熔体铟为主体材料，涂布在背板绑定面、铝靶材绑定面上，锡纤维作为辅助材料，放置在铝靶材绑定面的涂布面上。在157-165℃下，使用熔体铟和锡纤维绑定铝靶材和背板，熔体铟和锡纤维在绑定过程中发生固溶反应，抑制铝和铟的固溶反应，减少铝固溶物，提升焊合率和焊接强度；同时在157-165℃下，可以防止绑定过程中出现，铝靶材再结晶结束，晶粒长大的现象。本发明铝靶材和背板的绑定温度为157-165℃，温度高于165℃时，会加快铟的氧化速率，导致铟涂布不牢固，降低了焊接强度；温度低于157℃时，熔体铟会固化，不能和锡纤维发生固溶反应，降低焊合率和焊接强度。
作为本发明组装方法的优选实施方案，所述锡纤维的数量为5-6根。
作为本发明组装方法的优选实施方案，所述锡纤维的直径为0.3mm，长度为1mm。
锡纤维不仅能够和熔体铟发生固溶反应，提升绑定率和绑定强度，同时还能起到限位的作用，防止绑定过程中，靶材和背板出现移动的现象。
作为本发明组装方法的优选实施方案，所述靶材和背板的加热步骤为：将靶材和背板放置在加热台上，以第一升温速率从室温升温至100℃，然后以第二升温速率从100℃升温至157-165℃。
作为本发明组装方法的优选实施方案，所述第一升温速率为2.5-3.75℃/min，第二升温速率为1.4-1.8℃/min。在上述升温速率下，可以进一步提升靶材和背板的绑定率和绑定强度。
作为本发明组装方法的优选实施方案，所述降温冷却的降温速率为2℃/min。
作为本发明组装方法的优选实施方案，所述铝靶材和背板，在加热前需要进行预处理。
绑定的压力为1kPa-2kPa，在绑定过程中，通过在表面放置重物来提供绑定压力，在重物与靶材之前用相同厚度的绝缘垫进行隔离，保护靶材表面不被重物磕坏。
作为本发明组装方法的优选实施方案，所述铝靶材为纯铝、铝硅合金、铝铜合金或铝硅铜合金。
作为本发明组装方法的优选实施方案，所述背板为铜背板，更优选地，所述铜背板的材料为无氧铜、铜铬合金或铜镍硅铬合金。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明在157-165℃下，以熔融的铟作为主体焊接材料，锡纤维作为辅助焊接材料，绑定铝靶材和背板，有效避免了铝靶材和铟接触产生新的固溶物，提高焊合率和焊接强度；本发明的绑定温度小于铝靶材再结晶的温度，可以防止绑定过程中铝靶材再结晶结束，出现晶粒长大的现象。
附图说明
图1为Al-In二元相图；
图2为In-Sn二元相图。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。
本发明提供一种铝靶材和背板的组装方法，其包括以下步骤：
(1)材料准备：提前准备铝靶材、铜背板和定量的铟焊料，加热铟焊料，得到熔融的铟焊料备用，将铝靶材、铜背板的绑定面进行表面处理，去除绑定面的杂质以及氧化皮；
(2)加热预处理：将铝靶材绑定面和铜背板的绑定面分别朝上，并列平铺放置于加热平台上，使得铝靶材和铜背板的各个位置均与受热，然后通过加热平台对铝靶材和铜背板同时进行加热，
其中，所述对铝靶材和铜背板同时进行加热，具体包括以下子步骤，
变速升温子步骤，以2.5-3.75℃/min的升温速率将铝靶材和铜背板从室温升温至100℃，在铝靶材和铜背板的温度达到100℃后，以1.4-1.8℃/min的升温速率将铝靶材和铜背板从100℃升温至157-165℃，本发明采用逐渐增加加热平台的加热速率对铝靶材进行加热，避免在加热初期，铝靶材贴近加热平台的一面一下子温度高于铝靶材远离加热平台的一面，而导致铝靶材破裂或影响绑定质量；
(3)在铝靶材和铜背板的温度达到157-165℃后，分别对铝靶材的绑定面和铜背板的绑定面进行涂铟预处理，即使用涂布机将步骤(1)中熔融的铟液直接在铝靶材的绑定面和铜背板的绑定面涂布，铟液在铝靶材的绑定面和铜背板的绑定面均匀度好，涂布厚度合适；
(4)在铝靶材绑定面的涂布面上加入5-6根直径为0.3mm，长度为1mm的锡纤维，然后将铝靶材的绑定面与背板绑定面进行定位保温绑定，绑定的温度为157-165℃，绑定的压力为1.6kPa，保温的时间为5min，保温结束后，以2℃/min的降温速率逐步降温冷却至室温，绑定焊接完成。
在绑定过程中，是通过在靶坯表面均匀放置重物来提供压力，每个重物的质量在1-3kg之间；在重物与靶材之间用相同厚度的绝缘垫进行隔离，保护靶材表面不被重物磕坏。
图1为Al-In二元相图；图2为In-Sn二元相图。从图1中可知，在157-165℃下，将熔融的铟涂布在铝靶材表面时，铝靶材和铟液两者相互作用生成边界固溶体，从而影响铝靶材与背板的焊合率以及焊接强度；结合图2可知，铟与锡的固溶度远远大于铟于铝的固溶度。基于此，本发明将铟均匀涂布在铝靶材上面之后，将锡纤维放置在铝靶材绑定面的涂布面上，让锡与铟的固溶反应抑制铝与铟的固溶反应，从而减少生成铝铟固溶物，提升绑定率，增大绑定强度。
实施例1
本实施例提供了一种铝靶材和背板的组装方法，其包括以下步骤：
(1)材料准备：提前准备铝靶材、铜背板和定量的铟焊料，加热铟焊料，得到熔融的铟焊料备用，将铝靶材、铜背板的绑定面进行表面处理，去除绑定面的杂质以及氧化皮；
(2)加热预处理：将铝靶材绑定面和铜背板的绑定面分别朝上，并列平铺放置于加热平台上，使得铝靶材和铜背板的各个位置均与受热，然后通过加热平台对铝靶材和铜背板同时进行加热，
其中，所述对铝靶材和铜背板同时进行加热，具体包括以下子步骤，
变速升温子步骤，以2.5℃/min的升温速率将铝靶材和铜背板从室温升温至100℃，在铝靶材和铜背板的温度达到100℃后，以1.4℃/min的升温速率将铝靶材和铜背板从100℃升温至157℃；
(3)在铝靶材和铜背板的温度达到157℃后，使用涂布机将步骤(1)中熔融的铟液直接在铝靶材的绑定面和铜背板的绑定面涂布，铟液在铝靶材的绑定面和铜背板的绑定面的涂布厚度为0.25mm；
(4)在铝靶材绑定面的涂布面上加入5根直径为0.3mm，长度为1mm的锡纤维，然后将铝靶材的绑定面与背板绑定面进行定位保温绑定，绑定的压力为1.6kPa，绑定的温度为157℃，保温的时间为5min，保温结束后，以2℃/min的降温速率逐步降温冷却至室温，绑定焊接完成。
实施例2
本实施例提供了一种铝靶材和背板的组装方法，其包括以下步骤：
(1)材料准备：提前准备铝靶材、铜背板和定量的铟焊料，加热铟焊料，得到熔融的铟焊料备用，将铝靶材、铜背板的绑定面进行表面处理，去除绑定面的杂质以及氧化皮；
(2)加热预处理：将铝靶材绑定面和铜背板的绑定面分别朝上，并列平铺放置于加热平台上，使得铝靶材和铜背板的各个位置均与受热，然后通过加热平台对铝靶材和铜背板同时进行加热，
其中，所述对铝靶材和铜背板同时进行加热，具体包括以下子步骤，
变速升温子步骤，以3℃/min的升温速率将铝靶材和铜背板从室温升温至100℃，在铝靶材和铜背板的温度达到100℃后，以1.6℃/min的升温速率将铝靶材和铜背板从100℃升温至160℃；
(3)在铝靶材和铜背板的温度达到160℃后，使用涂布机将步骤(1)中熔融的铟液直接在铝靶材的绑定面和铜背板的绑定面涂布，铟液在铝靶材的绑定面和铜背板的绑定面的涂布厚度为0.20mm；
(4)在铝靶材绑定面的涂布面上加入6根直径为0.3mm，长度为1mm的锡纤维，然后将铝靶材的绑定面与背板绑定面进行定位保温绑定，绑定的压力为1.6kPa，绑定的温度为160℃，保温的时间为5min，保温结束后，以2℃/min的降温速率逐步降温冷却至室温，绑定焊接完成。
实施例3
本实施例提供了一种铝靶材和背板的组装方法，其包括以下步骤：
(1)材料准备：提前准备铝靶材、铜背板和定量的铟焊料，加热铟焊料，得到熔融的铟焊料备用，将铝靶材、铜背板的绑定面进行表面处理，去除绑定面的杂质以及氧化皮；
(2)加热预处理：将铝靶材绑定面和铜背板的绑定面分别朝上，并列平铺放置于加热平台上，使得铝靶材和铜背板的各个位置均与受热，然后通过加热平台对铝靶材和铜背板同时进行加热，
其中，所述对铝靶材和铜背板同时进行加热，具体包括以下子步骤，
变速升温子步骤，以3.75℃/min的升温速率将铝靶材和铜背板从室温升温至100℃，在铝靶材和铜背板的温度达到100℃后，以1.8℃/min的升温速率将铝靶材和铜背板从100℃升温至165℃；
(3)在铝靶材和铜背板的温度达到165℃后，使用涂布机将步骤(1)中熔融的铟液直接在铝靶材的绑定面和铜背板的绑定面涂布，铟液在铝靶材的绑定面和铜背板的绑定面的涂布厚度为0.10mm；
(4)在铝靶材绑定面的涂布面上加入6根直径为0.3mm，长度为1mm的锡纤维，然后将铝靶材的绑定面与背板绑定面进行定位保温绑定，绑定的压力为1.6kPa，绑定的温度为65℃，保温的时间为5min，保温结束后，以2℃/min的降温速率逐步降温冷却至室温，绑定焊接完成。
对比例1
本对比例提供了一种铝靶材和背板的组装方法，其包括以下步骤：
(1)材料准备：提前准备铝靶材、铜背板和定量的铟焊料，加热铟焊料，得到熔融的铟焊料备用，将铝靶材、铜背板的绑定面进行表面处理，去除绑定面的杂质以及氧化皮；
(2)加热预处理：将铝靶材绑定面和铜背板的绑定面分别朝上，并列平铺放置于加热平台上，使得铝靶材和铜背板的各个位置均与受热，然后通过加热平台对铝靶材和铜背板同时进行加热，
其中，所述对铝靶材和铜背板同时进行加热，具体包括以下子步骤，
变速升温子步骤，以3℃/min的升温速率将铝靶材和铜背板从室温升温至100℃，在铝靶材和铜背板的温度达到100℃后，以1.6℃/min的升温速率将铝靶材和铜背板从100℃升温至170℃；
(3)在铝靶材和铜背板的温度达到170℃后，使用涂布机将步骤(1)中熔融的铟液直接在铝靶材的绑定面和铜背板的绑定面涂布，铟液在铝靶材的绑定面和铜背板的绑定面的涂布厚度为0.20mm；
(4)在铝靶材绑定面的涂布面上加入6根直径为0.3mm，长度为1mm的锡纤维，然后将铝靶材的绑定面与背板绑定面进行定位保温绑定，绑定的压力为，绑定的温度为170℃，保温的时间为5min，保温结束后，以2℃/min的降温速率逐步降温冷却至室温，绑定焊接完成。
对比例2
本对比例提供了一种铝靶材和背板的组装方法，其余实施例2的唯一区别在于，第二升温速率为2℃/min。
对比例3
本对比例提供了一种铝靶材和背板的组装方法，其余实施例2的唯一区别在于，第二升温速率为1.2℃/min。
效果例
焊接性能测试：将实施例1-3和对比例1-3绑定焊接完成的靶材组件进行C-Scan扫描，测试其焊合率和焊合强度，其结果如下表1所示。
焊合强度的计算方法：将靶材放置在车床上面固定，然后用2t的力进行敲击，计算每平方厘米所能承受的最大力。
表1
从表1中可以看出，本发明的方法可以提高靶材和背板的绑定率以及绑定强度。
最后所应当说明的是，以上实施例用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者同等替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。
Claims (8)
1.一种铝靶材与背板的组装方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将铝靶材和背板放置在加热台上进行逐步升温加热至157-165℃；
(2)将熔化的铟分别涂布在背板绑定面、铝靶材绑定面上；
(3)将锡纤维放置在铝靶材绑定面的涂布面上，
(4)将铝靶材和背板定位进行焊接，再逐步降温冷却。
2.如权利要求1所述的组装方法，其特征在于，所述锡纤维的数量为5-6根。
3.如权利要求1所述的组装方法，其特征在于，所述锡纤维的直径为0.3mm，长度为1mm。
4.如权利要求1所述的组装方法，其特征在于，所述靶材和背板的加热步骤为：将靶材和背板放置在加热台上，以第一升温速率从室温升温至100℃，然后以第二升温速率从100℃升温至157-165℃。
5.如权利要求4所述的组装方法，其特征在于，所述第一升温速率为2.5-3.75℃/min，第二升温速率为1.4-1.8℃/min。
6.如权利要求1所述的组装方法，其特征在于，所述降温冷却的降温速率为2℃/min。
7.如权利要求1所述的组装方法，其特征在于，所述铝靶材和背板，在加热前需要进行预处理。
8.如权利要求1所述的组装方法，其特征在于，所述铝靶材为纯铝、铝硅合金、铝铜合金或铝硅铜合金。
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