DD239808B1

DD239808B1 - PROCESS FOR BONDING TARGETS FOR PLASMATRON SOURCES

Info

Publication number: DD239808B1
Application number: DD27917085A
Authority: DD
Inventors: Karl Steinfelder; Heinz Rumberg; Ullrich Heisig; Johannes Struempfel; Christian Korndoerfer
Original assignee: Ardenne Forschungsinst
Priority date: 1985-07-31
Filing date: 1985-07-31
Publication date: 1989-04-19
Also published as: DD239808A1

Description

Charakteristik der bekannten technischen LösungenCharacteristic of the known technical solutions

Das Aufbonden von Targets auf Zerstäubungsquellen, d. h. die Kühlplatte, durch Weichlöten ist seit längerer Zeit bekannt. Durch die Einführung des Hochratezerstäubens hat sich jedoch die Leistungsdichte auf dem Target um 2 bis 3 Größenordnungen erhöht und liegt jetzt bei 50 Vs/cm², so daß wesentlich höhere Temperaturen an der Lötstelle auftreten und eine fehlerhafte Lötung im Bereich von wenigen Millimetern zur sofortigen Zerstörung des Targets führt.The bonding of targets to sputter sources, ie the cooling plate, by soldering has been known for some time. However, with the introduction of high rate sputtering, the power density on the target has increased by 2 to 3 orders of magnitude and is now 50 Vs / cm ² , resulting in much higher temperatures at the solder joint and erroneous soldering in the range of a few millimeters for immediate destruction of the target leads.

Auf Targets aus nicht lötfähigem Material wird eine lötfähige Beschichtung aufgebracht. Hierfür wurde u.a. ein Schichtsystem, bestehend aus NiCr oder Cr-Haftschicht und Kupfer, angegeben (DD-PS 215336). Die Dicke der Kupferschicht beträgt 5 bis 15μΓη und ist erforderlich, um das Ablegieren der Schicht beim Auflöten bzw. während des Betriebes der Piasmatronquelle zu vermeiden. Das Aufbringen derartig dicker Schichten durch Vakuumbeschichtung ist unwirtschaftlich. Außerdem ergeben sich bei dicken Schichten zusätzliche Haftfestigkeitsprobleme. Diese Probleme können auch durch eine Vorbehandlung mit Ionen nicht völlig beseitigt werden. Für die Belotung müssen die für Kupfer gebräuchlichen Flußmittel eingesetzt werden. Da die restlose Entfernung dieser Flußmittel, insbesondere bei porösen Targets, schwierig ist, ergeben sich insbesondere in der Mikroelektronik besondere Probleme.On targets of non-solderable material, a solderable coating is applied. For this was u.a. a layer system consisting of NiCr or Cr adhesion layer and copper specified (DD-PS 215336). The thickness of the copper layer is 5 to 15μΓη and is necessary to avoid the alloying of the layer during soldering or during the operation of Piasmatronquelle. The application of such thick layers by vacuum coating is uneconomical. In addition, with thick layers additional adhesion problems arise. These problems can not be completely eliminated by pretreatment with ions. For the Belotung the usual copper for copper flux must be used. Since the complete removal of these fluxes, especially in the case of porous targets, is difficult, particular problems arise in particular in microelectronics.

Es ist auch bekannt, durch Plasmaspritzen auf eine Haftschicht, die dem Targetmaterial angepaßt ist, eine Lötschicht aus Kupfer oder Silber aufzubringen, um das Target mit der Kühlplatte mittels Flußmittel weich zu verlöten (DE-PS 2933835). Ergänzend dazu ist auch beschrieben, diesen Lötprozeß ohne Flußmittel und die Vorbehandlung im Vakuum durchzuführen (DE-PS 3233215). Gegebenenfalls wird noch eine Zwischenschicht auf die Haftschicht aufgebracht. Vorzugsweise wird das Reflow-Löten im Vakuum angewendet. Dieses Verfahren soll gegenüber dem vorgenannten die Blasenbildung und evtl.It is also known, by plasma spraying on an adhesive layer which is adapted to the target material to apply a solder layer of copper or silver to soft solder the target with the cooling plate by means of flux (DE-PS 2933835). In addition, it is also described to perform this soldering process without flux and pretreatment in a vacuum (DE-PS 3233215). Optionally, an intermediate layer is applied to the adhesive layer. Preferably, the reflow soldering is applied in vacuum. This method is compared to the above, the blistering and possibly.

Oxidbildung vermeiden.Avoid oxide formation.

Den Lösungen haftet der Mangel an, daß zur Lötung Flußmittel Verwendung finden, die zu Störungen der Verbindung führen können und der Lötprozeß im Vakuum stattfindet. Auch die Schichtdicken sind relativ dick.The solutions are liable to the deficiency that are used for soldering flux, which can lead to disturbances of the compound and the soldering process takes place in a vacuum. The layer thicknesses are relatively thick.

Bei Plasmatronquellen großer Leistung kommen auch großflächige Targets mit bis zu 0,5 m² Fläche zur Anwendung. Bei der einwandfreien Lötung derartig großer Flächen ergeben sich weitere Schwierigkeiten. Bekannt ist das Übereinanderlegen von belotetem Target und Kühlplatte mit anschließendem Zusammenpressen unter Druck. Diese Methode schließt das Entstehen von Luftblasen nicht sicher aus.In the case of large-capacity plasma sources, large-area targets with a surface area of up to 0.5 m ² are also used. In the proper soldering of such large areas, further difficulties arise. Known is the superposition of belotetem target and cooling plate with subsequent compression under pressure. This method does not preclude the formation of air bubbles.

Ziel der ErfindungObject of the invention

Es ist ein Verfahren anzugeben, mit dem das Aufbonden großflächiger Targets auf die Kühlplatten von Plasmatron-Hochratezerstäubungsquellen wirtschaftlich, mit ausreichender Sicherheit und mit einer für die Belange der Mikroelektronik ausreichenden Sauberkeit erfolgt.It is necessary to provide a method by which the bonding of large-area targets to the cold plates of plasmatron high-rate sputtering sources is carried out economically, with sufficient certainty and with sufficient cleanliness for the interests of microelectronics.

Darlegung des Wesens der ErfindungExplanation of the essence of the invention

Der Erfindung liegt 1ie Aufgabe zugrunde, ein Verfahren für das Aufbonden von Targets aus nicht- oder schwerlötbarem Material auf die Kühlplatte mittels Weichiötung anzugeben, durch dessen Anwendung dieser Vorgang unabhängig von subjektiven Einflüssen erfolgt.The invention is 1ie object of specifying a method for the bonding of targets from nicht- or schwerlötbarem material on the cooling plate by Weichiötung, by its application, this process is independent of subjective influences.

Das Bonden soll ohne Flußmittel an Luft möglich sein. Erfindungsgemäß wird die Aufgabe, ein Target auf die Kühlplatte aufzubonden, bei vorherigem Aufbringen eines lötfähigen Schichtsystems aus einer Haft-, Zwischen- und lötbaren Deckschicht im Vakuum und unter Verwendung von Weichlot, dadurch gelöst, daß im Vakuum in Vakuumfolge auf das Target das Schichtsystem, bestehend aus der Haftschicht aus Edelstahl mit einer Dicke, je nach Rauhigkeit des Targets, von 200 bis 500 nm, einer Schicht aus CuNi 54/46 oder FeNi 50/50 mit einer Dicke von 500 bis 1 500nm und einer Silberschicht von 50 nm Dicke aufgebracht wird.The bonding should be possible without flux in air. According to the invention, the task of bonding a target onto the cooling plate, with prior application of a solderable layer system consisting of an adhesive, intermediate and solderable covering layer in a vacuum and using solder, is achieved by applying the layer system in vacuum in a vacuum to the target. consisting of the adhesive layer of stainless steel with a thickness, depending on the roughness of the target, of 200 to 500 nm, a layer of CuNi 54/46 or FeNi 50/50 with a thickness of 500 to 1500 nm and a silver layer of 50 nm thickness applied becomes.

Die in dieser Weise beschichtete Fläche des Targets wird flußmittelfrei mit einem Weichlot, z. B. LSn 60 oder Reinindium belotet, wobei sich die dünne Silberschicht völlig im Lot auflöst. Das belotete Target und die ebenfalls belotete Kühlplatte der Piasmatronquelle werden in einer speziellen Vorrichtung auf Löttemperatur erwärmt. In der Einrichtung wird die Kühlplatte inThe coated in this manner surface of the target is flux free with a soft solder, z. B. LSn 60 or pure indium, wherein the thin silver layer dissolves completely in the solder. The soldered target and the likewise soldered cooling plate of the piasmatron source are heated in a special device to soldering temperature. In the device, the cooling plate is in

einem Abstand von 0,05 bis 0,2 mm über das belotete Target geschoben. Beim Aufeinanderschieben wird an der Vorderkante ständig Lot zugegeben, so daß an dieser Stelle die Dicke der flüssigen Lotschicht größer ist als der Lötspalt und durch die Vorderkante der Kühlplatte ein Teil des Lotes abgestreift wird. Hierdurch wird das Eindringen von Luft in den Lötspalt sicher verhindert.pushed a distance of 0.05 to 0.2 mm over the soldered target. When sliding on the front edge is constantly added solder, so that at this point, the thickness of the liquid solder layer is greater than the soldering gap and a part of the solder is stripped by the front edge of the cooling plate. As a result, the penetration of air into the soldering gap is reliably prevented.

Nach Übereinstimmung der Außenkonturen von Target und Kühlplatte werden dieselben in bekannter Weise zusammengepreßt, so daß das überschüssige Lot aus dem Lötspalt herausgedrückt wird.After matching the outer contours of the target and the cooling plate they are pressed together in a known manner, so that the excess solder is pushed out of the soldering gap.

Durch die Abdeckung der Haftschicht mit weiteren Schichten im Vakuum ist diese belotbar, so daß selbst beim Durchlegieren der eigentlichen Lötschichten kein Ablösen des Targets eintritt. Andererseits ist die Löslichkeit von Edelstahl in gebräuchlichen Weichloten gering, so daß das Durchlegieren dieser Schicht auch bei extremen Lötzeiten bzw. Temperaturen sicher vermieden wird. Die Edelstahlschicht wirkt als Diffusionsbarriere.By covering the adhesive layer with further layers in a vacuum, it can be soldered, so that no detachment of the target occurs even when the actual solder layers have been alloyed through. On the other hand, the solubility of stainless steel in common soft solders is low, so that the alloying of this layer is reliably avoided even at extreme soldering times or temperatures. The stainless steel layer acts as a diffusion barrier.

embodiment

Ein Al-Target mit den Abmessungen 610 χ 160 mm wird in einer Hochratezerstäubungsanlage zunächst ionengeätzt und danach mit folgendem Schichtsystem in Vakuumfolge beschichtet:An Al target measuring 610 × 160 mm is firstly ion etched in a high-rate sputtering plant and then coated with the following layer system in a vacuum sequence:

300 nmX8CrNiTi 18.10 700 η m CuNi 54/46 50 nm Ag300 nm X8CrNiTi 18.10 700 η m CuNi 54/46 50 nm Ag

Nach Entnahme aus der Anlage wird die beschichtete Fläche des Targets bei 230°C mit Lsn 60 ohne Zugabe von Flußmittel belotet. Das Target wird mit der beloteten Fläche nach oben in eine Löteinrichtung eingelegt. Die ebenfalls mit LSn 60 belotete Kühlplatte aus Kupfer wird im Wagen der Löteinrichtung befestigt. Nach Aufheizen beider Teile auf 23O⁰C wird die Kühlplatte in einem Abstand von 0,1 mm über das Target geschoben. Dabei wird an der Vorderkante der Kühlplatte ständig Lot zugegeben, so daß die Dicke des flüssigen Lotes etwa 0,3 mm beträgt. Nach völliger Konturenüberdeckung von Target und Kühlplatte werden beide Platten zusammengepreßt.After removal from the plant, the coated surface of the target is soldered at 230 ° C with Lsn 60 without the addition of flux. The target is inserted with the soldered surface up in a soldering device. The also soldered with LSn 60 cooling plate made of copper is mounted in the carriage of the soldering device. After heating both parts to 23O ⁰ C, the cooling plate is pushed over the target at a distance of 0.1 mm. In this case, solder is constantly added at the front edge of the cooling plate, so that the thickness of the liquid solder is about 0.3 mm. After complete contour overlap of the target and the cooling plate, both plates are pressed together.

Die Qualität der Lötung wird anschließend mittels Ultraschall geprüft. Zur Prüfung der Haftfestigkeit wird in der Zerstäubungsanlage gleichzeitig ein Prüfkörper mit beschichtet, der nach der Lötung einem Zerreißtest unterworfen wird.The quality of the soldering is then tested by means of ultrasound. To test the adhesive strength, a test specimen is simultaneously coated in the atomization unit, which is subjected to a tensile test after soldering.

Claims

A method for bonding targets for Plasmatronquellen on the cooling plate using a layer system of adhesive, intermediate and solderable cover layer and of solder, characterized in that the coating layer system consisting of a stainless steel layer of 200 to 500 nm, a layer of CuNi 54/46 or FeNi 50/50 from 500 to 1500 nm and an Ag layer of 50 nm thickness, applied in a vacuum sequence, that the cooling plate and the target soldered flux-free and after their heating in air at a distance of 0.05 to 0.2 nm with continuous supply of solder at the front edge of the cooling plate are pushed over each other and pressed together.

Field of application of the invention

The invention is applied to the cooling tarp when bonding targets for plasmatron high rate sputtering sources and is applicable to all metallic targets as well as targets of silicon, glass, ceramics and the like. a. applicable. The method is particularly suitable for the bonding of targets used in the manufacture of microelectronic devices.