DE60124385T2

DE60124385T2 - Verfahren zum verbinden eines targets auf einer trägerplatte

Info

Publication number: DE60124385T2
Application number: DE60124385T
Authority: DE
Inventors: Jaeyeon Kim
Original assignee: Honeywell International Inc
Current assignee: Honeywell International Inc
Priority date: 2000-03-10
Filing date: 2001-03-08
Publication date: 2007-10-31
Anticipated expiration: 2021-03-09
Also published as: AU2001249113A1; EP1274874A2; JP4353669B2; US6698647B1; JP2003527967A; ATE344842T1; KR100730807B1; TW574400B; HK1053338A1; EP1274874B1; US6840431B1; DE60124385D1; EP1672092A1; KR20020084175A; WO2001068937A3; WO2001068937A2

Description

Bereich der Technik
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, um zwei Aluminium enthaltende Massen miteinander zu verbinden. Ein derartiges Verfahren ist aus der Patentschrift US-A-4025036 bekannt, welche in Kombination die Merkmale des Oberbegriffes von Anspruch 1 offenbart.
Allgemeiner Stand der Technik
Moderne Entwicklungen bei den Verfahren zur Abscheidung aus der Dampfphase haben in zunehmendem Maße zu hohen Anforderungen an die stabile Bindung zwischen den Targets und den Trägerplatten geführt. In 1 wird eine schematische Darstellung eines Teils einer beispielhaften Vorrichtung für die Zerstäubungsabscheidung 10 gezeigt. Die Vorrichtung 10 umfasst eine Trägerplatte 12, die ein daran gebundenes Zerstäubungstarget 14 aufweist. In der Vorrichtung 10 befindet sich ein Halbleitermaterialwafer 16, und er ist räumlich getrennt vom Target 14 vorgesehen. Das zerstäubte Material 18 wird vom Target 14 abgelöst und verwendet, um eine (nicht dargestellte) Beschichtung über dem Wafer 16 auszubilden.
Zu den modernen Verbesserungen bei der Zerstäubungsausführung gehört eine Zunahme im Abstand zwischen dem Target 14 und dem Halbleitermaterialsubstrat 16. Eine derartige Zunahme des Abstandes kann ein stärker gerichtetes Zerstäuben über den Merkmalen des Substrats 16 erlauben, als erreicht werden kann, wenn das Target 14 nahe am Substrat 16 ist, indem es den Atomen, die sich nicht senkrecht zum Substrat 16 bewegen, ermöglicht wird, auf die Seitenwand der Zerstäubungskammer aufzutreffen. Insbesondere wird das Substrat 16 häufig vertikale Löcher oder Schlitze (die als Kontaktlöcher bekannt sind) mit Tiefen aufweisen, die das Fünffache ihrer Breite oder mehr betragen (d.h. die verhältnismäßig große kritische Abmessungen aufwei sen). Es ist schwierig, Materialien in Kontaktlöcher hinein zu zerstäuben, die eine hohe kritische Abmessung aufweisen, außer wenn es eine verhältnismäßig lange Flugweite zwischen einem Zerstäubungstarget und einem Substrat gibt, das die Kontaktlöcher enthält.
Obwohl die längere Flugweite mit Bezug auf die Verfahren mit einer kürzeren Flugweite zu Vorteilen bei der Bedeckung führt, führt sie auch zu Komplikationen. Eine dieser Komplikationen wird durch die zusätzliche Leistung hervorgerufen, die in solchen Verfahren mit einer langen Flugweite eingesetzt wird. Die zusätzliche Leistung kann dazu führen, dass die Zerstäubungstargets heißer werden, als sie in den älteren Verfahren wurden. Eine solche Erhitzung kann eine Bindung, die zwischen der Trägerplatte 12 und dem Target 14 ausgebildet ist, trennen. Ist das Target 14 zum Beispiel durch Löten mit der Trägerplatte 12 verbunden, dann kann die Wärme, die während der Zerstäubungsverfahren mit einer langen Flugweite entwickelt wird, ausreichen, die Lötverbindung zu schmelzen und sogar das Target 14 von der Trägerplatte 12 zu reißen. Folglich kann eine Lötverbindung für das Zerstäuben mit einer langen Flugweite ungeeignet sein. Es wäre erwünscht, verbesserte Verfahren für das Verbinden der Dampfphasenabscheidungs-Targets mit den Trägerplatten zu entwickeln.
Kurzdarstellung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung schafft ein Verfahren, wie es in Anspruch 1 festgelegt ist.
Das Verfahren kann die Merkmale eines oder mehrerer der abhängigen Ansprüche 2 bis 4 einschließen.
Kurzbeschreibung der Zeichnungen
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden unten mit Bezugnahme auf die folgenden beigefügten Zeichnungen beschrieben.
1 ist eine schematische Ansicht eines Teils einer Zerstäubungsabscheidevorrichtung vom Stand der Technik.
2 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens, das von der vorliegenden Erfindung eingeschlossen ist.
3 ist eine schematische Veranschaulichung eines Verfahrens zum Einbringen einer Kaltverfestigung in ein Targetmaterial.
4 ist eine schematische Veranschaulichung des Targetmaterials von 3 mit einer Trägerplatte bei einem vorläufigen Verbindungsschritt.
5 ist eine schematische Ansicht des Targetmaterials und der Trägerplatte von 4 bei einem Verbindungsschritt, der auf den von 4 folgt.
6 ist ein grafischer Vergleich der Härte für eine Trägerplatte, die entsprechend einem von der vorliegenden Erfindung eingeschlossenen Verfahren (als ein neuer Prozess bezeichnet) hergestellt ist, bezogen auf einen herkömmlichen Prozess (als ein alter Prozess bezeichnet).
7 ist eine grafische Veranschaulichung eines Belastungsprofils für das Zusammenpressen eines Targetmaterials und eines Trägerplattenmaterials, das von der vorliegenden Erfindung eingeschlossen ist.
8 ist ein grafischer Vergleich des Bindungsprozentsatzes, der durch ein Verfahren gemäß vorliegender Erfindung erreicht wird, mit dem Bindungsprozentsatz, der durch einen herkömmlichen Prozess erreicht wird.
9 ist ein grafischer Vergleich der RAM-Zerreißfestigkeit, die durch ein Verfahren gemäß vorliegender Erfindung (als ein neuer Prozess bezeichnet) erreicht wird, mit der RAM-Zerreißfestigkeit, die durch einen herkömmlichen Prozess (als ein alter Prozess bezeichnet) erreicht wird.
10 ist ein grafischer Vergleich der Abhängigkeit der Fließfestigkeit einer Trägerplatte von der Temperatur für eine Trägerplatte, die nach einem Prozess der vorliegenden Erfindung (als ein neuer Prozess bezeichnet) hergestellt ist, und eine Trägerplatte, die nach einem herkömmlichen Prozess (als ein alter Prozess bezeichnet) hergestellt ist.
Die besten Verfahren zum Ausführen der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren, um Materialien miteinander zu verbinden, wie es in Anspruch 1 definiert ist, und in speziellen Ausführungsformen umfasst sie Verfahren zum Verbinden eines Dampfabscheidungs-Targetmaterials mit einem Trägerplattenmaterial.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens gemäß vorliegender Erfindung wird durch ein Flussdiagramm in 2 beschrieben. In einem Anfangsschritt (in 2 mit 30 bezeichnet) wird an einem Targetmaterial eine Kaltverfestigung ausgeführt. Enthält das Targetmaterial zum Beispiel Aluminium, dann kann die Kaltverfestigung durch Kompression des Aluminiums von einer Ausgangsdicke bis zu einer zweiten Dicke herbeigeführt werden. Eine derartige Kompression wird in 3 veranschaulicht, wobei ein Target 50 vor und nach der Kompression dargestellt ist mit einem Pfeil 52, der vorgesehen ist, den Kompressionsschritt anzuzeigen. Vor der Kompression 52 weist das Target 50 eine erste Dicke "X" und nach der Kompression eine zweite Dicke "Y" auf. Die Kompression kann zum Beispiel durch Kaltschmieden oder Kaltwalzen ausgeführt werden. Die Enddicke des Targets 50 ("Y") kann zum Beispiel weniger als 2% der Ausgangsdicke des Targets 50 (d.h. eine Kompression von mindestens 98%) betragen, und sie ist normalerweise kleiner als oder gleich ungefähr 40% der Ausgangsdicke des Targets 50 (d.h. eine Kompression von mindestens 60%). In speziellen Ausführungsformen kann das Target 50 einer 95%-igen Kompression unterworden werden (d.h. so komprimiert werden, dass die Enddicke "Y" etwa 5% der Ausgangsdicke "X" beträgt).
Das Target 50 kann zum Beispiel Aluminium niedriger oder hoher Reinheit enthalten oder im Wesentlichen aus ihm bestehen. Das Target 50 kann zum Beispiel eine aluminiumhaltige Masse enthalten, die im Wesentlichen aus Aluminium besteht. Alternativ kann das Target 50 eine aluminiumhaltige Masse enthalten, die im Wesentlichen aus Aluminium mit mehr als 0% und weniger als 10% anderen Elementen besteht, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Si, Cu, Ge, Pb, Sn, Ag, Ga, Hf, Mg, Mn, Sc, Zn, B, Ba, Be, C, Ca, Cd, Ce, Co, Cr, Dy, Er, Fe, Gd, Ho, Ir, La, Lu, Mo, Nb, Nd, Ni, P, Pd, Pm, Pr, Pt, Pu, Rh, Ru, S, Sb, Se, Sm, Sr, Ta, Tb, Te, Ti, Tm, V, W, Y, Yb und Zr besteht. Die sogenannten "anderen Elemente" können in Elementform und in der Form von Materialien mit mehreren Elementen, wie zum Beispiel Komplexen und Verbindungen, vorliegen.
Ein Beispiel für ein Material, das für ein Target 50 verwendet werden kann, ist hochreines Aluminium, das 0,5 Gew.-% Kupfer und 0,2 Gew.-% Silizium enthält. Andere Beispiele für Targetmaterialien umfassen Aluminium mit mehr als 0% und weniger als 10 Gew.-% Kupfer und mit weniger als 10 Gew.-% Silizium. Zum Beispiel kann das Targetmaterial im Wesentlichen aus Aluminium bestehen mit 0,5 Gew.-% Kupfer. Geeignete hochreine Aluminiummaterialien enthalten Aluminium, das zu 99,95% oder mehr rein ist, wie z.B. Aluminium, das zu 99,995% rein, zu 99,9995% rein oder zu 99,99995% rein ist.
Das Material des Targets 50 kann als ein Barren gegossen sein, der einen Durchmesser von weniger als 15 Zoll und normalerweise von etwa 4 Zoll bis zu etwa 9 Zoll aufweist. Der Barren kann eine Ausgangsdicke von etwa 0,1 Zoll bis zu etwa 10 Zoll aufweisen, und er weist normalerweise eine Ausgangsdicke von etwa 5 Zoll bis zu 10 Zoll auf. Nach der Kompression des Targets 50 kann der entstehende kaltverformte Rohling geschnitten werden, um einen runden Rohling eines gewünschten Durchmessers auszuformen.
Wiederum mit Bezugnahme auf das Flussdiagramm von 2 wird das Target an eine Trägerplatte angefügt (2, Schritt 32). Vorzugsweise werden das Target und die Trägerplatte vor ihrem Zusammenfügen gereinigt, um Verunreinigungen zu beseitigen, die vorliegen können.
Die Reinigung kann einschließen, dass sowohl das Target als auch die Trägerplatte organischen Reinigungsmaterialien ausgesetzt wird. Vorzugsweise schließt die Reinigung ferner ein, dass zumindest das Target oder die Trägerplatte für eine Zeit von einer Sekunde bis zu etwa 30 Minuten und bei einer Temperatur von etwa 0°C bis zu etwa 100°C einer Mischung ausgesetzt wird, die HF und HNO₃ enthält. Das Aussetzen kann zum Beispiel ungefähr bei Raumtemperatur (d.h. bei einer Temperatur von etwa 15°C bis zu etwa 25°C) für eine Zeit von weniger als 30 Sekunden, wie zum Beispiel für eine Zeit von ungefähr 15 Sekunden, erfolgen.
Obwohl die Lösung aus HF/HNO₃ während einer bevorzugten kurzen Einwirkungsdauer förderliche Auswirkungen auf eine Aluminium enthaltende Oberfläche hat, kann die säurehaltige Lösung eine Oberfläche eines Aluminium enthaltenden Materials ätzen oder angreifen, wenn die Einwirkungsdauer zu lang ist. Eine besonders geeignete Länge der Einwirkungsdauer kann durch eine Temperatur der HF/HNO₃-Lösung beeinflusst werden. Insbesondere sind höhere Temperaturen im Allgemeinen mit kürzeren Einwirkungsdauern verbunden, und niedrigere Temperaturen sind im Allgemeinen mit längeren Einwirkungsdauern verbunden.
Die Reinigungsmischung, die HF und HNO₃ enthält, kann im Wesentlichen aus HF, HNO₃ und H₂O bestehen, und in speziellen Ausführungsformen kann sie aus HF, HNO₃ und H₂O bestehen. Eine solche Mischung kann zum Beispiel durch Mischen von etwa 1 Teil bis zu etwa 10 Teilen einer konzentrierten HF-Lösung (wobei die konzentrierte HF-Lösung von etwa 48% bis zu etwa 51% Flusssäure in Wasser enthält, wobei "etwa" auf eine Schwankung von ± 0,5% hinweist), von etwa 27 Teilen bis zu etwa 49,5 Teilen einer konzentrierten HNO₃-Lösung (wobei die konzentrierte HNO₃-Lösung von etwa 69% bis zu etwa 71% Salpetersäure in Wasser enthält, wobei "etwa" auf eine Schwankung von ± 0,5% hinweist) und von etwa 40,5 Teilen Wasser bis zu etwa 72 Teilen Wasser hergestellt werden. Die konzentrierte HF kann zum Beispiel etwa 48% HF in Wasser enthalten, und die konzentrierte HNO₃ kann zum Beispiel etwa 70% HNO₃ in Wasser enthalten. Die oben angeführten "Teile" werden durch das Volumen festgelegt. Die verschiedenen Komponenten der Mischung können in jeder beliebigen Reihenfolge gemischt werden, mit einer beispielhaften Reihenfolge, in der zuerst die Salpetersäure und Wasser gemischt und anschließend die HF hinzugefügt wird. Der Ausdruck "etwa" wird mit Bezug auf die Teile HF, HNO₃ und H₂O verwendet, um auf eine Schwankung von ± 0,5 Teilen hinzuweisen, mit der Ausnahme, dass die Menge an HNO₃ niemals 0 Teile ist.
Die Reinigungsmischung aus HF und HNO₃ kann anorganische und organische Materialien vorteilhaft entfernen, und sie kann somit verschiedene übliche Verunreinigungen und Beimengungen über und in einer Aluminium enthaltenden Oberfläche beseitigen. Zum Beispiel kann die Lösung organische Verunreinigungen beseitigen, die auf einer Aluminium enthaltenden Oberfläche von organischen Reinigungsmitteln übrigbleiben können. Die Mischung kann auch die üblichen Beimengungen, wie z.B. Silizium, Magnesium und Kupfer, auflösen, die in einem Aluminium enthaltenden Material vorliegen können, so wie sie auch die üblichen Fremdbestandteile auflösen kann.
Mit Bezugnahme auf 4 und 5 wird ein Verfahren zum Anfügen eines Targets an eine Trägerplatte beschrieben. Mit Bezugnahme auf 4 ist dargestellt, dass das verformungsgehärtete Target 50 von 3 über die Trägerplatte 60 angehoben ist. Bei der Trägerplatte 60 von 3 ist gezeigt, dass sie einen durchgehenden Kanal 62 aufweist, der in einem Spiralmuster in eine Oberfläche hinein maschinell hergestellt ist. Schließlich wird das Target 50 gegen die Platte 60 gedrückt, um Material aus dem Target 50 in den Kanal 62 zu pressen.
Das Target 50 weist eine erste Oberfläche 51 und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche 53 auf, während die Trägerplatte 60 eine erste Oberfläche 61 und eine gegenüberliegende zweite Oberfläche 63 aufweist. Schließlich wird die Oberfläche 51 des Targets 50 gegen die Oberfläche 61 der Trägerplatte 60 gepresst.
Vor dem Pressen der Oberfläche 51 gegen die Oberfläche 61 werden die Oberflächen 51 und 61 mit der Mischung gereinigt, die HF/HNO₃ enthält. Es wird angemerkt, dass die Oberflächen 51 und 61 mit unterschiedlichen Lösungen gereinigt werden, die HF/HNO₃ enthalten.
Die HF/HNO₃-Lösung wird vorzugsweise von allen Oberflächen des Targets 50 und der Trägerplatte 60 beseitigt, die einer derartigen Lösung ausgesetzt wurden. Ein solches Beseitigen kann zum Beispiel ausgeführt werden, indem die Oberflächen mit entionisiertem Wasser besprüht werden. Das Wasser kann dann vor dem Anfügen der Oberfläche 51 des Targets 50 an die Oberfläche 61 der Trägerplatte 60 getrocknet werden.
Das Reinigen der Trägerplatte 60 kann vor oder nach dem Ausbilden des Kanals 62 in der Oberfläche 61 der Trägerplatte 60 erfolgen.
Das Target 50 und die Trägerplatte 60 enthalten Aluminium der Serie 2000. Alternativ kann die Trägerplatte 60 eine Aluminium der Serie 2000 aufweisende Masse enthalten, die im Wesentlichen aus Aluminium mit mehr als 0% und weniger als 10% von anderen Elementen enthält, die aus der Gruppe ausgewählt sind, die aus Si, Cu, Ge, Pb, Sn, Ag, Ga, Hf, Mg, Mn, Sc, Zn, B, Ba, Be, C, Ca, Cd, Ce, Co, Cr, Dy, Er, Fe, Gd, Ho, Ir, La, Lu, Mo, Nb, Nd, Ni, P, Pd, Pm, Pr, Pt, Pu, Rh, Ru, S, Sb, Se, Sm, Sr, Ta, Tb, Te, Ti, Tm, V, W, Y, Yb und Zr besteht. Die sogenannten "anderen Elemente" können in Elementform und in der Form von Materialien mit mehreren Elementen, wie zum Beispiel Komplexen und Verbindungen, vorliegen.
In einem Anwendungsbeispiel enthält die Trägerplatte 60 Aluminium 2024-T351, das für eine Zeit von etwa 10 Minuten bis zu etwa 1 Woche einer Temperaturbehandlung von etwa 250°F bis zu etwa 800°F ausgesetzt wurde. Die Wärmebehandlung kann zum Beispiel eine Temperatureinwirkung von etwa 350°C bis etwa 400°C für eine Zeit von etwa 6 Stunden bis zu etwa 12 Stunden umfassen. Eine typische Wärmebehandlung umfasst, dass die Trägerplatte einer Temperatur von etwa 375°F für eine Zeit von etwa 8 Stunden ausgesetzt wird. Die Temperaturbehandlung kann das Aluminiummaterial 2024-T351 aushärten, und sie kann entweder vor oder nach der Formgebung der Trägerplatte 60 aus einem Barren erfolgen.
6 zeigt einen Vergleich der Härte einer Trägerplatte, die Aluminium 2024-T351 enthält, das durch die oben beschriebene Temperaturbehandlung (als "neuer Prozess" bezeichnet) bearbeitet wurde, mit Bezug auf die Härte einer herkömmlichen Trägerplatte (als "alter Prozess" bezeichnet) und nach den unten beschriebenen Diffusionsbindungsprozessen. Die Trägerplatte vom "neuen Prozess" ist wesentlich härter als die Trägerplatte vom "alten Prozess".
Ein Anfangsschritt zum Verbinden des Targets 50 mit der Trägerplatte 60 ist üblicherweise das Zusammenfügen des Targets und der Trägerplatte, indem das Target 50 mit der Platte 60 in einen Körperkontakt gebracht werden. Die Pfeile 54 von 4 deuten ein solches Zusammenfügen an, indem sie zeigen, dass das Target 50 auf die Platte 60 abgesenkt wird. 5 zeigt eine Anordnung 70, die ein Target 50 umfasst, das an die Platte 60 angefügt ist. In der dargestellten Anordnung 70 deckt das Target 50 den Kanal 62 (4) der Trägerplatte 60 ab. In den Ausführungsformen, in denen die Trägerplatte 60 viel härter ist als das Target 50, kann das weiche Material des Targets während der nachfolgenden Bearbeitung in den Kanal in der harten Trägerplatte gepresst werden.
Die Anordnung 70 kann in einer Atmosphäre ausgebildet oder platziert werden, die inert bezüglich der Oxidbildung aus den Materialien der Platte 60 und des Targets 50 ist. In den Ausführungsformen, in denen die Platte 60 und das Target 50 hochreines Aluminium oder Aluminiumlegierungen enthalten, kann die inerte Atmosphäre ein Vakuum aufweisen (mit einem geeigneten Vakuum im Bereich von 10^–2 Torr bis 10^–7 Torr), sie kann im Wesentlichen aus einem Inertgas (wie z.B. ein Gas oder mehrere aus der Gruppe Stickstoffgas, Heliumgas und Argongas) bestehen und sie kann zum Beispiel gebil det werden, indem eine Kammer mit Inertgas gespült und die Kammer anschließend evakuiert wird. Die inerte Atmosphäre enthält vorzugsweise keine oxidativen Komponenten (wie z.B. Sauerstoff), da diese ungünstigerweise eine Oxidation der Materialien des Rohlings 60 und/oder des Targets 50 verursachen könnten. Es wird jedoch angemerkt, dass ein Vorteil der oben beschriebenen HF/HNO₃-Reinigung darin besteht, dass diese die oxidierbaren Verunreinigungen von einer Oberfläche eines aluminiumhaltigen Materials beseitigen kann. Zum Beispiel kann die HF/HNO₃-Reinigung das verhältnismäßig leicht oxidierte Material Magnesium von einer Oberfläche einer aluminiumhaltigen Masse beseitigen. Das Beseitigen von verhältnismäßig leicht oxidierbaren Materialien kann die Masse widerstandsfähiger mit Bezug auf eine Einwirkung von Spurenmengen von Sauerstoff machen, insbesondere wenn die Materialien, die an der Oberfläche verbleiben, weniger leicht oxidiert werden als die Materialien, die durch die HF/HNO₃-Reinigung beseitigt wurden. Ergänzend sei angemerkt, dass sich über den Aluminiummaterialien oft eine dünne Schicht von Aluminiumoxid ausbildet, und wenn sich derartiges Aluminiumoxid über der aluminiumhaltigen Masse bildet, kann die HF/HNO₃-Reinigung das Aluminiumoxid entfernen.
Schließlich kann das Beseitigen von Aluminiumoxid und leicht frei oxidierter Materialien die Bindung eines aluminiumhaltigen Targetmaterials an eine aluminiumhaltige Trägerplatte verbessern. Insbesondere kann das Beseitigen von leicht oxidierten Materialien und Aluminiumoxid von dem aluminiumhaltigen Target und/oder der aluminiumhaltigen Trägerplatte eine bessere Wechselwirkung zwischen den Oberflächen während des Bindungsprozesses ermöglichen (es kann zum Beispiel die Diffusion verstärkt werden).
Mit erneuter Bezugnahme auf das Flussdiagramm von 2 werden Trägerplatte und Target, die zusammengefügt sind, wärmebehandelt, um das Target an die Trägerplatte anzubinden. Die Wärmebehandlung umfasst ein Erhitzen von zusammengefügtem Target und Trägerplatte bis auf eine Temperatur von zwischen 250°C und 400°C (vorzugsweise zwischen 300°C und 350°C) und ein Aufrechterhalten einer derartigen Temperatur für eine Zeit von etwa 10 Minuten bis etwa 10 Stunden, Während dieser Zeit, in der die Temperatur aufrechterhalten wird, können das Target 50 und die Trägerplatte 60 in einer Schmiede auf einen Druck von mehr als 4000 Pfund/Zoll² (d.h. 4 ksi, 1 ksi = 6,9 MPa), vorzugsweise mehr als 8 ksi und möglichst mehr als 10 ksi zusammengepresst werden. Die Kompression des Targets 50 und der Trägerplatte 60 erfolgt vorzugsweise nach dem Belastungsprofil, das in Diagrammform in 7 dargestellt ist. Speziell werden Target und Trägerplatte zu einer Zeit T₀ einem Druck P₀ ausgesetzt, der effektiv einem druckfreien Zustand entspricht. Anschließend beginnt zu einer Zeit T₁ die Kompression und führt bis zu einem ersten Druck P₁. Der Druck P₁ ist vorzugsweise mindestens etwa 4 ksi und möglichst mindestens etwa 8 ksi. Der Druck P₁ wird für einen Zeitabschnitt bis zur Zeit T₂ aufrechterhalten, wonach der Druck auf P₂ erhöht wird. Der Druck P₂ ist vorzugsweise mindestens 1 ksi größer als der Druck P₁ und kann zum Beispiel mindestens 2 ksi größer als P₁ oder mindestens 5 ksi größer als P₁ sein. Der Druck P₂ wird bis zur Zeit T₃ aufrechterhalten, wonach der Druck nachlässt und eine langsame Abnahme auf einen Druck P₃ zu einer Zeit T₄ zugelassen wird. Die Zeit zwischen T₁ und T₂ beträgt vorzugsweise mindestens etwa 20 Sekunden und normalerweise etwa 1 Minute. Die Zeit zwischen T₂ und T₃ umfasst vorzugsweise mindestens etwa 20 Sekunden und normalerweise etwa 1 Minute. Die Zeit zwischen T₃ und T₄ umfasst vorzugsweise mindestens etwa 1 Minute und kann zum Beispiel von 2 bis zu 4 Minuten umfassen, wobei 2 oder 3 Minuten üblich sind. Der Druck P₃ ist gewöhnlich größer als der Druck P₁ und kann zum Beispiel mindestens 0,5 ksi größer als der Druck P₁ oder mindestens 1 ksi größer als P₁ sein. Zur Zeit T₄ wird der Druck auf das Target und die Trägerplatte freigegeben, um zu ermöglichen, das der Druck auf P₀ zurückgeht.
Die bevorzugten Werte für P₁, P₂ und P₃ schwanken in Abhängigkeit von der Art des bearbeiteten Targets, und das Belastungsprofil von 7 kann für eine beliebige Targetgröße, einschliefllich von Targets mit einem Durchmesser von 6 Zoll, Targets mit einem Durchmesser von 8 Zoll, Targets mit einem Durchmesser von 10 Zoll und Targets mit einem Durchmesser von 12 Zoll, angewendet werden. P₁ kann zum Beispiel von etwa 4 ksi bis zu etwa 10 ksi, P₂ von etwa 4 ksi bis zu etwa 30 ksi und P₃ von etwa 4 ksi bis zu etwa 25 ksi reichen. In speziellen Anwendungen kann P₁ zum Beispiel von etwa 8 ksi bis zu etwa 10 ksi, P₂ von etwa 12 ksi bis zu etwa 20 ksi und P₃ von etwa 10 ksi bis zu etwa 15 ksi reichen.
Das Belastungsprofil von 7 unterscheidet sich in dem zweistufigen Druckanstieg, der zu den Zeitpunkten T₁ und T₂ stattfindet, von den herkömmlichen Belastungsprofilen. Bei den herkömmlichen Belastungsprofilen wird ein Druck auf die Target/Trägerplatten-Struktur auf einen gewünschten Druck hochgefahren, und ein derartiger Druck wird während der Zeit, in der die Target/Trägerplatte zusammengedrückt wird, aufrechterhalten oder leicht herabgesetzt.
Es folgt ein Beispiel für ein Wärmebehandlungsverfahren für das Bearbeiten einer Struktur, um eine Bindung eines aluminiumhaltigen Targets an eine aluminiumhaltige Trägerplatte auszubilden. Zunächst wird eine Anordnung, die ein an eine Trägerplatte angefügtes Target umfasst, bis auf eine Temperatur von etwa 250°C bis zu etwa 400°C (vorzugsweise von etwa 300°C bis zu etwa 350°C) erhitzt und für eine Zeit von 10 Minuten bis zu 10 Stunden auf einer solchen Temperatur gehalten. Die Anordnung wird dann in eine Schmiede überführt, die auch auf einer Temperatur von etwa 250°C bis zu etwa 400°C gehalten wird. Die Schmiede wird benutzt, um das Target 50 und die Trägerplatte 60 bei einem Druck von mehr als 8 Tonnen/Zoll² zusammenzupressen, wobei der bevorzugte Belastungsverlauf angewendet wird, der oben mit Bezugnahme auf 7 dargelegt wurde. Nach dem Zusammenpressen von Target und Trägerplatte wird die Anordnung zurück in den Ofen überführt, der eine Temperatur von etwa 250°C bis zu etwa 400°C aufweist, und auf einer solchen Temperatur für eine zusätzliche Zeit von etwa 10 Minuten bis zu etwa 10 Stunden gehalten.
Das oben beschriebene Verfahrensbeispiel ermöglicht ein Diffusionsverbinden (insbesondere eine Feststoffdiffusion von Aluminium zwischen dem Target 50 und der Trägerplatte 60) sowie ein Ausbilden von Körnern im Target 50, die eine mittlere Korngröße von 50 Mikrometern aufweisen. Derartige Körner bilden sich während der Kaltverformung, die während der Kompression von 3 im Target 50 herbeigeführt wurde. Die Ausbildung von Körnern umfasst üblicherweise drei unterschiedliche Schritte. Der erste besteht in der Erholung, in welcher die Spannungen aus den am stärksten verformten Bereichen abgebaut werden. Zweitens rekristallisieren die kaltverformten Körner, wobei sich kleine, neue, spannungsfreie Körner im Target 50 ausbilden, und schließlich kommt es in Abhängigkeit von der Temperatur und der Zeit, in der sie der Temperatur ausgesetzt sind, zu einem Kornwachstum der neuen Körner. Vorzugsweise wird das Target 50 von dem Zeitpunkt an, zu dem es im Schritt von 3 verformungsgehärtet wird, keiner Temperatur über etwa 200°C ausgesetzt, bis es der Wärmebehandlung unterworfen wird. Dementsprechend läuft die Kornentwicklung des Targets 50 "im Wesentlichen vollständig" während der Wärmebehandlung des Bindungsprozesses von Target 50 und Trägerplatte 60 ab. Der Ausdruck "im Wesentlichen vollständig" wird eher hinsichtlich der Rekristallisation und des Kornwachstums verwendet, die während der Wärmebehandlung ablaufen, statt eine "Vollständigkeit" der Rekristallisation und des Kornwachstums zu konstatieren, um anzuzeigen, dass es einen kleinen und tatsächlich belanglosen Betrag der Rekristallisation und des Kornwachstums geben kann, der bei Temperaturen unter 250°C während der Bearbeitung und der Reinigung des Targets 50 vor der Wärmebehand lung abläuft.
Ein besonderer Prozess zum Ausführen des oben dargelegten Wärmebehandlungsverfahrens besteht darin, die Anordnung aus Target und Trägerplatte in einer Dose unterzubringen (zum Beispiel einer Dose, die aus dünnwandigem Aluminium besteht), und die Anordnung während des Erhitzens und des Schmiedens (d.h. des Pressens), die zum Diffusionsverbinden gehören, in der Dose zu belassen. Die Dose kann vorzugsweise zwei Teile und einen breiten Flansch umfassen, welcher ein anschließendes Verschweißen ermöglicht, um die Target- und Trägerplattenanordnung in der Dose zu versiegeln. Die Dose weist auch ein Rohr mit einem kleinen Durchmesser auf, das sowohl eine Vakuumüberprüfung der Schweißversiegelung an der Dose ermöglicht als auch ein Vakuum oder eine inerte Atmosphäre im Inneren der Dose bereitstellt. Sobald die Target- und Trägerplattenanordnung in der Dose angeordnet ist, wird die Dose durch Verschweißen geschlossen. Während des Schweißens kann ein Inertgas oder Vakuum eingesetzt werden, um die Oxidation der Target- und Trägerplattenanordnung zu vermindern. Die Intaktheit der Schweißnaht kann durch Ausführen einer Dichtheitsprüfung unter Verwendung des Rohrs mit einem kleinen Durchmesser bestimmt werden. An dem Rohr mit einem kleinen Durchmesser kann ein abschließendes Verschweißen ausgeführt werden, um zu ermöglichen, dass in der Dose ein Vakuum oder eine Inertgasatmosphäre aufrechterhalten werden kann. Während der Zeit, in der die Target- und Trägerplattenanordnung dem Difusionsverbinden ausgesetzt sind, kann eine Temperatur der Anordnung indirekt überwacht werden, indem die Temperatur eines sogenannten Attrappenteils überwacht wird, das die gleichen Abmessungen wie die Target- und Trägerplattenanordnung aufweist und entweder in demselben Ofen wie die Anordnung oder in einem identischen Ofen erhitzt wird.
Nach der Wärmebehandlung der Target- und Trägerplattenanordnung wird eine derartige Anordnung abgekühlt. Das Abkühlen kann erfolgen, indem die Anord nung entweder einer Flüssigkeit oder einem Gas ausgesetzt wird, wobei Wasser ein Beispiel für eine Flüssigkeit und Luft ein Beispiel für ein Gas ist.
Die oben dargelegten Verfahren können eine Target- und Trägerplattenanordnung 70 ausbilden, die eine starke Diffusionsbindung zwischen dem Target 50 und der Trägerplatte 60 aufweist, wobei eine Zerreißfestigkeit einer derartigen Bindung größer als 10.000 psi ist.
Zusätzlich zu der starken Bindung, die zwischen dem Target 50 und der Trägerplatte 60 der Anordnung 70 ausgebildet ist, kann eine mittlere Korngröße des Targets 50 nach dem Verbinden unter 100 Mikrometer und sogar unter 50 Mikrometer liegen. Insbesondere kann ein überwiegender Anteil (d.h. mehr als 50%) der Körner im Target 50 eine Maximalabmessung von weniger als 100 Mikrometer und sogar weniger als 50 Mikrometer aufweisen. Die oben erörterte kleine Korngröße kann erreicht werden, indem von einem Target ausgegangen wird, das kaltverformt wurde, aber in dem keine Körner ausgebildet worden sind. Folglich findet ein Rekristallisationsprozess im Targetmaterial vor dem Kornwachstum statt. Für Dampfabscheidungs-Targetaluminium sind für einen solchen Rekristallisationsprozess in Abhängigkeit von der Art und der Konzentration der Beimengungen etwa 20 bis zu 30 Minuten bei einer Temperatur zwischen 200°C und etwa 450°C erforderlich. Es ist allgemein erwünscht, dass Aluminiumkörner in den Targets, die hochreines Aluminium (z.B. elementares Aluminium) und Aluminiumlegierungen enthalten, verhältnismäßig klein bleiben (d.h. in der Größe durchschnittlich unter 100 Mikrometern, stärker vorzuziehen sind durchschnittlich weniger als 50 Mikrometer). Die kleineren Körner können die Zerstäubungsprozesse, in denen Aluminium aus dem Targetmaterial zerstäubt wird, bezüglich des Zerstäubens, das von einem Targetmaterial mit größeren Körnern erfolgt, verbessern.
Es wurde festgestellt, dass das zweistufige Pressen mit dem Belastungsprofil von 7 zusammen mit dem oben beschriebenen HF/HNO₃-Reinigen Tar get/Trägerplatten-Kombinationen ausbilden kann, welche bezüglich der herkömmlichen Target/Trägerplatten-Kombinationen beträchtlich verbessert sind. In den 8–10 werden die Target/Trägerplatten-Kombinationen, die gemäß den Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, mit den Target/Trägerplatten-Kombinationen verglichen, die gemäß den herkömmlichen Verfahren hergestellt wurden. Die in den 8–10 dargestellten Target/Trägerplatten-Kombinationen der vorliegenden Erfindung enthalten Targets, die aus Aluminium ausgebildet sind, und Trägerplatten, die aus Aluminium 2024 ausgebildet sind, das gehärtet wurde, indem es für etwa acht Stunden einer Temperatur von etwa 375°F ausgesetzt wurde. Sowohl die Targets als auch die 2024-Trägerplatten wurden einem HF/HNO₃-Reinigungsschritt der vorliegenden Erfindung unterworfen, bevor die Materialien miteinander verbunden wurden, wobei das Verbinden ein Belastungsprofil des oben mit Bezugnahme auf 7 beschriebenen Typs einbezieht.
8 stellt einen Bindungsprozentsatz einer Target/Trägerplatten-Struktur dar, die durch ein Verfahren gemäß vorliegender Erfindung (als "neuer Prozess" bezeichnet) ausgebildet wurde, bezogen auf eine Target/Trägerplatten-Struktur, die durch ein herkömmliches Verfahren ausgebildet wurde (als "alter Prozess" bezeichnet). Der Bindungsprozentsatz wird an verschiedenen Bereichen der verbundenen Target- und Trägerplatten-Strukturen bestimmt. 8 veranschaulicht, dass sich der Prozentsatz der Bindung, der durch den alten Prozess erreicht wird, über eine Anschlussfläche des Verbundes aus Target und Trägerplatte hinweg erheblich verändert, wobei einige Bereiche eine Bindung von weniger als 85% und andere Bereiche eine Bindung von 95% und darüber hinaus aufweisen. Im Gegensatz dazu weist eine Target/Trägerplatten-Struktur, die gemäß einem Verfahren der vorliegenden Erfindung ausgebildet ist, eine Bindung von mehr als 95% auf, die gleichmäßig über eine Target/Trägerplatten-Anschlussfläche der Struktur verteilt ist. Der Bindungsprozentsatz von 8 wurde durch eine Ultraschall-Bindungsabtastanalyse (C-Scan-Bond) bestimmt. Für die Analyse wurden ganze Targets abgetastet. Die Ergebnisse zeigten, dass ein mittlerer C-Scan-Bond von herkömmlichen Prozessen etwa 92% beträgt, während die C-Scan-Bonds eines Prozesses der vorliegenden Erfindung über 95% betragen.
9 zeigt die Ergebnisse von RAM-Zerreißprüfungen einer Target/Trägerplatten-Struktur der vorliegenden Erfindung (als "neuer Prozess" bezeichnet) mit Bezug auf eine herkömmliche Target/Trägerplatten-Struktur (als "alter Prozess" bezeichnet). Die Zerreißprüfungen wurden durch Messen der Zerreißfestigkeit einer Bindung zwischen einem Target- und Trägerplattenmaterial an vier getrennten Stellen der Target/Trägerplatten-Struktur bestimmt. Die Ergebnisse zeigen an, dass ein Material der vorliegenden Erfindung eine Zerreißfestigkeit von über 10.000 Pfund/Zoll² und sogar über 16.000 Pfund/Zoll² aufweisen kann, was ein Beweis für eine wesentliche Verbesserung der Zerreißfestigkeit einer Target/Trägerplatten-Struktur der vorliegenden Erfindung bezüglich der herkömmlichen Target/Trägerplatten-Strukturen ist.
10 stellt eine Abhängigkeit der Fließfestigkeit einer Trägerplatte dar, die nach den Verfahren der vorliegenden Erfindung (als "neuer Prozess" bezeichnet) behandelt wurde, mit Bezug auf eine herkömmliche Trägerplatte (als "alter Prozess" bezeichnet). Es wird gezeigt, dass eine Trägerplatte, die nach den Verfahren der vorliegenden Erfindung behandelt wurde, eine bedeutend bessere Fließfestigkeit bei einer beliebigen Temperatur von etwa 20°C bis etwa 320°C aufweist.
Die oben beschriebenen Ergebnisse beweisen, dass die Methodik der vorliegenden Erfindung die Bindungsstärke, die Gleichmäßigkeit der Bindung über eine Target/Trägerplatten-Verbindung hinweg und die mechanischen Eigenschaften einer Trägerplatte mit Bezug auf die herkömmlichen Prozesse bedeutend verbessern kann. Die Verbesserungen in der Bindungsstärke und der Härte der Trägerplatte können zu einem verbesserten Verwer fungswiderstand der Target/Trägerplatten-Strukturen der vorliegenden Erfindung bezüglich der herkömmlichen Strukturen führen. Zusätzliche Verbesserungen der Trägerplatten, die gemäß den Verfahren der vorliegenden Erfindung ausgebildet wurden, bestehen bezüglich der herkömmlichen Trägerplatten darin, dass eine Mikrostruktur und Textur einer Trägerplatte, die gemäß den Verfahren der vorliegenden Erfindung ausgebildet wurde, thermisch stabil ist, selbst wenn sie für 72 Stunden 300°C ausgesetzt wird.
Andere Vergleiche von Target/Trägerplatten-Strukturen, die gemäß den Verfahren der vorliegenden Erfindung hergestellt wurden, mit herkömmlichen Target/Trägerplatten-Strukturen zeigen, dass die Target/Trägerplatten-Strukturen der vorliegenden Erfindung etwa die gleiche Korngröße, Ausscheidungskonzentration und Flächendichte (d.h. die relative Intensität der Flächen, wie z.B. (111), (200), (220) und (113)) aufweisen wie herkömmliche Target/Trägerplatten-Strukturen. Demzufolge beeinträchtigen die Prozesse der vorliegenden Erfindung nicht die Korngröße, Ausscheidungsbildung oder ein Flächendichtenverhältnis.
In den obigen Beschreibungen der Drücke und Temperaturen weist der Begriff „etwa" auf eine Schwankung von ±10% eines angegebenen Drucks oder einer angegebenen Temperatur hin.
Die Erfindung wurde in einer Sprache beschrieben, die mehr oder weniger spezifisch für die strukturellen und methodischen Merkmale ist. Es ist jedoch selbstverständlich, dass die Erfindung nicht auf die dargestellten und beschriebenen spezifischen Merkmale beschränkt ist, da die hier offenbarten Mittel bevorzugte Formen umfassen, um die Erfindung zu verwirklichen. Die Erfindung wird deshalb in einer beliebigen ihrer Formen und Abwandlungen innerhalb des eigentlichen Geltungsbereiches der angefügten Ansprüche beansprucht.

Claims

Verfahren zum Verbinden einer ersten Aluminium enthaltenden Masse mit einer zweiten Aluminium enthaltenden Masse, welches umfasst: zur Verfügung stellen einer ersten Aluminium enthaltenden Masse und einer zweiten Aluminium enthaltenden Masse, wobei die erste Aluminium enthaltende Masse eine erste Oberfläche und die zweite Aluminium enthaltende Masse eine zweite Oberfläche hat; Aussetzen der ersten und/oder zweiten Oberfläche einer Mischung, die HF und HNO₃ umfasst; physikalisches Kontaktieren der ersten Oberfläche mit der zweiten Oberfläche nach dem Aussetzen; Zusammenpressen der ersten und zweiten Masse, um die erste Masse mit der zweiten Masse zu verbinden; dadurch gekennzeichnet, dass das Aussetzen umfasst, dass eine der ersten und zweiten Oberfläche einer ersten Mischung ausgesetzt wird, die HF und HNO₃ umfasst, und dass die andere der ersten und zweiten Oberfläche einer zweiten Mischung ausgesetzt wird, die HF und HNO₃ umfasst; wobei die erste und zweite Aluminium enthaltende Masse einer Trägerplatte bzw. einem Target einer Abscheidung aus der Dampfphase entspricht; und wobei die erste Aluminium enthaltende Masse ein Aluminium der Serie 2000 ist, das bei einer Temperatur von etwa 250°C bis etwa 800°C während einer Zeit von etwa 10 Minuten bis etwa 1 Woche vor dem Aufsetzen thermisch behandelt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei die zweite Aluminium enthaltende Masse im Wesentlichen aus Aluminium besteht oder im Wesentlichen aus Aluminium mit weniger als 10% eines Elements oder mehrerer Elemente, das (die) aus der Gruppe ausgewählt ist (sind), die aus Si, Cu, Ge, Pb, Sn, Ag, Ga, Hf, Mg, Mn, Sc, Zn, B, Ba, Be, C, Ca, Cd, Ce, Co, Cr, Dy, Er, Fe, Gd, Ho, Ir, La, Lu, Mo, Nb, Nd, Ni, P, Pd, Pm, Pr, Pt, Pu, Rh, Ru, S, Sb, Se, Sm, Sr, Ta, Tb, Te, Ti, Tm, V, W, Y, Yb und Zr besteht.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei bei der thermischen Behandlung des Aluminiums der Serie 2000 der ersten Aluminium enthaltenden Masse eine Temperatur von etwa 350°C bis etwa 400°C während einer Zeit von etwa 6 Stunden bis etwa 12 Stunden verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die zweite Aluminium enthaltende Masse im Wesentlichen aus Aluminium mit Kupfer und/oder mit Silizium besteht, wobei das Kupfer mehr als 0 Gew.-% der Masse und weniger als etwa 10 Gew.-% der Masse und das Silizium weniger als etwa 10 Gew.-% der Masse umfasst.