靶材与背板的焊接结构及方法.pdf

一种靶材与背板的焊接结构及方法。其中靶材与背板的焊接方法，包括：提供钽靶材；在钽靶材的焊接面上形成中间层；采用热等静压方法在中间层上进行焊接作业，将铜或铜合金背板焊接至钽靶材。本发明可以实施大面积焊接，有效防止金属被氧化，使钽靶材和铜或铜合金背板之间的结合强度提高，在溅射过程中钽靶材不会脱开，可以正常进行溅射镀膜。

1.  一种靶材与背板的焊接方法，其特征在于，包括：
提供钽靶材；
在钽靶材的焊接面上形成中间层；
采用热等静压方法在中间层上进行焊接作业，将铜或铜合金背板焊接至钽靶材。

2.  根据权利要求1所述的靶材与背板的焊接方法，其特征在于，所述采用热等静压方法进行焊接的温度为450℃～800℃，保温时间为3小时～5小时，压强为50MPa～160MPa。

3.  根据权利要求1所述的靶材与背板的焊接方法，其特征在于，形成所述中间层的方法具体为电镀、超音速喷涂、等离子溅射、电子束物理气相沉积或直接放入。

4.  根据权利要求3所述的靶材与背板的焊接方法，其特征在于，所述中间层的厚度为0.01mm～3mm。

5.  根据权利要求4所述的靶材与背板的焊接方法，其特征在于，所述中间层的材料具体为钛。

6.  根据权利要求1所述的靶材与背板的焊接方法，其特征在于，在形成中间层之前还包括步骤：清洗所述钽靶材的表面。

7.  根据权利要求6所述的靶材与背板的焊接方法，其特征在于，所述清洗钽靶材的表面具体为使用含有氢氟酸的溶剂进行酸洗。

8.  一种靶材与背板的焊接结构，其特征在于，包括：
钽靶材；
形成于所述钽靶材上的中间层；
采用热等静压方法与所述中间层结合的铜或铜合金背板。

9.  根据权利要求8所述的靶材与背板的焊接结构，其特征在于，所述中间层的厚度为0.01mm～3mm。

10.  根据权利要求9所述的靶材与背板的焊接结构，其特征在于，所述中间层的材料具体为钛。

靶材与背板的焊接结构及方法
技术领域
本发明涉及半导体制造领域，尤其涉及靶材与背板的焊接结构及方法。
背景技术
大规模集成电路的制作中，靶材组件是由符合溅射性能的靶材和与所述靶材结合、具有一定强度的背板构成。所述背板可以在所述靶材组件装配至溅射基台中起到支撑作用，并具有传导热量的功效。目前，使用钽(Ta)靶材进行物理气相沉积法(PVD)镀膜，形成阻挡层，钽靶材在溅射过程中使用磁控溅射；同时需要使用强度较高、但是导热、导电性高的铜材料作为背板材料；将钽靶材和背板材料焊接在一起加工成半导体所使用的靶材组件后，才既可以可靠的安装在溅射机台上，同时又可以在磁场、电场作用下有效进行溅射控制。
但是，现有溅射工艺中，所述靶材组件的工作环境比较恶劣，例如，靶材组件工作温度较高，例如300℃至500℃；另外，靶材组件的一侧充以冷却水强冷，而另一侧则处于10^-9Pa的高真空环境下，由此在靶材组件的上下两侧形成有巨大的压力差；再有，靶材组件处在高压电场、磁场中，受到各种粒子的轰击。在如此恶劣的环境下，如果靶材组件中靶材与背板之间的结合度较差，将导致靶材在受热条件下变形、开裂、并与结合的背板相脱落，使得溅射无法达到溅射均匀的效果，同时还可能会对溅射基台造成损伤。
因此，需要选择一种有效的焊接方式，使得靶材与背板实现可靠结合，满足长期稳定生产、使用靶材的需要。
现有制造工艺中，在将钽靶材与铜材料背板进行大面积对焊时，通常采用直接熔化焊接方式以及锡或铟焊料钎焊方式。
但是，采用直接熔化焊接方式具有以下缺点：1)由于两种材料熔点相差太大(铜熔点1084℃，钽熔点2996℃)，因此，熔化焊接设备不能实现大面积对焊。2)钽靶材与铜材料背板在温度加热至200℃以上时，氧化速度非常快，两种金属接触面原子不能进行有效扩散，使两者的接合强度达不到要求。
采用锡或铟焊料钎焊方式，由于焊料熔点低(小于250℃)，结合强度低(小于70Mpa)，在钽靶材溅射过程中由于发热，焊料会熔化，进而导致靶材溅射不能进行。
发明内容
本发明解决的问题是提供一种靶材与背板的焊接结构及方法，防止不能进行大面积对焊，钽靶材及背板的氧化，及防止钽靶材溅射受影响。
为解决上述问题，本发明提供一种靶材与背板的焊接方法，包括：提供钽靶材；在钽靶材的焊接面上形成中间层；采用热等静压方法在中间层上进行焊接作业，将铜或铜合金背板焊接至钽靶材。
可选的，所述采用热等静压方法进行焊接的温度为450℃～800℃，保温时间为3小时～5小时，压强为50MPa～160MPa。
可选的，形成所述中间层的方法具体为电镀、超音速喷涂、等离子溅射或电子束物理气相沉积。所述中间层的厚度为0.01mm～3mm。所述中间层的材料具体为钛。
可选的，在形成中间层之前还包括步骤：清洗所述钽靶材的表面。所述清洗钽靶材的表面具体为使用含有氢氟酸的溶剂进行酸洗。
本发明还提供一种靶材与背板的焊接结构，包括：钽靶材；形成于所述钽靶材上的中间层；采用热等静压方法与所述中间层结合的铜或铜合金背板。
可选的，所述中间层的厚度为0.01mm～3mm。所述中间层的材料具体为钛。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：采用热等静压方法(HIP)能将两种金属面对面很好得结合在一起，从而可以实现对钽靶材和铜或铜合金背板实施大面积焊接；由于热等静压方法(HIP)是在真空中进行焊接的一种方法，因此有效防止了金属被氧化，使钽靶材和铜或铜合金背板之间的结合强度提高，在溅射过程中钽靶材不会脱开，可以正常进行溅射镀膜。
另外，在钽靶材与铜或铜合金背板之间具有中间层，利用中间层作为中间媒介，使得钽靶材与铜或铜合金经过焊接后实现二者的可靠结合，具有结合紧密度高、受热抗变形能力强等优点。
进一步，采用热等静压方法进行焊接的温度为450℃～800℃，保温时间为3小时～5小时，压强为50MPa～160MPa，使钽靶材与铜或铜合金结合强度增加，结合率可以达到95％以上，且结合后靶材组件弯曲变形小。
附图说明
图1为本发明制作靶材与背板的焊接构的具体实施方式流程图；
图2至图4为本发明制作靶材与背板的焊接构的实施例示意图。
具体实施方式
图1为本发明制作靶材与背板的焊接构的具体实施方式流程图。如图1所示，执行步骤S1，提供钽靶材；
执行步骤S2，在钽靶材的焊接面上形成中间层；
在形成中间层之前还包括步骤：对钽靶材进行机械加工；清洗所述钽靶材的表面。
其中，所述清洗钽靶材的表面具体为使用含有氢氟酸的溶剂进行酸洗。
执行步骤S3，采用热等静压方法在中间层上进行焊接作业，将铜或铜合金背板焊接至钽靶材。
基于上述实施方式形成的靶材与背板的焊接结构，包括：钽靶材；形成于所述钽靶材上的中间层；采用热等静压方法与所述中间层结合的铜或铜合金背板。
本发明采用热等静压方法(HIP)能将两种金属面对面很好得结合在一起，从而可以实现对钽靶材和铜或铜合金背板实施大面积焊接；由于热等静压方法(HIP)是在真空中进行焊接的一种方法，因此有效防止了金属被氧化，使钽靶材和铜或铜合金背板之间的结合强度提高，在溅射过程中钽靶材不会脱开，可以正常进行溅射镀膜。另外，在钽靶材与铜或铜合金背板之间具有中间层，利用中间层作为中间媒介，使得钽靶材与铜或铜合金经过焊接后实现二者的可靠结合，具有结合紧密度高、受热抗变形能力强等优点。
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。
图2至图4为本发明制作靶材与背板的焊接构的实施例示意图。如图2所示，提供钽靶材20，钽靶材20的形状，根据应用环境、溅射设备的实际要求，可以为圆形、矩形、环形、圆锥形或其他类似形状(包括规则形状和不规则形状)中的任一种，且其厚度可以为1mm～80mm。作为一个优选实施例，钽靶材20的形状为圆形，直径为350mm，厚度为8.5mm。
在对钽靶材20进行焊接工艺之前，需要对钽靶材20的焊接面200进行清洗。清洗钽靶材20的焊接面200的方法有多种。
作为本实施例的一个方案就是先用酸液清洗，再用有机溶剂清洗。所述用于清洗的酸液可以选取氢氟酸(HF)、硝酸(HNO₃)、盐酸(HCL)、硫酸(H₂SO₄)或包含它们中任意配比的混合溶剂；较佳地，例如可以是氢氟酸(HF)和硝酸(HNO₃)的混合溶剂，所述氢氟酸(HF)和硝酸(HNO₃)混合溶剂中氢氟酸所占比例为3％～15％，硝酸所占比例可以为85％～97％；作为一个优选实施例，氢氟酸所占比例为5％，硝酸所占比例为95％。另一个实施例中，所述酸液也可以是由氢氟酸(HF)、硝酸(HNO₃)和盐酸(HCL)配比而成的混合溶剂。所述有机溶剂则可以是异丁醇IBA、异丙醇IPA或混丙醇IPB中的任一种，优选地，选取异丙醇IPA。
对钽靶材20的焊接面200进行清洗工艺，可以将焊接面220上的杂质和氧化物清除干净，使得钽靶材20的表面粗糙度可达3.2微米以下，为后续的焊接工艺打好的基础。
在对钽靶材20的焊接面200进行清洗工艺中，可以将钽靶材20整个地浸入清洗溶剂中进行清洗；也可以仅针对钽靶材20的焊接面200进行表面清洗处理，相对节省清洗溶剂并提高工作效率。
如图3所示，在靶材20的焊接面200上形成中间层22，形成中间层22的方法可以有多种，具体可以采用电镀、超音速喷涂、等离子溅射、直接放入或电子束物理气相沉积等工艺。优选地，在一个实施例中，可以采用电子束物理气相沉积(EBPVD)的工艺，它利用灯丝加热后发射的电子束，经电场加速、磁场聚焦后，高速撞击置于水冷坩埚中的蒸发材料，使得蒸发材料表面的原子吸收电子携带的动能，温度迅速升高，在真空环境下蒸发或升华形成的低密度、非平衡蒸汽粒子射流与钽靶材20相撞，并在一定条件下生长为薄膜(即中间层22)。通过上述工艺，可以使得在焊接面200上形成中间层22具有表面粗糙度低、结合强度高、致密度高等优点。所述中间层22的材料可以是单一金属，具体为钛等。所述形成的中间层22的厚度较小，一般为0.01mm～3mm。
如图4所示，进行焊接作业，将铜或铜合金背板24焊接至钽靶材20的中间层22上。如果铜或铜合金背板24为铜合金材料，可以是铝铜合金、铬铜合金、铂铜合金或锌锡铜合金等。所述铜或铜合金背板24的厚度为25mm～50mm；形状为圆形或方形。
本实施例中，所述焊接作业采用的是热等静压方法对钽靶材20和铜或铜合金背板24进行扩散焊接具体来讲，所述扩散焊可以包括步骤：先准备一个真空包套，所述真空包套为1.0mm～2.0mm低碳钢焊接成型的；然后将形成有中间层22的钽靶材20、铜或铜合金背板24同时放入真空包套内；对真空包套进行抽真空至压强为10^-3Torr～10^-5Torr，然后将真空包套的抽气口采用机械方法封死；接着，进行加温至450℃～800℃，并保温3小时至5小时，并通过高压液体或气体进行加压，使真空包套内压强达到50MPa～160MPa，使钽靶材20与铜或铜合金背板24通过中间层22结合在一起，构成靶材组件。采用热等静压扩散焊技术，可以将铜或铜合金背板24通过中间层22与靶材20结合在一起，制作完成靶材结构，具有结合紧密度高、受热抗变形能力强等优点。
本实施例中，在进行焊接作业之前，还可以对铜或铜合金背板24作表面清洗处理。在本实施例中，所述表面清洗处理可以直接使用异丁醇IBA、异丙醇IPA或混丙醇IPB中的任一种有机溶剂进行清洗，改善铜或铜合金背板24的表面光洁度，为后续焊接工艺做准备。
另外，为防止铜或铜合金背板24产生开裂，铜或铜合金背板24在焊接前还可以进行包括均质化处理在内的其他预处理。
基于上述实施例形成的靶材与背板的焊接结构，包括：钽靶材20；形成于所述钽靶材20上的中间层22；采用热等静压方法与所述中间层22结合的铜或铜合金背板24。
本发明虽然以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以做出可能的变动和修改，因此本发明的保护范围应当以本发明权利要求所界定的范围为准。