一种钨钛合金靶材焊接方法

摘要

本发明公开了属于半导体制造技术领域的一种钨钛合金靶材焊接方法。所述方法包括：首先提供钨钛合金靶材及铜合金背板；在钨钛靶材焊接面上形成铝或铝合金层；然后采用扩散焊接方法将钨钛合金靶材连接到铜合金背板上。本方法利用铝或铝合金层实现了钨钛合金靶材的低温焊接，提高了钨钛靶的焊接强度，避免了靶材碎裂，使靶材适用于大功率溅射工艺。

权利要求

1.一种钨钛合金靶材焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对钨钛合金靶材与铜合金背板焊接面进行加工处理：将钨钛合金靶材焊接面进行喷砂处理，使其粗糙度为4.3μm，均匀一致；将铜合金背板焊接面采用数控车床加工出V型凹槽，所述V型凹槽为均匀分布于铜合金背板焊接面的一系列同心圆环，其深度为0.4mm，相邻V型凹槽的槽间距为0.5mm；其中钨钛合金成分为W-10％Ti，铜合金背板成分为Cu-0.7％Cr；

(2)将加工完成的铜合金背板、1050铝片、钨钛合金靶材依次放入6061铝合金包套中，在8×10-3Pa真空中电子束封焊，封焊完成的包套在热等静压炉中进行扩散焊接，温度500℃，压强100MPa下保温保压5小时后随炉冷却至200℃后取出空冷至室温，即得焊件；其中

1050铝片的厚度为2mm；

将焊件机加工去除包套后进行C-Scan检测，焊接结合率达到99％以上；对焊件进行抗拉强度测试，平均焊接强度达到93MPa以上。

说明书

一种钨钛合金靶材焊接方法

技术领域

[0001] 本发明属于半导体制造技术领域，具体涉及一种钨钛合金靶材焊接方法。

背景技术

[0002] 大规模集成电路的制作中，靶材组件是由符合溅射要求的靶材与背板结合组成。背板具有一定的强度，在靶材组件安装至溅射机台时提供支撑，同时具有良好的导热导电性能。钨钛合金薄膜在半导体制造中作为扩散阻挡层，是由钨钛合金靶材通过物理气相沉积法(PVD)形成。钨钛合金靶材采用粉末烧结方式制备，硬度高、脆性大、易碎裂，需要与具有高强度、高导电性、高导热性的铜背板进行焊接才能加工成半导体生产所需的靶材组件，进而在一定的磁场、电场环境下进行磁控溅射。

[0003] 现有溅射工艺中，靶材工作环境较为恶劣，尤其是大功率溅射工艺，靶材组件的溅射温度较高，而另一侧则通以冷却水进行强冷，两侧产生巨大的温差；靶材组件溅射面一侧处于高真空环境下，而背板一侧则承受高压冷却水的压力，两侧形成巨大的压力差；同时，靶材组件处于较强的磁场、电场作用下，受到各种粒子的轰击。在如此恶劣的环境下，若靶材与背板焊接强度较差，会导致靶材开裂、断裂，甚至从背板上脱落，使得溅射所得薄膜厚度不均匀，性能不稳定。此外，从背板上脱落的靶材还可能砸伤溅射基台，造成巨大的经济损失。

[0004] 因此，需要选择一种合理有效的方式实现钨钛合金靶材与铜背板的焊接，为溅射生产的安全性、稳定性及可持续性提供保证。

[0005] 目前，钨钛合金靶材与铜背板的焊接主要采用铟或铟合金焊料进行钎焊。由于铟焊料熔点(156℃)及强度(小于20MPa)均很低，当溅射功率较大时会发生焊料熔化，造成靶材组件连接失效，导致溅射过程无法进行。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于克服钨钛靶的焊接强度达不到大功率溅射要求，提供一种钨钛合金靶材焊接方法。

[0007] 为解决上述问题，本发明的技术方案如下：

[0008] 一种钨钛合金靶材焊接方法，包括以下步骤：

[0009] (1)对钨钛合金靶材与铜合金背板焊接面进行加工处理；

[0010] (2)在钨钛合金靶材焊接面上形成铝或铝合金层；

[0011] (3)采用扩散焊接方法把钨钛合金靶材焊接到铜合金背板上。

[0012] 所述钨钛合金靶材为平面靶材，厚度为1mm～20mm。

[0013] 所述铜合金为铜锌合金、铜锌锡合金或铜铬合金。

[0014] 所述加工处理为在钨钛合金靶材焊接面进行喷砂处理或者加工出凹槽；在铜合金背板焊接面加工出凹槽。

[0015] 所述喷砂处理的粗糙度为1μm～15μm。

[0016] 步骤(2)中形成所述铝或铝合金层的方法为喷涂、溅射、蒸镀或者直接放入。

[0017] 所述铝或铝合金层厚度为0.01mm～10mm。

[0018] 所述扩散焊接方法为：采用热等静压，焊接的温度为200℃～600℃，压强50～150MPa，保温时间0.5～10小时。

[0019] 与现有技术相比，本发明具有以下优点：(1)采用扩散焊接方法能够将两种金属很好的结合在一起，从而实现钨钛合金靶材与铜合金背板的大面积焊接；(2)在钨钛合金靶材与铜合金背板之间有铝或铝合金作为中间层，该中间层金属硬度低、塑性好，能够有效缓冲钨钛合金靶材与铜合金背板间由于线膨胀系数差别较大而产生的热应力及热变形；(3)在钨钛靶和铜合金背板焊接面进行喷砂或加工出凹槽，有效增加了二者与铝或铝合金层的接触面积，增加了焊层的有效面积，提高了焊接强度。

附图说明

[0020] 图1为钨钛合金靶材与铜合金背板焊接的流程图。

[0021] 图2为钨钛合金靶材结构示意图；

[0022] 图3为铜合金背板结构示意图；

[0023] 图4为在钨钛合金靶材的焊接面上形成铝或铝合金层的示意图；

[0024] 图5为钨钛合金靶材与铜合金背板焊接的示意图；

[0025] 其中各标号为：20-钨钛合金靶材，21-铜合金背板，200-钨钛合金靶材焊接面，210-铜合金焊背板接面，22-铝或铝合金层。

具体实施方式

[0026] 以下将根据附图和实例对本发明作进一步说明。

[0027] 图1为本发明钨钛合金靶材与铜合金背板焊接的具体实施方式流程图。如图1所示，提供钨钛合金靶材及铜合金背板；对钨钛合金靶材与铜合金背板焊接面进行加工；钨钛合金靶材焊接面的加工可采用喷砂处理及机加工凹槽两种方式，铜合金背板焊接面机加工形成凹槽；所述凹槽为均匀分布于焊接面的一系列同心圆环，形状可以为圆弧形、V形、矩形、倒梯形等。然后在钨钛合金靶材焊接面上形成铝或铝合金层。采用热等静压方法在铝或铝合金层上进行焊接作业，把铜合金背板焊接到钨钛合金靶材上。

[0028] 图2至图5为本发明钨钛合金靶材与铜合金背板焊接的实施示意图。

[0029] 如图2所示，提供钨钛合金靶材20，钨钛合金靶材20的形状，根据溅射基台的要求可以为圆形、矩形、三角形、环形等的任意一种，厚度可以为1mm～20mm。作为一个优选的实施例，钨钛合金靶材20的形状为圆形，直径为420mm，厚度12mm。

[0030] 如图3所示，提供铜合金背板21，所述铜合金背板21材质可以为黄铜合金、锡黄铜合金、铬铜合金、铜镍合金、铜镍硅铬合金等任一种，但不局限于上述合金。

[0031] 对钨钛合金靶材焊接面200及铜合金焊背板接面210进行加工处理，其中钨钛合金靶材焊接面200可以进行喷砂处理，粗糙度可以为1μm～15μm；或者在钨钛合金靶材焊接面200及铜合金背板210上加工形成一系列均匀分布的同心圆凹槽，凹槽形状可以为圆弧形、V形、矩形、倒梯形等。经过喷砂处理及加工凹槽，可以活化焊接面，增加有效焊缝面积，提高焊接强度。

[0032] 如图4所示，在钨钛合金靶材20的焊接面200上形成铝或铝合金层22。形成铝或铝合金层22的方法有很多种，具体地可以采用喷涂、溅射、蒸镀或者直接放入等工艺，作为一个优选的实施例，可以采用直接放入的方式形成铝或铝合金层，具有工艺简单、成本低、致密度高等优点。所述铝或铝合金层22的厚度可以为0.01mm～10mm。

[0033] 如图5所示，进行扩散焊接作业，将铜合金背板21与钨钛合金靶材20焊接至铝或铝合金层22上。所述扩散焊接作业采用热等静压工艺，包括以下步骤：准备一个真空包套，所述真空包套材质可以为不锈钢、铝合金、低碳钢等；将附有铝或铝合金层22的钨钛合金靶材-3 -520及铜合金背板21放入包套中；在真空度为10 ～10 Pa环境中将包套进行封焊；将封焊好的包套放入热等静压炉内，充入氮气或氩气并加压至一定值；升温至200℃～600℃，并保温
0.5～10小时；高温会使炉内的氮气或氩气体积膨胀从而获得更高的压强，保温阶段将压强保持在50MPa～150MPa；保温保压过程会使附有中间层22的钨钛合金靶材20及铜合金背板
21结合到一起，形成靶材组件。

[0034] 实施例1

[0035] 将直径300mm的钨钛合金靶材与直径310mm的铜合金背板进行焊接，其中钨钛合金成分为W-10％Ti，铜合金背板成分为Cu-0.7％Cr。

[0036] 首先将钨钛靶材焊接面进行喷砂处理，粗糙度4.3μm，均匀一致。铜合金背板焊接面数控车床加工V型凹槽，深度0.4mm，槽间距0.5mm。

[0037] 中间层选用牌号1050的工业纯铝，厚度2mm。

[0038] 将加工完成的铜合金背板、1050铝片、钨钛靶材依次放入6061铝合金包套中，在8×10-3Pa真空中电子束封焊。

[0039] 封焊完成的包套在热等静压炉中进行焊接，温度500℃，压强100MPa，保温保压5小时后随炉冷却至200℃后取出空冷至室温。

[0040] 将实施例样件机加工去除包套后进行C-Scan检测，焊接结合率达到99％以上，测试抗拉强度，平均焊接强度达到93MPa以上。采用本方法获得钨钛合金靶材焊接性能可靠。