CN102513401A - 一种管状靶材的粘接方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于粘接管状靶材和金属衬管的管状靶材的粘接方法，使得整根的、长度大的管状靶材能够和金属衬管高质量地粘接在一起；这种高质量的粘接具体体现在焊缝厚度可以得到控制，焊缝厚度可以减薄到平面靶材的通常焊缝厚度甚至更薄，而且焊缝厚度可以保持均匀一致；这对节约焊料、改善靶材使用性能均有益处；本发明适用于具有一定塑性的管状靶材的生产，其塑性要满足冷拔工艺的要求。

Description

一种管状靶材的粘接方法

技术领域

本发明涉及一种用于粘接管状靶材和金属衬管的管状靶材的粘接方法。

背景技术

溅射靶材按形状不同，可分为平面靶材和管状靶材（也叫旋转靶材或中空柱状靶材）两大类。前者的溅射利用率约为30%，而后者的利用率可高达80%；由于管状靶材的这一优势，其应用越来越广泛，随之而来的是管状靶材的种类也越来越多。已知的管状靶材有金属的，如Ag、Al、Ti管状靶材，也有陶瓷的，如AZO （氧化锌铝）、ITO（氧化铟锡）、Si3N4（氮化硅）管状靶材。一些金属靶材，特别是熔点和强度均相对较低的金属或合金靶材，在溅射过程中容易发生蠕变，影响溅射过程的进行。这些金属或合金靶材需要用容易变形的低熔点金属（也就是人们常说的焊料或钎料）粘接在强度高、不易发生蠕变的另一种材料上，如不锈钢、Mo等。这块强度高、不易发生蠕变的材料对于平面靶材来说，通常叫做背板 （backing plate）；而对管状靶材，则常被叫做衬管或承载管（backing tube）。焊料层除了起到连接靶材和背板（衬管）以及导热导电的作用外，还有一个非常重要的作用。就是通过本身的塑性变形，减少由于靶材和背板（衬管）的热膨胀系数的不匹配而引起的应力集中现象。溅射时因为靶材表面被高能离子轰击温度升高，背板（衬管）则因有水冷却，会在靶材和背板（衬管）界面上发生相当大的应力集中，严重时会造成靶材开裂、脱落。

平面靶材的粘接相对简单，工艺也相当成熟。而管状靶材的粘接却比较复杂，至今尚无一种令人满意的方法。在日本特开平11-71667专利、中国申请号200910166813的专利、以及美国申请号20040074770的专利公开了利用热胀冷

缩原理将靶管紧密地套在衬管上，完成粘接的方法。还有些方法，采用在靶管内表面和衬管外表面形成一定波浪状凸凹啮合部（中国专利申请号200710126292），或在靶管和/或衬管的端面设置凸缘（中国专利申请号200580042924）等物，从而机械地将靶管固定在衬管上。这些方法都没有考虑焊料所起的不可或缺的导热、导电、降低应力集中的作用，因而在实际生产中很少得到应用。

而采用焊料的方法，迄今为止不能给出令人满意的粘接质量。业内人士都知道，平面靶材的粘接层或焊层可以非常均匀地控制在0.2mm左右，而用至今已知方法粘接的管状靶材，其粘接层或焊层厚度大多在1mm左右。例如庄志杰等人（中国专利申请号200910195883）对靶管内壁和衬管外壁涂覆焊料，调节二者位置后加热使涂层熔化，形成的粘接层或焊层约厚1mm。中国申请号200580042924公开的方法，其粘接层或焊层厚度也接近1mm。因为大量使用昂贵的焊料，过厚的粘接层或焊层导致靶材生产成本增加。另外，由于将整根管靶直接粘接在长长的衬管上，实际操作有一定的难度，至今已知方法大多将多段较短的管靶粘接在一根长的衬管上，从而组合成一根长的管状靶材。这样，在段与段之间会留有一定缝隙。此外，因为不容易实现靶管和衬管的对中，粘接层或焊层厚度不均匀，特别是沿管靶轴线方向。这些都对溅射过程会有不良影响。

发明内容

本发明的目的在于改变现有技术中的不足，而提供一种管状靶材的粘接方法，使得整根的、长度大的管状靶材能够和金属衬管高质量地粘接在一起；这种高质量的粘接具体体现在焊缝厚度可以得到控制，焊缝厚度可以减薄到平面靶材的通常焊缝厚度甚至更薄，而且焊缝厚度可以保持均匀一致；这对节约焊料、改善靶材使用性能均有益处；本发明适用于具有一定塑性的管状靶材的生产，其塑性要满足冷拔工艺的要求。

本发明的技术方案是这样实现的：

第一步：先加工出内径和厚度均大于最终要求的靶材管坯，其长度小于最

终要求；选取内径、外径与最终要求完全一致，但长度大于最终要求的金属衬管；

第二步：对需要粘接的靶材管坯和金属衬管表面进行打磨、喷砂、清洗、镀膜处理；

第三步：在表面被处理过的金属衬管外表面均匀地涂覆一层低熔点焊料，低熔点焊料涂层厚度不能小于设计的粘结层或焊料层厚度；

第四步：把涂覆有低熔点焊料的金属衬管套装在靶材管坯的内部；

第五步：对套装在一起的金属衬管与靶材管坯打头后，进行冷拔复合；

第六步：将冷拔复合后的复合管放在加热装置内进行钎焊，加热装置的温度设定高于低熔点焊料熔点50-150℃，保温20-200分钟，直至低熔点焊料与靶材管坯和金属衬管间均形成100%牢固的冶金结合。

第五步中所述的冷拔复合适用于Au、Ag、Al、Cu、Ni、Sn、Zn金属管状靶材以及以这些金属为主要成分的合金管状靶材。

第五步所述的冷拔复合在冷拔机上进行，冷拔变形量或冷拔模具的选择要保证冷拔变形只发生在靶材管坯和焊料上，而金属衬管不发生变形。

第五步所述的冷拔复合的过程中，通过选择合适的冷拔变形量或冷拔模具尺寸使金属衬管于管状靶材之间产生一个适合于钎焊的毛细间隙，且毛细间隙均匀一致、厚度为0.1mm-3mm，毛细间隙内填充低熔点焊料。

通过第五步的冷拔复合和第六步的钎焊使金属衬管和管状靶材之间形成一个均匀一致，且厚度为0.1mm-3mm的焊料层。

所述的Au、Ag、Al、Cu、Ni、Sn、Zn金属管状靶材以及以这些金属为主要成分的合金管状靶材与金属衬套之间具有均匀一致，且厚度为0.1mm-3mm的焊料层。

本发明的优点在于：

1、            可以实现靶管和衬管的对中，粘接层或焊层厚度均匀。

2、            能在很大程度上提高靶材的焊接质量，并节约焊接材料。

3、            有效改善靶材的使用性能，延长靶材的使用寿命。

附图说明

图1是靶材管坯、焊料、金属衬管在冷拔复合前的相对位置。

图2是冷拔复合过程中材料变形示意图。

图3是靶材管坯、焊料、金属衬管在冷拔复合后的相对位置。

具体实施方式

实施例1：如图1、2、3所示，一种管状靶材的粘接方法，该方法的步骤如下：

第一步：先加工出内径和厚度均大于最终要求的靶材管坯，其长度小于最终要求；选取内径、外径与最终要求完全一致，但长度大于最终要求的金属衬管；

第二步：对需要粘接的靶材管坯和金属衬管表面进行打磨、喷砂、清洗、镀膜处理；

第三步：在表面被处理过的金属衬管外表面均匀地涂覆一层低熔点焊料，低熔点焊料涂层厚度不能小于设计的焊料层厚度；

第四步：把涂覆有低熔点焊料的金属衬管套装在靶材管坯的内部；

第五步：对套装在一起的金属衬管与靶材管坯打头后，进行冷拔复合；

第六步：将冷拔复合后的复合管放在加热装置内进行钎焊，加热装置的温度设定高于低熔点焊料熔点50-150℃，保温20-200分钟，直至低熔点焊料与靶材管坯和金属衬管间均形成100%牢固的冶金结合。

第五步中所述的冷拔复合适用于Au、Ag、Al、Cu、Ni、Sn、Zn金属管状靶材以及以这些金属为主要成分的合金管状靶材。

第五步所述的冷拔复合在冷拔机上进行，冷拔变形量或冷拔模具的选择要保证冷拔变形只发生在靶材管坯和焊料上，而金属衬管不发生变形。

第五步所述的冷拔复合的过程中，通过选择合适的冷拔变形量或冷拔模具尺寸使金属衬管于管状靶材之间产生一个适合于钎焊的毛细间隙，且毛细间隙均匀一致、厚度为0.1mm-3mm，毛细间隙内填充低熔点焊料。

通过第五步的冷拔复合和第六步的钎焊使金属衬管和管状靶材之间形成一个均匀一致，且厚度为0.1mm-3mm的焊料层。

所述的Au、Ag、Al、Cu、Ni、Sn、Zn金属管状靶材以及以这些金属为主要成分的合金管状靶材与金属衬套之间具有均匀一致，且厚度为0.1mm-3mm的焊料层。

实施例2：如图1、2、3所示，一种管状靶材的粘接方法，该方法的步骤如下：

第一步：先加工出内径和厚度均大于最终要求的靶材管坯，其长度小于最

终要求；选取内径、外径与最终要求完全一致，但长度长于最终要求的金属衬管；

第二步：对需要粘接的靶材管坯和金属衬管表面进行打磨、喷砂、清洗、镀膜处理；

第三步：在表面被处理过的金属衬管外表面均匀地涂覆一层低熔点焊料，低熔点焊料涂层厚度不能小于设计的焊料层厚度；

第四步：把涂覆有低熔点焊料的金属衬管套装在靶材管坯的内部；

第五步：对套装在一起的金属衬管与靶材管坯打头后，进行冷拔复合；

第六步：将冷拔复合后的复合管放在加热装置内进行钎焊，加热装置的温度设定高于低熔点焊料熔点50-150℃，保温20-200分钟，直至低熔点焊料与靶材管坯和金属衬管间均形成100%牢固的冶金结合。

第五步中所述的冷拔复合适用于Au、Ag、Al、Cu、Ni、Sn、Zn金属管状靶材以及以这些金属为主要成分的合金管状靶材。

第五步所述的冷拔复合在冷拔机上进行，冷拔变形量或冷拔模具的选择要保证冷拔变形只发生在靶材管坯和焊料上，而金属衬管不发生变形。

第五步所述的冷拔复合的过程中，通过选择合适的冷拔变形量或冷拔模具尺寸使金属衬管于管状靶材之间产生一个适合于钎焊的毛细间隙，且毛细间隙均匀一致、厚度为0.1mm-3mm，毛细间隙内填充低熔点焊料。

通过第五步的冷拔复合和第六步的钎焊使金属衬管和管状靶材之间形成一个均匀一致，且厚度为0.1mm-0.5mm的焊料层。

所述的Au、Ag、Al、Cu、Ni、Sn、Zn金属管状靶材以及以这些金属为主要成分的合金管状靶材与金属衬套之间具有均匀一致，且厚度为0.1mm-0.5mm的焊料层。

实施例3：如图1、2、3所示，一种管状靶材的粘接方法，该方法的步骤如下：

第一步：先加工出内径和厚度均大于最终要求的靶材管坯，其长度小于最

终要求；选取内径、外径与最终要求完全一致，但长度长于最终要求的金属衬管；

第二步：对需要粘接的靶材管坯和金属衬管表面进行打磨、喷砂、清洗、镀膜处理；

第三步：在表面被处理过的金属衬管外表面均匀地涂覆一层低熔点焊料，低熔点焊料涂层厚度不能小于设计的焊料层厚度；

第四步：把涂覆有低熔点焊料的金属衬管套装在靶材管坯的内部；

第五步：对套装在一起的金属衬管与靶材管坯打头后，进行冷拔复合；

第六步：将冷拔复合后的复合管放在加热装置内进行钎焊，加热装置的温度设定高于低熔点焊料熔点50-150℃，保温20-200分钟，直至低熔点焊料与靶材管坯和金属衬管间均形成100%牢固的冶金结合。

第五步中所述的冷拔复合适用于Au、Ag、Al、Cu、Ni、Sn、Zn金属管状靶材以及以这些金属为主要成分的合金管状靶材。

第五步所述的冷拔复合在冷拔机上进行，冷拔变形量或冷拔模具的选择要保证冷拔变形只发生在靶材管坯和焊料上，而金属衬管不发生变形。

第五步所述的冷拔复合的过程中，通过选择合适的冷拔变形量或冷拔模具尺寸使金属衬管于管状靶材之间产生一个适合于钎焊的毛细间隙，且毛细间隙均匀一致、厚度为0.1mm-3mm，毛细间隙内填充低熔点焊料。

通过第五步的冷拔复合和第六步的钎焊使金属衬管和管状靶材之间形成一个均匀一致，且厚度为0.1mm-0.2mm的焊料层。

所述的Au、Ag、Al、Cu、Ni、Sn、Zn金属管状靶材以及以这些金属为主要成分的合金管状靶材与金属衬套之间具有均匀一致，且厚度为0.1mm-0.2mm的焊料层。

实施例4：如图1、2、3所示，一种管状靶材的粘接方法，该方法的步骤如下：

第一步：先加工出内径和厚度均大于最终要求的靶材管坯，其长度小于最

终要求；选取内径、外径与最终要求完全一致，但长度长于最终要求的金属衬管；

第二步：对需要粘接的靶材管坯和金属衬管表面进行打磨、喷砂、清洗、镀膜处理；

第三步：在表面被处理过的金属衬管外表面均匀地涂覆一层低熔点焊料，低熔点焊料涂层厚度不能小于设计的焊料层厚度；

第四步：把涂覆有低熔点焊料的金属衬管套装在靶材管坯的内部；

第五步：对套装在一起的金属衬管与靶材管坯打头后，进行冷拔复合；

第六步：将冷拔复合后的复合管放在加热装置内进行钎焊，加热装置的温度设定高于低熔点焊料熔点50-150℃，保温20-200分钟，直至低熔点焊料与靶材管坯和金属衬管间均形成100%牢固的冶金结合。

第五步中所述的冷拔复合适用于Au、Ag、Al、Cu、Ni、Sn、Zn金属管状靶材以及以这些金属为主要成分的合金管状靶材。

第五步所述的冷拔复合在冷拔机上进行，冷拔变形量或冷拔模具的选择要保证冷拔变形只发生在靶材管坯和焊料上，而金属衬管不发生变形。

第五步所述的冷拔复合的过程中，通过选择合适的冷拔变形量或冷拔模具尺寸使金属衬管于管状靶材之间产生一个适合于钎焊的毛细间隙，且毛细间隙均匀一致、厚度为0.1mm-3mm，毛细间隙内填充低熔点焊料。

通过第五步的冷拔复合和第六步的钎焊使金属衬管和管状靶材之间形成一个均匀一致，且厚度为0.1mm-1mm的焊料层。

所述的Au、Ag、Al、Cu、Ni、Sn、Zn金属管状靶材以及以这些金属为主要成分的合金管状靶材与金属衬套之间具有均匀一致，且厚度为0.1mm-1mm的焊料层。

实施例5：如图1、2、3所示，一种管状靶材的粘接方法，该方法的步骤如下：

第一步：先加工出内径和厚度均大于最终要求的靶材管坯，其长度小于最终要求；选取内径、外径与最终要求完全一致，但长度长于最终要求的金属衬管；

第二步：对需要粘接的靶材管坯和金属衬管表面进行打磨、喷砂、清洗、镀膜处理；

第三步：在表面被处理过的金属衬管外表面均匀地涂覆一层低熔点焊料，低熔点焊料涂层厚度不能小于设计的焊料层厚度；

第四步：把涂覆有低熔点焊料的金属衬管套装在靶材管坯的内部；

第五步：对套装在一起的金属衬管与靶材管坯打头后，进行冷拔复合；

第六步：将冷拔复合后的复合管放在加热装置内进行钎焊，加热装置的温度设定高于低熔点焊料熔点50-150℃，保温20-200分钟，直至低熔点焊料与靶材管坯和金属衬管间均形成100%牢固的冶金结合。

第五步中所述的冷拔复合适用于Au、Ag、Al、Cu、Ni、Sn、Zn金属管状靶材以及以这些金属为主要成分的合金管状靶材。

第五步所述的冷拔复合在冷拔机上进行，冷拔变形量或冷拔模具的选择要保证冷拔变形只发生在靶材管坯和焊料上，而金属衬管不发生变形。

第五步所述的冷拔复合的过程中，通过选择合适的冷拔变形量或冷拔模具尺寸使金属衬管于管状靶材之间产生一个适合于钎焊的毛细间隙，且毛细间隙均匀一致、厚度为0.1mm-3mm，毛细间隙内填充低熔点焊料。

通过第五步的冷拔复合和第六步的钎焊使金属衬管和管状靶材之间形成一个均匀一致，且厚度为0.1mm-2mm的焊料层。

所述的Au、Ag、Al、Cu、Ni、Sn、Zn金属管状靶材以及以这些金属为主要成分的合金管状靶材与金属衬套之间具有均匀一致，且厚度为0.1mm-2mm的焊料层。

实施例6：如图1、2、3所示，一种管状靶材的粘接方法，该方法的步骤如下：

第一步：先加工出内径和厚度均大于最终要求的靶材管坯，其长度小于最终要求；选取内径、外径与最终要求完全一致，但长度长于最终要求的金属衬管；

第二步：对需要粘接的靶材管坯和金属衬管表面进行打磨、喷砂、清洗、镀膜处理；

第三步：在表面被处理过的金属衬管外表面均匀地涂覆一层低熔点焊料，低熔点焊料涂层厚度不能小于设计的焊料层厚度；

第四步：把涂覆有低熔点焊料的金属衬管套装在靶材管坯的内部；

第五步：对套装在一起的金属衬管与靶材管坯打头后，进行冷拔复合；

第六步：将冷拔复合后的复合管放在加热装置内进行钎焊，加热装置的温度设定高于低熔点焊料熔点50-150℃，保温20-200分钟，直至低熔点焊料与靶材管坯和金属衬管间均形成100%牢固的冶金结合。

第五步中所述的冷拔复合适用于Au、Ag、Al、Cu、Ni、Sn、Zn金属管状靶材以及以这些金属为主要成分的合金管状靶材。

第五步所述的冷拔复合在冷拔机上进行，冷拔变形量或冷拔模具的选择要保证冷拔变形只发生在靶材管坯和焊料上，而金属衬管不发生变形。

第五步所述的冷拔复合的过程中，通过选择合适的冷拔变形量或冷拔模具尺寸使金属衬管于管状靶材之间产生一个适合于钎焊的毛细间隙，且毛细间隙均匀一致、厚度为0.1mm-3mm，毛细间隙内填充低熔点焊料。

通过第五步的冷拔复合和第六步的钎焊使金属衬管和管状靶材之间形成一个均匀一致，且厚度为0.1mm-1.5mm的焊料层。

所述的Au、Ag、Al、Cu、Ni、Sn、Zn金属管状靶材以及以这些金属为主要成分的合金管状靶材与金属衬套之间具有均匀一致，且厚度为0.1mm-1.5mm的焊料层。

Claims (6)

1.一种管状靶材的粘接方法，其特征在于：该方法的步骤如下：

第一步：先加工出内径和厚度均大于最终要求的靶材管坯，其长度小于最

终要求；选取内径、外径与最终要求完全一致，但长度大于最终要求的金属衬管；

第二步：对需要粘接的靶材管坯和金属衬管表面进行打磨、喷砂、清洗、镀膜处理；

第三步：在表面被处理过的金属衬管外表面均匀地涂覆一层低熔点焊料，低熔点焊料涂层厚度不能小于设计的粘结层或焊料层厚度；

第四步：把涂覆有低熔点焊料的金属衬管套装在靶材管坯的内部；

第五步：对套装在一起的金属衬管与靶材管坯打头后，进行冷拔复合；

第六步：将冷拔复合后的复合管放在加热装置内进行钎焊，加热装置的温度设定高于低熔点焊料熔点50-150℃，保温20-200分钟，直至低熔点焊料与靶材管坯和金属衬管间均形成100%牢固的冶金结合。

2.根据权利要求1所述的管状靶材的粘接方法，其特征在于：第五步中所述的冷拔复合适用于Au、Ag、Al、Cu、Ni、Sn、Zn金属管状靶材以及以这些金属为主要成分的合金管状靶材。

3.根据权利要求1所述的管状靶材的粘接方法，其特征在于：第五步所述的冷拔复合在冷拔机上进行，冷拔变形量或冷拔模具的选择要保证冷拔变形只发生在靶材管坯和焊料上，而金属衬管不发生变形。

4.根据权利要求1所述的管状靶材的粘接方法，其特征在于：第五步所述的冷拔复合的过程中，通过选择合适的冷拔变形量或冷拔模具尺寸使金属衬管与管状靶材之间产生一个适合于钎焊的毛细间隙，且毛细间隙均匀一致、厚度为0.1mm-3mm，毛细间隙内填充低熔点焊料。

5.根据权利要求1所述的管状靶材的粘接方法，其特征在于：通过第五步的冷拔复合和第六步的钎焊使金属衬管和管状靶材之间形成一个均匀一致，且厚度为0.1mm-3mm的焊料层。

6.根据权利要求2所述的管状靶材的粘接方法，其特征在于：所述的Au、Ag、Al、Cu、Ni、Sn、Zn金属管状靶材以及以这些金属为主要成分的合金管状靶材与金属衬套之间具有均匀一致，且厚度为0.1mm-3mm的焊料层。

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