CN103521916A - 靶材组件的焊接方法 - Google Patents

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王学泽
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Abstract

本发明提供一种靶材组件的焊接方法，包括：提供钨靶材、背板和铝中间层；将所述钨靶材、铝中间层、背板置于真空包套内并使所述铝中间层位于所述钨靶材与背板之间，将所述真空包套置于焊接设备内；利用热等静压工艺将所述钨靶材、铝中间层、背板焊接在一起以形成靶材组件；焊接完成后，对所述真空包套进行冷却，去除所述真空包套以获得所述靶材组件。通过在钨靶材与背板之间增设铝中间层并利用热等静压工艺将钨靶材与背板焊接在一起，焊接效率提高，形成的靶材组件的焊接结合率好、焊接强度高、变形量小而且能够实现大面积焊接，因此能够满足长期稳定生产和使用靶材的需要。

Description

靶材组件的焊接方法
技术领域
本发明涉及半导体溅射靶材制造领域，尤其涉及一种靶材组件的焊接方法。
背景技术
在半导体工业中，靶材组件是由符合溅射性能的靶材及能与所述靶材结合并具有一定强度的背板构成。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。
在溅射过程中，靶材组件所处的工作环境比较恶劣。靶材组件所处的环境温度较高，例如300℃至600℃；另外，靶材组件的一侧冲以冷却水强冷，而另一侧则处于10-9Pa的高真空环境下，由此在靶材组件的相对二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焊接强度较差，将导致靶材组件在受热条件下变形、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，以使靶材与背板之间的焊接强度满足实际应用的需求。在公开号为CN1986133A(公开日：2007年6月27日)的中国专利文献中还能发现更多的关于靶材和背板的焊接方法的信息。
对于钨靶材与背板构成的靶材组件而言，由于钨的熔点较高，为3407℃，属于难熔金属且钨在加热条件下易被氧化，用现有的焊接方法焊接效率低下，形成的靶材组件的焊接结合率差、焊接强度低、变形量大而且现有的焊接方法不能实现大尺寸靶材的焊接，因此不能满足长期稳定生产和使用靶材的需要。
发明内容
本发明要解决的技术问题是用现有的焊接方法将钨靶材与背板焊接在一起时焊接效率低下，形成的靶材组件的焊接结合率差、焊接强度低、变形量大、而且现有的焊接方法不能实现大面积焊接，因此不能满足长期稳定生产和使用靶材的需要。
为解决上述技术问题，本发明提供一种靶材与背板的焊接方法，包括以下方法步骤：
提供钨靶材、背板和铝中间层；
将所述钨靶材、铝中间层、背板置于真空包套内并使所述铝中间层位于所述钨靶材与背板之间，将所述真空包套置于焊接设备内；
利用热等静压工艺将所述钨靶材、铝中间层、背板焊接在一起以形成靶材组件；
焊接完成后，对所述真空包套进行冷却，去除所述真空包套以获得所述靶材组件。
可选的，将所述钨靶材、铝中间层、背板置于真空包套之前还包括以下步骤：
采用机械加工的方法对所述钨靶材的待焊接面进行处理形成第一螺纹图案、对所述铝中间层的第一待焊接面进行处理形成第三螺纹图案、对所述铝中间层的第二待焊接面进行处理形成第四螺纹图案、对背板的待焊接面进行处理形成第二螺纹图案，以提高所述钨靶材与背板的焊接能力，所述第一待焊接面需要与钨靶材的待焊接面相契合、所述第二待焊接面需要与背板的待焊接面相契合；
再对所述钨靶材的待焊接面、中间层的第一待焊接面和第二待焊接面、背板的待焊接面进行表面清洗处理。
可选的，所述利用热等静压工艺将钨靶材、铝中间层、背板焊接在一起的步骤包括：
使内部设置有所述钨靶材、铝中间层、背板的真空包套的外部环境温度为450℃～800℃、外部环境压强为50Mpa～160Mpa；
对位于所述环境温度、环境压强下的所述真空包套进行保温3～5小时，以将所述钨靶材、铝中间层、背板焊接在一起。
可选的，所述真空包套是由厚度为1.0mm～3.0mm的低碳钢或不锈钢焊接形成；
将所述钨靶材、铝中间层、背板置于真空包套内后，将所述真空包套抽真空至真空度至少为10-3Pa，再将所述真空包套密封。
可选的，所述铝中间层的厚度为所述钨靶材厚度的1/4～5/4。
可选的，所述背板的材料为铜或铜合金。
本发明还提供一种靶材组件的焊接方法，包括以下步骤：
提供背板、钨靶材；
在所述钨靶材的待焊接面上形成铝中间层；
将形成有所述铝中间层的钨靶材、背板置于真空包套内并使所述铝中间层位于所述钨靶材与背板之间，将所述真空包套置于焊接设备内；
利用热等静压工艺将形成有所述铝中间层的钨靶材、背板焊接在一起以形成靶材组件；
焊接完成后，对所述真空包套进行冷却，去除所述真空包套以获得所述靶材组件。
可选的，在所述钨靶材的待焊接面上形成铝中间层之前对所述钨靶材进行表面清洗处理。
可选的，所述铝中间层是利用物理气相沉积工艺形成的。
可选的，在所述钨靶材的待焊接面上形成铝中间层的步骤之后，将形成有所述铝中间层的钨靶材、背板置于真空包套内的步骤之前还包括步骤：
采用机械加工的方法对所述铝中间层的待焊接面进行处理形成第五螺纹图案，对所述背板的待焊接面进行处理形成第六螺纹图案，以提高所述钨靶材与背板的焊接能力；
再对所述铝中间层的待焊接面、背板的待焊接面进行表面清洗处理。
可选的，所述利用热等静压工艺将形成有铝中间层的钨靶材、背板焊接在一起的步骤包括：
使内部设置有所述钨靶材、背板的真空包套的外部环境温度为450℃～800℃、外部环境压强为50Mpa～160Mpa；
对位于所述环境温度、环境压强下的所述真空包套进行保温3～5小时，以将形成有所述铝中间层的钨靶材、背板焊接在一起。
可选的，所述真空包套是由厚度为1.0mm～3.0mm的低碳钢或不锈钢焊接形成，将所述钨靶材、背板置于真空包套内后，将所述真空包套抽真空至真空度至少为10-3Pa，再将所述真空包套密封。
与现有技术相比，本发明的技术方案的优点在于：
通过在钨靶材与背板之间增设铝中间层并设置真空包套，再利用热等静压工艺将钨靶材与背板有效焊接在一起，铝中间层原子更容易扩散至钨靶材与背板中，使得整个焊接过程的焊接效率较高；铝中间层还可以避免或减少焊接应力，使形成的靶材组件不易变形，而且真空包套的设置使得整个焊接过程是在真空环境下进行，可以防止靶材和背板的表面被氧化，可以提高靶材组件中的焊接结合率和焊接强度。整个焊接过程避免了现有的焊接设备不能实现大尺寸靶材焊接的缺点，形成的靶材组件使用温度可以达到600℃以上，在这样的高温条件下靶材组件不会发生脱落的现象，能够满足长期稳定生产和使用靶材的需要。
附图说明
图1是本发明靶材组件的焊接方法实施例一靶材组件的焊接方法流程图；
图2是本发明靶材组件的焊接方法实施例一靶材组件组成部分的结构示意图；
图3是本发明靶材组件的焊接方法实施例一的钨靶材的待焊接面I形成的第一螺纹图案的平面放大示意图；
图4是本发明靶材组件的焊接方法实施例一的钨靶材的待焊接面I形成的第一螺纹图案沿AA方向的截面放大示意图；
图5是本发明靶材组件的焊接方法实施例一的背板的待焊接面II形成的第二螺纹图案的平面放大示意图；
图6是本发明靶材组件的焊接方法实施例一的背板的待焊接面II形成的第二螺纹图案沿BB方向的截面放大示意图；
图7是本发明靶材组件的焊接方法实施例一的铝中间层的第一待焊接面I’和第二待焊接面II’的图案示意图；
图8是本发明靶材组件的焊接方法实施例一的钨靶材的待焊接面I与铝中间层的第一待焊接面I’契合时的截面放大示意图；
图9是本发明靶材组件的焊接方法实施例一的背板的待焊接面II与铝中间层的第二待焊接面II’契合时的截面放大示意图；
图10是本发明靶材组件的焊接方法实施例一的钨靶材、背板、铝中间层一起置于真空包套内进行热等静压工艺时的示意图；
图11是本发明靶材组件的焊接方法实施例二的靶材组件的焊接方法流程图；
图12是本发明靶材组件的焊接方法实施例二的靶材组件组成部分的结构示意图；
图13是本发明靶材组件的焊接方法实施例二的表面形成有铝中间层的钨靶材结构的待焊接面的图案示意图；
图14是本发明靶材组件的焊接方法实施例二的表面形成有铝中间层的钨靶材、背板一起置于真空包套内进行热等静压工艺时的示意图。
具体实施方式
现有的焊接方法将钨靶材与背板焊接在一起形成的靶材组件的焊接结合率差、焊接强度低、变形量大而且现有的焊接方法不能实现大面积焊接，因此不能满足长期稳定生产和使用靶材的需要。
现有的焊接工艺包括熔焊、钎焊和常规扩散焊接。本发明的发明人对现有的焊接工艺进行发现和分析得知，对于钨靶材而言，由于钨的熔点为3407℃，属于难熔金属，而背板的熔点较低，两种材料的熔点相差较大而不易进行熔焊，同时现有的熔焊设备不能实现大尺寸靶材对焊，因此不适于利用熔焊将钨靶材与背板焊接在一起；钎焊工艺中采用的锡钎料或铟钎料熔点较低(小于250℃)，以致于当利用钎焊将钨靶材与背板焊接在一起时，不仅两者之间的焊接强度较低(小于70Mpa)，而且长时间的高温环境会使钎料熔化，造成溅射工艺无法进行，另外，对于大尺寸的靶材而言，钎料不易均匀分布在钨靶材与背板的待焊接面上而使得焊接强度不佳；由于钨是在加热条件下较易被氧化的金属，当空气中的温度超过200℃时钨靶材会被氧化，以致钨靶材与背板之间的原子不能进行有效扩散，而且钨靶材与背板之间的焊接应力较大，使得钨靶材与背板在焊接过程中变形率较高，形成的靶材组件的焊接结合率差、焊接强度较差，因此也不适于利用常规扩散焊接将钨靶材与背板焊接在一起。
发明人经过创造性劳动，获得了一种靶材与背板的焊接方法，可以避免上述技术问题。
下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
实施例一
图1是本发明靶材组件的焊接方法实施例一靶材组件的焊接方法流程图。包括以下步骤：
执行步骤S11，提供钨靶材、背板和铝中间层；
执行步骤S12，将所述钨靶材、铝中间层、背板置于真空包套内并使所述铝中间层位于所述钨靶材与背板之间，将所述真空包套置于焊接设备内；
执行步骤S13，利用热等静压工艺将钨靶材、铝中间层、背板焊接在一起以形成靶材组件；
执行步骤S14，焊接完成后，对所述真空包套进行冷却，去除所述真空包套以获得所述靶材组件。
请参考图2，首先，执行步骤S11，提供钨靶材11、背板12和铝中间层13。
本实施例中钨靶材的纯度至少为99.995％。根据应用环境、溅射设备的实际要求，钨靶材11的形状可以为圆柱体、长方体、正方体、锥体，截面为环形、三角形或其他类似形状(包括规则形状和不规则形状)中的任一种的柱体，优选方案为圆柱体。钨靶材的直径尺寸为在设计尺寸上加2mm～5mm的加工余量，厚度尺寸为在设计尺寸上加1mm～3mm的加工余量。设置加工余量的目的是为钨靶材11在后续的机械加工中提供比较宽裕的加工空间以得到符合要求的靶材组件。
对于钨靶材而言，背板12可以选用铜背板来形成靶材组件，因为铜材料具有足够强度，且导热、导电性也较高，形成的靶材组件的性能较好。根据应用环境、溅射设备的实际要求，所述背板12的形状可以为圆柱体、长方体、正方体，截面为环形、三角形或其他类似形状(包括规则形状和不规则形状)中的任一种的柱体，优选方案为圆柱体。所述背板12具有容纳钨靶材11的凹槽121，且背板12的最大厚度为钨靶材厚度的2～4倍，如果背板太薄，达不到支撑强度；若背板太厚，不容易安装到溅射基台上。背板的直径可以在设计尺寸上加2mm～5mm的余量，厚度为在目标尺寸上加1mm～3mm的余量。增加余量的目的是对形成靶材组件之后的加工步骤提供比较宽裕的加工空间。
根据需要焊接的钨靶材11和背板12的材料，中间层13的材料为铝。发明人发现，将钨靶材11与背板12焊接在一起时，铝中间层13能同时与钨靶材、铜背板进行更好的结合以增大钨靶材11与背板12之间的焊接结合率及焊接强度。所述铝中间层13的形状需根据钨靶材11及背板12的形状来设置，以使铝中间层13能位于钨靶材11与背板12之间。例如，所述铝中间层13可以是利用一些常规加工工艺单独制造形成的薄片状物体，厚度为钨靶材厚度的1/4～5/4。薄片状铝中间层13形状简单，可以减少整个靶材组件的加工难度及加工周期，而且薄片状铝中间层13在焊接过程中更容易熔化，使得铝原子可以尽快扩散，加速钨靶材11与背板12之间的结合，提高焊接效率。铝中间层13如果太薄，则铝中间层13的自身断裂强度低；铝中间层13如果太厚，钨靶材和背板形状都已固定，后续形成的靶材组件太厚而安装不到溅射基台上。
为了在后续的焊接工艺中钨靶材11、背板12均能与铝中间层13进行很好的结合以增大钨靶材11、背板12与铝中间层13的焊接能力，可以采用机械加工的方法对所述钨靶材11的待焊接面、背板12的待焊接面、铝中间层13的待焊接面进行处理形成螺纹图案，再对钨靶材11、背板12和铝中间层13的待焊接面进行表面清洗处理。
请继续参考图2，所述钨靶材11包括待焊接面I、溅射面III和侧面IV。所述待焊接面I为钨靶材11将要与铝中间层13焊接的面，溅射面III为与待焊接面I相对的面，侧面IV为待焊接面I与溅射面III之间的表面。
对钨靶材11的待焊接面I进行机械加工形成第一螺纹图案，一方面用于去除钨靶材11的待焊接面I的氧化层、油脂和灰尘，另一方面使钨靶材11的待焊接面I具有一定的表面粗糙度。这样可以使钨靶材11的待焊接面I与铝中间层13更加紧密接触，即，钨靶材11的待焊接面I与铝中间层13的距离足够近，钨原子与铝原子之间产生原子间引力，从而使钨原子和铝原子能够更容易进行相互扩散，即，在扩散过程中，可以减小钨靶材11与铜背板12之间的焊接压力和降低焊接温度，使得钨靶材11与铜背板12更易焊接，提高焊接效率。图3为钨靶材的待焊接面I形成的第一螺纹图案的平面放大示意图。图4为钨靶材的待焊接面I形成的第一螺纹图案沿AA方向的截面放大示意图。请结合参考图3和图4，第一螺纹图案凸起的截面形状为多个底角相连的等腰三角形，每个三角型称为牙型，第一螺纹图案的牙型高度H1为0.12mm～0.19mm，牙型底边的距离W1为0.42mm～0.48mm。相邻两牙型侧壁间的夹角为牙型角α1等于60度，相邻两牙型之间为第一螺纹图案的凹槽部分，且相邻两牙型之间的距离为螺距L1等于0.42mm～0.48mm。
接着清洗钨靶材11的待焊接面I，对钨靶材11的待焊接面I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质量百分比为3％至15％，硝酸所占质量百分比可以为85％至97％；作为优选，即，HF∶HNO3配比的比例为1∶3。另外，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。所述有机溶剂可以是异丁醇、异丙醇、混丙醇中的任一种，优选地，选取异丙醇。清洗时间为10min～40min，用于去除机械加工时形成的污染物。清洗完毕后吹干。
请继续参考图2，所述背板12的待焊接面II为背板凹槽121的底部，同样也是将要与铝中间层13焊接的表面。
对背板12的待焊接面II进行机械加工形成第二螺纹图案，一方面用于去除背板12的待焊接面II的氧化层、油脂和灰尘，另一方面使背板12的待焊接面II具有一定的表面粗糙度。这样可以使背板12的待焊接面II与铝中间层13更加紧密接触，即，背板12的待焊接面II与铝中间层13的距离足够近，铜原子与铝原子之间产生原子间引力，从而使铜原子和铝原子能够更容易进行相互扩散，即，在扩散过程中，可以减小钨靶材11与铜背板12之间的焊接压力和降低焊接温度，使得钨靶材11与铜背板12更易焊接，提高焊接效率。图5为背板的待焊接面II形成的第二螺纹图案的平面放大示意图。图6为背板的待焊接面II形成的第二螺纹图案沿BB方向的截面放大示意图。请结合参考图5和图6，第二螺纹图案的凸起截面形状为多个底角相连的等腰梯形排列而成，等腰梯形的底边在同一条直线上。每个梯形称为牙型，第二螺纹图案的牙型高度H2为0.09mm～0.15mm，牙型顶边的距离W2为0.37～0.43mm。相邻两牙型侧壁间的夹角α2为牙型角等于60度，相邻两牙型之间为第二螺纹图案的凹槽部分，且螺距L2等于0.22mm～0.28mm。
接着用酒精或异丙醇清洗背板12的待焊接面II，清洗10min～40min，用于去除机械抛光时形成的污染物，清洗过程中不会使铜或铜合金背板生锈，清洗完毕将背板12残留的酒精或异丙醇吹干，进一步防止铜或铜合金背板生锈。
请继续参考图2，铝中间层13包括第一待焊接面I’和第二待焊接面II’，第一待焊接面I’为即将与钨靶材的待焊接面I焊接的面，第二待焊接面II’为即将与背板的待焊接面II焊接的面，侧面IV’为第一待焊接面I’与第二待焊接面II’之间的表面。
对铝中间层13的第一焊接面I’进行机械加工形成第三螺纹图案，一方面用于去除铝中间层13的第一待焊接面I’的氧化层、油脂和灰尘，另一方面使铝中间层13的第一待焊接面I’具有一定的表面粗糙度。这样可以使钨靶材11的待焊接面I与铝中间层13的第一待焊接面I’更加紧密接触，即，钨靶材11的待焊接面I与铝中间层13的距离足够近，钨原子与铝原子之间产生原子间引力，从而使钨原子和铝原子能够更容易进行相互扩散，即，在扩散过程中，可以减小钨靶材11与铜背板12之间的焊接压力和降低焊接温度，使得钨靶材11与铜背板12更易焊接，提高焊接效率。图7为铝中间层的第一待焊接面I’和第二待焊接面II’的螺纹图案截面图，图8为钨靶材的待焊接面I与铝中间层的第一待焊接面I’契合时截面放大示意图。请结合参考图3、图4、图7和图8，第三螺纹图案的凸起的截面形状也为多个底角相连的等腰三角形，牙型高度H3为0.12mm～0.19mm，牙型底边的距离W3为0.42mm～0.48mm，牙型角α3等于60度，相邻两牙型之间为第三螺纹图案的凹槽部分，且相邻两牙型之间的距离为螺距L3等于0.42mm～0.48mm。所述第三螺纹图案与钨靶材的待焊接面I上的第一螺纹图案相契合，即第三螺纹图案的凸起正好嵌入第一螺纹图案的凹槽处，第一螺纹图案的凸起正好嵌入第三螺纹图案的凹槽处。
对铝中间层13的第二焊接面II’进行机械加工形成第四螺纹图案，一方面用于去除铝中间层13的第二待焊接面II’的氧化层、油脂和灰尘，另一方面使铝中间层13的第二待焊接面II’具有一定的表面粗糙度。这样可以使背板12的待焊接面II与铝中间层13的第二待焊接面II’更加紧密接触，即，背板12的待焊接面II与铝中间层13的第二待焊接面II’距离足够近，铜原子与铝原子之间产生原子间引力，从而使铜原子和铝原子能够更容易进行相互扩散，即，在扩散过程中，可以减小钨靶材11与铜背板12之间的焊接压力和降低焊接温度，使得钨靶材11与铜背板12更易焊接，提高焊接效率。图9为背板的待焊接面II与铝中间层的第二待焊接面II’契合时截面放大示意图。请结合参考图5、图6、图7和图9，第四螺纹图案的截面形状为多个底角相连的等腰三角形排列而成，等腰三角形的底边在同一条直线上，牙型高度H4为0.09mm～0.15mm，牙型底边的距离W4为0.37mm～0.43mm，牙型角α4等于60度，相邻两牙型的底角间距L4等于0.22mm～0.28mm。所述第四螺纹图案与背板的待焊接面II上的第二螺纹图案相契合，即第四螺纹图案的凸起正好嵌入第二螺纹图案的凹槽处，第二螺纹图案的凸起正好嵌入第四螺纹图案的凹槽处。
接着清洗铝中间层13的第一待焊接面I’和第二待焊接面II’，所述清洗液请参考对钨靶材11的待焊接面I的清洗。清洗时间为10min～40min，用于去除机械加工时形成的污染物，清洗完毕后吹干。
本实施例中，对钨靶材11的侧面IV、铝中间层13的侧面IV’和背板12的侧面不进行螺纹处理，如果对上述侧面进行螺纹处理一方面使得后续的钨靶材11、铝中间层13和背板12的安装比较困难，另一方面，即使对上述侧面进行螺纹处理，增加焊接结合力和焊接强度的效果微乎其微，反而会造成成本的大量浪费。
接着结合参考图10，执行步骤S12，将钨靶材11、铝中间层13、背板12置于真空包套14内并使铝中间层13位于钨靶材11与背板12之间，将真空包套14置于焊接设备内。
具体为，请参考图10，将铝中间层13和钨靶材11依次放置在背板12的凹槽处并且铝中间层13位于钨靶材11与背板12之间形成待焊接组件。铝中间层13的侧面IV’和钨靶材11的侧面IV贴合背板12的凹槽侧面，而且，将铝中间层13的第一待焊接面I’的第三螺纹图案与钨靶材11的焊接面I的第一螺纹图案契合放置，将铝中间层13的第二待焊接面II’的第四螺纹图案与铜背板12的焊接面II的第二螺纹图案契合放置，铝中间层13的第一待焊接面I’与钨靶材11的焊接面I之间、铝中间层13的第二待焊接面II’与铜背板12的焊接面II之间形成待焊接处。
然后将此待焊接组件置于真空包套14内。真空包套14的作用为防止待焊接组件在加热的情况下发生氧化。需要说明的是，真空包套14的材质选择需满足两个条件，第一个条件为：真空包套14的熔点高于后续加热过程中的温度，否则真空包套14在后续加热过程中会熔化；第二个条件为：在后续钨靶材与背板的焊接过程中，真空包套的材质能够实现较佳的压力传导，否则影响后续的钨靶材与背板的焊接质量，例如钨靶材与背板的焊接结合力不够好，焊接强度不佳等。本实施例中优选用低碳钢焊接成型，在其它实施例中，不限于低碳钢，只要符合上述两个条件的材料都可以用作真空包套，例如不锈钢。真空包套14的厚度为1.0mm～3.0mm。若真空包套14太薄，在后续钨靶材与背板的焊接过程中真空包套14的焊接处容易裂开，造成待焊接组件露出和漏气的现象；若真空包套14太厚，在后续钨靶材与背板的焊接过程中真空包套14不容易实现压力传导。
真空包套14可以通过机械设计，例如CAD，使其形状满足待焊接组件的形状，之后将无缝管材或板材经拼接焊在一起形成，因此，真空包套14会紧密贴合内置的待焊接的靶材组件而且不受待焊接组件的尺寸限制，可以焊接大尺寸靶材的焊接。如图10所示，该真空包套14上一般留有一个孔15，可以用于从所述真空包套14上引出脱气管，该脱气管与抽真空设备连接。
然后，密封真空包套14并留脱气管。密封的工艺可以通过氩弧焊实现，抽真空步骤是通过脱气管完成的。
将真空包套14放入加热炉中进行预热，温度为200℃～500℃，接着开始边加热边抽真空，然后进行保温步骤，保温2h～5h。在所述加热保温过程中，需要对真空包套14持续抽真空，使真空包套14内的真空度至少达到10-3Pa。本发明人发现，对待靶材组件进行预热，有利于更好的进行抽真空处理，而且还可以提高后续焊接工艺的焊接强度。如果加热温度过低，待焊接组分受热不充分不利于后续的焊接操作而且也不利于抽真空的进行；加热温度过高，待焊接组分的晶粒容易长大，晶粒尺寸会超范围。保温2h～5h可以实现整个待焊接组件的内部温度均匀的达到设定温度，如果保温时间过短，待焊接组件内部温度不能均匀受热；如果保温时间过长，待焊接组件的晶粒容易长大，晶粒尺寸会超范围。真空包套14内的真空度如果大于10-3Pa，真空包套内的待焊接组件在后续的压延工艺中会被氧化；真空包套内的真空度越小越好，但是考虑到工作效率和工作成本的问题，可以将真空包套内的真空度达到10-5Pa。
然后在继续保持真空包套14内部真空的状态下对其进行闭气工艺，即将脱气管封闭，使真空包套内部形成一个密闭的真空环境。所述闭气工艺是通过机械加工和焊接实现，本实施例中，可以用铁锤将真空包套脱气管的尾部砸扁然后用氩弧焊密封。闭气工艺后，所述真空包套的真空度至少为10-3Pa。
边加热边持续抽真空的目的是，一方面可以增加持续抽真空的容易度，提高抽真空的效率；另一方面，在加热保温的条件下进行闭气工艺时，脱气管会***，更容易将脱气管的尾部封死。
然后将真空包套14置于焊接设备内以便进行焊接工艺，所述焊接设备为热等静压炉。
接着，请继续参考图10，执行步骤S13，利用热等静压工艺将钨靶材11、铝中间层13、背板12焊接在一起以形成靶材组件。所谓热等静压(hot isostaticpressing，HIP)是将待焊接组件置于真空密封的真空包套内，然后在高温条件下利用高压液体或高压气体对真空包套施加各向均等的压力，使真空包套在此高温高压环境中保持一段时间以将待焊接材料紧密焊接在一起。
此时，内部设有钨靶材11、铝中间层13、背板12的真空包套14处于高温高压环境中。通过选择合适的工艺参数可使焊接后的靶材组件中钨靶材与背板具有较高的结合率、焊接强度，具体的，发明人发现采用以下的工艺参数可以实现：外部环境温度为450℃～800℃，外部环境压强为50Mpa～160Mpa，保温3～5小时。即，真空包套14所处的外部环境温度为450℃～800℃，利用高压液体或高压气体使真空包套14所处的外部环境压强为50Mpa～160Mpa，使真空包套14在此高温高压环境中保持3～5小时。
由于真空包套14是由厚度很薄的低碳钢或不锈钢焊接形成，在外部环境压强的作用下，真空包套14可以实现很好的压力传导使得钨靶材11、背板12与铝中间层13的各待焊接面形成压力，同时由于真空包套14长时间位于高温环境中，钨靶材11、背板12与铝中间层13的各待焊接面会发生塑性变形和高温蠕变而实现小面积的钨靶材11与铝中间层13之间的晶粒接触、背板12与铝中间层13之间的晶粒接触、持续压力作用下晶粒接触面积逐渐扩大，最后达到待焊接处都能实现晶粒接触，即使得钨原子与铝原子之间、铜原子与铝原子之间形成原子间引力。
接着在待焊接处发生钨原子与铝原子之间、铜原子与铝原子之间的相互扩散，由于待焊接处的钨原子、铝原子与铜原子的持续扩散而使待焊接处的许多空隙消失，同时，待焊接处的晶界迁移离开了原始位置，即使达到平衡状态，仍有许多小空隙遗留在待焊接处，引起晶格畸变、错位、空位等各种晶体缺陷大量堆积，待焊接处的各待焊接面能量显著增大，钨原子、铝原子与铜原子处于高度激活状态，接着，钨原子、铝原子与铜原子的扩散迁移十分迅速，很快在待焊接处的微小区域形成以钨-铝金属键和铜-铝金属键为主要连接形式的接头，但是待焊接处的金属键远未达到均匀化程度，焊接强度并不高。
所以需要将待焊接组件在外部环境温度为450℃～800℃，外部环境压强为50Mpa～160Mpa的条件下进行保温3～5个小时，以使待接组件遗留下的空隙完全消失，使待焊接处都形成金属键，即实现金属键的均匀化，增加待焊接组件的焊接结合率和焊接强度。保温时间如果小于3小时，不能够使得待焊接组件的金属键的扩散更加均匀，保温时间如果大5个小时，可能引起晶粒长大，反而会降低金属键的焊接强度。
外部环境温度若低于450℃，并不能激活钨靶材的待焊接面与铝待焊接面、铝靶材的待焊接面与铜待焊接面之间的原子扩散；外部环境温度若高于800℃，造成成本的浪费，如果温度继续升高，大于铜背板或钨靶材的熔点，易使钨靶材与铜背板熔化。外部环境压强若低于50Mpa，同样不能激活钨靶材的待焊接面与铝待焊接面、铝靶材的待焊接面与铜待焊接面之间的原子扩散；外部环境压强若高于160Mpa，造成成本的浪费，如果压强继续升高，大于铜背板或钨靶材的压强极限，易使钨靶材与铜背板出现裂纹。
本实施例中用铝作为中间层13具有以下作用：
将真空包套14内的钨靶材11与背板12进行热等静压焊接的过程中，钨靶材11和铜背板12硬度大，较难变形，而铝中间层13比其他中间层材料更软，更容易变形，焊接过程中利用铝的塑性变形和塑性流动，使待焊接处的浓度梯度更大，更容易促进钨原子、铜原子和铝原子之间的相互扩散，加速待焊接处扩散空隙的消失，可以使钨靶材11的待焊接面I和铜背板12的待焊接面II较短的焊接时间，提高焊接效率。
钨靶材11和铜背板12进行焊接时，由于钨靶材和铜背板物理化学性能的突变，特别是因钨靶材和铜背板的热膨胀系数不同，待焊接处易产生很大的热应力。选取铝作为中间层13，铝的扩散激活能最低，比其他材料更容易扩散至钨靶材中，同时更容易扩散至铜背板中，即待焊接处更易形成梯度接头，能更好的避免或减少待焊接处的热应力，从而避免待焊接处引起变形从而提高待焊接处的焊接强度。
钨靶材和铜背板进行焊接时，除以金属键的形式生成钨-铜(WCu)化合物以外，铜中的碳元素和钨反应还形成碳化钨(WC)，碳化钨属于脆性相，容易使钨靶材和铜背板的待焊接处断裂。采用铝做中间层进行热等静压焊接时，可以抑制碳化钨脆性相的出现，还可以避免或减少待焊接处形成有害的共晶杂质，以增大钨靶材11与背板12之间的焊接率和增加焊接强度。
另外，由于真空包套14不受靶材尺寸和背板尺寸等限制，可以将装有大尺寸待焊接组件的真空包套14放入热等静压炉中，采用热等静压的焊接工艺即在高温、高压条件下对真空包套14施加各向均等压力来实现均匀的大面积焊接，形成大尺寸的靶材组件。所述大尺寸的靶材组件的焊接处焊接率高、焊接强度较大、且不易变形等
接着，执行步骤S 14，焊接完成后，对真空包套进行冷却，去除真空包套以获得靶材组件。焊接完成后，可使真空包套14在空气中冷却，冷却到200℃以下，然后通过化学方法或机械方法去除真空包套14以获得靶材组件，例如，可以利用车削加工工艺将真空包套14去除，然后再经过车削或线切割等方法，从而制得最终尺寸的靶材组件。
实施例二
图11是本发明靶材组件的焊接方法实施例二中靶材组件的焊接方法流程图，它显示的是当钨靶材与背板之间的中间层是形成在钨靶材待焊接面上时该靶材组件的焊接流程，如图11所示，具体包括以下步骤：
执行步骤S21，提供钨靶材、背板。
执行步骤S22，在钨靶材的待焊接面上形成铝中间层以使所述铝中间层与所述钨靶材形成一个整体。
执行步骤S23，将形成有铝中间层的钨靶材、背板置于真空包套内并使所述铝中间层位于所述钨靶材与背板之间，将所述真空包套置于焊接设备内。
执行步骤S24，利用热等静压工艺将形成有铝中间层的钨靶材、背板焊接在一起以形成靶材组件。
执行步骤S25，焊接完成后，对真空包套进行冷却，去除真空包套以获得靶材组件。
下面将图11至图14结合起来对实施例二进行详细说明。
请参考图12，首先执行步骤S21，提供钨靶材21、背板22。具体请参考实施例一。
为了在后续的焊接工艺中提高钨靶材21和背板22的焊接能力，可以对钨靶材21、背板22进行机械加工或喷丸处理，再对钨靶材21和背板22进行表面清洗。
请参考图12和实施例一，对钨靶材21的待焊接面I21进行第一次机械加工，去除钨靶材21的待焊接面I21的氧化层、油脂和灰尘，然后对钨靶材的待焊接面进行第二次机械加工或喷丸处理使得钨靶材21的待焊接面I21具有一定的表面粗糙度，即表面粗糙度Ra至少为2.5mm，以使后续的钨靶材21的待焊接面I21上形成质量较好的铝中间层23，并且使铝中间层23与钨靶材21的待焊接面I21进行牢固结合，为后续的钨靶材21与背板22的焊接工艺打下良好的基础。
接着，对钨靶材21的待焊接面I21进行清洗处理，具体可以参考实施例一。
接着，请继续参考图12，执行步骤S22，在钨靶材21的待焊接面I21上形成铝中间层23，这样铝中间层23与钨靶材21成为一个整体。铝中间层23的形成方法有多种，例如，可以利用物理气相沉积工艺形成。物理气相沉积工艺主要是利用灯丝加热后发射的电子，经电场加速、磁场聚焦后，高速撞击置于水冷坩埚中的铝蒸发材料，使得铝蒸发材料表面的原子吸收电子携带的动能，将温度迅速升高，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钨靶材的待焊接面I21相撞，并在一定条件下在钨靶材的待焊接面I21上生长为薄膜(即铝中间层23)。通过上述物理气相沉积工艺或其他类似的薄膜形成工艺，可以使得在钨靶材21的待焊接面I21上形成的铝中间层23致密度高，更有利于后续的钨靶材与背板的焊接，形成的靶材组件的焊接结合率大、焊接强度高。铝中间层23的厚度为钨靶材厚度的1/4～5/4，具体请参考实施例一。
所述铝中间层23的待焊接面II’23为：与背板22的待焊接面II22焊接的面。请参考图13，接着对铝中间层23的待焊接面II’23进行机械加工以形成第五螺纹图案，所述第五螺纹图案与实施例一中的第四螺纹图案相同，然后清洗所述铝中间层23的待焊接面II’23。具体可以参考实施例一。
接着，对背板22的待焊接面II22进行机械加工以形成第六螺纹图案，所述第六螺纹图案与实施例一中的第二螺纹图案相同，然后对所述背板的待焊接面II22进行清洗。具体可以参考实施例一。
接着，请参考图14，执行步骤S23，将形成有铝中间层23的钨靶材21、背板22置于真空包套24内并使所述铝中间层23位于所述钨靶材21与背板22之间，将所述真空包套24至于焊接设备内。
具体为，将形成有铝中间层23的钨靶材21、背板22置于真空包套24内并使所述铝中间层23位于所述钨靶材21与背板22之间形成待焊接组件，铝中间层23的侧面和钨靶材21的侧面贴合背板22的凹槽侧面，而且，将铝中间层13的待焊接面II’23的第五螺纹图案与铜背板22的焊接面II22的第六螺纹图案契合放置，铝中间层23的待焊接面II’23与铜背板12的焊接面II22之间形成待焊接处。
然后，将所述真空包套24置于焊接设备内进行焊接等后续步骤具体请参考实施例一。
接着，执行步骤S24，利用热等静压工艺将形成有铝中间层23的钨靶材21、背板22焊接在一起以形成靶材组件，具体请参考实施例一。
接着，执行步骤S25，焊接完成后，对真空包套进行冷却，去除真空包套以获得靶材组件。具体请参考实施例一。
最后，对上述实施例一及实施例二中靶材组件的焊接状况进行检测：
利用C-SCAN(水浸超声C扫描***)检测焊接结合率，该由钨靶材与铜背板所组成的靶材组件其焊接结合率范围95％以上。采用拉伸实验机测试其拉伸强度，可达到铝的断裂强度(大于130MPa)，即拉伸试验中，只有铝材料的断裂才能使靶材组件的焊接处断裂。采用垂直度测试，靶材组件的弯曲变形很小。由此方法形成的靶材组件使用温度可以达到600℃以上，在这样的高温条件下靶材组件不会发生脱落的现象并可以进行正常的溅射工艺。结果表明，采用本发明中焊接方法所获得的靶材组件的焊接性能十分可靠。
本发明中的钨靶材不限于以上实施例中描述的高纯度的钨靶材，也可以为钨合金靶材。铜背板的材料可以为纯铜，也可以为铜合金，例如为含铬(质量百分比为1％)的铜合金或含锌(质量百分比为37％)、含锡(质量百分比为0.6％)的黄铜。
本发明虽然已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，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (12)

1.一种靶材组件的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供钨靶材、背板和铝中间层；
将所述钨靶材、铝中间层、背板置于真空包套内并使所述铝中间层位于所述钨靶材与背板之间，将所述真空包套置于焊接设备内；
利用热等静压工艺将所述钨靶材、铝中间层、背板焊接在一起以形成靶材组件；
焊接完成后，对所述真空包套进行冷却，去除所述真空包套以获得所述靶材组件。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将所述钨靶材、铝中间层、背板置于真空包套之前还包括以下步骤：
采用机械加工的方法对所述钨靶材的待焊接面进行处理形成第一螺纹图案、对所述铝中间层的第一待焊接面进行处理形成第三螺纹图案、对所述铝中间层的第二待焊接面进行处理形成第四螺纹图案、对背板的待焊接面进行处理形成第二螺纹图案，以提高所述钨靶材与背板的焊接能力，所述第一待焊接面需要与钨靶材的待焊接面相契合、所述第二待焊接面需要与背板的待焊接面相契合；
再对所述钨靶材的待焊接面、中间层的第一待焊接面和第二待焊接面、背板的待焊接面进行表面清洗处理。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述利用热等静压工艺将钨靶材、铝中间层、背板焊接在一起的步骤包括：
使内部设置有所述钨靶材、铝中间层、背板的真空包套的外部环境温度为450℃～800℃、外部环境压强为50Mpa～160Mpa；
对位于所述环境温度、环境压强下的所述真空包套进行保温3～5小时，以将所述钨靶材、铝中间层、背板焊接在一起。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述真空包套是由厚度为1.0mm～3.0mm的低碳钢或不锈钢焊接形成；
将所述钨靶材、铝中间层、背板置于真空包套内后，将所述真空包套抽真空至真空度至少为10-3Pa，再将所述真空包套密封。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述铝中间层的厚度为所述钨靶材厚度的1/4～5/4。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述背板的材料为铜或铜合金。
7.一种靶材组件的焊接方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供背板、钨靶材；
在所述钨靶材的待焊接面上形成铝中间层；
将形成有所述铝中间层的钨靶材、背板置于真空包套内并使所述铝中间层位于所述钨靶材与背板之间，将所述真空包套置于焊接设备内；
利用热等静压工艺将形成有所述铝中间层的钨靶材、背板焊接在一起以形成靶材组件；
焊接完成后，对所述真空包套进行冷却，去除所述真空包套以获得所述靶材组件。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述钨靶材的待焊接面上形成铝中间层之前对所述钨靶材进行表面清洗处理。
9.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述铝中间层是利用物理气相沉积工艺形成的。
10.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述钨靶材的待焊接面上形成铝中间层的步骤之后，将形成有所述铝中间层的钨靶材、背板置于真空包套内的步骤之前还包括步骤：
采用机械加工的方法对所述铝中间层的待焊接面进行处理形成第五螺纹图案，对所述背板的待焊接面进行处理形成第六螺纹图案，以提高所述钨靶材与背板的焊接能力；
再对所述铝中间层的待焊接面、背板的待焊接面进行表面清洗处理。
11.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述利用热等静压工艺将形成有铝中间层的钨靶材、背板焊接在一起的步骤包括：
使内部设置有所述钨靶材、背板的真空包套的外部环境温度为450℃～800℃、外部环境压强为50Mpa～160Mpa；
对位于所述环境温度、环境压强下的所述真空包套进行保温3～5小时，以将形成有所述铝中间层的钨靶材、背板焊接在一起。
12.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述真空包套是由厚度为1.0mm～3.0mm的低碳钢或不锈钢焊接形成，将所述钨靶材、背板置于真空包套内后，将所述真空包套抽真空至真空度至少为10-3Pa，再将所述真空包套密封。
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