CN111015090A - 一种铜系靶材和背板焊接方法 - Google Patents

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李勇军
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Abstract

本发明公开了属于金属材料加工和微电子材料制造技术领域的一种铜系靶材和背板焊接方法，步骤包括：对加厚的高纯铜系靶材靶面和高强度合金背板进行机加工，然后对靶材靶面和合金背板的焊接界面侧面采用真空电子束封焊，底面采用扩散焊接，实现靶面和背板的可靠连接，需要对机加工后的合金背板进行表面处理和离子清洗；并且在合金背板的整个焊接界面均匀的添加中间层；所述铜系靶材和背板焊接界面是在合适的扩散焊接工艺参数和焊接结构的基础上研究焊接界面对铜系靶材和背板的焊接性能的影响，对获得焊合率≥99％，焊接强度≥80MPa的铜系靶面和背板的可靠连接的靶材，具有显著的经济和技术效益。

Description

一种铜系靶材和背板焊接方法
技术领域
本发明属于金属材料加工和微电子材料制造技术领域，特别涉及一种铜系靶材和背板的焊接方法。
背景技术
随着集成电路产业布线的微细化，通过溅射铜或铜合金(铜系)靶材获得的铜布线凭借优良的性能得以在65nm及以下制程阶段得以广泛应用。铜系靶材基本性能主要包括原材料纯度、合金含量、晶粒尺寸、织构分布、单体/焊接靶、尺寸和外观等等方面。一般来说，单体靶材使用寿命长，但由于靶材整体强度不高导致使用后期会由于高温高水压的作用出现变形严重的问题，比如8-12寸的单体残靶最大可能达到的变形量高达总厚的20％。而相较于单体靶材，焊接靶材采用加厚的高纯铜或铜合金靶面和高强度合金背板可靠焊接的方式，在保证使用靶材使用寿命的同时也达到了改善后期变形的目的。目前常见的靶面和背板的焊接方式有：钎焊、电子束、机械咬合、扩散焊接等。在钎焊过程中，将尺寸配合后的靶面和背板在焊接夹具定位下通过钎焊焊接的方式实现连接，但是该种连接方式受限于钎焊焊料熔点较低而仅适用于溅射功率较小的4-8寸的平面靶材。或者将尺寸配合后的靶面和背板通过电子束焊接的方式实现连接，但是该种连接方式受限于有限的电子束熔化宽度而仅适用于靶面和背板连接面积较小的6-8寸的Endura、昆腾等特殊形状靶材。机械咬合方法中，在靶面和背板界面加工凹槽或孔，并在凹槽或孔中填充硬度降低的中间材料，采用封焊的施压方式实现嵌合连接。这种方法靶面和背板仅通过个别位置点上中间材料的变形连接，靶面和背板两者之间没有相互作用，由于连接位置有限，仅靠中间点机械咬合力维持，焊合率小，焊接强度低。且机械咬合方法中靶面和背板均需特殊机加工出凹槽和孔，加工难度大，定位要求高，消耗工时多。因此连接位置有限、焊合率和焊接强度需要优化、机加工难度大等因素大大限制了其应用范围。目前市场上8寸-12寸铜系靶材需要能实现溅射功率大、靶面和背板平面大面积可靠连接，焊合率≥99％的靶面和背板的可靠连接，需要通过扩散焊接才能实现。常见的扩散焊接需要将靶面和背板在真空扩散焊接设备中加工，或者在复杂的包套中实现扩散焊接，加工工序复杂，设备要求高；现有技术研究中仅对焊接结构的物理尺寸做了说明，而对显著影响焊接性能的焊接界面的设计至今没有人研究过。
发明内容
本发明针对现有技术的问题，提供了一种铜系靶材和背板焊接方法，包括以下步骤：对加厚的高纯铜系靶材靶面和高强度合金背板进行机加工，然后对靶材靶面和合金背板的焊接界面侧面采用真空电子束封焊，底面采用扩散焊接的方式来实现靶面和背板的可靠连接，
1)对机加工后的合金背板进行表面处理，然后进行离子清洗，保证界面洁净度；
2)在步骤1)合金背板的焊接界面添加中间层，该中间层以均匀的厚度遍布整个背板的焊接界面。
所述步骤1)中，表面处理方式包括车齿或打磨成光面，其中车齿尺寸宽度A为0.15-0.5mm，高度B为0.1-0.35mm，其中光面的表面粗糙度要求≤0.4μm。
所述步骤2)中间层材料的热膨胀系数、熔点、扩散系数、热导率、塑性形变性能均与铜相近，优选为铜及其合金。
所述步骤2)添加中间层的方法包括电镀或磁控溅射镀膜，中间层的膜厚为0-8μm。
所述步骤2)焊接界面处的铜系靶材靶面、合金背板和中间层同时变形、互相扩散，所述铜系靶材和背板焊接界面的焊合率≥99％，焊接强度≥80MPa。
本发明的有益效果在于：
1.所述连接方式在合适的扩散焊接工艺参数的基础上研究界面结构设计对铜系靶材和背板的可靠连接的影响，从而获得焊接强度≥80MPa的铜系靶材和背板的可靠连接方式。
2.铜系靶材在集成电路中广泛的市场应用和发展前景，能获得焊接强度≥80MPa的铜系靶材和背板的可靠连接的靶材，具有显著的经济和技术效益。因此本发明主要研究焊接界面的结构设计对焊接强度的影响规律研究，以期获得焊合率≥99％焊接强度须达到80MPa以上的焊接界面参数。
3.通过所述焊接界面处的铜系靶材靶面、合金背板和中间层同时变形、互相扩散，依照机械咬合力和扩散力实现了焊接界面良好的焊合率和焊接强度。
附图说明
图1为实施例1-6中铜系靶面和背板机加工配车示意图；
图2为实施例4-6中对高强合金背板进行表面车齿示意图；
图3为实施例1中焊接界面金相图；
图4为实施例3中在焊接界面SEM图；
图5为实施例4中焊接界面金相图；
其中：1-铜系靶材靶面，2-合金背板。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明：
一种铜系靶材和背板焊接方法，包括以下步骤：
对加厚的高纯铜系靶材靶面1和高强度合金背板2进行机加工，机加工过程中，靶面直径D1≤背板直径D3，靶面配车直径D2＝靶托配车直径D4，靶面配车深度H2＝靶托配车深度H4；所得背板直径D3为100-550mm，背板厚度H3为3-20mm；机加工过程中靶面配车直径D2为95-450mm，负公差；靶面配车深度H2为2-5mm，正公差；背板配车直径D4为95-450mm，正公差；背板配车深度H4为2-5mm，负公差；
需要对机加工后的合金背板进行特殊表面处理，表面处理方式包括车齿或光面，其中车齿尺寸宽度A为0.15-0.5mm，高度B为0.1-0.35mm；其中光面的表面粗糙度要求≤0.4μm。
然后进行离子清洗，保证界面洁净度。
在合金背板的焊接界面添加中间层，中间层材料包括Cu或其他与之性能相近的材料，添加方法包括电镀或磁控溅射镀膜，镀膜的厚度为0-8μm；
对焊接界面侧面采用真空电子束封焊，底面采用热等静压HIP等扩散焊接的方式来实现靶面和背板的可靠连接，铜系靶材和背板焊接界面的焊合率≥99％，焊接强度≥80MPa。
实施例1
对原材料为高纯铜的铜靶面和CuNiSiCr高强合金背板进行下列工序步骤：
步骤一)将高纯铜的铜靶面和CuNiSiCr背板按照图1进行尺寸配合机加工。靶面直径
Figure BDA0002287188430000021
靶面厚度H1＝20mm，背板直径
Figure BDA0002287188430000022
背板厚度H3＝20mm。靶面配车直径
Figure BDA0002287188430000031
公差(-0.2，0mm)，靶面配车深度H2＝4mm，公差(0,+0.2)。背板配车直径
Figure BDA0002287188430000032
公差(0，+0.2mm)，靶托配车深度H4＝4mm，公差(-0.2,0)；
步骤二)将步骤一)的高强合金背板进行光面表面处理。表面粗糙度≤0.4μm。
步骤三)将步骤二)的合金背板进行离子清洗，保证界面洁净度。
步骤四)将步骤三)靶面和背板进行电子束封焊
步骤五)将步骤四)封焊后的靶面和背板坯料进行HIP焊接
步骤六)将步骤五)HIP的靶面和背板坯料进行C-scan检测焊合率
步骤七)将步骤六)将经检测焊合率合格的样品测试焊接强度
经过上述步骤处理的靶面和背板结合的坯料焊合率100％，焊接强度140MPa。
实施例2
步骤一)至二)同实施例一。
步骤三)将步骤二)的合金背板进行离子清洗，保证界面洁净度。并在背板表面磁控溅射镀Cu膜，薄膜厚度0.6μm。
步骤四)将步骤七)同实施例一。
经过上述步骤处理的靶面和背板结合的坯料焊合率100％，焊接强度150MPa。
实施例3
步骤一)至二)同实施例一。
步骤三)将步骤二)的合金背板进行离子清洗，保证界面洁净度。并在背板表面磁控溅射镀Cu膜，薄膜厚度8μm。
步骤四)将步骤七)同实施例一。
经过上述步骤处理的靶面和背板结合的坯料焊合率100％，焊接强度160MPa。
实施例4
步骤一)同实施例一。
步骤二)将步骤一)的高强合金背板进行车齿表面处理。车齿形状参见图2。车齿尺寸宽度A为0.15-0.5mm，高度B为0.1-0.35mm。
步骤三)将步骤七)同实施例一。
经过上述步骤处理的靶面和背板结合的坯料焊合率100％，焊接强度80MPa。
实施例5
步骤一)至二)同实施例四。
步骤三)将步骤二)的合金背板进行离子清洗，保证界面洁净度。并在背板表面磁控溅射镀Cu膜，薄膜厚度0.6μm。
步骤四)将步骤七)同实施例一。
经过上述步骤处理的靶面和背板结合的坯料焊合率100％，焊接强度100MPa。
实施例6
步骤一)至二)同实施例四。
步骤三)将步骤二)的合金背板进行离子清洗，保证界面洁净度。并在背板表面磁控溅射镀Cu膜，薄膜厚度1μm。
步骤四)将步骤七)同实施例一。
经过上述步骤处理的靶面和背板结合的坯料焊合率100％，焊接强度120MPa。
对比例1
步骤一)至二)同实施例一。
步骤三)将步骤二)的合金背板在背板表面磁控溅射镀Cu膜，薄膜厚度0.6μm。
步骤四)将步骤七)同实施例一。
经过上述步骤处理的靶面和背板结合的坯料焊合率0％，靶面和背板脱焊。
汇总实施例1-6和对比例1中焊接强度随界面表面处理方法和镀层厚度变化的趋势，见表1，对于获得客户需求的焊接强度≥80MPa的铜系靶材和背板的可靠连接的靶材具有显著的经济和技术效益。
表1实施例1-6和对比例1成品焊接质量和强度对比表
试样编号 描述 焊接强度
实施例1 背板光面，清洗，不镀铜 140MPa
实施例2 背板光面，清洗，镀0.6μm的铜 150MPa
实施例3 背板光面，清洗，镀8μm的铜 160MPa
实施例4 背板带齿，清洗，不镀铜 80MPa
实施例5 背板带齿，清洗，镀0.6μm的铜 100MPa
实施例6 背板带齿，清洗，镀1μm的铜 120MPa
对比例1 背板光面，未清洗，镀0.6μm的铜 脱焊

Claims (5)

1.一种铜系靶材和背板焊接方法，包括以下步骤：对加厚的高纯铜系靶材靶面和高强度合金背板进行机加工，然后对靶材靶面和合金背板的焊接界面侧面采用真空电子束封焊，底面采用扩散焊接的方式，实现靶面和背板的可靠连接，其特征在于，
1)对机加工后的合金背板进行表面处理，然后进行离子清洗，保证界面洁净度；
2)在步骤1)合金背板的焊接界面添加中间层，该中间层以均匀的厚度遍布整个背板的焊接界面。
2.根据权利要求1所述一种铜系靶材和背板焊接方法，其特征在于，所述步骤1)中，表面处理方式包括车齿或打磨成光面，其中车齿尺寸宽度A为0.15-0.5mm，高度B为0.1-0.35mm，其中光面的表面粗糙度要求≤0.4μm。
3.根据权利要求1所述一种铜系靶材和背板焊接方法，其特征在于，所述步骤2)中间层材料的热膨胀系数、熔点、扩散系数、热导率、塑性形变性能均与铜相近，所述中间层材料包括铜及其合金。
4.根据权利要求1所述一种铜系靶材和背板焊接方法，其特征在于，所述步骤2)添加中间层的方法包括电镀或磁控溅射镀膜，中间层的膜厚为0-8μm。
5.根据权利要求1所述一种铜系靶材和背板焊接方法，其特征在于，所述步骤2)焊接界面处的铜系靶材靶面、合金背板和中间层同时变形、互相扩散，所述铜系靶材和背板焊接界面的焊合率≥99％，焊接强度≥80MPa。
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