CN113278932B - 一种扩散焊接型AlSc合金靶材的一次成型制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了属于磁控溅射靶材制造技术领域的一种扩散焊接型AlSc合金靶材的一次成型制备方法。本发明公开的扩散焊接型AlSc合金靶材的制备方法，采用熔炼工艺成型，将配比好的合金熔液直接浇注在焊接面有燕尾槽并加镀层的背板上，另外一面通冷却水冷却，通过背板燕尾槽的结构设计，实现靶材近尺寸成型及与背板扩散焊接一体成型，最终AlSc合金靶材的焊合率≥99％，焊接强度≥10MPa。通过浇注一次成型扩散焊接靶材，减少繁琐的靶面成型及热等静压扩散焊接，大大降低成本，并利用背板焊接面加镀层，防止焊接面生成脆性相，得到焊接强度满足使用要求的产品。

Description

一种扩散焊接型AlSc合金靶材的一次成型制备方法
技术领域
本发明属于磁控溅射靶材制造技术领域，尤其涉及一种扩散焊接型AlSc合金靶材的一次成型制备方法。
背景技术
伴随高频移动通信(5G)、物联网时代的到来，超越摩尔定律的新兴半导体技术日新月异，其中MEMS器件在国防安全、工业智能和智能生活等领域均拥有巨大的应用市场。基于压电效应的射频滤波器、传感器、换能器等是急需重点发展的关键半导体器件。为满足器件的高频、大带宽、小型化、集成化需求，具有高机电耦合系数并且与当前集成电路工艺高度兼容的AlScN薄膜是新一代压电MEMS器件的核心。高纯AlSc稀土合金靶材主要用于溅射高纯AlScN薄膜，相比AlN、ZnO、锆钛酸铅(PZT)等现有压电薄膜，其具有更强更优的压电性能，是高频移动通信(5G)射频滤波器芯片、MEMS微型先进传感器等制造核心材料。
传统工艺制备复合AlSc合金靶材需要先制备AlSc合金靶坯，然后通过钎焊或扩散焊接实现靶材与背板的结合。AlSc靶坯本身性质较脆，热机械处理容易产生裂纹，后续焊接过程，钎焊工艺采用In焊接得到的复合靶材强度较低，不适合大功率溅射。而热扩散焊接需要制作包套，在热等静压炉中进行，采用高压长时间的工艺，也容易使脆性靶材产生裂纹，并且扩散焊接的热等静压炉设备造价高，工艺复杂。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种扩散焊接型AlSc合金靶材的一次成型制备方法，包括以下步骤：
1)选择铝金属原料和钪金属原料，按照合金配比进行熔炼，得到熔融合金液；
2)在背板焊接面加工出浇注槽，浇注槽内加工出燕尾槽；
3)在背板焊接面上加镀层；
4)将熔融合金液直接浇注在焊接面有燕尾槽的浇注槽内，背板另一面通冷却水冷却，实现靶材近尺寸成型及与背板扩散焊接一体成型；
所述AlSc合金靶材焊合率≥99％，焊接强度≥10MPa。
所述AlSc合金中Sc含量为0-40at％。
所述合金背板包括Cu合金背板、Mo背板等，具体包括，CuCr合金、CuZnSn合金、CuZn合金。
所述燕尾槽尺寸深度为0.1-1mm，上开口宽度为1-5mm，侧壁与底面角度为70°，燕尾槽上边间距为1-10mm。
背板厚度为10-30mm，加工出浇注槽，浇注槽深为5-10mm。
镀层方式为化学镀或磁控溅射，镀层材质为Ni或NiV，化学镀得到的厚度为5-20um，磁控溅射得到的镀层厚度为100-2000nm。
本发明的有益效果在于：
1.AlSc合金靶材采用熔炼工艺成型，快速浇注在焊接面有燕尾槽的合金背板上，能够实现背板和靶面一次成型，工艺简单，大大降低成本。
2.本发明利用燕尾槽的特殊结构设计，并在焊接面加Ni或NiV镀层，防止Al与背板反应生成脆性相，首先能够实现AlSc靶面与背板的机械咬合，防止焊接面开裂，实现高可靠性焊接。
3.本发明所述方法通过在背板焊接面进行化学镀或电镀Ni或NiV，然后进行浇注，实现靶材的高可靠性焊接，避免了Al-Cu进行扩散焊接时易生成脆性中间相的问题，防止了扩散焊接界面脆性中间相生成。
4.为降低焊接靶材工艺的复杂性并保留足够的焊接强度，本发明主要通过设计焊接面的结构，在背板焊接面加入燕尾槽结构，并在焊接面加Ni或NiV镀层，防止Al与背板反应生成脆性相，实现靶材与背板的机械咬合进一步实现原子扩散。AlSc合金溶液直接浇注在焊接面具有燕尾槽的背板上，形成结构上的凹凸部位相结合，即机械咬合，甚至进一步进行原子间扩散，达到较好的焊接强度。
附图说明
图1为本发明AlSc合金靶材制备流程示意图。
图2为焊接面带燕尾槽的背板示意图。
图3为燕尾槽尺寸详细示意图。
图4为浇注成型AlSc合金靶材示意图。
其中，1-背板；2-浇注靶面；3-进水口；4-出水口。
具体实施方式
一种扩散焊接型AlSc合金靶材的一次成型制备方法，包括以下步骤：
1)选择铝原材料和钪原材料，按照所需配比(Sc含量在0-40at％)进行熔炼，得到熔融合金液；
2)将Cu合金或Mo背板1进行机加工，并在焊接面按照燕尾槽尺寸深度为0.1-1mm，宽度为1-5mm，间距为1-10mm进行加工；
3)在背板焊接面进行化学镀或磁控溅射镀Ni或NiV；
4)将铝钪合金溶液直接浇注在焊接面有燕尾槽的Cu合金背板或Mo背板上的浇注槽内，得到浇注靶面2，另一面通冷却水冷却，实现靶材近尺寸成型及与背板扩散焊接一体成型；
5)Al合金或Cu合金背板焊接面的背面通过进水口3和出水口4通冷却水进行冷却；
所述AlSc合金靶材焊合率≥99％，焊接面的焊接强度≥10MPa。
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：
实施例1～4
1、按照如图1所示的流程，进行AlSc靶材制备；准备所需的原材料，Al原材料和Sc原材料；
2、按照0-40at％Sc配比进行熔炼，得到熔融合金液；
3、按照图2及图3进行Mo背板机加工，并在焊接面按照燕尾槽尺寸深度为0.1-1mm，宽度为1-5mm，间距为1-10mm进行加工；
4、在背板焊接面进行化学镀Ni；
5、将铝钪合金溶液直接浇注在焊接面有燕尾槽的Mo背板上，背面通冷却水冷却，实现靶材近尺寸成型及与背板扩散焊接一体成型，如图3。
对比例1
1、准备所需的原材料，Al原材料和Sc原材料；
2、按照15at％Sc配比进行熔炼，得到熔融合金液，在模具中冷却成铸锭；
3、将铸锭进行热机械处理，锻造或轧制；
4、通过机加工得到规定尺寸的AlSc合金靶坯；
5、将Mo背板通过车床机加工，加工成规定尺寸；
6、将AlSc合金靶坯与Mo背板进行钎焊，得到AlSc合金靶材。
对比例2
1、准备所需原材料，Al原材料和Sc原材料；
2、按照15at％Sc配比进行熔炼，得到熔融合金液，在模具中冷却成铸锭。
3、将铸锭进行热机械处理，锻造或轧制；
4、通过机加工得到规定尺寸的AlSc合金靶坯；
5、将Mo背板通过车床机加工，加工成规定尺寸；
6、制作包套，将AlSc合金靶坯与Mo背板装入包套中；
7、将装好包套的靶坯及背板进行除气、封焊。
8、在热等静压炉中进行扩散焊接，得到扩散焊接AlSc合金靶材。
实施例1～3及对比例1、2中AlSc靶材的制备及性能结果见表1。
表1实施例及对比例AlSc靶材的制备及性能
Figure BDA0002871682690000031

Claims (3)

1.一种扩散焊接型AlSc合金靶材的一次成型制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）选择铝金属原料和钪金属原料，按照合金配比进行熔炼，得到熔融合金液；
2）在背板焊接面加工出浇注槽，浇注槽内加工出燕尾槽；
3）在背板焊接面上加镀层；
4）将熔融合金液直接浇注在焊接面有燕尾槽的浇注槽内，背板另一面通冷却水冷却，实现靶材近尺寸成型及与背板扩散焊接一体成型；
燕尾槽尺寸深度为0.1-1mm，上开口宽度为1-5mm，侧壁与底面角度为70°，燕尾槽上边间距为1-10mm；
背板厚度为10-30mm，浇注槽深为5-10mm；
所述AlSc合金中Sc含量为5-40at%，AlSc合金靶材焊合率≥99%，焊接强度≥10MPa。
2.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，所述合金背板包括Cu合金背板或Mo背板；所述Cu合金背板为CuCr合金、CuZnSn合金或CuZn合金。
3.根据权利要求1所述制备方法，其特征在于，镀层方式为化学镀或磁控溅射，镀层材质为Ni或NiV，化学镀得到的厚度为5-20um，磁控溅射得到的镀层厚度为100-2000nm。
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