[发明专利]一种大尺寸钛靶材与铜背板的扩散焊接方法

说明书

本发明公开了属于磁控溅射靶材制造技术领域的一种大尺寸钛靶材与铜背板的扩散焊接方法。所述靶材为大尺寸钛靶材，背板为铜合金背板，通过热压扩散的方法进行焊接。包括如下步骤：对大尺寸钛靶材、铜合金背板机械加工、酸洗、装配放入热压炉中，进行扩散焊接，最终整体弯曲变形量＜3mm，焊接面的焊接强度≥55MPa。通过利用热压模具长时间高压保持至室温，保持2～5℃/min降温速率缓慢降温，降低异种材料焊接变形及残余应力。

技术领域

本发明属于磁控溅射靶材制造技术领域，尤其涉及一种大尺寸钛靶材与铜背板的扩散焊接方法。

背景技术

高纯Ti溅射靶材在半导体芯片制作中有着广泛的应用。对于高纯Ti靶来说，背板主要是以Al合金为主，Ti/Al的焊接较为成熟。但是，当靶材溅射功率很高，溅射条件非常极端的时候，就需要强度高，导电导热性好的铜合金作为背板材料。溅射过程中，靶材工作环境比较极端，如靶材表面工作温度达到300℃至500℃，处于高真空，而靶材另一侧以高压冷却水强冷，这样就会在靶材两侧形成巨大的压力差；还有，安装靶材的超高真空溅射腔体内同时存在高压电场、磁场，及各种粒子的轰击。在这样的环境下，就需要靶材与背板的结合强度较高，普通的钎焊难以承受高温的环境以及大尺寸靶材的重量，因此需要选择高强度铜合金作为背板，同时实现钛靶材和铜合金背板的高强度稳定结合，满足使用要求。

钛铜异种材料的扩散焊接，由于多种物理性质尤其是线膨胀系数的不同(Ti线膨胀系数为8.2×10^-6K^-1，Cu线膨胀系数为16.6×10^-6K^-1)，导致靶材和背板在降温过程中收缩比例不同，从而使靶材组件产生较大的变形及残余应力，导致变形量一般都达到3mm以上，尤其是对于Φ350～Φ450mm大尺寸靶材，变形量能够达到5mm以上。在后续压平过程中，容易产生靶材与背板的撕裂，导致焊接失效。

现有技术中采用热等静压(HIP)的方法，将靶材与背板焊接在一起。但是热等静压焊接时，只有包套约束靶材组件而无模具的束缚，使得整个包套及靶材组件都会随着降温过程而产生愈来愈大的变形，对于Φ350～Φ450mm大尺寸靶材，变形量甚至达到5mm以上。

发明内容

针对上述问题，本发明提出了一种大尺寸钛靶材与铜背板的扩散焊接方法，包括以下步骤：

1)选择所需的钛靶材和铜背板，并对其进行精加工，调整表面粗糙度；

2)对步骤1)精加工后的铜背板的焊接面进行机械加工，加工出螺纹，增大焊接时钛靶材和铜背板的接触面积，并对钛靶材及铜背板进行酸洗，去除焊接面的氧化层；

3)将步骤2)酸洗后的钛靶材和铜背板利用热压模具进行热压扩散焊接，将钛靶材焊接至铜背板上，随后降温至室温，得到钛靶材-铜背板焊接组件，所述过程均在真空热压炉内进行，降温过程保持高压状态；

所述钛靶材-铜背板焊接组件整体弯曲变形量＜3mm，焊接面的焊接强度≥55MPa。

所述钛靶材的尺寸为Φ350～Φ450mm，表面粗糙度≤1.6um。

所述铜背板尺寸为Φ400～Φ550mm，螺纹深度为0.2～0.4mm，间距0.4～0.6mm。

所述热压焊接的温度450℃～600℃，保温时间为3～5h，压力为20～40MPa，降温速率为2～5℃/min。

本发明的有益效果在于：

利用热压(HP)的方法焊接大尺寸钛靶材与铜背板，通过模具长时间高压保持至室温，并保持2～5℃/min降温速率缓慢降温，在降温时一直保持高压，降低整体弯曲变形量，同时降低异种材料焊接变形及残余应力，最终整体弯曲变形量＜3mm，焊接面的焊接强度≥55MPa，形成大尺寸钛靶材与铜合金背板的可靠焊接。

附图说明