用於評估濺射靶/背襯板組件的結合界面的熱成像測試方法和裝置的製作方法
2023-09-20 07:34:20 2
專利名稱：用於評估濺射靶/背襯板組件的結合界面的熱成像測試方法和裝置的製作方法
本申請按照35U.S.C.§119要求2003年7月16日提交的在前美國臨時專利申請No.60/488,243的權利優先權，其全部內容在此引用作為參考。
背景技術：
本發明涉及由結合到背襯板上的濺射靶組成的濺射靶組件。尤其是，本發明涉及用於定量評估濺射靶/背襯板結合質量的方法，並涉及對濺射靶組件進行無損結合評估的系統。
在濺射應用領域中，濺射靶組件一般包括濺射靶和背襯板。例如，將金屬靶或金屬靶坯(如鉭、鈦、鋁、銅、鈷、鎢等)結合到背襯板上。背襯板可以是，例如背襯板法蘭組件，如銅、鋁或其合金。在濺射過程中，保持在濺射靶和背襯板之間的熱和電接觸的程度是可影響給定濺射靶組件的濺射性能的因素之一。為了在濺射靶和背襯板之間獲得所需要的熱和電接觸，濺射靶組件的部件通過常規方法，如軟釺焊、硬釺焊、擴散結合、夾緊、爆炸結合、摩擦焊接、壓配合、環氧粘合等，彼此結合或附著。在結合過程中獲得的熱和電接觸的程度可以取決於位於濺射靶組件部件的結合表面之間的整個結合界面上的結合質量。
濺射靶和背襯板一般由熱膨脹係數不同的材料製造。當在高溫下，如通過軟釺焊、硬釺焊、或擴散結合實現結合時出現的靶材料和背襯板材料之間不均勻膨脹，可在濺射靶組件部件的金屬中產生很高水平的機械應力。該機械應力可導致濺射靶組件的撓曲，導致由於結合失效引起的濺射靶從背襯板上分離。由於不良的結合導致的結合失效在處理過程中的任何時候均能出現，但是最可能的是在使用過程中當由於暴露於濺射過程所獲得的相對高溫下引起結合強度或抗剪強度處於最小值時出現結合失效。由於工業不斷進步，使用越來越大的濺射靶，更可能存在剝離(debonding)的風險。
對於至少所探討的理由，即濺射性能和剪切破壞，一般在使用之前對通過常規方法結合的濺射靶組件檢查結合質量以保證結合完整性符合要求。超聲掃描或超聲檢測(UT)一般用於評估濺射靶組件中靶和背襯板之間的結合完整性。在UT中，將靶/背襯板組件浸入水中，並使用在約1到30MHz之間運行的超聲換能器，在濺射靶組件表面上以x-y光柵模式進行掃描。整個結合界面的結合完整性可以通過測量靶/背襯板界面的超聲波反射來確定。對於沒有檢測到強反射的區域，認為結合是堅固的。或者，如果檢測到強反射，則認為相關的區域的結合不好。
濺射靶組件的UT的掃描時間與掃描的面積成比例。濺射靶組件典型的掃描速率為約15到30cm2/分鐘。典型的濺射靶組件(例如對於用於半導體製造的塗覆200mm的矽片)可以是約1,000cm2。這樣，典型的掃描時間是30到60分鐘。這種持久的評估由於許多原因是不利的。另外，通過超聲檢測獲得的結果的準確度可與進行掃描的方式有關。此外，將對於剝離位置所獲得的數據變為容易觀測的介質如圖形圖像是有利的。
因此，需要一種評估濺射靶組件的結合完整性的方法，進行該方法的時間需要比目前使用的評估方法少。還需要一種對濺射靶組件進行無損檢測的系統，其提供定量分析，其中結果的準確度不受機械掃描的固有限制的影響。還需要一種在代表性的圖中體現組件剝離位置信息的方法。
發明內容
因此，本發明的一個特徵是提供一種檢測結合的濺射靶/背襯板組件的非結合區域的無損檢測方法。
本發明進一步的特徵是提供一種評估濺射靶組件的結合界面的方法，其中評估時間與評估區域的大小無關。
本發明的另一個特徵是提供一種評估濺射靶組件的結合界面的熱成像系統，該系統產生連貫的結合質量分析。
本發明的附加特徵和優點將在下面的說明書中部分闡述，並且部分從說明書變得清晰，或者通過本發明的實踐而理解。本發明的目的和其它優點可通過說明書和所附的權利要求特別指出的要素及其組合的方式實現並獲得。
為了實現這些及其它優點，並且根據本發明的目的，如這裡具體描述和概述的，本發明涉及一種使用濺射靶組件的熱成像評估濺射靶組件的結合界面的方法，其中該濺射靶組件包括在結合界面處結合到或者不然附著到濺射靶的背襯板。該方法優選包括分別用熱源或冷源加熱或冷卻背襯板；通過紅外熱成像法使濺射靶表面的至少一部分成像，以獲得對於預定成像時間的像素矩陣的單獨像素的系列熱圖像，產生對於單獨像素的觀察到的時間-溫度曲線；並且將觀察到的時間-溫度曲線與相應參考時間-溫度曲線比較，以確定結合界面的完整性。
本發明還涉及一種熱成像分析方法，優選包括確定對於從通過紅外熱成像法獲得對於預定成像時間的系列熱圖像中得到的單獨像素數據的時間-溫度曲線；並且將多個時間-溫度曲線對成像時間積分，以獲得單獨像素的觀察積分溫度。該方法任選地包括使單獨像素數據歸一化。觀察積分溫度也可以用積分像素圖表示。
本發明進一步涉及一種加熱濺射靶組件部件的方法，使熱量垂直流動到結合界面，以至於對於不堅固的結合，降低熱傳遞，由此在該濺射靶/背襯板組件的表面上產生可檢測的溫度梯度，該方法可以用於使組件中剝離區域隔離。
應該理解上述概述和以下詳細說明僅僅是示例性的和解釋性的，並且旨在對要求保護的本發明提供更進一步的解釋。
引入本申請並構成本申請一部分的附圖，解釋本發明的各個方面，並且與說明書一起用以解釋本發明的原理。
圖1是體現本發明用於評估濺射靶組件的結合界面的特徵的系統的示意圖。
圖2是體現本發明用於評估濺射靶組件的結合界面的特徵的另一系統的示意圖。
圖3是表示根據本發明的實施方案在濺射靶組件加熱過程中的熱傳遞模式的示意圖。
圖4是從濺射靶組件兩個實例獲得的時間-溫度數據和從FEA模型預測的時間-溫度曲線的圖。
圖5是在實例濺射靶組件的中心和邊緣區域獲得的時間-溫度數據圖，該圖顯示在靶邊緣處的剝離區域。
圖6是通過本發明的方法產生的積分歸一化溫度圖的圖形圖像，其中濺射靶組件基本上沒有剝離區域。
圖7是通過本發明的方法產生的積分歸一化溫度圖的圖形圖像，其中濺射靶組件有剝離區域。
圖8是對於在靶外徑處剝離的濺射靶組件的實施例的信號(Ip-Iu)的理論徑向變化的圖。
圖9是在濺射靶組件實例中對於10cm寬的邊緣剝離，Ip-Iu的有限元模型結果的圖。
圖10是對於熱源或冷源和濺射靶組件之間各種對流傳熱係數的預期信號(Ip-Iu)，FEA模型計算的圖。
具體實施例方式
本發明用於評估濺射靶組件的結合界面的方法包括對濺射靶組件進行熱成像分析，該濺射靶組件包括在界面處結合或不然附著在一起的背襯板和濺射靶。該熱成像分析優選包括分別用熱源或冷源加熱或冷卻背襯板；通過紅外熱成像法使濺射靶表面的至少一部分成像，以獲得預定成像時間的像素矩陣的單獨像素的系列熱圖像，產生單獨像素的觀察的時間-溫度曲線；並且將觀察的時間-溫度曲線與相應的參考時間-溫度曲線比較，以確定結合界面的完整性。該方法任選地還包括將多個單獨像素的觀察的時間-溫度曲線對至少一部分成像時間進行積分，以獲得多個像素的觀察的積分溫度；並且將觀察積分溫度與相應的參考積分溫度比較，以確定結合界面的完整性。
更具體而言，如上所述，濺射靶組件包括兩部件或組件部件，即，背襯板和濺射靶。用於本發明實踐的濺射靶包括兩側濺射側和相反的結合側。本發明的背襯板包括兩側結合側和相反的背側。本發明的濺射靶組件是通過將結合側相對於彼此固定裝配的濺射靶組件。濺射靶組件可以是具有通過任何適宜的技術直接附著或間接附著於彼此的靶和背襯板的濺射靶組件，該金屬優選為結合。該結合可以是冶金結合，如通過擴散結合、爆炸結合、金屬壓配合(例如，具有插入凸起和凹槽的那種)、熱膨脹耦合、電子束(e-beam)焊接、慣性焊接、摩擦硬釺焊等或通過焊接技術實現的結合。結合界面由所結合的組件部件的結合側之間的區域限定。濺射靶組件也可以具有夾層，如工業中常規的那樣。夾層可以由任何合適的金屬或其合金製成，包括上述用於靶和背襯板的金屬。而且，濺射靶可以是空心陰極磁控管(HCM)濺射靶，並且可以是其它形式的濺射靶，如適宜於引入固定的或旋轉的永磁體或電磁體的平面磁控管組件。背襯板可以包括特徵如法蘭和/或適合於包括或連接到冷卻裝置。
濺射靶和背襯板可以分別是任何合適的靶等級和背襯板等級材料。靶材料的實例包括，但是不局限於鋁、鈦、銅、鈷、鈮、金、鉑、鈀、鎳、鉿、鉬、鋯、鉭和其合金。背襯板的實例包括，但是不局限於銅或銅合金、鉭、鈮、鈦、鋁和其合金、如TaW、NbW、TaZr、NbZr、TaNb、NbTa、TaTi、NbTi、TaMo、NbMo等、和鋼。優選地，濺射靶是鉭或鉭合金，而背襯板是銅或銅合金。濺射靶和背襯板中使用材料的種類沒有限制。純度、結構(texture)、和/或粒徑及其它參數，包括尺寸等，對於本發明不是關鍵的。優選地，濺射靶組件部件的材料對環境氣氛具有傳熱係數為約0.1到約300W/m2。濺射靶和背襯板的厚度可以是用於濺射靶組件的任何合適的厚度。合適厚度的背襯板和濺射靶的實例包括，但是不局限於，厚度為約0.25英寸或更小到約2英寸或更大的背襯板，和厚度為約0.06英寸或更小到約1英寸或更大的靶。
加熱可以通過加熱濺射靶組件部件中的一個或兩個實現，並且優選加熱背襯板。加熱可以是通過任何對組件部件基本上所有的或任何部分的任意非結合側進行加熱的直接或間接方法，並且該非結合側優選包括濺射靶的濺射側或背襯板的背側。在加熱之前，濺射靶部件可以在約15到約35℃的溫度下，並且優選可以在約20℃的環境溫度下。還是在加熱之前，組件部件優選處於平衡溫度。可以將組件部件加熱到約20到約100℃的溫度。優選地，該加熱方法迅速加熱熱施加到其上的組件部件。優選地，加熱以約0.01到約100℃/秒，如約0.1到約10℃/秒的速度加熱組件部件。
熱源可以是任何適用於加熱濺射靶組件部件的熱源。例如，熱源可以是流體，包括水、乙二醇、甲酸銫、或其任何組合。熱源可以是液浴或液體噴射，如蒸汽或熱液噴射等。熱源可以是氣體，如熱的空氣、氦、氬、氮或其它氣體系統。熱源可以是輻射熱或傳導熱。加熱可以是感應加熱。熱源可以是通過在靶組件如背襯板表面中誘發渦流而加熱靶組件的感應圈。可以使用任何能誘發渦流的設備。優選地，當用熱源(例如液體)加熱組件時，所使用的方法具有高熱容量和良好熱導率的性質。該熱源的熱容量和熱導率優選足以迅速加熱整個濺射靶組件。熱源優選具有比熱容為約至少4,000J/Kg·K。優選地，在熱源和受熱的組件部件之間具有的對流傳熱係數為約500到約20,000W/m2。
根據本發明的實施方案，除了加熱組件以外，另外還可以冷卻該組件。冷卻可以通過任何從組件部件基本上所有的或任何部分的任意非結合側除去熱量的直接或間接方法，並且該非結合側優選包括濺射靶的濺射側或背襯板的背側。在冷卻之前，濺射靶部件可以在約15到約100℃的溫度下，並且優選在約20℃的環境溫度下。同樣在冷卻之前，組件部件優選處於平衡溫度。可以將組件部件冷卻到約0到約-273℃的溫度。優選地，該冷卻的方法迅速冷卻熱從中除去的組件部件。優選地，冷卻以約0.1到約10℃/秒的速度冷卻組件部件。
冷卻可以是通過使用冷源實現。冷源可以是任何適用於冷卻濺射靶組件部件的冷源。例如，冷源可以是流體，包括水、乙二醇或甲酸銫。冷源可以是液浴或液體噴射。冷源可以是氣體，如空氣、氦、氬、氮或其它氣體系統。優選地，用於冷卻組件部件的冷源具有高熱容量和良好熱導率的性質。該冷源的熱容量和熱導率優選足以迅速冷卻整個濺射靶組件。冷源優選具有的比熱容為至少約4,000J/Kg·K。優選地，在冷源和受冷卻的組件部件之間具有的對流傳熱係數為約500到約20,000W/m2。
根據本發明的實施方案，評估由結合到濺射靶的背襯板組成的濺射靶組件的熱成像系統包括通過浸入水浴中加熱或冷卻組件部件。例如使用機械系統，可以降低組件部件與水浴接觸，將水浴升高到與組件部件接觸，或兩者。同樣，可以通過使用泵和排液管的組合迅速升高液面，來升高固定的浴-靶系統中的液面至組件部件，這樣進行與組件部件的接觸。圖1和2提供兩個用於加熱或冷卻濺射靶組件的示範性系統的說明。該說明顯示平面濺射靶組件構置，但是可以使用其它濺射靶組件形狀，如圓柱形或圓錐的濺射靶組件。圖1顯示示範性水浴的布置。圖2提供用於加熱組件部件的噴射法的說明。在這種情況下，將加熱液體噴射到背襯板的背側。
根據本發明的實施方案，未加熱(或未冷卻)的組件部件的暴露表面的溫度測量可以通過使至少一部分組件部件(優選濺射靶)的表面成像而實現。通常，成像優選產生對成像的表面的熱變化的圖解記錄，該圖解記錄然後可以在時域中分析。表面溫度變化與通過結合界面的熱流的本徵動力學有關，由通過如上所述加熱或冷卻組件部件在濺射靶組件中產生熱梯度引起。當存在良好結合時熱流容易通過結合界面。然而，當結合不連續時，結合不好的區域妨礙熱傳遞。在這種情況下，在結合不好的直接區域中，未加熱(或未冷卻)組件部件的暴露表面上的溫度變化的速率會顯著降低。可測量組件部件的暴露表面的瞬間測量以確定結合界面的任何區域中的結合質量。
更具體而言，可以用紅外線(IR)攝像機記錄並儲存組件部件所有或任何部分的暴露表面的連續熱圖像(幀)。每一視頻圖像由固定數目的單獨像素組成。在本文中，像素是圖像陣列中或像素矩陣中的小的圖像要素，它相當於成像組件部件的表面上的矩形區域或分辨單元。因為，每一個像素的強度直接與相應的分辨單元的溫度有關係，在組件部件表面上每一分辨單元的溫度的變化可以根據像素對比度的變化進行分析。儲存的視頻圖像可用通過從相同時間點的單獨的像素強度減去表示已知時間點的特定的圖像幀的平均像素強度以確定圖像幀中每一個像素的對比度。
優選地，當熱能流過濺射靶/背襯板結合界面時，IR攝像機獲得對於預定成像時間的組件部件(例如與結合側相反的濺射側)的暴露表面的系列圖像。預定成像時間可以是約1到約500秒。可以在約0.01到約100幀/秒的頻率下獲得系列熱圖像。IR攝像機可以具有約0.01到約1℃的熱敏度。成像可以通過任何方法。例如，使用紅外熱成像法測量飛機結構、平板顯示器等的結合完整性的方法描述在美國專利Nos.5,709,469；5,582,485；5,562,345；5,246,291；和5,032,727中，其內容在此引用作為參考。
優選地，考慮由不均勻的組件幾何形狀和不均勻加熱或冷卻所引起的任何橫過所成像的組件部件的表面的不均勻的溫度分布。優選地，考慮濺射靶組件的環境溫度和熱源或冷源溫度中的變化。提供一種方法，該方法考慮這些或其它因素，以使產生用於幾何、熱流和溫度變化校正的單個結合完整性圖，該方法是通過將歸一化溫度對熱成像分析的視頻記錄中的獲得的幀進行積分。這個過程在數學上可以使用關係式通過首先定義在每一幀中每一像素的歸一化溫度進行描述TN(x，y，t)＝(T(x，y，t)-To)/(Tf(x，y)-To)(等式1)其中TN(x，y，t)和T(x，y，t)分別是位於該幀中x，y處的像素的歸一化溫度和測量溫度，並且t是獲得特定的圖像幀的時間；To是在開始測量之前組件部件的環境溫度；並且Tf(x，y)是在用於熱成像分析的最後幀中由紅外攝像機記錄的組件部件表面的溫度。
在像素矩陣中單獨像素的觀察時間-溫度曲線可以由如上所述的方式獲得的歸一化溫度產生。可將觀察時間-溫度曲線依次與相應的已知或預期時間-溫度曲線對比，以確定結合界面的完整性。預期的時間-溫度曲線可以是使用有限元法模擬，以提供在成像過程中熱流和溫度橫跨所成像組件部件的表面區域而變化的這種方式的理解。圖3提供可能的熱傳遞模型的示意圖。H在這種情況下是在熱源和濺射靶組件之間的對流傳熱係數。在所生成的熱圖像中H變化的效果和測量的靈敏度可以使用有限元分析(FEA)模擬確定。TB表示熱源的溫度。可以使用與等式1相似的計算，其中TB取代Tf(x，y)。在這種情況下，組件部件的平衡溫度和熱源(或冷源)溫度之間差值提供一種用於攝像機發射率校正的措施和一種用於測定在濺射靶組件/空氣界面處的對流傳熱係數P的方法。
圖4提供兩Ta/Cu-Cr濺射靶組件的試驗數據和該試驗數據與使用FEA模擬的模型預測之間的比較。通過擬合參數P和H在模型和試驗數據之間獲得很好的一致。對於水浴而言，P值為125W/m2而H為1100W/m2是合理的，並且與期望值(見Carslaw和Jaeger「Conduction of Heat inSolids，」Oxford Science Publications)一致。圖5說明對於Ta/Cu-Cr濺射靶組件的中心區域和該組件邊緣點的時間-溫度曲線之間差值，該Ta/Cu-Cr濺射靶組件的中心區域結合好，而該組件的邊緣點中在濺射靶和背襯板之間存在剝離。
根據本發明的實施方案，將多個觀察時間-溫度曲線對至少一部分成像時間進行積分，對單獨的像素，也就是對每一像素的單數據點，提供一種將時間有關的溫度數據簡化為觀察的積分溫度的方法。歸一化的積分溫度，I(x，y)是從等式1中通過對熱成像分析時間簡單積分獲得的，或I(x，y)＝∫TN(x，y，t)dt (等式2)其中積分的上限和下限分別是零和數據集內所使用的最大時間，或其它的時間周期。結合界面的完整性可以通過將單獨像素的觀察的歸一化積分溫度與相應的參考積分溫度比較確定。
根據本發明的實施方案，對於多個單獨的像素，計算參考積分溫度和觀察積分溫度之間的差值，形成積分像素圖，其中結合界面的完整性通過該積分像素圖表示。例如，通過象素接象素地從得自於具有已知的良好結合的濺射靶組件的圖中的參考Ip(x，y)值中減去對於濺射靶組件的測量的Iu(x，y)值，可以獲得結合完整性的圖Ip-Iu。Iu定義為成像組件的積分歸一化溫度圖。Ip定義為無剝離區域的參考組件積分歸一化溫度圖。優選地，Ip和Iu用於幾何形狀相似的的濺射靶組件，用類似設備連續測量。當Ip-Iu值超過測量的噪音水平時，則可以確定該組件的區域(x，y)中有缺陷的結合。如果所有位置(x，y)的Ip-Iu值均落在該測量的噪音極限內，則可以認為濺射靶組件沒有剝離區域。
組件部件的成像表面優選具有一致的發射率，其至少為0.1，並且更優選為約0.5到約1，並且最優選為儘可能接近1。在本發明的一個實施方案中，在至少一部分成像表面上提供塗層以增強成像表面的發射率。塗層優選包括漆(例如黑色)或膠體石墨。塗層優選提供一致發射率至少為約0.93的表面。在成像表面上的薄的漆層優選對所塗覆表面的溫度具有最小的影響。可以使用熱導石墨塗層(例如膠體石墨(Aquadag))塗覆成像表面，以增強表面發射率並且在表面上維持良好的熱導率。
根據本發明的一個實施方案，如上所述，評估濺射靶組件的結合界面的熱成像系統通常包括加熱(或冷卻)組件部件的裝置，和用於記錄並儲存被評估的組件部件的表面的小剖面或分辨單元的時間-溫度數據的成像裝置。更具體而言，熱成像系統優選包括用於加熱(或冷卻)背襯板的熱源(或冷源)；用於通過紅外熱成像法使濺射靶的至少一部分表面成像以獲得對於預定成像時間的像素矩陣中單獨像素的系列熱圖像，以產生單獨像素的觀察時間-溫度曲線的成像裝置；和將觀察的時間-溫度曲線與參考時間-溫度曲線進行對比以確定結合界面的完整性的計算裝置。
根據一個實施方案，熱成像分析包括通過紅外熱成像法，使未加熱(或未冷卻)組件部件(例如濺射靶)的至少一部分表面成像，以獲得在加熱(或冷卻)或成像時間的預定點的像素矩陣中單獨像素的至少一個熱圖像。可以將熱圖像與相應的預定成像時間的參考圖像比較，以確定結合界面的完整性。可以使用任何設備獲得熱圖像，包括能夠採集單獨的靜止圖像的IR攝像機，以及任何本領域已知的IR攝影機。
使用熱成像攝像機的成像的表面的發射率是重要的。各種增加具有低發射率的金屬的發射率方法是可用的，並且可以使用。一個方法是使用扁平黑漆以改善金屬的發射率而不降低測量的靈敏度。已用於增加表面發射率的其它方法包括用粉末如鹽、糖和玉米澱粉塗覆成像表面以優選形成粉末狀層。用於改善發射率的優選方法是使用與靶表面緊密接觸的薄的黑絕緣帶或聚合物的薄層。
通過下列實施例進一步闡明本發明，這些實施例旨在示範性說明本發明。
實施例對於包括擴散結合到Cu-Cr背襯板的Ta濺射靶的濺射靶組件，使用本發明的加熱方法獲得的結果如圖6和7中積分象素圖所示。在圖6所示的實施例中，濺射靶與背襯板結合良好。在該圖中可觀測的變化是由於組件幾何形狀和在加熱過程中在組件中產生的熱梯度引起的。在圖7所示的實施例中，該圖顯示濺射靶組件具有大量的剝離區域。本發明的熱成像分析容易檢測到邊緣的剝離以及在濺射靶組件中心的不太嚴重的剝離。邊緣和中心的剝離均通過超聲檢測(UT)證實。圖6和7中的圖是通過如上所述對每一幀中的每一像素的時間-溫度曲線積分獲得的。
圖8表示通過從結合良好的組件的徑向積分歸一化溫度中減去具有大量剝離區域的徑向積分歸一化溫度獲得的信號(Ip-Iu)。在兩個組件結合都良好的區域中，Ip-Iu的值落在噪音水平內，近似等於零。在組件剝離的區域中，Ip-Iu值大於零。噪音水平可以從組件結合良好的信號變化進行估算。例如，可以發現0.005的噪音水平。該數值與攝像機靈敏度引入的誤差一致，該誤差優選為約+/-0.1℃，和熱源溫度和環境溫度之間的差為約35℃。圖8所示的信號隨半徑的變化，在信號開始增加到零以上的區域中，具有明顯的斜率變化。該區域在圖8中位於80和95mm之間半徑中。如下所述，這種徑向信號曲線中的偏移提供在濺射靶組件的x-y平面內剝離的精確定位的措施。對於圖8所示的濺射靶組件，所估算的徑向剝離長度從濺射靶邊緣外向內延伸65mm。
對於具有從靶的外緣延伸100mm剝離的Ta/Cu-Cr濺射靶組件，提供Ip、Iu和Ip-Iu的值作為圖9中徑向位置的函數。這個數據是從Ta/Cu-Cr濺射靶組件中的瞬變熱流動的有限元分析獲得的。Ip和Iu在遠離剝離的區域中幾乎相等。因此，在這些區域中，Ip-Iu為零。在剝離區域中Ip-Iu曲線的形狀與試驗獲得且如圖8所示的曲線的形狀非常相似。模型同樣預示在曲線中的偏移將在接近剝離邊緣的區域內發生。在這種情況下，剝離長度為100mm。這樣從模擬中發現曲線中的偏移是由於隨著熱傳遞從垂直流動到橫向流動轉變時在接近剝離邊緣的靶材料的區域內發生時間-溫度曲線位移引起的。需要橫向熱流加熱剝離區域中的靶材料，而垂直熱流出現在靶組件良好結合處。因此，從作為靶半徑函數的Ip-Iu值中偏移的形狀和位置，可以精確確定剝離邊緣位置。
該測量的靈敏度隨著缺陷長度D和加熱或冷卻流體和濺射靶組件之間的傳熱係數H而變化。在圖10中提供具有鉭靶厚度為6.3mm和背襯板厚度為7.5mm的Ta/Cu-Cr濺射靶組件的有限元分析的結果。隨著D增加，信號Ip-Iu增加。在噪音水平為0.0025和0.005的情況下，剛剛能檢測到具有長度為5mm的邊緣剝離。一旦H大於約1000W/m2，該測量對H的變化不是很靈敏。發現H的最佳值是2500W/m2左右。降低H到約1000W/m2以下降低測量的靈敏度，同時大大地增加H到2500W/m2以上僅僅增加對於大的D的少量信號，而實際上降低對於小的D的信號。因此，本發明的優選方法是提供靶組件和加熱或冷卻流體之間的傳熱係數在約1000和約2500W/m2之間。這相當於感應或對流加熱的加熱速率為2℃/秒。
本發明前述的方案具有許多優點，包括濺射靶組件分析的時間可以小於五分鐘，與濺射靶組件的尺寸無關。
對本領域普通技術人員而言，考慮本說明書和本文中公開的本發明的實踐，本發明的其它實施方案是顯而易見的。本說明書和實施例被認為僅僅是旨在示範性舉例，本發明的真實範圍和精神通過權利要求和其等價方案表示。
權利要求
1.一種評估濺射靶組件的結合界面的方法，包括對所述的濺射靶組件進行熱成像分析，其中所述濺射靶組件包括在所述結合界面處結合到濺射靶上的背襯板。
2.權利要求1的方法，其中所述濺射靶組件包括平面陰極或空心陰極磁控管。
3.權利要求1的方法，其中所述濺射靶是鉭或鉭合金，而所述背襯板是銅或銅合金。
4.權利要求1的方法，其中所述濺射靶包括鋁、鈦、銅、鈷、鈮、金、鉑、鈀、鎳、鉿、鉬、鋯、鉭或其合金。
5.權利要求1的方法，其中所述背襯板包括銅、鋁、鈦、其合金或鋼。
6.權利要求1的方法，其中在所述濺射靶和所述背襯板之間的所述結合界面是擴散結合、爆炸結合、軟釺焊結合、硬釺焊結合、焊接結合、摩擦焊接結合、壓制金屬配合結合、熱膨脹耦合結合、或在插入凸起物和溝槽之間壓配合結合。
7.權利要求1的方法，其中所述濺射靶組件和熱源或冷源之間的對流傳熱係數為約500到約20,000W/m2。
8.權利要求1的方法，其中該靶組件的加熱速率在0.1到10℃/秒的範圍內。
9.權利要求1的方法，其中所述熱成像分析包括用熱源加熱所述背襯板；通過紅外熱成像法使所述濺射靶的至少一部分表面成像，以在預定成像時間，獲得像素矩陣中單獨像素的至少一個熱圖像；及將所述至少一個熱圖像與相應於所述預定成像時間的參考圖像對比，以確定所述結合界面的完整性。
10.權利要求1的方法，其中所述熱成像分析包括用冷源冷卻所述背襯板；通過紅外熱成像法使所述濺射靶的至少一部分表面成像，以獲得對於預定成像時間的像素矩陣中單獨像素的系列熱圖像，以產生單獨像素的觀察的時間-溫度曲線；及將所述的觀察的時間-溫度曲線與相應的參考時間-溫度曲線對比，以確定所述結合界面的完整性。
11.權利要求1的方法，其中所述熱成像分析包括用熱源加熱所述背襯板；通過紅外熱成像法使所述濺射靶的至少一部分表面成像，以獲得對於預定成像時間的像素矩陣中單獨像素的系列熱圖像，以產生單獨像素的觀察的時間-溫度曲線；及將所述觀察的時間-溫度曲線與相應的參考時間-溫度曲線對比，以確定所述結合界面的完整性。
12.權利要求11的方法，還包括將多個單獨像素的觀察的時間-溫度曲線對至少一部分所述成像時間進行積分，以獲得所述多個所述像素的觀察的積分溫度；及將所述的觀察積分溫度與相應的參考積分溫度比較，以確定所述結合界面的完整性。
13.根據權利要求12的方法，還包括對多個所述單獨的像素，計算所述參考積分溫度和所述的觀察積分溫度之間的差，以形成積分像素圖，其中所述結合界面的完整性通過所述積分像素圖表示。
14.權利要求11的方法，其中所述系列熱圖像是在約0.01到約10幀/秒的頻率下獲得的。
15.權利要求11的方法，其中所述熱源包括流體。
16.權利要求15的方法，其中所述流體包括水、乙二醇、甲酸銫或其任意組合。
17.權利要求11的方法，其中所述熱源包括液浴或液體噴射。
18.權利要求11的方法，其中所述熱源包括氣體。
19.權利要求18的方法，其中所述氣體包括熱的空氣、氦、氬、氮或其任意組合。
20.權利要求11的方法，其中所述熱源包括輻射熱或傳導熱。
21.權利要求11的方法，其中所述熱源具有的比熱容為至少約4,000J/Kg·K。
22.權利要求11的方法，其中所述濺射靶的所述表面的所述部分包括發射率為至少約0.5。
23.權利要求11的方法，還包括在所述濺射靶的所述表面的所述部分上提供塗層，其中所述塗層增加所述濺射靶的所述表面的所述部分的發射率。
24.權利要求23的方法，其中所述塗層包括漆或膠體石墨。
25.權利要求11的方法，其中所述熱源和所述背襯板之間的對流傳熱係數為約500到約20,000W/m2。
26.權利要求11的方法，其中所述紅外熱成像法包括熱敏度為約0.01到約1℃的紅外攝像機。
27.權利要求11的方法、其中所述成像時間是約1到約500秒。
28.權利要求1的方法，其中所述熱成像分析包括用冷源冷卻所述背襯板；通過紅外熱成像法使所述濺射靶的至少一部分表面成像，以獲得對於預定成像時間的像素矩陣中單獨像素的系列熱圖像，以產生單獨像素的觀察的時間-溫度曲線；及將所述的觀察時間-溫度曲線與相應的參考時間-溫度曲線對比，以確定所述結合界面的完整性。
29.權利要求28的方法，還包括將多個所述單獨像素的所述觀察時間-溫度曲線對至少一部分所述成像時間進行積分，以獲得所述多個的觀察積分溫度；及將所述的觀察積分溫度與相應的參考積分溫度比較，以確定所述結合界面的完整性。
30.根據權利要求29的方法，還包括對於多個所述單獨的像素，計算所述參考積分溫度和所述的觀察積分溫度之間的差，以形成積分像素圖，其中所述結合界面的完整性通過所述積分像素圖表示。
31.權利要求28的方法，其中所述系列熱圖像是在約0.01到約10幀/秒的頻率下獲得的。
32.權利要求28的方法，其中所述冷源包括流體。
33.權利要求32的方法，其中所述流體包括水、乙二醇、甲酸銫或其任意組合。
34.權利要求28的方法，其中所述冷源包括液浴或液體噴射。
35.權利要求28的方法，其中所述冷源包括氣體。
36.權利要求35的方法，其中所述氣體包括空氣、氦、氬、氮或其任意組合。
37.權利要求28的方法，其中所述冷源具有的比熱容為至少約4,000J/Kg·K。
38.權利要求28的方法，其中所述濺射靶的所述表面的所述部分包括發射率為至少約0.5。
39.權利要求28的方法，還包括在所述濺射靶的所述表面的所述部分上提供塗層或層，其中所述塗層或層增加所述濺射靶的所述表面的所述部分的發射率。
40.權利要求39的方法，其中所述塗層包括漆或膠體石墨。
41.權利要求28的方法，其中所述冷源和所述背襯板之間的對流傳熱係數為約500到約20,000W/m2。
42.權利要求28的方法，其中所述紅外熱成像法包括具有熱敏度為約0.01到約1℃的紅外攝像機。
43.權利要求28的方法，其中所述成像時間是約1到約500秒。
44.一種評估濺射靶組件的結合界面的熱成像系統，該濺射靶組件由結合到濺射靶上的背襯板組成，所述系統包括熱源，用於加熱所述背襯板；成像裝置，用於通過紅外熱成像法使所述濺射靶的至少一部分表面成像，以獲得對於預定成像時間的像素矩陣的單獨像素的系列熱成像，以產生單獨像素的觀察的時間-溫度曲線；和計算裝置，用於將所述的觀察的時間-溫度曲線與參考時間-溫度曲線對比，以確定所述結合界面的完整性。
45.權利要求44的系統，其中所述熱源包括流體或氣體。
46.權利要求44的系統，其中所述熱源包括輻射、紅外或傳導熱。
47.一種評估濺射靶組件的結合界面的熱成像系統，該濺射靶組件由結合到濺射靶上的背襯板組成，所述系統包括冷源，用於冷卻所述背襯板；成像裝置，用於通過紅外熱成像法使所述濺射靶的至少一部分表面成像，以獲得對於預定成像時間的像素矩陣的單獨像素的系列熱圖像，以產生單獨像素的觀察的時間-溫度曲線；和計算裝置，用於將所述的觀察時間-溫度曲線與參考時間-溫度曲線對比，以確定所述結合界面的完整性。
48.一種熱成像分析方法，包括對於從通過紅外熱成像法獲得的對於預定成像時間的系列熱圖像中得到的單獨像素數據，確定時間-溫度曲線；及將多個所述時間-溫度曲線對至少一部分所述成像時間進行積分，以獲得單獨像素的觀察的積分溫度。
49.權利要求48的方法，還包括歸一化所述單獨像素的數據。
50.權利要求48的方法，其中多個所述觀察積分溫度用積分像素圖表示。
51.權利要求1的方法，其中對濺射靶組件的表面施加一層，以增強發射率。
52.權利要求51的方法，其中所述層是粉末狀層。
53.權利要求51的方法，其中所述層是塑料層。
54.權利要求1的方法，其中所述熱成像分析包括加熱所述濺射靶組件。
55.權利要求54的方法，其中所述加熱是感應加熱。
56.權利要求55的方法，其中所述感應加熱是用至少一個感應線圈。
57.權利要求54的方法，其中所述加熱是用在靶組件中或其部分中誘發渦流的設備。
全文摘要
公開一種用於熱成像評估濺射靶組件的結合完整性的方法和裝置。該方法包括對組件的一個表面施加加熱或冷卻介質或能量，並且使用成像裝置獲得在組件的相反表面上的相應溫度變化的圖形記錄。還公開一種數學分析記錄每一幀中的像素數據的方法，以生成表示組件的結合完整性的積分的歸一化溫度圖。
文檔編號G01K1/16GK1836256SQ200480023364
公開日2006年9月20日 申請日期2004年7月14日 優先權日2003年7月16日
發明者張智國, 拉裡·E·埃利森, 米克海爾·Y·卡查洛夫, 約翰·懷特 申請人:卡伯特公司