用於擴散粘接靶和背板的方法
2023-05-03 03:44:26
專利名稱：用於擴散粘接靶和背板的方法
技術領域：
本發明涉及一種用於使第一和第二物質彼此粘接的方法，在特定的實施例中，涉及一種把兩個類似的材料粘接在一起的方法，還涉及用於使物理蒸汽澱積靶材料和背板材料粘接的方法。
背景技術：
具有許多需要使第一物質和第二物質粘接的應用。其中之一是使物理蒸汽澱積靶(例如濺射靶)和背板相連。背板被構成用於使靶在壓力蒸汽澱積裝置內保持在特定的位置和方位。
物理蒸汽澱積方法的現代的發展對於靶和背板之間的牢固地粘接的嚴格要求不斷增加。圖1是一種示例的濺射澱積裝置10的一部分的示意圖。裝置10包括背板12，其上粘接有濺射靶14。半導體材料晶片16位於裝置10內，並和靶14隔開。濺射材料18從靶14轉移，用於在晶片16上方形成覆層(未示出)。
在濺射結構的現代改進中的一個改進是增加靶14和半導體材料襯底16之間的距離。通過使不與襯底16垂直運動的原子著落在濺射室的側壁上，這種距離的增加和不增加時相比，使得能夠實現在襯底16的特徵上的具有更好的定向的濺射。特別是，襯底16通常具有垂直的孔或槽(稱為通孔)，它們具有5倍於其寬度或更大的深度(即具有相當高的臨界尺寸)。除非在濺射靶和具有通孔的襯底之間具有相當長的落差，否則難以把材料濺射入孔中。
雖然較長的落差相對於較短的落差在被覆性方面具有優點，但其也產生了複雜性。所述複雜性之一是由在長落差技術中利用的附加的功率引起的。和舊的方法相比，附加的功率使得濺射靶獲得更多的熱量。這種熱量可能破壞在背板12和靶14之間形成的粘接。例如，如果靶14被焊接到背板12上，則在長落差濺射技術期間產生的熱量可能足以熔化所述的焊接粘接，因而實際上使靶16從背板12上脫落。因而，焊接粘接對於長落差技術是不合適的。
一種能夠基本上經受住長落差技術中的高溫的粘接是擴散粘接，這是一種通過使靶14的成分擴散到背板12(反之亦然)的粘接。使用擴散粘接的困難在於，通常需要相對高的溫度才能形成所述粘接(300℃或更高)，而這種溫度對於靶材料具有不利影響。因而，研製用於粘接物理蒸汽澱積靶和背板，同時保持物理蒸汽澱積靶的所需的性能的擴散粘接方法是困難的。需要研製一種擴散粘接方法。
發明內容
在一個方面中，本發明包括用於使第一物質和第二物質粘接的方法。提供第一材料的第一物質和第二材料的第二物質，並在物理接觸下使其彼此相連。此時第一和第二物質被相互擴散粘接，同時在第二物質中產生第二材料的顆粒。所述擴散粘接包括在第一物質和第二物質之間的固態擴散。在第二材料中產生的顆粒的主要部分具有小於100微米的最大尺寸。
在另一個方面中，本發明包括一種用於形成和背板粘接的物理蒸汽澱積靶的方法。靶材料和背板材料在相互物理接觸下相連。所述靶材料和背板材料都包括鋁。連接的靶材料和背板材料在相對於在靶材料和背板材料上形成氧化物是惰性的環境中進行熱處理。所述熱處理同時使得靶材料擴散粘接到背板材料上，同時使靶材料中的顆粒再結晶。所述擴散粘接包括在背板材料和靶材料之間的固態擴散，從而把靶材料黏附於背板材料上，具有至少為5000psi粘接強度。在靶材料和背板材料經過熱處理之後，在靶材料中產生的顆粒的主要部分的最大尺寸小於100微米。
下面參照
本發明的優選實施例，其中圖1是現有技術的濺射澱積裝置的一部分的示意圖；圖2是利用本發明實施的方法的流程圖；圖3示意地表示在靶材料中引入加工硬化的方法；圖4示意地表示在初始連接步驟具有背板的圖3的靶材料；以及圖5示意地表示在圖4之後的連接步驟的靶材料和圖4的背板。
實施本發明的最好方式本發明包括用於使材料彼此粘接的方法，在特定的實施例中，包括粘接物理蒸汽澱積靶材料和背板材料的方法。
本發明的一個方面是一種這樣的認識，研製一種用於擴散粘接含鋁的靶和含鋁的背板，同時又能在靶材料中實現相當小的顆粒尺寸的方法應當是有利的。和擴散粘接含鋁的靶與含鋁的背板相關的困難在於，擴散粘接溫度可能引起在鋁靶中生成晶體顆粒(實際上是多晶體顆粒)。一般希望在包括高純鋁(例如元素鋁)和鋁合金的靶中鋁顆粒保持相當小(即小於100微米，小於50微米更好)。較小的顆粒可以改善濺射處理，在所述濺射處理中，相對於由具有較大顆粒的靶材料發生的濺射，可以改善鋁從所述具有較小顆粒的靶材料的濺射。
本發明包括一種用於控制和鋁的擴散粘接相關顆粒生成的方法。這種方法可以形成擴散粘接的鋁濺射靶，其中在靶材料中的材料的大部分具有小於100微米的最大顆粒尺寸。
本發明包括的方法結合圖2進行說明。在開始步驟(圖2的30)，對靶材料進行加工硬化。例如，如果靶材料包含鋁，則可以把鋁從一個初始厚度壓縮到一個第二厚度來引入加工硬化。所述壓縮如圖3所示，其中示出了在壓縮前、後的靶50，用箭頭表示壓縮步驟。靶50包括在壓縮52之前的第一厚度「X」和在壓縮之後的第二厚度「Y」。所述壓縮例如可以由冷鍛或冷軋來實現。靶50的最終厚度(「Y」)例如可以小於其初始厚度的2％(即壓縮98％)，一般小於或等於其初始厚度的40％(即60％壓縮)。在特定的實施例中，靶50可以受到95％的壓縮(即最終厚度是初始厚度的5％)。
例如靶50可以包括或者由低純度到高純度的鋁構成。可以作為靶50利用的一種商用鋁(低純度)是1100系列鋁合金。靶50的材料可以被鑄成坯段，其直徑大約從4英寸到9英寸，初始厚度大約從5英寸到10英寸。在靶50壓縮之後，所得的冷加工的坯料可被切割成具有所需直徑的圓形坯料。
再次參看圖2的流程圖，在步32，靶和背板連接。最好在連接之前，對靶和背板進行清洗，以便除去可能含有的汙物。連接靶和背板的方法參照圖4和5進行說明。參見圖4，圖3所示的加工硬化的靶50被置於背板60的上方。圖3的背板60具有在表面加工形成的螺旋行的溝道62。最後，靶50壓在背板60上，從而強迫靶50的材料進入溝道62中。
在其中靶50包括高純度鋁的一個實施例中，背板60也可以包括鋁，具體地說，可以包括例如2000，5000，6000系列或7000系列的可以熱處理的鋁合金。在特定的實施例中，背板60可以包括能夠在T4或T6沉澱硬化條件下進行熱處理的鋁合金6061。
在粘接靶50和背板60時的一個開始步驟，一般是通過使靶50和背板60物理接觸連接靶和背板。圖4的箭頭54表示通過把靶50降低到背板60中實現所述連接。圖5表示包括靶50和背板60的組件70。在所示的組件70中，靶50蓋住背板60的溝道62(圖4)。雖然所示的實施例具有形成在背板60上的溝道，以便加強靶50和背板60的連接，應當理解，在本發明的特定實施例中，這種溝道可以取消，或者可以提供在靶50中，而不提供在背板60中。在其中靶50和背板60中的一個比另一個硬的實施例中，最好在較硬的一個上提供溝道62，使得在隨後的處理中可以把較軟的一個壓入溝道中。
組件70可以在對於由靶50和背板60的材料形成氧化物呈惰性的氣體中形成，或者被置於所述氣體中。在靶50和背板60包括高純度鋁或鋁合金的實施例中，惰性環境可以包括真空，或者例如基本上由氮氣和氬氣構成。惰性氣體最好不包括氧化成分(例如氧)，這是因為其可以使靶50和背板60的材料氧化。
再次參見圖2的流程圖，連接的背板和靶在步34進行熱處理，從而同時地1)擴散粘接所述靶和背板，以及2)在靶中產生顆粒。如果靶50和背板60包括高純度鋁，則熱處理例如可以包括加熱連接的靶和背板到280和400℃之間的溫度(最好在300和340℃之間)，並保持這種溫度大約15分鐘到約1小時。在保持所述溫度的期間內，靶50和背板60可以被壓縮，用於壓縮的壓力大約從10000psi到大約16000psi。
用於熱處理包括鋁的靶和背板的示例的步驟如下。首先，包括和背板相連的靶的組件被加熱到大約208-400℃(大約300-350℃更好，大約300-344℃最好)，並在這種溫度下保持大約15-30分鐘。然後，把所述組件轉移到也保持在大約280-400℃的鍛爐中。所述鍛爐用於壓縮靶50和背板60從大約10000psi到大約160000psi的壓力。在壓縮靶和背板之後，組件被轉移回溫度大約為280-400℃的爐中，並在這種溫度下保持大約10-30分鐘的附加時間。
上述的示例的方法使得能夠實現擴散粘接(具體地說，在靶50和背板60之間的鋁的固態擴散)，並在靶50內產生顆粒。所述顆粒是由於在圖3的壓縮期間在靶50內引入的冷加工而形成的。顆粒的產生一般涉及3個明顯的步驟。第一，恢復步驟，其中應力從變形最嚴重的區域釋放。第二，冷加工的顆粒再結晶而在靶50內形成小的、新的、無應力的顆粒，並且最後發生新的顆粒的生成。最好是，除非靶50進行熱處理，從圖3的加工硬化時起，靶50不被暴露於大約280℃的溫度。因而，在靶50和背板60的熱處理期間，形成靶50的基本上全部的顆粒。術語「基本上全部」指的是在熱處理期間發生的再結晶和顆粒生成，不是「全部」的再結晶和顆粒生成，表示在熱處理之前的靶50的處理和清潔期間，在低於280℃的溫度下，可能發生少量的無意義的再結晶和顆粒生成。
用於實現上述的熱處理方法的具體處理是把靶和背板的組件置於一個罐中(例如薄壁的鋁罐)，並在和擴散粘接相關的加熱和鍛壓期間使所述組件保持在罐中。所述的罐最好包括兩個部分，和一個寬的法蘭，該法蘭使得隨後能夠進行焊接，以便把靶和背板組件密封在所述罐中。此外，所述罐最好具有小直徑的管子，使得能夠進行罐上的焊接密封的真空檢查，並用於提供罐內的真空或惰性氣體。一旦把靶和背板組件置於罐中，所述罐便被焊上。在焊接期間可以利用惰性氣體或真空，以便避免靶和背板組件被氧化。焊接的完整性可利用小直徑的管子進行洩漏檢測來確定。可以對小直徑的管子進行最後的焊接，從而使罐中保持真空或惰性氣體的環境。在靶和背板組件進行擴散粘接期間，組件的溫度可以通過監視一個所謂的模擬部分的溫度進行間接監視，所述模擬部分和靶背板組件具有相同的尺寸，並和所述組件或者在一個相同的爐子中加熱，或者在一個等同的爐子中加熱。
在靶、背板組件熱處理之後，所述組件被冷卻。可以把所述組件暴露於液體或氣體中進行冷卻，一種示例的液體是水，一種示例的氣體是空氣。
上述的方法可以形成靶、背板組件70，其包括在靶50和背板60之間的加強的擴散粘接，所述粘接的張力強度至少是5000psi，一般在大約8000-10000psi之間。全部再結晶的高純度鋁的屈服強度是3000psi，其大約等於20Mpa，並且其最大張力強度是12ksi(81Mpa)。6060 T4的屈服強度是21ksi(145Mpa)，其最大張力強度大約為35ksi(241Mpa)。
擴散粘接的強度可以接近於高純度鋁的最大張力強度，所述粘接通常具有在靶中利用的高純度鋁的張力強度的大約68.5％-83％(一般在室溫下大約為8230-9948psi)。作為對比，焊接粘接一般具有大約1470-6740psi的強度。因此，由本發明的方法形成的粘接的強度遠大於焊接粘接，因而，較好地適用於在本說明的背景技術部分所述的現代濺射技術的長落差應用。
在上述的擴散粘接之後，背板最好保持足夠的強度。在一個特定實施例中，發現6061背板當在大約300℃的溫度下進行擴散粘接時保持的最小強度等於6061-T4的強度。
除去在組件70的靶50和背板60之間形成強的粘接之外，在進行擴散連接之後，靶50的顆粒尺寸較好在100微米以下，更好大約30-100微米，最好大約在50微米以下。具體地說，在靶50中主要的部分(50％以上)較好具有小於100微米的顆粒尺寸，更好為30-100微米，小於50微米最好。在特定的實施例中，在靶50中的全部顆粒的最大尺寸小於100微米，較好為大約30-100微米，更好大約為50微米以下。
上述的小顆粒尺寸可以通過由利用經過冷加工的但尚未形成顆粒的靶開始來實現.因而，在顆粒生成之前，在靶材料中將發生再結晶過程。對於鋁，發生這種再結晶過程在大約288-316℃之間的溫度下大約需要20到30分鐘。因而，靶將花費大量的其處於擴散粘接溫度下的時間，在這個階段中，顆粒進行再結晶，而不進行顆粒生成。因而，可以阻止在擴散粘接期間顆粒過量生長而成為例如超過100微米的尺寸。
進行了實驗，以便確定是否增加處理溫度或時間能夠改善靶和背板的粘接。結果發現，如果靶經過較高的溫度或者較長的時間進行處理，則顆粒尺寸將急劇增加，但粘接強度只有微小的增加。
應當理解，雖然上面以包括鋁的第一物質和第二物質為例說明了本發明的若干方面，但是本發明也可以利用除去包括鋁的物質之外的物質。最好是，所述物質包括一種能夠在其間進行擴散粘接的公共成分。具體地說，如果所述物質包括一種相同成分，則所述成分便可以作為固體從一種物質擴散到另一種物質中。所述第一或第二物質也可以不包括相同成分，但是具有相同成分的材料之間的擴散(稱為自擴散)一般比只包括不同成分的材料之間的擴散較快。在特定實施例中，所述物質包括相同的元素，例如鋁元素。
權利要求
1.一種用於使第一物質和第二物質粘接的方法，包括提供第一材料的第一物質和第二材料的第二物質；使所述第一物質和第二物質在物理接觸下彼此相連；以及同時使所述第一和第二物質相互擴散粘接和在第二物質中產生第二材料的顆粒，所述擴散粘接包括在第一物質和第二物質之間的固態擴散，產生的顆粒的主要部分具有小於100微米的最大尺寸。
2.如權利要求1所述的方法，其中產生的顆粒的全部具有小於100微米的最大尺寸。
3.如權利要求1所述的方法，其中產生的顆粒的主要部分具有小於或等於50微米的最大尺寸。
4.如權利要求3所述的方法，其中產生的顆粒的全部具有小於或等於50微米的最大尺寸。
5.如權利要求1所述的方法，其中產生的顆粒的主要部分具有大約30至小於100微米的最大尺寸。
6.如權利要求5所述的方法，其中產生的顆粒的全部具有大約30至小於100微米的最大尺寸。
7.如權利要求1所述的方法，其中所述第一材料包括和第二材料相同的主要成分。
8.如權利要求1所述的方法，其中所述第一材料包括和第二材料相同的主要元素。
9.如權利要求1所述的方法，其中所述粘接的第一和第二物質分別相應於背板和物理蒸汽澱積靶。
10.一種用於使物理蒸汽澱積靶材料和背板材料粘接的方法，包括在所述靶材料和背板材料相互處於物理接觸的狀態下連接所述靶材料和背板材料；以及熱處理所述連接的靶和背板材料，使得同時擴散粘接靶材料和背板材料並在靶材料中產生顆粒，所述擴散粘接包括在背板和靶材料之間的固態擴散，產生的顆粒的主要部分具有小於100微米的最大尺寸。
11.如權利要求10所述的方法，其中產生的顆粒的全部具有小於100微米的最大尺寸。
12.如權利要求10所述的方法，其中產生的顆粒的主要部分具有小於或等於50微米的最大尺寸
13.如權利要求12所述的方法，其中產生的顆粒的全部具有小於或等於50微米的最大尺寸
14.如權利要求10所述的方法，其中產生的顆粒的主要部分具有大約30至小於100微米的最大尺寸
15.如權利要求14所述的方法，其中產生的顆粒的全部具有大約30至小於100微米的最大尺寸
16.如權利要求10所述的方法，其中所述背板材料包括和靶材料相同的主要成分。
17.如權利要求10所述的方法，其中所述背板材料包括和靶材料相同的主要元素。
18.如權利要求10所述的方法，其中所述背板材料和靶材料都以鋁為主要材料。
19.如權利要求10所述的方法，其中所述顆粒產生包括在所述靶材料內的顆粒的再結晶。
20.如權利要求10所述的方法，其中所述顆粒產生包括在所述靶材料內的顆粒生成。
21.如權利要求10所述的方法，還包括在連接之前，對所述靶材料進行加工硬化。
22.如權利要求10所述的方法，還包括在連接之前，通過把靶材料從初始厚度壓縮到最終厚度進行加工硬化，所述最終厚度小於或等於初始厚度的大約40％。
23.如權利要求10所述的方法，還包括在連接之前，通過把靶材料從初始厚度壓縮到最終厚度進行加工硬化，所述最終厚度小於或等於初始厚度的大約40％至2％。
24.如權利要求10所述的方法，還包括在連接之前，對靶材料進行加工硬化，並且其中顆粒產生包括加工硬化的材料的顆粒的再結晶。
25.如權利要求10所述的方法，還包括在連接之前，對靶材料進行加工硬化，並且其中顆粒產生包括再結晶所述加工硬化材料的顆粒；以及生成再結晶顆粒。
26.一種用於形成和背板粘接的物理蒸汽澱積靶的方法，包括使物理蒸汽澱積靶材料和背板材料在相互物理接觸下相連，所述物理蒸汽澱積靶材料和背板材料都包括鋁，以及使連接的物理蒸汽澱積靶材料和背板材料在相對於和所述物理蒸汽澱積靶材料和背板材料反應是惰性的環境中進行熱處理，所述熱處理同時使得所述物理蒸汽澱積靶材料擴散粘接到背板材料上，同時使物理蒸汽澱積靶材料中的顆粒產生，所述擴散粘接包括在背板材料和物理蒸汽澱積靶材料之間的固態擴散，從而把物理蒸汽澱積靶材料黏附於背板材料上，具有至少為5000psi粘接強度，並且在所述靶材料和背板材料經過熱處理之後，在靶材料中產生的顆粒的主要部分的最大尺寸小於100微米。
27.如權利要求26所述的方法，其中所述背板材料和物理蒸汽澱積靶材料都以鋁為主要成分。
28.如權利要求26所述的方法，其中所述顆粒產生包括在所述物理蒸汽澱積靶材料內的顆粒的再結晶。
29.如權利要求26所述的方法，其中所述熱處理包括使所述連接的物理蒸汽澱積靶材料和背板材料在大約280-400℃的溫度下保持大約20-60分鐘，並至少在保持所述溫度的一部分時間期間，壓縮所述連接的物理蒸汽澱積靶材料和背板材料到至少12500psi的壓力。
30.如權利要求29所述的方法，還包括在熱處理之後，利用液體冷卻所述連接的物理蒸汽澱積靶材料和背板材料。
31.如權利要求29所述的方法，還包括在熱處理之後，利用氣體冷卻所述連接的物理蒸汽澱積靶材料和背板材料。
32.如權利要求26所述的方法，其中所述顆粒產生包括在所述物理蒸汽澱積靶材料內的顆粒生成。
33.如權利要求26所述的方法，還包括在連接之前，對所述物理蒸汽澱積靶材料進行加工硬化。
34.如權利要求26所述的方法，還包括在連接之前，通過把物理蒸汽澱積靶材料從初始厚度壓縮到最終厚度進行加工硬化，所述最終厚度小於或等於初始厚度的大約40％。
35.如權利要求26所述的方法，還包括在連接之前，通過把物理蒸汽澱積靶材料從初始厚度壓縮到最終厚度進行加工硬化，所述最終厚度小於或等於初始厚度的大約40％-2％。
36.如權利要求26所述的方法，還包括在連接之前，對物理蒸汽澱積靶材料進行加工硬化，並且其中顆粒產生包括加工硬化的材料的顆粒的再結晶。
37.如權利要求26所述的方法，還包括在連接之前，對物理蒸汽澱積靶材料進行加工硬化，並且其中顆粒產生包括再結晶所述加工硬化的材料的顆粒；以及生成再結晶顆粒。
全文摘要
本發明包括用於使第一物質和第二物質連接的方法。提供第一材料的第一物質和第二材料的第二物質，並在物理接觸下使其彼此相連。此時第一和第二物質被相互擴散粘接，同時在第二物質中產生第二材料的顆粒。所述擴散粘接包括在第一物質和第二物質之間的固態擴散。在第二材料中產生的顆粒的主要部分具有小於100微米的最大尺寸。本發明還包括一種用於形成和背板相連的物理蒸汽澱積靶的方法。
文檔編號B23K20/00GK1419608SQ01806950
公開日2003年5月21日 申請日期2001年1月18日 優先權日2000年1月20日
發明者C·帕菲紐克, T·貝爾 申請人:霍尼韋爾國際公司