专利名称：用于扩散粘接靶和背板的方法
技术领域：
本发明涉及一种用于使第一和第二物质彼此粘接的方法，在特定的实施例中，涉及一种把两个类似的材料粘接在一起的方法，还涉及用于使物理蒸汽淀积靶材料和背板材料粘接的方法。
背景技术：
具有许多需要使第一物质和第二物质粘接的应用。其中之一是使物理蒸汽淀积靶(例如溅射靶)和背板相连。背板被构成用于使靶在压力蒸汽淀积装置内保持在特定的位置和方位。
物理蒸汽淀积方法的现代的发展对于靶和背板之间的牢固地粘接的严格要求不断增加。图1是一种示例的溅射淀积装置10的一部分的示意图。装置10包括背板12，其上粘接有溅射靶14。半导体材料芯片16位于装置10内，并和靶14隔开。溅射材料18从靶14转移，用于在芯片16上方形成覆层(未示出)。
在溅射结构的现代改进中的一个改进是增加靶14和半导体材料衬底16之间的距离。通过使不与衬底16垂直运动的原子着落在溅射室的侧壁上，这种距离的增加和不增加时相比，使得能够实现在衬底16的特征上的具有更好的定向的溅射。特别是，衬底16通常具有垂直的孔或槽(称为通孔)，它们具有5倍于其宽度或更大的深度(即具有相当高的临界尺寸)。除非在溅射靶和具有通孔的衬底之间具有相当长的落差，否则难以把材料溅射入孔中。
虽然较长的落差相对于较短的落差在被覆性方面具有优点，但其也产生了复杂性。所述复杂性之一是由在长落差技术中利用的附加的功率引起的。和旧的方法相比，附加的功率使得溅射靶获得更多的热量。这种热量可能破坏在背板12和靶14之间形成的粘接。例如，如果靶14被焊接到背板12上，则在长落差溅射技术期间产生的热量可能足以熔化所述的焊接粘接，因而实际上使靶16从背板12上脱落。因而，焊接粘接对于长落差技术是不合适的。
一种能够基本上经受住长落差技术中的高温的粘接是扩散粘接，这是一种通过使靶14的成分扩散到背板12(反之亦然)的粘接。使用扩散粘接的困难在于，通常需要相对高的温度才能形成所述粘接(300℃或更高)，而这种温度对于靶材料具有不利影响。因而，研制用于粘接物理蒸汽淀积靶和背板，同时保持物理蒸汽淀积靶的所需的性能的扩散粘接方法是困难的。需要研制一种扩散粘接方法。
发明内容
在一个方面中，本发明包括用于使第一物质和第二物质粘接的方法。提供第一材料的第一物质和第二材料的第二物质，并在物理接触下使其彼此相连。此时第一和第二物质被相互扩散粘接，同时在第二物质中产生第二材料的颗粒。所述扩散粘接包括在第一物质和第二物质之间的固态扩散。在第二材料中产生的颗粒的主要部分具有小于100微米的最大尺寸。
在另一个方面中，本发明包括一种用于形成和背板粘接的物理蒸汽淀积靶的方法。靶材料和背板材料在相互物理接触下相连。所述靶材料和背板材料都包括铝。连接的靶材料和背板材料在相对于在靶材料和背板材料上形成氧化物是惰性的环境中进行热处理。所述热处理同时使得靶材料扩散粘接到背板材料上，同时使靶材料中的颗粒再结晶。所述扩散粘接包括在背板材料和靶材料之间的固态扩散，从而把靶材料黏附于背板材料上，具有至少为5000psi粘接强度。在靶材料和背板材料经过热处理之后，在靶材料中产生的颗粒的主要部分的最大尺寸小于100微米。
下面参照
本发明的优选实施例，其中图1是现有技术的溅射淀积装置的一部分的示意图；图2是利用本发明实施的方法的流程图；图3示意地表示在靶材料中引入加工硬化的方法；图4示意地表示在初始连接步骤具有背板的图3的靶材料；以及图5示意地表示在图4之后的连接步骤的靶材料和图4的背板。
实施本发明的最好方式本发明包括用于使材料彼此粘接的方法，在特定的实施例中，包括粘接物理蒸汽淀积靶材料和背板材料的方法。
本发明的一个方面是一种这样的认识，研制一种用于扩散粘接含铝的靶和含铝的背板，同时又能在靶材料中实现相当小的颗粒尺寸的方法应当是有利的。和扩散粘接含铝的靶与含铝的背板相关的困难在于，扩散粘接温度可能引起在铝靶中生成晶体颗粒(实际上是多晶体颗粒)。一般希望在包括高纯铝(例如元素铝)和铝合金的靶中铝颗粒保持相当小(即小于100微米，小于50微米更好)。较小的颗粒可以改善溅射处理，在所述溅射处理中，相对于由具有较大颗粒的靶材料发生的溅射，可以改善铝从所述具有较小颗粒的靶材料的溅射。
本发明包括一种用于控制和铝的扩散粘接相关颗粒生成的方法。这种方法可以形成扩散粘接的铝溅射靶，其中在靶材料中的材料的大部分具有小于100微米的最大颗粒尺寸。
本发明包括的方法结合图2进行说明。在开始步骤(图2的30)，对靶材料进行加工硬化。例如，如果靶材料包含铝，则可以把铝从一个初始厚度压缩到一个第二厚度来引入加工硬化。所述压缩如图3所示，其中示出了在压缩前、后的靶50，用箭头表示压缩步骤。靶50包括在压缩52之前的第一厚度“X”和在压缩之后的第二厚度“Y”。所述压缩例如可以由冷锻或冷轧来实现。靶50的最终厚度(“Y”)例如可以小于其初始厚度的2％(即压缩98％)，一般小于或等于其初始厚度的40％(即60％压缩)。在特定的实施例中，靶50可以受到95％的压缩(即最终厚度是初始厚度的5％)。
例如靶50可以包括或者由低纯度到高纯度的铝构成。可以作为靶50利用的一种商用铝(低纯度)是1100系列铝合金。靶50的材料可以被铸成坯段，其直径大约从4英寸到9英寸，初始厚度大约从5英寸到10英寸。在靶50压缩之后，所得的冷加工的坯料可被切割成具有所需直径的圆形坯料。
再次参看图2的流程图，在步32，靶和背板连接。最好在连接之前，对靶和背板进行清洗，以便除去可能含有的污物。连接靶和背板的方法参照图4和5进行说明。参见图4，图3所示的加工硬化的靶50被置于背板60的上方。图3的背板60具有在表面加工形成的螺旋行的沟道62。最后，靶50压在背板60上，从而强迫靶50的材料进入沟道62中。
在其中靶50包括高纯度铝的一个实施例中，背板60也可以包括铝，具体地说，可以包括例如2000，5000，6000系列或7000系列的可以热处理的铝合金。在特定的实施例中，背板60可以包括能够在T4或T6沉淀硬化条件下进行热处理的铝合金6061。
在粘接靶50和背板60时的一个开始步骤，一般是通过使靶50和背板60物理接触连接靶和背板。图4的箭头54表示通过把靶50降低到背板60中实现所述连接。图5表示包括靶50和背板60的组件70。在所示的组件70中，靶50盖住背板60的沟道62(图4)。虽然所示的实施例具有形成在背板60上的沟道，以便加强靶50和背板60的连接，应当理解，在本发明的特定实施例中，这种沟道可以取消，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中的一个比另一个硬的实施例中，最好在较硬的一个上提供沟道62，使得在随后的处理中可以把较软的一个压入沟道中。
组件70可以在对于由靶50和背板60的材料形成氧化物呈惰性的气体中形成，或者被置于所述气体中。在靶50和背板60包括高纯度铝或铝合金的实施例中，惰性环境可以包括真空，或者例如基本上由氮气和氩气构成。惰性气体最好不包括氧化成分(例如氧)，这是因为其可以使靶50和背板60的材料氧化。
再次参见图2的流程图，连接的背板和靶在步34进行热处理，从而同时地1)扩散粘接所述靶和背板，以及2)在靶中产生颗粒。如果靶50和背板60包括高纯度铝，则热处理例如可以包括加热连接的靶和背板到280和400℃之间的温度(最好在300和340℃之间)，并保持这种温度大约15分钟到约1小时。在保持所述温度的期间内，靶50和背板60可以被压缩，用于压缩的压力大约从10000psi到大约16000psi。
用于热处理包括铝的靶和背板的示例的步骤如下。首先，包括和背板相连的靶的组件被加热到大约208-400℃(大约300-350℃更好，大约300-344℃最好)，并在这种温度下保持大约15-30分钟。然后，把所述组件转移到也保持在大约280-400℃的锻炉中。所述锻炉用于压缩靶50和背板60从大约10000psi到大约160000psi的压力。在压缩靶和背板之后，组件被转移回温度大约为280-400℃的炉中，并在这种温度下保持大约10-30分钟的附加时间。
上述的示例的方法使得能够实现扩散粘接(具体地说，在靶50和背板60之间的铝的固态扩散)，并在靶50内产生颗粒。所述颗粒是由于在图3的压缩期间在靶50内引入的冷加工而形成的。颗粒的产生一般涉及3个明显的步骤。第一，恢复步骤，其中应力从变形最严重的区域释放。第二，冷加工的颗粒再结晶而在靶50内形成小的、新的、无应力的颗粒，并且最后发生新的颗粒的生成。最好是，除非靶50进行热处理，从图3的加工硬化时起，靶50不被暴露于大约280℃的温度。因而，在靶50和背板60的热处理期间，形成靶50的基本上全部的颗粒。术语“基本上全部”指的是在热处理期间发生的再结晶和颗粒生成，不是“全部”的再结晶和颗粒生成，表示在热处理之前的靶50的处理和清洁期间，在低于280℃的温度下，可能发生少量的无意义的再结晶和颗粒生成。
用于实现上述的热处理方法的具体处理是把靶和背板的组件置于一个罐中(例如薄壁的铝罐)，并在和扩散粘接相关的加热和锻压期间使所述组件保持在罐中。所述的罐最好包括两个部分，和一个宽的法兰，该法兰使得随后能够进行焊接，以便把靶和背板组件密封在所述罐中。此外，所述罐最好具有小直径的管子，使得能够进行罐上的焊接密封的真空检查，并用于提供罐内的真空或惰性气体。一旦把靶和背板组件置于罐中，所述罐便被焊上。在焊接期间可以利用惰性气体或真空，以便避免靶和背板组件被氧化。焊接的完整性可利用小直径的管子进行泄漏检测来确定。可以对小直径的管子进行最后的焊接，从而使罐中保持真空或惰性气体的环境。在靶和背板组件进行扩散粘接期间，组件的温度可以通过监视一个所谓的模拟部分的温度进行间接监视，所述模拟部分和靶背板组件具有相同的尺寸，并和所述组件或者在一个相同的炉子中加热，或者在一个等同的炉子中加热。
在靶、背板组件热处理之后，所述组件被冷却。可以把所述组件暴露于液体或气体中进行冷却，一种示例的液体是水，一种示例的气体是空气。
上述的方法可以形成靶、背板组件70，其包括在靶50和背板60之间的加强的扩散粘接，所述粘接的张力强度至少是5000psi，一般在大约8000-10000psi之间。全部再结晶的高纯度铝的屈服强度是3000psi，其大约等于20Mpa，并且其最大张力强度是12ksi(81Mpa)。6060 T4的屈服强度是21ksi(145Mpa)，其最大张力强度大约为35ksi(241Mpa)。
扩散粘接的强度可以接近于高纯度铝的最大张力强度，所述粘接通常具有在靶中利用的高纯度铝的张力强度的大约68.5％-83％(一般在室温下大约为8230-9948psi)。作为对比，焊接粘接一般具有大约1470-6740psi的强度。因此，由本发明的方法形成的粘接的强度远大于焊接粘接，因而，较好地适用于在本说明的背景技术部分所述的现代溅射技术的长落差应用。
在上述的扩散粘接之后，背板最好保持足够的强度。在一个特定实施例中，发现6061背板当在大约300℃的温度下进行扩散粘接时保持的最小强度等于6061-T4的强度。
除去在组件70的靶50和背板60之间形成强的粘接之外，在进行扩散连接之后，靶50的颗粒尺寸较好在100微米以下，更好大约30-100微米，最好大约在50微米以下。具体地说，在靶50中主要的部分(50％以上)较好具有小于100微米的颗粒尺寸，更好为30-100微米，小于50微米最好。在特定的实施例中，在靶50中的全部颗粒的最大尺寸小于100微米，较好为大约30-100微米，更好大约为50微米以下。
上述的小颗粒尺寸可以通过由利用经过冷加工的但尚未形成颗粒的靶开始来实现.因而，在颗粒生成之前，在靶材料中将发生再结晶过程。对于铝，发生这种再结晶过程在大约288-316℃之间的温度下大约需要20到30分钟。因而，靶将花费大量的其处于扩散粘接温度下的时间，在这个阶段中，颗粒进行再结晶，而不进行颗粒生成。因而，可以阻止在扩散粘接期间颗粒过量生长而成为例如超过100微米的尺寸。
进行了实验，以便确定是否增加处理温度或时间能够改善靶和背板的粘接。结果发现，如果靶经过较高的温度或者较长的时间进行处理，则颗粒尺寸将急剧增加，但粘接强度只有微小的增加。
应当理解，虽然上面以包括铝的第一物质和第二物质为例说明了本发明的若干方面，但是本发明也可以利用除去包括铝的物质之外的物质。最好是，所述物质包括一种能够在其间进行扩散粘接的公共成分。具体地说，如果所述物质包括一种相同成分，则所述成分便可以作为固体从一种物质扩散到另一种物质中。所述第一或第二物质也可以不包括相同成分，但是具有相同成分的材料之间的扩散(称为自扩散)一般比只包括不同成分的材料之间的扩散较快。在特定实施例中，所述物质包括相同的元素，例如铝元素。
权利要求
1.一种用于使第一物质和第二物质粘接的方法，包括提供第一材料的第一物质和第二材料的第二物质；使所述第一物质和第二物质在物理接触下彼此相连；以及同时使所述第一和第二物质相互扩散粘接和在第二物质中产生第二材料的颗粒，所述扩散粘接包括在第一物质和第二物质之间的固态扩散，产生的颗粒的主要部分具有小于100微米的最大尺寸。
2.如权利要求1所述的方法，其中产生的颗粒的全部具有小于100微米的最大尺寸。
3.如权利要求1所述的方法，其中产生的颗粒的主要部分具有小于或等于50微米的最大尺寸。
4.如权利要求3所述的方法，其中产生的颗粒的全部具有小于或等于50微米的最大尺寸。
5.如权利要求1所述的方法，其中产生的颗粒的主要部分具有大约30至小于100微米的最大尺寸。
6.如权利要求5所述的方法，其中产生的颗粒的全部具有大约30至小于100微米的最大尺寸。
7.如权利要求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.如权利要求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.如权利要求1所述的方法，其中所述粘接的第一和第二物质分别相应于背板和物理蒸汽淀积靶。
10.一种用于使物理蒸汽淀积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处于物理接触的状态下连接所述靶材料和背板材料；以及热处理所述连接的靶和背板材料，使得同时扩散粘接靶材料和背板材料并在靶材料中产生颗粒，所述扩散粘接包括在背板和靶材料之间的固态扩散，产生的颗粒的主要部分具有小于100微米的最大尺寸。
11.如权利要求10所述的方法，其中产生的颗粒的全部具有小于100微米的最大尺寸。
12.如权利要求10所述的方法，其中产生的颗粒的主要部分具有小于或等于50微米的最大尺寸
13.如权利要求12所述的方法，其中产生的颗粒的全部具有小于或等于50微米的最大尺寸
14.如权利要求10所述的方法，其中产生的颗粒的主要部分具有大约30至小于100微米的最大尺寸
15.如权利要求14所述的方法，其中产生的颗粒的全部具有大约30至小于100微米的最大尺寸
16.如权利要求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.如权利要求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.如权利要求10所述的方法，其中所述背板材料和靶材料都以铝为主要材料。
19.如权利要求10所述的方法，其中所述颗粒产生包括在所述靶材料内的颗粒的再结晶。
20.如权利要求10所述的方法，其中所述颗粒产生包括在所述靶材料内的颗粒生成。
21.如权利要求10所述的方法，还包括在连接之前，对所述靶材料进行加工硬化。
22.如权利要求10所述的方法，还包括在连接之前，通过把靶材料从初始厚度压缩到最终厚度进行加工硬化，所述最终厚度小于或等于初始厚度的大约40％。
23.如权利要求10所述的方法，还包括在连接之前，通过把靶材料从初始厚度压缩到最终厚度进行加工硬化，所述最终厚度小于或等于初始厚度的大约40％至2％。
24.如权利要求10所述的方法，还包括在连接之前，对靶材料进行加工硬化，并且其中颗粒产生包括加工硬化的材料的颗粒的再结晶。
25.如权利要求10所述的方法，还包括在连接之前，对靶材料进行加工硬化，并且其中颗粒产生包括再结晶所述加工硬化材料的颗粒；以及生成再结晶颗粒。
26.一种用于形成和背板粘接的物理蒸汽淀积靶的方法，包括使物理蒸汽淀积靶材料和背板材料在相互物理接触下相连，所述物理蒸汽淀积靶材料和背板材料都包括铝，以及使连接的物理蒸汽淀积靶材料和背板材料在相对于和所述物理蒸汽淀积靶材料和背板材料反应是惰性的环境中进行热处理，所述热处理同时使得所述物理蒸汽淀积靶材料扩散粘接到背板材料上，同时使物理蒸汽淀积靶材料中的颗粒产生，所述扩散粘接包括在背板材料和物理蒸汽淀积靶材料之间的固态扩散，从而把物理蒸汽淀积靶材料黏附于背板材料上，具有至少为5000psi粘接强度，并且在所述靶材料和背板材料经过热处理之后，在靶材料中产生的颗粒的主要部分的最大尺寸小于100微米。
27.如权利要求26所述的方法，其中所述背板材料和物理蒸汽淀积靶材料都以铝为主要成分。
28.如权利要求26所述的方法，其中所述颗粒产生包括在所述物理蒸汽淀积靶材料内的颗粒的再结晶。
29.如权利要求26所述的方法，其中所述热处理包括使所述连接的物理蒸汽淀积靶材料和背板材料在大约280-400℃的温度下保持大约20-60分钟，并至少在保持所述温度的一部分时间期间，压缩所述连接的物理蒸汽淀积靶材料和背板材料到至少12500psi的压力。
30.如权利要求29所述的方法，还包括在热处理之后，利用液体冷却所述连接的物理蒸汽淀积靶材料和背板材料。
31.如权利要求29所述的方法，还包括在热处理之后，利用气体冷却所述连接的物理蒸汽淀积靶材料和背板材料。
32.如权利要求26所述的方法，其中所述颗粒产生包括在所述物理蒸汽淀积靶材料内的颗粒生成。
33.如权利要求26所述的方法，还包括在连接之前，对所述物理蒸汽淀积靶材料进行加工硬化。
34.如权利要求26所述的方法，还包括在连接之前，通过把物理蒸汽淀积靶材料从初始厚度压缩到最终厚度进行加工硬化，所述最终厚度小于或等于初始厚度的大约40％。
35.如权利要求26所述的方法，还包括在连接之前，通过把物理蒸汽淀积靶材料从初始厚度压缩到最终厚度进行加工硬化，所述最终厚度小于或等于初始厚度的大约40％-2％。
36.如权利要求26所述的方法，还包括在连接之前，对物理蒸汽淀积靶材料进行加工硬化，并且其中颗粒产生包括加工硬化的材料的颗粒的再结晶。
37.如权利要求26所述的方法，还包括在连接之前，对物理蒸汽淀积靶材料进行加工硬化，并且其中颗粒产生包括再结晶所述加工硬化的材料的颗粒；以及生成再结晶颗粒。
全文摘要
本发明包括用于使第一物质和第二物质连接的方法。提供第一材料的第一物质和第二材料的第二物质，并在物理接触下使其彼此相连。此时第一和第二物质被相互扩散粘接，同时在第二物质中产生第二材料的颗粒。所述扩散粘接包括在第一物质和第二物质之间的固态扩散。在第二材料中产生的颗粒的主要部分具有小于100微米的最大尺寸。本发明还包括一种用于形成和背板相连的物理蒸汽淀积靶的方法。
文档编号B23K20/00GK1419608SQ01806950
公开日2003年5月21日 申请日期2001年1月18日 优先权日2000年1月20日
发明者C·帕菲纽克, T·贝尔 申请人:霍尼韦尔国际公司