一种作为溅射靶材的铝靶材与铝合金背板的连接方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种溅射靶材的制备方法，具体涉及一种铝靶材与铝合金背板的连接方法。
【背景技术】
[0002]工业应用的多种溅射靶材是由符合溅射要求的靶与背板连接而成的组件，在现有溅射技术下，靶材组件工作条件恶劣，溅射时靶材一侧处于高温真空下，而背板一侧则通以一定压力的冷却水强冷，因此靶材组件两侧形成巨大的温度差和压力差，同时，靶材一侧受到高压电场和强磁场中各种粒子的轰击，有大量热量产生。因此，靶材制造中对焊接质量有着严格要求，焊接必须具有良好的导热性，能够将溅射产生的热量传导至冷却水；焊缝必须具有一定的强度，否则将导致靶材在受热条件下发生变形、开裂，影响成膜质量甚至对对溅射机台造成损伤。
[0003]通常，纯铝及其合金靶与铝合金背板的大面积焊接以钎焊和热等静压(HIP)方式进行。钎焊焊料一般为铟和锡，但是受铟和锡的熔点限制，这种连接方式仅适合于尺寸较小、溅射功率较低的铝靶材组件。当溅射功率增大到一定程度后，这种靶材组件将会因为焊料的熔化而失效。HIP焊接可以保证靶材的高强度焊接，并适用于大功率溅射，但针对铝合金靶材，传统HIP焊接温度低时不能实现可靠连接，而HIP温度较高时，HIP过程中易改变靶材内部组织结构，降低靶材性能。为了保证靶材质量，需开发出一种新型靶材与背板的连接方法。
[0004]专利CN101564793A公开了一种铝靶才坯料与铝合金背板的焊接方法，其是采取的常规的扩散焊接方法，焊接前在靶坯与背板外添加包套，工艺复杂，焊接周期长。CN102430865A公开了一种替代钎焊的靶材焊接方法及形成的靶材组件，它采用背板上加工燕尾槽连接靶坯和背板并形成组合件。该方法的主要缺陷为靶坯材料并不能完全填充结合缝隙，结合强度偏小，从而影响靶材质量。此外，该组合件的加工量大，容易变形。因此，设计一种保证高质量连接性能与使用性能且方便加工的靶材是十分必要的。
【发明内容】
[0005]针对现有技术的上述问题，本发明提供一种作为溅射靶材的铝靶材与铝合金背板的连接方法，实现大面积靶材与背板的快速可靠连接，保证产品质量和加工效率。
[0006]为实现上述目的，本发明提供以下技术方案:
[0007]一种作为溅射靶材的铝靶材与铝合金背板的连接方法，包括如下步骤:
[0008]1.在铝靶材连接面上加工出圆形凸台，在铝合金背板连接面上加工出形状、位置与该凸台相对应的圆形嵌槽；
[0009]I1.将铝靶材的凸台嵌合在铝合金背板的嵌槽中；
[0010]II1.采用真空电子束焊接将靶材与背板边缘进行封焊形成靶材组件；IV.将靶材组件进行热处理，加热温度为150-450°c，保温时间0.5-2h ；
[0011]V.将热处理后的靶材组件热压，压强为80?350MPa，保压时间0.2_2h ；
[0012]如上所述的方法，优选地，所述铝靶材材料为纯铝、铝硅合金、铝铜合金或铝硅铜合金；所述铝合金背板材料为普通硬铝、5系铝合金、6系铝合金或7系铝合金。
[0013]如上所述的方法，优选地，所述凸台上加工出多个凸缘，每个凸缘为环型，多个凸缘呈同心环形排布；所述嵌槽上加工出多个凹槽，每个凹槽为环型，多个凹槽呈同心环形排布，且其尺寸和位置分别与该多个凸缘相对应。
[0014]如上所述的方法，优选地，所述每个凸缘宽为0.3-4mm，高度为0.2_4mm，排列间距为 0.5_8mm。
[0015]如上所述的方法，优选地，所述凸缘的轴向横截面为矩形，所述凹槽的轴向横截面为梯形，凸缘的截面面积不大于凹槽的截面面积。
[0016]如上所述的方法，优选地，所述铝合金背板相邻两凹槽间的突起齿形部轴向横截面为三角形、M形或其它复合形状。
[0017]如上所述的方法，优选地，所述凸台的直径为200?450mm，凸台与嵌槽的尺寸配合公差为0-0.5mm。
[0018]如上所述的方法，优选地，所述凸台、嵌槽、凸缘和凹槽采用车床加工形成。
[0019]如上所述的方法，优选地，所述方法还包括步骤V1:将热压后组件放入热处理炉中进行扩散处理，扩散处理温度150?450°C，保温时间为I?4h。
[0020]为了保证靶材内部组织稳定，靶材与背板在连接时的热处理温度和热压强度需由靶材材料的特性决定。由于纯Al的再结晶温度较低，温度过高会导致其内部组织异常，因此需在低温下进行后续连接操作，同时，由于其有较低的屈服强度，热压时较低的压力就能保证其发生塑性变形，保证连接质量；但对于高纯Al合金(如铝硅合金、铝铜合金或铝硅铜合金)，其再结晶温度和屈服强度都较纯Al有极大提高，需显著提高热处理温度和热压压力才能保证靶材与背板的连接质量。因此，在本发明中，确定适合纯Al及Al合金的热处理加热温度为150-450°C，热压压强为80?250MPa。
[0021]该方法中通过电子束封焊靶材和背板，使连接处处于高真空状态，有效防止了焊接面的氧化，提高连接结合性能；同时由于电子束焊接强度较高，也防止靶材因溅射功率过大导致靶材和背板边缘的变形、翘曲、脱离等情况发生，提高靶材使用安全性。通过热压后保温的方式进行靶材与背板的连接，提高了结合强度，保证靶材质量。此外，采用新型齿形设计，提高了靶材与背板的结合强度，保证了靶材质量。本发明的有益效果具体体现在以下几个方面:
[0022]1、实现铝靶材与铝合金背板的大面积连接，连接直径为250?500mm ;
[0023]2、该方法要求靶材与背板加工配合尺寸较为宽泛，尺寸配合公差为0-0.5mm，利于加工，提高了生产效率。
[0024]3、对封焊后的靶材和背板组件进行加热加压连接处理，可选用HIP、直接热压等多种方法，加热温度低，连接压力小，对设备要求低，同时保证靶材材料完全填充齿形缝隙，提高了结合强度，结合强度达到30MPa以上，焊合率达到98%以上。
【附图说明】
[0025]图1是本发明一种优先实施方式中靶材组件的轴向剖面图；
[0026]图2是图1所示靶材组件连接前靶材和背板各自的轴向剖面图；
[0027]图3是靶材连接面示意图，其中a为轴向剖面示意图，b为凸缘排列的平面示意图；
[0028]图4是背板连接面示意图，其中a为轴向剖面示意图；b为齿形排列的平面示意图；
[0029]图5是本发明一种优选实施方式中的靶材与背板结合面局部放大图；
[0030]图6是图2所不革El材和背板在电子束封焊后热压不意图。
【具体实施方式】
[0031]下面结合具体实施例对本发明的方法作进一步说明。
[0032]实施例1加工铝靶材与铝合金背板
[0033]如图2所示，用车床在铝靶材连接面上加工出圆形凸台1，在铝合金背板连接面上加工出形状、位置与该凸台相对应的圆形嵌槽2。凸台I的直径(Dll)和嵌槽2的直径(D21)相等，均为200?450mm;凸台I的高度(HlO)等于嵌槽2的深度(H20)，均为5?20mm ;凸台与嵌槽的尺寸配合公差为0-0.5mm。
[0034]如图3?图5所示，凸台I的连接面11上用车床加工出多个凸缘13，每个凸缘为环型，多个凸缘呈同心环形排布；在嵌槽2的连接面21上加工出多个凹槽23，每个凹槽23为环型，多个凹槽呈同心环形排布，且其尺寸和位置分别与该多个凸缘13相对应。
[0035]每个凸缘宽(Lll)为0.3-4mm，高度(Hll)为 0.2_3_，排列间距(L12)为 0.5_4mm。凸缘的轴向横截面为矩形，凹槽的轴向横截面为梯形、三角形或其它复合形状，为保证靶材I与背板2的连接强度及焊合率，提高结合强度，铝靶材连接面凸缘的截面面积要等于背板凹槽的截面面积。
[0036]如图4所示，相邻两凹槽间的突起部24轴向横截面为三角形、M形或其它复合形状。该突起部24的深度(H21)为0.5-3mm，宽度(L21)为0.5_4mm，相邻两突起部的间距(L22)为 0.3-4mm。
[0037]如图1和图5所示，靶材与背板配合后，凸台I嵌入嵌槽2中，多个凸缘13分别嵌入对应位置的凹槽23中。
[0038]实施例2高纯Al (99.9995% )与606 IAl合金背板的连接
[0039]高纯Al靶材，直径280mm ;背板6061A1合金直径320mm。按照如下步骤进行实施:
[0040](I)按照实施例1所述方法机加工靶材与背板。在高纯Al靶材连接面上车出圆形凸台1，6061A1铝合金背板连接面上车出圆形嵌槽2(如图1所示)。凸台I的直径(Dll)和嵌槽2的直径(D21)相等，均为260mm ;凸台I的高度(HlO)等于嵌槽2的深度(H20)，均为1mm0凸台I的连接面11上用车床加工出多个轴向横截面为矩形的凸缘13，每个凸缘为环型，多个凸缘呈同心环形排布；凸缘高度(Hll)0.2mm，宽度(Lll)0.5mm，排列间距(L12)为0.5mm ;6061A1合金背板嵌槽2底面与凸缘13相对应的位置车出凹槽23，相邻两凹槽间的突起齿形24的轴向横截面呈三角形齿形(如图4B所示)，齿深(H21)2mm，齿宽(L21) Imm,齿间距(L22)0.5mm。
[0041](2)清洗靶材与背板并烘干。
[0042](3)将靶材与背板配合后放入真空电子束焊机中，抽真空后进行外缘处封焊形成靶材组件。
[0043](4)由于纯Al的再结晶温度较低，温度过高会导致其内部组织异常，因此需在低温下进行后续连接操作。靶材组件封焊后的采用HIP工艺，2500C，压力80MPa，保温保压2h。
[0044]连接性能检验:将冷却后的扩散处理组件进行C-Scan扫描，发现其焊合率彡98%。使用万能拉伸机测试其结合强度，靶材与背板结合强度61MPa。
[0045]实施例3高纯AlSil合金(99.9995% )与5052A1合金背板的连接
[0046]高纯AlSil合金革E材，直径350mm ;背板5052A1合金直径400mm。按照如下步骤进行实施:
[0047](I)按照实施例1所述方法机加工靶材与背板。在高纯AlS