磁控(kong)溅(jian)射是集(ji)成(cheng)电(dian)路制(zhi)造工(gong)艺中的(de)关键(jian)技术(shu)之(zhi)一，无(wu)论是前道晶(jing)圆制造还(hai)是后(hou)道(dao)先进封装(zhuang)领域(yu)都发挥(hui)重要(yao)作用(yong)，是制(zhi)作(zuo)MOS管栅极(ji)、金属互(hu)连(lian)线、焊(han)接(jie)凸(tu)块(kuai)、硅(gui)穿孔（TSV）通(tong)孔等金(jin)属(shu)化(hua)层薄膜(mo)的关(guan)键(jian)制(zhi)程(cheng)［1－4］。钛是(shi)重(zhong)要的金属(shu)化薄膜(mo)材(cai)料之一(yi)，通过(guo)磁控(kong)溅(jian)射(she)的方(fang)式广泛(fan)应(ying)用(yong)于上述(shu)功(gong)能结构中(zhong)的硅(gui)化(hua)物(wu)层、阻挡层(ceng)、粘(zhan)附(fu)层(ceng)等材(cai)料(liao)的(de)制(zhi)备(bei)。随着集(ji)成(cheng)电路制造(zao)技(ji)术的(de)发展，在集(ji)成密度(du)和(he)加工效率(lv)等(deng)方(fang)面提出了越(yue)来(lai)越(yue)高的(de)要求［5］。在(zai)集(ji)成密(mi)度(du)方(fang)面(mian)，由于芯(xin)片(pian)线(xian)宽的减(jian)小和封(feng)装集成密(mi)度(du)的(de)提(ti)高，高(gao)深(shen)宽比(bi)（通常AR＞5）孔的加工(gong)成为难(nan)点，为(wei)了(le)在(zai)孔(kong)中(zhong)制(zhi)备用作(zuo)阻(zu)挡(dang)层、粘附(fu)层(ceng)的(de)钛金(jin)属薄膜，对(dui)磁(ci)控(kong)溅射技(ji)术(shu)提出了(le)挑(tiao)战，需要采用高功率溅射(she)来提(ti)升薄膜的(de)填孔(kong)能(neng)力(li)；另(ling)一(yi)方(fang)面(mian)，为(wei)了实现(xian)高(gao)的生产(chan)效率(lv)，溅射用(yong)靶材(cai)的(de)尺(chi)寸不(bu)断增大(da)，同时(shi)需要(yao)采用高(gao)功率(lv)来提升靶材(cai)的(de)溅射(she)速率(lv)［6－9］。对(dui)于(yu)300mm晶(jing)圆用(yong)大尺(chi)寸钛靶(ba)材，为了实现40ｋＷ甚至更(geng)高(gao)溅(jian)射功率(lv)下的稳(wen)定(ding)溅(jian)射，要(yao)求钛靶(ba)材(cai)组件具有(you)优异(yi)的(de)热(re)稳定性(xing)、导热(re)性(xing)能和力学性(xing)能(neng)，高导(dao)热性(xing)、高(gao)强度(du)的Cu合金背(bei)板材(cai)料(liao)的选(xuan)取以(yi)及(ji)高(gao)结(jie)合强(qiang)度(du)的焊接方(fang)法(fa)至关(guan)重(zhong)要［10－11］。
以铝合金材料如(ru)6061Al等为背(bei)板(ban)的(de)钛(tai)靶(ba)材(cai)只(zhi)能适用于(yu)较(jiao)低功(gong)率密度的(de)磁控(kong)溅(jian)射，而传(chuan)统的(de)钎焊连(lian)接(jie)技术更(geng)是远(yuan)远满(man)足(zu)不(bu)了高(gao)功(gong)率高(gao)可靠(kao)溅(jian)射(she)的要(yao)求。本(ben)文(wen)选(xuan)择(ze)高强(qiang)度高导电Cu合(he)金(jin)背(bei)板材(cai)料(liao)，开(kai)展(zhan)Cu合金(jin)背板与钛靶材的(de)扩(kuo)散焊(han)接(jie)研究，对(dui)于制(zhi)备大(da)尺寸高(gao)性能钛靶材，满足高(gao)端集成(cheng)电路(lu)应用(yong)需(xu)求(qiu)具有重要(yao)的意义［1２－13］。笔(bi)者(zhe)查(cha)阅文献发现对靶材(cai)的绑(bang)定技(ji)术性(xing)文(wen)章(zhang)较少，本(ben)文(wen)主(zhu)要对纯度（质量分(fen)数）大于99.995％的高(gao)纯金属(shu)Ti和(he)CuCr合金绑定(ding)性能进行(xing)了研究(jiu)，为(wei)制定(ding)大(da)尺(chi)寸高性能(neng)高(gao)纯(chun)Ti靶材的加工(gong)提(ti)供依(yi)据(ju)。
1、实验材(cai)料(liao)和(he)方(fang)法(fa)
实(shi)验材(cai)料为(wei)高(gao)纯Ti经(jing)过辉光(guang)放(fang)电质谱(pu)（ＧＤＭＳ）全元(yuan)素分(fen)析，测(ce)得(de)其(qi)他(ta)杂(za)质微(wei)量(liang)元(yuan)素总和(he)不(bu)大于(yu)50×10－6，即高(gao)纯(chun)Ti纯度大于等(deng)于(yu)99.995％；退(tui)火态(tai)CuCr合金主(zhu)元素Cr经电(dian)感(gan)耦(ou)合(he)等(deng)离子原子发(fa)射光谱(pu)仪（ＩＣＰ－ＯＥＳ）分(fen)析为1％（质(zhi)量分(fen)数(shu)）完全符(fu)合(he)合金设计(ji)要(yao)求。高(gao)纯Ti锭(ding)经过开(kai)坯锻造(zao)，然(ran)后在(zai)冷轧(ya)机(ji)设(she)备进行(xing)冷(leng)变形成８mm厚(hou)板料，切取２片直(zhi)径1２0mm的圆片(pian)，其中(zhong)1片(pian)Ti样品(pin)在箱(xiang)式热处理炉(lu)（温(wen)度误差为(wei)±5℃）里分(fen)别进行530℃退(tui)火，退火(huo)时(shi)间(jian)为1.5ｈ，退火后水冷(leng)的(de)实(shi)验。对加(jia)工(gong)态(tai)和(he)退(tui)火态(tai)的Ti样(yang)品以及(ji)退火(huo)态(tai)的(de)CuCr合(he)金样品分(fen)别(bie)在不同区域取(qu)3点(dian)测(ce)试(shi)硬(ying)度，根(gen)据(ju)室(shi)温的硬度数(shu)据(ju)对样(yang)品进(jin)行车(che)齿，等离子(zi)真(zhen)空(kong)封(feng)焊接后热(re)等(deng)静压(ya)（ＨＩＰ），测试(shi)焊(han)接性(xing)能。
样品经(jing)机(ji)械(xie)抛(pao)光后，用10％硝酸酒精溶液擦拭侵(qin)蚀。金(jin)相组织(zhi)观(guan)察(cha)在ＯｌｙｍｐｕｓＢＸ51光(guang)学显(xian)微镜(jing)上进行，试样的(de)硬(ying)度(du)在43２ＳＶＤ型显微硬(ying)度计(ji)上(shang)测试，载(zai)荷(he)为1kg，保压(ya)时间为30s。
２、实验(yan)结(jie)果和(he)讨(tao)论
高(gao)纯Ti锭经(jing)过(guo)开(kai)坯锻造(zao)轧(ya)制(zhi)后(hou)、变(bian)形退火(huo)后(hou)及退火后(hou)CuCr合金(jin)在(zai)室(shi)温下的硬(ying)度(du)关(guan)系如图(tu)1所示，根(gen)据(ju)以上硬度关(guan)系(xi)机(ji)加(jia)工(gong)Ti车(che)齿设计(ji)和实际(ji)加工剖面如(ru)图２（ａ）所示，笔者(zhe)确定(ding)机加工齿(chi)方(fang)案(an)如(ru)下：加工Ti车(che)齿(chi)对退火(huo)CuCr合金如(ru)图(tu)２（ｂ）和(he)退火(huo)CuCr合金(jin)车(che)齿(chi)对(dui)退(tui)火态(tai)Ti如(ru)图(tu)２（ｃ）。真空(kong)封(feng)焊以后进(jin)行热(re)等静压实(shi)验，510℃／1２0ＭＰ保温(wen)4ｈ。
热等静压(ya)示(shi)意图如图(tu)3所示，分(fen)别(bie)对(dui)热压样件沿直径(jing)方向取(qu)样(yang)做金(jin)相观(guan)察焊(han)接界面如(ru)图4所(suo)示。
图(tu)4（ａ）中可以看出加(jia)工态(tai)的(de)Ti齿(chi)已(yi)经发(fa)生(sheng)变(bian)形，但(dan)是CuCr合金没有发生可(ke)见(jian)的(de)形(xing)变(bian)，由(you)此(ci)可以(yi)看(kan)出(chu)加工态(tai)Ti和退火(huo)态的CuCr加压的情况(kuang)下(xia)随(sui)着温度的(de)升(sheng)高，Ti和(he)CuCr合金的(de)屈服(fu)强(qiang)度(du)明(ming)显下降(jiang)，但是下(xia)降(jiang)的趋势是(shi)前者(zhe)快(kuai)于后(hou)者(zhe)；也可以说加工(gong)态(tai)Ti和退火(huo)态的(de)CuCr加压的(de)情(qing)况下(xia)随(sui)着(zhe)温(wen)度(du)的升(sheng)高(gao)Ti的硬(ying)度下(xia)降(jiang)快(kuai)于CuCr合金(jin)的硬度下(xia)降(jiang)。但(dan)在(zai)图(tu)4（ｂ）中可(ke)以看(kan)出(chu)，CuCr合金齿(chi)和(he)退火(huo)态(tai)Ti基(ji)体(ti)都(dou)产(chan)生一(yi)定的(de)形(xing)变(bian)，由(you)此可以看出(chu)退(tui)火态Ti和退火态(tai)的(de)CuCr加压的(de)情(qing)况(kuang)下(xia)随(sui)着温度的升(sheng)高(gao)，两(liang)种(zhong)金(jin)属的屈服强度(du)和(he)硬(ying)度均(jun)下(xia)降，CuCr合(he)金(jin)齿(chi)原有的(de)60°夹角(jiao)几乎变成小的平面，可(ke)以(yi)判(pan)断(duan)出(chu)在(zai)温(wen)度(du)上升(sheng)510℃附(fu)近时(shi)，两种金(jin)属强(qiang)度和硬(ying)度基本(ben)相(xiang)当(dang)，但是CuCr的(de)屈(qu)服强(qiang)度(du)和硬(ying)度要(yao)大于(yu)金属Ti，三(san)种状态(tai)的(de)金(jin)属(shu)屈服强(qiang)度(du)和硬(ying)度(du)随(sui)温度变化示意(yi)图(tu)如(ru)图5所(suo)示(shi)。
根(gen)据(ju)第一(yi)轮(lun)实(shi)验结(jie)果(guo)和高纯Ti的(de)退(tui)火温(wen)度，选择(ze)退火CuCr合金车(che)齿和退火态金(jin)属Ti真(zhen)空封焊后，在5２5℃、1２0ＭＰａ压(ya)力(li)下(xia)保(bao)温(wen)4ｈ做(zuo)热等(deng)静(jing)压(ya)实(shi)验，实(shi)验后的(de)样件沿直径(jing)方(fang)向取(qu)金(jin)相(xiang)样品，剩余样件同510℃剩(sheng)余样件分别(bie)取(qu)3个(ge)拉伸试样(yang)做拉伸(shen)试验。金(jin)相(xiang)结(jie)果如(ru)图6所示，5２5℃热等静压后CuCr合金齿的(de)夹(jia)角(jiao)由60°变成热(re)压(ya)后的90°左右(you)，齿全部(bu)压(ya)入Ti的(de)基(ji)体(ti)，510℃热(re)等静压(ya)后(hou)的样品虽(sui)然(ran)两金(jin)属(shu)界面紧密(mi)贴(tie)合(he)，但(dan)是(shi)CuCr合金(jin)齿(chi)的(de)夹(jia)角(jiao)由60°几(ji)乎变(bian)成1８0°平面，表明(ming)5２5℃时CuCr合金和(he)Ti的(de)屈服(fu)强(qiang)度(du)和(he)硬度(du)差(cha)值(zhi)比510℃在明显增大。对在(zai)不(bu)同剩(sheng)余(yu)样(yang)件(jian)上分(fen)别(bie)取的3个样(yang)品进行拉(la)伸(shen)，应力位移图(tu)如７所示，结(jie)果(guo)表(biao)明(ming)，510℃时热等静压焊接(jie)的界面(mian)断裂强度分(fen)别为(wei)6７、94、116ＭＰａ，平(ping)均(jun)界面(mian)断裂强度(du)为9２.3ＭＰａ；5２5℃时热(re)等(deng)静压(ya)焊接的断(duan)裂(lie)强(qiang)度(du)分别为114、136、151ＭＰａ，平(ping)均(jun)强度达(da)到133.6ＭＰａ，远(yuan)远大于软(ruan)钎(qian)焊(han)焊接(jie)的(de)焊接(jie)强(qiang)度。同时用电子显微(wei)镜在界(jie)面线(xian)扫(sao)描(miao)，如图(tu)８所示(shi)，发现Ti／Cu元(yuan)素在界(jie)面(mian)都有不(bu)同程(cheng)度的(de)扩散(san)现象，5２5℃热等(deng)静压时Ti元素(su)明显(xian)扩(kuo)散到CuCr基体(ti)当(dang)中，要比在(zai)温度510℃热(re)等(deng)静(jing)压多(duo)，界(jie)面冶金(jin)结(jie)合(he)效果要(yao)好一些(xie)，这(zhe)样(yang)为Ti靶材在(zai)工作(zuo)环(huan)境(jing)中减(jian)少(shao)了热(re)阻(zu)，把粒(li)子的轰击热量(liang)迅(xun)速(su)传(chuan)递到(dao)冷却水中(zhong)创造了有(you)利(li)条件。
3、结(jie)论(lun)
（1）高(gao)纯(chun)金属(shu)Ti和(he)退(tui)火(huo)态的CuCr随着(zhe)温度(du)的升高(gao)，Ti和(he)CuCr合(he)金的屈服强(qiang)度(du)和硬度(du)明显(xian)下降，且(qie)下降的(de)趋势(shi)是前者快于后者。
（２）CuCr合(he)金(jin)车齿(chi)，在和退火(huo)态(tai)的高纯(chun)Ti真(zhen)空(kong)封(feng)焊(han)热(re)等(deng)静压焊(han)接(jie)，温(wen)度5２5℃在1２0ＭＰａ压(ya)力(li)下(xia)保(bao)温4ｈ，能(neng)够得(de)到(dao)130ＭＰａ的(de)焊接强度，界(jie)面达(da)到(dao)冶(ye)金(jin)结(jie)合可(ke)以(yi)满足靶材(cai)使(shi)用要(yao)求(qiu)。
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ＴｏＶｉｅｗ.ｓｈｔｍｌ.
相(xiang)关(guan)链(lian)接
