CS269830B1

CS269830B1 - A method for producing bimetallic sputtering targets

Info

Publication number: CS269830B1
Application number: CS8610276A
Authority: CS
Inventors: Vladimir Ing Soucek; Jan Ing Csc Vacek; Lubomir Rndr Chladek; Petr Ing Romaniak
Original assignee: Vladimir Ing Soucek; Vacek Jan; Chladek Lubomir; Romaniak Petr
Priority date: 1986-12-30
Filing date: 1986-12-30
Publication date: 1990-05-14
Also published as: CS1027686A1

Abstract

Řešení se týká způsobu výroby bimetalických naprašovacích terčů, přičemž materiál vlastního terče je s podložkou spojen výbuchovým svařením a poměr tlouštěk vlastního funkčního targetu a podložky se pohybuje v rozmezí 0,2 až 9. Po svaření jsou spojené desky společně opracovány na požadovaný konečný rozměr. Takto vyrobené bimetalické terče se vyznačují vysokou pevností spoje, vynikajícím přestupem tepla v místě spoje a stálostí i za vysokých pracovních teplot.The solution concerns a method of manufacturing bimetallic sputtering targets, whereby the material of the target itself is connected to the substrate by explosion welding and the ratio of the thicknesses of the functional target itself and the substrate ranges from 0.2 to 9. After welding, the joined plates are machined together to the desired final dimensions. Bimetallic targets manufactured in this way are characterized by high joint strength, excellent heat transfer at the joint and stability even at high operating temperatures.

Description

Vynález se týká způsobu výroby bi meta 1 ických naprašovacích terčů.The invention relates to a method of manufacturing bimetallic sputtering targets.

Vlastní terč je deska různého tvaru z materiálu, který je ve vakuu rozprašován dopadem kladných iontů a nanášen na požadované místo. Materiál terčů musí splňovat požadavky na vysokou chemickou čistotu s minimálním obsahem plynů. Vlastní terč je často nezbytné spojovat s kovovou podložkou, především s mědí, hliníkem, železem a jejich slitinami, pro dosažení vyšších mechanických hodnot. Při optimálním spojení terče s chlazenou podložkou je zaručen dobrý přenos tepla mezi vlastním terčem a chlazenou podložkou, takže naprašovací proces, při kterém se terč silně ohřívá, může být prováděn s maximálním výkonem. Spojení terče s podložkou musí být vakuově těsné s minimálním tepelným odporem, odolné teplotnímu zatížení nejméně do 400 °C a teplotním cyklům, prosté všech dutin a pórů. V současnosti se terče se základní podložkou spojují plošným pájením ve vakuu nebo v inertní atmosféře, zaléváním terče do prohlubně základní desky, jiným, nízkotavitelným kovem, lepením nebo jednoduchým mechanickým spojením jako je lisování nebo přišroubování. Již ze samé skutečnosti, že se tato spojení uskutečňují vždy buď vložením jiné látky o nízké tepelné vodivosti, nebo nedokonalým mechanickým stykem, vyplývá, že dochází k vytvoření přechodové špatně vodivé vrstvy nebo ke vzniku místních nespojitostí materiálu. Navíc je často takovéto spojení, zvláště pak při použití spojování pájením ve vakuu, rozměrově omezené.The target itself is a plate of various shapes made of material that is sprayed in a vacuum by the impact of positive ions and applied to the desired location. The target material must meet the requirements for high chemical purity with a minimum gas content. It is often necessary to connect the target itself to a metal substrate, especially copper, aluminum, iron and their alloys, to achieve higher mechanical values. With an optimal connection of the target to the cooled substrate, good heat transfer between the target itself and the cooled substrate is guaranteed, so that the sputtering process, during which the target heats up strongly, can be carried out with maximum performance. The connection of the target to the substrate must be vacuum-tight with minimal thermal resistance, resistant to temperature loads of at least 400 °C and temperature cycles, and free of all cavities and pores. Currently, targets are connected to the base plate by surface soldering in a vacuum or inert atmosphere, by casting the target into a recess in the base plate, by another, low-melting metal, by gluing or by simple mechanical connections such as pressing or screwing. The very fact that these connections are always made either by inserting another substance with low thermal conductivity, or by imperfect mechanical contact, implies that a transitional poorly conductive layer is created or local discontinuities in the material occur. In addition, such a connection, especially when using vacuum soldering, is often limited in size.

Uvedené nedostatky odstraňuje způsob výroby bimetalických naprašovacích terčů podle vynálezu, jehož podstata spočívá v tom, že vlastní naprašovaný materiál se spojuje s nosnou podložkou explozivním svařením.The mentioned shortcomings are eliminated by the method of manufacturing bimetallic sputtering targets according to the invention, the essence of which lies in the fact that the sputtered material itself is connected to the supporting substrate by explosive welding.

Bylo totiž zjištěno, že při tomto způsobu spojování dochází k vytvoření vysoce kvalitního metalurgického (často i difúzního) svaru obou materiálů bez různých netěsností a špatně vodivých mezivrstev. Při svařování výbuchem dochází navíc k vytvoření laminárně vlnitého tvaru svarového rozhraní, čímž je maximálně zvětšena plocha potřebná pro přestup tepla. Předností takto vyrobených bimetalických terčů je vysoká pevnost spoje, vynikající přestup tepla mezi vlastním terčem a ochlazovanou podložkou a možnost použití až do teploty tavení jedné složky bimetalického terče, přičemž soudržnost svařeného spoje je vyhovující i za vysokých teplot. Velikost spojovaných ploch je prakticky neomezená, omezující je však poměr tlouštky vlastního terče k tlouštce podložky, který je nutno dodržet v rozmezí 0,2 až 9, aby došlo ke kvalitnímu spoji.It has been found that this method of joining creates a high-quality metallurgical (often diffusion) weld of both materials without various leaks and poorly conductive intermediate layers. In addition, during explosion welding, a laminar wavy shape of the weld interface is created, which maximizes the area needed for heat transfer. The advantages of bimetallic targets produced in this way are high joint strength, excellent heat transfer between the target itself and the cooled substrate and the possibility of using it up to the melting temperature of one component of the bimetallic target, while the cohesion of the welded joint is satisfactory even at high temperatures. The size of the joined surfaces is practically unlimited, but the ratio of the thickness of the target itself to the thickness of the substrate is limiting, which must be maintained in the range of 0.2 to 9 in order to achieve a high-quality joint.

Na obrázku je zobrazený spoj získaný svařením výbuchem vlastního platinového terče na měděnou základní podložku při padesátinásobném zvětšení.The image shows a joint obtained by explosion welding a custom platinum target to a copper base substrate at a magnification of fifty times.

Příklad 1Example 1

Na hliníkový terč čistoty 99,999 % hmot, o rozměrech 135x450x10 mm byla neplátována měděná základní deska o rozměrech 220x540x4 mm. Explozivně svařené desky byly poté obrobeny na požadovaný rozměr 127x444,5x12 mm, přičemž tloušíka vlastního hliníkového terče činila 9 mm. Drsnost spodní měděné chlazené podložky byla maximálně 1,6 /jm, přednostně 0,8 /jm. Zkouškami byla prokázána pevnost explozivně svařeného spoje l,5krát vyšší než u obdobného terče pájeného ve vakuu, přičemž hodnota přestupu tepla mezi vlastním terčem a podložkou byla l,4krát vyšší u terče navařeného výbuchem oproti terči pájenému. Metalografická a ultrazvuková kontrola výbuchového svaru prokázala kvalitní spoj s charakteristickým zvlněním.An unclad copper base plate measuring 220x540x4 mm was applied to an aluminum target with a purity of 99.999% by mass, measuring 135x450x10 mm. The explosively welded plates were then machined to the required dimensions of 127x444.5x12 mm, with the thickness of the aluminum target itself being 9 mm. The roughness of the lower copper cooled pad was a maximum of 1.6 /µm, preferably 0.8 /µm. Tests showed that the strength of the explosively welded joint was 1.5 times higher than that of a similar target brazed in vacuum, while the heat transfer value between the target and the pad was 1.4 times higher for the target welded by explosion compared to the brazed target. Metallographic and ultrasonic inspection of the explosive weld demonstrated a high-quality joint with characteristic waviness.

Příklad 2Example 2

Na titanový terč čistoty 99,9 hmot, o rozměrech 310x310x7 mm byla explozivně navařena měděná základní deska o rozměrech 390x390x4 mm. Spojené desky byly poté obrobeny do tvaru rovnostranného trojúhelníku se zaoblenými vrcholy o délce strany 310 mm a celkové tlouštce 9 mm, přičemž tlouštka titanové naprašovací vrstvy byla 6 mm. Zkouškami byla zjištěna l,7krát vyšší mechanická pevnost spoje a l,3krát vyšší přestup tepla ve spoji u explozivně svařeného bimetalického terče ve srovnání s bimetalickým terčem vyrobeným plošným pájením v inertní atmosféře. Metalografická a ultrazvuková kontrola svaru prokázala kvalitní spoj s charakterickým zvlněním.A copper base plate measuring 390x390x4 mm was explosively welded onto a titanium target with a purity of 99.9 wt., measuring 310x310x7 mm. The joined plates were then machined into the shape of an equilateral triangle with rounded vertices with a side length of 310 mm and a total thickness of 9 mm, with the thickness of the titanium sputtering layer being 6 mm. Tests revealed 1.7 times higher mechanical strength of the joint and 1.3 times higher heat transfer in the joint for the explosively welded bimetallic target compared to the bimetallic target manufactured by surface brazing in an inert atmosphere. Metallographic and ultrasonic inspection of the weld demonstrated a high-quality joint with characteristic waviness.

CS 269830 BlCS 269830 Bl

Postupem podle vynálezu je možno vyrábět bimetalické terče, které se vyznačují vysokými mechanickými hodnotami spoje a výborným přenosem tepla, jsou použitelné i při vysokých teplotách a umožňují vysoké výkony naprašování pro výrobu součástek pro elektrotechniku a při výrobě zrcadel.The process according to the invention makes it possible to produce bimetallic targets that are characterized by high mechanical bond values and excellent heat transfer, are usable even at high temperatures and enable high sputtering performance for the production of components for electrical engineering and in the production of mirrors.

Claims

SUBJECT OF THE INVENTION

A method of manufacturing bimetallic sputtering targets, characterized in that the material of the target itself is connected to the substrate by explosive welding, wherein the ratio of the thicknesses of the target itself and the substrate ranges from 0.2 to 9.