高纯铜靶材在半导体行业中主要作为溅射镀膜的阴极材料使用,其沉积的薄膜导线拥有较低电阻率,良好的导电、导热性能,在较大温度范围内保持较好的可靠性等优点,因此在≤90nm线宽的工艺节点,行业普遍开始采用高纯铜布线来取代先前的铝布线。而良好稳定的靶材焊接性能,将会直接影响靶材溅射过程中的导电,导热效果进而决定高纯铜靶材沉积薄膜的质量和稳定性。因此研究一种半导体集成芯片磁控溅射用高纯铜靶材与铜基合金的大面积扩散焊接工艺,对高纯铜靶的研发和制作具有极其重要的意义和实用价值。本文通过测试焊接接头的缺陷情况(超声波探伤)和力学性能,借助光学显微镜,扫描电镜,能谱仪等分析手段,研究了不同焊接工艺参数和表面处理对接头性能的影响规律,并且研究了不同焊接条件下对靶材微观组织性能的影响。研究结果显示连接表面在没有做表面处理时,即使焊接温度已经大于材料的再结晶温度,其接头拉伸强度也无法达到高纯铜靶的要求,增加表面处理可以用螺牙尖端有效刺破材料表面氧化层,使新鲜的结合面之间紧密接触形成机械咬合,还可以增大两种材料连接表面的接触面积,有助于原子间扩散和摩擦粘附的发生。在一定的压力条件下两种材料间相互嵌入的深度取决于焊接温度,温度越高材料塑性越好,可嵌入深度也就越深。焊接温度为320℃时0.22×0.06mm、0.22×0.11mm和0.22×0.16mm三种处理表面均能有效嵌入高纯铜靶本体形成紧密结合。焊接温度为260℃时,由于材料塑性较低,0.22×0.16mm在较低温度下无法完全嵌入形成紧密连接,形成的孔隙会影响连接性能。0.22×0.11mm表面处理可以完全嵌入高纯铜靶本体中形成紧密结合,接头强度可达91MPa。在试样进行固相连接前,高纯铜靶内部已形成晶粒细小均匀的微观组织,但依然有小部分晶粒未完全再结晶,小尺寸晶粒密度较高,不同晶粒间的内能存在势差,当温度小于260℃时这部分晶粒的性能相对稳定,随着温度提升至290℃-320℃时,内能较高的晶粒开始发生变化,晶粒尺寸长大至24-30μm,各晶粒的晶界逐渐开始变得更加清晰。当温度继续提高至350℃-380℃时,晶粒尺寸长大至50μm,晶粒在获得了足够的能量后长大明显,晶界也相对稳定,各晶粒之间的大小基本相似,说明这个温度下晶粒的再结晶基本结束,微观组织处于一个平衡状态。随着焊接温度的增加,接头强度出明显变的改善,由接头断口的能谱分析结果可知,在200℃时摩擦粘附和扩散运动不明显,此时接头强度主要以机械咬合力为主。260℃和320℃在高纯铜材料一侧均能看到明显的背板合金成分Cr元素的分布,说明在较高温度下背板与靶材在塑性变形后的机械咬合过程中发生摩擦粘附和扩散,在咬合、摩擦和扩散的共同作用下,接头强度可以达到90MPa以上。理论上较高的焊接温度会得到更好的焊接性能,焊接时保温时间的增加也会得到更好的焊接性能。但由于靶材产品的特殊性,当温度大于260℃时高纯铜溅射靶材本身的晶粒会发现不可逆的变化,尺寸长大,不利于靶材产品性能稳定性的控制,当保温时间大于5h后继续增加保温时间对焊接性能的提升作用不是特别明显。通过对靶材连接表面处理,温度和保温时间等工艺参数的研究,综合考虑实际生产规模制作的产品,确定高纯铜靶在已获得微观组织不变化的情况下,最优的固相连接工艺参数为:连接温度=260℃,连接压力=105MPa,表面处理的螺牙型号为0.22×0.11mm,保温时间=5h。按照试样获得的最优固相连接工艺参数,将其应用在12寸高纯铜靶产品规模化生产,产品连接面无结合缺陷,接头强度良好,靶材晶粒大小均匀性符合要求,使用性能良好可以符合半导体90-28 nm的工艺要求。