因此，本发明的一个特征是提供一种检测结合的溅射靶/背衬板组件的 非结合区域的无损检测方法。
本发明进一步的特征是提供一种评估溅射靶组件的结合界面的方法， 其中评估时间与评估区域的大小无关。
本发明的另一个特征是提供一种评估溅射靶组件的结合界面的热成像 系统，该系统产生连贯的结合质量分析。
本发明的附加特征和优点将在下面的说明书中部分阐述，并且部分从 说明书变得清晰，或者通过本发明的实践而理解。本发明的目的和其它优 点可通过说明书和所附的权利要求特别指出的要素及其组合的方式实现并 获得。
为了实现这些及其它优点，并且根据本发明的目的，如这里具体描述 和概述的，本发明涉及一种使用溅射靶组件的热成像评估溅射靶组件的结 合界面的方法，其中该溅射靶组件包括在结合界面处结合到或者不然附着 到溅射靶的背衬板。该方法优选包括分别用热源或冷源加热或冷却背衬板； 通过红外热成像法使溅射靶表面的至少一部分成像，以获得对于预定成像 时间的像素矩阵的单独像素的系列热图像，产生对于单独像素的观察到的 时间-温度曲线；并且将观察到的时间-温度曲线与相应参考时间-温度曲线 比较，以确定结合界面的完整性。
本发明还涉及一种热成像分析方法，优选包括：确定对于从通过红外 热成像法获得对于预定成像时间的系列热图像中得到的单独像素数据的时 间-温度曲线；并且将多个时间-温度曲线对成像时间积分，以获得单独像素 的观察积分温度。该方法任选地包括使单独像素数据归一化。观察积分温 度也可以用积分像素图表示。
本发明进一步涉及一种加热溅射靶组件部件的方法，使热量垂直流动 到结合界面，以至于对于不坚固的结合，降低热传递，由此在该溅射靶/背 衬板组件的表面上产生可检测的温度梯度，该方法可以用于使组件中剥离 区域隔离。
应该理解：上述概述和以下详细说明仅仅是示例性的和解释性的，并 且旨在对要求保护的本发明提供更进一步的解释。
引入本申请并构成本申请一部分的附图，解释本发明的各个方面，并 且与说明书一起用以解释本发明的原理。

图1是体现本发明用于评估溅射靶组件的结合界面的特征的系统的示 意图。
图2是体现本发明用于评估溅射靶组件的结合界面的特征的另一系统 的示意图。
图3是表示根据本发明的实施方案在溅射靶组件加热过程中的热传递 模式的示意图。
图4是从溅射靶组件两个实例获得的时间-温度数据和从FEA模型预测 的时间-温度曲线的图。
图5是在实例溅射靶组件的中心和边缘区域获得的时间-温度数据图， 该图显示在靶边缘处的剥离区域。
图6是通过本发明的方法产生的积分归一化温度图的图形图像，其中 溅射靶组件基本上没有剥离区域。
图7是通过本发明的方法产生的积分归一化温度图的图形图像，其中 溅射靶组件有剥离区域。
图8是对于在靶外径处剥离的溅射靶组件的实施例的信号(Ip-Iu)的理论 径向变化的图。
图9是在溅射靶组件实例中对于10cm宽的边缘剥离，Ip-Iu的有限元模 型结果的图。
图10是对于热源或冷源和溅射靶组件之间各种对流传热系数的预期信 号(Ip-Iu)，FEA模型计算的图。

本发明用于评估溅射靶组件的结合界面的方法包括：对溅射靶组件进 行热成像分析，该溅射靶组件包括在界面处结合或不然附着在一起的背衬 板和溅射靶。该热成像分析优选包括分别用热源或冷源加热或冷却背衬板； 通过红外热成像法使溅射靶表面的至少一部分成像，以获得预定成像时间 的像素矩阵的单独像素的系列热图像，产生单独像素的观察的时间-温度曲 线；并且将观察的时间-温度曲线与相应的参考时间-温度曲线比较，以确定 结合界面的完整性。该方法任选地还包括：将多个单独像素的观察的时间- 温度曲线对至少一部分成像时间进行积分，以获得多个像素的观察的积分 温度；并且将观察积分温度与相应的参考积分温度比较，以确定结合界面 的完整性。
更具体而言，如上所述，溅射靶组件包括两部件或组件部件，即，背 衬板和溅射靶。用于本发明实践的溅射靶包括两侧：溅射侧和相反的结合 侧。本发明的背衬板包括两侧：结合侧和相反的背侧。本发明的溅射靶组 件是通过将结合侧相对于彼此固定装配的溅射靶组件。溅射靶组件可以是 具有通过任何适宜的技术直接附着或间接附着于彼此的靶和背衬板的溅射 靶组件，该金属优选为结合。该结合可以是冶金结合，如通过扩散结合、 爆炸结合、金属压配合(例如，具有插入凸起和凹槽的那种)、热膨胀耦合、 电子束(e-beam)焊接、惯性焊接、摩擦硬钎焊等或通过焊接技术实现的结合。 结合界面由所结合的组件部件的结合侧之间的区域限定。溅射靶组件也可 以具有夹层，如工业中常规的那样。夹层可以由任何合适的金属或其合金 制成，包括上述用于靶和背衬板的金属。而且，溅射靶可以是空心阴极磁 控管(HCM)溅射靶，并且可以是其它形式的溅射靶，如适宜于引入固定的或 旋转的永磁体或电磁体的平面磁控管组件。背衬板可以包括特征如法兰和/ 或适合于包括或连接到冷却装置。
溅射靶和背衬板可以分别是任何合适的靶等级和背衬板等级材料。靶 材料的实例包括，但是不局限于铝、钛、铜、钴、铌、金、铂、钯、镍、 铪、钼、锆、钽和其合金。背衬板的实例包括，但是不局限于铜或铜合金、 钽、铌、钛、铝和其合金、如TaW、NbW、TaZr、NbZr、TaNb、NbTa、TaTi、 NbTi、TaMo、NbMo等、和钢。优选地，溅射靶是钽或钽合金，而背衬板 是铜或铜合金。溅射靶和背衬板中使用材料的种类没有限制。纯度、结构 (texture)、和/或粒径及其它参数，包括尺寸等，对于本发明不是关键的。优 选地，溅射靶组件部件的材料对环境气氛具有传热系数为约0.1到约300 W/m2。溅射靶和背衬板的厚度可以是用于溅射靶组件的任何合适的厚度。 合适厚度的背衬板和溅射靶的实例包括，但是不局限于，厚度为约0.25英 寸或更小到约2英寸或更大的背衬板，和厚度为约0.06英寸或更小到约1 英寸或更大的靶。
加热可以通过加热溅射靶组件部件中的一个或两个实现，并且优选加 热背衬板。加热可以是通过任何对组件部件基本上所有的或任何部分的任 意非结合侧进行加热的直接或间接方法，并且该非结合侧优选包括溅射靶 的溅射侧或背衬板的背侧。在加热之前，溅射靶部件可以在约15到约35℃ 的温度下，并且优选可以在约20℃的环境温度下。还是在加热之前，组件 部件优选处于平衡温度。可以将组件部件加热到约20到约100℃的温度。 优选地，该加热方法迅速加热热施加到其上的组件部件。优选地，加热以 约0.01到约100℃/秒，如约0.1到约10℃/秒的速度加热组件部件。
热源可以是任何适用于加热溅射靶组件部件的热源。例如，热源可以 是流体，包括水、乙二醇、甲酸铯、或其任何组合。热源可以是液浴或液 体喷射，如蒸汽或热液喷射等。热源可以是气体，如热的空气、氦、氩、 氮或其它气体系统。热源可以是辐射热或传导热。加热可以是感应加热。 热源可以是通过在靶组件如背衬板表面中诱发涡流而加热靶组件的感应 圈。可以使用任何能诱发涡流的设备。优选地，当用热源(例如液体)加热组 件时，所使用的方法具有高热容量和良好热导率的性质。该热源的热容量 和热导率优选足以迅速加热整个溅射靶组件。热源优选具有比热容为约至 少4,000J/Kg·K。优选地，在热源和受热的组件部件之间具有的对流传热系 数为约500到约20,000W/m2。
根据本发明的实施方案，除了加热组件以外，另外还可以冷却该组件。 冷却可以通过任何从组件部件基本上所有的或任何部分的任意非结合侧除 去热量的直接或间接方法，并且该非结合侧优选包括溅射靶的溅射侧或背 衬板的背侧。在冷却之前，溅射靶部件可以在约15到约100℃的温度下， 并且优选在约20℃的环境温度下。同样在冷却之前，组件部件优选处于平 衡温度。可以将组件部件冷却到约0到约-273℃的温度。优选地，该冷却的 方法迅速冷却热从中除去的组件部件。优选地，冷却以约0.1到约10℃/秒 的速度冷却组件部件。
冷却可以是通过使用冷源实现。冷源可以是任何适用于冷却溅射靶组 件部件的冷源。例如，冷源可以是流体，包括水、乙二醇或甲酸铯。冷源 可以是液浴或液体喷射。冷源可以是气体，如空气、氦、氩、氮或其它气 体系统。优选地，用于冷却组件部件的冷源具有高热容量和良好热导率的 性质。该冷源的热容量和热导率优选足以迅速冷却整个溅射靶组件。冷源 优选具有的比热容为至少约4,000J/Kg·K。优选地，在冷源和受冷却的组件 部件之间具有的对流传热系数为约500到约20,000W/m2。
根据本发明的实施方案，评估由结合到溅射靶的背衬板组成的溅射靶 组件的热成像系统包括通过浸入水浴中加热或冷却组件部件。例如使用机 械系统，可以降低组件部件与水浴接触，将水浴升高到与组件部件接触， 或两者。同样，可以通过使用泵和排液管的组合迅速升高液面，来升高固 定的浴-靶系统中的液面至组件部件，这样进行与组件部件的接触。图1和 2提供两个用于加热或冷却溅射靶组件的示范性系统的说明。该说明显示平 面溅射靶组件构置，但是可以使用其它溅射靶组件形状，如圆柱形或圆锥 的溅射靶组件。图1显示示范性水浴的布置。图2提供用于加热组件部件 的喷射法的说明。在这种情况下，将加热液体喷射到背衬板的背侧。
根据本发明的实施方案，未加热(或未冷却)的组件部件的暴露表面的温 度测量可以通过使至少一部分组件部件(优选溅射靶)的表面成像而实现。通 常，成像优选产生对成像的表面的热变化的图解记录，该图解记录然后可 以在时域中分析。表面温度变化与通过结合界面的热流的本征动力学有关， 由通过如上所述加热或冷却组件部件在溅射靶组件中产生热梯度引起。当 存在良好结合时热流容易通过结合界面。然而，当结合不连续时，结合不 好的区域妨碍热传递。在这种情况下，在结合不好的直接区域中，未加热(或 未冷却)组件部件的暴露表面上的温度变化的速率会显著降低。可测量组件 部件的暴露表面的瞬间测量以确定结合界面的任何区域中的结合质量。
更具体而言，可以用红外线(IR)摄像机记录并储存组件部件所有或任何 部分的暴露表面的连续热图像(帧)。每一视频图像由固定数目的单独像素组 成。在本文中，像素是图像阵列中或像素矩阵中的小的图像要素，它相当 于成像组件部件的表面上的矩形区域或分辨单元。因为，每一个像素的强 度直接与相应的分辨单元的温度有关系，在组件部件表面上每一分辨单元 的温度的变化可以根据像素对比度的变化进行分析。储存的视频图像可用 通过从相同时间点的单独的像素强度减去表示已知时间点的特定的图像帧 的平均像素强度以确定图像帧中每一个像素的对比度。
优选地，当热能流过溅射靶/背衬板结合界面时，IR摄像机获得对于预 定成像时间的组件部件(例如与结合侧相反的溅射侧)的暴露表面的系列图 像。预定成像时间可以是约1到约500秒。可以在约0.01到约100帧/秒的 频率下获得系列热图像。IR摄像机可以具有约0.01到约1℃的热敏度。成 像可以通过任何方法。例如，使用红外热成像法测量飞机结构、平板显示 器等的结合完整性的方法描述在美国专利Nos.5,709,469；5,582,485； 5,562,345；5,246,291；和5,032,727中，其内容在此引用作为参考。
优选地，考虑由不均匀的组件几何形状和不均匀加热或冷却所引起的 任何横过所成像的组件部件的表面的不均匀的温度分布。优选地，考虑溅 射靶组件的环境温度和热源或冷源温度中的变化。提供一种方法，该方法 考虑这些或其它因素，以使产生用于几何、热流和温度变化校正的单个结 合完整性图，该方法是通过将归一化温度对热成像分析的视频记录中的获 得的帧进行积分。这个过程在数学上可以使用关系式通过首先定义在每一 帧中每一像素的归一化温度进行描述：
TN(x，y，t)＝(T(x，y，t)-To)/(Tf(x，y)-To)    (等式1)
其中TN(x，y，t)和T(x，y，t)分别是位于该帧中x，y处的像素的归一化 温度和测量温度，并且t是获得特定的图像帧的时间；To是在开始测量之前 组件部件的环境温度；并且Tf(x，y)是在用于热成像分析的最后帧中由红外 摄像机记录的组件部件表面的温度。
在像素矩阵中单独像素的观察时间-温度曲线可以由如上所述的方式获 得的归一化温度产生。可将观察时间-温度曲线依次与相应的已知或预期时 间-温度曲线对比，以确定结合界面的完整性。预期的时间-温度曲线可以是 使用有限元法模拟，以提供在成像过程中热流和温度横跨所成像组件部件 的表面区域而变化的这种方式的理解。图3提供可能的热传递模型的示意 图。H在这种情况下是在热源和溅射靶组件之间的对流传热系数。在所生 成的热图像中H变化的效果和测量的灵敏度可以使用有限元分析(FEA)模 拟确定。TB表示热源的温度。可以使用与等式1相似的计算，其中TB取代 Tf(x，y)。在这种情况下，组件部件的平衡温度和热源(或冷源)温度之间差 值提供一种用于摄像机发射率校正的措施和一种用于测定在溅射靶组件/空 气界面处的对流传热系数P的方法。
图4提供两Ta/Cu-Cr溅射靶组件的试验数据和该试验数据与使用FEA 模拟的模型预测之间的比较。通过拟合参数P和H在模型和试验数据之间 获得很好的一致。对于水浴而言，P值为125W/m2而H为1100W/m2是合 理的，并且与期望值(见Carslaw和Jaeger“Conduction of Heat in Solids，”Oxford Science Publications)一致。图5说明对于Ta/Cu-Cr溅射靶组 件的中心区域和该组件边缘点的时间-温度曲线之间差值，该Ta/Cu-Cr溅射 靶组件的中心区域结合好，而该组件的边缘点中在溅射靶和背衬板之间存 在剥离。
根据本发明的实施方案，将多个观察时间-温度曲线对至少一部分成像 时间进行积分，对单独的像素，也就是对每一像素的单数据点，提供一种 将时间有关的温度数据简化为观察的积分温度的方法。归一化的积分温度， I(x，y)是从等式1中通过对热成像分析时间简单积分获得的，或：
I(x，y)＝∫TN(x，y，t)dt                      (等式2)
其中积分的上限和下限分别是零和数据集内所使用的最大时间，或其 它的时间周期。结合界面的完整性可以通过将单独像素的观察的归一化积 分温度与相应的参考积分温度比较确定。
根据本发明的实施方案，对于多个单独的像素，计算参考积分温度和 观察积分温度之间的差值，形成积分像素图，其中结合界面的完整性通过 该积分像素图表示。例如，通过象素接象素地从得自于具有已知的良好结 合的溅射靶组件的图中的参考Ip(x，y)值中减去对于溅射靶组件的测量的 Iu(x，y)值，可以获得结合完整性的图Ip-Iu。Iu定义为成像组件的积分归一 化温度图。Ip定义为无剥离区域的参考组件积分归一化温度图。优选地，Ip 和Iu用于几何形状相似的的溅射靶组件，用类似设备连续测量。当Ip-Iu值 超过测量的噪音水平时，则可以确定该组件的区域(x，y)中有缺陷的结合。 如果所有位置(x，y)的Ip-Iu值均落在该测量的噪音极限内，则可以认为溅射 靶组件没有剥离区域。
组件部件的成像表面优选具有一致的发射率，其至少为0.1，并且更优 选为约0.5到约1，并且最优选为尽可能接近1。在本发明的一个实施方案 中，在至少一部分成像表面上提供涂层以增强成像表面的发射率。涂层优 选包括漆(例如黑色)或胶体石墨。涂层优选提供一致发射率至少为约0.93 的表面。在成像表面上的薄的漆层优选对所涂覆表面的温度具有最小的影 响。可以使用热导石墨涂层(例如胶体石墨(Aquadag))涂覆成像表面，以增强 表面发射率并且在表面上维持良好的热导率。
根据本发明的一个实施方案，如上所述，评估溅射靶组件的结合界面 的热成像系统通常包括加热(或冷却)组件部件的装置，和用于记录并储存被 评估的组件部件的表面的小剖面或分辨单元的时间-温度数据的成像装置。 更具体而言，热成像系统优选包括用于加热(或冷却)背衬板的热源(或冷源)； 用于通过红外热成像法使溅射靶的至少一部分表面成像以获得对于预定成 像时间的像素矩阵中单独像素的系列热图像，以产生单独像素的观察时间- 温度曲线的成像装置；和将观察的时间-温度曲线与参考时间-温度曲线进行 对比以确定结合界面的完整性的计算装置。
根据一个实施方案，热成像分析包括通过红外热成像法，使未加热(或 未冷却)组件部件(例如溅射靶)的至少一部分表面成像，以获得在加热(或冷 却)或成像时间的预定点的像素矩阵中单独像素的至少一个热图像。可以将 热图像与相应的预定成像时间的参考图像比较，以确定结合界面的完整性。 可以使用任何设备获得热图像，包括能够采集单独的静止图像的IR摄像机， 以及任何本领域已知的IR摄影机。
使用热成像摄像机的成像的表面的发射率是重要的。各种增加具有低 发射率的金属的发射率方法是可用的，并且可以使用。一个方法是使用扁 平黑漆以改善金属的发射率而不降低测量的灵敏度。已用于增加表面发射 率的其它方法包括用粉末如盐、糖和玉米淀粉涂覆成像表面以优选形成粉 末状层。用于改善发射率的优选方法是使用与靶表面紧密接触的薄的黑绝 缘带或聚合物的薄层。
通过下列实施例进一步阐明本发明，这些实施例旨在示范性说明本发 明。
实施例
对于包括扩散结合到Cu-Cr背衬板的Ta溅射靶的溅射靶组件，使用本 发明的加热方法获得的结果如图6和7中积分象素图所示。在图6所示的 实施例中，溅射靶与背衬板结合良好。在该图中可观测的变化是由于组件 几何形状和在加热过程中在组件中产生的热梯度引起的。在图7所示的实 施例中，该图显示溅射靶组件具有大量的剥离区域。本发明的热成像分析 容易检测到边缘的剥离以及在溅射靶组件中心的不太严重的剥离。边缘和 中心的剥离均通过超声检测(UT)证实。图6和7中的图是通过如上所述对 每一帧中的每一像素的时间-温度曲线积分获得的。
图8表示通过从结合良好的组件的径向积分归一化温度中减去具有大 量剥离区域的径向积分归一化温度获得的信号(Ip-Iu)。在两个组件结合都良 好的区域中，Ip-Iu的值落在噪音水平内，近似等于零。在组件剥离的区域中， Ip-Iu值大于零。噪音水平可以从组件结合良好的信号变化进行估算。例如， 可以发现0.005的噪音水平。该数值与摄像机灵敏度引入的误差一致，该误 差优选为约+/-0.1℃，和热源温度和环境温度之间的差为约35℃。图8所示 的信号随半径的变化，在信号开始增加到零以上的区域中，具有明显的斜 率变化。该区域在图8中位于80和95mm之间半径中。如下所述，这种径 向信号曲线中的偏移提供在溅射靶组件的x-y平面内剥离的精确定位的措 施。对于图8所示的溅射靶组件，所估算的径向剥离长度从溅射靶边缘外 向内延伸65mm。
对于具有从靶的外缘延伸100mm剥离的Ta/Cu-Cr溅射靶组件，提供 Ip、Iu和Ip-Iu的值作为图9中径向位置的函数。这个数据是从Ta/Cu-Cr溅射 靶组件中的瞬变热流动的有限元分析获得的。Ip和Iu在远离剥离的区域中几 乎相等。因此，在这些区域中，Ip-Iu为零。在剥离区域中Ip-Iu曲线的形状与 试验获得且如图8所示的曲线的形状非常相似。模型同样预示：在曲线中 的偏移将在接近剥离边缘的区域内发生。在这种情况下，剥离长度为100 mm。这样从模拟中发现曲线中的偏移是由于随着热传递从垂直流动到横向 流动转变时在接近剥离边缘的靶材料的区域内发生时间-温度曲线位移引起 的。需要横向热流加热剥离区域中的靶材料，而垂直热流出现在靶组件良 好结合处。因此，从作为靶半径函数的Ip-Iu值中偏移的形状和位置，可以 精确确定剥离边缘位置。
该测量的灵敏度随着缺陷长度D和加热或冷却流体和溅射靶组件之间 的传热系数H而变化。在图10中提供具有钽靶厚度为6.3mm和背衬板厚 度为7.5mm的Ta/Cu-Cr溅射靶组件的有限元分析的结果。随着D增加，信 号Ip-Iu增加。在噪音水平为0.0025和0.005的情况下，刚刚能检测到具有 长度为5mm的边缘剥离。一旦H大于约1000W/m2，该测量对H的变化不 是很灵敏。发现H的最佳值是2500W/m2左右。降低H到约1000W/m2以 下降低测量的灵敏度，同时大大地增加H到2500W/m2以上仅仅增加对于 大的D的少量信号，而实际上降低对于小的D的信号。因此，本发明的优 选方法是提供靶组件和加热或冷却流体之间的传热系数在约1000和约2500 W/m2之间。这相当于感应或对流加热的加热速率为2℃/秒。
本发明前述的方案具有许多优点，包括溅射靶组件分析的时间可以小 于五分钟，与溅射靶组件的尺寸无关。
对本领域普通技术人员而言，考虑本说明书和本文中公开的本发明的 实践，本发明的其它实施方案是显而易见的。本说明书和实施例被认为仅 仅是旨在示范性举例，本发明的真实范围和精神通过权利要求和其等价方 案表示。
本申请按照35U.S.C.§119要求2003年7月16日提交的在前美国临时 专利申请No.60/488,243的权利优先权，其全部内容在此引用作为参考。