CN101255546A - 通过微波烧结制备高密度陶瓷和金属陶瓷溅射靶 - Google Patents

Abstract

一种从粉末材料制造溅射靶的方法，包括步骤：提供至少一种原料粉末材料；使所述至少一种原料粉末材料形成密度大于理论最大密度之大约40％的生坯；用微波处理所述生坯以形成密度大于理论最大密度之大约97％的烧结体；以及，从该烧结体形成溅射靶。该方法特别地适用于包括电介质和金属陶瓷材料的靶的制造中。

Description

通过微波烧结制备高密度陶瓷和金属陶瓷溅射靶

临时申请的交叉文献

[0001]本申请要求来自2007年3月1日提交的美国临时专利申请序列号60/904,185的优先权，其全部内容在此引入作为参考。

技术领域

[0002]本公开一般涉及溅射靶和其制造方法。特别地，本公开涉及从粉末材料制造的高密度靶和制造它们的微波烧结方法。

背景技术

[0003]溅射靶被用于许多目的，包括生产金属、金属合金、半导体、陶瓷、电介质、铁电体、和金属陶瓷(金属-陶瓷)的薄膜。在溅射过程中，材料源(即溅射靶)被来自等离子体的离子轰击，该离子驱逐或逐出溅射靶表面的原子或分子。被逐出的(即溅射的)原子或分子沉积在基底上，以形成薄膜涂层。

[0004]在目前应用在高技术应用中的溅射靶的制造中——如在半导体集成电路(integrated circuit，IC)设备、电子元件、光-电传感器设备、磁记录介质等的制造中，期望生产这样的溅射靶，其提供均匀薄膜，在溅射过程中极小颗粒的生成，和期望的性质。

[0005]据认为，溅射靶材料的密度和孔隙率促进粒子在沉积基底表面的有害的形成，因为，当材料从靶溅射时，靶中邻近或围绕孔的靶材料被较不紧密结合的，并且更容易从靶上以块或大颗粒被逐出，该块或大颗粒最后沉积在基底表面上。因此据认为是重要的是：为了减少或消除溅射过程中有害的粒子形成，溅射靶包括非常高密度的材料，其没有孔或具有最低限度的孔。

[0006]从粉末材料获得合适地密实的、用于前述高技术应用的溅射靶的现有方法，典型地包括：或热压或冷等静压(cold isostatic pressing(CIP))，然后在高温下烧结压实物。使用任何这些技术，所压制的靶材料密度典型地仅是理论最大密度的大约90％。进一步，这些技术要求的高烧结温度常常导致不利的大颗粒材料形成，其又导致非均匀薄膜的形成。

[0007]另一种经常使用的、从粉末材料获得高密度溅射靶的技术是热等静压(hot isostatic pressing(HIP))，其中粉末堆积密度典型地被提高，从理论最大密度的30-50％的范围提高到大约94-95％。但是，不利的是，由于粉末床体积的显著缩小，后者的起始尺寸也许不被HIP均匀地减小，导致细腰形坯(hour glass-shaped billet)的形成。由非均匀收缩导致的氧化物和陶瓷坯的开裂不是罕见的。陶瓷坯的加工也是困难的。进一步，不均匀堆积的起始粉末床容易在HIP过程中变形，尤其当半径与厚度比例超过大约3.0时。

[0008]由于前面所述，存在对用于制造改进的非常高密度和极少或无孔的溅射靶的改进型方法的明确需要，该方法能够用多种类型粉末材料、以经济有效的方式被执行。

发明内容

[0009]本公开的一个优势是改进的制造溅射靶的方法。

[0010]本公开的另一优势是从粉末材料制造高密度溅射靶的改进型方法。

[0011]本公开的仍另一优势是采用粉末材料的微波烧结制造高密度溅射靶的改进型方法。

[0012]本公开的进一步优势包含包括微波烧结电介质或金属陶瓷材料的改进型高密度溅射靶。

[0013]本发明的又一优势是改进的由微波烧结制造的高密度MgO溅射靶。

[0014]本公开的另外优势和其它特征将在后面的描述中阐明；并且，部分地，对那些拥有本领域普通知识的技术人员而言，在检查后面内容之后，将是显然的，或可以从本公开的实践中学到。本公开的优势可以被认识到和获得，正如特别在附加权利要求中指出的。

[0015]根据本公开的一方面，前面所述和其它优势通过改进的从粉末材料制造溅射靶的方法被部分获得，该方法包括步骤：

(a)提供至少一种原料粉末材料；

(b)使至少一种原料粉末材料形成生坯(坯体、粗坯(green body))，其具有的密度大于理论最大密度的大约40％；

(c)用微波处理生坯，以形成密度大于大约97％的理论最大密度的烧结体；和

(d)从烧结体形成溅射靶。

[0016]根据本公开的实施方式，步骤(a)包括提供包含至少一种电介质材料的原料粉末，该至少一种电介质材料是氧化物、氮化物、碳化物、钛酸盐、硅酸盐、或铝酸盐，例如选自MgO、HfO₂、TiO₂、ZrO₂、Al₂O₃、Ta₂O₅、Nb₂O₅、BN、TaC、BaSrTiO₃、PbZrTiO₃、HfSiO₄、ZrSiO₄、和LaAlO₃。优选的电介质材料是MgO。

[0017]根据本公开的其它实施方式，步骤(a)包括提供包含至少一种金属陶瓷(金属-陶瓷)材料的原料粉末。优选地，该至少一种金属陶瓷材料包括磁性金属或合金和陶瓷材料，例如，其中磁性金属或合金选自CoCrPt、CoPt、和FePt；陶瓷材料选自TiO₂、SiO₂、MgO、Ta₂O₅、Nb₂O₅、Al₂O₃、BN、和TaC。

[0018]根据本公开的仍进一步实施方式包括这些实施方式，其中步骤(a)包括提供包含至少一种具有介电常数＞～2的材料的原料粉末，该材料选自氧化物、钙钛矿、碳化物、氮化物、硅酸盐、铝酸盐、和钛酸盐。

[0019]根据本公开的实施方式，步骤(b)包括步骤：(b₁)混合并搅拌至少一种原料粉末材料以形成混合均匀的粉末；和(b₂)压制该粉末以形成生坯(the green body)。步骤(b₁)任选地包括混合并搅拌至少一种粘合剂材料和至少一种原料粉末材料；并且步骤(b₂)包括机械压制或冷等静压(cold isostatic pressing(CIP))。

[0020]根据本公开的实施方式，步骤(c)包括：通过选自直接耦合微波加热、感受器-耦合微波加热、和微波辅助加热的方法，用微波处理粗坯。

[0021]根据本公开的一些实施方式，步骤(c)包括生坯的直接耦合微波加热，生坯在从室温到升高的烧结温度范围内的温度下与微波耦合；然而根据本公开的其它实施方式，步骤(c)包括生坯的感受器-耦合微波加热，其中至少一种邻近该粗坯的微波感受器通过吸收微波被加热并向该粗坯转移热量，以此加热该生坯到升高的烧结温度，此时粗坯与微波耦合。此外，步骤(c)可以进一步包括该生坯的直接耦合微波加热。

[0022]根据本公开的仍然的其它实施方式，步骤(c)包括生坯的微波-辅助加热，其中至少一种邻近生坯的加热装置加热该生坯到升高的烧结温度，在这种温度下后者与微波耦合。此外，步骤(c)可以进一步包括该粗坯的直接耦合微波加热。

[0023]本公开的另一方面是根据上面微波烧结方法制造的改进的溅射靶。

[0024]本公开的仍另一优势是根据上面微波烧结方法制造的改进的MgO溅射靶，该靶具有为理论最大密度的大约98.8％的密度、可达大约6英寸(in.)的厚度，和可达大约14英寸(in.)的直径。

[0025]从下面的详述中，本公开的另外的优势和方面将对那些本领域一般技术人员显然的，其中本公开的实施方式简单地通过实践本发明考虑的最佳模式的示例性说明方式被说明和描述。如所述，本公开适用于其它和不同的实施方式，并且它的几个特征在不同的明显的方面易被改进，所有都不偏离本公开的精神。因此，附图和描述将在本质上被认为是说明性的而非限定性的。

附图简述

[0026]当与下面附图一起阅读时，下面的关于本公开实施方式的详述能够被最好地理解，其中：

[0027]图1是表示作为温度函数的MgO电介质材料的介质耗损因素(tanδ)的变化的图，并且

[0028]图2是表示作为温度函数的CoCrSiO₂金属陶瓷材料的介质耗损因素(tanδ)的变化的图。

具体实施方式

[0029]本公开是基于这样的发现：非常高密度溅射靶的高效率、经济有效的制造能够这样被实现，其通过用微波能量处理靶材料的粉末压块(powder compact)(生坯)，以便加热和烧结粗体，从而用于形成非常高密度、机械上稳定的的材料，其适合加工成高质量、高密度溅射靶。

[0030]简单地阐述，微波加热是一种通过微波能量的吸收用于实现材料内部加热或自-加热的方法，其中电磁波(微波)能量被高效地在局部转化成热能。微波能量局部的转化实现工件整个体积快速和均匀的加热，并且不依赖热能通过工件的传导。根据本公开，当采用微波能量的吸收用于靶材料，如陶瓷、电介质、和金属陶瓷的烧结时，则形成细粒径且均匀的和致密的微观结构，因此提高由其制造的溅射靶的溅射性能(包括膜均匀性和性能)。由使用微波加热靶材料粗体形成的溅射膜的其它优势包括改进的机械性能，如由更细小的圆边孔的(finer，round-edged pores)存在所导致的延展性和韧性、接近最终形状(near net shape)。由本公开提供的改进的机械性能，反过来，又导致时间和能量的节约，其产生于大量减少的加工时间和温度、以及由近最终形状固结导致的缩短的机器加工时间。

[0031]根据本公开，从粉末材料制造溅射靶的改进的方法包括下述步骤：

(a)提供至少一种原料粉末材料；

(b)使所述至少一种原粉料末材料形成生坯，其具有的密度大于理论最大密度的大约40％；

(c)用微波处理生坯，以形成烧结体，其具有的密度大于理论最大密度的大约97％；和

(d)从烧结体形成溅射靶。

[0032]至于步骤(a)，根据本方法，广泛类型的材料适合作为原料粉末材料提供，并且包括，无限制的：电介质和金属陶瓷材料。

[0033]适合的电介质材料包括，无限制的——氧化物(oxides)、氮化物(nitrides)、碳化物(carbides)、钛酸盐(titanates)、硅酸盐(silicates)、和铝酸盐(aluminates)，如：MgO、HfO₂、TiO₂、ZrO₂、Al₂O₃、Ta₂O₅、Nb₂O₅、BN、TaC、BaSrTiO₃、PbZrTiO₃、HfSiO₄、ZrSiO₄、和LaAlO₃。优选的电介质材料是MgO。

[0034]适合的金属陶瓷(金属-陶瓷)材料包含：非限制性的，由磁性金属或合金和陶瓷材料组成的金属陶瓷，例如，磁性金属或合金，如CoCrPt、CoPt、和FePt；陶瓷材料，如TiO₂、SiO₂、MgO、Ta₂O₅、Nb₂O₅、Al₂O₃、BN、和TaC。

[0035]根据本公开进一步合适的材料包括，非限制性的，其它氧化物、钙钛矿、其它碳化物、其它氮化物、其它硅酸盐、其它铝酸盐、和其它钛酸盐，条件是它们具有的介电常数＞～2。

[0036]根据上面的方法，在用微波处理前，备选材料的电介质性质必须被评价。在这一点上，材料吸收微波能量的能力直接涉及材料通过微波辐射加热的程度。如果材料不吸收微波，即对于微波是透射的，或如果它反射微波，它将不能通过辐射充分加热。电绝缘材料，如电介质，倾向于为微波透射的，然而电导体倾向于反射微波。具有介于那些绝缘体和传导体中间性质的材料倾向于通过微波辐射加热充分。在室温下绝缘的材料通常在更高温度下成为更具导电性的，因此促进微波能量的吸收。例如，氧化铝(Al₂O₃)，在室温下绝缘并因此是微波透射的，当在高于大约1,000℃的温度下成为足够导电以吸收微波能量的。

[0037]根据本公开的实施方式，步骤(b)包括这些步骤：(b₁)掺合并混合至少一种原料粉末材料，以形成均匀地混合的粉末；和(b₂)压制该粉末以形成生坯。步骤(b₁)任选地包括掺合并混合至少一种粘合剂材料和至少一种原料粉末材料；并且步骤(b₂)包括机械加压或冷等静压(cold isostatic pressing(CIP))。

[0038]更详细地，原料粉末材料(一种或多种)被称重并均匀混合到不同成分中。混合粉末，然后诸如通过机械加压或CIP被形成具有密度＞～40％理论最大密度的未硬化板(green disk)，该未硬化板然后被微波能量处理，以便烧结成高密度体(即＞～97％)。

[0039]压制的未硬化板的电介质性质表明：材料与用于实现该板加热的微波能量耦合的程度。未硬化板电介质性质的测定决定用于烧结的微波加热是否能够仅用微波进行；或未硬化板是否必须在用微波处理前，通过传统加热方法被加热到一定温度。

[0040]材料的渗透深度是可以表示出材料微波加热的均匀性的，也能够从材料的电介质性质确定。

[0041]为了本公开的目的，候选材料的电介质性质可以以传统形式被测定，如，通过谐振腔微扰法，以确定作为温度函数的电介质耗损因素(dielectric loss tangent(tanδ))。根据经验公式，tanδ≥0.1表明微波能量的合理吸收。例如，如图1所示，tanδ对温度测定表明MgO电介质材料在大约1,600℃的温度下显示tanδ≥0.1，并且因此当被加热到此温度时能够进行合理的微波吸收，然而，如图2所示，tanδ对温度测定表明CoCrSiO₂金属陶瓷材料在微波领域显示强烈的自加热。

[0042]因此，根据未硬化板(green disk)材料的电介质性质，步骤(c)包括用微波通过直接耦合微波加热、感受器-耦合微波加热、或微波-辅助加热处理生坯(green body)。更具体地，当未硬化板材料的电介质性质导致微波容易被吸收时，步骤(c)包括生坯的直接耦合微波加热，生坯与微波在从室温到升高的烧结温度范围内的温度下耦合；然而，当tanδ对温度测定表明该材料在室温下吸收微波差、但吸收率随温度增加时，步骤(c)包括生坯的感受器-耦合微波加热，其中至少一个邻近生坯的微波感受器通过微波吸收被加热、并传递热量到生坯，以因此加热生坯到升高的烧结温度，在此温度下，生坯与微波耦合。此外，步骤(c)可以进一步包括生坯的直接耦合微波加热。

[0043]根据可选的方法，当tanδ对温度测定表明该材料在室温下吸收微波差、但吸收率随温度增加时，步骤(c)包括生坯的微波-辅助加热，其中至少一个邻近生坯的加热元件加热该生坯到升高的烧结温度，在此温度下，后者与微波耦合。此外，步骤(c)可以进一步包括生坯的直接耦合微波加热。根据这种实施方式，通向每个加热元件和微波源的电力，能够按期望，被分别调节/控制。此外，在转移到微波腔体、以继续加热实现烧结之前，未硬化板可以在单独的容器中接受加热。

[0044]在任何情况中，根据本公开，在步骤(c)中形成的、并具有密度＞理论最大密度的～97％的所产生的烧结板，然后在步骤(d)中受到处理，如机器加工等，以形成合适成型的溅射靶。可选地，为简化机器加工方法，能够制造近净形的烧结体(near net-shped sinteredbodies)，因为为获得终靶仅仅简单的表面研磨和抛光是必须的。

[0045]参考下面说明性而非限制性的实施例，说明本公开的应用。

实施例1

[0046]MgO粉末(-325目，纯度99.99％)被用于压制5gm.未硬化圆板，是在12吨Carver压片机中，使用1”直径单轴的双作用冲模进行。油酸[CH₃(CH₂)₇CH:CH(CH₂)₇COOH]被包含在一些样品的粉末混合物中，以辅助粉末材料的粘合。

[0047]1”直径MgO圆板在高达大约12,750psi(磅/平方英尺)的压力下被加压，具有或没有油酸粘合剂材料。压制后的圆板的密度是～1.5gm/cm³。将一对样品圆板，即一个有粘合剂和一个没有粘合剂，并排放置在具有微波腔体的加热炉内；并在空气中，于环境温度下，接受微波-辅助烧结。微波频率是2.45GHz(千兆赫)和样品圆板受到以5℃/分的加热速率加热到1,600℃，并且停留时间为60分钟。当样品圆板达到1,600℃的温度时，以大约1.6-1.8kW的功率施加微波，并且微波的应用继续所述1小时停留时间的剩余时间。

[0048]不含粘合剂的未硬化圆板的密度是理论值的40.8％；并且，不含粘合剂的烧结圆板的密度是理论值的98.8％。

[0049]含粘合剂的未硬化圆板的密度是理论值的41.1％；并且，含粘合剂的烧结圆板的平均密度是理论值的98.9％。

实施例2

[0050]将1”直径的12个MgO未硬化圆板，在10,200psi下压制，其不含有粘合剂；其中每个圆板，在微波-辅助烧结前、后，被刻痕上识别数字。在烧结期间，这些圆板被安排在MgO粉末床上，覆盖一个5”直径的面积。微波-辅助烧结方法包括：以5℃/分的加热速率，将圆板传统方式加热到1,550℃；然后，为了避免越过期望温度，以2℃/分的速率加热到1,600℃。

[0051]不含粘合剂的未硬化圆板的密度是理论值的41.1％；并且不含粘合剂的烧结圆板的平均密度是理论值的98.6％，具有大约0.58％的标准偏差。

[0052]与任何一个上面的实施例相比，持续同样停留时间(1小时)的传统加热产生仅具有理论最大密度之大约93％的烧结MgO圆板。此外，根据本公开，由微波-辅助烧结形成的烧结MgO圆板显示提高的微观结构，如细小粒径。

[0053]总的来说，相比于通过粉末技术制造溅射靶的传统技术，本公开的微波和微波辅助烧结方法学提供大量显著的优点，其包括提高的密度、减小的孔隙率、改进的微观结构、包含有小粒径，以及经济有效的工艺。

[0054]在前面的描述中，为了提供对本发明的更好的理解，无数详细的细节——如具体的材料、结构、方法等——被予以阐述。但是，本发明能够不依赖本文详细提出的细节而被实践。在其它例子中，为了不会不必要地模糊本发明，已知的处理技术和结构没有被描述。

[0055]不仅本发明优选的实施方式，而且它的多功能性的一些实施例在本公开中被显示和描述。应当理解的是，本发明能够用于各种其它组合和环境；并且易于在如本文所表达的发明概念的范围内被改变和/或改进。

Claims (22)

1.一种从粉末材料制造溅射靶的方法，其包括步骤：

(a)提供至少一种原料粉末材料；

(b)使所述至少一种原料粉末材料形成具有大于理论最大密度的大约40％的密度的生坯；

(c)用微波处理所述生坯，以形成密度大于理论最大密度大约97％的烧结体；和

(d)从所述烧结体形成溅射靶。

2.根据权利要求1的方法，其中：

步骤(a)包括提供包含至少一种电介质材料的原料粉末。

3.根据权利要求2的方法，其中，所述至少一种电介质材料是氧化物、氮化物、碳化物、钛酸盐、硅酸盐或铝酸盐。

4.根据权利要求3的方法，其中，所述至少一种电介质材料选自：MgO、HfO₂、TiO₂、ZrO₂、Al₂O₃、Ta₂O₅、Nb₂O₅、BN、TaC、BaSrTiO₃、PbZrTiO₃、HfSiO₄、ZrSiO₄、和LaAlO₃。

5.根据权利要求4的方法，其中，所述至少一种电介质材料是MgO。

6.根据权利要求1的方法，其中：

步骤(a)包括提供包含至少一种金属陶瓷(金属-陶瓷)材料的原料粉末。

7.根据权利要求6的方法，其中：

所述至少一种金属陶瓷材料包括磁性金属或合金和陶瓷材料。

8.根据权利要求7的方法，其中，所述磁性金属或合金选自：CoCrPt、CoPt、和FePt；以及所述陶瓷材料选自：TiO₂、SiO₂、MgO、Ta₂O₅、Nb₂O₅、Al₂O₃、BN、和TaC。

9.根据权利要求1的方法，其中：

步骤(a)包括提供包含至少一种具有介电常数＞～2的材料的原料粉末，该材料选自氧化物、钙钛矿、碳化物、氮化物、硅酸盐、铝酸盐、和钛酸盐。

10.根据权利要求1的方法，其中，步骤(b)包括步骤：

(b₁)掺合并混合所述至少一种原料粉末材料，以形成混合均匀的粉末；和

(b₂)压制所述粉末，以形成所述生坯。

11.根据权利要求10的方法，其中，步骤(b₁)进一步包括掺合并混合至少一种粘合剂材料和所述至少一种原料粉末材料。

12.根据权利要求10的方法，其中：

步骤(b₂)包括机械加压或冷等静压(CIP)。

13.根据权利要求1的方法，其中：

步骤(c)包括用微波处理所述生坯，使用的方法选自直接耦合微波加热、感受器-耦合微波加热、以及微波辅助加热。

14.根据权利要求13的方法，其中：

步骤(c)包括对所述生坯的直接耦合微波加热，所述生坯与微波在从室温到升高的烧结温度的温度范围内耦合；

15.根据权利要求13的方法，其中：

步骤(c)包括对所述生坯的感受器-耦合微波加热，其中至少一个邻近所述生坯的微波感受器通过微波吸收被加热、并传递热量到所述生坯、从而加热所述生坯到升高的烧结温度，在此温度下，所述生坯与微波耦合。

16.根据权利要求15的方法，其中：

步骤(c)进一步包括对所述生坯的直接耦合微波加热。

17.根据权利要求13的方法，其中：

步骤(c)包括对所述生坯的微波-辅助加热，其中至少一个邻近所述生坯的加热元件加热所述生坯到升高的烧结温度，在此温度下，所述生坯与微波耦合。

18.根据权利要求17的方法，其中：

步骤(c)进一步包括所述生坯的直接耦合微波加热。

19.一种根据权利要求1的方法制造的溅射靶。

20.一种根据权利要求1的方法制造的MgO溅射靶。

21.根据权利要求20的MgO溅射靶，其具有的密度为理论最大密度的大约98.8％。

22.根据权利要求21的MgO溅射靶，其具有可达大约6英寸(in.)的厚度和可达大约14英寸(in.)的直径。

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