CN101994088A

CN101994088A - 中空柱状靶材及其组件

Info

Publication number: CN101994088A
Application number: CN2009101668137A
Authority: CN
Inventors: 吴忠翰; 许伟勳; 吴益昇
Original assignee: GUANGYANG APPLIED MATERIAL SCIENCE & TECHNOLOGY Co Ltd
Current assignee: GUANGYANG APPLIED MATERIAL SCIENCE & TECHNOLOGY Co Ltd; Solar Applied Material Technology Corp
Priority date: 2009-08-31
Filing date: 2009-08-31
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2029-08-31
Also published as: CN101994088B

Abstract

本发明提供一种中空柱状靶材及其组件，该中空柱状靶材组件包括一背衬管与一靶材材料，其中该靶材材料为外管，该背衬管为内管，该内管是用以接合于该外管内，在外管与内管分离的状态下，内管的外径大于外管的内径，且该内管的外径和外管的内径的差值需等于靶材材料的降伏应变乘以外管的内径再乘以一系数N，N值介于1至10之间，借着材料以及参数的调整才能使得作为外管和内管得以紧密接合。

Description

中空柱状靶材及其组件

技术领域

本发明涉及一种中空柱状靶材，特别是涉及一种能够使得靶材材料和背衬管紧密结合且制造简单的中空柱状靶材。

背景技术

在典型使用平面靶材的磁控溅射制造工艺中，溅射行为会集中在切线磁场最强的靶材表面区域，形成跑道式的侵蚀痕迹，因而降低靶材的使用率。一般而言，平面靶材的使用率仅为35％到50％。

通过使用旋转靶材可得到均匀的蚀刻表面，除了将使用率提升至70％到80％之外，对薄膜品质的改善也有帮助。提高靶材使用寿命和利用率可以降低制造成本、提高工艺产量、降低靶材购买费用，并能够延长有效生产时间。

但是旋转靶材的靶材材料与背衬管的接合技术比一般平面靶材与背板的接合技术复杂许多。一般的做法是利用低熔点金属作为焊料填入旋转靶材与背衬管之间的间隙，以达到接合的目的。使用低融点金属作为焊料具有热应力较小的优点，然而，由于中空柱状的靶材不易在焊合时施加压力，接合力较差，容易在一定温度的沉积制造工艺进行中发生靶材材料与背衬管脱落的危险。其他常见的方式还包括：

a.喷镀技术：将靶材的材料以电浆或高压喷镀的方式镀在背衬管的外管壁，以形成靶材。然而，喷镀法容易在靶材中产生气孔，导致靶材密度的降低。

b.铸造技术：将一管状模具套在背衬管之外，将熔融的靶材材料注入管状模具与背衬管之间，以形成靶材。而铸造法的限制则是仅能用于低熔点材料的靶材制造。

c.电镀：将背衬管置于电镀液中，利用电镀的方式将靶材材料镀在背衬管的外管壁，以形成靶材。虽有良好的附着性，但电镀法的沉积速度慢，且沉积的厚度有限制。

在美国第5,435,965号专利案中公开利用注浆技术在管状模具以及背衬管之间注入靶材材料后，再通过热均压制造工艺提升靶材的密度；然而，热均压制造工艺设备昂贵，更增加靶材制造的成本。

在日本特开平11-71667号专利案中则公开利用热胀冷缩的原理将背衬管直接插入铜制靶材材料中，以机械的力量完成接合；然而，其咬合量设定在0.01mm～0.5mm，并未考虑靶材尺寸与咬合量之间的关联。但由George M.Wityak的研究论文(Performance Comparison ofSilver Sleeved Rotary Targets with Planar Targets，George M.Wityak，Society of Vacuum Coaters，49th Annual Technical ConferenceProceedings(2005))中可以看出，靶材尺寸以及咬合量若无经过适当设计，靶材与背衬管虽不至于松脱，但由溅镀制造工艺中的靶材温度变化以及电弧发生的次数可以观察出其导热性以及导电性不佳。

另外，在美国公开第2004/0074770号专利案中，公开一种将靶材材料加热而使之膨胀，再将其罩套于背衬管外，之后再降温而完成接合。然而其并未考虑到靶材材料与背衬管之间各种参数的关系，故此方法仍然无法让背衬管和靶材材料之间有紧密的结合。

发明内容

鉴于现有靶材材料与背衬管的接合技术无法使靶材材料与背衬管紧密结合，而其他具有背衬管的靶材的制作方法皆有其缺点存在，因此本申请的发明人经过不断的尝试与努力，终于发明出此中空柱状靶材。

本发明的目的是提供一种能够使得靶材材料和背衬管紧密结合且制造工艺简单的中空柱状靶材。

为达到上述目的，本发明提供一种中空柱状靶材组件，其包括一背衬管与一靶材材料，其中该靶材材料为外管，该背衬管为内管，该内管是用以接合于该外管内，在外管与内管分离的状态下，内管的外径大于外管的内径，且该内管的外径和外管的内径的差值需等于靶材材料的降伏应变乘以外管的内径再乘以一系数N，N值介于1至10之间。

其中该靶材材料及背衬管材料皆是选自于由金属、金属合金、陶瓷材料、氮化物、氧化物及其组合所组成的群组。

其中，该外管的内管壁具有凹槽。

其中，该内管的外管壁具有凹槽。

其中，该外管的内管壁和该内管的外管壁皆具有凹槽。

其中，该中空柱状靶材组件尚包括一介质，该介质为导电材料，其设置于该外管和内管之间；或者设置于该外管和内管间的凹槽内。

本发明还提供一种中空柱状靶材，其包括上述中空柱状靶材组件，且该内管接合于该外管内。

本发明通过靶材材料和背衬管的材料的不同性质，而调整内管的外径和外管的内径，使其差值等于靶材材料的降伏应变乘以外管的内径再乘以一系数N，并控制N值在1至10之间，才能使得作为外管和内管得以紧密接合。

附图说明

图1为本发明的外管与内管组合前的端视示意图。

图2为本发明的内管的端视剖面图。

图3为本发明的外管的端视剖面图。

图4为本发明的内管一实施形态的立体图。

图5为本发明的内管另一实施形态的立体图。

主要元件符号说明：

(10)外管 (11)内管壁

(12)凹槽 (20)内管

(22)(22′)凹槽 (23)端部

具体实施方式

为了降低中空柱状靶材制造成本以及改善靶材材料与背衬管间的接合强度，本发明提出一种中空柱状靶材以及其制作方式。在本发明中，靶材材料为外管而背衬管为内管，而该内管的外径和外管的内径的差值需等于靶材材料的降伏应变乘以外管的内径再乘以一系数N，N值介于1至10之间；在接合前，令外管的内径略小于内管的外径；接合时在内外管施予适当的温度差，令外管温度高于内管，利用热胀冷缩的原理使外管的内径大于内管的外径，在此温度差下将内管插入外管中进行接合，当内外管恢复原始温度后即完成接合。

请参考图1，R、r分别为外管1 0的初始内径以及内管20的初始外径，且r＞R；在内、外管10、20施予温度差时，根据热胀冷缩的公式，R’约等于R×(1+K_aT_a)，r’约等于r×(1+K_bT_b)，其中R’、r’为热胀或冷缩之后的外管10内径以及内管20外径，K_a与K_b分别为外管10及内管20的热膨胀系数，T_a与T_b则分别为外管10提升的温度差以及内管20提升的温度差。在外管10温度足够高于内管20，使R’＞r’时，即可进行接合制造工艺。

初始外管内径R与内管外径r的差异(r-R)称为咬合量，即该内管的外径减去外管的内径的差值，该内管的外径和外管的内径的差值范围(咬合量)的大小会影响接合的强度以及内外管承受的机械应力。

咬合量的设计与材料的机械性质以及靶材的尺寸有密切的关系，较佳的情况下会将应变量设定在令材料发生降伏应变之后，若靶材材料的应变量小于该材料的降伏应变会因接合的紧密性不足造成的导热以及导电性不佳的问题，而在制造工艺中引发靶材温度上升以及多次异常放电；但应变量若大于材料的破坏应变，则会因为过高的机械应力造成靶材的变形或破坏而无法使用。因此经过实验研究，将应变量设定在靶材材料发生降伏应变以上，并且在降伏应变的10倍以下会有较佳的接合效果；则咬合量即等于靶材材料的降伏应变乘以外管的内径再乘以一系数N，此N值介于1至10之间。

此外，本发明中外管与内管之间由于应力造成的塑性变形可使内、外管紧密接合，因此并不必要存在焊料作为媒介，但仍能够在接合进行前在内外管间增加介质辅助内外管间电、热的传导或者增加附着的能力。

请参看图2及图3所示，为了达到制造工艺的方便以及节省焊料的目的，更可以在外管10的内管壁11或内管20的外管壁2 1或上述的二者设置凹槽12、22，再将焊料填于凹槽12、22中，此填充焊料的步骤除了可在接合前进行外，也可在接合后进行。

请参看图4所示，其中以内管20为例，所形成的凹槽可为多个分别形成于该内管20的两端部23的凹槽22。

也可为单一环绕于该内管20的外管壁21的两端或单一环绕于该外管10的内管壁11的两端的凹槽，在加工上更为简便。

再请参看图5所示，所形成的凹槽可为多个自该内管20的一端部23贯穿至另一端部23的凹槽22′，以填充更多的焊料，使得内管与外管之间接合得更为紧密。其凹槽贯穿的方式不限于直线，也可能以螺旋的方式自该内管的一端部贯穿至另一端部。

实施例

实施例一：

提供长度为1000.0mm，内径为132.5mm的管状银靶材，与长度为1400.0mm，外径为133.0mm的管状不锈钢背衬管进行接合。因银的热膨胀系数约为19.5×10^-6/K，将银靶材由室温25℃加热至500℃后，银靶材内径变为133.7mm，此时将维持室温25℃的不锈钢背衬管插入银靶材内，待银靶材冷却至室温即完成接合，内管的外径和外管的内径的差值(咬合量)为0.5mm。接合后的管状银靶材其偏转度以及垂直度均小于0.05mm，同心度可小于1.0mm。银的降伏应变约为0.25％，该咬合量设定对于内径132.5mm的应变量约为0.38％，约为降伏应变的1.5倍(N＝1.5)。

实施例二：

提供长度为850.0mm，内径为70.0mm的管状氧化铟锡靶，与长度为1000.0mm，外径为70.15mm的管状不锈钢背衬管进行接合。因氧化铟锡的热膨胀系数约为7.5×10^-6/K，不锈钢管热膨胀系数约为10.5×10^-6/K，将氧化铟锡靶由室温25℃加热至525℃后，氧化铟锡靶内径变为70.26mm；将不锈钢管由室温25℃冷冻至-75℃后，不锈钢管内径变为70.08mm；此时将不锈钢背衬管插入氧化铟锡靶内，待氧化铟锡靶以及不锈钢管恢复至室温即完成接合，咬合量为0.15mm。接合后的管状氧化铟锡靶其偏转度以及垂直度均小于0.05mm，同心度可小于1.0mm。氧化铟锡的降伏应变约为0.21％，该咬合量设定对于内径70.0mm的应变量约为0.21％，约为降伏应变的1倍(N＝1.0)。

实施例三：

提供长度为1000.0mm，内径为100.0mm的管状铝靶材，与长度为1400.0mm，外径为101.0mm的管状不锈钢背衬管进行接合。因铝的热膨胀系数约为23.2×10^-6/K，将铝靶材由室温25℃加热至525℃后，铝靶材内径变为101.2mm，此时将维持室温25℃的不锈钢背衬管插入铝靶材内，待铝靶材冷却至室温即完成接合，内管的外径和外管的内径的差值(咬合量)为1.0mm。接合后的管状铝靶材其偏转度以及垂直度均小于0.05mm，同心度可小于1.0mm。铝的降伏应变约为0.25％，该咬合量设定对于内径100.0mm的应变量约为1％，约为降伏应变的4倍(N＝4)。

对照例一：

提供长度为1000.0mm，内径为132.6mm的管状银靶材，与长度为1400.0mm，外径为132.8mm的管状不锈钢背衬管进行接合。因银的热膨胀系数为19.5×10^-6/K，将银靶材由室温25℃加热至500℃后，银靶材内径变为133.8mm，此时将维持室温25℃的不锈钢背衬管插入银靶材内，待银靶材冷却至室温即完成接合，咬合量为0.2mm。接合后的管状银靶材其偏转度以及垂直度均小于0.05mm，同心度可小于1.0mm。该咬合量设定对于内径132.6mm的应变量约为0.15％，约为降伏应变的0.6倍(N＝0.6)。

将实施例一、二、三以及对照例一中接合完成的靶材以相同的溅镀参数进行溅镀测试，实施例一、二、三的靶材在溅镀功率由1kW调整至5kW时靶材温度仍维持在50℃以下；但对照例一的靶材在溅镀功率仅1kW时，靶材温度已大于150℃，显示其接合紧密度不足造成导热效果不佳。

由上述实施例与对照例可知，实施例一中咬合量设计相对于靶材内径的应变量约为降伏应变的1.5倍，实施例二中咬合量设计相对于靶材内径的应变量约为降伏应变的1.0倍，实施例三中咬合量设计相对于靶材内径的应变量约为降伏应变的4.0倍，而对照例约为降伏应变的0.6倍；实施例中接合完成的靶材导电性及散热性良好，而对照例则有严重散热不良的问题。因此本发明通过控制内管和外管的材料以及咬合量，即能以热涨冷缩的基本原理解决现有制作中空柱状靶材的困难，且利用简单的制造工艺制作出具有紧密接合的靶材材料和背衬管的靶材，以供产业上利用。

Claims

1.一种中空柱状靶材组件，其特征在于，包括一背衬管与一靶材材料，其中该靶材材料为外管，该背衬管为内管，该内管是用以接合于该外管内，在外管与内管分离的状态下，内管的外径大于外管的内径，且该内管的外径和外管的内径的差值需等于靶材材料的降伏应变乘以外管的内径再乘以一系数N，N值介于1至10之间。

2.根据权利要求1所述的中空柱状靶材组件，其特征在于：该外管的内管壁具有凹槽。

3.根据权利要求1所述的中空柱状靶材组件，其特征在于：该内管的外管壁具有凹槽。

4.根据权利要求1所述的中空柱状靶材组件，其特征在于：该外管的内管壁和该内管的外管壁皆具有凹槽。

5.根据权利要求1至4中任一所述的中空柱状靶材组件，其特征在于：还包括一介质，该介质为导电材料，其设置于该外管和内管之间。

6.根据权利要求2至4中任一所述的中空柱状靶材组件，其特征在于：还包括一介质，该介质为导电材料，其设置于该外管和内管间的凹槽内。

7.一种中空柱状靶材，其包括根据权利要求1至6中任一所述的中空柱状靶材组件，且该内管接合于该外管内。