CN103492608B - 经扩散结合的溅射靶组件及制造方法 - Google Patents

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Abstract

提供了经扩散结合的溅射靶组件的制造方法。包含第一金属或合金的靶坯具有第一表面和第二表面，所述第一表面限定溅射表面。将第二金属或合金置于所述靶坯周围。邻接于靠着第二靶表面安置的第二金属或合金提供衬板。然后，对该组件进行扩散结合，并移除覆盖在所述靶的溅射表面上的部分第二金属以暴露出靶溅射表面。W靶或W合金靶/Ti或Ti合金衬板组件具有安置在所述W或W合金靶与衬板之间的Al中间层。该组件具有超过50MPa的结合强度。

Description

经扩散结合的溅射靶组件及制造方法
相关申请的交叉引用
本申请要求2011年2月14日提交的美国临时专利申请No.61/442,427的优先权。
技术领域
本申请涉及提供溅射靶对衬板(backingplate)的扩散结合(DB)的方法和结构组合体，其中，靶和衬板可具有不同的热膨胀系数(CTE)。
背景技术
阴极溅射广泛用于在所需基材上沉积材料的薄层。基本上，该方法需要对具有由将要在基材上沉积为薄膜或层的材料形成的溅射表面的靶进行气体离子轰击。靶的离子轰击不仅导致靶材料的原子或分子发生溅射，而且赋予靶显著量的热能。该热量通过使用典型地在导热衬板之下或其周围循环的冷却液来耗散，所述导热衬板与所述靶以热交换关系安置。
靶形成阴极组件的一部分，所述阴极组件与阳极一起置于包含惰性气体、优选氩气的真空室中。跨越阴极和阳极施加高压电场。通过与自阴极排出的电子发生碰撞而使惰性气体离子化。带正电的气体离子被吸引至阴极，而且，通过与靶表面撞击，撞出靶材料。撞出的靶材料穿过经抽空的罩壳并且在通常位于阳极附近的所需基材上沉积为薄膜。
除了使用电场以外，还已通过同时使用叠加在电场上且在靶表面上形成为封闭环路构造的弧形磁场来实现提高溅射速率。这些方法称为磁控溅射法。所述弧形磁场捕集在邻近于靶表面的环形区域中的电子，从而提高该区域中的电子-气体原子碰撞数量，引起撞击靶以撞出靶材料的在该区域中的带正电的气体离子数量的增加。因此，在称为靶回旋区(raceway)的靶面的通常环形部分中，靶材料变得被侵蚀(即，被消耗以用于随后在基材上的沉积)。
在常规的靶阴极组件中，将靶附着在非磁性衬板上。衬板通常是被水冷的以带走由靶的离子轰击产生的热量。磁体典型地以这样的位置布置在衬板下方，使得前述磁场形成围绕靶的暴露表面延伸的环路或隧道的形状。
对在靶材料与衬板材料之间具有愈加不同的热膨胀系数的溅射靶组件方面已经存在越来越多的关注。尽管可通过将各种材料的衬板焊接结合至靶来制造溅射靶组件，但是，焊接结合具有不能经受高功率溅射应用的缺点。因此，优选经扩散结合的溅射靶组件。
扩散结合通过如下产生：挤压表面至接触，同时施加热以诱导冶金学连接和跨越结合界面的不同程度扩散。可使用多种不同的金属组合作为结合助剂。向一个或多个DB界面表面施加这些金属作为涂层以促进DB结合，而且，可经由常规电镀、无电镀、真空镉镀、物理气相沉积或其它技术施加这些金属。在一些情况中，在将要通过DB连接的表面之间设置金属箔。通常地，待连接的表面通过化学或其它手段制备以除去可成为结合过程界面的氧化物或者它们的化学膜。
扩散结合技术包括热等静压(HIP)和单轴热压(UHP)。在UHP中，在提供仔细控制的温度、压力和其它气氛条件的腔室中，将靶和衬板置于一对压板或类似物之间。受控的气氛可为真空、惰性或还原气体的气氛。将组件加热至这样的温度，该温度低于靶/衬板组合体的较低熔点构件的温度。当对组件进行加热时，通过沿单轴方向作用的压板来施加压力。将组件保持在所述控制腔室中，直至形成强的DB结合。
在HIP过程中，将靶/衬板组件置于罐内。对该罐抽真空，然后，将其置于HIP室中。在该罐中充入氩气或氦气气氛并提高温度和压力。从各方向对该HIP罐施加压力。如在UHP过程中一样，温度接近靶/衬板组合体的较低熔点构件的熔融连接点(meltingjoint)。然后，将经HIP的组件保持在所需温度、压力和气氛条件下以形成强的DB结合。
在已经发生结合后，冷却所述组件。经冷却的靶通常向一个方向弯曲或偏转。该偏转通常由归因于靶和衬板各自不同的CTE的它们的不均匀收缩或膨胀导致。在冷却期间也可发生靶与衬板之间的结合的开裂或层离。此外，在溅射过程中发生的高温期间，不同CTE材料使得组件对其它应力、降解或扭曲敏感。为了消除偏转并产生“平坦”的组件靶表面，典型地对靶进行机械平坦化。
该扩散结合以及后续的平坦化过程适用于柔性靶，例如钛或钽。但是，对于诸如钨的脆性靶，在整个过程中，层离的可能性较大。这样的靶组件的各层之间的结合强度典型地低于45MPa。
发明内容
根据本发明的一个方面，提供制造靶/衬板组件的方法。第一金属或合金的靶坯(targetblank)拥有具有在溅射操作期间限定溅射表面的第一表面以及相对的第二表面的坯料。第二金属或合金靠着(alongside)第一和第二靶表面放置。衬板邻接于靠着第二靶表面安置的第二金属或合金放置。从而，所述靶、第二金属和衬板定义了组合的组件。
根据一个优选实施方案，将靶、第二金属和衬板的组合组件进行扩散结合以形成经扩散结合的组件。然后，移除靠着靶溅射表面的所述第二材料的至少一部分，从而，暴露出至少部分溅射表面。
在本发明的一些实施方案中，靶为W或其合金，而且，在靠着第一和第二靶表面放置第二金属或合金的步骤之前，靶的第一和第二表面可涂覆有任选的Ti、Ni或Cr薄层。
在其它实施方案中，第二金属或合金包含拉伸弹性模量低于或等于8.2×104MPa的金属，而且，衬板可具有低于或等于23.0×10-6m/m/K的热膨胀系数。在某些情况中，第二金属或合金包含Al或Al合金，例如Al6061或Al1100。
在一个实施方案中，衬板可包含Ti或Ti合金。在其它实施方案中，衬板可包含Ti、Zr、Mo、Nb、或Ta、以及其合金。
在一个示例性实施方案中，第二金属或合金包含一对板。所述对板中的第一个邻接于靶的第一表面(溅射表面)放置，而且，所述对板中的第二个邻接于靶的第二表面放置，从而形成靶坯与所述板的夹层结构。由第二金属或合金组成的板可为Al或Al合金。
在又一实施方案中，由第二金属或合金组成的板的各自厚度具有约0.1～1.0x的厚度，其中，x是靶坯的厚度。
可在约400-600℃的温度和不低于约5ksi的压力下对所述靶、包封所述靶的第二金属、以及衬板组件进行扩散结合。该扩散结合步骤可以一步过程或以两步过程提供。在两步过程中，第一步骤包括扩散结合靶坯和第二金属或合金以形成组合体，且然后，第二步骤包括使该经组合的靶/第二金属组合体与衬板的扩散结合。在一些情况中，第二步骤可在不同于第一步骤中所用温度的温度下进行。
在其它实施方案中，靶可为与Ta、Ti或Si合金化的W。
在其它方面中，本发明涉及经扩散结合的W靶/衬板组件。该组件进一步包括在W靶和衬板之间居间安置的中间层。衬板可包含Ti或Ti合金，且内层包含Al或Al合金。该组件具有超过50MPa的结合强度。在其它实施方案中，结合强度超过68.94MPa(10ksi)。
在更进一步的实施方案中，靶具有超过99.7%的密度、小于100微米的晶粒尺寸、低于100ppm的氧含量、低于30ppm的碳含量，而且，W的纯度可为99.999%或更高。
在进一步的实施方案中，靶组件包括暴露的W靶表面。由此，其意味着溅射靶的面在进行前述过程之后已经暴露，以留下足够的溅射表面。进一步地，所述组件可包含具有其暴露的Al或Al合金和暴露的Ti或Ti合金表面的侧壁部分。经由诸如等离子涂覆的常规技术，沿着侧壁提供由溅射材料形成的涂层。该涂层可具有例如约0.001-0.020英寸的厚度。中间层可例如为Al6061或Al1100，而且，整个经扩散结合的组件的结合强度可超过60MPa。
附图说明
图1是显示所述方法的一个实施方案的示意图，其中，示出了在扩散结合之前的靶组件的单独的元件；
图2是图1中所示实施方案的示意图，其中，示出了在扩散结合之后的靶组件的元件；和
图3是图1和2中所示实施方案的示意图，其中，示出了在精加工之后的最终组件中的元件。
具体实施方式
已经出人意料地发现，在DB过程期间用第二材料包封脆性靶产生了具有各层之间的结合强度等于或大于45MPa的经扩散结合的溅射靶组件。
现在转向图1，其显示了处于其预装配状态的经扩散结合的靶衬板组件100。该组件包括由诸如W的第一金属或合金组成的靶坯102。该靶包括在装配完成时作为溅射表面的第一表面或顶表面104。该靶坯还包括相对的底表面106。如果需要的话，可将任选的薄涂层112施加到靶的两个表面上。该涂层可由Ti、Ni或Cr构成，且可经由常规技术沉积在靶坯表面上。
如图1中所示的，第二金属或合金以一对相对的板108、110的形式提供，其中，所述板围绕居间设置的靶坯102进行夹合。板108、110靠着分别相对的靶表面放置，使得第一板108邻接于靶坯的溅射表面104设置，且板110靠着靶的底表面106及其最理想的薄涂层112放置。
如所示的，各板108、110分别具有垂直延伸的凸缘340、304，在一个示例性实施方案中，所述凸缘与所述一对板中的另一个的凸缘配合。但是，所述板无疑地可为不具有从其上悬垂的凸缘的平面。
如图1中进一步所示的，衬板120也是所述组件部件中的一个，而且，该衬板具有适于与由第二金属或合金组成的板110的底表面界面配合的顶表面122。如所示的，衬板120的下表面或底表面124是暴露的且适于与典型地用于阴极溅射操作以帮助冷却靶的冷却介质例如水进行热交换接触。
现在转向图2，显示了已经经受前述类型的扩散结合操作之后的组件。在此，可以看到，靶包裹或者包封在由两个板108、110组成的第二金属或合金基体内。进而，第二金属或合金沿着界面边界126扩散结合至下面的衬板。整个组件100可具有微小倒角(champer)116以促进该组件插入到适于移除邻接于靶坯溅射表面的部分第二金属或合金108(以及任选的涂层112)的机械装置中。目前，优选机械除去(切削掉，machineaway)金属或合金108以暴露出靶坯的溅射表面104的至少一部分。
图3显示了具有暴露的溅射表面104的完成的组件。显示侧壁区域128围绕靶/第二金属110界面的外围。如果需要的话，可在该侧壁处的暴露金属上放置靶材料的薄涂层330以帮助防止第二金属和/或衬板在涂覆操作期间发生不期望的溅射。涂层可通过诸如等离子涂覆的常规方法涂覆且可为约0.001-0.020英寸的厚度。
在该方法的一个实施方案中，第二金属或金属板由拉伸弹性模量低于或等于约8.2×104MPa的材料形成。进一步地，衬板可由热膨胀系数低于或等于23.0×10-6m/m/K的材料形成。
在一个示例性实施方案中，靶坯置于板108、110之间。对各部件进行扩散结合以形成扩散结合的溅射靶组件，然后，对其进行机械和/或化学精加工以暴露出靶溅射表面。
靶坯可包含选自W、Ta、Ti、Si以及其合金的一种或多种材料。
在另一实施方案中，板108、110中的一个或多个可包含选自Al和Al合金的一种或多种材料。在另一方法中，各板108、110具有为靶锭厚度的约0.1至约1倍的厚度。
在另一实施方案中，通过以由选自Ti、Ni、Cr以及其的合金的一种或多种材料组成的薄层涂层112涂覆板表面，用结合助剂对靶坯进行预处理。在将靶锭包封在所述板内之前进行该预处理步骤。
在另一实施方案中，衬板包含选自Ti、Zr、Mo、Nb、Ta以及其合金的一种或多种材料。
在又一实施方案中，完成的组件的一个或多个侧壁涂覆有溅射材料。在另一实施方案中，该涂层112具有约0.001至约0.020英寸的厚度。所述涂层可采用等离子喷涂法施加。
在另一实施方案中，公开了包括暴露的靶溅射表面和衬板的经扩散结合的溅射靶组件(DBSTA)，其中，所述暴露的靶锭和衬板由中间层分开且扩散结合至中间层。
另一实施方案公开了经扩散结合的溅射靶组件(DBSTA)，其中，靶坯包含选自W、Ta、Ti、Si以及其合金的一种或多种材料。在另一实施方案中，衬板包含选自Ti、Zr、Mo、Nb、Ta以及其合金的一种或多种材料。在又一实施方案中，中间层包含选自铝和铝合金的一种或多种材料。中间层可具有为靶坯厚度的约0.1至约1倍的厚度。
在另一实施方案中，公开了DBSTA，其中，靶与中间层以及中间层与衬板之间的结合强度等于或大于约45MPa。在又一实施方案中，DBSTA之间的结合强度等于或大于约60MPa。
实施例
实施例1
通过包括以下步骤的方法制造经扩散结合的溅射靶组件：通过使坯料顶侧与Al1100金属板接触并使坯料底侧与Al1100板接触来包封W坯料，从而形成“夹层”在两个Al1100板之间的W板。将该夹层物的底侧叠置于Ti衬板上。在400-600℃的温度和大于或等于34MPa的压力下，对W靶坯、Al1100板和Ti衬板进行扩散结合以形成溅射靶组件中间体。然后，机械加工该组件以除去覆盖靶溅射表面的Al层。
在溅射装置中测试实施例1的经扩散结合的溅射靶组件。靶经受得住100kWh，同时处于17kWh的最大溅射功率下。在溅射之后，测量靶的偏转和结合强度。靶组件背侧的偏转为约0.005英寸。经测量，W-Al1100结合强度为46-55MPa。
实施例2
如实施例1中那样制造经扩散结合的溅射靶组件，其中，在精加工之后，通过等离子喷涂，用W涂覆靶侧壁。
实施例3
如实施例1中那样制造经扩散结合的溅射靶组件，但是以Al6061代替Al1100。经测量，W-Al6061结合强度大于60MPa。
该书面说明书使用实施例以公开本发明(包括最佳方式)，而且，使本领域的任何技术人员都能够实施本发明(包括制造和使用任何装置或系统并实施任何并入的方法)。本发明的可专利保护范围由权利要求书限定，且可包括本领域技术人员想到的其它实施例。例如，尽管实施方案公开了靶、第二金属板和衬板均在一个步骤中扩散结合，但是，扩散过程可包括多个步骤。如果这样的其它实施例具有不同于权利要求书的字面语言的结构元件，或者如果它们包括具有与权利要求书的字面语言无实质区别的等效结构元件，则它们旨在属于权利要求书的范围内。
本申请的权利要求如所附权利要求书所述。

Claims (17)

1.靶/衬板组件的制造方法，包括：
(a)提供第一金属或合金的靶坯，所述靶坯具有第一表面和第二表面，所述第一表面限定溅射表面；
(b)(i)提供第二金属或合金和(ii)靠着所述靶的所述第一和第二表面放置所述第二金属或合金；
(c)(i)提供衬板和(ii)邻接于靠着所述靶的所述第二表面安置的所述第二金属或合金放置所述衬板；从而，所述靶坯、第二金属和衬板限定组合的组件；
(d)在一步过程中扩散结合所述组合的组件以形成经扩散结合的组件；和
(e)随后移除靠着所述靶的所述溅射表面的至少部分所述第二金属，从而暴露出至少部分所述溅射表面。
2.权利要求1的方法，其中，所述靶为W或其合金，而且其中，在所述步骤(b)(ii)之前，用Ti、Ni或Cr的薄层涂覆所述靶的所述第一和第二表面。
3.权利要求1的方法，其中，所述靶为W或其合金且其中所述第二金属或合金包含拉伸弹性模量低于或等于8.2×104MPa的金属，而且其中所述衬板具有低于或等于23.0×10-6m/m/K的热膨胀系数。
4.权利要求3的方法，其中所述第二金属或合金包含Al或Al合金。
5.权利要求4的方法，其中所述衬板包含Ti或Ti合金。
6.权利要求1的方法，其中所述第二金属或合金包含一对板，所述对板中的第一个邻接于所述靶的所述第一表面放置且所述对板中的第二个邻接于所述靶的所述第二表面放置，从而形成所述靶坯与所述板的夹层构造。
7.权利要求3的方法，其中所述衬板包含Ti、Zr、Mo、Nb、或Ta以及其合金。
8.权利要求6的方法，其中所述一对板由Al或Al合金组成。
9.权利要求8的方法，其中所述一对板中的每一个具有约0.1～1x的厚度，其中x是所述靶坯的厚度。
10.权利要求1的方法，其中所述步骤(d)在约400-600℃的温度和不低于5ksi的压力下进行。
11.权利要求3的方法，其中所述W是与Ta、Ti或Si合金化的。
12.由权利要求1制备的经扩散结合的W靶/衬板组件，所述组件进一步包括由所述第二金属或合金构成且置于所述W靶和所述衬板之间的中间层，所述衬板包含Ti或Ti合金且所述第二金属或合金包含Al或Al合金，所述组件具有超过50MPa的结合强度。
13.权利要求12的经扩散结合的W靶/衬板组件，其中所述结合强度超过68.94MPa。
14.权利要求12的经扩散结合的W靶/衬板组件，其中所述W靶具有超过99.7％的密度、小于100微米的晶粒尺寸、低于100ppm的氧含量、低于30ppm的碳含量、以及99.999％或更高的W金属纯度。
15.权利要求12的经扩散结合的W靶/衬板组件，其中所述组件包括具有暴露的Al或Al合金以及暴露的Ti或Ti合金表面的侧壁部分，所述组件具有覆盖在所述侧壁上的等离子涂覆的W涂层。
16.权利要求15的经扩散结合的W靶/衬板组件，其中覆盖在所述侧壁上的所述涂层具有约0.001-0.020英寸的厚度。
17.权利要求12的经扩散结合的W靶/衬板组件，其中所述中间层为Al6061且所述结合强度超过60MPa。
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