CN103620082A - 形成圆柱形溅射靶组件的方法 - Google Patents

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Abstract

在一种形成圆柱形溅射靶组件的方法中，所述方法包括以下步骤：(a)提供圆柱形背衬管；(b)提供圆柱形溅射靶，圆柱形溅射靶的内径大于背衬管的外径；(c)围绕背衬管布置溅射靶；以及(d)通过在背衬管与溅射靶之间提供焊料层来将溅射靶结合至背衬管；根据本发明，步骤(d)包括使焊料层定向地固化。

Description

形成圆柱形溅射靶组件的方法
技术领域
本发明涉及圆柱形溅射靶组件，并且涉及形成该圆柱形溅射靶组件的方法。 
背景技术
尽管在许多溅射过程中仍采用平面溅射靶，但由于圆柱形溅射靶提供了比平面靶更高的材料使用效率，故近年来不断作出努力以提供旋转的圆柱形溅射靶。
如在平面靶中，同样在圆柱形溅射靶中，靶材料常常提供在背衬材料(backing material)上。因此，圆柱形溅射靶通常包括承载管或背衬管，在溅射过程期间在承载管或背衬管内提供磁铁，以便产生用于溅射过程的磁场，并且可选地在溅射过程期间冷却流体能够穿过该磁场。溅射材料作为中空圆柱形层提供在背衬管的外侧上。在形成溅射靶组件时，溅射靶材料可直接沉积在背衬管的外侧上，或溅射靶材料首先可形成为圆柱形管或形成为多个管节段(segment)或套管(sleeve)，然后将它/它们附接至背衬管。将溅射靶附接至背衬管可借助于弹簧或夹具布置，通过环氧树脂结合或如美国专利5,354,446中描述的通过在背衬管与溅射靶之间提供焊料层来实现。
尽管将溅射靶和背衬管制造为单独的部件比起溅射靶直接形成于背衬管上的方法来具有某些优点，但将溅射部结合至背衬管常被发现不令人满意。考虑到溅射靶在它们于材料沉积过程中使用期间暴露于恶劣的过程条件，诸如高温、高真空、大型磁场等，尤其对于圆柱形溅射靶来说，溅射靶与背衬管之间结合的均匀性(homogeneity)是产品质量的重要因素。即是说，鉴于在平面溅射靶中，溅射靶与背衬板的热膨胀差异可导致溅射靶相对于背衬板的移位，在圆柱形溅射靶组件中不存在用于使圆柱形溅射靶和圆柱形背衬板相对于彼此沿径向方向移动的空间(room)，从而使得当与平面靶相比时，溅射靶与背衬管的热膨胀差异将总是导致部件内更加高的应力。因此，如果在圆柱形溅射靶中，溅射靶与背衬管之间的结合是非均匀的，则溅射靶组件内产生的局部应力可导致溅射靶材料内的裂纹并且导致溅射靶材料从背衬管局部剥落。此外，除必须可靠地保持靶就位以外，结合部(bond)必须提供背衬管与靶材料之间良好的、一致的(uniform)导热性。这很重要，因为当旋转靶的外侧在溅射沉积期间被加热时，热必须有效地传递至总体上被水冷的背衬管。冷却背衬管减小了靶的总体(overall)温度且允许在热效应开始限制性能之前实现较高的溅射功率(sputtering power)。 
发明内容
鉴于上文，本发明的目的在于提供一种形成圆柱形溅射靶组件的方法，通过该方法可生产较高质量并且尤其是在溅射靶与背衬板之间具有一致且均匀的结合的旋转溅射靶。
在形成圆柱形溅射靶组件的方法中，所述方法包括以下步骤：
(a)提供圆柱形背衬管；
(b)提供圆柱形溅射靶，其内径大于背衬管的外径；
(c)围绕背衬管布置溅射靶；以及
(d)通过在背衬管与溅射靶之间提供焊料层来将溅射靶结合至背衬管；
根据本发明达到(solve)了上述目的，因为在将溅射靶结合至背衬管的过程中，焊料层被定向地固化(solidify)。
当深入研究时，发现了当被用来将溅射靶结合至背衬管的焊料层被定向地固化时，可使结合的一致性基本上得到改善。为了实现定向固化，将采取措施以在固化焊料层期间有意地引入温度梯度，使得焊料层不会随意或无定向地固化，而是焊料层的固化仅沿一个方向传播(propagate)遍及整个工件。
本发明的优选实施例在从属权利要求中限定。
具体地，在焊料层的固化期间，优选地沿着溅射靶组件的纵向轴线建立温度梯度，以便尤其沿径向方向提供一致性，就使用期间材料内可能引起的应力而言，径向方向在圆柱形溅射靶中是最关键的方向。
尽管焊料层的定向固化可通过在溅射靶与背衬管之间提供熔融焊料来执行，然后以定向的传播方式改变溅射靶组件的温度使该焊料定向地固化，但在优选实施例中，定向固化通过在焊料层的固化期间建立冷却前部来实现，该冷却前部沿着溅射靶组件的纵向轴线逐渐地移动。 
因此，溅射靶与背衬管之间提供的熔融焊料层的定向固化可通过在焊料层中引起温度梯度来实现，诸如通过以定向的传播方式供应或回收热等。 
在溅射靶组件在结合期间被加热的实施例中，熔融焊料层的定向固化可通过沿着溅射靶组件的长度逐渐地关闭加热来实现，从而使得熔融焊料层逐渐冷却到环境温度。
代替采用环境冷却，熔融焊料层的定向固化可由强制冷却引起，即通过向溅射靶组件提供制冷，其中在焊料层的固化期间建立了冷却前部，该冷却前部沿着溅射靶组件的纵向轴线逐渐地移动。
这可通过采用热交换介质或热交换装置来执行，使得温度梯度沿着背衬管的内部和/或沿着溅射靶的外部建立。
因此，在焊料层的固化期间，背衬管的内部可逐渐地用冷却介质填充，诸如冷却水等。备选地或另外，可采用冷却介质以逐渐地冷却溅射靶的外部，诸如通过将溅射靶组件布置在逐渐用冷却介质(诸如冷却水等)填充的容器内。
当在焊料层的固化期间建立冷却前部时，必须小心地选择冷却速率。尽管如果背衬管的材料和溅射靶的材料具有相似的热膨胀系数则可使用较高的冷却速率，但在其中背衬管的材料和溅射靶的材料具有不同热膨胀系数的溅射靶组件的生产中冷却速率应当被限制。如果在后者情况中采用了过高的冷却速率，则在冷却期间材料的不同热膨胀在靶材料中产生了诸如裂纹等破坏风险。
取决于溅射靶组件的材料和标尺寸、采用的温度和使用的冷却介质的特征，定向固化过程(在该定向固化过程期间焊料层的固化沿溅射靶组件的纵向方向传播)可花费若干小时。
除采用冷却介质外或作为采用冷却介质的备选，在焊料层的固化期间，热交换装置可定位在背衬管的内部内和/或围绕溅射靶外部定位(locate)，该热交换装置运行，从而使得热交换在其内实现的区域或容积沿着溅射靶组件的纵向轴线逐渐地移动或增大。
已引入溅射靶与背衬管之间的熔融焊料层的定向冷却可通过轴向地沿着溅射靶组件移动冷却环(诸如水冷或气冷的冷却环)来执行。
在本发明的方法的优选实施例中，在焊料层的固化期间，热交换装置围绕溅射靶的外部定位，该热交换装置运行，从而使得热交换在其内实现的区域沿着溅射靶组件的纵向轴线逐渐地增大。此类热交换装置可适合用于定向环境冷却，诸如通过采用沿着溅射靶组件的长度延伸的加热器并且通过该加热器使溅射靶组件加热到便于将熔融焊料引入到背衬板与溅射靶之间形成的间隙中的温度，其中当用熔融焊料填充间隙时，加热器沿着溅射靶组件的纵向轴线逐渐地关闭。
备选地，热交换装置可适合用于定向强制冷却，诸如通过采用沿着溅射靶组件的长度延伸的冷却器，并且该冷却器在焊料层的固化期间沿着溅射靶组件的纵向轴线逐渐地开启。
尽管焊料层至少部分地可在背衬管的外侧或溅射靶的内侧上预形成，但在该方法的优选实施例中，当围绕背衬管布置溅射靶时，在背衬板与溅射靶之间形成了间隙，然后间隙用熔融焊料填充。在大多数应用中，此类间隙且由此焊料层具有从0.7mm到1.5mm范围内(诸如大约1.0mm等)或从0.2mm到1.2mm范围内(诸如大约0.5mm等)的厚度。
在形成溅射靶组件时，(多个)溅射靶套管和背衬管优选地被定向使得它们的纵向轴线是同心的且基本上是竖直的，其中熔融焊料从间隙的底部填充入在溅射靶与背衬管之间形成的间隙。将溅射靶和背衬管定向成竖直的在生产长溅射靶时具有特定优势，诸如具有例如10cm到20cm的直径和1m到5m的长度的溅射靶，其中靶圆柱通常具有10mm到20mm的厚度，因为当以不同的方向来定向长溅射靶时，诸如例如定向成水平时，溅射靶和/或背衬管可下垂，这导致溅射靶相对于背衬管的不一致定位，且由此导致不同厚度的焊料层。当竖直定向溅射靶和背衬管时，从底部将焊料填充入间隙是优选的，因为这促进了用焊料填充间隙的一致性和无气体。
具体地，将焊料从底部填充入间隙避免了在液体焊料材料内的湍流的生成，否则湍流可导致气体进入到液体焊料材料中。此外，由于存在于液体焊料中的任何气体都将趋于在焊料内向上移动，故焊料从底部填充入间隙不会妨碍任何此类气体从焊料中排出。
通过将真空施加至间隙可进一步协助将存在于间隙内的空气或任何其它气体由填充入间隙的熔融焊料来置换。
为了促进将熔融焊料引入到在背衬板与溅射靶之间形成的间隙中，可加热整个溅射靶组件，优选地加热到高于焊料熔点的温度且优选地使用电子控制的加热元件来加热。在通过重力填充(即通过提供用于熔融焊料的定位于溅射靶组件的上端上方的水平处的容器)来将熔融焊料填充入背衬板与溅射靶之间的间隙的实施例中，如此的容器以及熔融焊料经由其从容器传送至溅射靶组件的任何管线也可被加热，优选地被加热到高于焊料熔点的温度。
已经发现，在围绕背衬管布置溅射靶之前，当背衬管的外部表面被磨光时，可进一步改善结合的质量。磨光可通过将熔融焊料的薄层涂覆在背衬管的外部表面上并且例如通过使用刮刷将此类焊料层刷入背衬管的表面中来实现。
此外，已经发现，如果背衬管的外部表面和/或溅射靶的内部表面涂镀有结合层体系(bonding layer system)将是有利的。在特别优选的实施例中，结合层体系包括促进粘附的底涂层，例如包括钛层、铬层、或镍和铬的合金(诸如镍铬合金)层的底涂层。在底涂层的顶部上可形成中间层，诸如镍层、镍钒合金层或钯层，以及保护性的顶涂层，例如包括银的顶涂层。结合层体系可通过物理气相沉积来涂覆，诸如通过溅射，用溅射可实现特别均匀的涂层。要注意的是，在结合溅射靶之前使背衬管的外部表面磨光的实施例中，磨光将在使背衬管涂镀有结合层体系之后实现。
用于将溅射靶结合至背衬管的焊料层可主要包括铟，即包括至少50%的铟，并且可包括多达100%的铟。用于在本发明的方法中使用的焊料层的实例包括铟与锡的混合物，诸如In90:Snl0。
取决于溅射靶的最终目的，多种多样材料可用于背衬管的制造。用于背衬管的特别优选的材料为铜、钛、不锈钢和镀镍的不锈钢。
利用本发明的方法总体上可生产任何类型的溅射靶，并且具体地溅射靶包括基本的(即纯的材料)合金或复合物。对于本方法已被示出为具有特定优点的材料是陶瓷材料或金属，陶瓷材料诸如铟锡氧化物(有时缩写为ITO)和氧化铝与氧化锌的混合物，诸如ZnO:Al2O3(有时缩写为AZO)，金属诸如铜镓等。
在溅射靶包括陶瓷材料并且尤其包括烧结的陶瓷材料的情况下，除陶瓷粉外，溅射靶可包括烧结添加剂。
要理解的是，不管怎样制造背衬管和溅射靶都可应用本方法。本文中将不进一步详细描述在靶形成之后的成形(formation)或加工靶的单独步骤，诸如在预形成中使靶材料均匀、细磨削、粒化和压制该靶材料，通过等静压压制或通过单轴向压制、预机加工、烧结、除去可选的添加剂(例如，烧熔此类添加剂)成为靶，以及可选的最终机加工，诸如切割、磨削和抛光。 
附图说明
下文将参考附图对本文中提出的方法的优选实施例进行描述，在附图中：
图1示出了在制造期间圆柱形溅射靶组件的横截面视图；
图2为在制造过程结束时图1的溅射靶组件的放大截面视图；
图3为本发明的方法中使用的设备的示意性视图；
图4为当应用于通用测试样本时的超声波测试方法的示意图；
图5为当应用于如由本发明的方法生产的溅射靶组件时的超声波测试方法的示意图；以及
图6至图9图示了不同质量的溅射靶组件的样品的超声波测试扫描。
具体实施方式
图1中示出的溅射靶组件包括溅射靶10，诸如铟锡氧化物制成的陶瓷溅射靶等。溅射靶10呈具有内径d10的长中空圆柱的形状，该溅射靶10同心地布置在具有外径d12的圆柱形背衬管12上。溅射靶10的内径d10略微大于背衬管12的外径d12，使得当溅射靶10围绕背衬管12放置时形成间隙14，该间隙14在溅射靶组件的制造过程中用焊料填充。外背衬管的d12与靶材料的内径d10之间的尺寸差(常常被称为结合间隙)对许多应用而言都在1mm左右。通常背衬管可具有。
图2示出了在间隙14已用焊料填充之后的图1的溅射靶组件的放大视图。在图2中示出的实施例中，在将溅射靶结合至背衬管之前，靶10的内表面以及同样地背衬管12的外表面涂镀有(coat with)结合层体系。尽管不同的结合层体系可涂覆(apply)到溅射靶和背衬管上，但图2示出了其中溅射靶10和背衬管12涂镀有相同的结合体系(bonding system)的实施例。
具体地，溅射靶10在其内表面上首先提供有钛制成的底涂层16，以便促进结合层体系粘附至溅射靶。底涂层16继而涂镀有镍钒制成的中间层18，该中间层18继而又涂镀有银制成的保护层20。类似地，背衬管12涂镀有钛底涂层22，在该钛底涂层22上提供有镍钒中间层24和银保护层26。图2还示出了已形成于被涂镀的溅射靶与被涂镀的背衬管之间的焊料层28。
为了将熔融焊料引入到间隙14中，圆柱形靶和背衬管12被布置成使得它们的轴线30同轴延伸且被布置成基本上是竖直的。然后诸如铟或铟与锡的混合物等焊料被加热到高于其熔点，并且从间隙14的下侧被引入到间隙14中。为此，环形固定物(fixture)32可围绕背衬管12附接，如图1中所描绘的。固定物32借助于O形环密封件34抵靠背衬管12密封，并且借助于另一个O形环密封件36抵靠溅射靶10密封。固定物32包括环形间隙38，该环形间隙38与形成于溅射靶10与背衬管12之间的间隙14连通。熔融焊料从容器40经由供给管线42供给到环形凹部38中，以便进入间隙14中且在间隙14内上升，直到间隙14完全填充有熔融焊料。尽管在图1中示出的实施例中熔融焊料可仅通过重力(即通过借助将容器40布置在比间隙14的上端更高水平处而产生的流体静压力)从容器40被传送到间隙14中，但如果期望，泵可提供在管线42中，以便将熔融焊料泵送到间隙14中。在管线42邻接固定物32的位置附近提供有阀70，以便隔离焊料容器40。
如果在将熔融焊料填充入间隙14期间间隙应被抽空，则类似于图1中示出的固定物32的附加固定物可在溅射靶组件的上端处使用，诸如图3中所示出的顶盖72。顶盖72借助于O形环密封件74抵靠背衬管12密封，并且借助于另一个O形环密封件76抵靠溅射靶12密封。顶盖72包括与配件80连通的环形间隙78，真空泵82连接至配件80。通过使整个结合间隙和组件的底端和顶端处的固定物密封，并且通过使用真空泵以在结合间隙中以及在顶部固定物和底部固定物中的任何死角(dead space)中产生真空，防止结合期间气泡在焊料结合层中形成。
在将焊料填充入间隙14之前和期间，焊料应被加热到远高于其熔点，而然后被填充入容器40 (焊料从容器40供给到间隙14中)，或者焊料通过适当的加热装置在容器40内直接加热。为了防止熔融焊料在管线42内早已结块或固化，围绕容器40和管线42提供有隔离材料(insulation)48。
此外，加热线圈46(图1中仅示出了该加热线圈的一部分)沿着溅射靶组件的长度围绕溅射靶10的圆周布置，以便在将熔融焊料填充入间隙14期间加热该溅射靶组件。
图3示出了在熔融焊料已被填充入间隙14之后和在使焊料层28固化期间的溅射靶组件。为了使焊料层28固化，加热线圈46被关闭或如图3中所示出的被移除，并且冷却环50围绕溅射靶组件的外部定位。在图3中示出的实施例中，溅射靶10和背衬管12的下端倚靠在基座(plinth)64上，基座64在一方面与图1中示出的环形固定物32所起的作用相同，但其另外允许控制在组件下端处的温度。为此，基座64包括内部加热/冷却装置66，诸如加热/冷却介质借助于控制单元68可流动通过的管道等。尽管在将熔融焊料填充入结合间隙14期间基座64可被加热，但为了使焊料开始固化(solidification)，至少在固化过程开始时冷却基座，并且优选地贯穿整个固化过程。
在图3中示出的实施例中，冷却环50为空气冷却器，空气冷却器供应有来自于泵52的空气，泵52经由柔性软管54连接至冷却环50上。为了沿着溅射靶组件的纵向轴线30提供焊料层28的定向固化(directional solidification)，冷却环50在如图3中由平行于纵向轴线30的箭头56指示的方向上沿着溅射靶组件缓慢移动。因此，在图3中示出的实施例中，焊料层28从溅射靶组件的底端至顶端定向地固化。
应注意的是，尽管图1示出了其中溅射靶10包括单个整体(unitary)圆柱的实施例，但在图3中示出的实施例中，溅射靶10包括一个在另一个之上地堆叠在背衬管12上的三个节段58、60和62。由于对于通常的应用而言，溅射靶组件具有0.5m到5m的长度，故尤其对较大的溅射靶组件而言，形成具有多个堆叠的节段的溅射靶10促进了溅射靶组件的处理和制造。
此外，溅射靶10的单独节段可一个在另一个之上地堆叠在背衬管12上，以便以较小的相互轴向距离而被布置。以此方式，能够提供用于在使用期间可暴露于高温的溅射靶材料的膨胀的空间。尤其是在背衬管和靶材料的热膨胀系数基本上不同的情况下，在溅射靶节段之间提供间隙减小了由于背衬管与靶材料的不同热膨胀而在靶材料中可引起的应力。
因此从上文将看到的是，形成溅射靶组件的过程可由以下步骤组成：
1. 使用O形环将背衬管竖直地放置在基座上，并且用夹具将基座固定至背衬管。
2. 如上文所描述的，将(多个)靶套管同心地围绕背衬管布置。
3. 再次使用“O”形环和夹具将背衬管顶部密封到金属集管中。
4. 用足量的固体焊料锭装载焊料容器，以填充整个结合间隙。
5. 通过附接盖来密封焊料容器的顶部，以提供真空密封。
6. 围绕结合组件提供加热元件，使得旋转靶、旋转靶的组件架以及焊料架可全部为温度受控制的。旋转靶结合组件现在准备好用于开始结合过程。
7. 闭合将容器与管组件隔离的焊料容器输出阀。
8. 将包括焊料容器的整个组件加热到高于焊料的熔点。
9. 使用真空泵抽空焊料间隙外加顶部固定物和底部固定物(诸如底部基座和顶盖组件)中的死角。还抽空焊料容器。打开焊料容器与组件其余部分之间的隔离阀，以允许焊料从底部进入焊料间隙中，直到焊料间隙以及基座和顶盖空间充满焊料。
10. 闭合至焊料容器的隔离阀。
11. 通过底部基座组件的受控制的强制冷却来开始定向冷却过程。 
12. 调整旋转靶外侧的加热炉的温度曲线，使得温度沿着组件的轴线从溅射靶组件底部向顶部逐渐地降低，以便将冷却前部从一端移动到另一端。在温度降到焊料的熔点以下时，固化将以受控制的方式定向地发生，在底部处开始并且移动至顶部。
13. 当结合间隙和端部固定物的整个容积中的焊料已固化时，允许整个组件缓慢冷却到室温。
14. 一旦处于室温，就从靶中移除基部和顶盖组件。
15. 提交靶以用于超声波测试，作为产品评定和性能分级的一部分。
在形成圆柱形溅射靶组件的方法的图示实例中，采用了由不锈钢制成且具有大约133mm的直径、3m的长度以及4mm的厚度的背衬管。陶瓷靶圆柱由铝锌氧化物制成且具有15mm的厚度。背衬管的外表面以及同样地靶管的内表面都涂镀有厚度为50nm的钛和铬的第一涂层、厚度为200nm的NiV7的第二涂层，以及厚度为150nm的Ag的第三涂层。背衬管与靶圆柱之间的结合间隙具有大约1mm的宽度。
在用铟焊料填充结合间隙之前，整个组件被加热到名义上200℃的温度。为了提供定向固化，首先，通过使具有20℃的温度的水流过基座持续大约1小时而使底部基座被冷却到100℃的温度。然后，使冷却前部以大约60cm/h的速率沿着组件缓慢移动。当冷却前部已到达靶组件的上端时，通过使组件暴露于室温持续最少4小时来使组件进一步被冷却到大约30℃的最终温度。
焊料层28的无损超声波测试和评定示出了当与现有技术的方法相比时，通过使用焊料层28的定向固化可实现更加一致和均匀的结合。因此，就如例如通过超声波扫描所确定的结合至背衬管的外表面的溅射靶的内表面的总面积的百分比而言，使用本文中提出的方法可实现更高的结合质量。
在结合了旋转靶之后，期望将其性能能力分级，以便将其限定为产品。优选地，超声波测试(UT)程序用于评定结合部的一致性和质量。这些质量本质上与靶溅射的功率处理能力(power handling capacity)有关系。它限定了靶的性能且由此限定了产品规格。
用来评估结合部的质量的超声波测试方法被称为脉冲回波技术。该方法需要既能够发送超声波信号又能够探测超声波信号的超声波传感器。作为在本质上为“同轴式(in-line)”收发仪器，该传感器用来发出信号，并且随后如果那些相同的信号从缺陷或从界面反射回，则用接收器探测它们。
在脉冲回波技术中，信号通过介质(通常为水)朝待被测试的物体发送。出于图示目的，参考图4描述了水92中钢块90的浸渍检测。在该简化的情况中，声能量离开传感器94、途经水92、遇到钢块90的前表面96、遇到钢块的后表面98，且在其返回至传感器94的途中通过前表面96反射回。考虑到在水-不锈钢界面处反射的能量为0.88或88%，在水钢界面(前表面)处传输了仅12%的能量。在后表面处，能够穿过前表面的12%中的88%或初始入射波强度的10.6%被反射。在波通过前表面离开部分样本时，上述10.6%的仅12%或1.3%的原始能量被传输回至传感器。
在表面为粗糙的且在材料中可能存在被隔离的非均匀性的更复杂的情况下，信号穿过水直到入射到物体上，于是信号在表面处被反射、由表面粗糙度造成的散射或由任何缺陷而减弱，或由这些材料的非均匀性而反射回。信号的其余部分继续传播通过该物体，直到该信号的其余部分入射在其将再次被反射且部分地减弱的另一个界面或缺陷上。
反射信号的振幅和(多个)发送信号与(多个)返回信号之间的时间间隔分别是界面的性质和表面下方的距离的量度。反射信号的振幅是原始传输的信号减去减弱的信号减去继续传播通过物体的信号的量值的函数。吸收与散射的总和的超声波衰减主要取决于来自信号遇到的(多个)材料界面或来自材料中的任何异常的阻尼能力和散射。
如果固体内存在若干界面，则在每个界面处将存在显示关于材料性质的信息的一系列反射信号。因此，这些信号的分析(尤其如果在扫描模式中使用)可用来暴露界面处的局部缺陷。
如图5中所图示的，如果超声波传感器和物体(在此情况中为溅射靶组件)被放置在水浴槽中，则超声波信号将首先通过水来传输直到其以垂直于靶的外表面的方式遇到该表面。此处其将被部分地吸收和部分地反射。该反射的、减弱的信号可由传感器探测。当水与靶之间的界面为简单的液体/固体界面时，反射的信号应是强烈的，具有相对少的衰减。
传输的超声波信号遇到的下一个界面将是靶/外结合层界面。在到达该界面时，信号的一部分将被反射，同时其余部分将减弱或继续传输通过结合介质。靶/焊料结合界面的特征对多少信号被反射、减弱或进一步传输是至关重要的。良好结合的区域应产生具有类似于输入信号的频谱宽度的清楚的明确的(well-defined)反射信号，但如果界面为不明确的(ill-defined)的，如在与靶材料分离的结合区域的情况下，则该信号由空气间隙中的吸收而将严重减弱并且由界面的粗糙度而散射。因此，衰减可用作为结合部质量的定性测量。
所发送的信号通常由每秒大约50至1000的脉冲组成，并且这些信号指向待测试的样品(在该情况下垂直于结合靶的壁)。如果超声波传感器可沿平行于管状靶组件的轴线方向移动，则可获得管靶的部分的线性扫描。此外，如果通过例如每次旋转1度来转动或转位(index)靶，则可实现整个靶结合部的360度线性扫描。
如果由传感器测量的信号衰减可由不同颜色表示(取决于衰减度)，则可产生靶/结合界面的彩色图形表示(pictorial representation)。图6中示出的实例示出了旋转靶的超声波测试扫描，其中沿着x轴线示出了靶的圆周并且沿着y轴线示出了靶的长度。尽管在实际测量期间采用色码以使衰减度可视化，在-20dB到1.5dB范围中的衰减通过该色码能以基本上覆盖了全色频谱的色彩的连续范围来显示，但为了便于图示，在所附附图中，衰减的标度示出为被分成包括以淡灰色示出的-20dB到-7dB的低衰减、以影线示出的-7dB到-3dB的中等衰减以及以黑点示出的-3dB到1.5dB的高衰减的三个子范围。
在产生了图6至图9中图示的结果的测试中，UT扫描被设置使得来自靶表面的最大反射信号比输出屏上的满标度低20%。在该点上，来自靶内的不同界面(诸如焊料/靶界面等)的其它峰值相比之下是非常小的。然后，所有的信号频谱被放大+16dB，以便增加所有峰值的高度，以获得更高的灵敏度。从外表面反射的信号现在完全偏离标度(off scale)，但现在其它较小信号在显示屏上良好可见。应理解的是，本文中提及的超声波传感器信号的衰减的标度当然取决于扫描系统的特征和调整，诸如来自于扫描器中使用的超声波源的信号强度。因此，本文中提及的标度不应被认为是绝对标度。
使用上述设置，如果区域展现出-20dB到-7dB的相对低的衰减(其在图6至图9中以淡灰色示出)，因此这表明强烈的超声波信号，则该区域被分类为接近完美的且具有良好质量的结合界面。展现出在-7dB到-3dB之间的衰减的区域(在图6到图9中以交叉的影线示出)被分类成良好但并不是那么完美。示出了-3dB到+1.5dB的衰减(其表明微弱反射的且因此强烈减弱的超声波信号)的区域被认为是表明不充分的结合，并且这些区域在图6至图9中以具有白点的黑色示出。具有不充分或失效的结合的此类区域可导致靶运行期间的局部加热，由于在那些区域中结合部的导热性且由此冷却效率被降低。
因此，超声波测试扫描允许容易地辨别低吸收区域(强烈反射的信号，即良好质量的结合界面)与高吸收区域(微弱反射的信号，即不良的结合界面)。
在通过使用如以上所阐释的超声波测试扫描的旋转溅射靶的结合质量的评定和分类中，溅射靶组件优选为以三个步骤的评定程序进行评估，其中在第一级评定中总体靶面积被评估。
Figure 666790DEST_PATH_IMAGE001
如在以上表格中所表明的，在小于百分之5的总体靶面积展现出-3dB到+1.5dB的衰减(图6到图9中以黑点图示)的情况下，溅射靶组件分类为在溅射过程期间适合用于处理高功率的良好质量的产品。如果溅射靶组件展现出高的或中等的功率处理，则在第二级评定中评估单独套管的结合部质量。
第二级评定考虑了由本文中提出的方法生产的溅射靶组件，并且其通常具有0.5m到5m的长度，优选为由以堆叠的构造布置在背衬管上的多个单独的套管组成。在第二级评定中，单独评估了每个套管，其中应用了与第一级评定中类似的分类方案。
Figure 522620DEST_PATH_IMAGE002
Figure 515984DEST_PATH_IMAGE003
具体地，在超声波测试扫描示出了在二维超声波测试扫描上的较大的黑点区域(>10cm2)的情况下，如图7中示出的扫描中(尤其是右手边中)可见，靶的性能可能被严重危及且这将限制溅射期间的功率处理能力。因此，靶将被分类为可用于溅射但仅在低功率密度下使用的低功率产品。在图8中，超声波测试扫描示出了声纳图像上看到的一些黑点区域，但它们为小的孤立区(island)(<5mm2)且不会导致那些区域中的靶的冷却特征的较大退化。因此，该靶将被分类为“良好的”而且可用于中等功率到高功率的应用。
在图9中，整个超声波测试扫描为淡灰色的，表明靶/焊料界面处的良好反射信号且由此表明了非常良好的一致的结合部。该靶将被分类为“极好的”而且将可用于高溅射功率的应用中。它代表了优质级产品。
如从上文可见，使用超声波扫描技术来评估靶/结合界面的质量，有可能将该技术用作与靶制造过程相结合的工具以限定产品的性能。
使用本文中提出的溅射靶制造技术，其中采用焊料结合方法来将靶材料的圆柱或“套管”附接到金属背衬管上，随后通过超声波测试扫描过程来评估和分类产品，这种过程和无损评估的组合能够生产用于按结合部的完整性和功率处理性能进行分类的产品。
参考标记列表
10  溅射靶 
12  圆柱形背衬管
14  间隙
16  10的底涂层
18  10的中间层
20  10的保护层
22  12的底涂层
24  12的中间层
26  12的保护层 
28  焊料层
30  10和12的轴线
32  环形固定物
34  O形环密封件
36  O形环密封件
38  环形间隙
40  容器
42  供给管线
46  加热线圈
48  隔离材料
50  冷却环
52  泵
54  柔性软管
56  50的移动方向 
58  节段
60  节段
62  节段
64  基座
66  加热/冷却装置 
68  控制单元
70  阀
72  顶盖
74  O形环密封件
76  O形环密封件
78  环形间隙
80  配件 
82  真空泵
90  钢块
92  水
94  传感器
96  前表面
98  后表面 

Claims (26)

1. 一种形成圆柱形溅射靶组件的方法，所述方法包括以下步骤：
(a)提供圆柱形背衬管；
(b)提供圆柱形溅射靶，所述圆柱形溅射靶的内径大于所述背衬管的外径；
(c)围绕所述背衬管布置所述溅射靶；以及
(d)通过在所述背衬管与所述溅射靶之间提供焊料层来将所述溅射靶结合至所述背衬管；
其特征在于，步骤(d)包括使所述焊料层定向地固化。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中，在所述焊料层的固化期间，沿着所述溅射靶组件的纵向轴线建立温度梯度。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中，在所述焊料层的固化期间，建立冷却前部，所述冷却前部沿着所述溅射靶组件的所述纵向轴线逐渐地移动。
4. 根据权利要求3所述的方法，其中，在所述焊料层的固化期间，所述背衬管的内部逐渐地用冷却介质填充。
5. 根据权利要求3所述的方法，其中，在所述焊料层的固化期间，热交换装置定位在所述背衬管的内部内，所述热交换装置运行，从而使得热交换在其内实现的区域沿着所述溅射靶组件的所述纵向轴线逐渐地移动。
6. 根据权利要求3所述的方法，其中，在所述焊料层的固化期间，热交换装置定位在所述背衬管的内部内，所述热交换装置运行，从而使得热交换在其内实现的区域沿着所述溅射靶组件的所述纵向轴线逐渐地增大。
7. 根据权利要求3至6中任一项所述的方法，其中，在所述焊料层的固化期间，热交换装置围绕所述溅射靶的外部定位，所述热交换装置运行，从而使得热交换在其内实现的区域沿着所述溅射靶组件的所述纵向轴线逐渐地移动。
8. 根据权利要求7所述的方法，其中，在所述焊料层的固化期间，冷却环轴向地沿着所述溅射靶组件移动。
9. 根据权利要求3至6中任一项所述的方法，其中，在所述焊料层的固化期间，热交换装置围绕所述溅射靶的外部定位，所述热交换装置运行，从而使得热交换在其内实现的区域沿着所述溅射靶组件的所述纵向轴线逐渐地增大。
10. 根据权利要求6或9所述的方法，其中，所述热交换装置包括沿着所述溅射靶组件的所述纵向轴线定位的多个热交换区段，并且其中在所述焊料层的固化期间，所述热交换区段以按顺序的方式运行。
11. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在步骤(c)中，在所述背衬板与所述溅射靶之间形成间隙，并且其中步骤(d)包括将熔融焊料填充入所述间隙。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中，在步骤(d)期间，所述溅射靶与所述背衬管被定向使得它们的纵向轴线基本上是竖直的，并且其中所述熔融焊料从所述间隙的底部填充入所述间隙。
13. 根据权利要求11或12所述的方法，其中，在将熔融焊料填充入所述间隙期间，真空被施加至所述间隙。
14. 根据权利要求11至13中任一项所述的方法，其中，在将熔融焊料填充入所述间隙期间，所述溅射靶组件被加热，优选地被加热到高于所述焊料的熔点的温度。
15. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在步骤(c)之前所述背衬管的外部表面被磨光。
16. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，在步骤(c)之前，所述背衬管的外部表面和/或所述溅射靶的内部表面涂镀有结合层体系。
17. 根据权利要求16所述的方法，其中，所述结合层体系包括促进粘附的底涂层、中间层以及保护性顶涂层。
18. 根据权利要求17所述的方法，其中，所述底涂层包括钛层、铬层，或镍与铬的合金层，所述中间层包括镍、镍钒合金或钯，并且所述顶涂层包括银。
19. 根据权利要求16至18中任一项所述的方法，其中，所述结合层体系通过物理气相沉积来涂覆。
20. 根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述焊料层主要包括铟，并且优选地所述焊料层由铟组成。
21. 一种具有如通过超声波扫描器测量的结合部强度的圆柱形溅射靶组件，其包括：
圆柱形背衬管，其具有外径；
圆柱形溅射靶，其具有大于所述圆柱形背衬管的外径的内径，其中所述圆柱形背衬管同轴地设置在所述圆柱形溅射靶内，
所述溅射靶和所述背衬管由焊料材料结合，其中结合部具有如通过超声波扫描器测量的平均-3dB到+1.5dB的衰减。
22. 根据权利要求21所述的圆柱形溅射靶组件，其中，所述圆柱形溅射靶包括若干单独的节段。
23. 根据权利要求22所述的圆柱形溅射靶组件，其中，对结合至所述溅射靶的任何一个具体的单独节段，不存在大于10cm2的具有如通过所述超声波扫描器测量的在-3dB到+1.5dB的范围之外的衰减的单独的点。
24. 根据权利要求21所述的圆柱形溅射靶组件，其中，所述背衬管由铜、钛、不锈钢或镀镍不锈钢制成。
25. 根据权利要求21所述的圆柱形溅射靶组件，其中，所述溅射靶为陶瓷材料。
26. 根据权利要求21所述的圆柱形溅射靶组件，其中，所述陶瓷材料包括铟锡氧化物、铝锌氧化物、铜镓，以及氧化铝的混合物。
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