CN107663630A - 旋转靶材 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种旋转靶材，其包含靶材体、背衬管及接合件，所述接合件设置于所述靶材体与所述背衬管之间，且所述接合件包含可压缩结构与导电导热胶，所述可压缩结构为可压缩毯或可压缩片。利用所述接合件接合靶材体和背衬管不仅能有利于简化旋转靶材的工艺，更得以在维持靶材体和背衬管的接合强度的同时，提升旋转靶材的溅镀功率耐受度，进而提升其溅镀效率。

Description

旋转靶材

技术领域

本发明属于溅镀技术领域，尤其涉及一种旋转靶材。

背景技术

磁控溅镀法(magnetron sputtering)是通过在溅镀系统中加装磁控装置，通过磁场与电场之间的电磁效应改变电浆内电子的移动，达到提高游离率与溅镀效率的目的。传统利用磁控溅镀法溅镀平面靶材时，其溅镀行为会集中在切线磁场最强的靶材表面区域，形成跑道式的剥蚀，因而使平面靶材应用于磁控溅镀工艺的使用率仅有约35％至50％。

为设法解决平面靶材应用于磁控溅镀工艺所存在的问题，现有技术在进行磁控溅镀工艺时，会转而选用旋转靶材(rotatable sputtering target)进行。如中国台湾发明专利第I534283号所述，由于旋转靶材在磁控溅镀工艺中可得到均匀的剥蚀表面，其不仅能将靶材使用率提升至70％至80％，更能有助于延长靶材的使用寿命、降低制造成本、提高工艺产量，因而改善所溅镀而成的薄膜的质量。

然而，旋转靶材的靶材体与背衬管的接合技术比平面靶材的靶材体与平面背板的接合技术复杂许多，现有技术多半是利用低熔点金属作为焊料，将此焊料填入旋转靶材的靶材体与背衬管之间的间隙，以达到接合的目的。

由于中空柱状的靶材体不易在焊合(bonding)时施加压力，致使靶材体与背衬管之间的接合力较差，容易在一定温度的溅镀工艺中发生靶材体与背衬管脱离的风险；且因背衬管、焊料与靶材体三者皆是由具有不同热膨胀系数的材料所构成，在焊合或溅镀工艺中，在靶材体与焊料之间以及焊料与背衬管之间的界面上会随着温度变化而产生热应力，当靶材体经一段溅镀时间而变薄时，即可能造成应力大于靶材体强度的情形，而使靶材体产生破裂。

此外，当焊料凝固时，其体积可能会收缩而产生界面收缩应力。溅镀时累积的热和应力常常导致接合层从背衬管或靶材体脱离，若此脱离的面积大到某个程度，则溅镀时热量从靶材体传递到背衬管会急剧减少，导致靶材体局部过热，从而引起更不均匀的热应力，最终致使在溅镀期间造成靶材体破裂，而中断薄膜沉积的工艺。

有鉴于上述技术问题，现有技术提出二种不同的技术手段，以设法改善靶材体产生破裂的问题。

如日本专利特开平6-301156号公报及日本专利特开平6-300734号公报所公开的内容，其中一种技术手段是将热膨胀系数介于焊料与靶材体之间的物质涂布于焊料与靶材体的接合面，在此接合面形成中间层，透过该中间层降低因温度变化所造成的应力。然而，采用此种方式不仅无法具体克服旋转靶材中靶材体与背衬管脱离的风险，且利用此种方式降低应力更会复杂化接合工艺，而徒增旋转靶材的制造成本。

再如中国台湾发明专利第555874号所公开的内容，另一种技术手段是采用具有压缩性的接合材料取代焊料，利用此种接合材料接合靶材体与背衬管。然而，采用较疏松的材料作为接合材料则无法顺利将溅镀时靶材体所累积的热量带走，致使旋转靶材的溅镀功率耐受度较差，而难以有效地延长旋转靶材的使用寿命。

发明内容

有鉴于上述技术缺陷，本发明的目的在于简化旋转靶材的工艺。本发明的另一目的在于兼顾旋转靶材中靶材体与背衬管之间的接合力的同时，提升旋转靶材在溅镀时的功率耐受度，进而延长旋转靶材的使用寿命、提升旋转靶材的溅镀效率。

为达成前述目的，本发明提供一种旋转靶材，其包含靶材体、背衬管及接合件，所述接合件设置于所述靶材体与所述背衬管之间，用以紧密接合靶材体与背衬管，且所述接合件包含可压缩结构与导电导热胶，所述可压缩结构为可压缩毯或可压缩片。

在上述旋转靶材中，优选的，所述接合件是由吸附有所述导电导热胶的可压缩结构所形成。因此，由可压缩结构和导电导热胶所构成的复合接合件不仅能提供接合、导电以及导热等功能，由于其更具有微幅的形变能力，故可有利于消除接合工艺及溅镀工艺中所产生的应力，从而抑制靶材体破裂的起因，增加靶材的溅镀功率耐受度。

在上述旋转靶材中，优选的，所述接合件的可压缩结构可为兼具导电性、导热性和可压缩性的结构；优选的，所述可压缩结构的材料为石墨毯、石墨片、碳毯、碳片、金属线或其组合。

在上述旋转靶材中，优选的，在其中一个实施方式中，所述接合件的导电导热胶是由热固性树脂所组成。

在上述旋转靶材中，优选的，在另一个实施方式中，所述接合件的导电导热胶包含多个导电粒子和热固性树脂；更优选的，所述导电粒子可为铝粒子、金粒子、银粒子、铜粒子、锌粒子、铁粒子、镍粒子或其组合，但并非仅限于此；而热固性树脂可为黏合树脂，其材料可为环氧树脂，但并非仅限于此。因此，当吸附有导电导热胶的可压缩结构装入背衬管与靶材体之间的间隙后，可利用简单的加热步骤完成整个旋转靶材的接合工艺，实现简化旋转靶材的工艺的目的。

在上述旋转靶材中，优选的，所述导电导热胶中导电粒子的含量为10体积百分比至60体积百分比。

举例而言，其导电导热胶可为如各种市售兼具导电性和导热性的产品，例如：3M公司贩卖的AF30产品或EC1660产品或其他东芝(GE)或陶氏化学公司贩卖的产品。

在上述旋转靶材中，优选的，所述接合件的导热系数大于20W/m；更优选的，所述接合件的电阻系数小于5×10^-3Ω·cm。

在上述旋转靶材中，优选的，所述靶材体可为中空状靶材体，所述靶材体可由陶瓷材料、金属材料或复合材料所制得，例如：铝锌氧化物、铟镓氧化物、硼锌氧化物、钼、铌或其组合，但并非仅限于此。

在上述旋转靶材中，优选的，所述背衬管可为具高强度、高导热性的金属所制得，例如：铜、含铜合金、含铝合金、钛或不锈钢，但并非仅限于此。

依据本发明，利用兼具导电性、导热性及压缩性的接合件接合靶材体与背衬管不仅能有利于简化旋转靶材的工艺，更能在确保旋转靶材中靶材体与背衬管能够紧密接合(即维持靶材体与背衬管之间具有一定接合强度)的同时，提升旋转靶材的溅镀功率耐受度，进而缩短溅镀工艺所需的时间、提升旋转靶材的溅镀效率。

附图说明

图1为制作实施例1及2与比较例5及6的旋转靶材时，利用组装辅助工具将背衬管与接合件组装至靶材体上的接合示意图；

图2为旋转靶材的剖面结构示意图；

图3为用于进行剪力拉伸测试的试片的剖面示意图。

符号说明：

10背衬管，20中空状靶材体，30接合件，D1外径，D2内径，

A组装辅助工具，F拉力。

具体实施方式

以下列举数种旋转靶材作为例示，说明本发明的实施方式；本领域技术人员可通过本说明书的内容轻易地了解本发明所能达成的优点与功效，并且在不悖离本发明的精神下进行各种修饰与变更，以施行或应用本发明的内容。

本实验是选用各种不同材料的接合件将不同的材料的靶材体与背衬管接合，制得实施例1及2与比较例1至6的旋转靶材。各实施例与比较例的旋转靶材的具体制备方法如下所述。

实施例1及2

首先，准备背衬管，其内径为125mm、外径为133mm，长度为1500mm。各实施例与比较例的背衬管的材料如下表1所示。

接着，将靶材体的原料通过烧结或熔铸、加工等工艺后形成、内径为142mm、外径为154mm、长度为700mm的中空状靶材体。各实施例与比较例的靶材体的材料如下表1所示。当制作实施例1的旋转靶材的中空状靶材体时，是将铟锡氧化物(ITO)通过烧结及加工等工艺形成前述的中空状靶材体；当制作实施例2的旋转靶材的中空状靶材体时，是将钼(Mo)通过熔铸及加工等工艺形成前述的中空状靶材体。

然后，如图1所示，选用组装辅助工具A，先将背衬管10装载在组装辅助工具A上，再将背衬管10与浸含有导电导热胶的石墨毯组装至中空状靶材体20中，再将此含有中空状靶材体20、含有石墨毯与导电导热胶的接合件30以及背衬管10的组件加热至250℃至450℃中持温5分钟，而后置于室温中逐渐冷却，即制得该旋转靶材。各实施例的接合件的材料如下表1所示。

更具体而言，在实施例1中，该导电导热胶是由热固性树脂所组成，而不含有金属粉末；而在实施例2中，该导电导热胶包含金属粉末和热固性树脂，且该导电导热胶中含有10vol％至60vol％的铝或铜金属粉末。

比较例1及2

首先，准备背衬管，其内径为125mm、外径为133mm，长度为1500mm。各比较例的背衬管的材料如下表1所示。

接着，将靶材体的原料通过烧结或熔铸、加工等工艺后形成、内径为142mm、外径为154mm、长度为700mm的中空状靶材体。各比较例的靶材体的材料如下表1所示。当制作比较例1的旋转靶材的中空状靶材体时，是将铝锌氧化物(AZO)通过烧结及加工等工艺形成前述的中空状靶材体；当制作比较例2的旋转靶材的中空状靶材体时，则是将铌(Nb)通过熔铸及加工等工艺形成前述的中空状靶材体。

最后，将上述中空状靶材体插入背衬管中，并置于170℃的环境中，再将熔融的铟焊料导入中空状靶材体与背衬管之间的间隙，将此含有中空状靶材体、铟接合材料及背衬管的组件置于室温中逐渐冷却，即制得比较例1及2的旋转靶材。

比较例3及4

首先，准备背衬管，其内径为125mm、外径为133mm，长度为1500mm。各比较例的背衬管的材料如下表1所示。

接着，将靶材体的原料通过烧结或熔铸、加工等工艺后形成、内径为142mm、外径为154mm、长度为700mm的中空状靶材体。各比较例的靶材体的材料如下表1所示。当制作比较例3的旋转靶材的中空状靶材体时，则是将铌通过熔铸及加工等工艺形成前述的中空状靶材体；当制作比较例4的旋转靶材的中空状靶材体时，是将铝锌氧化物通过烧结及加工等工艺形成前述的中空状靶材体。

最后，将上述中空状靶材体插入背衬管中，并将含有10vol％至60vol％铝金属粉末的导电导热的热固性树脂(在下表1中简称导电导热胶)导入中空状靶材体与背衬管之间的间隙，再将此含有中空状靶材体、导电导热胶及背衬管的组件加热至250℃至450℃中持温5分钟，而后置于室温中逐渐冷却，即制得比较例3及4的旋转靶材。

在比较例3及4中，用于形成接合件的导电导热胶是由含有10vol％至60vol％铝金属粉末的导电导热热固性树脂所组成。

比较例5及6

首先，准备背衬管，其内径为125mm、外径为133mm，长度为1500mm。各实施例与比较例的背衬管的材料如下表1所示。

接着，将靶材体的原料通过烧结或熔铸、加工等工艺后形成、内径为142mm、外径为154mm、长度为700mm的中空状靶材体。各实施例与比较例的靶材体的材料如下表1所示。当制作比较例5的旋转靶材的中空状靶材体时，是将铟锡氧化物通过烧结及加工等工艺形成前述的中空状靶材体；当制作比较例6的旋转靶材的中空状靶材体时，是将钼通过熔铸及加工等工艺形成前述的中空状靶材体。

然后，如图1所示，选用组装辅助工具A，先将背衬管10装载在组装辅助工具A上，再将背衬管10与接合件30组装至中空状靶材体20中，即制得比较例5及6的旋转靶材。各实施例与比较例的接合件的材料如下表1所示。

表1：实施例1及2、比较例1至6的旋转靶材中靶材体、背衬管及接合件的材料以及实施例1及2、比较例1至6的旋转靶材的剪力拉伸强度及其所适用的最大耐受功率。

通过前述制备方法，各实施例与比较例所制得的旋转靶材具有如图2所示的结构。该旋转靶材具有背衬管10、中空状靶材体20及接合件30，该接合件30设置于该背衬管10和该中空状靶材体20之间，以接合该背衬管10和该中空状靶材体20。其中，该中空状靶材体20的内径D2大于该背衬管10的内径D1大约9mm，且该中空状靶材体20与背衬管10之间的间隙是供容置前述接合件30。

试验例1：接合强度

本试验例选用前述实施例1及2和比较例3及4的旋转靶材为试验对象，将各旋转靶材切下一段试片进行剪力拉伸测试(shear test)，以评估各旋转靶材的接合强度。各试片的几何外形剖面如图3所示。

各试片全长166mm，宽10mm。其中，中空状靶材体与背衬管各长度为83mm、厚度为3mm，接合件的长度为20mm、厚度为4.5mm。

接着，如图3所示，以万能试验机执行试验时，利用夹具夹住试片两端(即，位于接合件30上的背衬管10的末端为试片其中一端，位于接合件30上另一侧的靶材体20的末端为试片另一端)，其中一端固定、另一端以50mm/min的速率施予拉力F拉伸试片，并记录试片破坏时的平均剪应力，其结果如上表1所示。

如表1所示，不论是实施例1的陶瓷旋转靶材或实施例2的金属旋转靶材，利用石墨毯及导电导热胶作为接合件的材料，所制得的旋转靶材的接合强度皆可达到如同比较例3及4的旋转靶材的接合强度。实验结果显示，选用石墨毯及导电导热胶作为接合件的材料，仍可有效接合靶材体与背衬管的目的，获得具有良好接合性的旋转靶材。

试验例2：最大耐受功率

本试验例选用前述实施例1及2和比较例1至6的旋转靶材为试验对象，将各旋转靶材置入溅镀室中，该溅镀室包含直流电源供应器、接地遮蔽物、气体入口、真空泵以及可供置放基板的基座。在进行溅镀时，将旋转靶材与电源阴极相连，并在该溅镀室中置入基板，再通入流量20sccm的氩气，以100W至1500W的直流电功率、溅镀室维持5mtorr真空度下进行溅镀工艺。

接着，在前述直流电功率的范围内逐步提高溅镀功率，并观察旋转靶材在特定溅镀功率下是否发生靶材体与背衬管的焊合失效而导致靶材体无法随着背衬管一起转动或发生靶材体破裂等状况，当观察到前述状况时记录下当时施加的直流电功率，以直流电功率相对于靶材体的面积，即为该旋转靶材所能承受的最大耐受功率。其结果如上表1所示。

如上表1所示，不论是实施例1的陶瓷旋转靶材或实施例2的金属旋转靶材，利用石墨毯及导电导热胶作为接合件的材料，实施例1及2的旋转靶材在溅镀时的最大耐受功率皆大于比较例1至6的旋转靶材在溅镀时的最大耐受功率，显示实施例1及2的旋转靶材的溅镀功率耐受度明显优于比较例1至6的旋转靶材的溅镀功率耐受度；尤其，实施例1及2的旋转靶材在溅镀时的最大耐受功率更显著大于比较例1及2的旋转靶材在溅镀时的最大耐受功率。

综上所述，本发明选用石墨毯及导电导热胶作为接合件的材料，利用此种接合件接合中空状靶材体和背衬管不仅能兼顾前述二者的接合强度外，更能大幅地提升旋转靶材的溅镀功率耐受度，同时有助于提升旋转靶材的溅镀效率、延长旋转靶材的使用寿命，因而令本发明的旋转靶材具有优越的发展潜力。

上述实施例仅为说明本发明的例示，并非在任何方面限制本发明所主张的权利范围。本发明所主张的权利范围自应以权利要求范围所述为准，而非仅限于上述具体实施例。

Claims (10)

1.一种旋转靶材，其包含靶材体、背衬管及接合件，所述接合件设置于所述靶材体与所述背衬管之间，且所述接合件包含可压缩结构与导电导热胶，所述可压缩结构为可压缩毯或可压缩片。

2.根据权利要求1所述的旋转靶材，其中，所述接合件是由吸附有所述导电导热胶的可压缩结构所形成。

3.根据权利要求1所述的旋转靶材，其中，其中所述可压缩结构为石墨毯、石墨片、碳毯、碳片、金属线或其组合。

4.根据权利要求1所述的旋转靶材，其中，所述接合件的导热系数大于20W/m。

5.根据权利要求1所述的旋转靶材，其中，所述接合件的电阻系数小于5×10^-3Ω·cm。

6.根据权利要求1所述的旋转靶材，其中，所述接合件的导电导热胶是由热固性树脂所组成。

7.根据权利要求1所述的旋转靶材，其中，所述接合件的导电导热胶包含多个导电粒子和热固性树脂，所述导电粒子的含量为10体积百分比至60体积百分比。

8.根据权利要求7所述的旋转靶材，其中，所述导电粒子为铝粒子、金粒子、银粒子、铜粒子、锌粒子、铁粒子、镍粒子或其组合。

9.根据权利要求1-8任一项所述的旋转靶材，其中，所述靶材体是由陶瓷材料、金属材料或复合材料所制得。

10.根据权利要求1-8任一项所述的旋转靶材，其中，所述背衬管的材料为铜、含铜合金、含铝合金、钛或不锈钢。