CN108431926A - 具有冷却结构的溅射靶背衬板组装件 - Google Patents

Abstract

形成整体背衬板的方法，其包括使用增材制造形成连续材料的三维结构，其包括在第一平面中形成基本平坦的第一侧、形成接合到所述第一侧的多个流动障碍物，所述多个流动障碍物具有在垂直于所述第一平面的方向上的厚度；形成限定在所述多个流动障碍物之间的多个流道；和在所述第一平面中形成基本平坦的第二侧，和均匀固化所述材料以使所述背衬板在所述第一侧、所述多个流动障碍物和所述第二侧各处包含均匀的连续材料结构。

Description

具有冷却结构的溅射靶背衬板组装件

技术领域

本公开涉及在物理气相沉积系统中与溅射靶一起使用的背衬板组装件。本公开还涉及包括冷却结构的使用增材制造法制成的背衬板。

背景

物理气相沉积法广泛用于在各种基片上形成材料薄膜。这样的沉积技术的一个重要领域是半导体制造。示例性物理气相沉积（“PVD”）装置8的一部分的图解视图显示在图1中。在一种构造中，溅射靶组装件10包含具有结合在其上的靶14的背衬板12。半导体材料晶片18在PVD装置10内并与靶14隔开提供。靶14的表面16是溅射表面。如所示，将靶14布置在基片18上方并放置其以使溅射表面16面向基片18。在运行中，溅射材料22从靶14的溅射表面16转移并用于在晶片18上形成涂层（或薄膜）20。在一些实施方案中，合适的基片18包括半导体制造中所用的晶片。

在示例性PVD工艺中，用能量轰击靶14直至来自溅射表面16的原子释放到周围气氛中并随后沉积在基片18上。在一种示例性用途中，使用等离子溅射以在电子学中所用的芯片或晶片上沉积薄金属膜。

尽管整体靶（monolithic targets）可用于一些溅射应用（其中整体是指由单块材料形成的靶而没有接合单独的背衬板），但大多数靶14如图1中所示接合到背衬板12。要理解的是，组合形成图1中所示的溅射靶组装件10的溅射靶14和背衬板12组装件是一种示例性构造，因为溅射靶14和背衬板12都可以为本领域技术人员理解的许多尺寸或形状的任一种。

靶14可以由适合PVD沉积工艺的任何金属形成。例如，靶14可包括铝、钒、铌、铜、钛、钽、钨、钌、锗、硒、锆、钼、铪及其合金和组合。当这样的示例性金属或合金意在作为膜沉积到表面上时，由所需金属或合金形成靶14，金属原子在PVD过程中从其移除并沉积到基片18上。

背衬板12可用于在PVD沉积工艺的过程中支承靶14。如本文中论述，PVD沉积工艺可能造成包括靶14和背衬板12的溅射靶组装件10的不合意物理变化。例如，PVD沉积工艺可能包括高热，其会造成靶14翘曲或变形。为防止这一点，可以设计溅射靶组装件10和组件以减少这些不合意的变化。背衬板12的性质，如高热容量和/或热导率可助于避免靶14和溅射靶组装件10的不合意变化。

控制溅射靶组装件10的性质的一个选项包括控制如何形成背衬板12。这可包括控制所用材料和在制造过程中如何处理材料。另一选项包括控制背衬板12的装配和用于形成背衬板12的各种组件的方法。

图2是示例性溅射靶组装件10的图解侧视图。通常通过作为整体形成靶14和背衬板12制造溅射靶组装件。图2是以单组件设计形成的此类溅射靶组装件10的图解视图。在单组件设计中，待溅射的材料或靶材在溅射过程中足够强以使整个溅射靶组装件10可以仅由靶材制造。这样的单组件设计可被称作整体溅射靶组装件。在整体溅射靶组装件10中要注意的一些特征是具有实心内部42的实心背衬板12。溅射表面16向下面向基片（未显示）。由于由单块材料形成，整体溅射靶组装件10在构成靶14的材料和构成背衬板12的材料之间没有连接或界面。通常在PVD室内在边缘将溅射靶组装件10用螺栓固定到靶安装板28上，溅射表面16朝下。如所示的溅射靶组装件10毗邻冷却组装件。在基本形式中，冷却组装件30向与面向靶14的侧相反的背衬板侧提供冷却流体34如水。

在如图3中图示说明的一种示例性双组件溅射靶组装件10设计中，背衬板12作为与靶14分开的组件形成。所示背衬板12是单实心板。靶14通过如紧固（fastening）、焊接（welding）、软钎焊（soldering），尤其是扩散结合之类的技术接合到背衬板12以形成溅射靶组装件10。背衬板12提供各种功能，包括整个溅射靶组装件10的机械性质的强化和物理性质的增强。如图3中所示的溅射靶组装件10包括将靶14和背衬板12接合后的两者。类似于图2中的单组件溅射靶组装件10，图3中的背衬板12是实心的42。但是，图3中的双组件设计引入溅射靶14和背衬板12的接合界面40。即使靶14和背衬板12由类似材料形成，溅射靶组装件10在垂直于溅射表面16的平面中剖开时也具有可见界面40，在此溅射靶材与背衬板材料会合或接合。界面40作为分隔溅射靶材和背衬板材料的线可见并可被称作结合线。当背衬板12和靶14由不同材料制成时，该结合线尤其可见。

将溅射靶组装件10用螺栓固定到具有靶安装板28的PVD中并可任选具有与冷却系统30接触的侧32。冷却系统30在溅射靶组装件10外并通过流经PVD系统的冷却流体34冷却。冷却是溅射系统的重要功能并且应该精心设计以避免否则由PVD沉积过程中所需的高功率造成的溅射靶组装件10的机械性质的退化。

如图4中图示说明，PVD系统可包括具有比图3中所示更复杂的冷却系统的溅射靶组装件10。在如图4中图示说明的一些实施方案中，中空背衬板，也称作背衬板组装件24可具有内置到背衬板组装件24中的内部冷却系统。因此可以迫使冷却流体34流入并在溅射靶组装件10本身内循环经过背衬板组装件24，而非如图3中在背衬板12外。例如，背衬板组装件24可具有在背衬板组装件24本身内的内腔，也称作冷却室50。为了制造具有含内部冷却室50的背衬板组装件24的溅射靶组装件10，背衬板组装件24包含单独形成的多件，它们稍后组合在一起以形成背衬板组装件24。

例如，溅射靶组装件10可包括接合到背衬板组装件24，如中空背衬板的靶14。背衬板组装件24又可通过组合或接合至少两侧形成，任一侧可具有一旦将这两侧接合在一起就在这两侧之间形成空腔以供冷却流体34流过的表面结构。

在一些实施方案中，背衬板组装件24包含至少两侧，例如第一侧46和第二侧48。第一侧46可被称作背衬或插入侧。类似图3中的背衬板12，图4中的背衬板组装件24具有背衬侧46，其具有连接或结合到靶14的结合表面40。背衬板组装件24包括接合到可被称作冷却侧的第二侧48的背衬侧46。背衬侧46和冷却侧46围绕它们的外周52接合并限定形成冷却室50的内腔。冷却室50容纳冷却流体34并在冷却流体34流过冷却室50时使其接触背衬侧46。冷却侧48允许冷却流体34被封闭在冷却室50内并在溅射操作过程中从靶14吸取热。

在本公开中，背衬板组装件24允许冷却流体34更靠近靶14和溅射靶表面16并因此更有效地经由背衬侧46从靶14吸取热。当冷却室50充满冷却流体34时，背衬板组装件24类似于热交换器，第一或背衬侧46限定传热面积。

为了冷却背衬板组装件24，将冷却流体34经流体输入口56（也称作流体进口或入口）引入冷却室50。然后允许冷却流体34接触背衬侧46。在接触背衬侧46后，经由与冷却室50流体连通的冷却流体输出口58或出口从冷却室50输出冷却流体34。如图4中所示，冷却流体输入口56可位于背衬板组装件24的侧面；但是，冷却流体输入口56可位于允许背衬板组装件24外部与冷却室50内部流体连通的任何位置。例如，冷却流体输入口56可穿过冷却侧48的表面。冷却流体输出口58或出口也可位于背衬板组装件24的侧面或在允许与冷却室50流体连通的任何位置。

在一些实施方案中，冷却室50可以是冷却流体34可流过的开放开阔空腔（openexpansive cavity）。在冷却室50内，冷却流体34可铺开并流过冷却室50的整个内表面。通常，可以将冷却流体34泵过冷却流体输入口56，流经冷却室50的内部并经冷却室输出口58离开冷却室50。可以通过控制经过冷却室50的体积流速控制冷却流体流动曲线。例如，相对较低的体积流速能使冷却流体34以层流形式穿过冷却室50。但是，在一些情况下可能需要更湍流曲线，并可以使用更高流速。

具有背衬板组装件24的一种示例性溅射靶组装件10包括由靶材，例如高纯度Al、Cu或Ti构成的靶14；其结合到背衬侧46，背衬侧46本身通过结合、硬钎焊或软钎焊接合到冷却侧48。背衬侧46和冷却侧48形成冷却室50的内腔，冷却流体34在其中流动。冷却室50可含有由在背衬侧46和冷却侧48之间均等分隔的流动障碍物限定的许多独立通道，它们推动从流体输入口56到流体输出口58的单向流体流动。任选在流体输入口56和流体输出口58和冷却通道68之间存在附加特征；它们的功能是在各冷却通道68之间均匀分配冷却流体34。

在一些实施方案中，背衬板组装件24由具有一定厚度的相对平面的背衬侧46构造。为了形成冷却通道，经过背衬侧厚度的一部分从背衬侧46除去材料。这可以用除去材料的加工机床完成。一旦制成冷却通道，可以通过将冷却侧的表面接合到流动障碍物的表面而将冷却侧接合到背衬侧。这一方法是时间和设备密集型方法。用于制造凹槽的工具通常昂贵，并且为形成冷却通道而除去的材料可能被浪费并通常难以再循环。

使用这些方法形成背衬板组装件24的另一缺点在于在将多个组件接合在一起时固有引入结合线。如图5中图示说明，在将两个之前分开的组件接合在一起的界面处发现结合线74。例如，背衬侧46、流动障碍物66或冷却侧48的任一种的接合表面可包括在将组件结合或焊接在一起后留下的结合线74。可以通过在垂直于这两个表面的接合界面的平面的方向上剖开该材料观察结合线74。即使在将具有类似材料的组件接合在一起后结合线74通常也可见。结合线74可能在该材料中引入结构缺陷并在该材料中提供弱点。当溅射靶组装件10处于溅射工艺中常存在的高应力状况，如升高的温度或压力下时，结合线74常是材料失效点。

双组件设计因此固有产生可能在溅射靶组装件10中潜在引入弱点的结合线74。例如，当溅射靶组装件10经受高温，如在溅射操作过程中达到的高温时，背衬板组装件24有可能在结合线处失效。当背衬板组装件24失效时，冷却流体可经由结合线从背衬板组装件24中漏出并到达PVD装置内部。当溅射靶组装件10或背衬板组装件24由两种或更多种不同种类的材料制成时，溅射靶组装件失效或背衬板组装件失效有可能增加。不同材料具有不同的热膨胀系数，因此以不同速率膨胀，这提高材料之间的结合失效的可能性。

除结合线74引入的问题外，较大尺寸的靶14和背衬板组装件24提高在背衬板组装件24内制造冷却通道68的复杂性。在形成冷却通道68后将背衬板组装件24的两侧接合在一起也带来接合背衬板组装件24的第一侧46和第二侧48的表面和流动障碍物66的表面的挑战。例如，对于具有极曲折流径的冷却通道68，接合背衬板组装件24的组件的表面需要额外的机械加工时间、精确编程和各种组件之间的对齐和至少两个接合操作。

概述

本文在实施例1中公开了形成与溅射靶一起使用的整体背衬板的方法。所述方法包括使用增材制造形成连续材料的三维结构。所述方法包括在第一平面中形成基本平坦的第一侧，所述第一侧具有第一表面和第二表面和在垂直于所述第一平面的方向上在所述第一和第二表面之间的厚度。所述方法进一步包括形成接合到所述第一侧的所述第二表面的多个流动障碍物，所述多个流动障碍物在平行于所述第一平面的方向上延伸并具有在垂直于所述第一平面的方向上的厚度。所述方法进一步包括形成限定在所述多个流动障碍物之间的多个流道并包括与所述多个流道流体连通的至少一个液体输入口和至少一个液体输出口。所述方法包括在所述第一平面中形成基本平坦的第二侧，所述第二侧具有接合到所述多个流动障碍物的第一表面，和第二表面和在垂直于所述第一平面的方向上在所述第一和第二表面之间的厚度。所述方法包括均匀固化所述材料以使所述背衬板在所述第一侧、所述多个流动障碍物和所述第二侧各处包含均匀的连续材料结构。

在实施例2中，实施例1的方法，其中形成所述背衬板包括形成单一整体材料，在所述第一侧、所述多个支承障碍物和所述第二侧之间没有结合线。

在实施例3中，实施例1或2任一项的方法，其中遍及所述第一侧、所述流动障碍物和所述第二侧的材料，整体形成所述背衬板材料。

在实施例4中，实施例1至3任一项的方法，其中所述整体背衬板的材料均匀沉积和固化以形成单一的一致材料。

在实施例5中，实施例1至4任一项的方法，其中所述形成步骤在单个连续制造过程中进行。

在实施例6中，实施例1至5任一项的方法，其进一步包括形成多个流道以使液体可进入液体输入口、在流动障碍物之间平行于所述第一平面流动并离开液体出口。

在实施例7中，实施例1至6任一项的方法，其进一步包括形成多个流道以使液体可进入液体输入口、在流动障碍物之间沿基本横穿所述第一侧的所述第二表面和所述第二侧的所述第一表面的区域的路径平行于所述第一平面流动并离开液体输出口。

在实施例8中，实施例1至7任一项的方法，其进一步包括由包括Al、Co、Cr、Cu、Ta、Ti、Ni、W及其合金、C、SiC、硼化物、氧化物和钢的材料形成整体背衬板。

本文在实施例9中公开了使用增材制造形成连续材料的溅射靶背衬板的方法。所述方法包括在第一平面中逐层反复沉积材料。所述方法进一步包括将沉积的材料固化到之前固化的层上以在所述第一平面中形成基本平坦的第一侧。所述第一侧具有第一表面和第二表面，在垂直于所述第一平面的方向上在所述第一和第二表面之间限定厚度。所述溅射靶背衬板具有接合到所述第一侧的所述第二表面的多个流动障碍物。所述多个流动障碍物在平行于所述第一平面的方向上延伸并具有在垂直于所述第一平面的方向上的厚度。所述溅射靶背衬板具有由所述多个流动障碍物限定的多个流道。所述溅射靶背衬板在所述第一平面中具有基本平坦的第二侧。所述第二侧具有接合到流动障碍物的第一表面和在垂直于所述第一平面的方向上在第一和第二表面之间限定厚度的第二表面。所述多个流道成型为使冷却流体在所述第一侧的所述第二表面和所述第二侧的所述第一表面之间流遍背衬板，且所述背衬板在所述第一侧、所述多个流动障碍物和所述第二侧各处包含整体一致的材料。

在实施例10中，实施例9的方法，其中形成所述背衬板包括形成单一整体材料，在所述第一侧、所述多个流动障碍物和所述第二侧之间没有结合线。

在实施例11中，实施例9或10的方法，其进一步包括固化所述背衬板的材料以形成在所述第一侧、所述流动障碍物和所述第二侧的材料各处一致的结晶结构。

在实施例12中，实施例9至11任一项的方法，其中所述整体背衬板的材料作为单材料体均匀成型。

在实施例13中，实施例9至12任一项的方法，其进一步包括在所述第二侧形成第二多个流动障碍物，所述第二多个流动障碍物限定成型为使冷却流体流过所述第二侧的所述第二多个流道。

在实施例14中，实施例9至13任一项的方法，其进一步包括由包括Al、Co、Cr、Cu、Ta、Ti、Ni、W及其合金、C、SiC、硼化物、氧化物和钢的材料形成整体背衬板。

本文在实施例15中公开了溅射靶背衬板，其包含具有在第一平面中由基本平坦的连续材料形成的整体结构的第一侧。所述第一侧具有第一表面和第二表面和在垂直于所述第一平面的方向上在所述第一和第二表面之间的厚度。所述溅射靶背衬板包含第二侧，其具有在所述第一平面中由基本平坦的连续材料形成的整体结构并具有第一表面、第二表面和在垂直于所述第一平面的方向上在所述第一和第二表面之间的厚度。所述溅射靶背衬板包含接合到所述第一侧的所述第二表面和所述第二侧的所述第一表面的多个支承障碍物，所述多个支承障碍物具有在垂直于所述第一平面的方向上的厚度并在平行于所述第一平面的方向上延伸以使所述多个支承障碍物各自具有大于在平行于所述第一平面的方向上的宽度的长度。所述溅射靶包含由所述第一侧、所述第二侧和所述多个支承障碍物限定的多个流道并包含液体入口和液体出口，以使液体可进入所述液体入口、在所述第一侧和所述第二侧之间平行于所述第一平面流动并离开所述液体出口。所述背衬板包含由所述第一侧、所述多个支承障碍物和所述第二侧连续形成的材料。

在实施例16中，实施例15的背衬板，其中所述背衬板包含单一整体材料，在所述第一侧、所述多个支承障碍物和所述第二侧之间没有结合线。

在实施例17中，实施例15或16的背衬板，其中所述背衬板的材料由单一结晶结构构成。

在实施例18中，实施例15至17任一项的背衬板，其中所述背衬板在单个加工步骤中形成。

在实施例19中，实施例15至18任一项的背衬板，其中形成所述多个流道以经由液体入口导入液体，在流动障碍物之间和在所述第一和第二侧之间传送液体并离开液体出口。

在实施例20中，实施例15至19任一项的背衬板，其中形成所述多个流道以使液体可进入所述液体入口、在流动障碍物之间沿横穿所述第一侧的所述第二表面和所述第二侧的所述第一表面的路径平行于所述第一平面流动并离开液体出口。

在实施例21中，实施例15至20任一项的背衬板，其中所述背衬板由包括Al、Co、Cr、Cu、Ta、Ti、Ni、W及其合金、C、SiC、硼化物、氧化物和钢的材料形成。

尽管公开了多个实施方案，但本领域技术人员从下列详述中可看出本发明的其它实施方案，下列详述显示和描述了本发明的示例性实施方案。因此，附图和详述应被视为示例性而非限制性的。

附图简述

图1是物理气相沉积装置的一部分的示意图。

图2是整体溅射靶组装件的示意图。

图3是溅射靶和背衬板组装件的示意图。

图4是具有含内部冷却室的背衬板的溅射靶组装件的示意图。

图5是形成冷却通道的两件式背衬板的示意图。

图6是一种示例性增材制造装置的示意图。

图7是一种示例性增材制造装置的示意图。

图8是一种示例性增材制造装置的示意图。

图9是一种示例性增材制造装置的示意图。

图10A和10B是使用增材制造形成背衬板的方法的图解视图。

图11A和11B是使用增材制造形成背衬板的方法的图解视图。

图12是具有冷却通道的示例性背衬板的示意图。

图13是根据本公开的实施方案的方法的流程图。

图14是根据本公开的实施方案的方法的流程图。

详述

由单块材料制成的溅射靶背衬板与由熔化在一起的多件构造的背衬板相比提供可能改进的性质。本文所用的术语整体或单块是指包含在单个增材制造过程中形成的单块材料（也称作均匀或整体结构）的物体，如背衬板或溅射靶/背衬板组装件。如在下列论述中显而易见，单个增材制造过程可包括相继步骤的迭代过程。

在一些实施方案中，本公开涉及由单块材料制成以形成具有基本中空内部的均匀或整体结构的整体溅射靶背衬板。在一些实施方案中，本公开涉及使用增材制造形成具有均匀或整体结构的整体溅射靶背衬板的方法。在一些实施方案中，本公开涉及在单个制造过程中形成溅射靶背衬板的方法。在一些实施方案中，该制造法可用于形成具有一定晶粒尺寸、密度或组成梯度的材料。

需要可以简化用于制造具有冷却室的背衬板的制造方法的方法。所用方法可有利地能够形成在材料接合后在背衬板组件之间没有结合线的背衬板。通过避免从预制板中除去材料以形成冷却通道的需要，降低或消除与机械加工冷却通道相关的成本和时间。此外，仅使用溅射靶组装件所需的量的材料的制造法减少所用的材料量，因此也降低原材料成本。

增材制造（“AM”）是通过沉积或结合构建材料以逐层堆积物体而制造三维(“3D”)物体的方法。设计数据将3D物体分解成在二维平面中的各层并通过以迭代方式添加各层所需的确切量的材料构建3D物体。因此，增材制造也被称作“3D打印”或“分层制造”。增材制造技术包括经由能量源，如激光、电子束或离子熔化熔融接合或增密沉积的材料。这些技术能够制造具有复杂空腔和通道的净形整体结构。

一个选项是使用这些技术由待溅射材料构建具有内部冷却通道的整体溅射靶和/或背衬板组装件。另一选项是使用增材制造技术由非常规材料，如复合材料、层压材料或其它独特材料制造具有或没有内部冷却通道的净形单块背衬板。然后可以将这些背衬板结合到靶材。在一些实施方案中，通过内部冷却通道引入增强的冷却可能足以提供没有单独背衬板的具有靶的整体溅射靶组装件。

增材制造通常可用于形成在内部流动障碍物和冷却侧或背衬侧之间的界面处没有分立结合线的整体背衬板。在一些实施方案中，增材制造可形成具有单一材料或整体材料或整体均匀的材料（被定义为在材料中没有分立结合线的材料）的背衬板。例如，单一材料或整体材料是可以被剖开并在剖开后沿该实心材料的暴露表面跟踪的路径没有遇到或穿过分立结合线的材料。

在一些实施方案中，本文中公开的方法包括使用AM形成包括溅射靶和背衬板的两件式溅射靶组装件，其中在单个步骤的过程中制造形成内腔的冷却和背衬（也称作插入）侧。使用AM，由于AM法的独特逐层沉积顺序，单个制造步骤是可能的。在一种示例性方法中，将通过传统热机械加工（“TMP”），如铸造、锻造、轧制或热处理制成的溅射靶接合到通过AM制成的背衬板。该背衬板可以构造成具有用于冷却流体循环的内腔。

图6图示说明了可与本公开的方法一起使用的一种示例性AM装置的示意图。图6中所示的实例包括常被称作粉末床熔化的技术，尽管各种AM技术可包括类似的示意图。AM装置可包括构建材料80，如金属或金属合金粉末的床。构建材料80也可以逐层沉积在构建平台82的顶部以保留要构建的三维结构84。构建材料80可以逐层彼此叠加并固化以逐渐形成三维结构84。构建平台82通常连接至升降机92，其相对于材料床80上下移动以助于增加构建材料80的附加层。通常将熔融或固化装置86安置在构建平台86上方。固化装置86可包括用于熔融构建材料80，如金属的装置，或可包括用于固化层压材料或其它材料的固化装置。熔融或固化装置86通常连接至栅格88，其相对于构建平台82移动熔融或固化装置86以熔融构建的材料的各种位置。在一些实施方案中，AM装置没有材料床80，而是熔融装置86包括分配器，其将材料熔融和分配到构建平台82上并增加后续材料层以构建三维结构84。通过控制如何基于升降机92和熔融和固化装置86的运动构建三维结构84的控制系统90控制升降机92和熔融和固化装置86。

AM是比需要机械加工和结合多个组件的传统方法更快和更精确地形成冷却通道的复杂设计的方式。此外，由于AM技术的优异能力，也可以更快实施新的更有效的通道设计，其中一些可能太复杂以致无法通过传统机械加工技术制造。由于溅射靶组装件材料传统上由金属和合金制成，在本文中公开了可用的AM方法的四种示例性类型。所公开的AM方法的四种类型是粉末床熔化、定向能量沉积、片材层压和粘合剂喷射，尽管随着技术发展可能提供额外的方法。

粉末床熔化

粉末床熔化是其中热能选择性熔化粉末床80的区域的AM方法，如图6中所示的那种。热能的来源通常是激光或电子束。该热能熔融粉末材料层的所选部分，其随后在冷却时变成固相。然后在粉末床80和最新熔化的层上方形成另一粉末层，并可再重复该过程。对于金属部件，通常需要锚将该部件连接到基板并支承面朝下的结构。这由于金属粉末的高熔点而有必要，如果不使用锚，所述高熔点会造成高的热梯度，其造成热应力和翘曲。粉末床熔化的其它常用工业名称包括激光熔融（LM）、选择性激光熔融/烧结（SLM/SLS）、直接金属激光烧结（DMLS）和电子束熔融。

定向能量沉积

图7图示说明定向能量沉积的一般示意图，其使用聚焦热能通过在沉积材料时熔融该材料而熔化材料。在这种方法中，在固体构建平台100上制造构建物体110。能够围绕多个轴旋转的臂102沉积线或粉末形式的材料104。将材料104沉积到构建物体110的现有表面112上。使用熔融沉积时的材料104的来自能量源106的聚焦能量108如激光、电子束或等离子弧熔融材料104。逐层增加进一步的材料104并固化，以在现有构建物体110上建立或修补新的材料结构。

在这种技术中，激光通常是能量108的来源并且材料104是金属粉末。在一些情况下，将金属粉末注射或沉积在通过激光形成的熔融金属池上。这种技术的其它名称包括喷粉AM和激光熔覆。一些独特的能力包括同时沉积几种材料，以使功能梯度部件成为可能。大多数定向能量沉积机器也具有4-或5-轴运动系统或机器人臂以定位沉积头，因此构建顺序不限于在平行平面上的相继水平层。混杂系统也可将粉末进料定向能量沉积与CNC铣削（例如4-或5-轴铣削）组合。

片材层压

片材层压是其中将材料片粘合以形成3D物体的AM方法。如图8中所示，通过辊122和任选用于提供材料片128的附加装置，如带124将构建材料的预制片材128定位在切削床120上。使用粘合剂在之前粘合的层126上将材料片128粘合就位。然后通过切削工具130如激光或刀具从粘合的材料片128切削所需形状。可以颠倒切削或粘合步骤，或可以在定位和粘合之前切削材料片128。

对于金属，通常以金属带或箔的形式提供片材。特别地，在超声增材制造（UAM）中，也可以通过由双高频换能器供应的超声能和由该系统的rolling sonotrobe制造的压缩力的组合将金属箔和带焊接在一起。片材层压技术可以与全数控机械加工能力组合。

粘合剂喷射

如图9中所示的粘合剂喷射涉及经液体粘合剂供应源140选择性分配的液体粘合剂，其经喷墨印刷头142喷嘴沉积以接合粉末床144中的粉末材料。对于粘合剂喷射，分配的材料不是构建材料，而是沉积到粉末床144上以将粉末以所需形状固结在一起的液体。粉末材料从粉末供应源146移出并使用辊150铺在构建平台148上。印刷头142视需要在粉末床144顶部上沉积粘合剂152。随着构建物体156建立，构建平台148下降。一旦之前沉积的层已粘合，通过辊150在构建物体156上铺开来自粉末供应源146的另一粉末层。形成构建物体156，其中粉末与粘合剂152粘合。未粘合的粉末留在构建物体156周围的粉末床144中。重复该过程直至制成整个构建物体156。

通过粘合剂喷射制成的金属部件通常必须在AM构建过程后烧结和用第二金属浸渗。一个实例是对不锈钢、青铜或铁部件使用青铜浸渗剂。其它浸渗剂可以是Al、玻璃或碳纤维。在构建后的炉周期过程中，烧除粘合剂并且青铜浸渗到该部件中以制造金属合金。

图10A和10B图示说明使用AM技术构建具有冷却通道的溅射靶背衬板的两种方法。优选的AM方法包括粉末床熔化和定向能量沉积，但对一些特定金属和合金可以使用片材层压和粘合剂喷射。

图10A显示使用AM构建背衬板组装件而不添加内部支承结构的方法。在步骤210中，使用热能或粘合材料逐层熔化或粘合构建材料以形成背衬侧。在已达到背衬侧的合适厚度后，在步骤220中在所选区域中沉积材料以建立流动障碍物。在一些实施方案中，可以通过堆积流动障碍物的材料限定由箭头225标示的流道，而不需要附加支承结构。一旦流动障碍物已建立至合适高度，可以在步骤230中通过构建冷却侧覆盖流道。冷却侧也逐层建立直至其达到足够高度。在步骤240中，可从AM机器中取出具有流道的背衬板并施以额外加工，如清洁或抛光。也可以在步骤240中添加溅射靶。在步骤250中，使用最终结合步骤，如热等静压（hipping）或焊接将溅射靶完全结合到背衬板并确保背衬板材料固化。

图10B显示与图10A中所示类似的使用AM构建背衬板组装件的方法，但图10B中所示的方法包括为冷却通道增加内部支承结构。在步骤260中，逐层构建材料以形成背衬侧。在步骤270中，在所选区域中沉积材料以建立流动障碍物。然后，也在步骤270中，使用构建材料建立流动障碍物和附加支承结构275。在另一实施方案中，支承结构是预制结构，将其置于背衬侧上，然后并入使用AM技术构造的整体中。例如，该支承结构可以预制并也可设计成具有薄壁的T形结构。一旦流动障碍物和支承结构已建立至合适高度，可以在步骤280中通过构建冷却侧覆盖流道。该支承结构有助于桥接流动障碍物之间的空间以堆积构成冷却侧的材料。冷却侧逐层建立直至其达到足够高度。在步骤290中，可从AM机器中取出具有流道的背衬板并施以额外加工，如清洁或抛光，并移除支承结构。也可以在步骤290中添加溅射靶。在步骤300中，使用最终结合方法，如热等静压或焊接将溅射靶完全结合到背衬板并确保背衬板材料固化。

图11A和11B图示说明与图10A和10B中类似的使用AM技术构建具有冷却通道的溅射靶背衬板的方法，但起始材料包括包含背衬侧部分的预制板。优选的AM方法包括粉末床熔化和定向能量沉积，但对一些特定金属和合金可以使用片材层压和粘合剂喷射。

图11A显示由预制板开始，使用AM构建背衬板组装件而不添加内部支承结构的方法。在步骤310中，将预制板置于AM机器中并使用热能或粘合材料将构建材料逐层熔化或粘合到该板上以形成整个背衬侧。图11A中的附加步骤320至350对应于图10A中的步骤220至250。在步骤320中，在所选区域中沉积材料以建立流动障碍物。在一些实施方案中，通过堆积流动障碍物的材料建立由箭头325标示的流道，而不需要附加支承结构。一旦流动障碍物已建立至合适高度，可以在步骤330中通过构建冷却侧覆盖流道。冷却侧逐层建立直至其达到足够高度。在步骤340中，可从AM机器中取出具有流道的背衬板并施以额外加工，如清洁或抛光。也可以在步骤340中添加溅射靶。在步骤350中，使用最终结合步骤，如热等静压或焊接将溅射靶完全结合到背衬板并确保背衬板材料固化。

图11B显示使用预制板作为起始材料的与图11A中所示类似的使用AM构建背衬板组装件的方法。但图11B中所示的方法包括为冷却通道增加内部支承结构。在步骤360中，将预制板置于AM机器中并使用热能或粘合材料将构建材料逐层熔化或粘合到该板上以形成整个背衬侧。在步骤370中，在所选区域中沉积材料以建立流动障碍物。然后，也在步骤370中，使用构建材料建立流动障碍物和附加支承结构375。在另一实施方案中，支承结构是预制结构，将其置于背衬侧上，然后并入使用AM技术构造的整体中。例如，该支承结构可以预制并也可设计成具有薄壁的T形结构。一旦流动障碍物和支承结构已建立至合适高度，可以在步骤380中通过构建冷却侧覆盖流道。该支承结构有助于桥接流动障碍物之间的空间以堆积构成冷却侧的材料。冷却侧逐层建立直至其达到足够高度。在步骤390中，可从AM机器中取出具有流道的背衬板并施以额外加工，如清洁或抛光，并移除支承结构。也可以在步骤390中添加溅射靶。在步骤400中，使用最终结合方法，如热等静压或焊接将溅射靶完全结合到背衬板上并确保背衬板材料固化。

作为背衬板材料沉积和使用的材料包括Al、Co、Cr、Cu、Ta、Ti、Ni、W及其合金，和钢，如不锈钢。可以例如使用附加材料，如C或碳纤维、SiC、硼化物（基于B的材料）或氧化物（基于O的材料）作为增强材料，或与所用金属和合金合并。在一些实施方案中，可以通过AM形成复合材料，其中可以使用碳化硅（SiC）、碳纤维、硼化物或氧化物（即Al₂O₃）作为基底金属和合金的增强材料。

图12包括具有第一层162和第二层164的背衬板160的一个示例性实施方案。如图12中所示，背衬板160第一层162可类似于参照图10A、10B、11A或11B描述的背衬板。第一层162可具有背衬层172、流动障碍物176、流道174和冷却层178。背衬层172、流动障碍物176、流道174和冷却层178可类似于参照图10A、10B、11A或11B描述的那些。背衬层172可配置成与靶接合且流道174可配置成将冷却流体，如水引导通过第一层162并冷却背衬板160。如图12中所示，背衬板160可任选包括接合到冷却层178的第二层164。第二层可包括添加到冷却层178上的附加流动障碍物182。附加流动障碍物182限定附加流道180。附加流道180可用于传送冷却流体如水。附加流道180可以以与流道174中的冷却流体的流动方向并流或逆流的方向传送冷却流体。第二层164可为第一层162提供额外冷却并且该整体为背衬板160提供比没有第二层164的背衬板更大的冷却作用。在一些实施方案中，第二层164可以使用与图10A、10B、11A或11B中所示的形成第一层162的方法类似的方法形成。在一些实施方案中，增材制造可用于以逐层方式构建第二层164的附加流动障碍物182以形成附加流道180。

根据一些实施方案使用AM构建背衬板组装件24的方法500的流程图图示说明在图13中。该方法考虑完全使用AM构建的背衬板组装件24。通过使用熔融或粘合步骤508接合构建材料制造第一侧。在使用金属的情况下，可以通过AM装置熔融粉末金属，固化以形成板或平面形式的固体层。可以通过随后在整个前一层上熔融和固化后续层而提高平面厚度。一旦已达到足够厚度，该AM构建平面相当于背衬层或冷却侧。接着，在步骤510中，可以在某些特定位置而非整个表面中堆积构建材料。在一些实施方案中，在与一个或多个流动障碍物对应的区域中添加该构建材料。

也可以构建除流动障碍物外的附加结构以稍后有助于在整个结构上构建平面。通常，对于涉及在未结合在先前层的区域上构建大平面的AM方法，应该构建支承结构。例如，冷却通道可包含支承结构或障碍物以为在之前未沉积的层上构建结构提供支撑。当通道不密集时这尤其有用。这也是在制造较大溅射靶背衬板时为后续层增加支撑的选项。

在流动障碍物已构建至合适高度（相当于冷却通道高度）后，在步骤512中在流动障碍物上方构建第二侧。在这一步骤512中，必须在不存在在先构建材料层的一些区域上方添加构建材料。在使用粉末床的AM技术，如粉末床熔化或与定向能量沉积和粘合剂喷射组合的粉末床熔化中，可以通过用松散粉末填充冷却通道之间的空腔制造冷却通道之间的空腔，所述松散粉末为在构建过程中构建第二侧提供支撑。使用松散粉末作为临时支承的一个优点在于其可消除使用预制支承结构的需要。可以稍后通过使磨料流体流过如上所述的空腔除去用作临时支承结构的松散粉末。在使用片材层压的实例中，当使用较厚片材或箔作为构建材料时不需要单独构建的支承结构。如果需要预制支承结构，使用的最佳设计通常是具有薄壁的T形结构。

在步骤512中构建第二侧后，整个背衬板装置作为固体单元形成。如果在步骤510中形成支承障碍物，它们可以在步骤514中除去以完全打开冷却室内的流道。在步骤516中，背衬板组装件可经过进一步步骤以硬化通过之前的AM步骤构建的材料。例如，如果构建金属材料，步骤516可包括通过对背衬板施以升高的温度以使金属重结晶而硬化。步骤514和516可以以任何顺序进行，取决于哪种更适合所用的特定材料。

最后，在步骤518中，一旦构建背衬板，任选清洁背衬板的表面。需要清洁以从该部件和构建平台除去金属粉末。应该除去所有过量的材料。AM材料可再循环，因此重复使用尽可能多的材料具有成本竞争力。此外，AM形成的部件可经过后热工艺，在此未除去的任何松散材料会截留在部件内。通过磨料流加工（AFM）可以有效清洁冷却室或冷却通道中的内腔。这一方法将磨料介质送过通道，随着磨料接触内壁而磨平通道或空腔。

另外，可以通过砂磨或抛光或任何其它清洁步骤清洁背衬板的外表面。在一些情况下，可以通过传统机械加工技术，如研磨或抛光除去任何外部金属支承结构。替代性地或附加地，可以通过例如将其浸在清洁流体中或化学蚀刻清洁整个背衬板。在操作中，过量的材料会阻碍冷却室内的冷却流体流动，因此应该除去。

在图14中图示说明的另一示例性方法600中，使用通常为板形式的坯料。将坯料在步骤608中通过传统热机械加工和处理技术，如铸造、锻造、轧制或ECAE加工以形成起始材料。该坯料可以已具有添加到坯料表面的一些机械加工结构以限定流动障碍物或冷却通道的起始结构。将该坯料置于AM机器内并将材料层整体形成到坯料上并在坯料顶部上相继构建。这一选项的一个优点在于起始板或坯料为要制造的整个AM部件提供支撑。第二个优点在于起始板将成为成品的组成部分并且如果需要，可提供更大密度和更高强度。

在步骤610中，任选通过将附加AM材料层添加到坯料的整个表面上进一步增厚坯料。或者，该坯料可包含整个第一侧并在步骤612中直接为该坯料添加流道。方法600中的后续步骤类似于方法500中的步骤。在步骤612中，在某些特定位置而非整个表面中堆积构建材料。在一些实施方案中，在与一个或多个流动障碍物对应的区域中添加该构建材料。也可以构建除流动障碍物外的附加结构以稍后有助于在整个结构上构建平面。

在流动障碍物已构建至合适高度（相当于冷却通道高度）后，在步骤614中在流动障碍物上方构建第二侧。在这一步骤614中，必须在不存在在先构建材料层的一些区域上方添加构建材料。在使用粉末床的AM技术，如粉末床熔化或与定向能量沉积和粘合剂喷射组合的粉末床熔化中，可以通过用松散粉末填充冷却通道之间的空腔制造冷却通道之间的空腔，所述松散粉末为构建第二侧提供支撑。使用松散粉末作为临时支承的一个优点在于其可消除使用预制支承结构的需要。可以稍后通过使磨料流体流过如上所述的空腔除去用作临时支承结构的松散粉末。在使用片材层压的实例中，当使用较厚片材或箔作为构建材料时不需要单独构建的支承结构。

在步骤614中构建第二侧后，整个背衬板装置作为固体单元形成。如果在步骤612中形成支承障碍物，它们可以在步骤616中除去以完全打开冷却室内的流道。在步骤618中，背衬板组装件可经过进一步步骤以硬化通过之前的AM步骤构建的材料。例如，如果构建金属材料，步骤618可包括通过对背衬板施以升高的温度以使金属重结晶而硬化。步骤616和618可以以任何顺序进行，取决于哪种更适合所用的特定材料。

最后，在步骤620中，一旦构建背衬板，任选清洁背衬板的表面。需要清洁以从该部件和构建平台除去金属粉末。应该除去所有过量的材料。此外，AM形成的部件可经过后热工艺，在此未除去的任何松散材料会截留在部件内。通过磨料流加工（“AFM”）可以有效清洁冷却室或冷却通道中的内腔。

另外，可以通过砂磨或抛光或任何其它清洁步骤清洁背衬板的外表面。在一些情况下，可以通过传统机械加工技术，如研磨或抛光除去任何外部金属支承结构。替代性地或附加地，可以通过例如将其浸在清洁流体中或化学蚀刻清洁整个背衬板。在操作中，过量的材料会阻碍空腔内的冷却流体流动，因此应该除去。

可以在步骤516和618中进行附加后AM热处理以消除应力和在AM制成部件中赋予更好的机械性质。例如，热处理可包括重结晶或热等静压。多步骤工艺可包括各种热处理方法。应力消除可以首先在远低于给定材料的静态重结晶的低温下进行。也可任选进行热等静压（HIP）或hipping以除去任何微孔隙或任何其它微缺陷，如微裂纹。作为附加处理，可以溶液热处理AM制成的部件。也可以沉淀硬化AM制成的部件以硬化该材料和改进该材料的均匀性。这些步骤可以单独或组合使用以影响和改变微结构。一个选项是使用热结合以通过热等静压接合靶材和具有内腔的AM加工的背衬板以同时将靶组装件结合在一起和热处理AM构建部件。

增材制造因此可允许制造商在单个制造步骤中作为单件连续材料制造溅射靶背衬板。制造连续材料背衬板导致使用过程中的塑性变形较低。由于已经观察到用于薄膜沉积到300mm或450mm晶片上的常规高功率/高通量溅射靶在使用时发生挠曲，这尤其有用。这些靶通常用铝或铜合金背衬板材料制造并在使用中通过在背衬板背面上的水冷冷却。对靶组装件的机械完整性的要求和对散热的要求随靶直径提高而提高以促进更大直径晶片的溅射。因此需要更强更刚性的背衬板材料，如复合材料、层压结构和非常规材料。此外，新的靶组装件通常获益于内部冷却通道以提高热导率和散热。制造复合材料和层压结构的常规方法通常成本过高。制造内部冷却通道的常规方法需要多件硬钎焊、软钎焊或扩散结合。这些方法也昂贵，涉及多个步骤，各界面为整个靶组装件中的缺陷创造机会。

在升高的温度下的塑性变形对背衬板，尤其是由具有高强度但低延性的材料制成的背衬板有害。由本文所述的方法制成的背衬板的一个优点在于提高的抗塑性变形性。提高的抗塑性变形性在背衬板中合意，因为其能使背衬板保持其原始形状，即使经历高温，如在溅射操作过程中经受的高温。

即使在经受高温时也不卷曲或弯曲的整体结构能使背衬板在溅射靶的整个寿命全程在靶和背衬板之间的整个界面与溅射靶保持接触。作为单件连续材料制成的背衬板也具有更高的结构完整性，因为在两件或更多件材料熔化在一起的界面处没有结合线。这实现溅射靶的更久更有效的使用并减少溅射过程中的中断。

可以对论述的示例性实施方案作出各种修改和添加而不背离本发明的范围。例如，尽管上述实施方案提到特定特征，但本发明的范围还包括具有特征的不同组合的实施方案和不包括所有上述特征的实施方案。

Claims (10)

1.形成与溅射靶一起使用的整体背衬板的方法，所述方法包括：

使用增材制造形成连续材料的三维结构，其包括

在第一平面中形成基本平坦的第一侧，所述第一侧具有第一表面和第二表面和在垂直于所述第一平面的方向上在所述第一和第二表面之间的厚度；

形成接合到所述第一侧的所述第二表面的多个流动障碍物，所述多个流动障碍物在平行于所述第一平面的方向上延伸并具有在垂直于所述第一平面的方向上的厚度；

形成限定在所述多个流动障碍物之间的多个流道并包括与所述多个流道流体连通的至少一个液体输入口和至少一个液体输出口；和

在所述第一平面中形成基本平坦的第二侧，所述第二侧具有接合到所述多个流动障碍物的第一表面，和第二表面和在垂直于所述第一平面的方向上在所述第一和第二表面之间的厚度；和

固化所述材料以使所述背衬板在所述第一侧、所述多个流动障碍物和所述第二侧各处包含均匀的连续材料结构。

2.权利要求1的方法，其中形成所述背衬板包括形成单一整体材料，在所述第一侧、所述多个支承障碍物和所述第二侧之间没有结合线。

3.权利要求1或2的方法，其中遍及所述第一侧、所述流动障碍物和所述第二侧的材料，整体形成所述背衬板材料。

4.权利要求1-3任一项的方法，其中所述整体背衬板的材料均匀沉积和固化以形成单一的一致材料。

5.权利要求1-4任一项的方法，其中所述形成步骤在单个连续制造方法中进行。

6.权利要求1-5任一项的方法，其进一步包括由包括Al、Co、Cr、Cu、Ta、Ti、Ni、W及其合金、C、SiC、硼化物、氧化物和钢的材料形成整体背衬板。

7.权利要求1-6任一项的方法，其进一步包括在所述第二侧的所述第二表面形成第二多个流动障碍物，所述第二多个流动障碍物限定成型为使冷却流体流过所述第二侧的所述第二多个流道。

8.溅射靶背衬板，其包含：

具有在第一平面中由基本平坦的连续材料形成的整体结构并具有第一表面和第二表面和在垂直于所述第一平面的方向上在所述第一和第二表面之间的厚度的第一侧；

具有在所述第一平面中由基本平坦的连续材料形成的整体结构并具有第一表面和第二表面和在垂直于所述第一平面的方向上在所述第一和第二表面之间的厚度的第二侧；

接合到所述第一侧的所述第二表面和所述第二侧的所述第一表面的多个支承障碍物，所述多个支承障碍物具有在垂直于所述第一平面的方向上的厚度并在平行于所述第一平面的方向上延伸以使所述多个支承障碍物各自具有大于在平行于所述第一平面的方向上的宽度的长度；

由所述第一侧、所述第二侧和所述多个支承障碍物限定的多个流道并包括液体入口和液体出口，以使液体可进入所述液体入口、在所述第一侧和所述第二侧之间平行于所述第一平面流动并离开所述液体出口；

其中所述背衬板包含由所述第一侧、所述多个支承障碍物和所述第二侧连续形成的材料。

9.权利要求8的背衬板，其中所述背衬板包含单一整体材料，在所述第一侧、所述多个支承障碍物和所述第二侧之间没有结合线。

10.权利要求8或9的背衬板，其中所述背衬板由包括Al、Co、Cr、Cu、Ta、Ti、Ni、W及其合金、C、SiC、硼化物、氧化物和钢的材料形成。