CN1527887A - 带凹槽的溅射靶 - Google Patents

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Abstract

此方法制造了溅射靶组件(30)。其首先包括制造靶芯(10)的步骤。靶芯(10)具有屈服强度、直径、高度、平坦的顶面和圆锥状的底面(12)。接着制造背板(20)。背板(20)具有与靶芯(10)直径一致的圆柱形凹槽(22)。圆柱形凹槽(22)的深度小于靶芯(10)的高度，其屈服强度也小于靶芯(10)的屈服强度。最后，将靶芯(10)压入背板(20)的圆柱形凹槽(22)，以将靶芯(10)结合到背板(20)上，从而形成靶组件(30)。压制的靶组件(30)包括带有圆锥形底面(12)的靶芯(10)。

Description

带凹槽的溅射靶
技术领域
本发明涉及带凹槽的溅射靶领域，特别涉及制造带凹槽的溅射靶的方法。
背景技术
在溅射靶的制造领域中，有不同的方法用于将靶材料结合到背板上。曾经，有靶的制造者将靶焊接到背板上。随着溅射温度升高和靶尺寸的增大，出于如下的缺陷，焊接手段无法提供必要的结合：1)低熔化温度限制了容器操作温度；2)焊接的高蒸气压力给容器带来了杂质；以及3)低结合力，特别在升高温度时，导致偶然性的结合失败。由于松结的靶不仅会损坏晶片，而且会损坏其静电支撑夹盘，所以避免结合失败至关重要。实际上，结合的完整性对于溅射靶制造者是如此重要，使得Hunt等人在US专利No.6092427中研发了一种特殊方法，用于制备和测试结合界面评价样本。此方法评价了溅射靶和背板之间的结合强度。样本的材料通过在一端构造的第一开口和构造为使第一开口一分为二的一个螺纹开口来除去。使这些开口螺纹化并拉伸这些螺纹开口来测量结合强度。
鉴于以上问题，商用靶制造者对实现牢固结合提出了几个解决方法。例如，在US专利No.6071389中，H.Zhang揭示了钛夹层被用于将钴靶扩散结合到铝或铜背板。通过电镀、溅射、非电解镀或等离子喷涂完成沉积钛夹层的过程。沉积的钛结合了钴和背板材料。此过程还要依靠在靶和背板中加工凹槽以进一步改进其结合。
Hunt等人在US专利No.5836506和6073830中揭示了一个用于粗糙化圆柱形靶背面和侧面并使靶的背面和侧面扩散结合到背板的方法。此方法形成了一个固态结合，并且被证明对将靶固定到背板上非常有效。不幸的是，由于靶优先溅射中央，在溅射中圆柱形靶的产出率或者利用率远远低于100％。由于优先在中央区域溅射而导致的低产出率使得还需要改进靶的利用率。
发明内容
所述方法制造出溅射靶组件。其首先包括制造靶芯的步骤。靶芯具有屈服强度、直径、高度、平坦的顶面和圆锥状的底面。然后制造背板。背板具有与靶芯直径符合的圆柱形凹槽。圆柱形凹槽的深度小于靶芯的高度，其屈服强度也小于靶芯的屈服强度。最后，将靶芯压入背板的圆柱形凹槽，使靶芯与背板相结合，从而形成靶组件。压入而得的靶组件包括具有圆锥状后表面的靶芯。
溅射靶组件包括圆柱形背板。圆柱形背板具有平坦的前表面并在前表面上有凹槽。靶芯在背板的凹槽内与背板相结合。靶芯具有平坦的前表面和后表面。后表面的表面积至少约50％为圆锥状或具有锥度。后表面结合到背板上，使靶芯固定到了背板上，从而形成了靶组件。
附图说明
图1是表示将锥型靶芯压入背板过程的示意图。
图2是标准圆形靶组件横截面示意图。
图3A是嵌入圆形背板的圆形平截锥体靶俯视示意图。
图3B是图3A沿1-1线所得横截面示意图。
图4是嵌入圆形背板的圆形锥状靶横截面示意图。
详细描述
本发明提供一种用于形成采用固态结合的溅射靶组件的方法。如图1所示，此过程依赖于具有锥状底面12的靶芯10和具有部分配合的圆柱形凹槽22的背板20。在圆柱形凹槽22中压入靶芯10使背板20变形，从而形成靶/背板组件30。在此步骤中，平截锥形底面12保持其形状并形成了结合。此结合将靶芯10的锥形或平截锥形底面12固定到背板20上。
制造锥形或有角度的表面12的方法可以包括但不限于机械加工、锻造、压制、铸造、热等静压(HIP)粉末和旋压的生产方法。有利的是，此过程包括将靶芯直接压制成为圆锥体或部分锥形以消除在加工中发生的材料损失。最适合的方法依赖于靶材料。很多靶材料适合用热压或甚至冷压将靶成形。此举避免了机械加工步骤并增加了产率。高产率对于高成本靶材料，例如高纯度钨和钽靶材而言非常重要。对于这些材料来说，将此靶组件直接压成靶芯形状对制造靶是最合适的途径。对于这些材料来说，这表明与机械加工锥形靶芯而得到符合锥形背板的平面相比，明显地节约了成本和时间。
另外，高纯度粉末例如钨粉末的使用，使得生产者直接将粉末压制成接近最终形状的靶芯。
适合的是，在压制期间，维持靶芯和背板温度高于200℃至少一个小时可以改进其结合。更适合的是，在温度至少400℃时进行压制会更好地改进靶芯底面和背板之间的结合。
背板20包括一个机械加工背板而成的圆柱形凹槽22。更适合的是，延展性金属或合金，例如铝、铜、铝基合金或铜基合金构成背板。铝基合金，如合金6061提供了必要的延展性。另外，在压制时，背板的屈服强度应该小于靶材料的屈服强度。任选地，背板凹槽22可以包括正方形、锥形或圆形拐角。凹槽22的容积大约等于锥形芯12的容积。这提供了有效的结合而不导致过度的背板变形。适合的是，凹槽22的容积至少为锥形芯12容积的90％，从而避免在锥形芯12压入凹槽22过程中的过度变形。类似地，凹槽22的容积适合为小于锥形芯容积的约120％，以进行良好压制和避免背板材料的浪费。更适合的是，凹槽22的容积约等于锥形靶芯的容积以限制应力并使结合最大化。
将锥形靶芯压入凹槽形成靶组件。在压入后，靶材料保持着其原来的平截锥体形状。此步骤依赖于热压，如真空热压或HIP过程来形成最终的组件。当组件在压力下加热时，背板材料达到塑料形变状态，此状态便于形成坚固的固态结合。高温压制促进了靶材料和背板的反应。对于某些系统，如钛靶和铝背板而言，使材料一起扩散并且反应而形成有助于结合强度的反应产物是有利的。
在压制后，准备好的靶组件可进行精加工操作，比如最终的靶机械加工、抛光、清洁和在背板上加工螺纹装配孔。如图2和4所示，最终机加工过程通常去除了接近靶芯侧面的背板。溅射室规格决定从背板顶部的移除量。
图2表示一个标准靶组件40，其由圆形靶42结合到圆形背板44上而形成。如图3A和3B所述，有利的是，靶组件50有利地包括靶芯52，该靶芯沿平截界面54和锥形界面56结合到背板58上。平截界面的直径为D，并且锥形界面形成了长度为L的环。长度L平行于锥形界面56延伸。锥形界面56至少由靶芯和背板间结合面的约50％组成。更合适地，其至少由靶芯总结合面的约60％组成。靶可以少用约15％和少用高达20％的材料，以降低制造成本并达到同样的利用率，而且可以装配为标准靶组件。
图4表示靶组件60的任选的锥形构造。在此设计中，圆形靶芯62沿锥形结合界面66结合到圆形背板64上。图4代表了具有和图3A(图4和图3A俯视图的唯一区别是它示出了物品60、62和64)相同的俯视图(未画出)的圆形靶。
本发明的结合界面并非使其本身使用配套加工槽，因为加工槽会影响背板塑性变形。然而，适合的是，表面处理步骤使靶芯以及圆柱形凹槽的侧面和锥形面粗糙化，从而在待结合的平面上形成不平坦的表面形貌。合适的表面粗糙技术包括但不限于颗粒喷砂、喷丸加工和蚀刻。颗粒喷砂中使用的颗粒非限制性地选自：粗砂、沙、玻璃珠和钢粒。在压制过程中加热组分的时候，此过程会导致相应结合面轻微的损坏。最适合的是，用粗砂喷砂的过程来粗糙化靶芯以促进形成所希望的固态结合。
实施例
尺寸为直径13.572″(34.5cm)×厚度0.750″(1.9cm)的市售99.99％纯度的钛圆盘具有在底部结合面所加工的3°的角。此圆盘的底部结合面形成了类圆锥状。将此钛圆盘放入加工为6061-T6铝圆盘的圆柱形凹槽中。此凹槽的容积等于钛靶芯的容积。在15ksi(103Mpa)、510℃下进行HIP过程2小时，将芯结合到了背板上。在HIP过程中，铝圆盘变成塑态并与锥形钛靶的3°角形状相一致。在HIP过程中发生的塑态变形保证了可靠的固态结合。通过超声波测试、张力测试和金相学方法评价此结合来确定结合的完整性和强度。
在HIP之后的超声波测试分析显示在背板和靶之间有100％的结合。另外，超声波测试发现在靶边缘区域有微小空隙。
金相学分析表明，带有凹槽背板的方角所导致的一个小空隙的坚固结合界面，没有完全受挤压和变形。此空隙的位置和尺寸对于靶的性能不产生影响。而且，底面和侧面的结合与用扩散结合技术完成的整体固态结合相同。此外，后来的测试显示位于凹槽侧壁的倒角消除了所有的空隙。
根据具有两个螺纹开口样品的两次张力测试方法确认了优秀的结合。沿结合界面切开的两个样品均存在铝断裂。第一个样品在1920lbs.(13.2MPa)时断裂。第二个样品在1830lbs.(12.6MPa)时断裂。
需要指出的是，尽管给出了关于钛靶的实例，但用任何适合于溅射靶的合金或合成物比如铝、钛、铜、铬、钴、镍和钽来进行该过程时均具有相似效果。另外，实施该过程的靶材料和背板可以是相似或不相似的合金。例如，可以将铝合金靶放入铝背板或铜背板中。
锥形靶设计应用了便于制造的工艺来使相应的背板凹进，并且该设计适用于不同类型的制造设备。此过程不需要特别的成本来进行大强度的背板坯加工，并且降低了所需要的制造时间。此外，还能制造边缘厚度减少的溅射靶(典型地20-35％)。由于此靶组件优先从其中央溅射，此靶不需要改变标准操作条件。任选地，与常规的圆柱形靶芯相比，不对溅射系统的标准溅射程序进行调整，该设计即可增加靶材料的厚度。此外，通过降低靶材料的需要量而增加溅射工具的生产力，从而减少了成本。最后，此过程也便于形成强真空相容的结合。这些结合比实际的背板本身的强度更大。最后，此过程减少了新设计和新产品所需的设计和制造时间。
不背离本发明的范围可得出许多可行的实施例和溅射靶的构型，从而应该明白的是，这里所描述的所有情况都是解释性的说明而非限定性的。

Claims (10)

1.一种制造溅射靶组件(30)的方法，其包括以下步骤：
a)制造一靶芯(10)，其具有屈服强度、直径、高度、平坦的顶面和圆锥状的底面(12)；
b)制造一个背板(20)，背板(20)具有与靶芯(10)直径一致的圆柱形凹槽(22)，圆柱形凹槽(22)的深度小于靶芯(10)的高度，其屈服强度小于靶芯(10)的屈服强度；和
c)将靶芯(10)压入背板(20)的圆柱形凹槽(22)，以将靶芯(10)结合到背板(20)上，从而形成靶组件(30)，靶组件(30)包括带有圆锥形底面(12)的靶芯(10)。
2.如权利要求1所述的方法，其中至少圆锥形底面(12)的50％结合到背板(20)上。
3.如权利要求1所述的方法包括维持靶芯(10)和背板(20)的温度在200℃以上至少1小时的附加步骤，以改进靶芯(10)的圆锥形底面(12)和背板(20)的结合。
4.一种制造溅射靶组件(30)的方法，其包括以下步骤：
a)压制靶芯(10)使其接近最终形状，靶芯(10)具有屈服强度、直径、高度、平坦的顶面和圆锥状的底面(12)；
b)制造一背板(20)，背板(20)具有与靶芯(10)直径一致的圆柱形凹槽(22)，圆柱形凹槽(22)的深度小于靶芯(10)的高度，其屈服强度小于靶芯(10)的屈服强度；和
c)将靶芯(10)热压入背板(20)的圆柱形凹槽(22)，以将靶芯(10)结合到背板(20)的圆柱形凹槽(22)上，从而形成靶组件(30)，靶组件(30)包括带有平截圆锥形底面(12)的靶芯(10)。
5.如权利要求4所述的方法，其中圆柱形凹槽(22)有一容积以及靶芯(10)有一体积；并且圆柱形凹槽(22)的容积介于靶芯(10)体积的90％和120％之间。
6.如权利要求4所述的方法，其中圆柱形凹槽(22)有一容积以及靶芯(10)有一体积；圆柱形凹槽(22)的容积大体上等于靶芯(10)的体积。
7.一种溅射靶组件，它包括：
圆柱形背板(20)，此圆柱形背板(20)具有平坦的顶面并在顶面上有凹槽(22)；和
靶芯(10)在背板(20)的凹槽(22)内与背板(20)相结合，靶芯(10)具有平坦的顶面和圆锥状的底面(12)，底面(12)上至少约50％的表面区域为圆锥形，并且底面(12)被结合到背板(20)上以将靶芯(10)固定到背板(20)上，从而形成靶组件(30)。
8.如权利要求7所述的溅射靶，其中凹槽(22)的形状与靶芯(10)的形状相一致。
9.如权利要求7所述的溅射靶，其中在靶芯(10)和背板(20)间的反应产物使靶芯(10)和背板(20)相结合。
10.如权利要求7所述的溅射靶，其中圆锥形界面将靶芯(10)结合到背板(20)上。
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