CN1771346A - 用于溅射靶的金属坯件的形成方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过仅修平金属板两个表面中的一个在金属坯件、盘和溅射靶的制造中的改进。修平金属板的第二表面的消去导致显著的成本降低。本发明的金属板优选具有0.005英寸或更小的单面平面度，其改善了靶坯件和背衬板之间粘结的可靠性。优选的金属包括，但不限于，钽、铌、钛及其合金。本发明还涉及机加工金属板的第一侧面，将第一侧面粘结到背衬板上，然后任选地机加工金属的第二侧面。

Description

用于溅射靶的金属坯件的形成方法

技术领域

本发明涉及一种制造溅射靶的方法，其相对于制备溅射靶的常规方法，降低加工成本并改善质量和可靠性。本发明进一步涉及制备改进的金属盘的方法。本发明还涉及一种降低溅射靶和/或金属盘制造成本的方法。

背景技术

在通常的金属制造尤其是溅射靶的领域中，出现的重要困难是与生产具有特别高的特殊尺寸要求的平面盘的成本有关。制备金属盘领域中通常的做法是修平最终形成金属盘如钽溅射靶预成型坯的金属坯件的两面。这需要研磨金属坯件的两面、轧制两面、或压平和/或表面修整金属两面。

因此，例如，平面溅射靶预成型坯可以由轧制的金属板加工得到。也可以使用制造溅射靶预成型坯的其它方法，如对圆柱形金属坯段(billet)进行锻造和随后处理。一般，溅射靶预成型坯的尺寸大于在粘结到背衬板上且完成精加工操作以生产溅射靶组件之后得到的最终溅射靶坯件的尺寸。

平面钽溅射靶的制造包括将钽板轧制至以下规格：一般比精加工的靶坯件的厚度大0.010～0.100英寸，和轧制规格(rolled gauge)约5～10％的厚度公差，水平轧制至0.050英寸的公称平面度，对板进行退火，将板粗切割成坯件，手动压平和表面修整的一些劳动密集型重复以获得0.010英寸或更小的平面度，然后机加工坯件至所需要的直径。这些预成型坯件然后出售给溅射靶制造商，他们将坯件粘结至背衬板上，然后将粘结的预成型坯的面和直径加工成如溅射设备原始设备制造商(OEM)或靶供应商的客户规定的用于装配的溅射靶的尺寸要求。

然而，生产的最终金属盘或溅射靶经常用于这样一种应用中，其中实际上，仅仅盘或溅射靶的一面真正受益于和/或需要高的特殊尺寸性能。

由于如钽的高固有成本和价值，因此，通常努力减少与钽有关的各种工艺过程中废料的产生。靶供应商对坯件的规格和直径采用严格的尺寸公差，以使得他们所购买材料的重量最小。此外，靶供应商喜欢满足0.005英寸平面度的坯件，其能显著改善靶坯件和背衬板之间粘结的可靠性。然而，在规格和平面度上达到这种严格的公差需要坯件的研磨和精磨，这个过程惊人的昂贵并产生过量的被称作金属屑的低价值研磨废料。一般，包含在金属屑中钽的价值低于机加工操作所产生的钽屑，这是因为从包含金属屑的研磨介质中分离钽颗粒通常是困难且昂贵的，而且与机加工相比，通过研磨污染钽的倾向更大。

因此，需要克服上述一项或多项缺点。

发明内容

本发明的一个特征是提供一种制造节省成本的金属产品的方法。本发明涉及避免与时间、劳动和金属材料损失有关的成本，它们都产生在金属平面物体两个表面的研磨过程中。

本发明的另一个特征是改变钽或其它金属靶坯件的公差，由此提高金属坯件、盘和溅射靶的生产。

本发明的另一个特征是提供一种通过仅将板的第一表面修平至约0.005英寸或更小的平面度来制造金属坯件的方法。

本发明进一步的特征是提供一种制造金属盘的方法。

本发明另一个进一步特征是提供一种金属坯件，其已经单面机加工，可粘结至底板上和提供所得到的合成物，其随后成形、切削或构置以形成期望的溅射靶。

本发明一个进一步特征是提供改进或降低制造金属坯件、盘和金属溅射靶的成本的方法。

本发明另一个进一步特征是提供一种由金属板或金属坯件制造金属制品的方法，由此使得制造过程中从制品上去除的材料价值最大化。

本发明另一个进一步特征是提供一种制造金属制品的方法，其减少了去除材料的污染量。

本发明另一个特征是提供一种减少由金属板或金属坯件制造金属盘的成本的方法。

本发明一个进一步特征是提供一种减少由板、坯件或盘制造金属溅射靶的成本的方法。

本发明附加的特征和优点将在随后的说明书中部分地阐明，并从说明书中部分的明晰，或可以通过实践本发明明白。本发明的目的和其它优点将通过在所写说明书和所附权利要求中特别指出的要素和组合实现和获得。

为了实现这些目的和其它优点及依照本发明的目的，如在此具体表达和广泛描述的那样，本发明涉及一种通过提供具有第一表面和第二表面的至少一个平面金属板来制造金属坯件的方法，其中，第一和第二表面基本平行；并仅将板的第一表面修平至约0.005英寸或更小，由此生产金属坯件。

本发明还涉及一种通过提供包括金属盘的金属溅射靶预成型坯、提供背衬板和提供任选的粘结剂且使靶预成型坯、背衬板和任选的粘结剂经受足够温度和足够压力足够长的时间，以提供、接受或获得金属靶和背衬板之间的粘结来形成溅射靶组件的方法。

应当理解，前面概述和下面的详细说明都是示例性和说明性的，且用于提供所要求保护的本发明的进一步解释。

附图说明

图1是轧制的金属板和机加工所述轧制的金属板之后生产的溅射靶的横截面示意图。

具体实施方式

本发明涉及提供具有一个平侧面的金属坯件、盘和溅射靶。与传统金属盘生产过程相比，仅具有一个平表面或侧面可提供一些好处。

为了本发明的目的，“基本平行”可定义为不会相交的平面。因此，对于金属板表面具有高的特殊尺寸性能如绝对平行的表面不是本发明的关键性限定。本领域技术人员能确定在本发明中有效的金属板、坯件、盘和/或溅射靶表面对真正平行的偏差度。

通常，“坯件”可以定义为可用于制造盘和/或溅射靶的金属体。在本发明范围内已知对坯件的尺寸没有具体限制。一般而言，术语“坯件”和“预成型坯”可以互换使用。一般而言，“金属板”可以定义为连续形式的任何金属，该形式例如挤出、压制或轧制的锭-冶金或粉末冶-金导生的(derived)板或坯段或其它非-粉末或非-小片形式。

一般而言，“X英寸的平面度”可以理解为在相对于总表面的任意一点从平面为0.000英寸的平面或完美平面的偏差的测量。

一般而言，“盘”尤其可理解为厚度与直径比为1或更小的直立圆柱。此处“盘”还包括椭圆形、三角形、矩形和其它多边形。当盘是矩形时，其优选包括至少部分圆形的角。对于本发明的盘没有已知的尺寸限制。

一般而言，“溅射靶”可以理解为用于通过如物理汽相沉积来沉积薄膜的源材料。这里，常见有用的溅射靶材料包括但并不限于金属，如钽、铜、钛、钴、铌、铂、银、金、铝及其组合或合金。

一般而言，“背衬板”可以理解为可接触坯件、盘或溅射靶的任何材料、化合物、金属基底、粘合剂、基础或其他支撑结构。上述金属也是用于背衬板的适合金属的例子。

一般而言，“粘结剂”可以定义为促进坯件和背衬板之间粘结形成的任何材料、化合物、金属基底、粘合剂、基板或其它支撑结构。

一般而言，研磨定义为通过由磨料颗粒或砂砾加上粘结材料组成的坚硬的、旋转的、研磨轮的切削作用从工件上去除材料的过程。

一般而言，机加工定义为通过使用非消耗性刀具而不使用可发生脱落而污染废金属的磨料颗粒或砂砾来从金属板或盘上去除材料的任何过程。

在本发明中，单词“面(face)”、“侧面(side)”和“表面(surface)”可以互换使用。

在本发明中，单词“溅射靶”(“sputtering target”)和“溅射靶”(“sputtertarget”)可以互换使用。

修平金属的一个表面可除去任何表面缺陷，如波纹、空隙、凹面或凸面，其可阻碍粘结完整性。

仅具有一个平面可使重复的压平操作减到最小或完全消除，因为压平操作的主要目的是生产具有足够平以允许随后粘结至背衬板上的平面的预成型坯。压平操作已经被认为是制造金属靶坯件的机加工成本的成本推进器，其代表在坯件机加工方法中的瓶颈。尽管该方法需要增大坯件的规格公差，以保证坯件在粘结和机加工步骤之后能满足最终公差，但劳动力和存货成本的预期节省将大于抵消稍微附加材料的生产成本。靶供应商遭受的任何附加生产成本将是最低的，因为本发明没有引入或需要新的机加工步骤。

此外，除了在不必要的研磨步骤中金属的实际损失以外，废料本身的价值通过本发明得到显著改进或提升。从钽盘两个表面研磨中回收的金属屑价值具有现值约50美元($50.00)/磅包含的钽，因为从研磨机中脱落出来的研磨材料会作为杂质与废金属混合，从而降低了废金属的价值。可以使用用于从原矿中提炼钽的相同化学操作和还原方法从研磨金属屑中回收钽。而且，还可使用机械分离方法，例如但并不限于重力分离、起泡或磁选，但是这些方法在分离全部钽和研磨介质中是效率低的，导致低的钽再生产量，且在从钽中分离全部研磨介质中也是效率低的，导致钽的污染。同样地，研磨金属屑中钽的价值类似于天然矿石中的钽的价值。从钽盘单个表面的机加工中回收的废金属具有现值大约100美元($100.00)/磅包含的金属，因为机加工不会向废金属中引入任何杂质或仅仅引入数量可以忽略的杂质。钽机加工废料可以容易地熔化为钽锭，而不需要化学提炼和还原处理，因此保持了来自该过程的附加值。

因此，生产具有一个平表面的金属靶坯件导致制造成本的显著降低，和机械工厂的生产量随后的增加。因此，本发明对于废料等级价值分布大的材料如钽、高纯铜和钛等是理想的。

以类似的方式，在随后的盘和溅射靶制备过程中能显著地节省成本。

优选地，具有仅一个平面的金属坯件、盘和溅射靶由电子管金属或其它金属制成。优选地，它们由如钽、铜、铝、钛、铌、钴、铂、银和金制成。其它例子包括含一种或多种这些金属的合金。优选的金属为钽。

优选地，金属坯件、盘或溅射靶的平面具有约0.060英寸至约0.001英寸的平面度，更优选地，具有约0.005英寸或更小的平面度。优选地，金属坯件对于约0.250至约0.500英寸的坯件厚度具有+0.100/-0.00英寸的公称厚度公差，对于小于约0.250英寸的坯件厚度具有+0.050/-0.00英寸的公称厚度公差。根据本发明的公称直径公差对于直径为约2至约24英寸的盘来可为+0.025/-0.00英寸。优选地，金属坯件具有板轧制规格的至少约5％的公称厚度公差，且更优选地，具有板轧制规格的约5％至约10％的公差。金属坯件、盘或溅射靶的非修平表面或第二表面可以具有约0.010英寸或更小至约0.075英寸或更大的平面度。优选地，第二表面具有约0.025英寸或更小的平面度，且更优选地，第二表面具有约0.015英寸或更小的平面度。

在一个实施例中，具有机加工或用其它方式加工至0.005英寸或更小平面度的第一表面的金属坯件可以首先成盘形，然后，固定在背衬板上，或可以立即粘结到背衬板上并以后可改变或重新定义(redefined)。

在一个实施例中，金属坯件的第二表面也是修平的。两面都经机加工修平的金属坯件、盘和溅射靶的供应与通过研磨生产的传统金属盘相比可提供一些好处。

金属坯件、盘或溅射靶的第二表面或侧面可以通过机加工至约0.025英寸或更小的平面度，且优选机加工第二侧面至约0.O05英寸或更小的平面度。第二表面的机加工可在将溅射靶预成型坯粘结到背衬板上之后完成，作为装配溅射靶精加工步骤的一部分。

如前面所述，机加工金属板不会向废料金属中引入或仅引入数量可以忽略的杂质。因此，由机加工金属板两个侧面生产的废金属的价值(现值约为$100/磅)比由研磨金属板两个侧面生产的废金属的价值(现值约为$50/磅包含的钽)更高。因此，替代研磨的机加工金属板两个侧面加工减少了金属坯件、盘和溅射靶生产的总成本。

用于生产溅射靶组件的方法不限于溅射靶制造中的步骤的顺序或次序。用于形成溅射靶组件的方法优选包括将溅射靶如金属坯件或金属盘连接或固定到背衬板上。

本领域普通技术人员已知的任何方法都能用来将溅射靶连接或固定到背衬板上。例如，溅射靶可以通过使用粘着材料、压力装置、热熔、焊接、铜焊、扩散粘结、爆炸粘结(explosion bonding)或使用机械装置如夹钳将溅射靶邻接到背衬板或背衬板前体组合物上。

此外，溅射靶组件可以任选地包括能在靶底和背衬板之间作为粘结助剂的夹层材料。该夹层材料可以是通过电镀、化学镀、汽相淀积、离子束镀膜或其它适于沉积薄膜的方式涂覆的薄膜涂层形式。夹层也可以是箔、板或块的形式。夹层材料的实例可以包括，但不限于，在美国专利6,376,281中出现的锆，在美国专利5,863,398和美国专利6,071,389中出现的钛，在美国专利5,693,203中出现的铜、铝、银、镍及其合金，和美国专利6,183,613B1中出现的石墨，以上每个都在此全部引入作为参考。

背衬板、夹层和/或粘结剂可以由任何材料、化合物、金属基底、粘合剂或能提供支撑结构的基础制成。

在一个实施例中，在第一表面获得约0.005英寸或更小的平面度之后，将第二表面修平。优选地，在金属坯件邻接到背衬板上之后将第二表面修平。优选地，靶的第二表面通过机加工修平。当机加工靶的第二表面时，背衬板可以提供足够的支撑。通过不提供背衬板支撑靶，靶会弯曲。因此，需要仅部分地机加工第一表面，然后部分地机加工第二表面，在第一表面和第二表面之间连续改变以防止在靶形成时弯曲。这个过程非常花费时间而且昂贵。同样，在粘结到背衬板上之后第二表面的机加工一般必需保证由OEM或靶制造商限定的尺寸规格。因此，当机加工第二表面时背衬板的使用可以减少生产成本，避免多余的机加工操作。

制造可成为本发明溅射靶一部分的金属坯件优选的方法包括供应至少一个具有第一表面和第二表面的金属板，其中第一和第二表面基本平行。优选地，将金属板的第一表面修平以形成金属坯件，其可以随后成形为盘形，然后固定到背衬板上，或金属坯件已修平的第一表面可以直接固定(如粘结)到背衬板上，其形状可以在以后改变或重新定义。

本发明所述步骤的次序并不是本发明的关键。因此，例如，本领域普通技术人员可以将金属板辊平成薄片，其已被单面机加工形成坯件，然后切割，机加工、或其它成形方式将坯件形成盘。盘然后可以固定在背衬板上以形成溅射靶组件。或者，可以切割所需最终溅射靶或盘的形状和尺寸，然后将第一表面机加工成所需要的平面度。

优选地，将金属的第一表面修平至约0.025英寸或更小，且更优选地修平至约0.005英寸或更小。优选地，金属坯件的第一表面通过机加工过程修平。如前面所述，来自机加工过程的废金属比来自研磨过程的废金属具有更高的价值，因为机加工不会向废金属中引入或仅引入数量可以忽略的杂质。因此，研磨金属屑的价值为约$50/磅包含的钽，而从机加工中回收的废金属的价值为约$100/磅。

优选地，将第一表面修平至约0.005英寸或更小的机加工过程对于约0.250至约0.500英寸的坯件厚度提供了+0.100/-0.00英寸的公称厚度公差，对于约0.250英寸或更小的坯件厚度提供了+0.050/-0.00英寸的公称厚度公差。

在此时优选不机加工的金属坯件的第二表面，可以具有约0.075英寸或更小的平面度，且优选0.025英寸或更小。优选地，形成金属薄片的过程产生第二表面，其包括从约0.060英寸到约0.005英寸的平面度，且更优选地从约0.030英寸到约0.005英寸。第二表面可以通过板的水平轧制、金属板或溅射靶坯件的拉伸修平、压制修平、铣磨(milling)、研磨(grinding)或精磨(lapping)进行修平。

在另一个实施例中，可以从金属如钽的圆柱体或坯段开始，其然后被锻造成可以机加工成盘的圆形平面物体。为了本发明的目的，坯件和/或板可以包括坯段(例如，锻造坯段)等。

本发明将通过下面用来示范本发明的实施例进一步得到阐明。

实施例

实施例1

图1示出了具有用“f”表示的作为-轧制(as-rolled)或作为-水平-轧制(as-level-rolled)d平面度和用“g”表示的初始化规格厚度的轧制金属板(10)。可生产最终厚度“t”的平面减射靶(20)。通常，相对于初始平面度的初始厚度与最终厚度之间的关系为：

g＝t+(2f+0.005″)

在从板10生产靶20的中产生的废料量可以使用下式进行计算：

Vs＝(2f+0.005″)·A_T·ρ_Ta      A_T＝靶面积        ρ_Ta＝0.60lbs/in³

且废料帐款可以使用下式进行计算：

C_s＝V_s(M_s)  M_s＝废料的标记价值(marked value)V_s＝废料体积C_s＝废料帐款

考虑直径(154in²)和0.250″厚度的钽坯件14″的生产成本，和标准板生产成本(C_st)$250/lb。

情形1  作为水平轧制坯件的双盘研磨至0.005″平面度

假定：初始平面度f＝0.075″

研磨金属屑价值 $M_s^g=\$50/\mathrm{lb}$

初始板厚度g＝t+(2f+0.005)

g＝0.250+2(0.075)+0.005

g＝0.405in

初始板成本＝g·A_t·ρ_Ta·C_ST

(0.405in)(154in²)(0.60lbs/in³)($250/lb)＝$9355

生产产率t/g

(0.250)/(0.405)＝0.62

(2(0.075)+0.005)(154in²)(0.60lb/in³)($50/lb)＝$716

产生的生产成本

初始板成本/Mfg产率+研磨成本-废料帐款

9355/0.62+50-716＝$14423

情形2  压制修平且表面机加工至0.005″平面

假定：作为-压制的平面度f＝0.010″

修平劳动成本C_m ^F＝$100/盘

机加工劳动成本C_m ^m＝$500/盘

机加工废料价值MSM＝$100/lb

初始板厚度＝0.275″

初始板成本＝$6352

生产产率＝0.91

废料帐款＝$231

产生的生产成本＝$6999

情形3  机加工1侧面平至0.005″

假定：作为水平轧制的平面度为0.075″

机加工劳动成本$100/盘

机加工废料价值$100/lb

初始板厚度＝0.405″

初始板成本＝$9355

生产产率＝(0.405-f·0.005)/(0.405)＝80

废料帐款：(.080)(A_f)(ρ_Ta)(M_s ^M)＝$739

产生的生产成本＝$11055

情形4  压制修平至.010″并机加工1侧面平至0.005″

假定：作为-压制的平面度为.010″

修平劳动成本＝$100/盘

机加工劳动成本＝$150/盘

机加工废料价值＝$100/lb

初始板厚度＝0.225″

初始板成本＝$6352

生产产率＝(0.275-0.010-0.005)/0.275＝0.95

废料帐款(.015)(A_f)(ρ_Ta)(M_s ^M)＝$139

产生的生产成本＝$6797

考虑到本发明在此所公开的说明书和实践，本发明的其它实施方式对本领域技术人员来说将显而易见。应当明白，说明书和实施例仅仅作为示范，本发明真正的范围和精神由随后的权利要求及其等价物来表明。

Claims (40)

1、一种制造金属坯件的方法，所述方法包括：

a)供应具有第一表面和第二表面的至少一个平面金属板，其中所述第一和所述第二表面基本平行；和

b)仅修平所述金属板的所述第一表面，由此生产出金属坯件。

2、权利要求1的方法，其中所述金属板包括钽、铜、铝、钛、铌、钴、铂、银、金及其合金。

3、权利要求1的方法，其中所述金属板是钽。

4、权利要求1的方法，其中所述金属板是铌。

5、权利要求1的方法，其中所述金属板的所述第一表面通过机加工、研磨或其组合进行修平。

6、一种制造金属盘的方法，所述方法包括将由权利要求1的方法制造的所述金属坯件的所述第一表面机加工成盘。

7、权利要求6的方法，其中所述金属盘包括钽、铜、铝、钛、铌、钴、铂、银、金及其合金。

8、一种制造金属盘的方法，所述方法包括将由权利要求3的方法制造的所述金属坯件的所述第一表面机加工成盘。

9、一种制造金属盘的方法，所述方法包括将由权利要求4的方法制造的所述金属坯件的所述第一表面机加工成盘形。

10、一种形成具有粘结到背衬板上的金属靶的溅射靶组件的方法，包括：

提供一种包括通过权利要求6的方法制备的金属盘的金属溅射靶；

将背衬板粘结到所述金属盘上。

11、权利要求10的方法，其中所述背衬板包括铜、铜合金、铝、铝合金、钛或钛合金或其组合。

12、权利要求10的方法，其中所述金属盘是钽。

13、权利要求10的方法，其中所述金属盘包括铌。

14、一种形成具有粘结到背衬板上的金属靶的溅射靶组件的方法，包括以下步骤：

提供一种包括通过权利要求1的方法制备的金属坯件的金属溅射靶；

将背衬板粘结到所述金属坯件上。

15、权利要求14的方法，其中所述金属坯件包括钽、铜、铝、钛、铌、钴、铂、银、金及其合金。

16、权利要求14的方法，其中金属坯件是钽。

17、权利要求14的方法，其中金属坯件是铌。

18、权利要求1的方法，其中所述方法基本由对所述金属板的一个平面进行机加工组成。

19、权利要求1的方法，其中所述第二表面具有约0.075英寸或更小的平面度。

20、权利要求1的方法，其中所述第二表面具有约0.060英寸至约0.005英寸的平面度。

21、权利要求1的方法，其中所述第二表面具有约0.030英寸至约0.005英寸的平面度。

22、权利要求1的方法，其中将所述第一表面机加工修平至约0.005英寸或更小的平面度。

23、包括两个基本平的表面的溅射靶，其中第一表面具有约0.005英寸或更小的平面度，且第二表面具有约0.075英寸或更小的平面度。

24、权利要求23的溅射靶，其中所述溅射靶包括钛、钴、铝、铜、钽、铌、铂、金、银及其合金。

25、权利要求23的溅射靶，其中所述溅射靶是钽。

26、权利要求23的溅射靶，其中所述溅射靶是铌。

27、包括两个基本平的表面的金属盘，其中第一表面具有约0.010英寸或更小的平面度，且第二表面具有约0.060英寸至约0.005英寸的平面度。

28、权利要求27的金属盘，其中所述金属盘包括钛、钴、铝、铜、钽、铌、铂、金、银及其合金。

29、权利要求27的金属盘，其中所述金属盘是钽。

30、权利要求27的金属盘，其中所述金属盘是铌。

31、由权利要求1的方法生产的金属坯件。

32、由权利要求6的方法生产的金属盘。

33、由权利要求14的方法生产的溅射靶组件。

34、权利要求14的方法，其中所述金属靶通过粘着材料、焊接、铜焊、扩散粘结、压力装置、热熔或爆炸粘结而粘结到所述背衬板上。

35、权利要求1的方法，其中所述金属坯件具有板轧制规格的至少约5％的公称厚度公差。

36、权利要求1的方法，进一步包括约+0.025/-0.00英寸的直径公差。

37、一种形成具有粘结到背衬板上的金属靶的溅射靶组件的方法，包括以下步骤：

提供一种包括通过如权利要求1的方法制备的金属坯件的金属溅射靶；

将背衬板粘结到所述金属坯件上，其中所述金属溅射靶为钽，且所述背衬板包括铜或其合金。

38、权利要求10的方法，进一步包括在粘结所述背衬板之前，在所述金属溅射靶和所述背衬板之间提供夹层。

39、权利要求1的方法，其中将所述第一表面机加工修平至约0.010英寸或更小的平面度。

40、权利要求27的金属盘，其中所述第一表面具有约0.005英寸或更小的平面度。