JP5297378B2 - スパッタリングターゲットアセンブリとそれを製造する方法 - Google Patents
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Description
本出願は、米国仮特許出願第60/844,028号(2006年9月12日出願)の優先権を主張するものである。
本発明は、スパッターターゲット/バッキングプレートアセンブリを製造する方法とそれらの方法によって製造されるターゲット/バッキングプレートアセンブリとに関する。より詳しくは、本発明は、摩擦攪拌溶接法(friction stir welding technique)により、スパッターターゲットを付随するバッキングプレートに接合する方法に関する。
陰極スパッタリングは、スパッターターゲットから必要な基板上に材料の薄層または薄膜を蒸着するために、広く使用されている。基本的には、不活性ガス好ましくはアルゴンを充填したチャンバー内に、スパッターターゲットを備えたカソードアセンブリがアノードとともに配置される。必要な基板は、チャンバー内に、受け面をカソードアセンブリとアノードとの間の経路に垂直に向けて、アノードの近くに配置される。高圧電場がカソードアセンブリとアノードとの間に加えられる。
カソードアセンブリから放出された電子が不活性ガスをイオン化する。すると、電場が、不活性ガスの正帯電イオンをスパッターターゲットのスパッタリング面に向けて加速する。イオン衝撃によってスパッターターゲットから叩き出された物質は、チャンバー内を進んで、基板の受け面上に付着して、薄層または薄膜を形成する。
ターゲットとバッキングプレートとの間の良好な熱的かつ電気的接触を実現するために、これら二つの要素は、ハンダ付け、硬ろう付け、拡散接合、締め付け、エポキシセメント、またはかみ合い環状要素によって、接合合体される。高純度金属および合金スパッターターゲットは、また、バッキングプレートに機械的に接合される。これは、たとえば、米国特許第6,749,103 B1号および第6,725,522 B1号明細書に開示されている。
銅および銅合金またはアルミニウム合金バッキングプレートの割合に大きな降伏応力係数(yield strength coefficient)が、大きめのスパッタリングターゲットにエネルギーを供給するのに必要な大きなスパッタリングエネルギーの使用とあいまって、スパッターターゲットをバッキングプレートに結合する接合部に加わる材料応力が大きくなる。そのようなスパッタリング条件下では、スパッタリングターゲットアセンブリは、一般にスパッタリング時に生じる温度変化によって、反ったり、分離したりする。スパッターターゲット/バッキングプレートアセンブリがスパッタリングプロセス時に加熱され、引き続き冷却されるときに、軟質ハンダは、ある程度、アセンブリに加わる応力を吸収する。ターゲット/バッキングプレートアセンブリに低強度バッキングプレートが使用されると、アセンブリがスパッタリング時に大きく反って、いくつかの好ましくない結果、たとえば多量の粒子生成、均一性の低下などを生じやすくなる。
したがって、この技術分野においては、依然として、スパッタリングターゲット材料を合金バッキングプレートに接合して、アセンブリが相当の強度と降伏強度を示すようにする方法が必要とされている。スパッタリングターゲットアセンブリは、高強度バッキングプレート材料たとえばAl-SiC複合材料(米国特許第6,183,686号)またはAl合金7075を使用して作ることができるが、そのような材料は、その化学組成と溶接性の低さとのため、周囲表面での溶接ができないことが多い。ある種のその他のケースでは、Al合金ターゲットをCu合金バッキングプレートに接合する必要があり、これは、高温接合プロセスたとえば拡散接合法の使用なしでは困難である。当業者には周知のように、そのような高温プロセスにより、望ましくないAl合金ターゲットの再結晶または接合強度の低下がもたらされうる。金属(この場合、CuとAl)同士の脆い金属間化合物が形成されるためである。
本発明においては、ターゲットとバッキングプレートが摩擦攪拌溶接(f.s.w.)されて、高強度の接合が形成される。本発明の一つの側面においては、ターゲットとバッキングプレートが、低温機械的かみ合い法たとえば米国特許第6,749,103号および第6,725,522号明細書に記載されている方法を使用して、接合される。これら二つの特許明細書を参照されたい。この場合、周囲のターゲット/バッキングプレート界面の継手を、摩擦攪拌溶接によって接合することができる。
本発明のもう一つの側面においては、ターゲットプレート/バッキングプレートを、摩擦攪拌溶接によって、プレート/プレート界面に沿って接合することができる。言い換えると、ターゲットとバッキングプレートとが、アセンブリの外周によって包囲された継手プレート主要界面に沿って、f.s.w.によって接合される。
どちらの場合にも、f.s.w.接合により、アセンブリがスパッタリング時に一般に生じる応力と劣化とに耐えるようにすることができる。
もう一つの側面においては、バッキングプレートは、大きな降伏強度を有する合金、たとえば、Al 7000シリーズ、Al 8000シリーズ、およびAlを基材とするその他の合金、またはCuとその合金、たとえばCu-1%Cr、Cu-1%Zr、Cu-BeもしくはCu-Zn、Cu-Niおよび類似の合金から作ることができる。しかし、他の任意のバッキングプレート材料を使用することもできる。
本発明の前述の特徴および利点ならびにその他の特徴および利点は、以下の詳細な説明、添付の図面、および特許請求の範囲に示され、あるいはこれらの記載から了解されるであろう。
図1は、ここで開示する発明的方法による好ましいスパッタリングターゲットアセンブリの模式側面図である。このスパッタリングターゲットアセンブリは、熱伝導性バッキングプレート110の上に重ねられたスパッターターゲット100を有する。示されているように、ターゲット100とバッキングプレート110は、任意の方法、たとえば米国特許第6,749,103号および第6,725,522号明細書に示されている低温機械的かみ合わせ法によって接合されている。示されているように、外周界面120に沿って要素間に形成される突合せタイプの継手が、バッキングプレートを貫通するf.s.w.によって接合される(130)。冷却水(図示せず)をバッキングプレートと接触するように循環させて、スパッタリング作業によって生じる熱を散逸させることができる。冷却水による腐食を防ぐために、耐食層(図示せず)をバッキングプレートの背面に配置することができる。
機械的に接合されたスパッタリングターゲットアセンブリの製造における一つの問題は、ターゲット直径を含む範囲にわたる気密シールを有するスパッタリングターゲットアセンブリの製造が困難であるという点にある。従来、この気密シールを得るために、ターゲットとバッキングプレートとが、通常の溶接法、たとえば電子ビーム溶接、抵抗溶接、その他によって溶接合体されていた。しかし、いくつかの特に好ましい合金は、金属の溶解を含む溶接法に適さない。特にこの問題が大きいスパッタリングターゲットアセンブリシステムの一例は、溶接時の高温にさらされたときに高温割れを起こしやすい、シリーズ7000 Al合金バッキングプレートを有するアセンブリであり、またたとえば、真空下での電子ビーム溶接その他の溶接法においてZnが蒸発しやすいCu-40%Zn合金を含むアセンブリである。
しばしば、ハンダ接合ターゲットアセンブリにおいては、そのような望ましくない溶接性を有する材料の結合がなされる。したがって、ターゲット/バッキングプレート周囲における気密シールの形成のために代替法を使用しなければならない。使用できる一つの方法は、高温静水圧圧縮(HIPing)であるが、この方法はかなりの付加的な作業と高温とを必要とし、これは、焼鈍プロセスによるターゲット材料の微視組織に損傷を与えうる。
図1に戻り、図2をも参照すると、本発明の実施形態が示されており、ここでは、ターゲットとバッキングプレートとの間の周囲継手130がf.s.w.接合されている。図1において、示されているf.s.w.工具140は、バッキングプレート側からアセンブリに押しつけられている。
当業者には周知のように、摩擦攪拌溶接(f.s.w.)は、工具の大きな回転速度と接触から生じる熱を、接合すべき金属面間の接合部がつぶされ、混合され、鍛造されるようにすることにもとづいている。ピンタイプのf.s.w.工具は市販されている。f.s.w.法は、米国特許第5,460,317号および第6,758,382号明細書に説明されている。これらの明細書を参照されたい。
図3は、ターゲット/バッキングプレート100/110主要界面がf.s.w.接合されているアセンブリの模式上面図である。すなわち、これらの主要界面は、アセンブリの外周によって包囲され、f.s.w.によって接合されている。ここでは、f.s.w.パターン150が、上部プレート面から見た輪郭線で示してある。示されているこのらせんパターン150は、バッキングプレート110の底部側からアセンブリに押しつけられた伸縮自在のピンタイプのf.s.w.工具140その他によって形成された溶接帯域を示す。ピンは、バッキングプレート110を貫通して、ターゲット/バッキングプレート100/110界面に近い点に達しており、あるいはこの界面に近いバッキングプレート110内で終わることができる。(場合によっては、このピンは、ターゲット100内にわずかに侵入しても良い)。このようにして、ターゲット100とバッキングプレート110は、パターン化された溶接帯域によって接合される。図にはらせんタイプのパターン150が示されているが、他の溶接パターン、たとえば同心円、同心三角形、正方形、ドット(規則的または不規則)、その他とすることができる。f.s.w.工具140によって作られる溶接帯域は、接合される界面面積に比して、強力で、持続するf.s.w.継手を作るのに十分なものでなければならない。
図1および2に示す実施形態に戻ると、前述のように、アセンブリの外周によって包囲された領域160におけるターゲットプレート/バッキングプレート100/110主要部接合はいろいろな方法によって実行することができる。もっとも好ましくは、これらの面は、前述の低温機械的かみ合い法によって接合される。ここで、接合すべき界面の一つに、隆起その他の突起面を作り、これが対向接合面に備えられた係合接合面に貫入してその付近で曲がる。米国特許第6,749,103号明細書の図4に記載されている構造的配置と方法とは、この点に関して、特に注目すべきである。これとは逆に、そのような低温機械的かみ合い法の代わりに、ハンダ接合、拡散接合、爆発接合、高温静水圧圧縮、ホットプレス、TIG溶接、その他の通常の方法で接合することもできる。
本発明の代表的実施形態の一つを示すために、以下では、Al 7075合金バッキングプレートを備えた接合Al-0.5%Cuスパッタリングターゲットアセンブリを製造する例を示す。この例は、Al 7075合金に関するものであるが、明らかに、この方法は、他の材料たとえばCu合金、Ni合金、その他のAl合金、その他から成るバッキングプレートにも有効に使用することができる。同様に、いろいろなターゲット材料を使用することができる。この例においては、スパッタリングターゲットアセンブリがAl 7075から成るバッキングプレートを用いて作られる。もう一つの例では、スパッタリングターゲットアセンブリがAl 6061から成るバッキングプレートを用いて作られる。好ましくは、機械的接合法を使用し、たとえばAl-0.5%Cuターゲットをバッキングプレートに接合する機械的接合法を使用し、アセンブリの反りを制御することができる。
バッキングプレート110の材料に対して、接合すべきバッキングプレート110表面上に、たとえば“M”形の連続溝を機械加工することによって、接合の準備をした。界面120に接合のための準備をしてから、ターゲット100およびバッキングプレート110を、前記の準備した表面120を合わせて、室温でアセンブリをプレスすることによって接合して、集成した。米国特許第6,749,103号明細書を参照されたい。機械的接合のあと、アセンブリを、ターゲット周囲160に沿って摩擦攪拌溶接して、ターゲット100の周囲に真空気密シールを形成させる。f.s.w.はターゲット面100からもバッキングプレート面110側からと同様に実行することができる。
バッキングプレート110の材料に対して、接合すべき面120のグリットブラストと化学的洗浄とによって、接合のための準備をした。接合面130の濡れを改善し、ハンダ材料の付着を改善するために、両方の面を、適当な方法好ましくはスパッタリングによって、適当な界面活性化層(wetting layer)または金属層好ましくはニッケルによって、被覆することができる。界面120に接合のための準備をしてから、ターゲット100およびバッキングプレート110を、前記のように準備した面120を合わせて、ハンダ材料を溶解させるのに十分な温度、たとえばインジウムの場合200℃で、アセンブリをプレスすることによって、これらの面をハンダ接合することにより、集成した。ハンダ付けプロセスが完了し、プレート状主要界面120を接合したあと、ターゲット100とバッキングプレート110との間で周囲160に沿って、アセンブリを、f.s.w.接合し(130)、ターゲット100とバッキングプレート110との間に気密シール層を形成させた。
バッキングプレート110の材料を、接合面120を機械加工することにより、f.s.w.接合のための準備をした。接合のために界面120を準備したあと、ターゲット100とバッキングプレート110とを、これらの準備面を合わせることにより集成し、プレート/プレート主要界面120に沿って接合した。たとえば、図3の実施形態におけるように、接合面全体を覆うf.s.w.パターンによって、接合した。このパターンは、たとえば、らせんf.s.w.パターン150、または任意の使用可能なf.s.w.パターンの形に、ターゲット100とバッキングプレート110との間に形成させて、ターゲット100とバッキングプレート110との間に必要なf.s.w.接合部130が形成されるようにする。
以上で説明した方法およびこれらの方法によって製造されるスパッターターゲット/バッキングプレート100/110アセンブリが、本発明の好ましい実施形態を構成するが、当然のことながら、本発明はこれらの方法とスパッターターゲット/バッキングプレート100/110アセンブリ構造物に細部にわたってまで限定されるものではなく、特許請求の範囲に定める本発明の範囲を逸脱することなく、方法と構造物とのどちらにおいてもいろいろな変形を加えることができる。
100 スパッターターゲット
110 バッキングプレート
120 界面
130 接合面
140 f.s.w.工具
150 f.s.w.パターン
160 アセンブリの外周によって包囲された領域
110 バッキングプレート
120 界面
130 接合面
140 f.s.w.工具
150 f.s.w.パターン
160 アセンブリの外周によって包囲された領域
Claims (12)
- スパッターターゲット/バッキングプレートアセンブリを製造する方法であって、
a. 第一の接合面及び反対側の下面を有するバッキングプレートを用意し、
b. 第二の接合面を有するスパッターターゲットを用意し、
c. 前記第一および第二の接合面とを合わせて前記スパッターターゲットを前記バッキングプレートに摩擦攪拌溶接(f.s.w.)接合してアセンブリを形成し、該摩擦攪拌溶接接合が、該バッキングプレートの該下面を通るピンタイプのf.s.w.工具の貫通を特徴とする、
各ステップから成ることを特徴とする方法。 - 当該バッキングプレートがAlもしくはCuまたはこれらのものの合金から成ることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 当該Cu合金がCu/Zn合金であることを特徴とする請求項2に記載の方法。
- スパッターターゲット/バッキングプレートアセンブリを製造する方法であって、
a. 第一の接合面及び反対側の下面を有するバッキングプレートを用意し、
b. 第二の接合面を有するスパッターターゲットを用意し、
c. 前記第一および第二の接合面とを合わせて前記スパッターターゲット及び前記バッキングプレートを接合してアセンブリを形成し、
d. 該バッキングプレートの該下面を通るピンタイプのf.s.w.工具の貫通により該アセンブリを摩擦攪拌溶接(f.s.w.)接合する、
各ステップから成ることを特徴とする方法。 - 当該ステップ(c)が、ハンダ接合、拡散接合、高温静水圧圧縮、ホットプレス、爆発接合、およびTIG溶接から選択される接合法によって実施されることを特徴とする請求項4に記載の方法。
- 当該ステップ(c)が、当該ターゲットと当該バッキングプレートとを機械的にかみ合わせることによって実施されることを特徴とする請求項4に記載の方法。
- 当該バッキングプレートがAlもしくはCuまたはこれらのものの合金から成ることを特徴とする請求項6に記載の方法。
- 当該バッキングプレートがCu/Znから成ることを特徴とする請求項7に記載の方法。
- 当該ターゲットがAlまたはその合金から成ることを特徴とする請求項7に記載の方法。
- 当該ターゲットが、Al、Cu、Co、Ni、Ta、TiもしくはWまたはこれらのものの合金から成ることを特徴とする請求項4に記載の方法。
- 当該機械的にかみ合わせることが、当該ターゲットとバッキングプレートとの主要界面に溝パターンを形成し、100℃よりも低い温度で当該界面に沿って前記ターゲットとバッキングプレートとを圧縮することから成ることを特徴とする請求項6に記載の方法。
- 室温付近〜38℃の温度で当該ターゲットとバッキングプレートとを当該界面に沿って圧縮することを含むことを特徴とする請求項11に記載の方法。
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