TW201250031A - Diffusion-bonded sputtering target assembly and method of manufacturing - Google Patents

Description

201250031 六、發明說明： 才目關申請案之交叉參考 本申請案主張2011年2月14曰申請之美國臨時專利 申請案第61/442,427號之優先權利。 【發明所屬之技術領域】 本申請案係關於使濺鍍靶擴散接合（DB )至底板之方 法及結構組合，其中標靶及底板可具有不同熱膨脹係數 (CTE)。 【先前技術】 陰極濺鍍廣泛用於在所需基板上沉積材料薄層。基本 上，此方法需要氣體離子轟擊具有濺鍍表面之標靶，該標 靶由欲在基板上沉積為薄膜或層之材料形成。離子轟擊標 輕不但引起lb材料原子或分子滅鍍，而且賦予標祀大量熱 能：此熱量藉由使用典型地在導熱底板之下或導熱底板周 圍循環的冷卻液來耗散，該導熱底板與標乾呈熱交換關係 安置。 標乾形成陰極構件之一部分，該陰極構件與陽極一起 置於含有惰性氣體（較佳為Ε氣）之真空室中。跨越陰極 及陽極施加高電壓電場。惰性氣體藉由與自陰極喷射出之 電子碰撞進行離子化。帶正電荷之氣體離子吸引至陰極且 經撞擊靶表面而使靶材料移位。移位之靶材料橫穿真空罩 且在通常位於陽極附近之所需基板上沉積為薄膜。 4 201250031 除使用電場以外，已藉由並行使用疊加在電場上且在 把表面上形成閉合迴路組態之拱形磁場來提高⑽速率。 此等方法稱為磁控賤鍍方法。梹形磁場將電子截留於鄰近 靶表：之環形區域中，從而增加該區域中電子-氣體原子碰 :數罝’ 5丨起該區域中衝擊標靶以使靶材料移位之帶正電 2體離子的數量增加。因& ’ $材料在稱絲通道之一 截面的靶面中逐漸消蝕（亦即消耗而隨後沉積於基 板上）。 在習知靶陰極構件中，標靶附接至非磁性底板上。底 板通常為水冷式以帶走轉子轟擊㈣所產生的熱量。磁 體典型地配置在底板之下的適當位置處，使得上述磁場形 成圍繞標靶之曝露面延伸之迴路或隧道形狀。 靶材料與底板材料之間熱膨脹係數愈加不同之濺鍍靶 構件已受到日益增強的關注。儘f㈣㉒構件可由將各種 材料之底板焊接接合至標靶來製成，然而焊接接合具有不 能夠經受住高功率濺鍍應用之缺點。因此，較佳為經擴散 接合之濺鍍靶構件。 擴散接合藉由擠壓表面接觸、同時施加熱量以誘導冶 金接合及擴散至橫越接合界面之不同程度來產生。多種不 同金屬組合可用作接合助劑。此等金屬作為塗層塗覆至一 或多個DB界面表面上以促進DB接合且可借助於習知電 鍵、無電極電鍵、真空鍍鑛、物理氣相沉積或其他技術塗 覆。在一些情況下，將金屬箔置於欲利用DB接合之表面之 間。通常，欲接合之表面利用化學或其他方.法製備以移除 201250031 可與接合方法相互作用之氧化物或其化學膜。 擴散接合技術包括熱均壓法（HIP )及單軸熱壓法 (UHP )。在UHP中，在可謹慎控制溫度、壓力及其他氛 圍條件之腔室中將標把及底板置於一對壓板或其類似物之 間。可控氛圍可為真空、惰性或還原氣體之氛圍。構件加 熱至低於靶/底板組合之較低熔點成員之溫度的溫度。當構 件受熱時，壓板沿單軸方向作用來施加壓力。構件在控制 室申維持直至形成較強DB接合。 在HIP方法中，靶/底板構件置於罐内。將罐抽真空且 隨後將其置於ΗΠ>腔室中。向罐令饋入氬氣或氦氣氛圍且 增加溫度及壓力。自各方向HIP罐施加壓力。如同在uHp 方法中，溫度接近靶/底板組合之較低熔點成員之熔融接合 點。隨後，經HIP之構件在所需溫度、壓力及氛圍條件下 維持以形成較強DB接合。 接合已發生之後，冷卻構件。冷卻之標靶通常向一個 方向彎曲或偏轉。此偏轉通常由標靶及底板因各自cte不 同而不均句收縮或膨脹引起。在冷卻期間亦可發生標靶與 底板之間接合開裂或分層。$外，在賤鐘期間發生之高田 期間’不3㈣材料易使構件受到其他應力、㈣或扭曲二 為了移除偏轉及產生「平坦（flat)」構件嶋面，標乾 典型地經機械平坦化。 此擴散接合及隨後平坦化製程適用於延性靶，諸如鈦 或組。然而’對於脆性乾’諸如冑，在整個製程中分展之 可能性較大。該等革巴構件之層間接合強度典型地小於Μ 6 201250031 MPa 〇 【發明内容】 根據本發明之一個態樣，提供一種製造靶/底板構件之 方法。第一金屬或合金之靶坯具有在濺鍍操作期間設定濺 鍍表面之第一表面及相對的第二表面之坯料。將第二金屬 或合金置放在第一及第二靶表面旁邊。底板鄰接第二金屬 或合金置放，將第二金屬或合金置放在第二靶表面旁邊。 從而，標輕、第二金屬及底板設定組合構件。 根據-個較佳具體實例，標無、第二金屬及底板之組 合構件經擴散接合而形成經擴散接合之構#。隨後，移除 鍍表面旁邊之第二材料之至少一部分，“曝露： 锻表面之至少一部分。 在本發明之某些具體實例中，標靶為W或复人金，且 =第：：第二把表面置放在第二金屬或合金旁邊之步驟

月J ^之第一及第二表面可塗佈視情選用之Ti、N

Cr薄層。 m或 數小it具體實例中：第二金屬或合金包含抗拉彈性模 戍等於Μ。於Μ / W ΜΡ&之金屬，且底板可具有小於 第4金:u瘦之熱膨脹係數。在某些情況下， ^ I 含A1或A1合金’諸如AUG61或助〇〇。

在一個具體實例中，底板可包含Ti或丁丨入 具體實财，底板可包含Ti、Zr、M〇、Nb^；^4M 或Ta及其合金。 例示性具體實例中，第二金屬或合金包含一對 201250031 板。該對板中之第一者鄰接標乾之第 置放，且該對板中之第_I* 表面（濺鍍表面） 而形絲^板的h結構。放’從 可為…丨合金。 由第-金屬或合金組成之板 在其他具體實例^，由第_ 度具右约n, 田弟-金屬或合金組成之各板厚 度具有約O.lx至1·〇Χ之原 又〃、中χ為靶坯的厚度。 =、封裝縣之第二金屬及底板構件可在約 間的溫度下及在不小於約5千碎/平方吁（ksi)之 :擴散接合。此擴散接合步驟可以—步驟製程或以兩 步驟製程提供。在兩步驟製程中，第—步驟包含㈣與第 -金屬或合金擴散接合而形成組合，且隨後第二步驟包含 組合之標乾/第二金屬與底板擴散接合而组合。在某些情況 下’第二步驟可在不同於第一步驟中所用溫度之溫^下進 行0 在其他具體實例中，標靶可為w與Ta、Ti或Si之合 金。 在其他態樣中，本發明係關於一種經擴散接合之霄靶/ 底板構件。構件另外包括居中於w標靶與底板之間置放之 夾層。底板可包含Ti或Ti合金，且内層包含A1*A1合金。 此構件具有超過50 MPa之接合強度。在其他具體實例中， 接合強度超過68.94 MPa ( 10 ksi)。 在其他具體實例中，標靶具有超過99.7%之密度、小於 〆m之粒度 '小於100 ppm之氧含量、小於30 ppm的 碳含$且W純度可為99.999%及高於99.999% » 8 201250031 在其他具體實例中，靶構件包含曝露之w靶面。此意 謂濺餘之面在執行上述製程之後已曝露以便得到適^ :表面。另外’構件可包含具有曝露之Α1或Μ合金：曝 露之Ti $ Ti合金表面的側壁部分。借助於習知技術（諸二 電襞塗覆）沿側壁提供由滅鍍材料形成之塗層。此塗層可 具有例如約0,001叶至0.020时之厚度。夹層可為例如^ 6061或A1 mo,且經擴散接合之整個構件的接合強度可超 【實施方式】 已令人驚If地發現纟DB t程期間用帛二材料囊封脆 性標輕產生層間接合強度等於或大於45胳的經擴散接合 之濺鍍靶構件。 現轉向圖1，其顯示呈其裝配前狀態之擴散接合乾/底 板構件L構件包含由第—金屬或合金（諸如w)組成之 靶坯1〇2。標靶包含在組裝完成時將充當濺鍍表面之第一或 頂表面104。_亦包括相對的底表面1〇6。必要時，可將 視情況選用之薄塗4 112塗覆至標靶之兩個表面上。此塗 層可由Ti、Ni或Cr組成且可借助於習知技術沉積在靶坯表 面上。 如圖1中所不，第二金屬或合金以一對對置板丄、1⑺ 之形式提供，且板圍繞中間安置之靶坯i 〇2形成夾心結構。 將板108、110置放在標靶之各別對置表面旁邊，使得第一 板1〇8鄰接㈣之濺鑛表面1G4安置，且nG並靠餘 201250031 的底表面106及其最佳薄塗層112置放β 如所示，各板108、iio分別具有垂直延伸的凸緣34〇、 304，在一個例示性具體實例中，其與該對板中之另一者之 凸緣配合。然而，板可呈無凸緣自其懸垂之平坦狀。 如圖1中另外所示，底板12〇亦為構件組件之一，且 此底板具有經調適可與由第二金屬或合金組成之板ιι〇的 底表面界面配合的頂表面122。如所示，底板12〇之下表面 或底表面124曝露且經調適可與冷卻介質（諸如水）發生 熱交換接觸，典型地用於陰極濺鍍操作中以有助於冷卻標 挺。 現轉向圖2,顯示在已經受上述類型之擴散接合操作之 後的構件。此處，可看到標靶包裹或囊封在由兩個板1〇8、 110組成之第二金屬或合金基質内。第二金屬或合金又沿界 面邊界126與下伏底板擴散接合。總體構件1〇〇可具有微 小倒角116以便有助於構件插入機械裝置中，該等機械裝 置經調適可移除與把趣之濺鑛表面鄰接之第二金屬或合金 1〇8 (及視情況選用之塗層"2)的一部分。目前，較佳切 削金屬或合金1G8以曝露㈣之至少一部分義表面— 圖3顯示具有曝露之賤鑛表面104的經加工構件。顯 示側壁區域128圍繞標乾/第二金屬U0界面之周邊。必要 時’此侧壁處之曝露金屬上可置絲材料之薄塗層330,以 便有助於在塗覆操作期間防止第二金屬及/或底板發生非所 欲的濺鑛。塗層可刹用+ ι 層』才】用習知方法塗覆，諸如電漿塗覆且可 為約0.001时至0.020吁之厚产。 10 201250031 在方法之一個具贈杳& I .. A _ 、體實例中，第二金屬或金 彈性模數小於或等於約87 ιλ4α_ 极田抗拉 '勺8·2 X 1〇4 MPa之材料形成。另 底板可由熱膨脹係數小於戎 形成。 4#^23-° X 1〇6-/m/K^#,4 在一個例示性且微香a 丨/、體貫例中，靶坯置於板1〇8、U〇

組件經擴散接合而形成經擴散接合之濺錢 B 經機械及/或化學加工以曝露㈣鑛表面。 後 鞋* 可包含'—、眩a w其合t 由以下組成之群的材料:w、 A…個具體實例中，板1〇8、n〇中之一或多者可包 3或夕種選自由A1及A1合金組成之群的材料。在另一 方法中，板108、11〇各自且亡 r . ^ r ^ 自八有約ο·1至約1倍標靶錠厚度 I巳圍内之厚度。 在另一個具體實例中， 祀坯係藉由在板表面上塗覆由 之自由T1、Ni、其合金組成之群的材料組成 來以接合助劑預處理。預處理步驟發生於 靶叙囊封於板内之前。 在：-個具體實例中，底板包含一或 組成之群的材料：丁〜、—、以及其合金。 在又一個具體實例中，經加 力工構件之一或多個側壁經 濺鍍材科塗覆。在另一個且體 〇 〇〇1 〇,... 實例中，此塗層112具有約 0.001吋至約0.020吋範圍内 方法塗覆。 之厚度^塗層可使用電漿喷射 在另一個具體實例中，揣 /、一種經擴散接合之濺鍍靶 201250031 構件（DBSTA )，纟包含曝露之乾濺鑛表面及底板，其中 曝露之靶錠及底板由夾層分隔且與夾層擴散接合。 另一個具體實例揭示一種經擴散接合之濺鍍靶構件 (DBSTA)，其中乾场包含—或多種選自由以下組成之群 的材料：W、Ta、Ti、Si及其合金。在另一個具體實例中， 底板包含一或多種選自由以下組成之群的材料：Ti、h、 Mo、Nb、Ta及其合金。在又一個具體實例中，夾層包含— 或多種選自由鋁及鋁合金組成之群的材料。夾層可具有約 0.1至約1倍靶坯厚度之厚度範圍内的厚度。

在另一個具體實例中，揭示一種DBSTA，其中標靶與 夾層之間及夾層與底板之間的接合強度等於或大於約C MPa »在又一個具體實例中，DBSTA之間的接合強度等於 或大於約60 MPa。 實施例 實施例1 經擴散接合之濺鍍靶構件利用包含以下步驟之方法製 得：藉由使坯頂面與A1 1100金屬板接觸且使坯底面與幻 1100板接觸而形成夾於兩個A1 11〇〇板之間的w板來囊封 W坯。夾心結構之底面疊置於Ti底板上。W靶坯、A1 1 1 〇〇 板及Τι底板在400〇c至6〇〇°C範圍内之溫度及大於或等於 34 MPa之麗力下擴散接合而形成濺鍍靶構件中間體。隨 後’構件經機械加工以移除覆蓋靶濺鍍表面的A1層。 在濺鍍裝置中測試實施例丨之經擴散接合之濺鍍靶構 件°心輕在17 kWh最大濺鍍功率下經受得住1 〇〇 kWh。在 12 201250031 濺鍍之後，量測靶偏轉及接合強度。靶構件背側偏轉為約 0.005吋。W-A1 11〇0接合強度經量測在乜厘卜與η 之間。 實施例2 如同實施例1製造經擴散接合之濺鍍靶構件，其令在 加工之後，靶側壁藉由電漿喷射塗佈w。 實施例3 如同實施例丨製造經擴散接合之濺鍍靶構件，但以Μ 6〇61代替Ai 11 〇〇。W_A1 6061接合強度經量測大於60 MPae 本書面說明書係使用實施例揭示本發明（包括最佳方 式），且亦使任何熟習此項技術者均能夠實施本發明 括製造及使用任何裝置或系統及執行任何所併入之方法 本發明之可取得專利的㈣由申請專利範圍限定，且可包 括熟習此項技術者可想到之其他實施例。舉例而言，儘管 :體實例揭示標"、第二金屬板及底板皆在一個步二 政接合’然而擴散過程可包括多個步驟。該等 ，有與申請專利範圍之文字語言不同之結構元貫= 包括具有與申請專利範圍之文字語言無實質 ，或其 構元件，|彳其音％ s + ' ' 、之專效結 千則其意欲屬於申請專利範圍之料内。 【圖式簡單說明】 圖1為顯示方法之一個具體實例的示 擴散接合前之乾構件的個別元件； 4其中顯示 .為目1中所示具體實例之示意 丹τ顯示擴散 13 201250031 接合後之靶構件的元件；及 圖3為圖1及圖2中所示具體實例之示意圖，其中顯 示加工後之最終構件中的元件。 【主要元件符號說明】

Claims (1)

1. 201250031 七、申請專利範圍： 1.一種製造靶/底板構件之方法，其包含： (a) 提供第一金屬或合金之靶坯，該靶坯具有設定濺 鍍表面之第一表面及第二表面； (b) (1)提供第二金屬或合金及（Π)將該第二金屬 或合金置放在該等第—及第二靶表面旁邊； (c) ⑴提供底板及（ϋ)將該底板鄰接該第二金屬 或合金置放’肖第二金屬或合金係定位在該第二把表面旁 邊，4靶坯該第一金屬及該底板從而設定組合構件； (d )使该組合構件擴散接纟而形成經擴散接合之 件；及 傅 (e)移除在該標&之該滅鑛表面纟邊之該第二金屬的 至少一部分，從而曝露該濺鍍表面的至少一部分。 、 2·如申請專利範圍第"員之方法，其中該標輕 其合金且其中該標挺之該等第—及第二表面在該步驟 (u)之前塗佈Ti、Ni或Cr薄層。 3.如申請專利範圍第2項之方法，其中該標乾為 该第二金屬或合金包含抗拉彈性模數小於 專於8.2 X M MPa之金屬，且其中該底板具有小於或尊 於23·〇 X 1〇-6 m/m/K的熱膨脹係數。 一 4·如申請專利範圍第3項之方法，其中該第二 金包含A1或A1合金。 5.如申請專利範圍第4項之方法’其中該底板包含τ. 或Ti合金。 i s Ti 15 201250031 6. 如申請專利範圍第丨項之方法，其中該第二金屬或合 金包含一對板，該對板中之第一者鄰接該標靶的該第一表 面置放且該對板令的第二者鄰接該標靶的該第二表面置 放，從而形成該靶坯與該等板的夾心結構。 7. 如申請專利範圍帛3項之方法’其巾該底板包含Ti、 Zr、Mo、Nb或Ta及其合金。 8. 如申請專利範圍第6項之方法，其中該對板由μ或 A1合金組成。 9. 如申請專利範圍第8項之方法，其中該對板中之每一 者具有約0.1 X至lx之間的厚度，其中χ為該靶坯的厚度。 10. 如申明專利範圍帛1項之方法，其中該步驟（d )係 在約40(TC至60(TC之間的溫度下及在不小於5让。之壓力 下進行。 11. 如申請專利範圍第i項之方法，其中該步驟（d)以 —步驟製程進行。 12. 如申請專利範圍帛i項之方法，其中該步驟（d)為 兩步驟製程’纟中第一步驟包含使該乾堪與該第二金屬或 合金擴散接合而形成組合，1第二步驟包含使該底板與該 靶坯/第二金屬組合擴散接合，該第二步驟在不同於該第— 步驟中所用溫度之溫度下進行。 13. 如申請專利範圍第3項之方法，苴 '、甲邊W係與Ta、 Tl或Si成合金。 ^丨4·一種經擴散接合之貿靶/底板構件，該構件另外包含 定位於該W靶與該底板之間的夾層，該底板包含B或^ 16 201250031 合金且該夾層包含A1或A1合金，兮拔从曰 ° ^ 該構件具有超過50 MPa 的接合強度。 15.如申請專㈣圍第14項之經擴散接合之底板 構件，其中該接合強度超過68.94 1^&(1〇1^)。 16. 如申請專利範圍第14項之經擴散接合之W靶/底板 構件’其中該W乾具有超過99,7%之密度、小於1〇〇微米 的粒度、小於lGGppm的氧含量、小於3Qppm的碳含量及 99.999%及高於99.999%的W金屬純度。 17. 如申明專利範圍第14項之經擴散接合之冒靶/底板 八牛”中°玄構件包含具有曝露之A1或A1合金的侧壁部 +露的Τι或Tl合金表面，該構件具有覆蓋於該側壁上 的經電漿塗佈之W塗層。 8’如申3月專利範圍第1 7項之經擴散接合之W靶/底板 才舞件，甘tb ^ ^ 復盖於該側壁上之該塗層具有約0.001吋至 0.020吋的厚度。 19.如申請專利範 構件，其中該夾層為 圍第14項之經擴散接合之W靶/底板 A1 6061且該接合強度超過60 MPa。 八、圖式： (如次頁） 17