TWI507552B - 單塊鋁合金靶和製造方法 - Google Patents

Description

單塊鋁合金靶和製造方法

本發明關於Al合金濺鍍靶及其製造方法。本發明尤其關於單塊的Al合金濺鍍靶，其具有機械強度和紋理的合意組合，以及關於製造這種靶的方法。

高純度鋁合金濺鍍靶已經廣泛用於半導體製造。為了達到合意的晶粒大小和紋理，鋁合金靶毛胚典型是以機械加工和最終再結晶退火所製造。由於再結晶退火會顯著減少鋁合金的機械強度，所以如此製造的鋁合金毛胚經常結合於強很多的商業用鋁合金背板。然而，單塊鋁合金靶有時會更合意，這是因為其製造簡易、沒有脫靶(debonding)問題、回收性有所改善。為了減少濺鍍期間的靶偏折以及改善機械可靠度，單塊鋁合金靶除了合意的冶金特性，也必須具有適當的機械強度。已經利用各式各樣的製造技術，例如等徑轉矩擠製(equal channel angular extrusion，美國專利第7,017,382號)和低溫滾軋(美國專利第6,942,763號)，來製造具有改善機械強度的鋁合金靶。「單塊的」(monolithic)一詞是指單片的靶單元，其沒有任何分離或附加的背板結構。

先前技藝的做法具有特定的限制。等徑轉矩擠製過程需要複雜而昂貴的模，其通常是製出矩形的塑形板，因此製作圓形濺鍍靶就不符成本效益。低溫滾軋需要麻煩的液態氮設定，其可能產生健康或安全顧慮。此外，兩種製程都是能量和勞力密集的。

於本發明一範例性方面，提供一種製造單塊鋁或鋁合金靶的方法，其包括機械加工鋁工件以製出所要尺寸之圓形毛胚的步驟。然後毛胚退火以再結晶毛胚和達到合意的晶粒大小和結晶紋理。退火之後，10~50%的應變經由機械冷加工而施加於退火的毛胚。於另一範例性具體態樣，20~60%的應變提供於靶的凸緣區域。因此，於此具體態樣，提供給凸緣區域的應變要比賦予靶濺鍍區域部分的應變還大。毛胚然後例如藉由車削或類似者加以完工處理，如此獲得具有所需的尺寸和形狀、合意的結晶紋理、適當的機械強度的濺鍍靶。

於另一範例性具體態樣，退火步驟之前的機械加工是以冷滾軋所達成。於另一具體態樣，退火步驟之後賦予靶毛胚的應變係來自滾軋步驟，其係在低於再結晶溫度的溫度下進行。此外，關於在凸緣區域產生應變，根據一範例性具體態樣，此可以在低於再結晶溫度的溫度下加壓毛胚而提供。

於另一範例性具體態樣，退火之後賦予10~50%額外應變至毛胚的步驟以及在凸緣區域進一步產生20~60%的應變的步驟都是在低於再結晶溫度的溫度下加壓毛胚所提供。於一具體態樣，毛胚於不對稱模中加壓。於另一具體態樣，退火之後於毛胚產生10~50%的應變以及於凸緣區域進一步產生20~60%的應變的方法步驟是經由滾軋步驟所進行，其係在低於再結晶溫度的溫度下、在一側上以封閉模來進行。

可以利用純鋁，或者鋁可以與以下一或多種合金化元素合金化：銅、矽、鈦、鍺、鎢、銀、鐵、釩、鎳。合金化元素存在的總量是大約10%或更少。

於本發明的另一方面，提供一種平坦、單塊的鋁或鋁合金濺鍍靶，其中靶具有濺鍍區域和凸緣區域，濺鍍區域具有第一降伏強度，凸緣區域具有大於第一降伏強度的第二降伏強度。於另一範例性具體態樣，靶濺鍍區域的降伏強度是至少每平方英吋15千磅(ksi)，而凸緣區域的降伏強度是至少20ksi。於一具體態樣，濺鍍靶的濺鍍區域具有至少大約平均30%的(200)晶向；而於某些具體態樣，靶在濺鍍區域的平均晶粒大小是小於100微米，並且至少20%體積的濺鍍區域的晶粒大小是小於5微米。

本發明將配合所附圖式和【實施方式】來做進一步描述。

根據本發明一範例性具體態樣，Al或Al合金胚料於室溫加壓至所要的高度。所得的胚料然後舉例而言可以於室溫滾軋，以提供所需直徑和厚度的靶毛胚。毛胚然後可以進行再結晶退火，接著再淬火至室溫。如此再結晶的毛胚可以做機械冷加工，例如以交叉滾軋為之。根據另一範例性具體態樣，冷加工的毛胚然後可以進一步做冷加工，例如在不對稱的塑形模中加壓以形成接近淨形的(near-net-shape)靶。不對稱的塑形模和加壓步驟共同提供應變於接近淨形靶的第一區域，其對應於靶的濺鍍區域。此外，由於模塑的關係，較高的應力乃位在接近淨形靶將做為靶凸緣部分的第二區域，其適合例如藉由螺栓和其他機械固定物而附著於濺鍍腔室或設備。接近淨形靶之第二區域或凸緣區域的應力乃大於賦予第一區域的應力。典型而言，第一區域的應變(亦即冷加工的%)為大約10~50%(基於退火毛胚的原始厚度)，而賦予第二區域(亦即靶凸緣區域)的應變乃大於第一區域的應變並且是在大約20~60%的範圍。

如此處理過的接近淨形靶毛胚可加以車削以產生適當尺寸的濺鍍靶。

現在將配合以下特定具體態樣的範例來描述本發明。這些範例只是示範性的而不應解讀成限制本發明。

範例1

直徑5.25英吋、高13.45英吋的圓柱形Al-0.2%Si-0.5%Cu胚料於室溫加壓成4.5英吋的高度。所得胚料於室溫滾軋以形成直徑約14.2英吋、厚1.8英吋的圓形毛胚。毛胚在600。F退火二小時、水淬至室溫，並且於室溫交叉滾軋成直徑約16.5英吋、厚約1.15英吋的毛胚。毛胚然後以不對稱鋼模加壓成圖1所示之接近淨形靶的毛胚。接下來，毛胚車削成濺鍍靶。如圖所示，濺鍍靶2包括濺鍍部分4和後側區段6，後者適合放置成鄰近冷卻液體，以根據標準操作而發生熱交換關係。凸緣區段8乃提供成繞著區段6周邊的環狀形式，用來把靶2安裝附著至濺鍍腔室的匹配部分。檢查靶的機械強度、微結構、結晶紋理，結果示範於圖2~4。靶的降伏強度(>17ksi)顯著高於傳統之完全退火靶材料的降伏強度(典型<10ksi)。依據本範例所製造的Al-0.2%Si-0.5%Cu靶在客戶端濺鍍達1,000千瓦小時，其濺鍍表現令人滿意。此濺鍍靶與典型結合於高強度Al合金背板的再結晶Al-0.2%Si-0.5%Cu靶具有相同的黯淡外觀。此外，由於靶的降伏強度高很多，濺鍍靶在背面僅偏折(彎曲)0.018英吋。

圖2是圖1靶的半塊截面圖解，其顯示單塊靶在參考數字10~18所示位置的降伏強度。下表列出位置和單位為ksi的降伏強度。

範例1

圖3是類似於圖2的圖解，其顯示半塊靶截面在參考數字20~32所示位置的平均晶粒大小。下表列出位置和平均均晶粒大小。

範例1

範例1靶的紋理顯示於圖4。在此可以看到靶佔優勢的(200)紋理平均大約35%。本圖和圖7、11的參考圖例如下：IS=內表面、IH=內二分之一深度、IQ=內四分之一深度、OS=外表面、OH=外二分之一深度、OQ=外四分之一深度。

範例2

直徑5.25英吋、高12.2英吋的圓柱形Al-0.5%Cu胚料於室溫粗鍛(upset forge)、在600℉退火四小時、水淬至室溫。胚料然後於室溫加壓成4英吋的高度。所得胚料於室溫滾軋以形成直徑約14.5英吋、厚1.65英吋的圓形毛胚。毛胚於550℉退火二小時、水淬至室溫，並且以鋼模「不對稱地」加壓成類似圖1所示之接近淨形的靶毛胚。接下來，毛胚車削成濺鍍靶。檢查靶的機械強度、微結構、結晶紋理，結果示範於圖5~7。

圖5是類似於圖2的圖解，其顯示範例2靶在不同位 置的降伏強度，如下所列。

範例2

圖6是類似於圖3的圖解，其顯示整個靶在不同位置的平均晶粒大小。

範例2

圖7是顯示靶在不同位置之紋理的圖形。於此例，(220)紋理佔優勢，其平均量大於40%。(200)紋理存在的量是大約30%(例如大約26%)。對於二個以此方式製造的單塊 Al-0.5%Cu靶和Al-0.5%Cu結合靶(亦即傳統滾軋和退火的高純度Al-0.5%Cu，結合於高強度Al6061-T6合金)，以靶面為真空、背面為氣壓的方式而以壓力來施加應力。每個皆增加壓力之後移除靶，再測量背面中央的偏折(彎曲)。如圖8所示，單塊靶的中央偏折(彎曲)乃小於結合靶的中央偏折(彎曲)。

範例3

直徑5.25英吋、高12.2英吋的圓柱形Al-0.2%Si-0.5%Cu胚料於室溫加壓成4英吋的高度。所得胚料於室溫滾軋以形成直徑約14.5英吋、厚1.65英吋的圓形毛胚。毛胚在600℉退火二小時、水淬至室溫，再以鋼模加壓成類似圖1所示之接近淨形的靶毛胚。接下來，毛胚車削成濺鍍靶。檢查靶的機械強度、微結構、結晶紋理。結果示範於圖9~11。

依據圖9所示之靶位置的降伏強度則如下：

範例3

平均晶粒大小顯示於下表，其對應於圖10所示的靶位 置。

範例3

範例3靶的紋理分析顯示於圖11。在此，(220)紋理是佔優勢的，其存在的量大於40%。

本發明相較於先前技藝的優勢包括：(1)製程是更為友善、(2)接近淨形的加壓可以節省至少10%的材料、(3)所得的靶紋理接近傳統、再結晶的Al合金靶，濺鍍表現亦經證實。

為了達到適當的機械強度，單塊Al合金靶毛胚經常是經由例如等徑轉矩擠製技術而加以嚴重塑性變形來製造。嚴重的塑性變形可能未必產生合意的結晶紋理。於本發明，機械加工和完全再結晶的Al合金毛胚於室溫做進一步的機械加工，因此基本上保持了再結晶毛胚的有利結晶紋理而又同時提高機械強度。就發明人所知，此種概念相信是新的。

實務上有二種主要的OEM濺鍍侵蝕圖案發生於平坦的 鋁濺鍍靶應用場合。第一種圖案是接近外邊緣的環形侵蝕得最快，而第二種圖案則是接近中央的環形侵蝕。吾人可以想像使用具有特性紋理之相同鋁板的二種圖案將製出不同膜厚均勻度的沉積膜。

注意到的侵蝕輪廓乃是考慮8英吋晶圓位在靶上方大約50毫米。於所有例子，外侵蝕區域是位在晶圓以外，此暗示來自靶這區域的大部份的鋁會錯過晶圓，而僅影響膜在晶圓邊緣的厚度。於這些圖案其中一者的情形，外溝槽甚至離晶圓邊緣更遠。

於一例子，主要的侵蝕發生在直徑大約9英吋處，並且靶對晶圓的間距乃關係到膜的均勻度。外(主要的)侵蝕僅影響邊緣厚度。

於Al或Al合金的熱機械處理，完全退火、壓縮滾軋的板將具有很強的(200)紋理以及20和400微米之間的晶粒大小，此視熱處理順序、時間、溫度而定。具有400微米平均晶粒大小的強(200)紋理將與具有35微米平均晶粒大小的強(200)紋理製出相同的晶圓性質。為了改變沉積速率和均勻度，需要不同的紋理。

如果可以達到極精細的晶粒大小(小於1微米)，則發現熟知有利的強化效應，並且發現稍微改變了強(200)紋理。此種紋理的改變可能是由於增加了晶界的體積比例，而晶界於紋理測量時可以偵測到，其將會衝擊發射的速率和方向。發生強化是因為緊密間隔的晶界限制了差排移動。

我們已發現：把差排糾結以適當密度導入完全退火的 鋁板而非導入高角度晶界，則提供顯著增加的材料強度而無過度改變完全退火板的紋理。差排糾結限制了差排進一步移動，因此會提高機械強度。導入差排則活化了滑動系統以及增加了材料中偵測到的(220)紋理。對於中央濺鍍系統，此可以提供長期濺鍍和高功率應用所建立的電漿形狀有比較好的最佳化。在10%和50%的應變之間，退火材料吸收加工，而差排以次微米間距累積。個別晶粒呈現多個紋理，而有輕微的錯向(次晶粒)。結果是以(220)晶向上的一體積比例的差排修改了原始結構。

此可以由蝕刻的微結構來觀察。差排糾結變成低角度晶界，而原始的高角度晶界則保持不變。此也可以使用EBSD(electron backscatter diffraction，電子後向散發繞射)來觀察，以顯示既有晶粒裡的多個紋理成分。EBSD影像也可以用來測量晶粒大小分布。圖12是圖形顯示傳統、先前技藝的Al-0.2重量%Si-0.5重量%Cu靶相較於根據本發明範例1所製造的Al-0.2重量%Si-0.5重量%Cu靶的次微米晶粒分布。傳統靶的製備是於室溫加壓、於室溫交叉滾軋、在600℉再結晶退火二小時、接著做車削。

圖13是採用不對稱模100的加壓操作示意圖，其根據一具體態樣可以用於製出接近淨形的單塊Al靶。模包括縮減區域的凸緣凹穴104，於其中加壓純Al或Al合金則將形成靶的凸緣部分(見圖1)。同時，模100包括模的濺鍍區域部分106，而模的表面108對應於模最終將形成靶濺鍍表面的部分。

加壓機200包括加壓平台202，其藉著活塞204、206的作用而適合往復式移動朝向和離開模100。可以體會壓縮於模100的金屬(未顯示)在模的凸緣部分104將被加工(厚度減少)得比在濺鍍區域106還大的程度。如此，加壓作用所最終形成的靶凸緣部分的降伏強度將大於靶濺鍍區域的降伏強度。

前面敘述和所附圖式是要示範本發明而非限制本發明。熟於此技藝者顯然可想到各式各樣其他的修改和應用，而不偏離後面申請專利範圍所界定的本發明真正精神和範圍。

2‧‧‧濺鍍靶

4‧‧‧濺鍍部分

6‧‧‧後側區段

8‧‧‧凸緣區段

10~78‧‧‧單塊靶的位置

100‧‧‧不對稱模

104‧‧‧凸緣凹穴

106‧‧‧濺鍍區域部分

200‧‧‧加壓機

202‧‧‧加壓平台

204、206‧‧‧活塞

IH‧‧‧內二分之一深度

IQ‧‧‧內四分之一深度

IS‧‧‧內表面

OH‧‧‧外二分之一深度

QQ‧‧‧外四分之一深度

OS‧‧‧外表面

圖1是根據本發明所製造之濺鍍靶的示意側視圖；圖2是根據本發明範例1所製造之濺鍍靶的示意半塊截面圖，其顯示於整個靶進行降伏強度測量的特定位置；圖3是根據本發明範例1所製造之濺鍍靶的示意半塊截面圖，其顯示於整個靶進行晶粒大小測量的特定位置；圖4是顯示範例1靶之紋理的圖形，紋理是在整個靶的不同位置所測量；圖5是根據本發明範例2所製造之濺鍍靶的示意半塊截面圖，其顯示於整個靶進行降伏強度測量的特定位置；圖6是根據本發明範例2所製造之濺鍍靶的示意半塊截面圖，其顯示於整個靶進行晶粒大小測量的特定位置；圖7是顯示範例2靶之紋理的圖形，紋理是在整個靶 的不同位置所測量；圖8是顯示根據範例2所製造的二單塊靶相較於習知先前技藝的結合靶於中央位置偏折的圖形；圖9是根據本發明範例3所製造之濺鍍靶的示意半塊截面圖，其顯示於整個靶進行降伏強度測量的特定位置；圖10是根據本發明範例3所製造之濺鍍靶的示意半塊截面圖，其顯示於整個靶進行晶粒大小測量的特定位置；圖11是顯示範例3靶之紋理的圖形，紋理是在整個靶的不同位置所測量；圖12是示範傳統的Al-0.2%Si-0.5%Cu靶和根據本發明所製造的Al-3.2%Si-0.5%Cu靶之次晶粒大小分布的圖形；以及圖13是不對稱模和加壓平台的示意截面圖，其可以用於提供根據本發明之接近淨形的靶。

2．．．濺鍍靶

4．．．濺鍍部分

6．．．後側區段

8．．．凸緣區段

Claims (13)

1. 一種製造具有濺鍍區域和凸緣區域的單塊Al或Al合金靶的方法，該方法包括以下步驟：(a)機械加工Al工件以製出毛胚；(b)在再結晶溫度下，將該毛胚加以退火以再結晶該毛胚；(c)在比該再結晶溫度還低的溫度下進行該退火之後，產生10~50%的額外應變以增加機械強度；(d)在比該再結晶溫度還低的溫度下以及該退火之後，進一步產生20~60%的應變於該凸緣區域；以及(e)完工處理該毛胚以形成具有合意結晶紋理和適當機械強度的濺鍍靶，其中該濺鍍區域具有至少大約平均30%的晶向。
2. 如申請專利範圍第1項的方法，其中步驟(a)的機械加工是滾軋。
3. 如申請專利範圍第1項的方法，其中步驟(c)用以產生應變的方法是滾軋，以及步驟(d)用以產生應變的方法是加壓。
4. 如申請專利範圍第1項的方法，其中步驟(c)和(d)兩者用以產生應變的方法是加壓。
5. 如申請專利範圍第1項的方法，其中步驟(c)和(d)用以產生應變的方法是在一側上以封閉模滾軋。
6. 如申請專利範圍第1項的方法，其中靶的組成是純鋁，或是鋁與選自以下群組中的一或多種合金化元素所產 生的合金，包括：Cu、Si、Ti、Ge、W、Ag、Fe、V、Ni以及其混合物，該合金化元素存在的總量以重量來說不超過10%。
7. 如申請專利範圍第1項的方法，其中該靶是平坦的，而步驟(a)的毛胚是圓形。
8. 如申請專利範圍第3項的方法，其中該步驟(c)和(d)都是於室溫進行。
9. 如申請專利範圍第4項的方法，其中該步驟(c)和(d)是於室溫進行。
10. 如申請專利範圍第5項的方法，其中該步驟(c)和(d)是於室溫進行。
11. 一種平坦、單塊的Al或Al合金濺鍍靶，該靶具有濺鍍區域和凸緣區域，該濺鍍區域具有第一降伏強度，該凸緣區域具有大於該第一降伏強度的第二降伏強度，該第一降伏強度是至少15ksi，該第二降伏強度是至少20ksi，該濺鍍區域具有至少大約平均30%的(200)晶向。
12. 如申請專利範圍第11項的濺鍍靶，其在該濺鍍區域的平均晶粒大小是小於100微米，並且至少20%體積的該濺鍍區域的晶粒大小是小於5微米。
13. 如申請專利範圍第11項的濺鍍靶，其中該靶的組成是純Al，或是Al與選自以下群組的一或多種合金化元素所產生的合金，包括：Cu、Si、Ti、Ge、W、Ag、Fe、V、Ni，該合金化元素存在的總量以重量來說不超過10%。