专利名称：长寿命溅射靶的制作方法
技术领域：
本发明涉及凹进溅射靶的领域，且具体而言，本发明涉及一种制造凹进溅射靶的方法。
背景技术：
在溅射靶的制造领域中，多种装置将靶材结合到靶座(backingplate)上。在历史上，靶制造者将靶焊接到靶座上。参见图1，通过将靶插入件12结合到靶座14上而形成常规溅射靶组件10。随着溅射温度的增高和靶尺寸的增加，焊接不能提供必要的结合，这是由于存在以下缺点1)低熔化温度限制了室操作温度；2)焊料的高蒸气压力将杂质引入室内；和3)尤其是在高温条件下的低结合强度导致偶尔产生结合失效。由于脱落的靶不仅可损伤晶片，而且可损伤其支承静电卡盘，因此最重要的是避免产生结合失效。事实上，结合完整性对于溅射靶制造者而言如此重要以使得Hunt等在美国专利No.6,092,427中开发了一种专门用于制备和测试结合界面测评样品的方法。该方法用于测评溅射靶与靶座之间的结合强度。通过在一端形成的第一开口和被形成以将第一开口分成两个开口的螺纹开口去除材料样品。在这些开口上车螺纹并拉动螺纹开口实现对结合强度的测量。
鉴于上述问题，商业靶制造商已提出用于实现固体结合的多种解决方案。例如，H.Zhang在美国专利No.6,071,389中披露了使用钛中间层以将钴靶扩散结合到铝或铜靶座上。该工艺通过电镀、溅射、化学镀或等离子体喷涂沉积钛中间层。沉积出的钛结合到钴和靶座材料上。该工艺还依靠在靶和靶座内机加工出的用以进一步改进结合性能的沟槽。
Hunt等在美国专利Nos.5,836,506和6,073,830中披露了一种用于使圆柱形靶的背表面和侧表面粗糙化且将靶的背表面和侧表面扩散结合到靶座上的方法。该方法形成了固态结合且已经证明对于将靶紧固到靶座上最为有效。遗憾的是，由于靶优先从中心进行溅射，因此圆柱形靶在溅射过程中的产量或利用率远达不到百分之百。由于优先在中心区域进行溅射所致的低产量为改进的靶利用率留下了机会。
因此，为了开发具有改进的产量以及靶插入件与靶座之间的必要结合的溅射靶，本发明的一个目的在于增加溅射靶的材料利用率，由此降低了与频繁进行设计、制造和更换溅射设备中的溅射靶组件相关联的总成本。
本发明的另一个目的在于提供一种具有令人满意的构型且满足半导体工业总体需求的溅射靶组件。
本发明的又一个目的在于在由相似和不相似的材料制成的靶插入件与靶座之间提供令人满意的固态结合。
在阅读说明书、附图和所附权利要求之后，本领域的技术人员将易于理解本发明的其它目的和优点。
发明内容
通过本发明的方法和设备可满足前述目的。根据本发明的第一个方面，提供了一种制造溅射靶组件的方法。所述方法包括制造靶座，所述靶座具有平面顶表面和其中的圆柱形凹部。所述凹部具有一定深度和直径，且所述靶座具有一定屈服强度。随后制造出接近最终形状的靶插入件。所述靶插入件具有对应于所述靶座的所述圆柱形凹部的截锥形后表面和前表面。所述靶插入件进一步具有大于所述靶座屈服强度的屈服强度，和大于所述靶座中的所述圆柱形凹部的所述深度的高度。其后，所述靶插入件被热压进入所述靶座的所述圆柱形凹部内达到塑性变形状态以便将所述靶插入件扩散结合到所述靶座上并形成所述靶组件。所述靶插入件突出到所述靶座的所述平面前表面之上。
在本发明的另一个方面中，提供了一种溅射靶组件。所述组件包括具有平面前表面和所述前表面内的凹部的圆柱形靶座以及靶插入件。所述靶插入件具有大于所述靶座的所述凹部的深度的高度。所述靶插入件具有前表面和后表面，所述后表面至少约百分之五十的表面积是锥形的且所述后表面被结合到所述靶座上以将所述靶插入件紧固到所述靶座上。所述凹部塑性变形形成所述靶插入件的形状，从而形成所述靶组件且所述靶插入件突出到所述靶座的所述平面前表面之上。
在本发明的又一个方面中，提供了一种溅射靶组件。所述组件包括圆柱形靶座，所述圆柱形靶座具有平面前表面和所述前表面内的凹部，以及在所述靶座的所述凹部内结合到所述靶座上的靶插入件。所述靶插入件具有截锥形状的前表面和截锥形状的后表面，所述后表面至少约百分之六十的表面积是截锥形的且所述后表面被结合到所述靶座上以将所述靶插入件紧固到所述靶座上。所述凹部塑性变形形成所述靶插入件的形状，从而形成所述靶组件。
通过结合附图对本发明的优选实施例进行的以下详细描述将更易于理解本发明的目的和优点，在所述附图中图1是示出了用于制造常规溅射靶组件的工艺的示意图；图2是示出了制造长寿命溅射靶组件的工艺的示意图；图3是图2所示靶组件的剖视示意图；和图4是示出了根据另一个实施例的制造长寿命靶组件的工艺的示意图。
具体实施例方式
本发明提供了一种用于形成具有固态结合的溅射靶组件的方法。如图2所示，该工艺依靠具有锥形后表面24的靶插入件22和具有部分配合的圆柱形凹部28的靶座26。靶插入件22的高度优选高于凹部28的深度，由此靶插入件突出到靶座26的平面表面25之上。按照这种方式，靶的总厚度增加了约20％至约35％，而可利用的溅射靶材比相关靶组件增加了约50％至约100％。
在形成溅射靶组件中的靶的过程中，插入件22被压入圆柱形凹部28内且使靶座26变形，从而形成靶/靶座组件20。在该步骤中，截锥形表面24保持其形状且形成结合。所述结合将靶插入件22的锥形或截锥形后部24紧固到靶座26上。靶组件的溅射寿命延长至约1,400kWh与约1,600kWh之间，而常规靶组件具有约1,000kWh与约1,200kWh之间的溅射寿命。
生产渐缩或成一定角度的表面29的制造方法可包括但不限于机加工、锻造、压制、铸造、热等静压(HIP)粉末和旋压。有利地，该工艺包括将靶插入件直接压制成其锥形或部分锥形形状以消除机加工所导致产生的材料损失。最适当的方法取决于靶材。多种靶材适用于使靶热压或甚至冷压成形。这免去了机加工步骤且增加了产量。高产量对于高成本靶材，如高纯钨和钽而言非常重要。对于这些材料而言，将靶组件直接压制成其插件形状是生产靶的最有利的工艺路线。对于这些材料而言，与在对应于渐缩靶座的表面上机加工出渐缩靶插入件的方式相比，这显示出成本和时间上的明显节约。
此外，使用高纯度粉末如钨粉末允许制造者将粉末直接压缩成接近最终形状的靶插入件。
有利地，在压制过程中保持靶插入件和靶座的温度高于200℃达至少一小时改进了结合性能。最有利地，在至少400℃的温度下进行压制以进一步改进靶插入件的后表面与靶座之间的结合性能。
靶座26包含通过对靶座进行机加工而形成的圆柱形凹部28。最有利地，展性金属或合金如铝、铜、铝基合金或铜基合金形成了靶座。铝基合金如合金6061提供了必要的延性。此外，靶座在压制过程中应该具有小于靶材屈服强度的屈服强度。可选地，靶座凹部28中可包含正方形、渐缩或圆角。凹部28具有约等于渐缩插入件12的体积的体积。这提供了充分的结合，而不会诱发靶座产生过度变形。有利地，凹部28具有至少为渐缩插入件22体积的百分之九十的体积以防止在将渐缩插入件22压入凹部28内的过程中产生过度变形。相似地，凹部28有利地具有小于约百分之百的渐缩插入件22体积的体积以允许进行充分压制。最有利地，凹部28具有约等于渐缩靶插入件的体积的体积以限制应力和使结合性能达到最大限度。
将渐缩靶插入件压入凹部内形成了靶组件。在压制后，靶材保持其原始截锥形状。该步骤依靠热压，如真空热压或热等静压工艺，以形成最终组件。当所述组件在压力下受到加热时，靶座材料达到塑性变形状态，所述状态有利于形成坚固的固态结合。高温压制促进靶材与靶座进行反应。对于一些系统，即钛靶和铝靶座而言，使材料扩散和反应在一起有利于形成有助于结合强度的反应产物。
在压制后，靶组件准备进行精加工操作如最终靶机加工、抛光、清洗和在靶座内机加工出螺纹安装开口。
如图3所示，靶组件30有利地包含沿锥形界面34和截锥形界面36结合到靶座38上的靶插入件32。截锥形界面具有直径D且锥形界面形成了长度为L的环。长度L平行于截锥形界面36进行延伸。截锥形界面36包括至少约百分之五十的靶插入件与靶座之间的结合表面积。最有利地，其包括至少约百分之六十的靶插入件的总结合表面积。靶使用了达约百分之十五且高达百分之二十更少的材料以降低制造成本且实现与标准靶组件相同的利用率和设置。
图4示出了另一个可选实施例。靶插入件42在前表面和后表面上均具有靶组件40的截锥形构型。
结合界面不便于使用相配合的机加工沟槽，这是因为机加工沟槽可能与靶座的塑性变形产生抵触。然而，有利地，表面处理步骤使靶插入件和圆柱形凹部的侧表面和渐缩表面粗糙化以在要进行结合的表面上形成不均匀的表面形貌。容许的表面粗糙化技术包括，但不限于，颗粒喷射、喷丸处理和蚀刻。颗粒喷射技术中使用颗粒可选自包括，但不限于粗砂、砂粒、玻璃珠和钢丸的组群。当部件在压制过程中受到加热时，该工艺导致相关结合表面产生细微破坏。最有利地，该工艺使用喷砂使靶插入件粗糙化从而促进形成所希望的固态结合。
接近最终形状的靶插入件42具有截锥形后部形状，所述形状沿前面提到的界面50与靶座48配合。根据本实施例，该接近最终形状的靶插入件42具有渐缩或成一定角度的前表面44。该前表面优选是截锥形的。此外，靶插入件42具有大于靶座48屈服强度的屈服强度，和大于靶座48中的圆柱形凹部的深度的高度。如上面讨论地，用于靶座和靶插入件的材料可以是结合前面的实施例提到的材料中的任一种材料。在通过热压工艺(例如真空热压、热等静压工艺)将靶插入件42压入靶座48内之后，靶座材料达到塑性变形状态，这使得其间形成了坚固结合。最终溅射靶组件中的靶插入件突出到靶座48的平面表面49之上。因此，与提供约1,000kWh至1,200kWh的溅射寿命的常规靶组件相对地，靶的溅射寿命增加至2,400kWh。将结合下列实例对本发明的方法和溅射靶组件进行进一步详细地描述，然而，所述实例不应被解释为是对本发明的限制。
实例具有13.572″(34.5cm)的直径×0.750″(1.9cm)的厚度的商用99.99％纯的钛盘在后结合表面上加工出3°的角度。该圆盘的后结合表面形成类似锥形的形状。钛盘被安放在6061-T6铝盘内机加工出的圆柱形凹部中。该凹部包含等于钛靶插入件体积的体积。在15ksi(103MPa)且在510℃的温度下进行达2小时的热等静压工艺，将插入件结合到靶座上。铝盘在热等静压循环过程中变得具有塑性且与渐缩钛靶的3°角度的形状相一致。在热等静压工艺过程中发生的塑性变形确保了紧固固态结合。通过超声波试验、拉伸试验和金相方法对该结合性能进行测评确认结合完整性和强度。
在热等静压后进行的超声波试验分析显示靶座与靶之间存在百分之百结合。此外，超声波试验显示在靶的边缘区域中存在微小孔隙。
金相分析显示存在一致结合界面，所述界面具有由于凹进靶座的正方形角未完全挤压出或变形所致的一个小孔隙。该孔隙的位置和尺寸对于靶的性能不会产生影响。此外，底壁和侧壁结合等效于通过扩散结合技术实现的一体固态结合。此外，随后的试验表明位于凹部侧壁处的圆角消除了任何孔隙。
根据双螺纹开口样品方法进行的两次拉伸试验证实存在优良结合。切过结合界面的两个样品均具有铝断口。第一个样品在1,920lbs(13.2MPa)的压力下断裂。第二个样品在1,830lbs(12.6MPa)的压力下断裂。
尽管给出了钛靶的实例，但值得注意的是，该工艺对于适用作溅射靶的任何合金或组合物如铝、钛、铜、铬、钴、镍和钽的溅射靶具有相似的有效性。此外，该工艺对于靶材和靶座是相似或不相似合金的情况都有效。例如，有可能将铝合金靶安放在铝靶座中或铜靶座中。
所述渐缩的靶设计使用制造友好的工艺使相应的靶座凹进且易于适合多种类型的制造设备。该工艺还消除了对靶座坯料进行专门的成本密集型机加工的需要且减少了制造所需的时间。此外，其允许制造在边缘处具有减少(通常为20-35％)的厚度的溅射靶。由于该靶组件优先从其中心进行溅射，因此该靶无需改变标准工作状态。可选地，与常规圆柱形靶插入件相比，该设计增加了靶材的厚度，而没有改变溅射系统的标准溅射过程。此外，其通过降低所需的靶材用量而增加了溅射工具生产率，由此降低了成本。最后，该工艺还有利于形成坚固的真空相容结合。这些结合可比实际靶座本身具有更高的强度。最后，该工艺减少了新型设计和产品所需的设计和制造时间。
可在不偏离本发明的范围的情况下，作出本发明的多种可能的实施例和溅射靶构型，因此应该理解在此阐述的所有内容应被解释为是示例性的且不以任何方式进行限制。
权利要求
1.一种制造溅射靶组件的方法，包括以下步骤a)制造靶座，所述靶座具有平面顶表面和其中的圆柱形凹部，所述凹部具有一定深度和直径，且所述靶座具有一定屈服强度；b)制造接近最终形状的靶插入件，其中所述靶插入件具有对应于所述靶座的所述圆柱形凹部的截锥形后表面和前表面，所述靶插入件进一步具有大于所述靶座屈服强度的屈服强度，和大于所述靶座中的所述圆柱形凹部的所述深度的高度；并且c)将所述靶插入件热压进入所述靶座的所述圆柱形凹部内达塑性变形状态以便将所述靶插入件扩散结合到所述靶座上并形成所述靶组件，其中所述靶插入件突出到所述靶座的所述平面前表面之上。
2.根据权利要求1所述的方法，其中至少百分之五十的所述截锥形后表面结合到所述靶座上。
3.根据权利要求1所述的方法，包括保持所述靶插入件和所述靶座的温度高于200℃达至少一小时以改进所述靶插入件的所述截锥形后表面与所述靶座之间的结合性能的附加步骤。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述圆柱形凹部具有一定体积且所述靶插入件具有一定体积；且所述圆柱形凹部具有约百分之九十与约百分之百之间的所述靶插入件的所述体积的体积。
5.一种溅射靶组件，包括圆柱形靶座，所述圆柱形靶座具有平面前表面和所述前表面内的凹部；和靶插入件，所述靶插入件具有大于所述靶座的所述凹部的深度的高度，所述靶插入件具有前表面和后表面，所述后表面至少约百分之五十的表面积是锥形的且所述后表面被结合到所述靶座上以将所述靶插入件紧固到所述靶座上，其中所述凹部塑性变形形成所述靶插入件的形状，从而形成所述靶组件，且其中所述靶插入件突出到所述靶座的所述平面前表面之上。
6.根据权利要求5所述的溅射靶，其中所述凹部具有与所述靶插入件的所述形状相符合的形状。
7.根据权利要求5所述的溅射靶，其中锥形界面将所述靶插入件结合到所述靶座上。
8.一种溅射靶组件，包括圆柱形靶座，所述圆柱形靶座具有平面前表面和所述前表面内的凹部；和在所述靶座的所述凹部内结合到所述靶座上的靶插入件，所述靶插入件具有截锥形状的前表面和截锥形状的后表面，所述后表面至少约百分之六十的表面积是锥形的且所述后表面被结合到所述靶座上以将所述靶插入件紧固到所述靶座上且形成所述靶组件，其中所述凹部塑性变形形成所述靶插入件的形状，从而形成所述靶组件。
9.根据权利要求8所述的溅射靶，其中所述凹部具有与所述靶插入件的所述形状相符合的形状。
10.根据权利要求8所述的溅射靶，其中所述靶插入件的所述前表面突出到所述靶座的所述平面顶表面之上。
全文摘要
提供了一种制造溅射靶组件(20)的方法及其产品。所述方法包括制造靶座(26)，所述靶座具有平面顶表面和其中的圆柱形凹部。随后制造接近最终形状的靶插入件(22)，所述靶插入件具有对应于所述靶座(26)的所述圆柱形凹部(28)的截锥形后表面(24)和前表面。所述靶插入件(22)具有大于所述靶座(26)的屈服强度的屈服强度，和大于所述靶座(26)中的所述圆柱形凹部的深度的高度。其后，所述靶插入件(22)被热压进入所述靶座(26)的所述圆柱形凹部(28)内达到塑性变形状态以便将所述靶插入件(22)扩散结合到所述靶座(26)上并形成所述靶组件(20)。所述靶插入件(22)突出到所述靶座(26)的所述平面前表面之上。
文档编号B23K28/00GK1849408SQ200480025855
公开日2006年10月18日 申请日期2004年8月26日 优先权日2003年9月9日
发明者R·佩罗特, T·J·洪特, H·J·柯尼希斯曼, P·S·吉尔曼 申请人:普莱克斯S·T·技术有限公司