溅射靶及通过旋转轴向锻造形成该溅射靶的方法

专利名称：溅射靶及通过旋转轴向锻造形成该溅射靶的方法
本申请根据35U.S.C.119(e)要求享有2004年5月6日提交的在先美国临时专利申请No.60/568,592的优先权，其全文作为参考在此引入。
背景技术：
本发明涉及溅射靶及用于溅射的组分。更特别地，本发明涉及形成溅射靶的方法以及由本发明方法得到的溅射靶。
存在多种由金属制造溅射靶的方法，其整体上包括选取大体为坯块状的粉末冶金制品或铸锭得到的制品，然后将坯块加工成希望的溅射靶形状，其大多情况为平板状和圆形。通常用来将坯块加工成希望形状的手段是各种锻造方法轧制、锤磨、挤压、顶锻等。通常，这些方法工作密集，在于它们耗费大量时间来加工材料，因为这些锻造或碾磨操作劳动强度非常大，并且由于所涉及的必需的变形而需要大量时间。此外，通过使用这些类型的锻造或碾磨步骤，已形成的溅射靶通常为了获得理想的紧公差和良好的表面精加工而需要大量机加工。另外，平板靶的圆形通常不精确，在靶周直径上的变化方面具有大的差异，如10～15％的差异。
因此，工业上需要克服上述缺陷，提供一种形成溅射靶的更低成本的方法，同时提供减少形成靶所需时间的手段。

发明内容
本发明的特征是提供一种方法，从而以较低成本和较小劳动强度操作制备溅射靶。
本发明进一步特征是提供一种制造溅射靶的方法，其在形成过程期间需要较短时间。
本发明的附加特征是提供一种方法，该方法提供在粒径和/或晶体取向方面更一致的溅射靶。
本发明的附加特征是提供在靶周直径上具有更小变化的溅射靶。
另外，本发明的另一特征是提供一种变形后需要较少机加工的溅射靶。
本发明的进一步特征是提供一种具有过渡主要结构或受控制结构梯度的溅射靶。
本发明的附加特征和优点将在下面的说明书中得到部分阐明，且部分地将由本说明书而变得显而易见或可以通过本发明的实施而得到教导。本发明的目的和其它优点将借助于本说明书和所附权利要求中特别指出的要素和组合来实现和达到。
为了实现这些和其它优点，根据本发明的目的，正如在此具体而广泛地说明的那样，本发明涉及一种形成溅射靶的方法。该方法涉及对铸锭得到的预成型件旋转轴向锻造(rotary axial forging)至溅射靶的形状和尺寸。旋转轴向锻造优选在闭合模中实现。
本发明进一步涉及具有这种粒径图样的溅射靶，该粒径图样为围绕溅射靶中心的连续径向-圆周的图样。
此外，本发明涉及具有这种晶体结构图样的溅射靶，该晶体结构图样为围绕溅射靶中心的连续径向-圆周图样。
而且，本发明涉及一种溅射靶，其具有围绕溅射靶不大于5％的直径变化。
另外，本发明涉及具有过渡主要结构或受控结构梯度的溅射靶。
应当理解，上述总的说明和下面详细的说明都仅仅是示范性的和说明性的，并用来对所要求保护的本发明提供进一步的解释。
附图包括在本申请中并构成本申请的一部分，其说明了本发明的一些实施方式，并和说明书一起用来说明本发明的原理。


图1(A)～(C)是通过旋转轴向锻造将坯块加工成溅射靶的大体加工的侧面分解图。
图2(A)～(C)是使用下模对起始坯块进行旋转轴向锻造的侧面分解图。
图3是使用本发明一个实施方式形成溅射靶的连续过程的侧视流程图。
图4是示出了由旋转轴向锻造的钽溅射靶材料的晶粒结构和取向的EBSD剖面图。
图5是旋转轴向锻造的钽溅射靶材料的EBSD得到的极图。
图6-8是分别示出了在整个样本厚度上的％(111)、％(110)和％(100)的结构梯度的曲线图。
图9是示出了在整个样品厚度上的平均粒径的曲线图。
具体实施例方式
本发明涉及溅射靶和优选使用旋转轴向锻造技术作为形成溅射靶方法一部分的制备溅射靶的方法。
更详细地，在工艺上，溅射靶可以这样形成，通过对铸锭得到的预成型件或工件进行旋转轴向锻造以形成所期望溅射靶的形状和大小。
对本发明来说，铸锭得到的预成型件工件可以是任何铸锭得到的材料，这种材料可以在尺寸上缩小(如变形)到所期望溅射靶的形状。因此，铸锭得到的预成型件是通常具有比所期望溅射靶更大的高度及比溅射靶更小的直径的材料。铸锭得到的预成型件通常可以是任何期望的高度和/或直径或其它尺寸形状，只要它可以进行成型或变形或加工成最终溅射靶尺寸的理想形状。对本发明来说，优选地，铸锭得到的预成型件为圆柱形，且可以是如坯块、杆、圆柱或其它类似的形状。铸锭得到的预成型件可以具有其它几何形状如矩形。然而，具有这类预成型件形状的起始材料通常导致采用矩形形状，并通过本领域技术人员公知的锻造技术将其成型为圆柱形。作为实例，可以使用直径为约3英寸至约14英寸的坯块。通常，坯块的高度优选不大于该坯块或其它预成型件或其它工件直径的约2倍，更优选地，不大于其1.8倍。可以使用更大的高度/直径比。
坯块或其它工件可以由如Michaluk等人的美国专利No.6,348,113中描述的方法和技术来形成，其全部内容在此引入作为参考。
关于铸锭得到的预成型件，该预成型件可以具有任何纯度、任何粒径和/或任何结构(texture)。优选地，铸锭得到的预成型件对于存在的原生金属(primary metal)具有高于95％的纯度，更优选地，对于存在的原生金属的纯度，具有99％、99.5％、99.9％99.95％、99.99％、99.995％、99.999％或更高的纯度。关于金属，可以使用任何金属，只要其可以被溅射。可以使用BCC型或FCC型金属或其合金。实施包括，但并不限于，难熔金属、阀金属及其它类型的金属。具体实施包括，但并不限于，钽、铌、钛、钴、铜、铝、金、银、镍、铂、铪、锆、钯、钒、铱、钼、钨、铁及其合金等。
如上所述，铸锭得到的预成型件可以具有任何平均粒径。平均粒径的实施包括1,000微米或更小，更优选地为500微米或更小。其它范围包括，但并不限于，250微米或更小、150微米或更小、100微米或更小、75微米或更小、50微米或更小、25微米或更小、10微米或更小，和从约1微米至约1,000微米的任何其它数字范围。关于结构，任何晶体取向都可以使用于本发明。实施包括，但并不限于，主要结构(primary texture)和混合结构(mixed texture)。例如，对于立方金属来说，结构可以是(111)结构(或晶体取向)、(100)结构、(110)结构或这些结构的混合。类似地，对于六方金属如钛来说，结构可以是(0002)结构、(1012)结构、(1010)结构或这些结构的混合。结构可以贯穿铸锭得到的预成型件和/或在表面上。优选地，结构为均匀的，但这并不是必需的。同样优选地，但不是必须的，立方金属结构可以没有任何结构带。例如，铸锭得到的预成型件可以基本上没有(100)结构带。
在本发明中，铸锭得到的预成型件要经过旋转轴向锻造。这种旋转轴向锻造也可以被称为轨道锻造(orbital forging)。优选地，旋转轴向锻造与闭合模配合完成。任何旋转轴向锻造机器都可以使用。实施包括，但并不限于，可以从VSl Automation，Auborn Hills，MI(VSI OFP-100)、Wagner Banning，Dortmund，Germany(AGW-125或AGW-400)、Schmid Corporation，Switzerland(Model T630或T200)商业上获得的旋转轴向锻造机器。此外，旋转轴向锻造机器在美国专利No.4,313,332、4,795,333和5,531,088中都做出了进一步说明，其全部内容在此引入作为参考。而且，在“Past Developmentsand Future Trends in the Rotary or Orbital Forging Process”(Shivpuri，R.，J.Mater.Shaping Technol.6，(1)1988，pp.55～71)；“The Push Toward OrbitalForginng”(Honegger，H.R.，Am.Mach.126，(11)Nov.1982，pp.142～144)；“Orbial Forging of Heavy Metal EFP Liners”(Faccini，E.C.，ConferenceProceedings)；“High Strain Rate Behavior of Refractory Metals and Alloys，TMS，Warrendale，PA，111(1992)；“Metallurgical Aspectis of Rotary MetalForming”(Standring，P.M.)；“Rotary Metalworking Processes”(Moon，J.R.，1979，pp.157～170，IFS(Conferences)Ltd and University of Nottingham，Nov.1979)；“Recent development and applications of three-dimensional finite elementmodeling in bulk forming processes”(J.Mater.Process.Technol.，Vol.113 No.1～3 2001/Jun pp.40～45)；“Load-Deformation Relationships during Upsettingby Rotary Froging”(R.E.Little and R.Beyer)；“Rotary MetalworkingProcesses”(1979，PP.157～170，IFS(Conferences)Ltd and UniverSity ofNottingham，Nov.1979)；“Deformation Characteristics of Cylindrical Billet inUpsetting by a Rotary Forging Machine”(K.Kubo and Y.Hirai)；“RotaryMetalworking Processes”(1979，pp.157～170，IFS(Conferences)Ltd andUniversity of Nottingham，Nov.1979)；“Orbital Forging”(J.R.Maicki，Metallurgia and Metal Forming，June，1977，pp.265～269)中进一步描述了旋转或轴向锻造的各个方面，其全部内容在此引入作为参考。
关于旋转轴向锻造的操作，通过旋转轴向锻造施加的压力或力的数量可以为约50吨至约700吨(或更大)，更优选地，为约200至630吨。通常，铸锭得到的预成型件在轨道锻造步骤期间以约30rpm至约120rpm(或更大)的速度旋转，更优选地，以约50rpm至约80rpm的速度旋转。旋转轴向锻造机器具有上压板，其在锻造操作的同时实际上接触铸锭得到的预成型件，优选地，该旋转轴向锻造机器在轨道锻造期间以30rpm至约300rpm的速度旋转，更优选地，以约100rpm至约240rpm的速度旋转。通常，在锻造步骤期间，铸锭得到的预成型件的温度为约-196至约1000℃，更优选地为约20℃至约350℃。
模具与坯块的接触面积和待锻造材料的屈服强度是确定需要用来制造溅射靶的旋转锻造机器尺寸的因素。轨道锻造中的接触面积可以使用下式计算A＝πR2(0.48h/(2R tan(α))0.63，其中，A为接触面积，R为坯块的半径，h为供料深度/旋转，α为上模与坯块平面之间的倾斜角。旋转锻造压下以形成半径为R溅射靶所需的力(F)由下式确定F＝AYC，其中，Y为金属坯块材料的流动应力，C为约束系数。乘以材料屈服强度的约束系数可以看做考虑到模具中摩擦力的旋转锻造过程的有效屈服强度。
在旋转轴向锻造步骤期间，铸锭得到的预成型件可以在数秒内如1分钟或更短的时间内缩小到溅射靶所期望的形状和尺寸，更优选在30秒或更短时间内，这显然导致靶的变形时间的非常大的减少。
在旋转轴向锻造步骤中，优选地，使用具有所期望溅射靶的形状和尺寸的闭合模。基本上，这些模具(die)或铸模(mold)允许该铸锭得到的预成型件变形成为溅射靶精确期望的形状和尺寸，并导致最终制品在溅射靶的直径变化方面具有非常低的差值。通常，使用本发明，靶周直径的变化为5％或更小。
另外，采用旋转锻造可能形成这样的溅射靶，使得其形状与溅射靶腐蚀图案(erosion pattern)一致。这样节约了材料，并降低了用于溅射靶的材料成本。
闭合模可以由任何材料如工具钢或类似材料制备。润滑剂如二硫化钼或类似的或其它类型的锻造润滑剂，可以用来减少锻造期间的摩擦力。
在本发明中，经过旋转轴向锻造的该铸锭得到的预成型件可以是已退火的或未退火的。优选地，铸锭得到的预成型件是退火的。更优选地，对钽来说，铸锭得到的预成型件在约900℃至约1200℃的温度下退火约60分钟至约240分钟，优选地在真空或惰性气氛下进行。也可以对铸锭或金属制品进行涂覆。也可以采用其它温度和/或时间。也可以使用任何数目的退火次数。
本发明中锻造的该铸锭得到的预成型件尺寸通常基于溅射靶所期望的最终尺寸。换句话说，一旦知道溅射靶的尺寸，就可以容易地确定出溅射靶的金属体积，然后确定该起始铸锭得到的预成型件的合适的直径和高度，这样，该起始铸锭得到的预成型件就基本上具有与最终溅射靶相同的体积。优选地，与铸锭得到的预成型件直径相比，铸锭得到的预成型件的高度不大于约3倍。更优选地，该高度接近该铸锭得到的预成型件直径的1.8倍，或就是1.8倍。通常，该高度不超过3倍，虽然这样也是可能的，但并不优选。
溅射靶的最终形状或尺寸可以是任何尺寸，如高度为约0.125至约1英寸的6英寸至18英寸的常规尺寸。
作为一种选择，在旋转轴向锻造步骤之前，铸锭得到的预成型件可以经受第一热机械加工或变形步骤。本发明中，优选铸锭得到的预成型件经受这种在先的热机械加工，其可以是任何加工手段的形式(优选为不同于轨道锻造)，如旋转锻造、锤锻、顶锻、轧制、横轧、挤压等。基本上任何热机械加工材料的手段都可以使用，只要铸锭得到的预成型件出于旋转轴向锻造的目的而回复为圆柱形。因此，在一个实施方式中，铸锭得到的预成型件可以轧制成任何几何形状，只要其随后为了本发明优选实施方案的目的而回复为圆柱形。该铸锭得到的预成型件的在先热机械加工或变形优选提供了改善的粒径和/或预成型件中改善的结构。另外，在先的热机械加工可以实施，以获得具有为了经受特定的旋转轴向锻造机器而必需的尺寸和/或形状的预成型件。例如，具有直径为如约3英寸至约14英寸的坯块可以经受第一热机械加工，如锻造，使得直径缩小最初起始直径的至少5％，更优选地，缩小至少50％，甚至更优选地，至少100％。如果需要的话，尺寸的这种变形和缩小甚至可以大于100％。预成型件的加工可以是冷加工或热加工或其组合。坯块可以再次加工以回复其初始直径。
对本发明来说，在旋转轴向锻造步骤之前，可以有一道以上的在先热机械加工。在旋转轴向锻造之前，任何数目的加工步骤都可以实施，以获得预成型件任何理想的变形百分数或其它热机械加工。
在本发明另一实施方案中，旋转轴向锻造可以分阶段进行。例如，如果旋转轴向锻造设备不具有足够的吨位来锻造整个未成型区域(overall freeform)，则径向位移可以配备在下模上，使得轨道锻造可以在多个步骤中完成。例如，板的内部可以由高达机器吨位极限的轨道锻造而成型，其中该内部的半径小于零件的最终半径。因此，如果想形成直径为13英寸的板，可以用排列在中心上的上模和下模来形成第一8英寸板。然后，预成型件的外部可以通过将上压板移动到之前未进行锻造的预成型件部分上以相同的方式来锻造。可选择地，或组合地，承载预成型件的下压板可以这样移动，使得其与用来锻造之前未锻造区域的上压板对齐。因此，通过这种方法，之前不能在一个轨道锻造步骤中锻造的整个大预成型件可以通过在两个或多个优选为连续进行的步骤中的轨道锻造来锻造。因此，简单移动模具或上压板，或者移动下压板，以均匀锻造整个预成型件，从而获得材料的期望形状和最终厚度，如溅射靶形式。例如，为了形成13英寸直径的板，可以首先用排列在中心上的上模和下模锻造第一8英寸板。然后，坯块或预成型件的外部为未成型的，其内部8英寸直径成型至将近最终厚度。然后，下模可以通过第一压制的半径得到平移，在该实例中，平移速率(translation rate)为4英寸。然后，可以进行第二轨道锻造压制以形成外径部分。该压制使得外部形成至最终的13英寸直径。这种两步方法减小了用于轨道锻造的最大力。这种多步骤处理可以重复任何次数，以形成甚至更大直径的板，同时仅仅使用所采用轨道锻造压机中可获得的力。这种多步骤方法提供了众多优点。可选择地，人们可以起初在外径部分径向向内压制，并向内移动，或者人们可以起初在内径处径向压制并在一个或多个步骤中向外移动。
在旋转轴向锻造步骤之后，可以在溅射靶上预成型任何数目的其它常规步骤。例如，然后可以使用上述用于任选退火步骤中的类似退火参数对溅射靶退火任何时间。
而且，溅射靶可任选地经受任何进一步的热机械加工步骤，如轧制步骤、压平(flattening)步骤、或其它热机械加工，如牵引、液压成型、超塑性成型、旋压或流动成型或热机械加工的任何组合。
而且，溅射靶可任选地经受机加工、研磨(grinding)、精磨(lapping)、碾磨(milling)或抛光，从而获得期望的规格。
一旦获得了所期望的溅射靶，该溅射靶可以然后固定到背衬层或板上以完成靶组件。溅射靶向背衬层的固定可以由任何附着手段如扩散粘结、摩擦钎焊、摩擦焊、爆炸粘结、焊接等完成。作为选择，至少一个中间层可以位于溅射靶和背衬层之间，且中间层可以固定在靶上或固定到背衬板上或在与靶组件固定在一起之前附着到其二者上。背衬板可以是任何常规材料，如铜、铝、钛或其合金。
如图所示，溅射靶的至少一个表面可以被机加工至期望的特性和公差。
关于本发明中获得的溅射靶，在一个实施方式中，溅射靶优选具有这样的粒径(grain size)图样，即围绕靶中心的连续径向-圆周的图样。因此，这种粒径图样是独特的，因为其不但围绕靶中心环绕而且还向外辐射至靶的外径。基本上，粒径图样为具有圆周图样的径向图样的混合。在本发明一个实施方式中，具有粒径图样的这种独特混合的溅射靶提供了在均匀溅射上的独特特性，尤其是因为环绕图样能够更好地配合溅射设备中磁铁的圆形图样。因此，溅射靶不仅在基底上提供了更均匀的薄膜，而且溅射靶均匀地溅射或腐蚀，这样提供了溅射靶更有效且完整的使用。类似地，在相同实施方式或独立实施方式中，溅射靶可以具有连续径向-圆周图样的晶体结构图样。上述晶体结构可以具有任何结构。同时，在优选实施方式中，结构中的该优选的连续径向-圆周图样提供了更均匀的靶，这导致均匀的腐蚀以及该期望的基底上的均匀薄膜的形成。
就本发明来说，由本发明方法得到的溅射靶可以具有与该起始铸锭得到的预成型件相同或不同的结构和/或粒径。因此，对于在上面关于预成型件指定的粒径和结构和纯度，这些参数可以同样地存在于最终的溅射靶中。
在本发明一个实施方式中，溅射靶具有理想的金相结构。例如，靶的晶体结构可以是在整个靶厚度上的过渡主要结构。例如，靶的一个端部(如靶的顶侧部)可以具有(110)主要结构，且靶的另一端(如靶的底侧部)可以具有(111)主要结构。在整个靶厚度上的主要结构的转化可以对溅射目的非常有益。表明该实施方式的有益特征的另一种方式是，靶具有在整个靶厚度上的结构梯度，其中，更强的结构出现在靶的特定位置上。该过渡主要结构或结构梯度在溅射中非常有益，以补偿靶腐蚀时溅射速率的变化。本发明的方法生产出在其它金属加工过程中未观察到的独特结构。在本发明至少一个实施方式中，本发明生产出在整个靶或金属制品厚度上的近线性结构梯度，其可用来补偿溅射速率上的自然变化，其随着溅射靶中溅射腐蚀轨道的形成而产生。靶中溅射速率趋向于随着在恒定功率下的溅射时间而降低，因为在靶溅射时，靶的表面积增加。这些增加的溅射面积导致每单元面积上施加的功率的效果降低，这促使有效溅射速率的降低。这种影响通常通过逐步提高当溅射靶腐蚀时施加到溅射靶上的功率来补偿。本发明中，通过在溅射靶中引入受控结构梯度或过渡主要结构，溅射靶可以从高溅射速率结构如(111)转变成更高溅射速率取向如(110)，以补偿较低的有效功率密度。该结构梯度的实例进一步表示在包括图6-8的实例中。
就本发明来说，过渡主要结构可以是主要结构的任何转换。例如，并参照靶的整体厚度，溅射靶的一部分如上部或下部，更具体地，如靶的上半部或下半部可以是主要结构(如结构是超过整体结构的50％或所有结构中出现的最高％的结构)，如(111)、(100)、(110)，或这些结构中两种或多个的混合。靶或金属制品的另一个部分是不同的主要结构。因此，如实例那样，靶的一部分可以具有主要(111)结构，且靶的另一部分可以具有主要(100)结构。在另一个实施方式中，靶的一部分可以具有主要(111)结构，且靶的另一部分可以具有主要(110)结构。在本发明另一个实施方式中，靶的一部分可以具有主要(100)结构，且靶的另一部分可以具有主要(110)结构。在本发明另一个实施方式中，靶的一部分可以具有主要(100)结构，且靶的另一部分可以具有主要(111)结构。基本上，转换主要结构(shiftingprimary texture)的任何组合都可以实现。包含各自主要结构的“部分(portion)”或“部分(part)”可以是靶或金属制品整个顶/底部厚度的10％～90％，更优选为整个厚度的25％～75％，或35％～60％。例如，在14毫米厚的靶中，从顶部起始厚度的最初5～6毫米可以是主要(111)，其约为厚度的40％，且剩余厚度可以是主要(110)。另外，在本发明另一实施方式中，结构可以从主要结构转换成混合结构。例如，靶的一部分可以具有主要(111)结构，且靶的另一部分可以具有混合(111)∶(100)结构或混合(110)∶(100)结构等。优选地，最初暴露以溅射的结构是这样的结构，其具有比此后受溅射的靶部分更低的溅射速率结构，该此后受溅射的靶部分优选具有更高的溅射速率。正如进一步实施例那样，靶或金属制品的结构梯度可以具有(111)平面或-1％/mm至-10％/mm或更大的(111)结构。合适结构梯度的其它实例可以包括对于(111)平面或从-2.5％/mm到-5.0/mm的(111)结构。这种负结构梯度表示负号标记表明(111)结构在靶上部厚度中为更主导或主要，而且(111)结构的主导以线性或近线性类型方式降低，正如在整个靶毫米深度上测量的结构那样。因此，-2.0％/mm意味着(111)结构平均降低约2％/每毫米靶厚度，因此，如果靶是14毫米厚度，(111)结构从相同靶表面的顶部至表面的最底部(very bottom)减小约24％。类似地，结构梯度可以存在于用于(110)结构的相同靶中，其中从相同上表面起始的结构梯度为1％/mm至10％/mm，这表示该结构最初在靶的上表面更低，且在整个靶中以线性或近线性的方式逐渐提高，直到到达靶的底部。对于(110)的其它结构梯度可以包括在整个靶或金属制品厚度上的约1％/mm至约7％/mm、或约1％/mm至约5％/mm、或约1％至约4％/mm。对于(100)结构可以存在类似的梯度。对于其它晶体取向，如在FCC金属中，可以实现各种结构的取向的类似转换。本发明涉及至少一种存在于靶或金属制品中的结构，其具有可以为线性或近线性方式的结构梯度，其中，近线性通常表示结构在整个靶厚度上以恒定的方式总体上提高或总体上降低，该恒定的方式具有如在线性关系的10％以内或25％以内的误差。
上述关于(111)的各种结构梯度可以同等地应用到(100)或(110)中。类似地，上述提供用于(111)的结构梯度可以同等地应用到(110)或(100)中。在一个实施方式中，该实施方式可以应用于关于(111)和(100)的上述实例给定的结构梯度，(100)结构梯度可以是在整个靶厚度上的约0％/mm至约5％/mm，且其它范围包括在整个靶厚度上的约0.5％/mm至约3％/mm、或约0.5％/mm至约2％/mm。更低的结构梯度通常意味着基本上在整个厚度中保持相同的结构。在本发明一个实施方式中，(100)结构梯度变低，如低于3％/mm，这反映出(100)结构在整个靶厚度上通常大约相同。而且，该低结构梯度可以等同地应用到(111)或(110)中，这取决于靶中所期望的结构梯度类型。在本发明一个优选实施方式中，用于(111)结构的结构梯度为负结构梯度，且(110)结构梯度为正结构梯度，(100)结构梯度为接近0的结构梯度，如3％/mm或更小。在本发明另一个实施方式中，靶或金属制品可以具有至少一个对于一个或多个结构的正结构梯度，和/或至少一个对于一个或多个结构的负结构，和/或对于一个或多个结构的0或接近0的结构梯度。结构梯度或过渡主要结构的各种组合中任一种可以与在整个厚度上的粒径变化一起存在，该粒径变化非常低，如在靶整个厚度上平均粒径变化不超过+/-50微米，更优选在整个靶厚度上变化不超过+/-25微米。换句话说，如果在2mm深度处测量的平均粒径为约25微米，则整个靶厚度上的平均粒径不超过75微米，且平均粒径优选不超过50微米。从均匀的溅射速率和膜厚度形成来看，整个靶厚度上恒定的平均粒径范围也是有利的。小粒径变化的一个实例如实例中图9所示。
另外，在一个实施方式中，溅射靶优选具有5％或更小(如4％、3％、2％或1％或更小)的直径变化。变化中的这种控制对于溅射靶的均匀溅射和完全腐蚀来说是非常希望的。
关于附图，图1阐述了本发明方法的实例，其中如图1A所示的起始坯块经受了旋转轴向锻造。上模对起始坯块施加轴向力以促使金属材料的流动，从而形成溅射靶的理想直径，如图1B和1C所示。该实施方式中，图2A示出了经受了具有不同设计类型的上模成型的起始坯块。轴向力施加到起始坯块上，以产生金属的材料流动。该起始坯块或工件至少部分地位于下模中，以控制最终靶的最终构型，如图2C中所示。图3示出了一个实施方式的流程图，其中起始坯块经过预锻造步骤以减小直径，然后经过第二锻造步骤以增大直径。然后，工件或预成型件经过旋转轴向锻造步骤以将直径增加到18.5英寸。之后，基本具有所期望溅射靶形状的工件再经过真空退火，该工件可以连接到背衬板上，然后经过包括最终机加工的最终加工步骤。图4示出了轨道锻造的钽板在1050℃退火后的横截面的电子反向散射衍射图。在该图像中，具有平行于靶平面的(111)晶面的晶粒为蓝色(图中最深颜色的区域)，具有平行于靶平面的(110)晶面的晶粒为绿色(图中最淡颜色的区域)，具有平行于靶平面的(100)晶面的晶粒为红色(基本仅存在于(111)极图中作为两个点)。在整个靶中，结构梯度容易看见。图5提供了这种材料的EBSD极图。
本发明将通过下面的用来作为本发明示例的实施例得到进一步的阐明。
实施例表1总结了旋转锻造用于制造溅射靶的高纯度钽的实验条件。该实验条件用来生产直径约为11英寸的钽板。对于商业溅射靶来说，具有13～18英寸直径的钽坯件是有用的。那些更大直径板所需力的计算提供在表1的底部。表1中，样品1A、1B、2A和2B在轨道锻造之前在真空1050℃下退火2小时。样品1A和1B在退火之前进行挤压，从11英寸铸锭形成为3.54英寸坯块和5.9英寸长。样品3A和3B也如1A中进行挤压，但不进行退火。样品2A和2B从11英寸铸锭旋转锻造成3.54英寸坯块和5.9英寸长，并在旋转锻造后进行如讨论中的退火。样本4A和4B也进行旋转锻造，但不进行退火。
表1

由旋转闭合模锻造所制造的钽溅射靶之一用于金相结构分析。表1中如样品2B所指定的材料具有36μm的平均粒径，并在从0.5英寸厚板的顶部至底部中均匀地在10μm范围内。该板的晶体结构平均约为45％(111)、20％(110)和35％(100)。接近板底部的(111)晶体结构接近80％，并在接近板顶面处降低至接近20％。通过使用结构梯度来补偿溅射靶的持续腐蚀时产生的溅射速率中的正常降低，该结构梯度可以有益于溅射靶的设计。通过在朝向靶背表面的靶中放置更高溅射速率的结构，溅射速率的正常降低可以减少。
图6提供了在轨道锻造的钽板中发现的晶体结构梯度。对于(111)晶面的结构梯度在该数据组中为-3.8％/mm至-4.9％/mm范围内。曲线图左侧内高％(111)产生在钽样品侧上，即邻接到其中钽坯块和模具不能彼此相对移动的下模。曲线图右侧上低％(111)对应于样品面，该样品面与旋转模具相接触并经受高剪切。
图7提供了对于％(110)晶体结构的一系列类似的曲线。在这种情形下，该％(110)结构随着从左侧移动到右侧而逐渐提高，这种移动对应于从钽板内静止的下模接触表面到上部旋转模接触表面的移动。在这种情形下，随着从静止模具接触表面移动到旋转模具接触表面，结构梯度的范围从1％/mm至4.1％/mm。
图8提供了对于轨道锻造的钽板的％(100)结构组分的在整个厚度上的结构变化。该％(100)结构梯度在3％/mm至0.7％/mm的范围内。(100)组分中的梯度趋向于比(111)和(100)组分中的梯度低。
轨道锻造钽板中在整个厚度上的粒径变化提供在表9中。粒径示出了在轨道锻造钽中在整个厚度上仅仅微小的梯度。平均粒径在从25到50μm的范围内，在靠近相对于钽坯块静止的下模的材料中的粒径稍微大一些。
表2提供了本申请所描述的四种钽样品中测量的结构梯度和粒径的汇总。
表2

在本公开内容中，申请人具体引入了所有引用的参考文献的全部内容。此外，当数量、浓度或其它值或参数给定为范围、优选范围，或上限优选值和下限优选值的列举时，应当理解，由任何上限范围限定或优选值和任何下限范围限定或优选值的任何组合所形成的范围都已经具体公开了，无论这些范围是否单独公开。在此所述的数值范围，除非另有说明，该范围往往包括其终点和该范围内的所有整数和分数。这并不表示本发明的范围限制在所述限定范围的特定值上。
考虑到在此公开的本发明的说明书和实践，本发明其它实施方案对于本领域技术人员来说是显而易见。本说明书和实施例被认为仅用以进行示例，通过权利要求和其等效物来表示本发明的真实范围和精神。
权利要求
1.一种形成溅射靶的方法，包括对铸锭得到的预成型件旋转轴向锻造至所述溅射靶的形状和尺寸。
2.如权利要求1的方法，其中，所述铸锭得到的预成型件是阀金属或难熔金属。
3.如权利要求1的方法，其中，所述铸锭得到的预成型件是钽预成型件或其合金。
4.如权利要求1的方法，其中，所述铸锭得到的预成型件是钛预成型件或其合金。
5.如权利要求1的方法，其中，所述铸锭得到的预成型件是铌预成型件或其合金。
6.如权利要求1的方法，其中，所述铸锭得到的预成型件是钴、铜、铝、金、或银预成型件，或其合金。
7.如权利要求1的方法，其中，所述铸锭得到的预成型件包括钽、铌、钛、其组合、或其合金。
8.如权利要求1的方法，进一步包括，在所述旋转轴向锻造之前对所述铸锭得到的预成型件进行热机械加工。
9.如权利要求1的方法，进一步包括，通过在所述旋转轴向锻造之前加工所述预成型件以减小所述铸锭得到的预成型件的直径。
10.如权利要求9的方法，其中，所述直径的减小是通过锻造、轧制或其组合来实现的。
11.如权利要求1的方法，其中，在所述旋转轴向锻造之前对所述铸锭得到的预成型件进行退火。
12.如权利要求1的方法，进一步包括，在所述旋转轴向锻造步骤之前，在约900℃至约1200℃的温度下对所述铸锭得到的预成型件退火约60分钟至约240分钟。
13.如权利要求1的方法，其中所述旋转轴向锻造是通过以约30rpm至约300rpm的速度旋转该铸锭得到的预成型件来实现，且其中所述旋转轴向锻造具有在所述旋转轴向锻造步骤期间以30rpm至约300rpm的速度旋转的上压板。
14.如权利要求1的方法，其中，所述铸锭得到的预成型件为坯块、杆或圆柱体。
15.如权利要求1的方法，其中所述溅射靶的所述形状和尺寸并非溅射靶的最终形状和尺寸，其中所述方法进一步包括将所述溅射靶进行进一步的热机械加工以获得最终溅射靶的期望形状和尺寸。
16.如权利要求1的方法，其中所述方法进一步包括机加工所述溅射靶的至少一个表面。
17.如权利要求1的方法，进一步包括将所述溅射靶固定到背衬板上。
18.如权利要求1的方法，进一步包括将至少一个中间层固定到所述溅射靶或所述背衬板或其两者上，然后将所述靶、板和中间层一起固定以形成靶组件。
19.如权利要求1的方法，进一步包括对所述铸锭得到的预成型件或所述溅射靶或两者进行轧制、压平、碾磨、研磨、精磨、抛光或其组合。
20.如权利要求1的方法，其中所述铸锭得到的预成型件为圆柱形，并具有不超过直径3倍的高度。
21.如权利要求9的方法，其中所述铸锭得到的预成型件在直径上至少减小5％。
22.如权利要求1的方法，其中所述铸锭得到的预成型件在直径上至少减小10％。
23.一种具有粒径(grain size)图样的溅射靶，该粒径图样为围绕溅射靶中心的连续径向-圆周图样。
24.一种具有晶体结构图样的溅射靶，该晶体结构图样为围绕溅射靶中心的连续径向-圆周图样。
25.如权利要求24的溅射靶，其中所述溅射靶进一步包括围绕溅射靶中心的连续径向-圆周图样的粒径图样。
26.一种溅射靶，其具有5％或更小的直径变化。
27.如权利要求26的溅射靶，其中所述溅射靶包括钛。
28.如权利要求26的溅射靶，其中所述溅射靶包括钽、铌或其合金。
29.如权利要求1的方法，其中所述旋转轴向锻造发生于闭合模中。
30.如权利要求29方法，其中所述闭合模是溅射靶的形状。
31.如权利要求1的方法，其中，所述溅射靶具有约20至约100μm的平均粒径。
32.如权利要求31的方法，其中该溅射靶包括铝、铜、钽、铌、钛、铂、金、镍、铁、钒、钼、钨、银、钯、铱、锆、铪、或其合金、或其组合。
33.如权利要求31的方法，其中所述溅射靶是纯度为至少99.99％的钽。
34.如权利要求31的方法，其中所述溅射靶为具有主要(111)的平均晶体结构的钽。
35.如权利要求31的方法，其中所述溅射靶为具有主要(110)的平均晶体结构的钽。
36.如权利要求1的方法，其中所述旋转轴向锻造发生于该铸锭得到的预成型件的两个或多个锻造步骤中。
37.一种金属板，其在整个金属板厚度上具有受控的结构梯度。
38.如权利要求37的金属板，其中所述金属板为BCC金属板。
39.如权利要求38的金属板，其中所述BCC金属板具有1％/mm或更大的对于％(111)的结构梯度。
40.如权利要求38的金属板，其中所述BCC金属板具有3％/mm或更大的对于％(111)的结构梯度。
41.如权利要求38的金属板，其中所述BCC金属板具有5％/mm或更大的对于％(111)的结构梯度。
42.如权利要求38的金属板，其中所述金属板为钽金属板。
43.如权利要求38的金属板，其中所述金属板为铌金属。
44.一种金属板，其在整个金属板厚度上具有过渡主要结构。
45.一种金属板，其中，在整个金属板厚度上，所述金属板具有对于第一晶体取向的正结构梯度和对于第二晶体取向的负结构梯度。
46.如权利要求45的金属板，其中所述正结构梯度是对于(111)结构。
47.如权利要求45的金属板，其中所述负结构梯度是对于整个靶厚度上的(110)结构梯度。
48.如权利要求45的金属板，其中所述正结构梯度是对于(110)结构。
49.如权利要求45的金属板，其中所述负结构梯度是对于整个靶厚度上的(111)结构梯度。
50.如权利要求45的金属板，其中第三晶体取向具有在整个靶厚度上的3％/mm或更小的结构梯度。
51.如权利要求45的金属板，其在整个金属板厚度上平均粒径变化不超过75微米。
52.如权利要求45的金属板，其在整个金属板厚度上平均粒径变化不超过50微米。
53.如权利要求45的金属板，其在整个金属板厚度上平均粒径变化不超过25微米。
全文摘要
公开了一种使用旋转轴向锻造制造溅射靶的方法。其它热机械工序可以在锻造步骤之前和/或之后使用。进一步描述了一种可以具有独特粒径和/或晶体结构的溅射靶。
文档编号C22F1/16GK1981067SQ200580022954
公开日2007年6月13日 申请日期2005年5月6日 优先权日2004年5月6日
发明者约翰·P·梅特雷, 罗伯特·B·福特, 小查尔斯·E·威克沙姆 申请人:卡伯特公司