专利名称：多组分合金溅射靶及其制备方法
多组分合金溅射靶及其制备方法本发明涉及一种由包含至少两相或至少两种组分的材料构成的 溅射靶，其中至少一相或至少一种组分具有晶粒结构。本发明还涉及所述溅射靶的制备方法及其用途。就制备TFT LCD显示器而言，除了诸如Al、 Ti、 Mo和Cr等单 组分材料以外，最近人们越来越多地将粉末冶金混合物以及沉积有第 二相的合金用作所谓的溅射靶，如专利文献EP1559801所述的那样。 迄今为止，真空镀膜法主要采用单组分溅射靶来制备相应的层(例如 用于使源极触点、漏极触点和栅极触点结构化的层，或者用于反射/ 半反射应用的层)。在使用单组分材料的情况下，用于制备上述平面 靶的优选的粉末冶金法为烧结并随后轧制成大的块体、或者热等静 压成大的块体，以及对大的块体进行切割。TFT显示器用基底的尺寸不断增加也需要有更大尺寸的溅射阴 极可供使用。这将造成许多问题。例如，通过粉末冶金法来整体式地 制备具有相应大小的靶板(达2.5mX3m)会更加困难，这是因为不 能获得相应的HIP系统。从其它应用(如建筑玻璃)中已知可以使 用管阴极或者甚至使用圆柱形磁控管。此时，溅射耙材被制成整体形 式的空心圆筒(即，无载体管)或被制成结合结构(即，具有载体管)。 目前，该应用主要使用Si、 Sn、 Zn和Ag。可通过热注法(Si、 Sn、 Zn)或浇铸法(Sn、 Zn、 Ag)来制备这种管靶。在TFT显示器的制造中，很重要的一点是溅射靶不释放任何颗 粒，这是因为颗粒的释放会导致单个像素的失效。在使用多组分溅射 靶的情况中，问题主要在于各个相结合到基质中的效果可能较差。一 般而言，由于各相组分的溅射速率不同，因此，靶表面会形成小丘状 的形貌。溅射速率较慢的区域会形成小丘，而溅射速率较快的区域会 被侵蚀成凹谷。这样，当在溅射过程中侵蚀上述靶时，可能会耗费时 间，并且还使得各相组分广泛地暴露。而且，当这些组分的结合作用不充分时，还存在这些区域最终发生破碎的问题。此外，当其结构过 于粗糙时，所形成的小丘会非常突出，从而使得小丘侧面被凹谷部分 再覆盖。这种效应可从(例如)原子质量差别极大的材料组合(如 Mo/Si或Au/W)中获知。这些再覆盖层进而可能再次脱落并形成颗 粒。这些再覆盖层还可能导致小丘最初形成锥形物，随后在某一时刻 变得过大，以至于发生小型的局部放电，这进而会产生颗粒。在使用铸造靶时还会遇到另一问题。在铸造靶的硬化过程中， 常常会形成沉积有第二相的粗糙结构。基于上述的机理，这同样会导 致相应地产生颗粒。此外，在铸造结构的情况下， 一直都存在形成微 孔或者甚至更大的空穴的问题。己知这些微孔或空穴也是颗粒源。此外，对于(例如)制备Mo靶或Cr靶而言，热等静压(HIP) 成块体、随后将其切割成相应的板是该领域内已知的。然而对于多组分靶而言，这些HIP法的不利之处通常在于当所加组分的互溶性很差或不具有互溶性时，会在不同的粉末相组分之间产生弱的结合作 用。在这种情况中，不会发生真正的颗粒间扩散，由此晶粒的结合作 用也不充分。所以，不同的粉末组分不会彼此紧密地结合在一起。此 外，所得到的晶粒尺寸并不能小于起始粉末的晶粒尺寸。通常，在HIP法的温度影响下所导致的晶粒生长会使得结构更加粗糙化。这即 为本发明的切入点。本发明的目的是分别基于不同的多组分材料或多相材料(即， 不会形成任何"真正的"合金的那些材料)或混晶(例如用于TFT 显示器涂层的混晶)来开发溅射靶，该溅射靶的结构被设计为使得其 在溅射期间受侵蚀时不会形成颗粒(如果完全可能的话)，其中颗粒 的形成会降低成品收率。该问题通过独立权利要求得到解决。由从属权利要求得到了有 利的实施方案。至少一相的晶粒结构(在与最大变形方向平行的横截 面内)具有大于2、优选为大于6的直径比，其中所述直径比是该晶 粒结构(在与最大变形方向平行的横截面内)的最大直径与其垂直方 向上的直径之比；并且该材料的密度为理论密度的至少98%,优选 为至少99%。有利的是，至少一相的晶粒的较小直径小于50pm，优选小于20 pm，尤其是小于5 ^m。尤其是可将所述材料形成为这样 的多相材料、或形成为由若干组分构成的混合物，其中所述多相材料 或混合物中的至少一相或至少一种组分的最大含量优选为20重量 %。有利的是，所述材料基于Cu或Ag形成，并且具有至少一个由 Cr、 Mo、 W、 Ti中的至少一种元素形成的低溶相，或者该材料基于 Mo形成，并且具有至少一个由Cr、 Ti、 V、 W、 Nb、 Ta中的至少一 种元素形成的低溶相。所述溅射靶的长度优选为至少500 mm。本发明的管靶制备方法的特征在于在第一步骤中，由靶材制 备一个或多个实心或空心的圆柱体；在第二步骤中，通过对该材料进 行变形加工而制得靶管，其中变形比(其被定义为l-Fe/Fa，以百分 比表示；Fe材料在垂直于变形加工方向上的最终横截面；Fa-材料 在垂直于变形加工方向上的初始横截面)为至少50%。可通过热等静 压来实施第一压縮步骤，并且可通过挤压或旋压来实施变形步骤。本发明另一制备平面靶的方法的特征在于在第一步骤中，由 靶材制备一个或多个块体；在第二步骤中，通过对该材料进行变形加 工而制得靶板，其中变形比(其被定义为l-Fe/Fa，以百分比表示； Fe二最终横截面；Fa:初始横截面)为至少50%。可通过热等静压(HIP) 来实施压縮成块体的第一步骤，并且可通过轧制来实施变形步骤。有 利的工艺管理方式的特征在于通过以处于HIP包套中的形式进行热 等静压并且以处于该HIP包套中的形式进行轧制来实施压縮。由此发现，对粉末进行第一预压縮后，可以在第二步骤中增加粉 末的结合作用，同时降低晶粒大小。对于将粉末预压縮成块体、预压 縮成实心或空心的圆柱体而言，可以考虑已知的压制方法，如冷压、 冷等静压、烧结、热压、HIP、或者甚至其它方法(如喷射成型等)、 以及它们相应的组合。根据材料的组合，在进行相应的预试验之后来 选择合适的方法。只要所用的多相材料可通过浇铸来制备，那么第一 步骤也可考虑通过浇铸来形成相应的块体、实心或空心的圆柱体。一 般而言，由于对材料的较高要求以及所产生的较慢的冷却速率，因此 所得结构非常粗糙。此外，还存在形成微孔或甚至更大的空穴的问题。在第二步骤中，将对块体、实心或空心的圆柱体进行主要的变形加工。对于靶板而言， 一般选择多步轧制工艺。对于管靶而言，根 据其材料可选择旋压以及挤压。这一变形步骤使得不同的相组分紧密 地融合在一起。此外，变形加工会降低晶粒大小并且使任何可能存在 的孔和空穴闭合。因此，为了镀敷大尺寸的基底(例如，用于TFT-LCD屏幕的基 底)，可以基于多相材料以大尺寸的整体板或长的厚壁管的形式制成 密度尽可能最高的溅射靶，其中所述多相材料优选为基于W、 Mo、 Ta、 Nb、 Cr、 V、 Ti、 Cu、 Ni、 Al、 Ag、 Au、 Pt、 Ru的材料，尤其 是基于Cu:Mo、 Cu:W、 Au:Cr、 Ag:Mo、 Ag:W、 Ag:Ti、 Mo:W、 Mo:Cr、 Mo:Nb、 Mo:Ti的材料。这会使得溅射靶的使用寿命较长，并且产生较少的颗粒。下面将对本发明的示例性实施方案进行说明。在附图中，
图1示出本发明实施例6制得的Cu:Mo靶沿变形加工方向的横截面。容易看到位于变形加工方向上的直的Cu晶粒。1) 通过真空铸造法，从由98原子％的Al和2原子％的Nd构成 的合金制得直径Da=300 mm、且长度L=400 mm的实心圆柱体。随 后，在其中钻一直径D产120mm的孔。通过在40(TC下挤压所得空心 圆柱体而使其变形成为Da=157 mm且D产122 mm的管坯。所得的变 形结构显示出极度伸长(雪茄形)的A1晶粒，以及少量由A1-Nd金 属间相构成的沉积物。根据变形加工方法的不同，也可基本上获得透 镜形的晶粒。垂直于压制方向上的Al-Nd相的直径小于10pm。由以 上形成的管加工得到尺寸为Da=153 mm、 D产124 mm且L=2400 mm 的整体(即，无载体管)靶管，并在溅射操作中对其进行测试。结果 产生与本领域内已知的平面靶相当的颗粒率(颗粒数/单位面积)。2) 首先通过冷等静压将由99重量％的Ag及1重量％的Cr构成 的粉末混合物压制成为Da=300 mm且I^400 mm的圆柱状块体。同 实施例1中一样，将该圆柱体加工成为Da=300 mm、 D产120 mm的 空心圆柱体。通过在50(TC下挤压所得空心圆柱体而使其变形成为 Da=157mm、 D产122mm的管坯。所得的变形结构显示出伸长(雪茄 形)的部分再结晶的Ag晶粒，并且其中嵌有Cr相。由以上形成的管加工得到尺寸为Da=153 mm、 D「124 mm且L=2400 mm的整体 (即，无载体管)靶管，并在溅射操作中对其进行测试。结果在溅射 操作中产生的颗粒极少。3) 首先通过冷等静压将由96重量％的Cu及4重量。/。的Cr构成 的粉末混合物压制成为Da=330 mmiL=500 mm的圆柱状块体。随 后通过在75(TC和1,000巴的条件下进行HIP而将该圆柱体压縮至其 密度大于理论密度的99%。所得结构由基本包含原始等轴晶形式的 晶粒构成。随后通过在45(TC下挤压所得圆柱体而使其形成Da=157 mm、 D「122 mm的管坯。由以上形成的管状体加工得到长为2,400 mm的 整体靶管。该管的结构特征在于部分再结晶的伸长(雪茄形)的 Cu晶粒，以及牢固地融合于其上的Cr颗粒。该耙管可用于镀敷 TFT-LCD基材而不会产生显著的颗粒率。4) 与实施例3类似，采用Cu:Mo禾B Cu:W、 Mo:Cr、 Mo:Nb、 Mo:Ti以及Ag:Mo、 Ag:W、 Ag:Cr、 Ag:Ti，并且Mo、 W、 Nb、 Cr、 Ti的合金化百分比均低于20重量％。5) 对比例首先通过冷等静压将由96重量％的Cu及4重量％ 的Cr构成的粉末混合物压制成为Da=170 mm且I^1000 mm的圆柱 状块体。随后通过在750"C和1,000巴的条件下进行HIP而将该圆柱 体压縮至其密度大于理论密度的99%。所得结构由基本包含原始等 轴晶形式的晶粒构成。依照常规方法将该圆柱体加工成为Da=153 mm、 D产135 mm且L-800 mm的空心圆柱体靶。将这样制成的两个 圆柱体靶焊接到载体管，并进行溅射。结果显示，在溅射过程中Cr 颗粒容易破碎，由此产生较高的颗粒率。这些颗粒会对各像素造成损 坏，从而降低产率，例如在制备TFT-LCD基底的触点和导体的过程 中降低产率。6) 首先通过冷等静压将由97重量％的Cu及3重量％的Mo构 成的粉末混合物压制成边长为250 mm x 250 mm x 500 mm的长方体 形的块体。随后通过在75(TC和1,000巴的条件下进行HIP而将该块 体压縮至其密度大于理论密度的99%。所得结构由基本包含原始等轴晶形式的晶粒构成。随后在45(TC下将该块体轧制(通过纵向辊和横向辊)成大小为 约2,500 mm x500 mm的16 mm厚的板。由该板制成尺寸为2,400 mm x 390 mm x 12 mm的靶。该板的结构特征在于部分再结晶的伸长 (雪茄形)的Cu晶粒，以及牢固地融合于其上的Mo颗粒(图1)。 该靶板可用于镀敷TFT-LCD基底而不会产生显著的颗粒率。7) 与实施例6类似，使用Cu:Cr、 Cu:W、 Mo:Cr、 Mo:Nb和 Mo:Ti、 Ag:Mo、 Ag:W、 Ag:Ti，且Mo、 W、 Nb、 Cr、 Ti的合金化 百分比均低于20重量％。8) 对比例首先通过冷等静压将由97重量％的Cu及3重量％ 的Mo构成的粉末混合物压制成边长为100 mm x 500 mm x 1,500 mm的长方体形的块体。随后通过在75(TC和l，OOO巴的条件下进行 HIP而将该块体压縮至其密度大于理论密度的99%。所得结构由基本 包含原始等轴晶形式的晶粒构成。随后将该块体切割成16 mm厚的板。由这些板制成均为1,200 mm x 390 mm x 12 mm的两段，并将其结合成长度为2,400 mm的耙。 在较短时间后，所述靶板开始释放大约多于本发明实施例中所释放颗 粒的IO倍的颗粒，因此其不适合用于TFTLCD加工中。这些颗粒主 要由Mo构成。
权利要求
1. 一种溅射靶，该溅射靶由包含至少两相或至少两种组分的材料构成，其中至少一相具有晶粒结构，所述溅射靶的特征在于所述的至少一相的晶粒结构具有大于2的直径比，其中所述直径比是该晶粒结构的最大直径与其垂直方向上的直径之比；并且所述材料的密度为其理论密度的至少98％。
2. 根据权利要求l的溅射靶，其特征在于所述直径比大于6。
3. 根据权利要求1或2的溅射靶，其特征在于所述材料的密度为理论密度的至少99%。
4. 根据权利要求1至3中任意一项的溅射耙，其特征在于所述的至少一相的晶粒的较小直径小于50pm，优选小于20pm，尤其 是小于5 (im。
5. 根据权利要求1至4中任意一项的溅射靶，其特征在于所 述材料是多相的，或者所述材料被形成为由若干组分构成的混合物的 形式。
6. 根据权利要求1至5中任意一项的溅射靶，其特征在于所 述材料是基于选自W、 Mo、 Ta、 Nb、 Cr、 V、 Ti、 Cu、 Ni、 Al、 Ag、 Au、 Pt、 Ru中的金属而形成的。
7. 根据权利要求5的溅射耙，其特征在于至少一相或至少一 种组分以低溶相部分的形式存在。
8. 根据权利要求5或7的溅射靶，其特征在于所述的至少一 相或至少一种组分的最大含量为20重量％。
9. 根据权利要求5的溅射靶，其特征在于所述材料是基于Cu或Ag而形成的，并且所述的至少一个低溶相包含Cr、 Mo、 W、 Ti中的至少一种元素。
10. 根据权利要求5的溅射靶，其特征在于所述材料是基于 Mo而形成的，并且所述至少一个低溶相包含Cr、 Ti、 V、 W、 Nb、 Ta中的至少一种元素。
11. 根据权利要求1至10中任意一项的溅射靶，其特征在于-该溅射靶的长度为至少500 mm。
12. —种管状溅射靶的制备方法，其特征在于在第一步骤中， 由靶材制备一个或多个实心或空心的圆柱体；以及在第二步骤中，通 过对上述材料以至少50%的变形比进行变形加工而制得靶管。
13. 根据权利要求12的方法，其特征在于通过热等静压来实施第一压縮步骤。
14. 根据权利要求12或13的方法，其特征在于通过挤压或旋压来实施变形加工。
15. —种平面溅射靶的制备方法，其特征在于在第一步骤中， 由靶材制备一个或多个块体；以及在第二步骤中，通过对上述材料以至少50%的变形比进行变形加工而制得靶板。
16. 根据权利要求15的方法，其特征在于通过热等静压来实施压縮成块体的第一步骤。
17. 根据权利要求15或16的方法，其特征在于通过轧制来实施变形加工。
18.根据权利要求17的方法，其特征在于通过以处于HIP包 套中的形式进行热等静压并且以处于该HIP包套中的形式进行轧制 来实施压縮。
全文摘要
本发明涉及一种由包含至少两相或至少两种组分的材料构成的溅射靶，其中至少一相具有晶粒结构，所述溅射靶的特征在于所述的至少一相的晶粒结构具有大于2的直径比，其中所述直径比是该晶粒结构的最大直径与其垂直方向上的直径之比；并且所述材料的密度为其理论密度的至少98％。本发明还涉及制备溅射靶的方法。
文档编号C23C14/34GK101283113SQ200680037768
公开日2008年10月8日 申请日期2006年10月11日 优先权日2005年10月19日
发明者汉斯-约阿希姆·帕维尔, 马丁·施洛特, 马库斯·舒尔特海斯 申请人:W.C.贺利氏有限公司