溅射靶的部分喷涂翻新的制作方法
【专利说明】溅射靶的部分喷涂翻新
[0001 ] 相关申请
[0002]本申请要求2013年8月I日提交的第61/861，177号美国临时专利申请的权益和优先权，将其全部公开内容引入本文作为参考。
技术领域
[0003]在各个实施方案中，本发明涉及金属和/或非金属粉末的喷涂沉积，特别地涉及用于溅射靶的部分翻新的喷涂沉积。
[0004]罝量
[0005]溅射，一种物理气相沉积技术，在许多工业中用于在任意的各种基底上沉积具有高度可控的组成和均匀度的各种材料的薄膜。在溅射过程中，待沉积材料(或其组分)的溅射靶经受高能粒子(例如，等离子体粒子)的轰击，从而向其沉积的基底上喷射靶材原子。常规的新的(即，未使用的)平面溅射靶具有扁圆形或扁的准矩形的形状。例如，图1描绘了被理想化为直角棱镜的新的溅射靶100。(现实中，平面溅射靶通常是具有圆角的准矩形的或者甚至是圆的。)在溅射期间，该形状被侵蚀掉，并且到靶的“寿命终止”(即，在用过的靶处由新的原始靶取代的点)时，通常仅利用了靶材的部分。因此，溅射靶的使用者通常必须丢弃剩余的靶材(并因此丢弃初始靶的大部分剩余价值)。如在第2008/0216602号、第2008/0271779号和第2013/0156967号美国专利申请公开(将其全部公开内容引入本文作为参考)中所述的，该利用动态使得溅射靶成为通过喷涂沉积，例如冷喷涂来翻新的良好候选者。
[0006]然而，溅射靶通常以在靶的寿命终止时提供不规则的表面的方式被侵蚀掉。图2描绘了具有典型的“跑道”(或“环形”)侵蚀图案的侵蚀溅射靶200的平面图。该特征性图案，以及其深度剖面，通常是由在溅射过程中通过磁控管施加的磁场的形状和强度产生的。侵蚀靶200的侵蚀图案通常包括不同深度的多个区域。例如，侵蚀靶可以具有一个或多个深袋210，其是最强侵蚀(S卩，靶利用)的区域并具有最深的表面深度。深袋210可以由靶200的磁场近端220的“箍缩”(S卩，升高的强度)产生，其导致侵蚀速率为靶200的其他部位的侵蚀速率的例如2-3x或甚至更高。深袋210的深度通常决定侵蚀靶200的寿命终止，因为当该深度接近靶200的初始厚度(S卩，在溅射之前的厚度)时，靶通常被更换。也就是说，当深袋210的底面接近靶200的背面时，侵蚀靶200通常被更换。
[0007]如显示的，侵蚀靶200的侵蚀剖面还包括一个或多个侵蚀较轻的中深度区域230，并且其具有比那些深袋210的深度更浅的深度。中深度区域230通常由在溅射过程中施加的磁场的形状产生，所述磁场在远离靶200的末端倾向于强度更低。侵蚀靶200的侵蚀剖面还包括一个或多个浅区域240，靶200的极少的材料(如果有的话)从所述区域溅射。也就是说，在浅区域240中靶200的厚度可以仅稍微低于或甚至基本上等于在溅射之前的靶200的初始厚度(其可以是例如约18mm或甚至更高)。如显示的，深袋210和中深度区域230可以共同限定在靶200上的凹陷的环形部分的至少部分，其中深袋210对应于靶200的相对端附近的环形部分的相对端(例如，基本上矩形的靶200的更窄端)。环形部分的中心的全部或部分可以对应于浅区域240的一个或多个。
[0008]图3是侵蚀靶200的侧视图，其描绘从深袋210延伸至中深度区域230的示例性表面轮廓(由虚线表示)。在浅区域240中，靶200具有厚度300，所述厚度300可以仅稍微低于(例如，低5%或甚至更低)或基本上等于在溅射之前的靶200的初始厚度。如所示的，深袋210具有延伸深入到靶200的厚度中的深度310。例如，深度310可以大于溅射之前的靶200的初始厚度的50%，或甚至大于75%。此外，在深袋210下方的靶200的剩余厚度(S卩，靶200的初始厚度和深度310之间的差)可以例如，在Imm至3mm的范围内。中深度区域230具有显著更厚的靶200的剩余厚度，并且可以具有靶200的初始厚度的仅10%-25%或甚至更低的深度320。还如图3所示，侵蚀靶200通常在溅射过程中连接(例如，粘合)到支撑靶200的背板330，并且背板330可以充当调节溅射过程中靶200的温度的冷却剂(例如，水)的管道。
[0009]侵蚀靶200的不规则的侵蚀剖面向翻新方法提出了挑战，并且事实上，许多侵蚀靶被简单地回收并使用新靶替换。甚至选择性针对靶200上的侵蚀跑道图案的喷涂翻新方法可能是耗时且昂贵的，并且倾向于需要大量的喷涂的微粒材料。这样的方法可能甚至需要更大的喷涂沉积工具和复杂的机器人技术，和/或可能需要在翻新之前移除背板(因此增加了方法的复杂性、时间和花费)。因此，需要可以快速和廉价地进行，且不需要大量喷涂材料的延长侵蚀溅射靶的有用寿命的翻新方法。这样的方法还将有利地提供具有与原始靶同等的溅射特性(例如，溅射速率、溅射膜厚度、溅射膜厚度、溅射膜均匀性)的翻新靶。
[0010]5?
[0011]本发明的实施方案通过喷涂沉积(例如，冷喷涂)使得用过的(S卩，侵蚀的)溅射靶能够部分翻新以延长其有用寿命。(如本文所利用，“部分翻新”是指仅侵蚀溅射靶的消耗的材料的部分被更换，并不意味着需要另外的翻新以在此后进一步使用溅射靶;相反，根据本发明的实施方案的“部分地翻新的”溅射靶可以用于溅射过程，就好像它们是新的一样。)优选地，仅使用溅射材料至少部分填充最深侵蚀的区域，得到仍然包含侵蚀的表面区域但是可以用于另外的溅射过程的部分地翻新的溅射靶。由于靶仅是部分地翻新的，因此翻新过程可以非常快速地进行并伴随喷涂材料的低利用，使靶能够快速恢复使用。由于靶材可以是昂贵的和/或特殊的材料，喷涂材料的低利用率有利地节省了材料成本。通常仅翻新小区域，因此在许多实施方案中，可以使用小的喷涂沉积系统(例如，利用手持式喷枪的“手持式”系统)进行喷涂沉积并且无需复杂的机器人。此外，由于部分翻新定位到具体区域，因此其产生较少的溅射靶的加热，能够实现具有背板(其通常包括低熔点材料如铜和/或铝或基本上由其组成)的革E在合适位置的翻新，特别是在当革E通过低恪点粘合剂如I n S OI der (具有例如150°C至200°C的熔点)粘合到背板的情况下。例如，在低于背板的熔点和/或低于用于将靶固定到背板的粘合剂的熔点的温度下，可以通过冷喷涂来沉积喷涂的靶材。本发明的优选的实施方案在喷涂沉积之前或之后以及在部分地翻新的靶再次用于溅射过程之前还不需要部分地翻新的区域的另外的表面准备(例如，研磨或抛光)。
[0012]如上所示，本发明的实施方案使侵蚀溅射靶能够翻新至靶可以再次用于溅射的程度，但还同时使靶材(其在许多情况下可以是非常昂贵的)的消耗最小化。例如，可以确定侵蚀溅射靶的一种或多种特征，或其一个或多个区域，以至少部分地确定最需要翻新的区域。例如，可以通过例如目视检查和/或深度映射(例如，使用基于激光的深度映射系统)确定在侵蚀靶的各种区域中的表面深度和/或表面轮廓的形状。随后可以通过喷涂沉积，使用靶材的微粒至少部分地填充确定的区域，同时在喷涂沉积过程中，使在侵蚀溅射靶的其他区域内的沉积最小化或基本消除。例如，可以在喷涂沉积之前和过程中将掩模设置在侵蚀溅射靶上方，所述掩模具有仅对应待翻新的区域的开口。此外，沉积在掩模上的任意靶材的颗粒可以回收和再循环用于将来的喷涂沉积或其他用途。在各种实施方案中，在有或没有掩模的情况下，喷涂翻新可以通过自动喷涂系统进行，并且机械控制的喷枪和侵蚀溅射靶(其可以设置在可移动或固定的平台、构架或门架上)之间的相对运动是受控制的(通过例如在喷涂之前对机器人控制编程)，以使仅当喷枪设置在待翻新的(多个)区域上方时喷涂靶材。供选择地，喷涂翻新可以使用如上所述的手持式喷枪进行，其可以由操作者控制以仅将靶材喷涂在待翻新的(多个)区域上方。
[0013]此外，本发明的实施方案能够使靶材喷涂沉积以部分地翻新最大表面深度(S卩，在用过的靶中的最大渗透和最小渗透(后者对应于例如原始顶面和/或翻新后的顶面)之间的差)大于9mm、大于12mm或甚至更大的用过的溅射靶。在待翻新的区域中的用过的溅射靶的剩余厚度可以例如在Imm至3mm的范围内。喷涂沉积层优选地具有低的孔隙度，气相和非气相杂质含量与废溅射靶类似，晶粒尺寸和化学均质性与废靶(其可以是例如，不是起初经由喷涂沉积形成，而是通过例如铸锭冶金或粉末冶金形成的靶)相同或比废靶更细，并且具有与靶材的高品质的机械和/或冶金结合。此外，根据本发明的各种实施方案的部分翻新涉及添加如此少的材料(与使用之前或之后的整个溅射靶的体积相比)，以使与其中更换更大量的溅射材料的翻新方法相比，在翻新过程中产生的热和机械应力大大降低。
[0014]本发明的实施方案利用任意多种靶材用于部分翻新方法，但是喷涂沉积的材料优选地为侵蚀靶的材料。以该方式，可以利用(即，喷涂)根据本发明的实施方案部分翻新的靶，其具有与原始靶基本相同的性能和特性，所述原始靶通常最初是利用非喷涂技术，例如乳制和/或热等静压制制造的，但其还可以通过喷涂沉积完全或部分制造。在一些实施方案中，所述靶材包含一种或多种难熔金属，基本上由其组成或由其组成，所述难熔金属例如钼(Mo)、钛(Ti)、钼和钛的合金或混合物(Mo/Ti)、铌(Nb)、钽(Ta)、钨(W)、锆(Zr)、或这些的两种或多种的混合物或合金、或这些的一种或多种与一种或多种另外的金属的混合物或合金。在一些实施方案中，所述靶材包含一种或多种其他金属，基本上由其组成或由其组成，所述其他金属例如铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、镍(Ni)、或这些的两种或多种的混合物或合金、或这些的一种或多种与一种或多种另外的金属的混合物或合金。
[0015]如果必要，在喷涂的材料沉积后，部分地翻新的靶可以退火以加强喷涂沉积的材料和原始靶材之间的结合。退火可以在例如约480°C至约700°C，或甚至到约1050 °C的温度下进行，和/或持续例如约I小时至约16小时的时间。例如，退火可以在约900 °C下进行约4小时。在一些实施方案中(例如，对于包含更低熔点材料如Al，或基本上由其组成或由其组成的靶)，退火可以在例如约100°C至约400 °C的温度下进行，和/或持续例如约0.5小时至约16小时的时间。背板和低温粘合剂(如果存在)可以在退火过程中从靶上移除。
[0016]在靶材的喷涂沉积之前，可以处理已侵蚀的靶的基本上全部或部分表面，以提供在原始靶材和新沉积的材料之间的高品质、洁净、基本上无氧的界面。例如，在喷涂沉积之前，可以将已侵蚀的表面进行喷砂、机械加工、和/或蚀刻(例如，使用酸处理)。
[0017]在许多实施方案中，靶的已侵蚀表面和喷涂沉积的材料之间的界面是视觉上和/或通过金相学评估可检测的。例如，喷涂沉积的材料可以展示出与原始靶材相比增强的冶金学特性(较细的晶粒尺寸和较好的化学均质性程度)。此外，该界面可以是通过化学分析可检测的，这是因为其可能包含有限浓度的杂质(例如，氧和/或碳)，该有限浓度的杂质是可检测的(即，高于靶的背景水平)，但优选地对于其中采用部分翻新的靶的溅射过程没有有害影响。
[0018]虽然本文中详述的本发明的实施方案主要是关于起初基本上平面的溅射靶而描述的，但是本发明的实施方案可以利用非平面的溅射靶，如空心阴极磁控管或异型靶(profiled targets)(例如，第2011/0303535号美国专利申请公开中描述的那些，将其全部内容引入本文作为参考)和具有在所期望的溅射引起的侵蚀区域中的寿命延长“垫”的靶。
[0019]如本文所使用的，根据溅射靶的几何形状，〃背板〃通常是基本上平面的，并且可以包括熔点低于靶材的熔点和/或熔点低于在喷涂沉积期间的喷涂材料温度的一种或多种材料，或者基本上由其组成。在溅射靶是至少部分管状的情况下，背板可以是管状或圆柱型的。背板的示例性材料包括铜和/或铝。
[0020]在一个方面中，本发明的实施方案的特征在于翻新侵蚀溅射靶同时使材料消耗最小化的方法。所述侵蚀溅射靶具有限定以下的表面轮廓:(i)上表面水平，(ii)具有凹入上表面水平以下的表面深度的第一侵蚀区域，和(iii)具有比第一侵蚀区域的表面深度更深的表面深度的第二侵蚀区域。侵蚀溅射靶包括靶材，基本上由其组成，或由其组成。确定第二侵蚀区域的一种或多种特征，并且喷涂沉积所述靶材的颗粒以至少部分地填充第二侵蚀区域。在靶材的颗粒的喷涂沉积过程中，基本上防止在第一侵蚀区域(和/或在第一和第二侵蚀区域外部的侵蚀溅射靶的区域)中的靶材的颗粒的沉积，借以使第一侵蚀区域的表面深度在此后保持凹入上表面水平以下。
[0021]本发明的实施方案可以包括任意多种组合的以下方案的一种或多种。第二侵蚀区域的一种或多种特征可以包括以下，基本上由以下组成或由以下组成:第二侵蚀区域的表面深度和上表面水平之间的差，在第二侵蚀区域中的侵蚀溅射靶的表面轮廓的形状，和/或第二侵蚀区域的表面深度与第一侵蚀区域的表面深度之间的差。基本上防止在第一侵蚀区域中靶材的颗粒的沉积可以包括在第一侵蚀区域的至少一部分上方设置掩模，基本上由其组成或由其组成。在喷涂沉积过程中，靶材的颗粒可以沉积在掩模上方。在喷涂沉积后，回收沉积在掩模上方的靶材的颗粒用于将来的喷涂沉积和/或用于其他使用。基本上防止在第一侵蚀区域中靶材的颗粒的沉积可以包括以下，基本上由以下组成或由以下组成