用于结合溅射靶部件的方法,所结合的溅射靶组件及其用途

申请号 CN201180029082.7 申请日 2011-06-17 公开(公告)号 CN102947480B 公开(公告)日 2015-03-11
申请人 优美科公司; 发明人 R·林斯博德;
摘要 本 发明 描述一种用于结合溅射靶的多个部件的方法,该方法包括下列步骤:提供一个第一部件和一个第二部件,较硬的部件具有一些切口突起;将它们相互抵靠进行 定位 ;并且将它们相对彼此压制以引志这两个部件中的至少一个的材料塑性 变形 ,填充这些切口由此产生互 锁 ;还有如此产生的所结合的组件,以及其再利用。在所结合的表面区域的主要部分上产生除互锁之外的结合的步骤不是必需的。
权利要求

1.用于将溅射靶的第一部件的连接面结合到溅射靶的第二部件的连接面上的一种方
法,该方法包括以下步骤:
提供一个第一部件和一个第二部件,至少较硬的部件在其连接表面上具有至少一个部
分,该至少一个部分相对于该相同连接表面的至少另一个部分突出并且具有一个切口;
对该第一部件的连接面和该第二部件的连接面进行定位使其互相抵靠;
将该第一部件与该第二部件朝向彼此压制,从而引起该第一部件的连接面的区域以及
第二部件的连接面的区域中的至少一者的材料塑性变形,至少部分地填充至少一个切口由此获得第二部件与第一部件的互
并且没有在所结合的表面区域的主要部分上产生除互锁之外的其他结合的步骤。
2.根据权利要求1所述的方法,其中该第一部件是一个背衬体并且该第二部件是一个
靶段。
3.根据权利要求1所述的方法,其中该第一部件的连接面和第二部件的连接面中的一
个恰在压制之前是平坦的。
4.根据权利要求1所述的方法,其中所有或大致所有切口在压制步骤过程中是完全地
或大致完全地填充的。
5.根据权利要求1所述的方法,其中所结合的表面区域的至少主要部分是无焊料的。
6.根据权利要求1所述的方法,其中该方法是在不允许在任何实际程度上发生扩散结
合的条件下实施的。
7.根据权利要求1所述的方法,其中前述的这些步骤是产生在该第一部件的连接面与
该第二部件的连接面之间的结合的仅有步骤。
8.根据权利要求1所述的方法,其中该互锁是仅有的结合机制。
9.根据权利要求1所述的方法,其中所提及的这些步骤不是在保护气氛或真空中进行
的。
10.根据权利要求1所述的方法,其中压主要施加在垂直于该第一部件的连接面和
第二部件的连接面的方向上。
11.根据权利要求1所述的方法,其中该压制步骤是在一个模具中实施的,该模具具有
多个带有曲率的冲头以便在压制过程中将相同的曲率赋予存在于该模具中的、所结合的第一部件与第二部件。
12.根据权利要求1所述的方法,其中该第一部件是一个背衬板
13.根据权利要求1所述的方法,其中该至少一个突出部分是以一个或几个脊的形式
设置的。
14.根据权利要求13所述的方法,其中这些脊设置为多个同心圆。
15.根据权利要求13所述的方法,其中这些脊的横截面是大致T形的。
16.根据权利要求1所述的方法,其中这些突出部分设置在一个规则的图案中。
17.根据权利要求1所述的方法,其中该至少一个突出部分设置在该第一部件上。
18.根据权利要求1所述的方法,其中该第一部件是或铜合金制成的。
19.根据权利要求1所述的方法,其中该第二部件是由来自下组的材料之一或其组合、
混合物或者合金制成的:、锂、镁、、金、铟、、铊、铅、铋、锑、镉、钠、、铍、、锶、钡、碲或基于这些元素的化合物。
20.根据权利要求19所述的方法,其中该第二部件是由铝或铝合金制成的。
21.根据权利要求1所述的方法,其中该压制是在室温与300°C之间的一个温度进行
的。
22.根据权利要求21所述的方法,其中该压制是在200°C与300°C之间的一个温度
进行的。
23.根据权利要求1所述的方法,其中施加在垂直于该第一组件的连接面以及该第二
组件的连接面的方向上的压强分量是在20与120MPa之间,按该第一组件的连接面与第二组件的连接面的所结合部分的总面积进行测量。
24.根据权利要求1所述的方法,其中该结合是可逆的。
25.根据权利要求24所述的方法,其中这些工艺条件和/或该至少一个突出部分的几
何特征被选择为使得通过该第一组件与第二组件的机械分离该结合是可逆的。
26.一种组件,包括溅射靶的一个带有第一连接面的第一部件和溅射靶的一个带有第
二连接面的第二部件,第一和第二连接面互相结合在一起,其中第一和第二连接面各自包含具有一个切口的至少一个突出部分,并且第二部件与第一部件的互锁提供结合强度的至少主要部分,其中焊料结合和/或扩散结合是次要结合机制或者是完全不存在的。
27.根据权利要求26所述的组件,其中该互锁是仅有的结合机制。
28.根据权利要求26和27中任一项所述的组件在一种溅射工艺中的用途。

说明书全文

用于结合溅射靶部件的方法,所结合的溅射靶组件及其用

技术领域

[0001] 本发明通常涉及一种用于将溅射靶段附接在背衬体上以便制造溅射靶的方法,包括所结合的靶段和背衬体的组件及其用途。

背景技术

[0002] 大溅射靶通常由一个背衬体(如一个背衬管或背衬板)组成,将一个或多个靶段结合在该背衬体上,即将它们附接在该背衬体上。这些段可以是多种形状的。在溅射期间,将多数情况下具有非常高纯度或非常精确组成的溅射靶暴露于离子轰击并且因此暴露于高热负荷。该背衬体因此是进行冷却的。
[0003] 该背衬体的功能是提供电功率传输、机械强度、以及冷却水的热传递,并且它允许将该靶安装在溅射源中。
[0004] 传统地,在这些靶段与该背衬体之间的结合主要通过扩散结合或通过焊料获得。
[0005] 扩散结合是基于原子跨越两种材料的界面的相互扩散,在这种情况下该靶段的材料和背衬体的材料中的一种或两种材料部分扩散到彼此中,从而产生一个连续的、不间断的界面,其中跨越该界面有这两种材料的某种程度上平滑的浓度梯度。
[0006] 这种结合方法要求将表面清洁掉杂质、更具体是化物薄层,这些杂质将阻碍该扩散,并且该方法因此仅仅可以在真空中或在保护气氛中进行。这使得该方法昂贵并且复杂。
[0007] 保护气氛是定义为如下的气氛,在该气氛中不能形成在这些表面上的氧化物和/或任何可能存在的氧化物被还原的。大体上这意味着一种没有任何显著量氧气的气氛,如一种惰性气体遮盖(blanket)或真空。
[0008] 再者经常需要的是高温以允许发生充分扩散,该温度比对该靶材而言的最优温度更高,由此产生了晶粒生长或其他退化的险,减少了该靶材的可用性。对和铝合金这尤其是一个考虑因素。
[0009] 焊接,换言之在该靶材与该背衬体之间引入低熔点中间体物质并且结合它们,也有其缺点。
[0010] 一些低熔点焊料经常是不合适的,因为在含有所结合的背衬体与靶段的溅射靶的使用期间该温度能够增加到该焊料的熔点之上,引起脱离,也称作层离,而高温焊料经常是脆性的和/或要求(如在扩散结合中)可能损坏该靶材特性的温度。
[0011] 与焊接相关的一个特别问题是,在局部上看,当该溅射靶的表面上的某一点同其他区域相比具有与该背衬体较差的热连接时,可能容易发生一些问题,因为在这些点中,可能发生局部过热以及该焊料的熔化,导致进一步减少的热传递,逐渐地引起层离。
[0012] 还有一个缺点在于不得不使用昂贵的焊料。
[0013] 这两种结合方法能够通过在该背衬体和这些靶段中产生匹配的或者大致匹配的凹槽和脊而得以改进,从而首先增加了该界面面积并且其次允许了某种程度的机械互,同时保持了焊接或扩散结合为主要结合机制。
[0014] 在例如J.Vac.Sci.Technol.A25(1),Jan/Feb2007,p.54-60中所描述的是针对焊接的情况,在US2010/0038241A1中所描述的是针对扩散结合的情况。
[0015] 在这两种技术中,该背衬体和该靶段设置有多个脊和多个相应的凹槽。这具有的缺点在于要求一个附加的工艺步骤以产生这些凹槽和脊,同样增加了更多的成本,因为靶材(由于其高纯度和/或精确组成通常是非常昂贵的)被机械地去除并且被浪费。
[0016] 一个进一步的问题出现在处置使用过的靶时。在上述的两种技术中,由多种材料组成的零件可能受到焊料的污染(使用之后继续保留),使得所使用的溅射靶的再利用是困难并且昂贵的。
[0017] 因此本发明的目的在于针对一个或多个上述的或其他的缺点,提供一种解决方案。

发明内容

[0018] 为此目的,本发明提供用于将溅射靶的第一部件的连接面结合到溅射靶的第二部件的连接面上的一种方法,该方法包括以下步骤:提供一个第一部件和一个第二部件,较硬的部件在其连接表面具有至少一个部分,该至少一个部分相对于相同的连接表面的至少另一个部分是突出的,并且具有一个切口;对该第一部件的连接面和该第二部件的连接面进行定位使其互相抵靠;将该第一部件与该第二部件相对彼此压制,引起第一部件的连接面的区域以及第二部件的连接面的区域中的至少一个的材料塑性变形,至少部分填充至少一个切口至这种程度:使得由此获得第二部件与第一部件的互锁,并且该方法没有在所结合的表面区域的主要部分上产生除互锁之外的结合的步骤。
[0019] 这具有的优点在于提供一种简单的、便宜的并且耐热的方式以结合溅射靶的两个部件,另外它可以在不需要保护气氛或焊料的情况下进行。
[0020] 在根据本发明的方法的一个实施方案中,该第一部件是一个背衬体并且该第二部件是一个靶段。
[0021] 这具有的优点在于一个带有直式(straightforward)构造的溅射靶也可以便宜地并且容易地进行结合。
[0022] 在另一个实施方案中,根据本发明的方法由三个所提及的步骤组成。
[0023] 在另一个实施方案中,该第一部件的连接面和该第二部件的连接面中的一个是平的。这具有的优点在于无需在这个连接面上而是仅仅在另一个连接面上提供多个突起或凹槽,这节省了更多处理成本以及材料,否者这些材料将变为废料。
[0024] 在另一个实施方案中,该互锁是仅有的结合机制。这是有利的因为不需要提供焊料。另外,不会发生在这些界面上材料的交叉污染(当使用扩散结合时这将发生),使得再利用更加容易。
[0025] 在一个具体实施方案中,所结合的表面区域的大部分是无焊料的,并且该扩散结合不会在任何实际的程度上发生。
[0026] 在另一个具体实施方案中,所提及的这些步骤不是在保护气氛或在真空中实施的。一个优点在于这是较便宜的并且较容易的,因为不需要提供保护气氛或带有相关密闭室的真空。
[0027] 在本发明的另一个方面,该压制步骤是在一个模具内执行的,该模具具备一些有曲率的冲头,以便在压制期间将同样的曲率赋予在该模具中存在的、所结合的第一部件和第二部件。
[0028] 这具有的优点在于,可以获得所结合的第二部件和第一部件的一个所希望的曲率,例如这些部件之一的一个平的表面,或一个特点的曲率,该曲率在包括该第二部件和该第一部件的溅射靶的使用期间优化了性能。为了做到这点,这些冲头的曲率需要进行调整至所结合的第二部件和第一部件的所希望的曲率,尤其考虑所使用的材料的热膨胀系数。
[0029] 在一些具体实施方案中,这些突出的部分是脊并且这些脊的横截面是大致T形的。
[0030] 这具有的优点在于,它们的制备是相对容易的,并且允许对于材料在压制期间的行为、该结合强度以及该结合弹性的良好控制和优化,都将在一个具体情况下所使用的材料的具体特性考虑在内。
[0031] 在另一具体实施方案中,这些工艺条件(例如不同步骤的温度、时间和压,以及存在或不存在预处理或后处理),以及该至少一个突出部分的几何特征(例如大小、形状和间距)被选择为,使得该结合通过机械手段是可逆的并且将该结合逆转之后该第一部件可以再使用而没有任何改变其几何形状的操作。
[0032] 这具有的优点在于,无需制造新的第一部件即可与一个新的第二部件进行结合,而是该第一部件可以多次使用。
[0033] 这个实施方案可以与前述的实施方案进行组合,在前述的实施方案中所结合的表面区域的主要部分是无焊料的并且扩散结合不会在任何实际的程度上发生。
[0034] 这种组合有利地导致将使用之后的该第二部件的残余物的化学污染减至最少,使得在纯化工艺中对其进行再循环变得更容易和更廉价。
[0035] 该发明还涉及一种组件,该组件包括一个溅射靶的、带有第一连接面的第一部件和一个溅射靶的、带有第二连接面的第二部件,该第一连接面和第二连接面互相结合在一起,其特征在于该第一连接面和第二连接面各自包含具有一个切口的至少一个突出部件,并且该第二部件与第一部件的互锁提供结合强度的至少主要部分。附图说明
[0036] 以下为了更好地显示本发明的特征,作为没有任何限定特性的一个实例,对将靶段到背衬板上的一种方法进行了描述并且通过以下附图进行了说明:
[0037] 图1:示出了根据本发明的一种方法以将一个带脊的背衬板结合至一个靶段上的第一步骤的透视示意图;
[0038] 图2:示出了在未结合位置中的一个背衬板和在一个靶段一部分的截面;
[0039] 图3:示出了贯穿弯曲的模具零件以及图1中的背衬板和靶段的截面;
[0040] 图4:示出了贯穿结合后的位置中的一个背衬板和一个靶段的一部分的截面。

具体实施方式

[0041] 如图1中所示,具有93HBW硬度的一个盘设置为一个背衬板1并且一个具有14HBW的硬度和99.9995%纯度的稍小的铝盘设置为一个溅射靶段2。该背衬板1具有一个第一连接面3并且该靶段2具有一个第二连接面4,旨在进行相互结合。该背衬板1具有一个第一背面5并且该靶段2具有一个第二背面6。该背衬板1设有在该第一连接面3上的多个脊7,这些脊位于在这个表面3上的一个同心图案中。
[0042] 如图2中所示,该靶段2没有脊7或其他突起而具有一个平的连接面4。
[0043] 这些脊7是大致T-形的并且可以认为由一个杆8(该杆的—个末端连陵至该第一连接面3)以及一个横条9组成,该横条在其末端处比中间处稍窄的并目在其中间处连接至该杆8的另一个末端。
[0044] 这些脊7是通过从相应的凹槽10将材料机加工掉而形成或可以形成的,但是同样可能以不同的方式形成。这些脊7具有切口11,运些切口是运些凹槽10的一部分。
[0045] 该靶段2的直径是大30cm。所设置的这些脊7间隔5.2mm并且自该第一连接面3延伸出2mm。这些杆8的长和宽是1mm,并且这些脊7的顶部宽度是2.4mm。该横条9在端具有大约0.6mm的厚晓
[0046] 将该背衬板1和该靶段2放置于一个模具中的所希望的位置,其中为了清晰,在图3中仅仅对这些冲头12、13进行了说明。该模具的两个冲头12、13(在压制过程中向该第一背面和第二背面5、6上施加力),具有轻微的曲率,其中一个是凹的而另一个是凸的,并目这两个曲率优选地相互匹配。
[0047] 在这种特别情况下冲头13是凸的,在压制过程中该冲头与该背衬板1进行接触
[0048] 该背衬板1、该靶段2以及该模具部件、尤其是冲头12、13在一个加热炉中加热至250℃。这可以在对该模具进行组装并且将该背衬板1和该靶段2放置于其中之前或者之后完成。
[0049] 准备一个压力机。将被加热的模具连同该背衬板1和靶段2放置进该压力机中,以在该靶段2和该背衬板1之间的整个接触面积上所测的一个大致56MPa的压强在这些图中箭头P所指的方向上压制6分钟。
[0050] 所有的操作在环境大气压条件下进行,即在空气中,无需任何保护气氛。
[0051] 在这个压制步骤期间,该第二连接面4的区域的材料在填充这些凹槽10(包括这些切口11)时是塑性变形的,由此产生在该背衬板1和该靶段2之间的互锁,如图4中所展示的。
[0052] 在这种情况下,对这些凹槽10和由切口11形成的空腔进行完全填充,但这不总是必要的,也不是本发明方法的条件。该结合效果变得更坚固,改进了在该背衬板1与该靶段2之间的热连接,并且如果这些凹槽10和切口11被填充到更高的程度,则当使用所结合的背衬板1和靶段2时与包含空气相关的可能问题可以减少。
[0053] 大体上优选的是这些切口11填充到至少50%,而若这些切口11填充到90%或更多,则获得更好的结果。
[0054] 不需要在该背衬板与该靶段之间提供焊料,但是在不背离本发明的范围的情况下,某些焊料可能是局部提供的,这是由于除结合之外的原因。
[0055] 同样在该压制步骤期间,由于冲头12和13的曲率,该背衬板1和该靶段2在径向上成为轻微弯曲的。在这个特别情况下该第一连接面3成为轻微凸形的。
[0056] 在该压制步骤之后,允许所结合的背衬板1和靶段2冷却,此时由于材料的热膨胀系数差以及在压制期间施加在其上的曲率,它们成为大致平的。
[0057] 明显地,这些冲头12和13的曲率可以被适配为使得如所希望地保持一个凹的或凸的残余(residual)曲率。
[0058] 该结合强度测得是大约20MPa。
[0059] 该压制步骤无需在高温下执行,而也可以在室温下执行,尽管不得不增大压力,并且更大功率的并且更昂贵的压力机可能因此变得必要。可利用的条件可以通过常规实验来发现。
[0060] 结合后的背衬板1和靶段2的组件目前可以经过在工业上已知的操作进一步加工以形成溅射靶。无需进行进一步的在该背衬板1与该靶段2之间提供结合的步骤。更特别地,无需扩散结合步骤,并且因此无需在保护气氛或真空中的高温工艺步骤。为了确保真空密封性,所结合的表面区域的外边界可以通过在工业上已知的方法进行密封。
[0061] 在以上实例中仅仅两个部件,即该靶段2与该背衬板1,进行结合以形成溅射靶。然而,对溅射靶的多于两个部件也可以类似地进行结合,这也在本发明的范围内。
[0062] 例如,一个靶段2与一个背衬体1可能通过提供一个第三部件,即在它们之间的一个较软的材料的中间层,进行结合。可替代地,一个硬的第三部件,即一个两侧带有脊的层,可以用于将一个较软的靶段2结合到一个较软的背衬体1上。
[0063] 通过一个或多个中间部件进行的结合可以在一个压制步骤中完成,其中所有的部件同时进行结合,或者在几个压制步骤中,其中部件一个接一个相互进行结合,可能的是中间的工艺发生在单独的压制步骤之间。
[0064] 由于在这种情况下这些操作在环境大气中实施,这在该表面上产生了一个薄氧化层;而在低温和下,预期不发生扩散结合,扩撒结合要求金属到金属的分子接触和高温。
[0065] 在使用之后,该背衬板1和该靶段2的残余物可以通过施加足够的力再次进行分离。由于不存在扩散结合或焊接,该靶段2的残余物在这个步骤中成为机械受损的但是没有包含或很少包含化学污染,所以它可以通过化学的和/或冶金学的方法容易并且便宜地进行再利用。该背衬板2保持着在机械上基本未损坏并且可以再使用。
[0066] 这些脊10的尺寸、间距和分布可以被适配于所要结合的材料在所希望的压制条件下的机械特性,从而确保较弱的材料由于在压制中所施加的压力同时具有良好的塑性形变、足够的结合强度、以及所结合的背衬板1与靶段2在使用后的相对容易的分离。对这些材料的机械特性的基本知识,如瞬时硬度、屈服应力和撕裂应力,将允许熟练技术人员确定在具体的情况下哪些几何形状是可用的。
[0067] 在该背衬体1与靶段2之间的机械特性的显著差异,例如由硬度所描述的,有利于该方法的容易的应用。需要何种程度的硬度差异同样取决于这些脊或其他突起的几何形状并且取决于所使用的较软的材料的屈服强度
[0068] 大体上,当该硬度差是至少20HBW时获得好的结果,当硬度差是至少40HBW时获得更好地结果,并且当具有60HBW或更大的硬度差时获得甚至更好的结果。
[0069] 如果希望可以采用一个在压制之后对该靶段2的变形材料进行再结晶的一个附加的回火步骤。在带有上述的材料的上述的压制条件中,重结晶已经在压制期间发生并且因此这种步骤将是多余的。
[0070] 所描述的方法不限于所提及的材料而是也可以与在溅射中使用的其他材料制成的背衬体1和靶段2一起使用。这些材料可以是例如铜、铝、锂、镁、、金、、铟、、铊、铅、铋、锑、镉、钠、、铍、、锶、钡、碲或者基于这些元素的化合物中之一或其组合、混合物或者合金。
[0071] 在所述合金的通常的冶金学用途中,某一种材料的的合金还可以理解为包括以下合金:这些合金包含这种金属以及其他组分的一个显著的部分、尤其是主要部分,不管这些其他组分是否形成上述的金属的一部分。
[0072] 合适的铝合金的一些实例是AlSi1、AlSi1Cu0.5和AlCu0.5,其中这些数字指出了这些合金元素的重量百分比。
[0073] 有限范围的材料(例如银),如在这个实例中使用的情况中,也可以显示出扩散结合。如果为了再利用的原因而避免这一点,则一个非常薄的涂层可以施用到该背衬体和/或靶段来避免这种情况。
[0074] 在某些情况下,在不脱离本发明的范围的情况下,该背衬体1由多于一层的不同材料组成,例如可以使用一个以引起该第一连接面3附近的良好的结合的可变形材料层以及一个以提供足够的刚度的、远离该表面3的较强的材料层。
[0075] 类似地,可以使用由不同的材料层组成的靶段2。
[0076] 在这些不同的层之间的结合可以按照常规的技术或根据本发明进行。
[0077] 在本实例中使用了具有一个不带加热的活动冲头的一个单向压力机。将是清楚的,其他一些压力机,包括可以使用具有用于加热该模具和/或所压制的材料并且带有多个活动冲头或辊的系统。
[0078] 通常较便宜的是保持该背衬体1和该靶段2中较软的那一个的连接面是平的,因为在那种情况下不需要对该第二连接面4进行加工。然而根据本发明的方法同样可以在背衬体1和该靶段2中较软的那一个上的一个不平的第一或第二连接面3,4上进行,或者制备的此种第一和第二连接面3、4以使其包含与在另一个连接面4、3上的凹槽10部分地或完全地匹配的突起。
[0079] 本发明无论如何不限于以上所述的方法变体,然而在不离开本发明范围的情况下,这样一种改进的方法能够以不同的形式实现。
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