專利名稱：空心陰極靶和其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種濺射靶和其制備方法。
背景技術(shù)：
多種濺射工藝用于影響基底表面上薄膜的沉積。沉積金屬薄膜，例如薄膜半導(dǎo)體裝置上的金屬薄膜，可以由磁控濺射裝置或其他濺射工藝形成。該磁控濺射裝置誘導(dǎo)氣體等離子體轟擊靶，制靶材料的表面粒子濺射出來，并在基底表面上沉積為薄膜或?qū)?。通常，平面盤狀或長方形濺射源被用作靶，濺射出來的原子沿著瞄準(zhǔn)線軌跡運動，沉積在薄片上，薄片的沉積面平行于靶腐蝕面。倒置的坩堝或杯狀空心陰極磁控管(HCM)濺射靶可以用作制靶材料。內(nèi)腔或濺射腔定義為包括以上述方式腐蝕靶內(nèi)壁表面等離子體的靶。用于空心陰極靶的濺射系統(tǒng)的特征是其沉積的薄膜能夠充滿基底深和狹窄的孔道。從靶內(nèi)壁濺射出來的靶原子的通過等離子體離子化實現(xiàn)上述內(nèi)容。然后磁場引導(dǎo)離子至垂直于基底的方向。
包括眾所周知的″正交場″電離氣體放電原理的直流磁控濺射或標(biāo)準(zhǔn)磁控濺射給出很高的沉積速率，以及其他非常合乎需要的參數(shù)。磁場增強的放電等離子體在現(xiàn)有的條件之下允許很高的能量密度直接導(dǎo)致高沉積速率。使用該工藝，涂層在低壓力下為高沉積速率，可以實現(xiàn)良好的統(tǒng)一性和步驟有效性。也可以使用RF(射頻)交流電壓代替磁控濺射中的直流電壓。然而，上述工藝的一個缺點是提供的良好沉積均勻性引起靶腐蝕非常不均勻。因此，靶使用壽命受到損害。
濺射裝置和方法的例子公開于美國專利號5,693,197Lal等，美國專利號5,997,697 Guenenfelder等，美國專利號5,865,961 Yokoyama等，美國專利號5,855,745 Manley，美國專利號6,033,536 Ichihara等，美國專利號5,529,674Hedgcoth，美國專利號5,656,138 Scobey等，美國專利號6,063,245 Frach等，美國專利號5,437,778 Hedgcoth，美國專利號6,077,407 Liehr等，美國專利號5,770,025 Kiyota，美國專利號5,188,717 Broadbent等，美國專利號5,171,415 Miller等，美國專利號6,083,364 Ikeda等，美國專利號3,884,793 Penfold等，和美國專利號5,393,398 Sugano，這里全文引入作為參考。
通常使用經(jīng)過焊接和/或深沖成型制造的坩鍋制備鉭空心陰極磁控管(HCM)濺射靶。該工藝易于給陰極帶來不均勻的冶金相，這對濺射性能有害。例如，熔焊珠粒和周圍的加熱-影響區(qū)域顯示出不同于主體材料的顆粒結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)。該冶金的不均勻性可能產(chǎn)生發(fā)散磁場，妨礙濺射過程。同樣地，板材退火或者消除應(yīng)力的深沖或旋壓可能使得工件產(chǎn)生少量不均勻的應(yīng)變，產(chǎn)生可變的退火響應(yīng)和/或濺射腐蝕。從而，如上所述制備的HCM靶的一個缺點是腐蝕不均衡，由于基底上制靶材料沉積不均勻，導(dǎo)致每個鉭HCM靶只能制備少量合格的薄片。
在靶及其相關(guān)的磁場方面，兩個主要目標(biāo)是均勻腐蝕靶和在基底上均勻沉積制靶材料。
試圖實現(xiàn)上述目的濺射工藝包括使用旋轉(zhuǎn)磁鐵直流磁控濺射，或者濺射裝置中使用附加的靜止組件。第一種涉及的工藝解決了材料利用率問題，通過移動靶表面上的磁體結(jié)構(gòu)以同時獲得均勻的材料利用率和適當(dāng)?shù)牟襟E有效性。第一種工藝的例子公開于美國專利號5,770,025 Kiyota，美國專利號5,188,717 Broadbent等，美國專利號5,171,415 Miller等和美國專利號6,083,364Ikeda等，這里全部引入作為參考。第二種工藝的例子公開于美國專利號5,393,398 Sugano，其中顆粒阻止器放置在靶和之間，以便在基底上產(chǎn)生均勻的沉積層。然而，因為需要使用復(fù)雜和/或昂貴的具有濺射裝置的設(shè)備，上述工藝是不利的。
上述全部專利和出版物這里全文引入作為參考。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種濺射靶，例如HCM靶，優(yōu)選顯示出基本上均勻的顆粒結(jié)構(gòu)和至少側(cè)面上的晶體結(jié)構(gòu)(texture)。優(yōu)選，濺射靶內(nèi)部的應(yīng)變至少在整個側(cè)面上基本上是完全均勻分布的。該濺射靶優(yōu)選顯示出基本上均勻的濺射腐蝕。
本發(fā)明也涉及一種制造空心陰極磁控濺射靶的方法，適用于在基底上沉積均勻的濺射材料薄膜，以及一種根據(jù)該方法制造的濺射靶。本發(fā)明可以用于不同的實施方案，適用于在不同形狀的基底上沉積薄膜。本發(fā)明的靶優(yōu)選在操作期間腐蝕均勻，不需要活動部件或者附加的組件，因此提供了一種簡單、劃算和可靠的磁控濺射系統(tǒng)。
本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種制造濺射靶的方法，包括如下步驟提供一種由電子管金屬制成的濺射金屬工件；橫向冷軋濺射金屬工件以獲得軋制工件；并冷加工該軋制工件以獲得成型工件。非必要地，該方法進(jìn)一步包括在橫向冷軋和冷加工步驟之間的對濺射金屬工件退火的步驟。
本發(fā)明范圍進(jìn)一步包括一種含有上述濺射靶的濺射靶組件，此外包括由連接在濺射靶側(cè)壁的非濺射或抗濺射材料制成的至少一個頂部，以及由非濺射材料制成的外殼，其中濺射靶固定在外殼上。
本發(fā)明進(jìn)一步涉及靶，例如HCM靶。
應(yīng)當(dāng)理解的是上述一般說明和下列詳細(xì)說明都僅僅是示范性的和說明性的，僅僅是用來進(jìn)一步解釋本發(fā)明和權(quán)利要求的。并入和構(gòu)成本申請一部分的附圖例舉說明了本發(fā)明的幾個示范實施方案和說明書，用來說明本發(fā)明的原理。


參考附圖可以更加完整地理解本發(fā)明。附圖是用來例舉說明本發(fā)明的示范性實施方案，不是對本發(fā)明范圍的限定。
圖1是磁控濺射裝置一個實施方案的略圖，使用了根據(jù)本發(fā)明方法制造的濺射靶；圖2是圖1濺射靶的透視圖；圖3類似于圖2的視圖，顯示出本發(fā)明制造的濺射靶組件的一個實施方案；圖4a和4b是根據(jù)本發(fā)明方法的橫向冷軋步驟示意圖；和圖5是表示根據(jù)本發(fā)明方法的方法步驟的流程圖。
圖6-9是顯示出實施例樣品粒徑分布的圖表。
具體實施例方式
本發(fā)明提供了一種制造濺射靶的方法。該方法包括提供一種由電子管金屬制成的濺射金屬工件，電子管金屬優(yōu)選鉭或鈮或其合金。其后，橫向冷軋濺射金屬工件以獲得軋制工件。然后冷加工濺射金屬工件以獲得成型工件。根據(jù)本發(fā)明，非必要地在橫向冷軋和冷加工步驟之間對濺射金屬工件退火。在某些實施方案中，取消了非必要的退火步驟。
本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種濺射靶。該濺射靶優(yōu)選顯示出基本上一致的顆粒結(jié)構(gòu)和/或至少在側(cè)面上具有晶體結(jié)構(gòu)。優(yōu)選，濺射靶內(nèi)部的應(yīng)變至少在靶的整個側(cè)面上基本上是完全均勻分布的。從而該濺射靶優(yōu)選顯示出基本上均勻的濺射腐蝕。
作為一個選擇，本發(fā)明進(jìn)一步包括一種含有上述濺射靶的濺射靶組件，此外包括由連接在濺射靶側(cè)面的非濺射或抗濺射材料制成的至少一個頂部，以及由非濺射材料制成的外殼。該濺射靶固定在外殼上。
參考圖1，以示意形式舉例說明了使用由本發(fā)明濺射靶的磁控濺射裝置的一個實施方案。如圖1中描繪，磁控濺射裝置1包括坩鍋形的濺射靶3，即如圖2中透視法所示的細(xì)長形中空杯狀的元件2。濺射靶3包括內(nèi)壁9，外壁11，和頂部15。在圖1中，濺射靶3顯示出已經(jīng)放置在外殼或襯里20內(nèi)形成所示的濺射組件4。裝置1進(jìn)一步包括在基片座上的基底5，位置靠近濺射靶3的內(nèi)壁確定的濺射腔7。濺射靶3的外壁11附近標(biāo)為13，例如永久磁鐵或電磁鐵，以提供MF磁力線，即基本上平行于濺射靶和其內(nèi)壁9的縱軸L。本領(lǐng)域技術(shù)人員將迅速地認(rèn)識到MF磁力線產(chǎn)生一個物質(zhì)陷阱以貯存濺射靶3的輝光放電電子。方式13可以具有多種形式，例如多個條狀磁鐵，多個環(huán)形磁鐵，或任何其他產(chǎn)生如圖1所示MF磁力線的方式。裝置例如圖1裝置的操作方法是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的。使用圖1的裝置在壓力室中在惰性氣體例如氬氣(Ar)存在下進(jìn)行濺射過程，包括在腔7內(nèi)惰性氣體分子的離子化。通過在靶3和基片座6間加一電壓產(chǎn)生的電場影響下產(chǎn)生離子化，以產(chǎn)生等離子體或離子化惰性氣體分子。然后該等離子體轟擊濺射靶3的內(nèi)壁9，使得原子從靶內(nèi)部表面濺射出來。然后濺射出來的靶原子穿過等離子體，其中一部分濺射出來的靶原子通過等離子體離子化。一旦離子化，由于外部磁場作用，靶陰離子沿著垂直于基底5表面的軌道運動，隨后以沉積層的形式沉積在基底上。根據(jù)本發(fā)明，濺射靶3的形成應(yīng)可以提供在基底上良好的沉積均勻性，同時腐蝕基本上均勻，無需在濺射裝置內(nèi)使用例如旋轉(zhuǎn)磁鐵或基底上使用活動部件，無需附加的組件加入濺射裝置。盡管不必需，這些工藝可以非必要地用于本發(fā)明。
本發(fā)明優(yōu)選提供一種適用于HCM組件的濺射靶，至少內(nèi)側(cè)面附近具有基本上同質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)，即至少內(nèi)側(cè)面附近基本上一致的顆粒結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)。本發(fā)明進(jìn)一步提供了一種制造上述濺射靶的方法。
本發(fā)明的一個實施方案描繪成圖5中的流程圖，其中某些非必要的步驟已經(jīng)用斷線箭頭表明。
根據(jù)本發(fā)明，如圖5所示，在步驟100提供由電子管金屬制成的濺射金屬工件，例如鈮(Nb)、鉭(Ta)、鋁(Al)、鈦(鈦)、釩(V)、鋯(Zr)或其合金(在下文中稱為″濺射金屬″)。為了本發(fā)明的目的，電子管金屬包括銅(Cu)。在步驟100之前，可以使用任何標(biāo)準(zhǔn)、常規(guī)的步驟，例如熔化和平面鍛壓等。為了提供濺射金屬工件，首先優(yōu)選平面鍛壓由電子管金屬制成的錠料，切成平板并機械清洗。鍛壓濺射金屬成為扁平物，切成平板并機械清洗以提供濺射金屬工件的步驟是常規(guī)的，例如公開于C.Pokross，控制鉭板的晶體結(jié)構(gòu)，Journal of Metals，1989年10月，46-49頁；J.B.Clark，R.K.Garrett，Jr.，T.L.Jungling，和R.I.Asfahani，橫軋對純鉭顯微結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)的影響，Metallurgical Transactions A，23A，pp.2183-2191，等，這里全部引入作為參考。
然后所述濺射金屬工件用作“軋制工件”，并以預(yù)定的冷軋厚度進(jìn)行步驟110橫向冷軋以獲得軋制的工件。盡管可以容易地使用其它的厚度，優(yōu)選預(yù)定的冷軋厚度為約1/4英寸到約1英寸或更多。本發(fā)明上下文所述的″軋制工件″定義為依次經(jīng)過首先軋制步驟和橫向冷軋制造的工件，其中使用濺射金屬工件直到軋制的工件具有預(yù)定的冷軋厚度。在如圖4a和4b所示的橫向冷軋步驟中，軋制工件19經(jīng)過垂直于錠料″A″中軸(中心線)方向的常規(guī)冷軋裝置17，形成另一個較薄的軋制工件21。其后，每個逐位的軋制工件21旋轉(zhuǎn)90度，然后在平行于錠料中心線方向冷軋直至達(dá)到預(yù)定厚度。優(yōu)選，冷軋首先在優(yōu)先方向″A″進(jìn)行多次，其后在垂直于方向″A″的第二方向″B″繼續(xù)冷軋多次直至軋制工件達(dá)到預(yù)定冷軋厚度，產(chǎn)生如圖4b所示的軋制的工件23。優(yōu)選，″A″方向的冷軋賦予真應(yīng)變約-1.3，″B″方向冷軋賦予真應(yīng)變約-1.4。軋制工件的橫向冷軋均勻地硬化工件并促進(jìn)有利的退火響應(yīng)。該工藝公開于J.B.Clark，R.K.Garrett，Jr.，T.L.Jungling，和R.I.Asfahani，橫軋對純鉭顯微結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)的影響，Metallurgical Transactions A，23A，pp.21832191；和J.B.Clark，R.K.Garrett，Jr.，T.L.Jungling，R.A.Vandermeer，和C.L.Vold，工藝參數(shù)對鉭晶體結(jié)構(gòu)和晶體傾斜度的影響，Metallurgical Transactions A，22A，pp.2039-2048可以使用這些工藝，這里引入這些文獻(xiàn)的全文作為參考。
優(yōu)選，濺射金屬工件在如斷線箭頭指出的上述橫向冷軋步驟之前的步驟105退火。優(yōu)選退火在5×10-4乇或更高的真空下，并且在足夠的溫度和時間內(nèi)進(jìn)行，以保證部分完成平面鍛壓軋制板的重結(jié)晶。優(yōu)選，退火溫度為約950℃到約1300℃，優(yōu)選進(jìn)行約兩個小時，然而可以使用其他退火溫度和/或時間。該退火步驟有利于任何嚴(yán)重加工硬化顆粒的重結(jié)晶或回收，接著能夠通過重冷軋最終板材引起的應(yīng)力以更加有效的方式分配，并增強冷軋和退火板材的顯微結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)均勻性。鉭加工使用的中間退火工藝和這里可以使用的中間退火工藝公開于J.B.Clark，R.K.Garrett，Jr.，T.L.Jungling，和R.I.Asfahani，橫軋對純鉭顯微結(jié)構(gòu)和晶體結(jié)構(gòu)的影響，Metallurgical TransactionsA，23A，pp.21832191；和C.A.Michaluk，影響鉭機械性能和晶體結(jié)構(gòu)的因素，Tantalum，E.Chen，A.Crowson，E.Lavernia，W.Ebihara，和P.Kumar(eds.)，The Minerals，Metals，and Materials Society，Warrendale，PA，1996，pp.205-217；C.A.Michaluk，D.B.Smathers，和D.P.Field，局部晶體結(jié)構(gòu)對鉭濺射性能的影響，Proceedings of the Twelfth International Conference on Textures ofMaterials，J.A.Szpunar(ed.)，NRC Research Press，Ottawa，1999，pp.1357-1362，這里全部引入作為參考。
在一個實施方案中，在橫軋步驟110后，最終的軋制工件(FRW)可以在步驟115中退火或消除應(yīng)力，以軟化FRW并改善FRW的可成型性。優(yōu)選退火或消除應(yīng)力在5×10-4乇或更高的真空下，并且在足夠的溫度和時間內(nèi)進(jìn)行，以保證回收或完成FRW的重結(jié)晶。優(yōu)選，消除應(yīng)力溫度為約600℃到約850℃，退火溫度為約950℃到約1300℃，盡管可以使用其他溫度。優(yōu)選消除應(yīng)力和退火時間優(yōu)選為約兩個小時，然而可以使用其他時間。在橫向冷軋和冷加工步驟之間的對軋制工件退火的另一個優(yōu)點是由于降低了流變應(yīng)力，大大改善了成型工件的表面光潔度，主要因為相對于未退火的對應(yīng)物(對應(yīng)物相當(dāng)于不在步驟115進(jìn)行退火的軋制工件)更加容易成型。由于根據(jù)原設(shè)備制造廠(OEM)的需要，成型工件可能已經(jīng)具有可接受的表面光潔度，因此退火步驟115有利于減少對機械清洗成型工件的步驟130的需求。
在本發(fā)明的第二個實施方案中，軋制工件在橫向冷軋步驟后和冷加工成為預(yù)定目標(biāo)形狀前不進(jìn)行退火。取消退火步驟防止橫軋板材賦予的大量(heavy amount of)冷加工在成型之前松弛。因為FRW保留了橫軋賦予的冷加工，成型賦予工件的真應(yīng)變的平均量優(yōu)選小于-0.2。因此，沿工件長度的總應(yīng)變不會變化以顯著地影響成型工件的退火響應(yīng)，并且成型工件的退火將產(chǎn)生細(xì)顆粒結(jié)構(gòu)。
在橫向冷軋和非必要的消除應(yīng)力或退火(115)步驟后，該工件被用作坯件(blank)并在步驟120成型為相當(dāng)于濺射靶形狀的預(yù)定目標(biāo)形狀。冷加工步驟優(yōu)選包括深沖和/或可以包括旋轉(zhuǎn)-成型(例如旋壓成型法)軋制工件成為成型工件，在成型后賦予成型工件(SW)側(cè)面最低量的應(yīng)變(例如工件中約-2.5的最小應(yīng)變)。通過限制操作120中賦予側(cè)面應(yīng)變的量，非均勻應(yīng)變的嚴(yán)重程度和應(yīng)變梯度優(yōu)選為最小，并較少地影響到最終濺射靶的冶金性能。優(yōu)選，預(yù)定目標(biāo)狀態(tài)相當(dāng)于杯形或圓柱形，如圖2和3所示。通常靶基底(35)、半徑(33)、中間壁(31)和上壁(29)的位置如圖3所示。本發(fā)明濺射靶的形狀不必是圓柱形或杯形，濺射靶在垂直于縱軸L方向的橫截面不必是圓形。
用于本發(fā)明工藝的冷加工優(yōu)選是多向冷加工，它優(yōu)選產(chǎn)生許多優(yōu)點例如精細(xì)和/或均勻顆粒尺寸和/或良好的晶體結(jié)構(gòu)。優(yōu)選通過如上所述旋壓成型實現(xiàn)多向冷加工。
在一種更加優(yōu)選的實施方案中，在橫向冷軋后(優(yōu)選，將已經(jīng)橫向冷軋的材料切成盤狀或矩形材料，用于形成預(yù)成型品)，優(yōu)選通過深沖該軋制工件形成具有杯子形狀的預(yù)成型品來實現(xiàn)獲得成型工件的軋制工件冷加工。然后，優(yōu)選在預(yù)成型品材料心軸上進(jìn)行旋壓成型以形成最終的成型工件，通常是如圖3所示的杯子形狀。通過旋壓成型法的多向冷加工工件具有很多優(yōu)點，包括但不限于，賦予成型工件更大量的剪切應(yīng)變，導(dǎo)致在退火后工件更細(xì)和更加均勻的顆粒尺寸。
優(yōu)選，預(yù)定目標(biāo)形狀在冷加工步驟后進(jìn)一步在斷線箭頭所示的步驟125消除應(yīng)力或退火，優(yōu)選消除應(yīng)力溫度約600℃-約850℃，退火溫度約950℃-約1300℃，盡管可以使用其他溫度。消除應(yīng)力或退火步驟125是在真空或惰性氣氛下進(jìn)行的，優(yōu)選的時間為約15分鐘到約2小時。成型工件(SW)的應(yīng)變均勻性保證濺射金屬均勻地退火，因此確?；旧弦恢碌念w粒結(jié)構(gòu)和/或至少成品濺射靶內(nèi)側(cè)面附近的晶體結(jié)構(gòu)。該成型工件可以在步驟130進(jìn)行機械清洗，以得到符合OEM尺寸需求的濺射靶。正如前面提到的那樣，形成濺射靶可以不進(jìn)行機械清洗步驟，只要該成型的工件符合OEM規(guī)定的表面光潔度需求。在一個優(yōu)選的實施方案中，濺射靶是杯形或圓柱形，高度約10.5英寸，內(nèi)徑9.25英寸，外徑約9.50英寸，側(cè)壁厚度約0.25英寸。
本發(fā)明的濺射靶優(yōu)選具有為濺射靶一部分的凸緣。換句話說，該凸緣是作為濺射靶整體或整體部件的一部分，因此不用將單獨的凸緣熔焊到濺射靶上。凸緣可通過軋制濺射靶邊緣至所需的凸緣長度形成?？梢酝ㄟ^在元件收口部分使用超大尺寸材料，或通過使用來自深沖工藝的″壓緊″實現(xiàn)軋制。靶邊緣，例如，如圖1所示通過數(shù)字27標(biāo)出。
根據(jù)本發(fā)明制造濺射靶的方法進(jìn)行步驟有利于提供在濺射期間腐蝕基本上均勻的靶，而且在基底上得到基本上均勻沉積的制靶材料，同時不需要使用復(fù)雜和昂貴的組件，例如濺射裝置上為了獲得上述優(yōu)點的運動部件和/或附加的組件。通過本發(fā)明方法步驟制造的濺射靶優(yōu)選顯示出基本上一致的顆粒結(jié)構(gòu)和/或至少其整個內(nèi)側(cè)壁的晶體結(jié)構(gòu)。任何濺射靶內(nèi)部的應(yīng)變優(yōu)選至少在整個側(cè)壁上基本上完全均勻分布，產(chǎn)生均勻的退火響應(yīng)和濺射腐蝕。
在一個實施方案中，由至少一種電子管金屬制成的靶優(yōu)選具有細(xì)小的粒徑和/或均勻的顆粒尺寸。此外，優(yōu)選靶具有均勻的晶體結(jié)構(gòu)。更詳細(xì)地，優(yōu)選含有至少一種電子管金屬的靶具有5ASTM或更高的(即更小)粒徑，更優(yōu)選約5ASTM至約13ASTM，還更優(yōu)選約5ASTM至約10ASTM，最優(yōu)選約7ASTM至9ASTM。此外或替代地，靶具有均勻的顆粒尺寸，例如，靶全部的粒徑變化是±2ASTM，或±1ASTM或更小。此外或替代地，該靶可以具有極好的晶體結(jié)構(gòu)(texture)例如混合的(111)-(100)球狀的晶體結(jié)構(gòu)，優(yōu)選無尖銳的、局部的強(100)晶體結(jié)構(gòu)帶。換句話說，晶體結(jié)構(gòu)中的具有垂直濺射表面方向的(100)取向的顆粒濺射出來，使得沒有探測到晶體結(jié)構(gòu)(100)局部分組(localized groupings)。優(yōu)選，本發(fā)明的靶是至少部分重結(jié)晶的，至少靶75％是重結(jié)晶的和更優(yōu)選至少靶95％是重結(jié)晶的，還更優(yōu)選至少靶98％是重結(jié)晶的。最優(yōu)選，靶是完全重結(jié)晶的(即100％重結(jié)晶)。優(yōu)選，靶具有一種或多種或以上全部關(guān)于晶體結(jié)構(gòu)和粒徑的所述性能。靶優(yōu)選具有如上所述的HCM設(shè)計，并具有一種或多種或以上全部性能。
在一個優(yōu)選的實施方案中，通過發(fā)散磁場基本上消除或完全除去本發(fā)明方法靶顆粒的取向。該發(fā)散磁場優(yōu)選由于減小顆粒錯位而消除。換句話說，在一個優(yōu)選的實施方案中，本發(fā)明改善磁場排列使得磁場的取向相同或基本上相同。允許磁場的取向平行于濺射材料流動方向，因此消除了對抗或干擾磁場。這優(yōu)選產(chǎn)生改善的濺射質(zhì)量和/或非常合乎最終用戶需要的效能。
優(yōu)選，根據(jù)本發(fā)明，將如上所述生產(chǎn)的濺射靶放入外殼或襯里內(nèi)，例如圖1中的外殼20內(nèi)。外殼由較輕的和價格低于濺射靶電子管金屬的材料組成，因此避免了濺射靶不必要地增加重量，由此在濺射真空室中相對容易的裝配靶和濺射外殼組件，同時節(jié)約了費用。優(yōu)選，外殼也可以由非氫化材料組成，例如非氫化金屬。非氫化金屬的實施例包括但是不局限于鋁或銅。
通過在冷加工材料之前粘結(jié)金屬背板例如銅板到電子管金屬上，金屬外殼或背板可以優(yōu)選構(gòu)成濺射靶部分。例如，粘結(jié)金屬背板可以通過工藝方法如爆炸焊接、機械粘合法、輥壓接合等進(jìn)行。一旦金屬背板粘結(jié)到電子管金屬板上，然后將具有背板的復(fù)合板材進(jìn)行本發(fā)明如上所述的工藝。在電子管金屬靶上粘結(jié)金屬背板或金屬套的特定方法避免了最終用戶的附加步驟，其中最終用戶通常接受鉭靶，例如，然后必須將銅金屬外殼裝配到已經(jīng)成型的濺射靶上(例如罐形靶)，這導(dǎo)致額外的加工和人工費用以及時間延誤。通過在濺射靶形成之前，裝配背板為電子管金屬板部分，可以極大地減少制造費用和時間延誤。
外殼的一個功能是賦予濺射靶結(jié)構(gòu)完整性。因此，外殼的存在允許沿HCM內(nèi)壁的濺射制靶材料幾乎完全消耗，例如，消耗至襯里厚度小于0.1″。沒有外殼，在不損失其結(jié)構(gòu)完整性條件下濺射靶不能腐蝕至最小要求厚度。
當(dāng)外殼由非氫化材料組成的時候，允許回收來自使用過的濺射靶的電子管金屬。通過將復(fù)合HCM靶暴露在氫的正壓氣氛和高于約450℃的溫度下，鉭金屬內(nèi)襯里將吸收氫氣并變得易碎，而該非氫化材料保留硬度和韌性。氫化的電子管金屬可以通過機械法例如振動或粉碎復(fù)合HCM靶回收。因此該外殼有利于重復(fù)使用，和回收未使用的濺射材料部分并重復(fù)利用。
根據(jù)本發(fā)明的另一方面，例如圖3中頂部15`所示，頂部15`可以不同于濺射靶3′，由抗濺射材料組成。優(yōu)選該頂部熔焊或粘結(jié)至圓柱形濺射靶3′的側(cè)面以產(chǎn)生最終濺射靶部件4′。優(yōu)選，該頂部由具有大顆粒尺寸和堅固(100)晶體結(jié)構(gòu)的電子管金屬基底材料組成。濺射速率可能取決于晶體結(jié)構(gòu)。因為具有(100)晶體結(jié)構(gòu)帶的鉭靶非常耐濺射，根據(jù)一個優(yōu)選的實施方案，頂部可以由具有堅固(100)晶體結(jié)構(gòu)的鉭基或鈮基材料制成。電子管金屬基底材料可以是工業(yè)純的電子管金屬，例如已經(jīng)特別加工至堅固(100)晶體結(jié)構(gòu)的鉭或鈮，或可以是電子管金屬合金，例如鉭-鎢合金等，通常顯示出堅固(100)晶體結(jié)構(gòu)，如公開于C.A.Michaluk，Masters Thesis，Drexel University，1993；G.T.Gray III，S.R.Bingert，S.I.Wright，和S.R.Chen，鎢合金用量對鉭機械性能和晶體結(jié)構(gòu)的影響，Material Research Society SymposiumProceedings，Volume 322，Materials Research Society，1994，pp.407-412；S.I.Wright，S.R.Bingert，和M.D.Johnson，退火溫度對軋制鉭和含10wt.％鎢的鉭的晶體結(jié)構(gòu)影響，Utungsten and Refractory Metals 2，A.Bose and R.J.Dowding(eds.)，Metal Powder Industries Federation，Princeton，1995，pp.501-508，這里全部引入作為參考。頂部也可以由另一種本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的抗濺射材料組成。另一方面，頂部由本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的抗濺射、非氫化材料制成，使得可以從如上所述的用過濺射靶回收電子管金屬。濺射靶的非濺射頂部有利于限制濺射靶側(cè)面腐蝕，同時降低沿著頂部內(nèi)表面的濺射速率。因為從靶頂部內(nèi)表面濺射出來的原子可以穿過等離子體不被離子化并繼續(xù)在不垂直于基底的軌道上運動，合乎需要的上述優(yōu)點進(jìn)一步確保在基底上沉積均勻的層。這些原子將以某一角度轟擊基底，堆積在通道內(nèi)壁上，并充滿孔道底部的空間。另一方面，濺射出來的側(cè)壁原子不會離子化，簡單地沉積在對面的靶內(nèi)側(cè)壁上。為此，用非濺射材料制造靶頂部內(nèi)表面基本上避免了非電離原子以某一角度轟擊基底，并由此在其上沉積了不均勻的材料。
根據(jù)本發(fā)明的一個方面，加工用過的濺射靶以回收殘留的電子管金屬。優(yōu)選，首先對用過的濺射靶進(jìn)行氫化步驟，其中氫化電子管金屬產(chǎn)生非常脆的材料，并通過常規(guī)的去除或分離工藝方法分離氫化的電子管金屬和非氫化殼。其后，磨碎氫化的電子管金屬產(chǎn)生電子管金屬氫化物粉末。然后優(yōu)選通過在真空和高于約450℃的溫度下加熱對電子管金屬氫化物粉末進(jìn)行脫氣以除去氫氣，由此得到電子管金屬粉末。然后可以根據(jù)本發(fā)明方法進(jìn)一步加工粉末制造濺射靶。
本發(fā)明將通過下列示范性實施例進(jìn)一步說明。
實施例來自Cabot公司可商購的兩種鈮板材和兩種鉭板材用于實施例。每種鈮和鉭板材如本申請所述橫軋若干次。該板材原來具有3.5英寸的厚度，經(jīng)過橫軋過程厚度為0.500英寸。實現(xiàn)橫向冷軋是在第一個方向和垂直于第一個方向的第二方向軋制相同次數(shù)。從每一板材上切下0.500″×18.0″直徑尺寸的盤狀物。在制造預(yù)成型品中，每個盤狀物通過使用1000噸沖床沖壓成具有杯子形狀的預(yù)成型品。杯形的預(yù)成型品在1000噸沖床沖壓后具有下列尺寸約6.6″高約.500″壁厚，其中內(nèi)壁具有1°錐形邊緣。杯形內(nèi)徑大約9.3″。底部壁角杯形內(nèi)徑大約1.2″，外部的壁角外徑為約1.6″。
在制造最終產(chǎn)品時，將預(yù)成型的杯狀物裝在心軸上。將心軸加工至最終產(chǎn)物所需直徑和表面光潔度。然后對預(yù)成型的杯狀物進(jìn)行旋壓成型至下文指出的所需壁厚和長度。在Dynamic Machine Works完成流動-成型操作。在旋壓加工后，然后加工成品至所需的最終尺寸。
成品尺寸如下高度約9.9″，壁厚約.255″具有約1°錐形邊緣，內(nèi)徑約9.49″，底部壁角內(nèi)徑約1.2″，底部壁角外徑約1.36″。對一個鈮樣品和一個鉭樣品在縱向或橫向冷軋和形成預(yù)定形狀步驟之間進(jìn)行退火，而另一個鈮樣品和另一個鉭樣品在橫向冷軋和通過冷加工進(jìn)行成型步驟之間不進(jìn)行退火。對于鉭退火步驟在1050℃下進(jìn)行2小時。對于鈮產(chǎn)品退火步驟在1,150℃下進(jìn)行2小時。
對于每個樣品，成型的最終產(chǎn)品進(jìn)行最終的退火，其中由未退火的板材形成的鈮是在1100℃下進(jìn)行2小時；對于由退火板材形成的鈮是在1250℃下進(jìn)行2小時；對于由退火板材形成的鉭是在1100℃下進(jìn)行2小時；對于由退火板材形成的鉭是在1050℃下進(jìn)行2小時。
每個樣品獲得的微觀結(jié)構(gòu)均勻性使用的測試方法公開于美國專利申請?zhí)?9/665,845，這里全部并入作為參考并構(gòu)成本申請的一部分。為了保證公平地比較晶體結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，被用來收集反向散射電子部分(EBSD)的原始數(shù)據(jù)的階距(step distance)是在X和Y兩個方向測定的平均粒徑的1/5。如下表所示重結(jié)晶和顆粒尺寸。
表1得到的金相學(xué)結(jié)果鉭坩鍋(空心陰極靶)-退火的最終軋制工件(FRW)溫度 壁上部 壁中部 半徑 基底中部1050℃ ％ 重結(jié)晶100100 100 100ASTM 顆粒尺寸 5.05.1 7.1 6.4微米 顆粒尺寸 ～65 ～62～30 ～40鉭坩鍋(空心陰極靶)-未退火的最終軋制工件(FRW)溫度 壁上部 壁中部 半徑 基底中部
1100℃ ％ 重結(jié)晶100100 96 99ASTM 顆粒尺寸 7.37.2 6.4 6.6微米 顆粒尺寸 ～30 ～32 ～40 ～38鈮坩鍋(空心陰極靶)-退火的最終軋制工件(FRW)溫度 壁上部 壁中部 半徑 基底中部1250℃ ％ 重結(jié)晶100100 100 100ASTM 顆粒尺寸 8.78.6 7.6 8.7微米 顆粒尺寸 ～19 ～19 ～19 ～19鈮坩鍋(空心陰極靶)-未退火的最終軋制工件(FRW)溫度 壁上部 壁中部半徑基底中部1100℃ ％ 重結(jié)晶100100 100 100ASTM 顆粒尺寸 9.39.3 9.3 9.3微米 顆粒尺寸 ～15 ～15 ～15～15表I1得到的晶體結(jié)構(gòu)(壁中部樣品，最佳退火溫度)反向電子散射部分Lambda(λ)Omega(Ω)EBSDRad Rad顆粒尺寸(微米) mmmm鉭，退火的SMW 64 9215鉭，未退火的SMW22 238 84鈮，退火的SMW 17 162 92鈮，未退火的SMW10 236 198結(jié)構(gòu)分析顯示出在晶體結(jié)構(gòu)均勻性上的改進(jìn)，特別是從退火板材開始的樣品。
特別地，由未退火的FRW形成退火濺射靶具有更大λ值表示的更加嚴(yán)重的晶體結(jié)構(gòu)梯度，和由更大的Φ值表示的更加嚴(yán)重的晶體結(jié)構(gòu)帶。已經(jīng)報告晶體結(jié)構(gòu)變化與鉭濺射性能的改變有關(guān)(C A.Michaluk，D.B.Smathers，和D.P.Field，局部晶體結(jié)構(gòu)對鉭濺射性能的影響Proceedings of theTwelfth International Conference on Texture of Materials，J.A.Szpunar(ed.)，NRC Research Press，Ottawa，1999，pp.1357-1362，全文引入作為參考)由上面結(jié)果也可以看出，在成型過程中使用未退火板材的優(yōu)點是最終退火的坩鍋具有較小的顆粒尺寸。從退火板材開始的優(yōu)點是改善了最終坩鍋的晶體結(jié)構(gòu)均勻性以及易于形成部件。此外，使用退火FRW具有更加均勻的顆粒結(jié)構(gòu)，如圖6-9提供的粒徑分布明顯可知，使用在美國專利申請?zhí)?9/665,845涉及的電子反向散射部分分析技術(shù)通過TSL測得。由此，每個方法具有根據(jù)最終用戶需要的優(yōu)點，本發(fā)明提供了多種符合最終用戶需要的選擇。
在不脫離本發(fā)明精神或范圍的情況下，本發(fā)明實施方案的多種改進(jìn)和變化對本領(lǐng)域技術(shù)人員來說是顯而易見的。由此，本發(fā)明在附加權(quán)利要求和同等范圍內(nèi)包括其他改進(jìn)和變化。
權(quán)利要求
1.一種制造濺射靶的方法，包括如下步驟提供包括至少一種電子管金屬的濺射金屬工件；橫向冷軋濺射金屬工件以獲得軋制工件；和冷加工該軋制工件以獲得成型工件。
2.權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括在橫向冷軋和冷加工步驟之間對濺射金屬工件消除應(yīng)力。
3.權(quán)利要求2的方法，其中消除應(yīng)力的步驟是在約600℃至約850℃溫度下進(jìn)行的。
4.權(quán)利要求1的方法，其中在橫向冷軋和冷加工步驟之間濺射金屬工件不退火或不消除應(yīng)力。
5.權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括在橫向冷軋和冷加工步驟之間對濺射金屬工件退火的步驟。
6.權(quán)利要求2的方法，其中退火的步驟是在約950℃至約1300℃溫度下進(jìn)行的。
7.權(quán)利要求3的方法，其中消除應(yīng)力步驟包括對濺射金屬工件消除應(yīng)力約2小時。
8.權(quán)利要求6的方法，其中退火步驟包括對濺射金屬工件退火約2小時。
9.權(quán)利要求1的方法，其中電子管金屬是鉭、鈮或其合金。
10.權(quán)利要求1的方法，其中所述電子管金屬是銅。
11.權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括機械清洗成型工件的步驟以獲得濺射靶。
12.權(quán)利要求1的方法，其中提供濺射金屬工件的步驟包括如下步驟平面鍛壓包括至少一種電子管金屬的錠料；將鍛壓錠料切成平板；和機械清洗該平板。
13.權(quán)利要求1的方法，其中橫向冷軋步驟包括在第一方向冷軋作為軋制工件的軋濺射工件多次和在垂直于第一方向的第二方向冷軋多次。
14.權(quán)利要求1的方法，其中橫向冷軋步驟包括在第一方向和第二方向冷軋作為軋制工件的濺射工件同樣的次數(shù)。
15.權(quán)利要求13的方法，其中橫向冷軋步驟包括在第一方向冷軋濺射工件多次，然后在第二方向冷軋軋制工件多次。
16.權(quán)利要求1的方法，其中軋制的工件具有預(yù)定的冷軋厚度。
17.權(quán)利要求16的方法，其中預(yù)定冷軋厚度為約0.25英寸至約2″尺寸。
18.權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括在橫向冷軋步驟之前該對濺射金屬工件退火的步驟。
19.權(quán)利要求18的方法，其中橫向冷軋步驟之前的退火步驟是在約1050℃至約1300℃溫度下進(jìn)行的。
20.權(quán)利要求1的方法，其中冷加工軋制工件的步驟包括深沖軋制工件、旋轉(zhuǎn)成型軋制的工件，或旋壓成型軋制的工件，或其結(jié)合。
21.權(quán)利要求1的方法，其中冷加工軋制工件的步驟包括首先深沖軋制的工件形成預(yù)成型品，然后在心軸上旋壓成型預(yù)成型品。
22.權(quán)利要求17的方法，其中橫向冷軋步驟之前的退火步驟包括對濺射金屬工件退火約2小時的步驟。
23.權(quán)利要求1的方法，其中成型工件相對于軋制濺射金屬工件(SMW)顯示出至少50％的冷軋壓縮。
24.權(quán)利要求1的方法，其中成型工件側(cè)壁相對于軋制濺射金屬工件(SMW)顯示出小于50％的冷軋壓縮。
25.權(quán)利要求1的方法，其中成型工件為圓柱形或杯形。
26.權(quán)利要求1的方法，其中冷加工軋制工件的步驟包括深沖軋制的工件、或旋轉(zhuǎn)成型軋制的工件，或兩者結(jié)合。
27.權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括在冷加工步驟后對成型工件消除應(yīng)力的步驟。
28.權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括在冷加工步驟后對成型工件退火的步驟。
29.權(quán)利要求27的方法，其中冷加工步驟之后的消除應(yīng)力步驟是在約600℃至約850℃溫度下進(jìn)行的。
30.權(quán)利要求28的方法，其中冷加工步驟之后的退火步驟是在約900℃至約1300℃下進(jìn)行的。
31.權(quán)利要求1的方法，其中濺射靶為杯形或圓柱形，高度約10.5英寸，內(nèi)徑約9.25英寸，外徑約9.50英寸，側(cè)壁厚度約0.25英寸。
32.一種從用過的根據(jù)權(quán)利要求1方法制造的濺射靶回收電子管金屬的方法，包括氫化電子管金屬以得到氫化的電子管金屬的步驟。
33.權(quán)利要求32的方法，進(jìn)一步包括如下步驟碾磨氫化的電子管金屬以得到電子管金屬氫化的粉末；從非氫化的金屬外殼上分離氫化的電子管金屬，對電子管金屬氫化的粉末脫氣以得到脫氣的電子管金屬粉末；和加工該脫氣的電子管金屬粉末以得到電子管金屬錠料。
34.權(quán)利要求1的方法，其中所述成型工件具有邊緣，其中冷軋所述邊緣以形成凸緣。
35.權(quán)利要求1的方法，其中所述濺射金屬工件是板材，第二金屬背板在軋制工件冷加工之前粘結(jié)到第一板材上。
36.權(quán)利要求35的方法，其中所述粘結(jié)是爆炸粘接、機械粘合法、輥壓接合、或其結(jié)合。
37.權(quán)利要求35的方法，其中所述第二金屬背板是銅。
38.權(quán)利要求35的方法，其中所述第二金屬背板是一種不同于所述濺射金屬工件的金屬。
39.權(quán)利要求1的方法，進(jìn)一步包括冷加工軋制工件之前從所述軋制的工件切下圓盤形工件。
40.一種根據(jù)權(quán)利要求1方法制造的濺射靶。
41.包括權(quán)利要求40的濺射靶的濺射靶組件，進(jìn)一步包括由粘結(jié)在濺射靶側(cè)壁上的非濺射材料制成的頂部，或由非濺射材料制成的外殼，其中濺射靶固定在外殼上，或兩者。
42.權(quán)利要求41的濺射靶組件，其中頂部由具有堅固(100)晶體結(jié)構(gòu)的電子管金屬基底材料制成。
43.權(quán)利要求42的濺射靶組件，其中電子管金屬基底材料是鉭基材料、鈮基材料或兩者。
44.權(quán)利要求42的濺射靶組件，其中電子管金屬基底材料是具有堅固(100)晶體結(jié)構(gòu)的電子管金屬或其合金。
45.權(quán)利要求44的濺射靶組件，其中電子管金屬合金包括鉭和鎢。
46.權(quán)利要求41的濺射靶組件，其中頂部由非氫化材料制成。
47.權(quán)利要求41的濺射靶組件，其中外殼由非氫化材料制成。
48.權(quán)利要求47的濺射靶組件，其中外殼包括鋁、銅或兩者。
49.一種包括至少一種電子管金屬的靶，其中所述靶具有HCM設(shè)計，并且所述靶具有a)顆粒尺寸為5 ASTM或更??；b)混合的(111)-(100)球狀晶體結(jié)構(gòu)；c)均勻的顆粒尺寸，其中顆粒尺寸變化為+/-2 ASTM；或其組合。
50.權(quán)利要求49的靶，其中所述靶具有三個性能中的至少兩個。
51.權(quán)利要求49的靶，其中所述靶具有全部三個性能。
52.權(quán)利要求49的靶，其中所述靶為至少部分重結(jié)晶的。
53.權(quán)利要求49的靶，其中所述靶為至少95％重結(jié)晶的。
54.權(quán)利要求49的靶，其中所述靶為完全重結(jié)晶的。
55.權(quán)利要求49的靶，其中性能a)存在，并且所述主要的(111)-型球狀晶體結(jié)構(gòu)無尖銳的、局部(100)晶體結(jié)構(gòu)帶。
56.權(quán)利要求49的靶，其中性能a)存在，并且所述顆粒尺寸為約5 ASTM至約13 ASTM。
57.權(quán)利要求49的靶，其中性能a)存在，并且所述顆粒尺寸為約5 ASTM至約10 ASTM。
58.權(quán)利要求49的靶，其中性能a)存在，并且所述顆粒尺寸為約7 ASTM至約9 ASTM。
59.權(quán)利要求1的方法，其中所述冷加工為多向冷加工。
全文摘要
公開了一種濺射靶和制備濺射靶的方法。該方法包括如下步驟提供一種由電子管金屬制成的濺射金屬工件；橫向冷軋濺射金屬工件以獲得軋制工件；并冷加工該軋制工件以獲得成型工件。該濺射靶顯示出基本上一致的顆粒結(jié)構(gòu)和/或至少在側(cè)面上具有晶體結(jié)構(gòu)。
文檔編號B21B3/00GK1531605SQ01822255
公開日2004年9月22日 申請日期2001年11月20日 優(yōu)先權(quán)日2000年11月27日
發(fā)明者羅伯特·B·福德, 克里斯托弗·A·邁卡盧克, 托弗 A 邁卡盧克, 羅伯特 B 福德 申請人:卡伯特公司