专利名称：含钼和铝的组件以及在成形靶/背衬板组件中使用中间层的方法
技术领域：
本发明涉及多种组件，包括物理气相沉积(PVD)靶/背衬板组件。具体而言，本发明涉及包含结合铝的钼的组件。本发明还涉及利用包含钼和铝中的一种或两者的中间层将物理气相沉积靶结合到背衬板上的方法。
背景技术：
物理气相沉积通常是用于在衬底上形成一层材料。在物理气相沉积加工过程中，靶表面暴露在高能离子和/或其它粒子下，这样可以从靶表面中驱逐出材料。被驱逐出的材料可传送到在靶附近的衬底，并且沉积在衬底上形成薄膜。
靶可以由希望被沉积在衬底上的大量材料中的任一种形成。例如，靶可以由各种金属形成，例如包括钨，钼，铜，铝和钛等。
靶通常要在用于物理气相沉积之前结合或以另外的方式连接到背衬板上。背衬板被用于在物理气相沉积装置中物理地保持靶，其典型地具有适合于保持在该装置中的特定的几何形状。背衬板可以由各种材料形成，例如铝材料。
在企图结合靶与合适的背衬板时产生困难。靶与背衬板的一种结合方法是在背衬板和靶材料之间形成铟焊料结合。例如，难熔的金属靶材料(如钨或钼)可以被焊接结合到铜背衬板上。但是，如果将太大的功率施加给靶/背衬板组件，焊料结合处将会熔化(由于与通过组件的电流相关的加热)，因此一般要在小于4千瓦的功率下操作包含铟焊料结合的组件。
遗憾的是，4千瓦功率通常小于有效溅射所需的功率值。由于在较高功率下操作可提高生产率并能使单溅射靶的产出更多，有利的是使用10千瓦或更高的功率。因此希望开发能够在溅射操作中承受较高功率的靶/背衬板的结构。
形成能够承受较高功率的靶/背衬板的结构的一种方法是直接将背衬板结合到靶上，而不再采用在靶和背衬板之间的焊料层结合。但是，如果靶和背衬板彼此具有基本上不同的热膨胀特性，则在靶/背衬板构造的操作中可能沿扩散结合处产生裂纹和/或损坏。例如在将钨结合到铝或铜上的应用中会产生这样的问题。
理想的是开发能够适用于在10千瓦或更高的功率下操作的新的靶/背衬板的结构。
应该理解，尽管本发明是受上述问题和考虑启发的，但是下面描述的本发明不受限于靶/背衬板的结构，除了在一定程度上由所附的权利要求书明确描述靶/背衬板的结构。
发明内容
在一个方面，本发明包括物理气相沉积靶/背衬板组件。该组件包括一物理气相沉积靶，一背衬板和在靶和背衬板之间的层。该层包括钼和钽中之一或两者都包括。
在一个方面，本发明包括一种组件，该组件包含一至少含铝99.9％的背衬板，该铝背衬板通过具有至少约6000镑/平方英寸(psi)的强度的结合被结合到至少含钼99.9％的靶上。
在一个方面，本发明包括一种将含钨的材料结合到含铝的材料上的方法。在含钨的材料和含铝的材料之间设有一层含钼的材料。含钼的材料被结合到含钨的材料和含铝的材料上。
下面参照附图描述本发明的优选实施例。
图1是本发明的一个示例的初始阶段的物理气相沉积靶的示意性横截面视图。
图2是图1的靶的顶视图。
图3示出了在图2步骤之后的加工步骤中的图1的靶的顶视图。
图4是背衬板的示意性横截面图。
图5是图4的背衬板的顶视图。
图6是结合到图3的靶上的图4背衬板的横截面图。
图7是靶/背衬板组件的示意性横截面图。
图8是图7组件的顶视图。
图9示出了在图7步骤之后的加工步骤中的图7组件的顶视图。
图10示出了在图9步骤之后的加工过程中的图7组件的视图，其与背衬板相结合。
图11是本发明的一示例的流程图。
图12是本发明的另一示例的流程图。
优选实施例的详细描述参照图1-6描述本发明的示例性实施例。首先参照图1和2，在图1中示出一示例性靶10的横截面图，在图2中示出其顶视图。靶10包括盘形。具体而言，靶10具有第一表面12和相对的第二表面14。表面12和14由圆形的外周面16连接在一起。将靶10表示为示范性的形状，要理解的是在本发明的各项应用中可以采用其它的靶形状。
靶10可包含很多成分中的任意一种。在特定的应用中，靶10可包括钼，钽，钨，钛，硅和铝中的一种或多种，或是主要由，或由钼，钽，钨，钛，硅和铝中的一种或多种组成。例如，靶10可以是至少99.9％纯度的铝，至少99.9％纯度的钨，至少99.9％纯度的金属硅化物(例如，硅化钨或硅化钛)，或者至少99.9％纯度的铝化物(例如铝化钨)。这里描述的靶材料的纯度是考虑重量纯度，因此，被称为99.9％纯度的材料可认为(重量上)每千份含1份杂质。
在特定应用中，靶可以主要由两种或以上的金属组成，一示例性组分是主要由钨和钛组成。在另一特定应用中，靶可以包括热膨胀系数小于8的材料，或是主要由或由热膨胀系数小于8的材料组成，示例性的该材料可以是钨与铝和硅之一的结合体或与该两者的结合体。
参照图3，在靶10的表面14内涡卷出花纹18。可利用计算机数控(CNC)车床形成花纹18。花纹18是一示例性图案，可使用任何合适的图案。最后，将一种材料压靠在靶10的表面14上，并使其与该表面扩散结合。涡卷形花纹18可加强该结合的强度。例如，如果压靠在表面14上的材料比靶10的组分软，则在扩散结合过程中一些材料可被压入到涡卷形花纹18中。
在本发明的一方面中，靶10直接被扩散结合到背衬板上。在该方面中，靶10可包括钼，背衬板可包括铝，例如6061系列的铝。
一种背衬板结构在图4和5中被表示为背衬板30。这样的结构对应于ENDURA TM结构，其可从Honeywell International公司购买到。图4和5的结构是示例性的结构，在本发明的不同方面中可使用其它的结构。
背衬板30包括上表面32，该表面最后要结合到靶上。背衬板30还包括绕该背衬板的周面延伸的凸缘34，其适用于将该背衬板保持在物理气相沉积设备中。
参照图6，示出靶10被结合到背衬板30上以形成靶/背衬板组件40。具体而言，靶10的表面14已经被结合到背衬板30的表面32上以在靶10和背衬板30之间的界面处形成扩散结合42。
扩散结合可以以如下方式形成。开始，靶10设有如图3所示的涡卷形花纹18。随后，靶10的表面14用适当的去污剂和/或其它溶剂清洁，以从该表面除去如切削油之类的污物。可使用的示例性溶剂有丙酮和己烷。最好是该清洁剂不会氧化靶10的表面。因此，如果靶主要由钼组成，最好是该清洁剂不包括硝酸。背衬板30的上表面32也可以用适当的清洁剂进行清洁。
将经过清洁的表面14靠着已清洁的背衬板30的上表面32放置。随后，包括靶10和背衬板30的组件在下列条件下经受热压处理例如在表面14和32之间的界面上提供约4000psi到8000psi的压力，同时将该靶/背衬板组件加热到约400℃-1600℃的温度(在将铝结合到钼上时，典型的温度是约400℃-600℃，例如约500℃)。在4000psi到8000psi的压力、约400℃-1600℃的温度下保持该组件约1小时到5小时(典型的是约1小时到3小时)，并且最好是在小于或等于约3×10-4托的真空下。
在将一含钼的靶10结合到含铝的背衬板30上时，例如在钼和铝之间可以使用上述处理过程形成牢固的扩散结合。表1表示了利用本发明的方法实现的钼和铝之间的各种扩散结合。表1中的结合强度是由冲击拉伸试验确定的。
表1
如表1所示，已经确定，根据本发明的方法形成的钼和铝之间的结合具有至少约6000psi、至少约7000psi、至少约8000psi、至少约9000psi、在特别的应用中至少约10000psi的强度。
根据本发明的方法形成的牢固结合可适用于物理气相沉积靶与背衬板的结合，这是由于在较高功率的溅射操作中该结合可以经久耐用。因此，根据本发明的方法在含钼的靶和含铝的背衬板之间形成的结合可以形成对溅射操作中暴露在10千瓦或更大功率下而言仍经久耐用的靶/背衬板组件。
参照图10描述本发明的另一个方面。参照图7和图8，示出了包括靶102和在该靶上的一层104的组件100。靶102包括一表面101，一相对的表面103，和一连接表面101和103的圆形外周面105。靶102可具有类似于上面参照图1所述的靶10的几何形状。层104包括一靠着靶102的表面107和一相对的表面109。层104还包括一连接表面107和109的圆形外周面111。
靶102可包括具有小于8的热膨胀系数的材料，包括各种铝化物和硅化物。作为另一个例子，靶102可包括至少99％的钨或钨的化合物，例如铝化钨，硅化钨和/或钨的合金和其它金属(例如钨和钛的合金)。
在层104的表面107与靶105的表面103相结合的地方限定一界面110。在本发明的特定方面中，沿该界面形成扩散结合。例如，靶102可主要由具有小于8的热膨胀系数的材料组成，层104可包括钼和钽中的一种或两种，或者是主要由或是由钼和钽中的一种或两种组成。已知钼和钽具有类似于具有小于8的热膨胀系数的材料的热膨胀系数。因此，在包括钼和/或钽的层104和含热膨胀系统小于8的材料的靶102之间形成的扩散结合会比较坚固。换句话说，在层104的热膨胀系数类似于靶102的热膨胀系数时，这样的扩散结合将抵抗在较高温度和/或通过包括该扩散结合的组件的较高功率水平下产生裂纹或损坏。
适合于和包括钼和钽中的一种或两种的层一起使用的靶包括单独的钨或者是和硅、铝和钛中的一种或多种结合的钨的靶。例如，靶包括、主要由或由硅化钨、铝化钨、或钨与钛的组合体构成。在本发明的一特定方面中，靶102由纯度至少为99.9％的钨构成，层104主要由钼或钽组成。
在形成图7的组件100的过程中，示范性的钼材料层104可扩散到钨靶中，深度约从3微米到约5微米。此外，如果已在钨靶中形成了涡卷形花纹，扩散材料就能填充该涡卷形花纹。于是，在层104和靶102之间形成化学和机械结合。
可在形成组件100之前在靶102的表面103或层104的表面107中涡卷出类似于图3中描述的花纹。此外，表面107和103可在形成组件100之前用适当的溶剂和/或去污剂清洁。随后，组件100经受适当的处理以形成层104和靶102之间的扩散结合。这样的处理和上面参照图6所述的形成层104和靶102之间的扩散结合是一样的。因此，该处理可包括使组件100经受约4000psi到8000psi的压力约1-5小时，同时使该组件保持在约400℃-1600℃的温度下(在将钨结合到钼和钽之一或该两者上时，典型的温度是约1200℃-1600℃)，同时使该组件保持在小于或等于约3×10-4托的真空下。
参照图9，在组件100的表面109中涡卷出花纹112。花纹112例如可由电脑数值控制(CNC)车床形成。花纹112是一示例的图案，在本发明的各个方面中可形成其它的花纹。在形成花纹112之后，表面109例如用适当的溶剂和/或去污剂清洁以从该表面中除去切削油。
图9中所示的涡卷形花纹只是制备用于随后的扩散结合的表面109的一个示例性方法。可替换的是，和/或附加的是，表面109可由喷珠或喷钢砂处理。如果使用喷珠或喷钢砂处理，表面109将优选被粗糙到至少约250微英寸的厚度。表面109的粗加工提供了多个可穿透背衬板120上存在的氧化铝的边缘，以在随后的层104扩散结合到背衬板120上的过程中能够在表面109的材料(其可以是例如元素钼和/或元素钽)和背衬板120的材料(其例如可以是元素铝)之间形成良好接触。也可以在参照图3所述的本发明的方面中使用喷珠或喷钢砂处理。
参照图10，组件100结合到背衬板120上形成靶/背衬板组件130。具体而言，表面109(图9)结合到背衬板120的上表面上。例如，这可以通过参照图6所述的类型的热压处理产生，并在层104和背衬板120之间的界面122处形成扩散结合。层104在图7的处理阶段可具有例如约0.15英寸的厚度，在经历图10的处理之后该厚度减少到约0.1英寸。此外，如果希望厚度减少，在图7的处理之后、图10的处理之前可使用机加工以减少层104的厚度。
在特定的应用中，背衬板120可包括铝，或主要由或由铝组成(例如背衬板120可以是具有99.9％纯度的铝)，层104是具有99.9％纯度的钼和/或钽，靶102是具有99.9％纯度的钨。在该应用中，中间层104可在靶102和背衬板120之间提供牢固的结合，以使靶/背衬板组件130能耐受使用了10千瓦或以上的功率的物理气相沉积(PVD)处理。在层104和含铝材料120之间的扩散结合的强度可以与表中所述的强度相当，另外钼层104和钨靶102之间的结合强度可大于10000psi。应注意的是钽和钼具有和钨相同的晶体结构，高熔点和相似的热膨胀系数，它们都容易扩散到钨中。因此，在钨和钽和/或钼之间的扩散结合是牢固的，并且能够经受温度变化。钨/钼的扩散结合的示例性强度如表2所示。
表2
当组件在例如物理气相沉积处理中被加热时，组件130的层104可吸收热膨胀的冲击。因此，层104可使组件130在加热和冷却中比包括直接结合到背衬板120上的靶102的组件更经久耐用。
尽管图7-10的处理是在将层104结合到背衬板120上之前将层104结合到靶102上，但是应该注意的是，可以改变处理的各种阶段的顺序。例如，在第一阶段可以将层104设置在靶102和背衬板120之间，随后在后序热压处理的过程中同时将层104扩散结合到靶102和背衬板120上。可替换的是，层104可首先利用热压处理结合在背衬板120上以形成层104和背衬板120之间的扩散结合，随后采用第二次热压处理将靶102结合到层104上以形成靶和层之间的扩散结合。
在本发明的特定方面中，靶102可看作是一含钨的材料，背衬板120可看作是含铝材料，层104可看作是一含钼的材料，其在含钨材料和含铝材料之间并被结合到含钨材料和含铝材料上。
尽管热压被描述成形成层104和靶102之间的扩散结合和形成层104和背衬板120之间的扩散结合的优选的方法，但是应该理解，还可以利用其它方法来提供适合于形成这种扩散结合的压力和温度。例如，也可以利用等静热压机形成上述各种扩散结合。
在以上描述中型材10和100被称为靶，尽管该型材可被某些人看作是在处理的各个阶段中的靶坯，而不是靶。
特别地，在加工处理中，往往将材料看作是“靶坯”而不是靶，直到该材料是可以放置在物理气相沉积设备上的形式，它才真正用作靶。因此，型材10和100可以被看作是靶坯，直到该型材被结合到背衬板上，并形成适合于放置在物理气相沉积设备中的最终构型。将型材结合到背衬板上之后该型材可立即形成理想的最终构型，或者理想的是，在将型材结合到背衬板上之后对其进行一些其它的机加工。尽管有时在靶和靶坯之间有具体的区别，但是在目前的行话中通常将靶和靶坯都称作术语“靶”。为了方便说明该公开内容和所附权利要求书，除非专门声明，术语“靶”应该理解为包括靶和靶坯。
图11和12是可用于本发明各方面的特定方法的流程图。首先参照图11，其描述了将钼靶结合到背衬板上以形成靶/背衬板结构的一个方面。特别地，钼靶的表面是用例如上面参照图3所述方法的粗加工而变粗糙的。然后，用合适的溶剂和/或去污剂清洁该粗糙表面。背衬板的最后要被结合到靶上的表面也可以用合适的溶剂和/或去污剂清洁。
随后，利用真空热压(例如上面参照图6所述的真空热压)将钼靶的该粗糙表面结合到铝背衬板上以形成靶/背衬板组件。
图12的处理以这样的步骤开始将一含钼的层结合到钨靶上。这可以使用例如参照图7所述的方法完成，其中利用真空热压将层结合到靶上。
随后，使含钼的层的表面变粗糙。这可以用例如参照图9所述的处理完成。
用合适的溶剂和/或去污剂清洁该粗糙表面。
随后，利用真空热压将该粗糙表面结合到铝背衬板上。这样可以形成类似于图10所述的组件，其中靶102是钨靶，层104是含钼的层，背衬板120是铝背衬板。
权利要求
1.一种物理气相沉积靶/背衬板组件，其包括一物理气相沉积靶；一背衬板；和在靶和背衬板之间的层，该层包括钼和钽中之一或二者都包括，该层与背衬板物理接触并结合到该背衬板上，并且该层与靶物理接触并结合到该靶上。
2.如权利要求1所述的组件，其特征在于，该层是纯度至少约为99.9％的钼。
3.如权利要求1所述的组件，其特征在于，该层是纯度至少约为99.9％的钽。
4.如权利要求1所述的组件，其特征在于，该背衬板是纯度至少约为99.9％的铝。
5.如权利要求1所述的组件，其特征在于，该背衬板主要由铝组成。
6.如权利要求1所述的组件，其特征在于，该靶包括热膨胀系数小于8的材料。
7.如权利要求1所述的组件，其特征在于，该靶包括硅化物。
8.如权利要求1所述的组件，其特征在于，该靶主要由金属硅化物组成。
9.如权利要求1所述的组件，其特征在于，该靶主要由硅化钨组成。
10.如权利要求1所述的组件，其特征在于，该靶主要由金属铝化物组成。
11.如权利要求1所述的组件，其特征在于，该靶主要由钨和铝组成。
12.如权利要求1所述的组件，其特征在于，该靶主要由钨和钛组成。
13.如权利要求1所述的组件，其特征在于，该背衬板主要由铝组成，该靶主要由钨组成，该层主要由钼组成。
14.如权利要求1所述的组件，其特征在于，该背衬板主要由铝组成，该靶主要由热膨胀系数小于8的材料组成，该层主要由钼组成。
15.如权利要求1所述的组件，其特征在于，该背衬板主要由铝组成，该靶主要由热膨胀系数小于8的材料组成，该层主要由钽组成。
16.一种组件，其包括包括至少约99.9％的铝的背衬板，包括至少约99.9％的钼的靶，在铝和钼之间具有至少为约6000镑/平方英寸的结合强度。
17.如权利要求16所述的组件，其特征在于，在铝和钼之间的结合强度至少为约7000镑/平方英寸。
18.如权利要求16所述的组件，其特征在于，在铝和钼之间的结合强度至少为约8000镑/平方英寸。
19.如权利要求16所述的组件，其特征在于，在铝和钼之间的结合强度至少为约9000镑/平方英寸。
20.如权利要求16所述的组件，其特征在于，在铝和钼之间的结合强度至少为约10000镑/平方英寸。
21.一种组件，其包括包括至少约99.9％的铝的背衬板，包括至少约99.9％的钨或钨的化合物的靶，在靶和背衬板之间的含钼的界面材料，在含铝的靶和含钼的界面材料之间的结合强度至少为约6000镑/平方英寸。
22.如权利要求21所述的组件，其特征在于，在含铝的靶和含钼的界面材料之间的结合强度至少为约7000镑/平方英寸。
23.如权利要求21所述的组件，其特征在于，在含铝的靶和含钼的界面材料之间的结合强度至少为约8000镑/平方英寸。
24.如权利要求21所述的组件，其特征在于，在含铝的靶和含钼的界面材料之间的结合强度至少为约9000镑/平方英寸。
25.如权利要求21所述的组件，其特征在于，在含铝的靶和含钼的界面材料之间的结合强度至少为约10000镑/平方英寸。
26.一种将含钨的材料结合到含铝的材料上的方法，其包括在含钨的材料和含铝的材料之间设置含钼的材料层；将含钼的材料结合到含钨的材料上；将含钼的材料结合到含铝的材料上。
27.如权利要求26所述的方法，其特征在于，含钼的材料层设置在含钨的材料上，并且被扩散结合到含钨的材料上以形成第一组件；和在形成第一组件之后，将含铝的材料扩散结合到含钼的材料上。
28.如权利要求26所述的方法，其特征在于，该含钼的材料是纯度至少约为99.9％的钼。
29.如权利要求26所述的方法，其特征在于，该含钨的材料是纯度至少约为99.9％的钨。
30.如权利要求26所述的方法，其特征在于，该含铝的材料是纯度至少约为99.9％的铝。
31.如权利要求26所述的方法，其特征在于，将含钼的材料结合到含铝的材料上包括在至少约4000psi的压力、至少约400℃的温度下将含钼的材料压靠在含铝的材料上至少约1小时。
32.如权利要求31所述的方法，还包括在压制过程中将含钼的材料和含铝的材料保持在至少约3×10-4托的真空下。
33.如权利要求31所述的方法，其特征在于，该压力约为4000psi到8000psi。
34.如权利要求31所述的方法，其特征在于，该温度约为400℃到600℃。
35.如权利要求31所述的方法，其特征在于，该持续时间小于约5小时。
36.如权利要求31所述的方法，其特征在于，该持续时间约为1-3小时。
全文摘要
本发明包括一种具有物理气相沉积靶(102)的组件(130)，其通过层(104)与背衬板(120)分开，该层主要由钼和钽中的一种或两种构成。本发明还包括一种组件，该组件包括一至少含铝99.9％的背衬板，该铝背衬板通过具有至少约6000镑/平方英寸(psi)的强度的结合被结合到至少含钼99.9％的靶上。此外，本发明包括一种将含钨的材料结合到含铝的材料上的方法。在含钨的材料(102)和含铝的材料(120)之间设有一层含钼的材料(104)，并且含钼的材料被结合到含钨的材料(102)和含铝的材料(120)上。
文档编号B23K20/02GK1520466SQ02812667
公开日2004年8月11日 申请日期2002年3月29日 优先权日2001年4月26日
发明者J·W·米斯纳, D·莫拉勒斯, J·A·凯勒, J W 米斯纳, 凯勒, 账 申请人:霍尼韦尔国际公司