专利名称：制造溅射靶的方法
技术领域：
本发明涉及一种制造溅射靶的方法以及所得到的溅射靶。靶材料的热膨胀系数与靶支撑件的热膨胀系数是相似的。
背景技术：
溅射靶，比如陶瓷溅射靶在现有技术中是通常熟知的。它们包括结合到靶支撑件上的靶材料。一种制造平板陶瓷溅射靶的优选方法是热等静压制(HIP)。基本上，靶制造过程包括三个步骤a)将陶瓷粉体热等静压制(对于特殊的粉体，优选的是冷等静压制(CIP))；b)将靶材料加工成可用于结合的形式；c)将靶材料结合到靶支撑件(垫板)上。
为了对陶瓷粉体进行热等静压制，将陶瓷粉体装入罐中，对装有粉体的罐真空除气以去除任何剩余的气体。接下来，将罐密封并放入HIP炉中。施加压力(一般在500-2000巴)并加热(温度一般在250-1500℃之间)。通过这种方式，得到致密的陶瓷材料。将罐材料去除后，可进一步对致密的陶瓷材料进行加工。接下来，用结合材料例如铟焊料将陶瓷材料(例如板状结构的陶瓷材料)结合到靶支撑件(例如板状物比如铜板)上。
这种方法适合用来制造平板陶瓷溅射靶，而对于旋转靶(包括管状的靶支撑件)，工艺变的相当复杂。
无论是对平板还是旋转溅射靶，高度希望能够将靶材料直接HIP到靶支撑件上，用这种方式可将靶一步制成(HIP和结合一步完成)。然而，这样做会在靶材料和靶支撑件之间的界面上产生所不能接受的高应力，因为致密的陶瓷靶材料和靶支撑件的热膨胀系数不同。这会导致靶材料和靶支撑件之间的粘结性差(称为脱离)，并且靶材料中将充满裂纹(开裂)。
对于靶支撑件和靶材料之间的热膨胀系数具有大差异的靶来讲，脱离和开裂是相当显著的。
当例如靶材料包括陶瓷材料，而靶支撑件由金属制成时，这种热膨胀系数的差异会很大。
发明简述本发明的目的是制造在靶材料和靶支撑件之间的界面上具有小的应力的溅射靶。
本发明的另一个目的是提供一种利用热等静压制将靶材料直接结合到靶支撑件上制造溅射靶的方法。
本发明的另一个目的是提供这样的溅射靶，其中在靶材料和靶支撑件的热膨胀系数之间可得到好的匹配。
依据本发明的第一个方面，提供一种制造溅射靶的方法。
该方法包括步骤
-提供具有某一热膨胀系数的靶支撑件；-提供具有某一热膨胀系数的靶材料。
靶材料中至少包括第一种和第二种化合物。这第一种化合物具有第一个热膨胀系数，而第二种化合物具有第二个热膨胀系数。
这第二个热膨胀系数比第一个热膨胀系数大，并且第二个热膨胀系数比靶支撑件的热膨胀系数大；-将所述靶材料结合到所述的靶支撑件上。
通过提高第二种化合物的含量，可以提高靶材料的热膨胀系数。依据本发明，对第一种和第二种化合物的含量比进行选择，以在靶材料的热膨胀系数和靶支撑件的热膨胀系数之间得到好的匹配。
优选的，靶材料和靶支撑件之间热膨胀系数的差异小于20％。更优选的，靶材料和靶支撑件之间热膨胀系数的差异小于10％，例如小于5％。
第一种化合物中优选的包括陶瓷材料，比如陶瓷粉体。适用的陶瓷粉体包括金属氧化物，比如锌的氧化物(例如ZnO)，铟的氧化物(例如In2O3)，铜的氧化物(比如Cu2O和CuO)，镓的氧化物(比如Ga2O3)，锡的氧化物(比如SnO或者SnO2)，钛的氧化物(比如TiO或者TiO2)，Al的氧化物(比如Al2O3)，铟锡氧化物，用锡合金化的铟氧化物以及这些氧化物中的一种或者多种的混和物。
第二种化合物包括陶瓷材料或者金属材料，比如陶瓷粉体或者金属粉体。优选的，第二种化合物包括金属材料。例如金属颗粒，诸如金属粉体颗粒。金属材料优选的包括锌，铟，铜，镓，锡，钛或者铝或者这些金属中的一种或者多种的混和物。
由于大多数金属具有大的热膨胀系数，通过提高靶材料中金属材料的量，可以增大靶材料的热膨胀系数。通过优化靶材料中金属材料的含量，可以得到靶材料和靶支撑件之间热膨胀系数的匹配。
进一步的，在靶材料中存在金属材料具有另外的优点在大多数情况下，在靶材料中存在金属材料能改善靶材料往靶支撑件上的结合。另外，在靶材料中存在金属材料可使得在相对较低的HIP温度(低于1000℃)下得到好的致密的固体靶结构。HIP温度的降低进一步可以降低发生脱离和开裂的危险。
在一个优选实施方案中，第一种化合物中包含陶瓷材料，第二种化合物中包含该陶瓷材料中的金属的金属材料。
例如，可以考虑在靶材料中包含陶瓷材料作第一种化合物，该陶瓷材料中的金属的金属粉体作第二种化合物。
下面给出一些典型的实例第一种化合物 第二种化合物实例1氧化锌锌实例2氧化铟铟实例3氧化铜铜实例4氧化镓镓实例5氧化锡锡实例6氧化钛钛实例7氧化铝铝实例8氧化铟锡 铟实例9锡合金化的氧化铟 铟靶材料可以以混合颗粒诸如第一种化合物的粉体颗粒和颗粒诸如第二种化合物的粉体颗粒提供。
所述颗粒的混和可以采用现有技术中所知的任何技术进行。混和所述颗粒的一种优选方法是机械合金化。
术语“机械合金化”指的是这样的工艺，其包括把不同的材料粉体与作为粉碎或者研磨介质的硬球或者杆的混和物装入到一个可密封容器中，通过翻滚或者机械搅拌装入料而对装入料进行研磨，直到这些组分达到超精细混和或者合金化状态。
将靶材料结合到靶支撑件上可以用现有技术中所知的任何技术实现。
例如，结合可以通过采用焊料比如铟焊料来实现。例如，可以将经HIP的靶材料用焊料诸如铟焊料结合到靶支撑件上。
依据本发明的这种方法尤其适合用来制造以一个工艺步骤直接把靶材料HIP到靶支撑件上去的靶。
如上所述，在HIP工艺过程中，溅射靶(靶材料和靶支撑件)暴露在高的温度(温度一般在250-1500℃之间)和压力(一般在500-2000巴之间)下。这会导致靶材料的脱离和开裂。本发明的方法由于靶材料的热膨胀系数和靶支撑件的热膨胀系数之间是匹配的，或者只有轻微的不同而避免了这些缺陷。
依据本发明的这种方法可以用来制造平板或者旋转靶。该方法尤其非常适合于制造旋转靶。
依据本发明的这种方法在制造陶瓷溅射靶中是非常有用的。陶瓷溅射靶表现出一些非常有吸引力的性能。在溅射过程中氧的引入有限，容易控制，靶材料的溅射行为稳定。
而用金属靶溅射陶瓷层要复杂的多，因为必须非常小心的控制氧流以得到好的层组分。如果氧流控制的不合适，靶会进入“中毒状态”，导致非常低的溅射速率和坏的涂层性能。
与纯的陶瓷溅射靶的溅射条件相比，往陶瓷溅射靶中加入一定量的金属不会改变稳定的溅射条件。而且，由于存在少量的金属材料，靶材料的导热性和导电性得到改善，可以提高溅射靶的功率密度。这会带来更高的溅射速率。
对于依据本发明的溅射靶，优选的，为了避免靶材料的行为变成金属溅射靶，金属材料的含量不能太高(该含量由陶瓷材料决定)。
进一步的，由于在陶瓷靶材料中存在金属材料，在溅射靶的操作和使用过程中，由于在溅射过程中受热而在靶材料中产生裂纹的危险降低。
对于长管状的溅射靶，尤其是悬臂式的那些，由于弯曲产生应力，这些应力会导致裂纹。
依据本发明的这种方法，由于靶材料的柔韧性提高了，可以用来制造长管状的溅射靶和悬臂式的溅射靶。
依据本发明的第二个方面，提供由上述方法制得的溅射靶。
所述溅射靶包括靶材料结合在靶支撑件上；靶材料和靶支撑件之间热膨胀系数的差异小于20％，更优选的，小于10％，例如小于5％。
所述溅射靶可以包括平板靶或者旋转靶。
依据本发明的另一方面，涉及靶在溅射工艺中的使用。
本发明的优选实施方案依据本发明的溅射靶的第一个实施例包含氧化铟锡(IT0)溅射靶。
按如下制造该溅射靶首先，将包括一个垫管(靶支撑件)和一个外罐壳的罐体(outer-can)用ISOT(三氧化二铟锡)粉体装满。ISOT粉体可以用球磨机将In2O3和Sn的颗粒机械合金化合成。在真空脱气后，将罐密封，放入HIP炉中。通过施加压力(一般在500-2000巴之间，例如1000巴)并加热(温度一般在250-1500℃，例如1000℃)将ISOT粉体致密化。经致密化的ISOT粉体的热膨胀系数大约为6μm/mK，大大低于大多数金属靶支撑件的热膨胀系数。由于这种热膨胀系数的差异，在HIP操作的冷却周期中会形成裂纹，在将外罐壳去除后，得到的靶材料充满裂纹，与靶支撑件之间的粘附性差，这样得到的溅射靶对溅射应用没一点用处。
通过适当地将ISOT粉体和铟颗粒混和，表现出高的热膨胀系数(33μm/mK)，在HIP之后，经致密化的ISOT/In粉体的热膨胀系数可以与靶支撑件的相匹配。这样就可以限制在经致密化的ISOT材料和靶支撑件之间界面上产生的应力。结果得到了不含裂纹的致密ISOT结构。
在表1中给出了不同靶材料的组分。改变ISOT和铟颗粒的含量以与不同的靶支撑件相匹配。
用锡合金化的氧化铟锡(ISOT)的含量和铟的含量用体积百分比表示。靶材料的热膨胀系数在第3列中给出。
表1
从表1中可以看出，随着铟含量的提高，热膨胀系数提高。往ISOT粉体中加入10％的铟可在靶材料和钛靶支撑件之间得到好的匹配。加入30％的铟，优选的靶支撑件包括Ni80Cr20合金；而加入40％的铟，优选的靶支撑件包括不锈钢SS AISI 304。
本领域技术人员必须清楚，同样的原则可以用在用铟混和的纯的陶瓷ITO粉体上。
依据本发明的溅射靶的第二个实施例包括ZnO旋转靶。ZnO表现出非常小的热膨胀系数(3μm/mK)。类似于第一个实施例，不可能直接用HIP把ZnO结合到金属靶支撑件(垫管)上。然而，通过将ZnO与具有大热膨胀系数的金属混和，从热膨胀系数考虑，就可以使靶材料与普通的靶支撑件相匹配。
适用的金属包括Zn。Zn表现出的热膨胀系数为30μm/mK。
相同的原则可以用来制造杂质掺杂的ZnO旋转靶，比如ZnO∶Al或者ZnO∶Ga。通过将ZnO∶Al或者ZnO∶Ga与适当数量的Zn金属颗粒相混和，可以在靶材料和靶支撑件的热膨胀系数之间得到好的匹配。
通过施加压力(一般在500-2000巴之间)并加热(温度一般在250-1500℃)，将粉体致密化成致密结构。如果已经得到了与靶支撑件的好的匹配，就可以得到往靶支撑件上的好的结合，而在靶材料中没有裂纹。
上述实施例描述了如何用可以用来溅射透明导电氧化物层的材料制造旋转靶。这些靶表现出稳定的溅射行为，如同靶材料由纯的陶瓷材料制成时那样而不会发生中毒。
权利要求
1.一种制造溅射靶的方法，所述方法包括步骤-提供具有某一热膨胀系数的靶支撑件；-提供具有某一热膨胀系数的靶材料；靶材料中至少包括第一种和第二种化合物。这第一种化合物具有第一个热膨胀系数，而第二种化合物具有第二个热膨胀系数。这第二个热膨胀系数比第一个热膨胀系数大，并且第二个热膨胀系数比靶支撑件的热膨胀系数大；-将所述靶材料结合到所述的靶支撑件上。
2.依据权利要求1中的方法，其中将所述的靶材料结合到所述靶支撑件上是通过把所述的靶材料直接热等静压制(HIP)到所述的靶支撑件上而得到的。
3.依据权利要求1或2中的方法，其中所述靶材料和所述靶支撑件的热膨胀系数之间的差异小于10％。
4.依据前述任意权利要求中的方法，其中所述的第一种化合物包括陶瓷材料。
5.依据权利要求4中的方法，其中所述的陶瓷材料包括陶瓷粉体。
6.依据权利要求5中的方法，其中所述的陶瓷粉体包括选自锌的氧化物，铟的氧化物，铜的氧化物，镓的氧化物，锡的氧化物，钛的氧化物，Al的氧化物，铟锡氧化物，用锡合金化的铟氧化物以及这些氧化物中的一种或者多种的混和物中的金属氧化物。
7.依据前述任意权利要求中的方法，其中所述的第二种化合物包括陶瓷材料或者金属材料。
8.依据权利要求7中的方法，其中所述的陶瓷材料包括陶瓷粉体。
9.依据权利要求7中的方法，其中所述的金属材料包括金属颗粒，比如金属粉体颗粒。
10.依据权利要求7或9中的方法，其中所述的金属材料包括选自锌，铟，铜，镓，锡，钛或者铝或者这些金属中的一种或者多种的混和物中的金属。
11.依据权利要求4中的方法，其中所述的第二种化合物中包括所述的第一种化合物中的陶瓷材料中的金属的金属材料。
12.依据前述任意权利要求中的方法，其中所述的靶材料由将所述的第一种化合物的颗粒和所述的第二种化合物的颗粒混和提供。
13.依据权利要求12中的方法，其中所述的混和包括机械合金化。
14.依据前述任意权利要求中的方法，其中所述的溅射靶包括平板靶。
15.依据前述任意权利要求中的方法，其中所述的溅射靶包括旋转靶。
16.包括将靶材料结合到靶支撑件上的溅射靶，所述靶由依据权利要求1-15任意之一中的方法得到。
17.依据权利要求16中的溅射靶，其中，所述靶材料和所述靶支撑件的热膨胀系数之间的差异小于10％。
18.依据权利要求16或17中的溅射靶，其中所述溅射靶包括平板靶。
19.依据权利要求16或17中的溅射靶，其中所述溅射靶包括旋转靶。
20.依据权利要求16-19任意之一中的溅射靶在溅射工艺中的应用。
全文摘要
本发明涉及一种制造溅射靶的方法。该方法包括步骤－提供具有某一热膨胀系数的靶支撑件；－提供具有某一热膨胀系数的靶材料。这种靶材料至少包括第一种和第二种化合物。这第一种化合物具有第一个热膨胀系数，而第二种化合物具有第二个热膨胀系数。这第二个热膨胀系数比第一个热膨胀系数大，且第二个热膨胀系数比靶支撑件的热膨胀系数大；－将靶材料结合到靶支撑件上。本发明进一步涉及所得到的溅射靶。
文档编号C23C14/34GK1742111SQ03825999
公开日2006年3月1日 申请日期2003年2月20日 优先权日2003年2月20日
发明者R·维米尔什, J·特林德罗 申请人:贝克特股份有限公司