具有受控焊锡厚度的溅射靶组件

摘要

本发明涉及一种形成具有受控焊锡厚度的溅射靶组件的方法和设备。特别是，本发明包括在靶托(16)与溅射靶(10)之间引入结合箔片(20)，其中所述结合箔片(20)是易点燃的异质成层结构以便于放热反应的传播。

权利要求

1.一种形成溅射靶组件的方法，所述方法包括的步骤有：

提供具有顶表面的靶托，并且用焊锡层对所述顶表面进行预润湿；

提供具有底表面的在整个材料范围内具有大体上均匀的导磁率的铁磁性溅射靶，并且用焊锡层对所述底表面进行预润湿；

在所述靶托与所述铁磁性溅射靶之间引入结合箔片，其中所述结合箔片是易点燃的异质成层结构以便于放热反应的传播；

将所述靶托与所述铁磁性溅射靶压制在一起并点燃位于其间的所述结合箔片从而在不会在形成具有大体上对称的漏磁通量的所述溅射靶组件的过程中影响所述铁磁性溅射靶的显微结构或平度的情况下使位于所述靶托上的所述焊锡层与位于所述铁磁性溅射靶上的所述焊锡层熔化并结合在一起。

2.根据权利要求1所述的形成溅射靶组件的方法，所述方法进一步包括：在进行压制之前使压制装置中的所述靶与所述靶托对准且随后施加至少50,000lbs的载荷。

3.根据权利要求1所述的形成溅射靶组件的方法，其中所述靶托和所述溅射靶由不同材料制成。

4.根据权利要求1所述的形成溅射靶组件的方法，其中所述焊锡层是共晶焊锡，所述共晶焊锡包括重量百分比为63％的锡且余量为铅。

5.根据权利要求1所述的形成溅射靶组件的方法，进一步包括将来自直流电源的负极引线连接至所述靶托且将来自直流电源的正极引线连接至所述结合箔片以便点燃所述箔片并使所述放热反应开始进行。

6.根据权利要求1所述的形成溅射靶组件的方法，其中所述结合箔片的厚度在约

0.002英寸至约0.003英寸的范围内。

7.根据权利要求1所述的形成溅射靶组件的方法，其中所述结合箔片选自硅化物、铝化物、硼化物、碳化物、铝热剂反应化合物、合金、金属玻璃和复合物。

8.根据权利要求1所述的形成溅射靶组件的方法，其中所述焊锡材料选自铟-锡、锡-铅或锡-银-铜。

9.根据权利要求1所述的形成溅射靶组件的方法，其中所述溅射靶是大体上呈圆盘形状的高纯铁磁性镍、镍合金、钴或钴合金靶。

10.根据权利要求1所述的形成溅射靶组件的方法，其中所述溅射靶上的磁通量是对称分布的磁通量。

11.一种溅射靶组件，所述溅射靶组件包括：

具有用焊锡层预润湿底表面的在整个材料范围内具有大体上均匀的导磁率的铁磁性溅射靶、具有用焊锡层预润湿顶表面的靶托和被设置在所述靶托与所述溅射靶之间的结合箔片，其中所述结合箔片是易点燃的异质成层结构以便于放热反应的传播，从而使得在不会在形成具有大体上对称的漏磁通量的所述溅射靶组件的过程中影响所述溅射靶的显微结构或平度的情况下通过使位于所述靶托上的所述焊锡层与位于所述铁磁性溅射靶上的所述焊锡层熔化并结合在一起将所述溅射靶结合到所述靶托上。

12.根据权利要求11所述的溅射靶组件，进一步包括被设置在所述靶托与所述结合箔片之间的第一焊锡结合层和被设置在所述靶与所述结合箔片之间的第二焊锡结合层。

13.根据权利要求11所述的溅射靶组件，其中所述结合箔片选自硅化物、铝化物、硼化物、碳化物、铝热剂反应化合物、合金、金属玻璃和复合物。

14.根据权利要求11所述的溅射靶组件，其中所述溅射靶是大体上呈圆盘形状的高纯铁磁性镍、镍合金、钴或钴合金靶。

15.根据权利要求11所述的溅射靶组件，其中所述溅射靶上的磁通量是对称分布的磁通量。

说明书

具有受控焊锡厚度的溅射靶组件

技术领域

[0001] 本发明涉及溅射靶领域。特别是，本发明涉及使用结合箔片将靶托附接到溅射靶上面从而形成在薄膜物理气相沉积工艺中所使用的溅射靶组件的方法。

背景技术

[0002] 阴极溅射法是一种得到广泛采用的将材料薄层沉积到基板上面的手段。通常来说，该工艺要求对靶进行气体离子轰击，所述靶具有由将要作为薄膜或层被沉积在基板上的所需材料制成的面。对靶进行的离子轰击不仅会导致靶材中的原子或分子被溅射出来，而且为该靶提供了相当大的热能。通过使用冷却流体而使该热量被消散，所述冷却流体通常在靶托下面或周围循环流动，所述靶托被定位而与该靶形成热交换关系。

[0003] 该靶形成了阴极组件的一部分，所述阴极组件与阳极一起被置于真空室中，所述真空室包含惰性气体，所述惰性气体优选为氩。高压电场被施加在阴极和阳极上。惰性气体通过与从阴极喷射出的电子相撞而被离子化。带正电的气体离子被吸引到阴极，且在与靶表面相撞时除去靶材。被去除的靶材横穿过该真空封闭装置且作为薄膜而沉积在所需基板上，所述基板通常位于阳极附近。

[0004] 在常规的靶阴极组件中，靶被附接到非磁性靶托上。靶托在溅射室中保持着溅射靶且还为该溅射靶提供了结构性支承。靶托通常受到水冷处理以便带走由于靶的离子轰击而产生的热量。磁体通常以众所周知的布置方式被布置在靶托下面从而形成上述磁场，所述磁场以围绕靶的暴露面延伸的环路或隧道的形式存在。

[0005] 为了在靶与靶托之间实现良好的热接触和电接触，这些构件通常通过使用锡焊、钎焊、扩散结合、夹持、环氧结合剂或通过互锁环形构件而彼此附接在一起。所选择的技术取决于联接材料的特性且取决于靶组件的所需性质和特性。

[0006] 锡焊技术通常被用来联接铁磁性溅射靶，所述铁磁性溅射靶例如为纯镍(Ni)和Ni基合金，如NiFe和NiFeCo；纯铁(Fe)和铁基合金，如FeTa、FeCo和FeNi；纯钴(Co)和钴基合金，如CoCr和CoCrPt。靶通常借助于焊锡被结合到靶托上，所述焊锡可具有约140℃至220℃的熔点，所述焊锡例如为铟-锡、锡-铅、或锡-银-铜。这种将靶和靶托加热到这样的温度从而使焊锡熔化的方式的问题在于：这可能会影响靶的显微结构。进一步地，由于这两个部件之间存在较大的热膨胀性质差别，因此可能出现部件的翘曲和有差异的部件收缩。

[0007] Vascak等(美国专利No.5,230,462)披露了通过锡焊结合而将溅射靶结合到靶托上从而随后用于溅射作业中的相关内容。用焊锡在靶托和靶的面对侧部上进行润湿，将靶托和靶浸没在焊锡浴中且随后对被润湿的部件进行压制而使其相接触。

[0008] Koenigsmann等(美国专利No.6,708,870B2)披露了将固态结合方式和利用围绕冷却板或靶托的周部设置的填料金属而将靶插入件紧固到靶托上的方式相结合的内容。

[0009] Ohhashi等(美国专利No.5,693,203)披露了利用固态结合从而使得不必提供扩散结合通常所需的高压和高温的内容。该专利描述了对靶托与溅射靶之间的金属箔片进行压制从而形成固态结合的内容。

[0010] 本发明提供了优于相关技术的多个优点。特别是，本发明提供了一种焊锡结合技术，所述焊锡结合技术包括将结合箔片施加在靶与靶托之间并且点燃所述结合箔片从而产生足以使被施加到靶和靶托上的焊锡熔化的能量。可以观察到：组件受到了最小程度的加热且该工艺使得可对焊锡层厚度进行精细控制。

[0011] 本发明的另一目的是提供一种具有均匀靶材厚度和对称的漏磁通量的靶组件。

[0012] 通过阅读说明书、附图和所附权利要求书，本领域的技术人员将易于理解本发明的其它目的和方面。

发明内容

[0013] 根据本发明的一个方面，提供了一种形成溅射靶组件的方法。所述方法包括的步骤有：提供具有顶表面的靶托，并且用焊锡层对所述顶表面进行预润湿；提供具有底表面的溅射靶，并且用焊锡层对所述底表面进行预润湿；在所述靶托与所述溅射靶之间引入结合箔片，其中所述结合箔片是易点燃的异质成层结构以便于放热反应的传播；将所述靶托与所述溅射靶压制在一起并点燃位于其间的所述结合箔片从而使得在不会在形成所述溅射靶组件的过程中影响所述溅射靶的显微结构或平度的情况下使位于所述靶托上的所述焊锡层与位于所述溅射靶上的所述焊锡层熔化并结合在一起。

[0014] 根据本发明的另一方面，提供了溅射靶、靶托和被设置在所述靶托与所述溅射靶之间的结合箔片。所述结合箔片是易点燃的异质成层结构以便于放热反应的传播，从而使得在不会在形成所述溅射靶组件的过程中影响所述溅射靶的显微结构或平度的情况下将所述溅射靶结合到所述靶托上。

附图说明

[0015] 通过下面对本发明的典型实施例进行的详细描述并结合附图将易于理解本发明的目的和优点，在所述附图中使用相似的附图标记表示相似的功能部件且其中：

[0016] 图1是压制装置及其中的靶组件部件的示意性剖视图；

[0017] 图2是压制压板的示意图，所述压制压板被置于一起且对位于其间的溅射靶组件施加压力；

[0018] 图3是采用本发明的工艺制成的最终溅射靶组件的示意图；

[0019] 图4A以曲线图的方式示出了与相关技术相比，对于根据本发明制成的Ni 300mm靶组件而言的焊锡层厚度和范围，而图4B以曲线图的方式示出了所述焊锡层厚度的标准偏差；和

[0020] 图5A示出了相关技术的靶组件中的不对称漏磁通量；而图5B示出了根据本发明的靶组件的对称漏磁通量。

具体实施方式

[0021] 本发明提供了一种呈平面的一件式铁磁性溅射靶和组件。该铁磁性溅射靶和组件是采用新颖的锡焊工艺制成的，其中结合箔片(也被称作反应性箔片)被引入到该溅射靶与靶托之间。根据本发明的原理，铁磁性材料被成形为实心的整体式溅射靶构型，如在整个材料范围内具有均匀导磁率的板。本发明所预想到的铁磁性材料例如包括纯镍(Ni)和Ni基合金，如NiFe和NiFeCo；纯铁(Fe)和铁基合金，如FeTa、FeCo和FeNi；纯钴(Co)和钴基合金，如CoCr和CoCrPt；以及其它二元、三元和更多元的包括Ni、Fe、Co以及具有大于1.0的内禀导磁率的其它元素的元素合金。

[0022] 参见图1，溅射靶10是大体上呈圆盘形状的高纯铁磁性溅射靶。该铁磁性溅射靶具有重量百分比为至少约99.99％的纯度。对于本说明书而言，所有浓度都以重量百分比进行表示。溅射靶有利地具有重量百分比为至少99.995％的纯度且更有利地具有重量百分比为至少约99.999％的纯度。尽管如图所示的溅射靶10是盘形的，但本领域的技术人员应该理解：也可使用其它靶形状如椭圆形、方形或矩形。

[0023] 靶10可由坯料工件制成，对所述坯料工件进行了锻造和热加工或冷加工或低温成形。热加工会降低工件中的残余应力，但通常会导致产生比冷加工或低温成形更高的导磁率。溅射表面12通常保持平面状以便于从其中连续地去除材料并且便于将均匀的层置于基板上。用焊锡层14对靶的底表面(或非溅射表面)进行预润湿以便有利于与靶托16相匹配。

[0024] 靶托所使用的金属可以是任意种金属且包括铝(Al)、钛(Ti)、铜(Cu)及其合金。靶托优选由铜合金制成。靶托16包括顶表面，所述顶表面用来与溅射靶10相匹配。与靶的底表面相似地，同样用焊锡层18对靶托的顶表面进行了预润湿。这些焊锡材料可选自常规的铟-锡、锡-铅、锡-银-铜或其它锡基合金。

[0025] 在将各个部件压制在一起之前，结合箔片或反应性箔片20被引入到溅射靶10与靶托16之间。结合箔片是易点燃的异质成层结构。可用于制造结合箔片20的其中一些典型材料选自硅化物、铝化物、硼化物、碳化物、铝热剂反应化合物、合金、金属玻璃和复合物。在Barbee，Jr.等和Weihs等(分别在美国专利Nos.5,538,795和6,863,992)中描述了这些类型的结合箔片，且所述专利的整体内容在此作为参考被引用。

[0026] 压制装置26的压板22和24被设置而在将溅射靶10与靶托16及其间电结合箔片20组合在一起的过程中承载大体上均匀的压力。结合箔片借助于直流电源(未示出)而被点燃，从而形成放热反应。在反应过程中产生的热量使焊锡层14和18熔化，但不会渗入溅射靶10或靶托16内。深度优选为约0.005英寸或更小，从而导致所施加的焊锡层熔化并同时结合在一起，而不会导致在溅射靶10或靶托16的结晶或冶金结构中出现弯翘或扰动。结果是，溅射靶保持了其平度以及其冶金完整性。

[0027] 在本发明的另一典型实施例中，且继续参见图1，要被结合的部件被置于压制装置26中，所述压制装置例如为以液压、螺旋、手动或计算机控制方式运转的压制装置，只要其可产生至少约50,000lbs的载荷即可。对准夹具28包含精度间隔件30，所述精度间隔件被置于对准销32上，以便使靶托16和溅射靶10位于中心并使它们对齐。分别用焊锡层(14、
18)在靶托和溅射靶上进行润湿，而使焊锡层达到处在约0.005英寸至0.010英寸范围内的厚度。铝隔板34如铝合金6061被置于氯丁橡胶板材36上以便将载荷均匀地分布在靶托上。施加了至少约50,000lbs的载荷以便将部件置于一起，如图2所示。

[0028] 直流电连接装置可被附接到压制装置上。特别是，来自直流电源(未示出)的负极引线可被附接到靶托16上且正极引线被附接到结合箔片20上。如图2所示，在使借助于压板22和24施加的压力稳定时，结合箔片20被点燃，从而导致产生上述放热反应。结合箔片使焊锡层14和18熔化达到约0.005英寸的深度，从而因此通过将溅射靶附接到靶托上而形成溅射靶组件。在进行了结合之后，从压制装置中去除经过了整合的靶组件，如图3所示。

[0029] 可对经过结合和机加工的溅射靶组件进行超声波检查以便确定在结合件中是否存在任何缺陷。可进行超声测量和机械测量以便确认完成的靶组件构型的尺寸。

[0030] 下面将结合以下实例对本发明的对溅射靶组件进行进一步详细地描述，然而，所述实例不应被视作对本发明的限制。

[0031] 实例

[0032] 用喷水切割方式从具有0.375英寸的厚度的热轧镍板上切下具有重量百分比为99.995％的纯度的九个镍坯件从而获得17.75英寸的坯件直径。具有21.0英寸的直径和
0.750英寸的厚度的九个海军黄铜或铜铬坯件被用作靶托。所有坯件都在两面进行了机加工以便获得平行的表面。

[0033] 镍坯件中的六个坯件随后在没有结合箔片的情况下通过共晶焊锡被结合到铜铬靶托上，所述共晶焊锡包括重量百分比为63％的锡和重量百分比为37％的铅。镍坯件中的三个镍坯件和海军黄铜坯件中的三个海军黄铜坯件都用相同的焊锡进行了预润湿。通过机加工去除过多的焊锡从而在镍坯件和海军黄铜坯件上都获得了0.005英寸至0.010英寸的焊锡厚度。

[0034] 对于后面的三个镍靶坯件和海军黄铜坯件，使用上述对准夹具将具有0.003英寸厚度的结合箔片置于镍坯件与海军黄铜坯件之间。具有17.75英寸的直径的0.750英寸厚的铝6061隔板被置于具有相同直径的氯丁橡胶板上。来自直流电源的负极引线被附接到靶托上且正极引线被连接至结合箔片。施加约107,000lbs的载荷以便将这些部件置于一起。在使压力稳定时，点燃该结合箔片，这导致出现上述放热反应且使焊锡层熔化，因此将镍坯件附接到黄铜靶托上。

[0035] 随后对结合的溅射靶组件进行超声波检查，且获得了大于99％的结合覆盖率。在进行了机加工之后，进行超声波厚度测量以便在33个位置处确定镍和焊锡的厚度；结果被列于下表中。

[0036] 表

[0037]范围 焊锡厚度
工艺 标准偏差
(英寸) (英寸)
对比实例1 0.006 0.017 0.018
对比实例2 0.003 0.016 0.016
对比实例3 0.003 0.014 0.023
对比实例4 0.003 0.012 0.022
对比实例5 0.009 0.014 0.021
对比实例6 0.004 0.013 0.016
实例1(本发明) 0.002 0.006 0.015
实例2(本发明) 0.002 0.007 0.013
实例3(本发明) 0.001 0.005 0.014

[0038] 对于上表中的每个溅射靶组件而言，通过在靶上进行33次厚度测量并计算标称厚度(即平均厚度)而确定焊锡层厚度。如图4A-图4B和上表所示，焊锡层厚度可产生达100％的标称厚度的变化。对于常规的靶而言，平均焊锡层厚度为0.019英寸，且平均范围为0.014英寸。另一方面，在本发明中，平均厚度为0.014英寸且平均范围为0.006英寸。
这表明对焊锡层厚度的控制程度提高了57％。

[0039] 使用铁磁性靶的溅射靶组件的漏磁通量(MLF)易于受到厚度变化的影响，所述漏磁通量也被称作磁通通量(PTF)。这些变化可能是由于焊锡厚度或溅射靶本身造成的。已经发现，通过本文所述的工艺制成的靶组件导致产生了大体上对称的漏磁通量。因此，该靶组件能够将具有均匀性质的膜沉积到基板上。

[0040] 为了预测靶组件性能，实施了无损性漏磁通量测量。该测量是使用试验夹具台实施的，所述试验夹具台具有位于受测试的溅射靶组件的平面表面附近的被永久保持的马蹄形磁体。霍尔探针被引入以便测量穿透该靶并从该靶后面进入的磁场。如图5A-图5B所示，漏磁通量图表现为一系列具有各种颜色的同心环。特别地，如图5A所示，常规的溅射靶组件具有不对称的漏磁通量，该漏磁通量的范围为100高斯(从36高斯至136高斯)。图5B示出了对称漏磁通量图，该图呈现出同心图案且范围仅为62高斯(从42高斯至104高斯)。具有如图5B所示的这种漏磁通量图的靶组件能够将具有均匀性质的膜沉积到基板上。在接近靶边缘处的颜色的变化程度表明该磁场产生了与边缘效应相关的更高的漏磁通量。

[0041] 尽管已经结合一些优选实施例对本发明作出了详细描述，但本领域的技术人员应该认识到：在权利要求书的精神和范围内还存在本发明的其它实施例。