靶/靶座结构和形成靶/靶座结构的方法转让专利
申请号 : CN200480016030.6
文献号 : CN1802450B
文献日 : 2010-11-03
发明人 : 易鹜文 , R·拉斯托吉 , 金在衍 , B·M·克拉克 , S·D·斯特罗特尔斯 , M·R·平特 , J·K·卡多库斯
申请人 : 霍尼韦尔国际公司
摘要 :
本发明包括靶/靶座结构和形成靶/靶座结构的方法。所述靶和靶座可以通过适当的夹层互相结合。所述靶可以含有铝、铜、钽和钛中的一种或多种。所述夹层可以含有银、铜、镍、锡、钛和铟中的一种或多种。本发明的靶/靶座结构可具有至少20ksi的结合强度，并且靶内平均晶粒尺寸小于80微米。
权利要求 :
1.一种靶/靶座结构，包括：含铜靶；
靶座，含有铜、铬、镍和硅每种至少0.1wt％；
靶内的平均晶粒尺寸小于80微米；和靶和靶座之间的结合强度至少为20ksi。
2.权利要求1的结构，进一步在靶和靶座之间包含夹层，所述夹层含有与靶和靶座都不同的组合物。
3.权利要求2的结构，其中所述夹层含有银、铜、镍、锡和铟中的一种或多种。
4.权利要求2的结构，其中所述夹层由银、铜、镍、锡和铟中的一种或多种组成。
5.权利要求1的结构，其中所述靶座由铜、铬、镍和硅组成，并包含：
2wt％-3wt％的镍；
0.4wt％-0.8wt％的硅；和
0.1wt％-0.8wt％的铬。
6.权利要求1的结构，进一步在靶和靶座之间包含夹层，所述夹层含有在靶和靶座组合物中的任意一种之中可溶的或在两者之中都可溶的材料。
说明书 :
技术领域
本发明涉及靶/靶座(backing plate)结构，还涉及形成靶/靶座结构的方法。
背景技术
物理蒸汽沉积(PVD)经常用于物质的沉积。例如，半导体加工经常使用PVD在半导体基质上沉积金属和/或其它物质。
典型的PVD操作使用含有所要求的物质的靶。在适当设备的腔室内提供靶。靶通常结合到靶座上，靶座用于保持靶在设备内处于要求的取向。在腔室内在与靶相间隔的位置提供基质。然后靶的所要求的物质从靶溅射或者移出从而所要求的物质沉积到基质上。
在将靶结合到靶座上时可能遇到各种困难。例如，如果用于将靶结合到靶座上的温度过高，靶内的晶粒尺寸可能过度生长。通常，对于PVD工艺，具有小晶粒尺寸的靶要好于含有大晶粒尺寸的靶。在将靶结合到靶座上时可能发生的另一个问题是如果靶/靶座的结合不是足够牢固，在与PVD工艺相关的重复热应力作用下，所述结合可能被破坏。对于所谓的离子化PVD(I-PVD)工艺希望特别牢固的结合。I-PVD应用中通常使用的高功率导致高气体温度(离子化气体的稀释，溅射金属的热能化)，这从而可导致靶的温度升高。可期望靶/靶座组合在靶和靶座之间的结合强度至少为约20000磅每平方英寸(即20ksi)，以便经受得起与I-PVD工艺的高功率水平相关的应力。
希望发展靶/靶座组合，其不但在靶内具有所要求的小晶粒尺寸而且还具有所期望的高结合强度。
发明简述
一方面，本发明包括靶/靶座结构。该结构包括含铜的平均晶粒尺寸小于80微米的靶。该结构的靶到靶座的结合强度至少为约20ksi。
一方面，本发明包括靶/靶座结构。该结构包括含铜靶、靶座和位于靶和靶座之间的夹层。靶座含有铜、铬、镍和硅每种至少为约0.1wt％.在特定的方面，靶座基本由铜、铬、镍和硅组成，镍存在的量为约2wt％-约3wt％；硅存在的量为约0.4wt％-约0.8wt％；和铬存在的量为约0.1wt％-约0.8wt％。夹层可含有银、铜、镍、锡和铟中的一种或多种。在特定的方面，从靶到靶座通过夹层的结合强度至少为约20ksi，同时靶内的平均晶粒尺寸小于80微米并且在一些方面小于或等于约45微米。
一方面，本发明包括靶/靶座结构，该结构包括主要含(换句话说，含有超过50wt％)铝的靶、靶座和在靶和靶座之间主要含镍或钛的夹层。
一方面，本发明包括形成靶/靶座结构的方法。提供靶。该靶含有第一组合物并具有第一结合表面。提供靶座。该靶座含有不同于第一组合物的第二组合物并具有第二结合表面。在第一和第二结合表面的其中一个之上或两个之上形成夹层组合物。该夹层组合物主要含有可溶于第一和第二组合物的一个或两者之中的物质。靶通过夹层组合物结合到靶座上。
附图简述
图1为本发明示例性靶/靶座结构的截面图。
图2为图1结构的俯视图，图1的横截面沿图2的线1-1延伸。
优选实施方案详述
本发明的一个方面涉及使用含铜、铬、镍和硅的合金或其它组合物作为靶座材料(即CuCrNiSi材料)。一种示范性的材料可包含约2％·约3％的镍，约0.4％-约0.8％的硅，约0.1％-约0.8％的铬和余量铜(所列百分数为重量百分数)。此种材料的抗拉强度为约700Mpa，屈服强度为约630Mpa，硬度大于158HB，平均热膨胀系数为约17.3μm/m.C，和在20℃的电导率为约40％IACS。此种靶座材料可被称为C18000。该靶座材料可以与高纯度铜靶一起使用，例如铜纯度大于99.9wt％(即3N)的靶，并且在特定应用中为含有大于99.995％(即4N5)铜，例如含有大于或等于99.9999％(即6N)铜的靶。
在过去，铜靶通常结合到CuCr靶座(该靶座通常含有约0.6wt％-约1.2wt％的铬，该组成的余量为铜)上。CuCrNiSi靶座结构相对于以前使用的CuCr结构的一个优点可以是CuCrNiSi对于特定的应用可具有更加适合的电导率，另外一个优点是CuCrNiSi对于特定的应用可具有更加适合的强度。具体而言，CuCrNiSi与CuCr相比可具有更高的强度和更低的电导率。
使用CuCrNiSi的困难发生在尝试将高纯度铜靶结合到靶座上时。具体而言，不使用使铜靶内的晶粒尺寸生长到不可接受尺寸(典型的不可接受尺寸是晶粒尺寸大于或等于80微米)的条件，就难以获得20ksi或更大的结合强度。
根据本发明的一个方面，在高纯度铜靶和CuCrNiSi靶座之间提供了夹层。该夹层可含有下列物质，基本由下列物质组成，或由下列物质组成，例如银、铜、镍、锡和铟中的一种或多种。优选此类材料作中间层是因为在该材料与靶座和靶之间可存在好的扩散。
提供包含第一组合物的靶和提供包含不同于第一组合物的第二组合物的靶座。所述靶具有结合表面(其可被称为第一结合表面)，所述靶座具有结合表面(其可被称为第二结合表面)。在靶的结合表面和/或靶座的结合表面上提供夹层组合物，接着使靶和靶座经受致使靶和靶座通过夹层组合物结合的条件。可优选在其中所述靶座包含CuCrNiSi的应用中至少在靶座结合表面形成夹层组合物，因为靶座可具有干扰结合的氧化物表面，除非该氧化物表面在结合之前被破坏。在该表面上提供夹层组合物可以破坏该氧化物表面。通过CuCrNiSi中硅的氧化可产生氧化物。不管形成氧化物的原因，可选择的，或者除了在靶座上形成夹层组合物以外，可以通过化学处理破坏氧化物。一种示范性的化学处理是单独用氢氟酸或用氢氟酸和硝酸的混合物处理靶座的结合表面，以从表面除去氧化物。此种处理也可以从结合表面除去硅，这在特定的应用中是所希望的。一种示范性的处理工艺可包括如下的七个步骤：
1)将靶座的结合表面暴露于碱性溶液(合适的碱性溶液是由MetexT-103TM形成的氢氧化钠溶液)；
2)用去离子水冲洗该结合表面；
3)用含有硝酸和氢氟酸的溶液(例如含有约43％硝酸和约4.9氢氟酸(v/v)的溶液)处理该结合表面；
4)用去离子水冲洗该结合表面；
5)用含有硫酸的溶液(例如含有约2.8％硫酸(v/v)的溶液)处理该结合表面；
6)用去离子水冲洗该结合表面；和
7)使用高压空气干燥靶座然后迅速放入真空环境以避免表面氧化。
在典型的应用中，用氢氧化物的处理(步骤1)可以进行约30秒，用氢氟酸/硝酸混合物的处理(步骤3)可以进行约10秒，用硫酸的处理(步骤5)可以进行约30秒。
上述化学处理可以与本文描述的夹层组合物一起使用或者不一起使用，但通常与也使用夹层组合物的应用一起用作预处理。相似地，夹层组合物可以与本文描述的化学处理一起使用或者不一起使用。
可使用任何合适的方法，包括例如离子电镀、电镀、无电镀方法等，将夹层组合物施加到靶座结合表面和/或靶结合表面上。
一旦夹层组合物被施加到靶结合表面和靶座结合表面中的一个或两者之上，就可利用例如热等静压(HIP)在约250℃-约450℃的温度将靶座结合到靶上，并且夹层组合物成为靶和靶座之间的夹层。在其中靶座含有，基本由下列组成，或由下列组成：CuCrNiSi；夹层含有，基本由下列组成，或由下列组成：银；和靶含有高纯度铜的应用中，靶和靶座之间的结合强度可以是至少约20000Ibs每平方英寸，而靶内的平均晶粒尺寸保持小于80微米，并且在一些方面基本上靶内所有的晶粒的最大晶粒尺寸都小于约80微米.在一种示范性的应用中，在扩散结合之前铜被离子电镀到99.9999％铜靶和CuCrNiSi靶座的结合表面上。在靶和靶座上离子电镀层约为5微米厚.在400℃通过HIP使靶和靶座扩散结合。结合强度为约20.4ksi，并且平均靶晶粒尺寸为约49微米。当在450℃通过HIP不使用夹层将同样的靶结合到同样的靶座上时，结合强度为约12.5ksi，并且平均靶晶粒尺寸为约210微米。
对可根据本发明的方法形成的示范性靶/靶座结构10参考图1和2进行描述。该结构包含靶座12、靶14和在靶和靶座之间的夹层16(该夹层具体地位于靶的结合表面和靶座的结合表面之间的界面处)。在特别的方面，靶座可以含有CuCrNiSi，靶可以含有高纯度铜，夹层可以含有银和铜中的一种或两种。夹层通常的厚度为约0.1微米-约20微米。结构10以示范性的形状示出。应该理解本发明的方法可用于形成多种靶/靶座结构，包括但不限于所示出的结构10的形状。虽然夹层被展示为单一的均匀组合物，但应该理解在一些方面夹层可以包含一叠不同的组合物。
本发明的方法可特别用于将高纯度铜靶结合到含有CuCrNiSi的靶座上，以获得高强度结合同时保持高纯度铜材料中的小晶粒尺寸。但是，应该理解本发明可以用于其它靶/靶座组合物。例如，靶可以含 有，基本由下列组成，或由下列组成：铝、钽、钛和铜中的一种或多种，或者可以含有适于通过适当的夹层结合的任何其它组合物。靶座可以含有铜、铬、镍和硅中的一种或多种，并且在特定应用中可以是Cu和Cr靶座。靶座不限于上述组合物，并且可以含有利用本文所述方法可恰当地结合到合适的靶上的任何合适组合物。在选择恰当的夹层以用于特定的靶和特定的靶座之间时，希望选择在靶和靶座组合物中的任意一种之中可溶并优选在两者之中都可溶的材料。如果例如使用主要含有铝(重量)的靶，那么可希望使用主要含有镍或钛(重量)的夹层。在一些方面，靶可以基本由或者由铝组成，并且夹层可以基本由或者由镍或钛组成。
虽然上面描述了HIP用于形成靶和靶座之间的结合，但应该理解本发明的方法可以利用其它将靶结合到靶座上的方法。例如，爆炸结合技术可以用于将含铜靶结合到CuCrNiSi靶座上。一种示范性的爆炸结合技术在99.9999％Cu靶和CuCrSiNi靶座之间形成了至少约45ksi(在特别的方面约47ksi)的近似结合强度，并且保持最大靶晶粒尺寸为约38微米-约45微米，平均靶晶粒尺寸小于或等于约45微米(通常小于或等于约41微米)。爆炸结合技术可在靶座不进行化学表面处理以及在靶座和靶之间没有夹层的情况下使用。
典型的PVD操作使用含有所要求的物质的靶。在适当设备的腔室内提供靶。靶通常结合到靶座上，靶座用于保持靶在设备内处于要求的取向。在腔室内在与靶相间隔的位置提供基质。然后靶的所要求的物质从靶溅射或者移出从而所要求的物质沉积到基质上。
在将靶结合到靶座上时可能遇到各种困难。例如，如果用于将靶结合到靶座上的温度过高，靶内的晶粒尺寸可能过度生长。通常，对于PVD工艺，具有小晶粒尺寸的靶要好于含有大晶粒尺寸的靶。在将靶结合到靶座上时可能发生的另一个问题是如果靶/靶座的结合不是足够牢固，在与PVD工艺相关的重复热应力作用下，所述结合可能被破坏。对于所谓的离子化PVD(I-PVD)工艺希望特别牢固的结合。I-PVD应用中通常使用的高功率导致高气体温度(离子化气体的稀释，溅射金属的热能化)，这从而可导致靶的温度升高。可期望靶/靶座组合在靶和靶座之间的结合强度至少为约20000磅每平方英寸(即20ksi)，以便经受得起与I-PVD工艺的高功率水平相关的应力。
希望发展靶/靶座组合，其不但在靶内具有所要求的小晶粒尺寸而且还具有所期望的高结合强度。
发明简述
一方面，本发明包括靶/靶座结构。该结构包括含铜的平均晶粒尺寸小于80微米的靶。该结构的靶到靶座的结合强度至少为约20ksi。
一方面，本发明包括靶/靶座结构。该结构包括含铜靶、靶座和位于靶和靶座之间的夹层。靶座含有铜、铬、镍和硅每种至少为约0.1wt％.在特定的方面，靶座基本由铜、铬、镍和硅组成，镍存在的量为约2wt％-约3wt％；硅存在的量为约0.4wt％-约0.8wt％；和铬存在的量为约0.1wt％-约0.8wt％。夹层可含有银、铜、镍、锡和铟中的一种或多种。在特定的方面，从靶到靶座通过夹层的结合强度至少为约20ksi，同时靶内的平均晶粒尺寸小于80微米并且在一些方面小于或等于约45微米。
一方面，本发明包括靶/靶座结构，该结构包括主要含(换句话说，含有超过50wt％)铝的靶、靶座和在靶和靶座之间主要含镍或钛的夹层。
一方面，本发明包括形成靶/靶座结构的方法。提供靶。该靶含有第一组合物并具有第一结合表面。提供靶座。该靶座含有不同于第一组合物的第二组合物并具有第二结合表面。在第一和第二结合表面的其中一个之上或两个之上形成夹层组合物。该夹层组合物主要含有可溶于第一和第二组合物的一个或两者之中的物质。靶通过夹层组合物结合到靶座上。
附图简述
图1为本发明示例性靶/靶座结构的截面图。
图2为图1结构的俯视图，图1的横截面沿图2的线1-1延伸。
优选实施方案详述
本发明的一个方面涉及使用含铜、铬、镍和硅的合金或其它组合物作为靶座材料(即CuCrNiSi材料)。一种示范性的材料可包含约2％·约3％的镍，约0.4％-约0.8％的硅，约0.1％-约0.8％的铬和余量铜(所列百分数为重量百分数)。此种材料的抗拉强度为约700Mpa，屈服强度为约630Mpa，硬度大于158HB，平均热膨胀系数为约17.3μm/m.C，和在20℃的电导率为约40％IACS。此种靶座材料可被称为C18000。该靶座材料可以与高纯度铜靶一起使用，例如铜纯度大于99.9wt％(即3N)的靶，并且在特定应用中为含有大于99.995％(即4N5)铜，例如含有大于或等于99.9999％(即6N)铜的靶。
在过去，铜靶通常结合到CuCr靶座(该靶座通常含有约0.6wt％-约1.2wt％的铬，该组成的余量为铜)上。CuCrNiSi靶座结构相对于以前使用的CuCr结构的一个优点可以是CuCrNiSi对于特定的应用可具有更加适合的电导率，另外一个优点是CuCrNiSi对于特定的应用可具有更加适合的强度。具体而言，CuCrNiSi与CuCr相比可具有更高的强度和更低的电导率。
使用CuCrNiSi的困难发生在尝试将高纯度铜靶结合到靶座上时。具体而言，不使用使铜靶内的晶粒尺寸生长到不可接受尺寸(典型的不可接受尺寸是晶粒尺寸大于或等于80微米)的条件，就难以获得20ksi或更大的结合强度。
根据本发明的一个方面，在高纯度铜靶和CuCrNiSi靶座之间提供了夹层。该夹层可含有下列物质，基本由下列物质组成，或由下列物质组成，例如银、铜、镍、锡和铟中的一种或多种。优选此类材料作中间层是因为在该材料与靶座和靶之间可存在好的扩散。
提供包含第一组合物的靶和提供包含不同于第一组合物的第二组合物的靶座。所述靶具有结合表面(其可被称为第一结合表面)，所述靶座具有结合表面(其可被称为第二结合表面)。在靶的结合表面和/或靶座的结合表面上提供夹层组合物，接着使靶和靶座经受致使靶和靶座通过夹层组合物结合的条件。可优选在其中所述靶座包含CuCrNiSi的应用中至少在靶座结合表面形成夹层组合物，因为靶座可具有干扰结合的氧化物表面，除非该氧化物表面在结合之前被破坏。在该表面上提供夹层组合物可以破坏该氧化物表面。通过CuCrNiSi中硅的氧化可产生氧化物。不管形成氧化物的原因，可选择的，或者除了在靶座上形成夹层组合物以外，可以通过化学处理破坏氧化物。一种示范性的化学处理是单独用氢氟酸或用氢氟酸和硝酸的混合物处理靶座的结合表面，以从表面除去氧化物。此种处理也可以从结合表面除去硅，这在特定的应用中是所希望的。一种示范性的处理工艺可包括如下的七个步骤：
1)将靶座的结合表面暴露于碱性溶液(合适的碱性溶液是由MetexT-103TM形成的氢氧化钠溶液)；
2)用去离子水冲洗该结合表面；
3)用含有硝酸和氢氟酸的溶液(例如含有约43％硝酸和约4.9氢氟酸(v/v)的溶液)处理该结合表面；
4)用去离子水冲洗该结合表面；
5)用含有硫酸的溶液(例如含有约2.8％硫酸(v/v)的溶液)处理该结合表面；
6)用去离子水冲洗该结合表面；和
7)使用高压空气干燥靶座然后迅速放入真空环境以避免表面氧化。
在典型的应用中，用氢氧化物的处理(步骤1)可以进行约30秒，用氢氟酸/硝酸混合物的处理(步骤3)可以进行约10秒，用硫酸的处理(步骤5)可以进行约30秒。
上述化学处理可以与本文描述的夹层组合物一起使用或者不一起使用，但通常与也使用夹层组合物的应用一起用作预处理。相似地，夹层组合物可以与本文描述的化学处理一起使用或者不一起使用。
可使用任何合适的方法，包括例如离子电镀、电镀、无电镀方法等，将夹层组合物施加到靶座结合表面和/或靶结合表面上。
一旦夹层组合物被施加到靶结合表面和靶座结合表面中的一个或两者之上，就可利用例如热等静压(HIP)在约250℃-约450℃的温度将靶座结合到靶上，并且夹层组合物成为靶和靶座之间的夹层。在其中靶座含有，基本由下列组成，或由下列组成：CuCrNiSi；夹层含有，基本由下列组成，或由下列组成：银；和靶含有高纯度铜的应用中，靶和靶座之间的结合强度可以是至少约20000Ibs每平方英寸，而靶内的平均晶粒尺寸保持小于80微米，并且在一些方面基本上靶内所有的晶粒的最大晶粒尺寸都小于约80微米.在一种示范性的应用中，在扩散结合之前铜被离子电镀到99.9999％铜靶和CuCrNiSi靶座的结合表面上。在靶和靶座上离子电镀层约为5微米厚.在400℃通过HIP使靶和靶座扩散结合。结合强度为约20.4ksi，并且平均靶晶粒尺寸为约49微米。当在450℃通过HIP不使用夹层将同样的靶结合到同样的靶座上时，结合强度为约12.5ksi，并且平均靶晶粒尺寸为约210微米。
对可根据本发明的方法形成的示范性靶/靶座结构10参考图1和2进行描述。该结构包含靶座12、靶14和在靶和靶座之间的夹层16(该夹层具体地位于靶的结合表面和靶座的结合表面之间的界面处)。在特别的方面，靶座可以含有CuCrNiSi，靶可以含有高纯度铜，夹层可以含有银和铜中的一种或两种。夹层通常的厚度为约0.1微米-约20微米。结构10以示范性的形状示出。应该理解本发明的方法可用于形成多种靶/靶座结构，包括但不限于所示出的结构10的形状。虽然夹层被展示为单一的均匀组合物，但应该理解在一些方面夹层可以包含一叠不同的组合物。
本发明的方法可特别用于将高纯度铜靶结合到含有CuCrNiSi的靶座上，以获得高强度结合同时保持高纯度铜材料中的小晶粒尺寸。但是，应该理解本发明可以用于其它靶/靶座组合物。例如，靶可以含 有，基本由下列组成，或由下列组成：铝、钽、钛和铜中的一种或多种，或者可以含有适于通过适当的夹层结合的任何其它组合物。靶座可以含有铜、铬、镍和硅中的一种或多种，并且在特定应用中可以是Cu和Cr靶座。靶座不限于上述组合物，并且可以含有利用本文所述方法可恰当地结合到合适的靶上的任何合适组合物。在选择恰当的夹层以用于特定的靶和特定的靶座之间时，希望选择在靶和靶座组合物中的任意一种之中可溶并优选在两者之中都可溶的材料。如果例如使用主要含有铝(重量)的靶，那么可希望使用主要含有镍或钛(重量)的夹层。在一些方面，靶可以基本由或者由铝组成，并且夹层可以基本由或者由镍或钛组成。
虽然上面描述了HIP用于形成靶和靶座之间的结合，但应该理解本发明的方法可以利用其它将靶结合到靶座上的方法。例如，爆炸结合技术可以用于将含铜靶结合到CuCrNiSi靶座上。一种示范性的爆炸结合技术在99.9999％Cu靶和CuCrSiNi靶座之间形成了至少约45ksi(在特别的方面约47ksi)的近似结合强度，并且保持最大靶晶粒尺寸为约38微米-约45微米，平均靶晶粒尺寸小于或等于约45微米(通常小于或等于约41微米)。爆炸结合技术可在靶座不进行化学表面处理以及在靶座和靶之间没有夹层的情况下使用。