[发明专利]旋转溅射靶组件

说明书

技术领域

本发明总体涉及溅射靶(sputter target)领域。具体而言，本发明的实施例涉及改进的旋转溅射靶组件，其中靶通过共拉拔(co-drawing)或共挤压(co-extrusion)工艺直接地接合到背衬管(backing tube)上。

背景技术

阴极溅射广泛地用于将导电材料的薄材料沉积在期望的基底之上。此工艺需要对由期望的材料形成的靶进行气体离子轰击，该期望的材料将作为薄膜沉积在基底之上。对靶的表面的离子轰击导致靶材料的原子或离子被溅射。靶形成了带有阳极的阴极组件的一部分。阴极组件被安置在已抽空的室中，该室以惰性气体(优选地，氩)填充。跨过阴极和阳极施加高电压电场。惰性气体通过与从阴极喷射出的电子碰撞而离子化，以形成带正电气体离子。带正电气体离子被吸引至阴极。在与靶表面冲撞时，这些离子将靶材料逐出。逐出的靶材料穿过已抽空的壳体并且作为膜沉积在期望的基底上，该期望的基底通常位于靠近阳极处。

平面型靶和旋转型靶是两种主要类型的溅射靶。平面靶通常被定义为支承在矩形形状的背衬板之上的矩形形状的靶。旋转靶包括具有或不具有背衬管的管状形状靶。管状靶为长形的且为圆柱形形状的，具有由预定的壁厚度围绕的空心内部的特征。

在高面积基底之上的大面积涂层(诸如，建筑玻璃)需要高速率的涂层速度和长寿命的靶，以降低制造成本并减少系统的停机时间。已知的是旋转靶获得与平面靶相比更高的沉积速率和更高的靶利用效率。结果，与平面靶相对，旋转靶的溅射可适合用于生产大面积涂层。

利用若干技术来组装管状靶。在本领域中已知的一种技术包括使用中间层材料来将靶的有效部分(即，在溅射工艺期间消耗的靶的部分)结合到背衬管之上。在一个示例中，铟可用作焊料结合的中间层材料。然而，由于铟的低熔化温度，其仅可承受低量的热应力。溅射工艺趋于产生导致了超过铟和其他低熔点结合材料的熔点的温度的功率密度水平。

此外，在溅射期间产生的这些功率密度水平可导致旋转靶组件达到比在利用平面靶的溅射方法中更高的温度。该更高的温度可使在管状靶和背衬管之间形成的结合断裂。例如，如果将管状靶焊料结合到背衬管上，则在溅射工艺期间产生的热可足够使焊料结合熔化，并且使靶从背衬管脱离。因此，尽管焊料结合常适合于平面靶，但其对于旋转靶可为有问题的。管状靶与背衬管之间的结合必须为导热的，并且能够适应或防止在溅射工艺期间遇到的残余应力。

另外，当被用作用于接合温度敏感材料的中间层材料时，常规的焊料或铜焊结合可为困难的，在这些温度敏感材料中，材料的物理性能   (如，微结构晶粒度、硬度、屈服强度、抗拉强度、电导率和热导率)在加热时以可感知的量改变。此类材料可包括金属、合金、陶瓷和聚合物。其他物理性能包括材料的尺寸或形状。例如，金属管可包含相当大的残余应力。在加热时，金属管可弯曲或翘曲(warp)，并且在冷却时保持变形。值得注意的温度敏感材料包括可由冷作强化或热处理强化的合金，诸如铝合金(如，5000和6000系列铝合金)和铜合金。

已知用于管状靶制备的另一种技术为取整块管(monoblock tube)，并且将至一端或两端的端接头附连到靶的有效部分的一端部分或两端部分上。端接头可通过电子束焊接、机械组装或任何其他合适的组装方法来附连。可将特殊表面处理应用到靶的有效部分的内侧上以增强其耐腐蚀性，由此允许整块管保持结构完整并适应在溅射工艺期间产生的多种热应力和机械应力。例如，纯铝管状有效靶的内侧可被阳极电镀(anodized)，以产生硬化表面涂层。然而，此类型的制造工艺典型地为昂贵、耗时且复杂的，因为其包括将端部接头附连到靶的一端部分或两端部分上的步骤、将特殊处理应用在靶的有效部分的内侧上的步骤以及机加工的步骤。

在制造期间，一些靶材料可由于多种原因被容易地破坏，这些原因包括但不限于脆性、热敏感性、低的冲击强度、结合失效和不同的热膨胀速率。另外，在溅射工艺中，循环温度、真空状态、高的溅射表面等离子体温度、固定完整性、旋转管的液体冷却、高的运行功率水平以及其他参数都可促成旋转靶组件的失效或过早失效。

更进一步地，接合到内背衬管上的管状靶常在溅射工艺期间过早地失效。具体而言，在溅射期间，由于管状靶和背衬管之间的不同的热膨胀系数，管状靶和背衬管可在结合交界面处发生分离。此类材料分离使靶更难以散热。结果，外露的靶表面的表面温度继续升高，从而加剧了靶与背衬管的分离。可导致翘曲和最终脱离。