[发明专利]溅射靶的喷涂再生

说明书

相关申请

本申请要求2011年12月16日提交的第61/576,653号美国临时专利申请的权益和优先权，将其全部公开内容引入本文作为参考。

技术领域

在各个实施方案中，本发明涉及金属和/或非金属粉末的喷涂沉积，特别地涉及用于溅射靶再生的冷喷涂沉积。

背景

溅射，一种物理气相沉积技术，在许多工业中被用来在任意各种基底上沉积具有高度可控的组成和均匀度的各种材料的薄膜。在溅射过程中，待沉积材料的溅射靶经受高能粒子的轰击，从而向基底喷射靶材原子。常规的新的(即，未使用的)平面溅射靶具有扁圆形或扁的准矩形的形状。例如，图1描绘出被理想化为直角棱镜的新的溅射靶100。(现实中，平面溅射靶通常是具有圆角的准矩形的或者甚至是圆的。)在溅射期间，该形状被侵蚀掉，在靶的“寿命终止”时(即，用过的靶由新的原始靶取代的点)，通常仅利用了靶材的一部分。因此，溅射靶的使用者通常必须丢弃剩余的靶材(并因此丢弃原始靶的大部分剩余价值)。如在第2008/0216602和2008/0271779号美国专利申请公开(将其全部公开内容引入本文作为参考)中所述，该利用动力使得溅射靶成为通过喷涂沉积，例如冷喷涂来翻新的良好候选者。

然而，溅射靶通常以提供在靶的寿命终止时高度不规则的表面的方式被侵蚀掉。该不规则表面是通过不同深度处的宽度变化、沿着表面的不同侵入深度、以及具有相对于原始表面显著变化的角的表面来表征的，如图2中所示，该图说明了用过的溅射靶的部分的不同表面轮廓。用过的溅射靶的不规则和/或复杂表面倾向于损害喷涂翻新工艺的功效；例如，如果喷涂沉积即使在这样的表面上也是有效的，则所沉积的材料倾向于弱结合并具有不可接受的高的孔隙度水平。另外，在这样不规则和/或复杂表面上的复合粉末(即，多种元素的混合物)的喷涂倾向于导致局部组成变化。因此，需要一种改进的用于经侵蚀的溅射靶的喷涂再生方法，该方法提供了性能(例如，微结构性能、孔隙度、结合强度)与原始靶的性能相当的经翻新的靶。

概述

本发明的实施方案通过维持不规则表面的每个局部部分与喷涂沉积射流(即，由沉积设备驱使并撞击在靶表面上的粉末流)之间的倾斜角大于约45°(并且优选地，大于约60°)的喷涂沉积(例如，冷喷涂)，使得能够有效率且有效地翻新用过的(即，经侵蚀的)溅射靶。图3示意性地说明了来自喷涂沉积枪320的粒子射流310与靶表面330之间的倾斜角300。如所示的，倾斜角300的最大可能值为90°。维持该倾斜角在约45°至约90°的优选的范围内，使得能够用如下的喷涂沉积层来填充经使用溅射靶的经侵蚀区域，该喷涂沉积层具有低的孔隙度，其非气相杂质含量与废溅射靶的类似，颗粒尺寸和化学均质性与废靶(例如，锻造靶(wrought target)，其不是起初经由喷涂沉积形成)的相同或比废靶的更细，并且具有与靶材的高品质的机械和/或冶金结合。

另外，本发明的优选实施方案涉及靶材的喷涂沉积，以翻新最大表面深度(即，用过的靶中的最大渗透和最小渗透(例如，原始的顶部表面和/或翻新后的顶部表面)之间的差异)小于9毫米，优选地小于6毫米，或甚至小于3毫米的用过的溅射靶。

有利地和令人惊讶地，在喷涂翻新期间利用了上述优选的倾斜角的本发明的实施方案提供了高品质的喷涂沉积区域，而无需复杂的喷涂控制软件、表面成像系统、或能够进行复杂(例如，非直线)运动的机器人。对于翻新具有小的倾斜角的废溅射靶的尝试通常或者导致劣质的填充区域，或者需要控制方案和多轴机器人来适当地填充所耗费的区域。相比之下，本发明的实施方案便宜地且相对简单地翻新了废靶。这样的翻新(和所产生的经翻新的溅射靶)使得终端使用者能够仅购买实际使用的溅射材料(其中很多都是外来的和/或昂贵的)的替换物，而不用购买整个靶。此外，根据本发明的各个实施方案，溅射靶的喷涂翻新可以用仍然附接至其背衬板的经侵蚀的靶来进行，该背衬板通常包括低熔点材料如铜、铝或不锈钢，或者基本上由低熔点材料如铜、铝或不锈钢组成。例如，经喷涂的靶材可以通过在低于背衬板的温度下的冷喷涂来沉积。