[发明专利]铝-钪复合材料、铝-钪复合材料溅射靶及制备方法

说明书

一种Al‑Sc合金溅射靶。所述靶包含1.0at％至65at％的钪和35at％至99at％的铝，并且具有包括第一铝基体相和均匀散布于第一铝基体相中的第二相的微观结构。第二相包含对应于式Sc_xAl_y的一种或多种化合物，其中x为1至2且y为0至3。

交叉引用

本申请涉及于2020年6月5日提交的美国临时申请No.63/035,320并要求其优先权，其整体通过引用并入本文。

技术领域

本公开涉及包含铝和钪的合金(Al-Sc合金)，特别是涉及这类Al-Sc合金的应用以及由其制备的制品和溅射靶。

背景技术

氮化铝钪(Al_xSc_1-xN)由于制造各种应用的薄膜压电材料而受到一定关注。制造这些压电薄膜的常规方法是通过使用反应溅射沉积。溅射靶，通常为金属或金属合金，由待溅射材料构成。溅射靶和基板在室内彼此靠近放置，并用带电粒子或离子轰击靶。高能离子导致溅射靶的一部分脱落并重新沉积在基板上。溅射是有利的，因为其允许对膜的组成控制，提供对膜中的残余应力的控制，允许薄膜的高速沉积，并且易于适应基板的控制加热。在制造薄膜中使用这种工艺已有很深厚的历史。

所得到的薄膜性能强烈依赖于Al-Sc合金的均匀沉积。这对溅射靶和合金的性能提出了很高的要求。薄膜的压电响应强烈依赖于膜中的钪含量，所以溅射靶中钪的整体化学计量和宏观分布是关键。

即使鉴于已知的合金和溅射靶，也需要在化学计量的均匀性和孔隙率的最小化方面提供改进的合金和溅射靶。进一步需要减少由于溅射过程中粒子发射(粒子(而不是单个原子/离子)从溅射靶表面的喷射出来，并落到晶片上——通常被称为粒子化)造成开裂和污染导致的靶失效的微观结构。这些特性可以有助于溅射靶具有更好的性能和寿命，从而提高晶片产量并降低拥有成本。

发明内容

在一个实施方式中，本公开涉及Al-Sc复合材料或溅射靶，其包含1.0at％至65at％的钪和35at％至99at％的铝，具有包括(5vol％至99vol％，例如，20vol％至99vol％的)第一相和散布于第一相中的(1vol％至80vol％的)第二相的微观结构，第二相包含对应于式Al_xSc_y的化合物，其中x为0至3，且y为1至2。第二相可包含ScAl₃、ScAl₂、ScAl、Sc₂Al或Sc、或其组合，或者可包含ScAl₂、ScAl、Sc₂Al或Sc、或其组合。第二相可包含大于25at％的钪和/或大于1mol％的Al₂Sc、AlSc、AlSc₂或Sc、或其组合，和/或小于85mol％的铝，和/或1.0mol％至70mol％的氮化钪。第二相中的钪的浓度可比通过铝-钪平衡相图所预测的浓度大(例如，至少大1％)。复合材料或溅射靶还可包含小于1000ppm、优选小于400ppm、或更优选小于100ppm的氧。第一铝基体相的晶粒的特征可以是，具有(110)的晶体取向或随机晶体取向。第二相的特征可以是，具有0.5微米至500微米的粒径范围。微观结构基本没有微裂隙和裂缝和/或氧化物夹杂。溅射靶的表面上的钪的均匀性在表面的整个半径上可能变化小于+/-0.5at％的钪。溅射靶可具有中心轴和穿过溅射靶的厚度与中心轴相交的直径，并且中心轴和直径上的钪的均匀性变化小于+/-0.5wt％的钪。直径可以大于300mm。

在一些实施方式中，本公开涉及生产非平衡复合材料的方法，该方法包括：提供包含对应于式Al_xSc_y的化合物的第二相粉末，其中x为0至3且y为1至2；将所述粉末与包含铝的第一相混合以形成复合材料前体；对复合材料前体施加热和压力中的至少一种以使材料固结，以及冷却固结的复合材料前体以形成非平衡复合材料。

附图说明

可通过参考说明书的其余部分和附图来实现对所公开技术的本质和优势的进一步理解。