低偏轉(zhuǎn)濺射靶組件及其制造方法
【專利摘要】描述的是用于以低偏轉(zhuǎn)生產(chǎn)濺射靶組件的設(shè)計(jì)和方法，濺射靶組件由焊接結(jié)合到復(fù)合背襯板的靶材料制成，復(fù)合背襯板的熱膨脹系數(shù)(CTE)匹配靶材料。復(fù)合背襯板是由具有不同CTE的至少兩種不同材料構(gòu)成的復(fù)合構(gòu)造。復(fù)合背襯板在塑性變形后根據(jù)需要具有匹配靶材料的CTE，并在結(jié)合過(guò)程中具有低且期望的偏轉(zhuǎn)，因此，導(dǎo)致低偏轉(zhuǎn)和低應(yīng)力的靶材料結(jié)合到復(fù)合背襯板組件。該方法包括：制造具有平坦結(jié)合表面的復(fù)合背襯板，對(duì)靶坯料和復(fù)合背襯板進(jìn)行熱處理以實(shí)現(xiàn)結(jié)合表面的期望形狀，將靶焊接結(jié)合到背襯板，以及將組件慢慢冷卻至室溫。匹配的CTE在靶材料和背襯板兩者中均消除了CTE失配的問(wèn)題，并且防止該組件偏轉(zhuǎn)和產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。
【專利說(shuō)明】低偏轉(zhuǎn)濺射靶組件及其制造方法
[0001] 相關(guān)申請(qǐng)的交叉引用
[0002] 本PCT申請(qǐng)要求2012年2月14日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)序列號(hào)61/598,595 的優(yōu)先權(quán)。

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0003] 本發(fā)明涉及一種溉射祀及復(fù)合背襯板（sputter target and composite backing plate)，其中靶和與靶連續(xù)的背襯板部件彼此進(jìn)行熱匹配，以盡量減少沿著靶/背襯板界 面發(fā)生的熱應(yīng)力。

【背景技術(shù)】
[0004] 濺射作為一種手段用來(lái)將期望材料的薄膜沉積在基板上已經(jīng)在集成電路中變得 很重要。在濺射系統(tǒng)中，用等離子體狀態(tài)的激發(fā)離子轟擊靶而將待沉積在基板上的材料從 濺射靶中除去。靶材料的原子或分子從靶中噴出，并且沉積在工件或基板上。從靶中噴射 這些材料會(huì)在靶區(qū)域中伴隨顯著的熱量積聚。
[0005] 通常，濺射系統(tǒng)包括濺射源、真空室和用于將基板定位并保持靠近濺射源的裝置。 濺射源通常包括使材料從中濺射的靶、用于將靶保持到位的裝置、用于在靶附近形成等離 子體的裝置、用于在等離子體中產(chǎn)生離子以轟擊靶的裝置、以及用于冷卻靶以防止過(guò)熱的 裝直。
[0006] 各種手段在過(guò)去已被用于將濺射靶保持在濺射源內(nèi)的合適位置。這樣的保持裝置 必須確保靶與冷卻裝置維持良好的熱接觸，以便使在靶中產(chǎn)生的熱量可以消散。
[0007] 在一些濺射源中，圓形靶被可拆卸地安裝在固定的背襯板內(nèi)，并且由各個(gè)按住特 征如夾子、彈簧、插入件、螺釘?shù)缺３值轿?。在這些濺射源設(shè)計(jì)中，濺射靶可從固定的背襯板 獨(dú)立地除去，用于由于靶消耗、破損等而更換靶。通常情況下，靶以必要的要求被焊接到背 襯板上，即該靶通過(guò)熔化焊料而被除去，并且使該靶從背襯板分離。
[0008] 為了冷卻該靶，冷卻水通常沿著或穿過(guò)與靶相鄰定位的背襯板循環(huán)。在某些情況 下，靶的外緣和背襯板的周界冷卻壁之間的熱接觸是至關(guān)重要的，并通過(guò)靶對(duì)冷卻壁的熱 膨脹來(lái)維持。
[0009] 在其它系統(tǒng)中，當(dāng)更換靶時(shí)，無(wú)論是使用了的靶還是相應(yīng)的背襯板均被丟棄。在這 樣的設(shè)計(jì)中，背襯板通常包括適于齊平地接收在靶的下表面上的上環(huán)形平面表面。背襯板 還包括從平面表面向下延伸的環(huán)形圈，其在環(huán)形圈的下端處具有外安裝凸緣。靶板和背襯 板可以經(jīng)由釬焊、熔焊、銅焊或其它金屬結(jié)合技術(shù)進(jìn)行接合。
[0010] 由于靶和背襯板構(gòu)件的熱膨脹系數(shù)（"CTE"）不同，在高功率濺射期間靶所達(dá)到的 高熱量水平導(dǎo)致沿著靶/背襯板界面作用有過(guò)度的應(yīng)力。盡管有冷卻功能，靶和背襯板構(gòu) 件兩者的翹曲和收縮率差異也可能會(huì)發(fā)生，導(dǎo)致靶的冷卻被嚴(yán)重阻礙，隨之而來(lái)的是靶失 效。


【發(fā)明內(nèi)容】
toon] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性方面，靶和背襯板構(gòu)件的熱匹配通過(guò)提供靶和復(fù)合背襯 板組件來(lái)完成。復(fù)合背襯板通常是頂背襯板層疊置在底背襯板層上方的層壓結(jié)構(gòu)。示例性 靶或背襯板層材料的CTE按照20°C下ZX l(T6Cm/Cm/°C而給出，其中Z是熱膨脹系數(shù)，如下 表所示：
[0012] Z(熱膨脹系數(shù)） 鉬 5.0 二鞋化翻（MoSi...:) 8,25 硅 2,49 欽 8.4 鋁 24.0 銀 19,6 鈷 12.5 銅 16.4 二硅化鉭（TaSi2) 8.B 鴉化鈥（TiW ) 4.0 鋯 5.8 鉭 6.5
[0013] 鴿 4.4 二硅化鎢（WSi2) 6,5 鈮 7.1 鎳 13.1 釩 8.33
[0014] 靶和適于與靶連續(xù)配合的層壓背襯板的頂層具有約22X l(T6Cm/Cm/°C或更小的熱 膨脹系數(shù)差。通過(guò)提供匹配的靶和背襯板，在接合和濺射操作期間，靶/背襯板界面處的熱 應(yīng)力以及組件的彎曲得以最小化。
[0015] 層壓背襯板組件設(shè)置有背襯板的頂層，在靶和底背襯板層之間限定出中間層。該 中間層由與疊置在其上的靶材料熱匹配的材料構(gòu)成。
[0016] 本發(fā)明將根據(jù)附圖和以下詳細(xì)說(shuō)明進(jìn)一步描述。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1是根據(jù)本發(fā)明的靶和層壓背襯板組件的一個(gè)實(shí)施例的示意性橫截面圖；
[0018] 圖2是另一實(shí)施例的示意圖，其中在制造組件的一個(gè)階段期間，凹部或貯存器10 形成在靶的下側(cè)表面和組件中間層的頂表面之間；
[0019] 圖3是根據(jù)本發(fā)明的靶和層壓背襯板組件的一個(gè)實(shí)施例的示意性橫截面圖；
[0020] 圖4是工藝流程圖，對(duì)比了現(xiàn)有技術(shù)的靶/背襯板制造工藝和根據(jù)本發(fā)明一個(gè)方 面的祀/背襯板制造工藝；和
[0021] 圖5是層壓或復(fù)合背襯板組件的一個(gè)實(shí)施例的局部橫截面圖，并示出了一起限定 復(fù)合背襯板組件的相應(yīng)材料的"A"和"B"的厚度。

【具體實(shí)施方式】
[0022] 首先參見(jiàn)圖1和圖3的附圖，示出了根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的靶/背襯板組件。該 組件包括靶材料2,靶材料2具有由期望的濺射材料構(gòu)成的表面。層壓或復(fù)合背襯板組件被 示出并包括第一材料4,限定了背襯板組件的被疊置在第二背襯板材料、材料6上方的第一 層或頂層。在圖1中，冷卻腔室8與第二背襯板材料6的底表面以熱交換的關(guān)系進(jìn)行設(shè)置， 以便在濺射操作期間冷卻該組件。如圖所示，材料4和6可以沿其界面通過(guò)常規(guī)手段如焊 接結(jié)合、擴(kuò)散結(jié)合、銅焊、涂覆、電鍍等結(jié)合。靶2可以通過(guò)常規(guī)手段如焊接結(jié)合、擴(kuò)散結(jié)合， 銅焊、摩擦攪拌焊接（FSW)等結(jié)合到背襯板組件的第一材料4的頂側(cè)。
[0023] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，靶和第一材料4的CTE被選擇，使得它們是兼容的。換言 之，靶2和第一背襯板材料4的CTE之間的差應(yīng)該是約22或更小的量級(jí)。在另一實(shí)施例 中，CTE之間的差可以是7或更小。此外，層壓或復(fù)合背襯板組件的第二材料6的CTE應(yīng)比 材料4的CTE更高。因此，在熱處理材料4和6時(shí)，比如在結(jié)合工藝等之中，期望的凹部可 以沿著構(gòu)件4的頂表面形成。該凹部可用作焊料的貯存器等，然后將其用于復(fù)合背襯板組 件到靶2的結(jié)合。
[0024] 關(guān)于圖2,所示的凹部10沿著第一背襯板材料4的頂表面定位。如附圖所示，為簡(jiǎn) 化的目的，凹部10的尺寸被夸大了。另外，如圖2所示，液體如加熱的焊料等被提供在腔體 中作為結(jié)合介質(zhì)，以將靶2結(jié)合到第一背襯板層4的頂表面。
[0025] 圖4對(duì)比了常規(guī)設(shè)計(jì)100靶/背襯板結(jié)合方法與顯示為200的根據(jù)本發(fā)明的方法。 在常規(guī)方法中，如步驟110所示，提供了扁平靶坯料和扁平單個(gè)背襯板材料。然后，如120 所示，加熱扁平靶坯料和扁平背襯板；和如130所示，經(jīng)由常規(guī)手段將扁平靶坯料和扁平背 襯板結(jié)合在一起，形成扁平結(jié)合的靶/背襯板組件。在冷卻時(shí)，由于靶和背襯板之間較大的 CTE差異，如140所示，整個(gè)組件彎成弓形或發(fā)生變形。在結(jié)合工藝結(jié)束后，如150所示，結(jié) 果為弓形結(jié)合組件。
[0026] 與此相反，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)示例性實(shí)施例，如210所示，提供扁平靶坯料連同圖 1和圖3所示類型的扁平層壓或復(fù)合背襯板。然后，如220所示，對(duì)扁平靶坯料和背襯板組 件進(jìn)行熱處理。由于如圖1所示的事實(shí)，即第二材料6具有比在第一層材料、編號(hào)4(圖1) 中提供的CTE更高的CTE，背襯板組件翹曲至可控的弓形位置，并且在結(jié)合溫度下，該期望 的凹部限定了圖2所示的貯存器10。這個(gè)貯存器沿著第一背襯板層4的頂表面作為凹部而 存在。在圖4中如240所示，在冷卻時(shí)，整個(gè)組件變得扁平；并且在結(jié)合工藝后，提供了扁平 結(jié)合組件250。
[0027] 于是顯而易見(jiàn)的是，背襯板部件4和6的選擇基于靶材料的性能而做出。靶材料 的CTE應(yīng)接近于第一背襯板層4的CTE，并且如前所述，在某些示例性實(shí)施例中，這個(gè)差值應(yīng) 為約22或更小的量級(jí)。在另一實(shí)施例中，CTE之間的差可以是7或更小。此外，第二背襯 板層6的CTE大于第一背襯板層4的CTE。這有助于自然地形成凹表面，該凹表面也可以用 作將靶結(jié)合到背襯板組件的焊料的貯存器，如圖2所示。
[0028] 如圖5所示，不同厚度TA/TB的比率可以分別針對(duì)背襯板組件的部件4、6進(jìn)行選 擇，以調(diào)整凹表面或貯存器10的深度。
[0029] 背襯板組件的層4和6可以經(jīng)由擴(kuò)散結(jié)合、銅焊、錫焊、摩擦攪拌焊接、涂覆、電鍍 及其它常規(guī)方法結(jié)合在一起。靶的制造方法包括：制造具有平坦結(jié)合表面的復(fù)合背襯板，力口 熱靶表面和復(fù)合板以實(shí)現(xiàn)結(jié)合表面的期望形狀；并且在某些實(shí)施例中包括：將靶焊接結(jié)合 到背襯板，隨后將組件慢慢冷卻至室溫。
[0030] 在一個(gè)示例性實(shí)施例中，靶材料2是硅，且復(fù)合背襯板包含鈦的頂層或第一層4和 A16061的第二層或底層6。背襯板材料與結(jié)合到復(fù)合背襯板的硅靶焊料擴(kuò)散結(jié)合在一起。
[0031] 可提及的另一示例性實(shí)施例是具有復(fù)合背襯板的硅靶，其中第一層4是鑰，并且 第二層6是銅。銅層的厚度可以大于或等于零毫米。當(dāng)?shù)诙拥暮穸仁橇銜r(shí)，表明僅第一 層存在。換句話說(shuō)，當(dāng)銅層厚度是零時(shí)，背襯板唯一具有鑰的第一層。
[0032] 另一示例性實(shí)施例是鎢靶與復(fù)合背襯板的組合，其中第一背襯板層4是鈦，并且 第二背襯板層6是鋁或鋁合金。
[0033] 另一示例性實(shí)施例是二硅化鎢靶與復(fù)合背襯板的組合，其中第一背襯板層4是 鈦，并且第二背襯板層6是鋁或鋁合金。
[0034] 示例性靶或背襯板層材料的CTE按照20°C下ZX l(T6Cm/Cm/°C而給出，其中Z是熱 膨脹系數(shù)，如下表所示：
[0035] Z (14膨賬系數(shù)） 40 5.0 二硅化鉬（MoSi2) 8.25 硅 2.49 鈥 8.4 鋁 24,0 銀 19,6
[0036] # 12.5 銅 16.4 二硅化鉭（TaSb) 8.8 鎢化欽（TiW ) 4.0 鋯 5.8 鉭 6.5 鴿 4.4 二硅化鎢（WSi2) 6.5 艦 7.1 鎳 13.1 極 8.33
[0037] 在其它示例性實(shí)施例中，靶可以是硅、陶瓷材料（包括但不限于氧化物、氮化物、 碳化物等）、硅-鍺、硅化物（例如，二硅化鎢）以及它們的合金。復(fù)合背襯板（構(gòu)件4/6) 可以由鈦/鋁、鈦/銅、鑰/銅、鑰/鋁、鉭/鋁、鉭/銅等構(gòu)成。復(fù)合背襯板的材料4/6可 以經(jīng)由擴(kuò)散結(jié)合、釬焊、銅焊、摩擦攪拌焊接、涂覆、電鍍及其它方法進(jìn)行接合。
[0038] 于是顯而易見(jiàn)的是，本發(fā)明的目的在于生產(chǎn)濺射靶組件的方法。在一個(gè)實(shí)施例中， 所述方法包括步驟：提供背襯板，所述背襯板由具有第一 CTE的第一層和具有第二CTE的第 二層構(gòu)成。濺射靶設(shè)置有：表面層，所述表面層包括要濺射到期望基材上的材料；和底層， 所述底層適于與第一背襯板層4的頂表面配合。靶由具有第三CTE的第三材料構(gòu)成。背襯 板和靶沿著界面表面、即靶的底部被焊接結(jié)合到層4的頂表面。在一些實(shí)施例中，如附圖中 所示的背襯板的第一層4可以從由鈦、鑰、鈮、鉭、鋯以及它們的合金組成的組中進(jìn)行選擇。
[0039] 在其它示例性實(shí)施例中，第二材料、附圖中所示的材料6可以從由鋁、銅、鈦、鎳、 釩以及它們的合金組成的組中進(jìn)行選擇。在本發(fā)明的其它方面中，靶材料可以從由硅、 硅-鍺、硅化物、鎢、鈦-鎢、鈦-鋁、鉭、鈷、鎳、銅、稀土金屬以及它們的合金組成的組中、以 及包括但不限于氧化物、氮化物、碳化物和碳氮化物的陶瓷材料中進(jìn)行選擇。
[0040] 根據(jù)本發(fā)明的某些實(shí)施例，背襯板組件的第一材料4的CTE比背襯板組件的第二 材料6的CTE更低。在某些實(shí)施例中，用于層6的CTE是層4的CTE的約2-5倍。換言之， CTE層6/CTE層4的比率約為2-5:1。背襯板組件的第一和第二材料4和6可以經(jīng)由擴(kuò)散 結(jié)合、銅焊、錫焊、摩擦攪拌焊接、涂覆、電鍍及其它方法接合在一起。另外，熱塑性變形可以 被施加到背襯板組件，以實(shí)現(xiàn)用于材料4、6共同組件的平坦第一配合表面。
[0041] 在本發(fā)明的其它方面中，提供了濺射靶組件，其包括具有第一配合表面的背襯板。 背襯板由具有第一 CTE的第一材料和具有第二CTE的第二材料構(gòu)成。提供了具有第二配合 表面的濺射靶，并且濺射靶由具有第三CTE的第三材料構(gòu)成。靶材料沿著第一和第二配合 表面被焊接結(jié)合到背襯板。如附圖所示的第一材料4可以從由鈦、鑰、鈮、鉭、鋯以及它們的 合金組成的組中進(jìn)行選擇。此外，如附圖所示的第二材料、材料6從由鋁、銅、鈦、鎳、釩以及 它們的合金組成的組中進(jìn)行選擇。靶可以由硅、硅-鍺、硅化物、鎢、鈦-鎢、鈦-鋁、鉭、鈷、 鎳、銅、稀土金屬以及它們的合金，以及包括但不限于氧化物、氮化物、碳化物和碳氮化物的 陶瓷材料構(gòu)成。在另一實(shí)施例中，祀材料可以是本征的（intrinsic)、p型娃或η型娃，并且 在其它實(shí)施例中，靶材料可以是單晶硅或多晶硅。
[0042] 于是顯而易見(jiàn)的是，本發(fā)明能夠以低偏轉(zhuǎn)形成復(fù)合背襯板，以匹配靶材料，尤其對(duì) 于低CTE的脆靶材料如此。諸如多層背襯板組件等部件的提供降低了成本并提供了廉價(jià)背 襯板。
[0043] 根據(jù)本發(fā)明的另一方面，背襯板部件的厚度比ΤΑ/ΤΒ(參照?qǐng)D5)被調(diào)整，以調(diào)節(jié)如 圖2所示的貯存器10的深度。在一個(gè)示例中，其中鈦?zhàn)鳛榈谝徊牧?被提供、Α16061用作 用于背襯板組件的第二材料6，ΤΑ/ΤΒ的比率設(shè)置為1:1。這種鈦/Α16061層壓背襯板被擴(kuò) 散結(jié)合在一起，并觀察到在靶中心約0. 1英寸的向下位移。在另一示例性實(shí)施例中，鈦再次 被用作第一材料4, Α16061被用作第二材料6。然而，ΤΑ/ΤΒ的比率選擇為約5:1的量級(jí)。 在這種情況下，在組件中心處的最大向下位移或彎曲被發(fā)現(xiàn)為0. 04英寸。示例性的ΤΑ/ΤΒ 厚度比為約1:1至約100:1的量級(jí)。
[0044] 雖然我們?cè)诒疚闹幸呀?jīng)示出和描述了本發(fā)明的某些實(shí)施例，但意圖是這些也涵蓋 它們?cè)诓幻撾x如所附權(quán)利要求所限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以做出的變化或 修改。
【權(quán)利要求】
1. 一種生產(chǎn)濺射靶組件的方法，所述方法包括以下步驟： a. 提供由層壓組件構(gòu)成的背襯板，所述層壓組件包括具有第一熱膨脹系數(shù)（CTE)的第 一層和具有第二CTE的第二層； b. 提供濺射靶，所述靶由具有第三CTE的第三材料構(gòu)成； c. 將所述背襯板的所述第一層焊接結(jié)合到所述靶，以提供所述濺射靶組件。
2. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一層的CTE比所述第二層的CTE更低。
3. 如權(quán)利要求2所述的方法，其中，所述第一層的CTE比所述第二層的CTE更低。
4. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一層和所述第二層經(jīng)由擴(kuò)散結(jié)合、銅焊、錫 焊、攪拌摩擦焊接、涂覆、電鍍及其它方法接合在一起。
5. 如權(quán)利要求1所述的方法，其中，所述第一 CTE和所述第三CTE之間的差大約是22 或更小。
6. 如權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述第二CTE :第一 CTE的CTE之比大約是2-5:1。
7. 如權(quán)利要求6所述的方法，包括：加熱所述第一層和第二層，以及沿著所述第一層的 表面形成凹部。
8. 如權(quán)利要求6所述的方法，其中，所述第一層具有厚度TA，并且所述第二層具有厚度 TB ;其中TA:TB從約1:1到約100:1。
9. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述靶基本由硅組成，所述第一層基本由鈦組成， 并且所述第二層基本由鋁或鋁合金組成。
10. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述靶基本由鎢或二硅化鎢組成，所述第一層基 本由鈦組成，并且所述第二層基本由鋁或鋁合金組成。
11. 如權(quán)利要求8所述的方法，其中，所述靶基本由硅組成，所述第一層基本由鑰組成， 并且所述第二層基本由銅組成。
12. -種濺射靶組件，包括： a. 具有第一配合表面的背襯板，所述背襯板包括具有第一 CTE的第一材料和具有第二 CTE的第二材料； b. 具有第二配合表面的濺射靶，所述靶包括具有第三CTE的第三材料； c. 所述靶沿著所述第一配合表面和第二配合表面被焊接結(jié)合到所述背襯板，其中所述 第一 CTE和第三CTE之間的差小于約22。
13. 如權(quán)利要求12所述的濺射靶組件，其中，所述背襯板包括多層背襯板，所述第一材 料限定了第一背襯板層，并且所述第二材料限定了第二背襯板層，所述第一層和第二層被 結(jié)合在一起，其中所述第二CTE :第一 CTE的CTE之比大約是2-5:1。
14. 如權(quán)利要求13所述的濺射靶組件，其中，所述第一層具有厚度TA，并且所述第二層 具有厚度TB ;其中TA:TB從約1:1到約100:1。
15. 如權(quán)利要求13所述的濺射靶組件，其中，所述第一配合表面包括限定焊料貯存器 的凹部。
16. 如權(quán)利要求14所述的濺射靶組件，其中，所述靶基本由硅組成，所述第一層基本由 鈦組成，并且所述第二層基本由鋁或鋁合金組成。
17. 如權(quán)利要求14所述的濺射靶組件，其中，所述靶基本由鎢或二硅化鎢組成，所述第 一層基本由鈦組成，并且所述第二層基本由鋁或鋁合金組成。
18.如權(quán)利要求14所述的濺射靶組件，其中，所述靶基本由硅組成，所述第一層基本由 鑰組成，并且所述第二層基本由銅組成。
【文檔編號(hào)】B23K20/12GK104125870SQ201380009377
【公開(kāi)日】2014年10月29日 申請(qǐng)日期:2013年2月12日 優(yōu)先權(quán)日:2012年2月14日
【發(fā)明者】Y.袁, E.Y.伊瓦諾夫 申請(qǐng)人:東曹Smd有限公司