專利名稱：全密度Co-W磁性濺射靶的制作方法
技術領域：
0003本發(fā)明一般涉及濺射靶，具體而言，涉及全密度鈷-鎢濺 射耙及其制造方法。
背景技術：
0004全密度鈷-鴇濺射耙的制造具有許多挑戰(zhàn)。具體而言，由 于鈷(Co)與鎢(W)之間的密度差別，在含有二者的濺射靶中，元 素相傾向于在制造過程中偏析。而且，制造過程中過多金屬間相的形 成可能使得形成的合金極其堅硬、易碎并且在加工過程中容易破裂。

發(fā)明內(nèi)容
0005本發(fā)明通過提供全密度鈷-鎢濺射靶及其制造方法，解決 了上述問題。所述濺射靶可以含有20-80 at.% (原子百分比)的鈷和 80-20 at.% (原子百分比)的鴇。所述濺射靶具有基本均勻的多相顯 微結構，并且在其整個表面和整個厚度上(即沿濺射方向)基本上是 化學均相的。金屬間相和元素相(一種或多種)的最適體積分數(shù)使得 靶保持機械強度(例如，在熱等靜壓、機械加工或后續(xù)的濺射過程中 的抗破裂性)以及可加工性，同時密度在最大理論密度的大約99%以 上。其它鈷-鎢靶所遇到的顯微裂紋和微孔性得以最小化。
0006根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式，制造濺射靶的方法包括步 驟選擇具有粒徑分布的鈷粉末和具有相同粒徑分布的鎢粉末；將所 述鈷粉末和鎢粉末摻和在一起，形成摻和粉末；罐裝所述摻和粉末；熱壓所述摻和粉末，形成固體；以及機械加工所述固體，形成濺射耙。0007根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式，濺射耙包括第一材料的 第一元素相，所述第一材料是鈷或鎢；包括所述第一材料和第二材料 的第一金屬間相，所述第二材料是鈷或鎢并且不同于所述第一材料， 所述第一材料比所述第二材料具有更大的原子百分比；和包括所述第 二材料和所述第一材料的第二金屬間相，所述第二材料比所述第一材 料具有更大的原子百分比。所述濺射靶包括20-80 at.% (原子百分比) 的鈷，并且所述濺射靶的密度大于其最大理論密度的99%。0008應當理解，上述發(fā)明內(nèi)容和隨后的具體實施方式
都是示 例性的和解釋性的，并且都被用于對要求保護的本發(fā)明提供進一步的 解釋。


0009附圖包括在本文中，對本發(fā)明提供進一步的解釋，并且 加入本說明書中，構成本說明書的一部分，其闡明本發(fā)明的實施方式， 并與說明書一起用于解釋本發(fā)明的原理。在附圖中0010圖1A和lB說明鈷-鎢濺射靶橫截面的顯微結構，顯示鈷和鴿元素相的偏析。0011圖2A和2B說明鈷-鴇濺射耙橫截面的顯微結構，顯示克 肯達爾多孑L性(Kirkendall porosities )。0012圖3A說明鈷-鴇濺射靶橫截面的顯微結構，顯示在其金 屬間相存在的過多微裂紋。0013圖3B說明鈷-鴇濺射靶橫截面的顯微結構，顯示在其不 完全燒結的鎢相存在的孔隙。0014圖4說明根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的60Co-40W濺射靶 橫截面的顯微結構。0015圖5A和5B說明根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的60Co-40W濺射靶橫截面的顯微結構。0016圖6說明根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的40Co-60W濺射靶 橫截面的顯微結構。0017圖7是說明根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的濺射靶制造方法的流程圖。
具體實施例方式
0018在下面的詳細描述中，提出了許多具體的細節(jié)，以提供 對于本發(fā)明的充分理解。然而，對本領域普通技術人員而言，顯而易 見的是本發(fā)明可以在沒有這些具體細節(jié)中的一些的情況下實施。另一 方面，熟知的結構和技術沒有詳細顯示，以免不必要地混淆本發(fā)明。
0019制造全密度鈷-鎢濺射靶的一種方法涉及提高熱等靜壓 (hot isostatic press(HIP))的溫度和持續(xù)時間，以減少富鎢區(qū)域中孔隙的 存在。然而，該方法的一個缺陷是金屬間相的過多形成，致使合金過 分脆性和堅硬，而不能在沒有破裂的情況下機械加工。增加HIP的時 間和溫度的另一缺陷是克肯達爾多孔性的形成。然而，為避免這些問 題而減小HIP的溫度和時間阻礙了靶的富鎢區(qū)域固結，在這些區(qū)域留 下降低耙最終密度的孔隙，如圖3B所示。這些孔隙，與也可能形成的 連通微孔和不期望的大的微裂紋一起可以使液體或濕氣浸入靶體中， 導致形成Co/W氧化物或氫氧化物。這些氧化物和氫氧化物造成靶的 腐蝕，從而降低其濺射性能。因此，這些方法不能生產(chǎn)免于氧化、腐 蝕、破裂和相偏析的全密度鈷-鎢濺射靶。
0020例如，圖1A和1B是說明使用一種方法制造的濺射靶中 鈷和鎢元素相偏析的顯微照片。參見圖1A (以及圖1B所提供的放大 圖)可見，顏色較淡的鎢元素相101在許多地方被鈷元素相102的寬 闊區(qū)域分隔，致使濺射靶是化學非均相的，從而不適合濺射均一的鈷-鉤膜。圖2A和2B是說明使用該方法制造的濺射靶中大量微孔的顯微 照片。參見圖2A (以及圖2B所提供的放大圖)可見，鈷-鎢金屬間相 201充滿了克肯達爾微孔202。這些微孔阻礙濺射靶被全致密化，并可 能對濺射性能具有不利影響。
0021參看圖3A，可以清楚地看見微裂紋，其顯著地降低一種 鈷-鎢濺射靶制造方法的產(chǎn)率。例如，金屬間區(qū)域301具有數(shù)條大的(例 如150微米以上)裂紋302存在，其中幾條已向遠處擴散，以致形成 裂紋網(wǎng)，水分可能浸入其中，致使氧化物和/或氫氧化物形成并促進腐 蝕。進一步，圖3A的濺射靶顯示了大量的微孔303，其阻礙濺射靶被全致密化(例如，致密化至其組成的最大理論密度的99%以上)。圖 3B同樣說明一些鈷-鎢濺射靶的缺陷，其中鎢元素相304未能完全燒 結，形成了孔隙305，水分同樣可能浸入其中，并且同樣阻礙濺射靶被 全致密化。0022根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式，提供了克服上述問題的鈷-鎢濺射靶。圖4是說明根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的這種耙的顯微結構 的顯微照片。濺射靶400包括60原子百分比(at.%)的鈷和40at.。/o的 鎢(即濺射靶400是60Co-40W靶)。從圖4可見，濺射靶400的鈷和 鎢以元素相和金屬間相存在。具體而言，濺射靶400包括元素鎢相 (該單色顯微照片中的最亮區(qū)域)，例如元素鎢相401; W-Co金屬間 相，其中鎢的原子百分比超過鈷的原子百分比，例如W-Co金屬間相 402; Co-W金屬間相，其中鈷的原子百分比超過鎢的原子百分比，例 如Co-W金屬間相403;以及元素鈷相(該顯微照片中的最暗區(qū)域)， 例如元素鈷相404。0023為本申請的目的，"元素相(elemental phase)"可以被理 解為保持其元素特性(即不是合金)的濺射靶區(qū)域，并且是與一個或 多個元素微粒相關的物理結構，所述微粒被下面關于圖7所詳細描述 的制造方法所燒結。然而，當多個元素微粒被燒結在一起，形成連續(xù) 結構時，"元素相"也可以被理解為包括該較大的結構。例如，圖4中 標為405的元素鈷的大的暗區(qū)域可以被看作單個元素相(因為它是保 持其元素特性的連續(xù)結構)，或者可選地，該區(qū)域405可以被看作許多 連續(xù)的元素相，每一個對應于單個元素鈷微粒。因此，下面給出的關于鈷和鎢的元素相的示例性尺寸應被適當?shù)乩斫?，以便應用于元素?——其對應于在制造過程中燒結的單個元素微粒，或連續(xù)元素區(qū)域一 一其對應于在制造過程中燒結的多個元素微粒。0024參考圖4中的比例可見，鴇和鈷元素相(分別如相401 和404)為10至150微米之間的寬度(例如這些相橫截面的尺寸為10 至150微米之間)。更具體而言，在各種實施方式中，這些元素相可以 是10至50微米、50至100微米或100至150微米。類似地，Co-W和 W-Co金屬間相如相402和403可以形成包裹或圍繞元素相的層。這些 層為10到100微米的寬度(例如這些相橫截面的尺寸在10到100微米之間)。更具體而言，在根據(jù)本示例性實施方式的該60Co-40W濺射 靶400中，許多Co-W金屬間相形成圍繞元素鈷相的層(例如，大約 20至100微米厚)。同樣地，許多W-Co金屬間相形成圍繞元素鴇相的 層(例如，大約10至80微米厚)。
0025如比較圖4與圖1A和1B明顯可見，其它鈷-鴇濺射耙所 遇到的相偏析在根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式制造的濺射耙中得以克 服。更準確而言，濺射耙400的顯微結構在其整個寬度和整個厚度(即 在濺射方向)上是基本均勻的。而且，由于金屬間相的體積分數(shù)得以 優(yōu)化(例如，金屬間相具有10到100微米的寬度)，靶享有可加工性 和機械強度(例如抗破裂性)的水平，這使其可被任何一種本領域技 術人員所知的許多機械加工技術形成任何期望的最終形狀(例如，圓 柱形、圓形、直線形等)。如下面參考圖5A和5B可見，濺射靶400 與其它鈷-鎢濺射靶相比，享有許多附加益處。
0026圖5A是提供了濺射靶400的更高倍放大圖的顯微照片。 如從圖5A可見，W-Co金屬間相501和502基本沒有在圖3A的濺射 耙中可見的大的微裂紋。例如，平均而言，圖5A中濺射靶400的橫截 面具有每平方毫米20條以下的裂紋，并且這些極少的裂紋的平均長度 在150微米以下。類似地，濺射靶400的其它橫截面也將具有每平方 毫米20條以下的裂紋，這些極少的裂紋的平均長度在150微米以下。 根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式，濺射靶可以在靶的任何橫截面部分或在 整個靶的任何完整橫截面，具有每平方毫米20條以下的裂紋，這些裂 紋的平均長度在150微米以下。
0027進一步，參考圖5B可見，濺射靶400在其元素鎢區(qū)域基 本沒有孔隙。例如，在圖5B所示的橫截面中，平均而言，元素鎢區(qū)域 503和504具有每平方毫米10個以下的孔隙，這些極少的孔隙的平均 大小在5微米以下。類似地，濺射靶400的其它橫截面也將具有每平 方毫米10個以下的孔隙，這些極少的孔隙的平均大小在5微米以下。 根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式，濺射靶可以在靶的任何橫截面部分或在 整個耙的任何完整橫截面，具有每平方毫米10個以下的孔隙，這些孔 隙的平均大小在5微米以下。該基本沒有孔隙和基本沒有裂紋的顯微 結構的結果是，濺射靶400的密度在60Co-40W合金的最大理論密度的99%以上。該全致密化的顯微結構有助于阻止濺射耙400經(jīng)受其它 濺射靶所遭受的氧化和腐蝕。最后，濺射靶400基本沒有在圖2A和 2B的濺射靶中如此顯著可見的克肯達爾多孔性。0028參見圖6，說明了根據(jù)本發(fā)明另一實施方式的濺射耙。濺 射靶600包括40原子百分比(at.%)的鈷和60沈％的鎢(即濺射靶600 是40Co-60W靶)。參見圖6可見，濺射耙600的鈷和鴇以元素相和金 屬間相存在。具體而言，濺射耙600包括元素鴇相(該單色顯微照 片中的最亮區(qū)域)，例如元素鎢相601; W-Co金屬間相，其中鉤的原 子百分比超過鈷的原子百分比，例如W-Co金屬間相602; Co-W金屬 間相，其中鈷的原子百分比超過鎢的原子百分比，例如Co-W金屬間 相603;以及元素鈷相(該顯微照片中的最暗區(qū)域)，例如元素鈷相604。0029參考圖6中的比例可見，鴇和鈷元素相例如相601和604 為5至150微米之間的寬度(例如這些相橫截面的尺寸為5至150微 米之間)。根據(jù)本發(fā)明的各種其它實施方式，濺射靶可以具有橫截面尺 寸在大約10至100微米、大約10至50微米、大約50至100微米或 大約100至150微米之間的元素相。0030類似地，Co-W和W-Co金屬間相如相602和603為10 到100微米的寬度(例如這些相橫截面的尺寸在10到100微米之間)。 更具體而言，在該40Co-60W濺射靶600中，許多Co-W金屬間相形 成圍繞元素鈷相的層(例如，大約20至80微米厚)。同樣地，許多 W-Co金屬間相形成圍繞元素鎢相的層(例如，大約20至60微米厚)。 根據(jù)本發(fā)明的各種其它實施方式，濺射靶可以具有厚度在大約20至50 微米、大約50至100微米、大約40至80微米或大約10至90微米之 間的金屬間相。0031雖然前述示例性實施方式被描述為"鈷-鎢"濺射靶，但 該描述詞并不意欲意味鈷比鎢具有更大的原子百分比。更準確地，本 文所用的術語"鈷-鎢"包括了所有包含具有任何相對百分比的鈷和鎢 的組成，包括其中鎢的含量大于鈷的含量的組成。0032雖然前述示例性實施方式被描述為具有兩種元素相和兩 種金屬間相，但本發(fā)明的范圍并不限于這種情況。更準確而言，在本 發(fā)明的其中濺射靶具有足夠低的鈷或鎢的原子百分比的實施方式中，在濺射靶中可能不存在較少元素的元素相。因此，在本發(fā)明的各種實 施方式中，濺射靶可以具有四相(即元素Co、金屬間相CO-W、金屬
間相W-Co和元素W)或僅具有三相(即金屬間相Co-W、金屬間相 W-Co和元素Co或元素W)。
0033參見圖7，圖解說明了闡明根據(jù)本發(fā)明一種實施方式的濺 射靶制造方法流程圖。該方法開始于步驟701，其中鈷粉末和鎢粉末被 摻和，形成摻和粉末。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，鈷粉末和鉤粉末都具 有基本上等同的粉末大小分布(即粉末粒徑的分布或范圍)。例如，圖 4至5B所示的濺射靶400由各具有大約+325目至大約-100目(即大約 44微米至大約149微米)的粒徑分布(particle size distribution(PSD))的 鈷粉末和鎢粉末制得。成分粉末PSD的相匹配阻止了圖1A和1B所示 的不期望偏析的發(fā)生。除確保各種粉末的PSD與其它粉末的PSD匹配 外，仔細選擇兩種粉末的PSD還可以提供均勻的顯微結構，并阻止過 多的金屬間相形成。例如，選擇包括過小(例如<+625目或<20微米) 微粒的PSD提供了在鈷元素和鴇元素之間的過大表面積，導致過多金 屬間相的形成和可加工性的伴隨喪失。選擇包括過大(例如>-60目或 > 250微米)顆粒的PSD將使得非均勻顯微結構形成，降低了從靶上
濺射的膜的均勻性和化學均一性。因此，根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式， 大約+625目至大約-60目(即大約20微米至大約250微米)的粒徑分 布在步驟701中摻和。
0034根據(jù)本發(fā)明的一種實施方式，使用轉鼓型摻和器，摻和 10到120分鐘。例如，圖4至5B所示的濺射靶400的成分粉末在轉 鼓型摻和器中摻和大約45分鐘。
0035該方法繼續(xù)步驟702,其中來自步驟701的摻和粉末被罐 裝并脫氣。例如，摻和粉末可以被裝入鋼圓筒中，并置于近真空條件 下，以在加熱前從摻和粉末中抽去任何大氣(或其它)氣體，確保最 終的濺射靶被全致密化。
0036在步驟703，對脫氣的摻和粉末進行熱壓制(例如，通過 熱等靜壓法)。熱等靜壓(HIPing)包括加熱到大約50(TC至大約1050 。C之間的第一恒定溫度，并且保持在該溫度下大約15分鐘至120分鐘。 然后，通過加熱到大約1050。C至145(TC之間的第二恒定溫度，并加壓至大約15千磅/平方英寸(ksi)至大約45 ksi之間的壓力，繼續(xù)熱等靜 壓(HIPing)。保持該壓力和溫度大約20至360分鐘。然后，在控制 的速率下冷卻靶，并將其從罐中卸下。當然，除了這些公開的時間和 溫度外，其它保溫時間及溫度也可使用。
0037例如，圖4至5B所示的濺射靶400被采用三步法進行熱 等靜壓燒結(HIPed)。首先，脫氣的摻和粉末被加熱到大約80(TC，并 保持在該溫度下大約60分鐘。其次，將它們加熱到大約105(TC，加壓 至大約29ksi，并保持在該溫度和壓力下大約240分鐘。然后，將它們 加熱到大約1236"C，繼續(xù)在大約29 ksi下加壓，并保持在該溫度和壓 力下大約60分鐘。在這三次恒溫之后，以大約2。C/min的速率從大約 1236r進行控制冷卻至大約800°C。大約800。C的溫度被保持大約60 min，然后以大約3'C/分鐘的速率從大約80(TC進行控制冷卻至大約400 °C。達到大約40(TC的溫度后，將加熱機構斷電，并在冷卻到30(TC以 下后將致密固體從罐中移出。
0038在步驟704，步驟703中形成的致密固體被機械加工成期 望的最終尺寸。由于在步驟701細心選擇了粉末的PSD，因此該致密 固體不含過多的金屬間相，從而不像其它鈷-鎢濺射靶一樣在機械加工 過程中容易破裂。這使得該致密固體可被機械加工成任何所需形狀(例 如圓柱形、圓形、直線形等)。
0039在步驟705，濺射耙在本領域技術人員熟知的方法中被濺 射。由于本發(fā)明各實施方式的濺射靶所共有的前述優(yōu)勢，由該濺射靶 濺射的鈷-鎢膜的均一性和產(chǎn)率比起其它鈷-鎢濺射靶得到大大提高。
0040雖然本發(fā)明通過參考各圖和實施方式而被具體描述，但 是應當理解，這些僅為闡明之目的，而不應被看作限制了本發(fā)明的范 圍。可能存在實施本發(fā)明的許多其它方式。本領域的普通技術人員在 不偏離本發(fā)明的精神和范圍的情況下可以對本發(fā)明進行許多改變和修 飾。
權利要求
1. 一種制造濺射靶的方法，所述方法包括以下步驟選擇具有粒徑分布的鈷粉末和具有相同粒徑分布的鎢粉末；將所述鈷粉末和鎢粉末摻和在一起，形成摻和粉末；罐裝所述摻和粉末；熱壓所述摻和粉末，形成固體；以及機械加工所述固體，形成濺射靶。
2. 權利要求1所述的方法，其中所述固體具有其最大理論密度的 99%以上的密度。
3. 權利要求1所述的方法，其中所述粒徑分布在大約20微米至 250微米之間。
4. 權利要求l所述的方法，其中所述粒徑分布在大約40微米至 150微米之間。
5. 權利要求l所述的方法，其中所述熱壓是熱等靜壓，其包括 加熱到大約50(TC至大約105(TC之間的第一恒定溫度， 保持在所述第一恒定溫度下大約15分鐘至120分鐘， 加熱到大約105(TC至1450。C之間的第二恒定溫度，并加壓至大約15ksi至大約45ksi之間的壓力，和保持在所述第二恒定溫度和所述大約15 ksi至大約45 ksi之間的壓 力下大約20分鐘至360分鐘。
6. 權利要求l所述的方法，其中所述熱壓是熱等靜壓，其包括 加熱到大約800°C，并保持在大約80(TC下大約60分鐘， 加熱到大約1050。C，加壓至大約29ksi，并保持在大約105(TC和大約29ksi下大約240分鐘，和加熱到大約1236。C，保持大約29ksi的壓力，并保持在大約1236 t:和大約29 ksi下大約60分鐘。
7. 權利要求6所述的方法，其中所述熱等靜壓進一步包括以大約2'C/分鐘的速率從大約1236。C冷卻至大約800°C，保持在大約80(TC下大約60 min，和以大約3t:/分鐘的速率從大約80(TC冷卻至大約400°C。
8. 權利要求l所述的方法，其中所述鈷粉末是元素鈷的粉末。
9. 權利要求l所述的方法，其中所述鎢粉末是元素鎢的粉末。
10. 權利要求1所述的方法，進一步包括濺射所述濺射靶以形成 包含鈷和鎢的膜的步驟。
11. 一種膜，其按照權利要求10所述的方法濺射制得。
12. —種鈷-鴇濺射靶，其包括 第一材料的第一元素相，所述第一材料是鈷或鎢； 包括所述第一材料和第二材料的第一金屬間相，所述第二材料是鈷或鎢并且不同于所述第一材料，所述第一材料比所述第二材料具有更大的原子百分比；和包括所述第二材料和所述第一材料的第二金屬間相，所述第二材料比所述第一材料具有更大的原子百分比，其中所述濺射靶包括20-80 at.。/。的鈷，并且 其中所述濺射靶的密度為其最大理論密度的99%以上。
13. 權利要求12所述的濺射靶，其中所述第一金屬間相是圍繞所 述第一元素相的層。
14. 權利要求12所述的濺射靶，進一步包括所述第二材料的第二 元素相。
15. 權利要求14所述的濺射靶，其中所述第二金屬間相是圍繞所述第二元素相的層。
16. 權利要求14所述的濺射耙，其中所述第二元素相具有大約5 微米至大約150微米之間的橫截面尺寸。
17. 權利要求12所述的濺射耙，其中所述第一元素相具有大約5 微米至大約150微米之間的橫截面尺寸。
18. 權利要求12所述的濺射靶，其中所述第一金屬間相和所述第 二金屬間相的每一種具有大約IO微米至大約100微米之間的厚度。
19. 權利要求12所述的濺射靶， 的鈷。
20. 權利要求12所述的濺射靶， 均為每平方毫米10個以下的孔隙。
21. 權利要求20所述的濺射靶， 平均大小。
22. 權利要求12所述的濺射靶， 均為每平方毫米20條以下的裂紋。其中所述濺射靶包括40-60 at.% 其中所述濺射靶的橫截面包含平 其中所述孔隙具有5微米以下的 其中所述濺射靶的橫截面包含平
23.權利要求22所述的濺射靶，其中所述裂紋具有150微米以下 的平均長度。
全文摘要
提供了濺射靶，其具有第一材料的第一元素相，所述第一材料是鈷或鎢；包括所述第一材料和第二材料的第一金屬間相，所述第二材料是鈷或鎢并且不同于所述第一材料，所述第一材料比所述第二材料具有更大的原子百分比；和包括所述第二材料和所述第一材料的第二金屬間相，所述第二材料比所述第一材料具有更大的原子百分比。該濺射靶包括20-80at.％的鈷，并且具有其最大理論密度的99％以上的密度。該濺射靶通過以下步驟制造選擇具有相同粒徑分布的鈷粉末和鎢粉末；將所述鈷粉末和鎢粉末摻和在一起，形成摻和粉末；罐裝所述摻和粉末；熱壓所述摻和粉末，形成固體；以及機械加工所述固體，形成濺射靶。
文檔編號C23C14/06GK101220453SQ20071010488
公開日2008年7月16日 申請日期2007年5月24日 優(yōu)先權日2007年1月11日
發(fā)明者A·達斯, B·孔克爾, F·楊, S·R·肯尼迪 申請人:賀利氏公司