專利名稱：濺射靶、濺射反應器、形成鑄錠及形成金屬體的方法
技術領域：
本發明涉及一種形成鑄錠的方法，還涉及形成高純度金屬體的方法。此外，本發明涉及形成濺射靶的方法和濺射靶的結構。另外，本發明還涉及濺射反應器組件。特別地，本發明涉及濺射靶結構，其主要由非磁性材料構成，或由非磁性材料構成。
背景技術：
物理氣相沉積(PVD)是一種用于半導體加工工藝形成薄層材料的常用方法。PVD包括濺射過程。在PVD加工示例中，陰極靶暴露于高強度粒子束下。高強度粒子束撞擊靶表面，使材料從靶表面濺射出，材料然后落到半導體基底，在整個基底形成材料薄膜。
當采用PVD試圖在具有各種波動變化特征的半導體基底表面得到均勻厚度薄膜的過程中遇到許多困難。已經進行了許多實驗試圖通過靶的幾何形狀來解決這些問題。現在可以從市場買到許多種幾何形狀的靶。下面參考圖1到8介紹示例性的靶幾何形狀。圖1和2分別顯示Applied Materials Self Ionized Plasma PlusTM靶結構10的透視圖和側視截面圖。圖3和4分別顯示Novellus Hollow CathodeMagnetronTM靶結構12的透視圖和側視截面圖。圖5和圖6分別顯示Honeywell，International EndureTM靶結構14的透視圖和側視截面圖。最后，圖7和8分別顯示平面靶結構16的透視圖和側視截面圖。
圖2、4、6和8的各側視截面圖顯示出水平尺寸X和垂直尺寸Y。如果靶是所謂的三維靶或二維靶，可確定Y與X的比例。具體地，各個靶一般有大約15英寸到大約17英寸的水平尺寸X。AppliedMaterialsTM靶(見圖2)一般有大約5英寸的垂直尺寸Y。NovellusTM靶(見圖4)一般有大約10英寸的垂直尺寸。EndureTM靶(見圖6)一般有大約2英寸到大約6英寸的的垂直尺寸。平面靶(見圖8)一般有小于或等于大約1英寸的垂直尺寸。為了便于介紹本技術說明和后面的權利要求，如果垂直尺寸Y與水平尺寸X的比大于或等于0.15，將認為是三維靶。在本發明的特定方面，三維靶的垂直尺寸Y與水平尺寸X的比大于或等于0.5。如果垂直尺寸Y與水平尺寸X的比小于0.15，認為靶是二維的。
可以認為Applied MaterialsTM靶(見圖2)和NovellusTM靶(見圖4)具有復雜的三維幾何形狀。靶具有這樣的幾何形狀將難以制成單塊靶。Applied MaterialsTM靶(見圖2)和NovellusTM靶(見圖4)都具有這樣的幾何特征，即包括至少一個具有兩個相對端部13，15的杯狀件11。端部15有開口，端部13是封閉的。杯狀件11具有延伸的中空部分19。此外，每個杯狀件1有內(或內部)表面21，形成中空部分19周邊；還有與內表面相對的外表面23。外表面23圍繞杯狀件11延伸，在角部25包圍封閉的端部13。靶10和12分別有由外表面形成的在兩個端部13和15之間延伸的側壁27。圖2和4的靶10，12都具有圍繞側壁延伸的凸緣結構29。圖4的靶12與圖2的靶10的差別在于，靶10在中心有向下延伸的空腔17，使靶10的杯狀件11小于靶12的狀杯件。
可使用圖2的Applied MaterialsTM靶10的示例性濺射裝置在美國專利No.6,251,242公開。這種裝置在圖9中示意性地顯示。具體地，圖9顯示了磁控管等離子濺射反應器200，其設有濺射靶10。圖9將采用與圖2不同的符號和數字對靶10進行介紹。
反應器200包括圍繞中心線204對稱設置的磁控管202。靶10，或至少其內表面，由要進行濺射沉積的材料構成。靶可包括如鈦、鉭或高純度銅。靶10包括具有向下環形面的頂部206(即圖2中顯示的中空部分19)，其面對被濺射涂復的晶片208。頂部206可具有不同的結構，如朝下的環形槽。頂部206的高寬比，即深度與徑向寬度比至少為1∶2，在特定的場合至少是1∶1。頂部的外側壁210大于晶片208的外周邊，內側壁212位于晶片208上方，還設有通常為平面的頂壁或頂面216。靶10包括形成柱體218的中心部分，其包括內側壁212和一般為平面的表面220，表面220平行相對晶片208。靶10的凸緣29與反應器200的主體222形成真空密封。
磁控管反應器200包括一個或多個內磁鐵224和一個或多個外磁鐵226，其中內磁鐵具有第一垂直磁極化，外磁鐵具有與第一磁極化相對的環形設置的第二垂直磁極化。磁鐵224和226可以是永久磁鐵，因此可以由強鐵磁材料制成。內磁鐵224設置在圓柱形中心孔228中(即圖2中的空腔17)，中心孔228在靶內側壁212的相對部分之間形成，外磁鐵226一般設置在靶外側壁210的徑向外面。圓形的磁軛230磁性偶合內外磁鐵224和226的頂部。磁軛可由軟磁材料如順磁材料構成，這種材料可被磁化，形成磁鐵224和226所產生磁性的磁路。
軟磁材料的圓柱形內磁極片232與內磁鐵224下端對接，在靠近靶內側壁212的靶孔228中延伸一定深度。磁極片230和232的尺寸應設計成能夠形成某磁場(用頂部206中的虛線箭頭顯示)，該磁場基本正交于相應的磁鐵224和226所形成的磁場。因此，該磁場還基本與靶頂部的側壁210和212正交。
反應器200包括真空腔體222，其上設置電介質的靶絕緣體(未顯示)。晶片208可通過適當的機構，比如夾環(未顯示)，夾持到加熱器基座電極250。一般還要設置電接地的屏蔽件(未顯示)，用作與陰極靶相對的陽極，以及設置電源(未顯示)使陰極靶具有負偏壓。可用于圖9裝置的多種屏蔽件和電源可參考美國專利No.6,251,242。
設有穿過腔體222的端口252，可使用真空泵系統254通過端口252對反應腔200抽真空。使用射頻電源256對基座250建立射頻偏壓。還設置了控制器258對裝置200各方面，如射頻控制器256和真空泵254，進行調節，如圖所示。
希望形成的濺射靶具有很小的平均晶粒尺寸。通常發現與具有較大晶粒的相同材料相比，采用較小平均晶粒尺寸材料的靶可產生更均勻的沉積膜。一種較小晶粒尺寸對沉積膜均勻性影響的假設機理認為，與大晶粒尺寸相比，小晶粒尺寸可減少短時電弧(Micro-arcing)問題。通過較小晶粒尺寸材料可實現沉積膜均勻性的改進，導致了將小晶粒尺寸材料應用到濺射靶。已經發現，只須在材料形成時使靶材料承受高壓，兩維濺射靶中就能形成較小晶粒尺寸。由于兩維靶基本是平面的，能夠容易地將高壓技術結合到形成兩維靶的過程中。相反地，已經證明難以形成小晶粒尺寸的三維靶。因此，非常希望能夠形成具有如圖2和圖4所示復雜幾何形狀的單塊銅靶，同時希望其具有較小的晶粒尺寸。
許多材料都可以用于形成濺射靶，示例性材料有金屬材料(如包括銅、鎳、鈷、鉬、鉭、鋁和鈦中一種或多種的材料)，其中有些材料可以是非磁性的。非常希望濺射靶采用高純度銅材料(高純度是指銅材料的純度至少為99.995％重量)。高純銅材料通常用于半導體制造工藝，可形成與半導體電路相連的互連件。非常希望能開發出可形成高純度的平均晶粒尺寸小于或等于大約250微米的三維銅靶的工藝。
發明內容
一方面，本發明提出了一種形成金屬體如濺射靶的方法。金屬體的金屬是銅、鎳、鈷、鉭、鋁和鈦中的一種或多種。在特定實施例中包括鉭、鈦和銅。在一特定方面，本發明包括一種形成高純度銅金屬體的方法。制備銅錠材料，該銅錠具有的銅純度為至少99.995％重量，并具有大于250微米的原始晶粒尺寸及原始厚度。在大約700°F到大約1100°F的溫度及足夠的壓力和時間等條件下對銅錠進行熱鍛壓，使金屬錠的原始厚度減少了大約40％到90％。對所述熱鍛壓產品進行淬火，將高純度銅材料的平均晶粒尺寸固定在小于250微米。平均晶粒尺寸也可以固定在小于200微米，甚至固定在小于100微米。特別地，用淬火材料可形成三維物理氣相沉積靶。
在另一方面，本發明提出一種形成鑄錠的方法。提供具有內部空腔的模具。用熔化金屬材料的第一次充填部分對所述內部空腔進行部分充填。對所述內部空腔中的熔化材料的第一次充填部分進行冷卻，使熔化材料的第一次充填部分部分固化。當熔化材料的第一次充填部分只是部分固化時，用熔化材料的第二次充填部分至少部分充填所述空腔的余下部分。對空腔中熔化材料的第一和第二次充填部分進行冷卻，形成包括第一和第二次充填部分的鑄錠。在一特定方面，鑄錠是高純度銅材料。
另一方面，本發明提出了具有特定幾何形狀的各種靶結構，其平均晶粒尺寸小于約250微米。
另一方面，本發明提出了各種單塊銅靶結構，其中銅的平均晶粒尺寸小于250微米。
下面通過參考附圖對本發明的優選實施例進行介紹。
圖1是現有技術的Applied MaterialsTM濺射靶的透視圖；圖2是圖1所示濺射靶的側視截面圖；圖3是現有技術的NoveliusTM中空陰極濺射靶的透視圖；圖4是圖3所示濺射靶的側視截面圖；圖5是現有技術的Honeywell International EnduraTM濺射靶的透視圖；圖6是圖5所示濺射靶的側視截面圖；圖7是現有技術的平面濺射靶的透視圖；圖8是圖7所示濺射靶的側視截面圖；圖9是現有技術的磁控管濺射反應器的示意性截面圖；圖10是在本發明方法的初始加工步驟的鑄錠的透視圖；圖11是圖10鑄錠進行熱鍛壓的視圖；圖12是經過圖11的熱鍛壓得到的熱鍛壓產品的視圖；圖13是圖12產品的側視截面圖，顯示了通過對圖12產品機械加工得到的三維靶形狀；圖14是放置到壓力機中的圖12產品的側視截面圖，壓力機可使圖12的產品形成三維靶形狀；圖15是處于圖14步驟后的工藝步驟的圖14裝置的視圖，顯示了從圖12熱鍛壓產品得到的三維靶形狀；圖16是根據本發明的濺射靶幾何形狀的第一實施例的示意性截面圖；圖17是根據本發明的濺射靶幾何形狀的第二實施例的示意性截面圖；圖18是根據本發明的濺射靶幾何形狀的第三實施例的示意性截面圖；圖19是本發明的包括濺射靶幾何形狀第一實施例的磁控管濺射反應器的示意性截面圖；圖20是現有技術的鑄錠的示意性截面圖；圖21是根據本發明的方法形成鑄錠的裝置的示意性截面圖；圖22是處于圖21步驟后的工藝步驟的圖21裝置的視圖；圖23是處于圖22步驟后的工藝步驟的圖21裝置的視圖；圖24是根據本發明的方法形成的鑄錠的示意性側視截面圖。
具體實施例方式
一方面，本發明提出了一種形成晶粒尺寸小于250微米的的金屬體的方法，晶粒尺寸小于200微米更好，最好是小于100微米。參考附圖10到15對該實施例進行介紹。先參考圖10，其顯示了金屬材料錠20。在特定的實施例中金屬錠20可包括鑄錠。金屬錠20的示例成分有銅、鎳、鈷、鉭、鋁和鈦中的一種或多種，一種適當的材料是純度至少為99.995％重量的銅。金屬材料可包括由銅、鎳、鈷、鉭、鋁和鈦中一種或多種組成的合金，如純度至少為99.9995％重量的鈦/鍺合金。金屬錠20基本為圓柱形，其直徑為D，厚度為T。厚度T可視為金屬錠20的原始厚度。金屬錠20的形狀可看作基本圓柱形，可能與標準圓柱形存在很小偏差。金屬錠20還包括相對的端部22和24。端部22可稱為第一端，端部24可稱為第二端。
參考圖11，金屬錠20置于鍛壓裝置30中。可認為裝置30是在進行熱鍛壓，因為該裝置最好設計成在高于室溫的溫度下鍛壓金屬錠20。金屬錠20一般在大部分金屬處于約700°F到大約1100° F的溫度下進行鍛壓。大部分金屬錠最好是處于大約850°F到大約1050℃的溫度(用語“大部分”表示大于或等于坯塊質量的95％)。
可認為裝置30包括可在金屬錠20的兩端22和24加壓的壓力機。裝置30包括第一部分32和相對的第二部分34。在操作中，金屬錠20置于第一和第二部分32，34之間，第一端22靠近并面對第一部分32，第二端24靠近并面對第二部分34。第一和第二部分32，34然后相對移動，對位于其間的金屬錠20加壓。第一和第二部分32，34的移動在圖11中用箭頭37顯示，其中箭頭37顯示出部分32朝部分34移動。應當知道第一和第二部分32，34的移動還包括部分34朝部分32移動，及兩個部分32和34互相相對移動。金屬錠20的鍛壓最好在足夠壓力下進行，并持續足夠長的時間，使金屬錠的原始厚度減少40％到90％(即將金屬錠的厚度減到原始厚度的大約10％到大約60％)。
熱鍛壓使金屬錠20轉變為熱鍛壓產品(見圖12)。鍛壓金屬錠20的適當壓力為小于或等于大約10,000磅/平方英寸(psi)，示例性壓力大約為9,700psi。在本發明的特定過程中，金屬錠20的直徑D大約為10英寸，大約為1100噸的壓力施加到端部22和24的整個表面。
一般地，如果金屬錠是鑄錠，金屬錠20的原始平均晶粒尺寸大約為10,000微米，通過本發明的熱鍛壓，晶粒尺寸可減少到小于或等于250微米或200微米，甚至是100微米。例如，通過在小于1小時的時間將高純銅金屬錠20的厚度減少到初始厚度的大約30％的示例性工藝過程，得到的熱鍛壓產品在淬火到大約70°F后測得的平均晶粒尺寸為大約85微米到大約90微米。
對于通過圖11加壓過程得到的熱鍛壓產品，影響最終晶粒尺寸的因素之一是壓力的持續時間。具體地，在金屬錠20承受較高溫度的情況下，可選擇熱鍛壓時間為大約15分鐘到大約3小時之間，最好為大約30分鐘到大約1小時。此外，金屬錠20厚度減少量可影響最終平均晶粒尺寸。具體地，已經發現如果金屬錠20厚度減少量小于60％，得到的晶粒尺寸會增加100微米以上。例如，已經發現如果高純度銅材料的厚度減少50％，得到的平均晶粒尺寸為200微米，而當厚度減少大約60％到90％，得到的平均晶粒尺寸在大約100微米或更小。熱鍛壓的溫度包括在爐中將金屬錠20加熱到大于700°F(最好大于800°F)的要求溫度，然后在保持金屬錠20大部分(可認為金屬錠大部分的含義是大于或等于金屬錠質量的大約95％)的溫度大于700°F(最好大于800°F)的條件下對金屬錠進行熱鍛壓。熱鍛壓溫度的持續時間包括金屬錠20保持在爐中溫度下的時間，以及金屬錠在所要求的溫度下進行熱鍛壓的時間。
在所顯示的實施例中，潤滑材料36和38分別設置在金屬錠20與裝置30的第一和第二部分32，34之間。潤滑材料36和38最好是固體潤滑件，例如石墨片。最好選擇固體潤滑而不是液體潤滑，因為發現固體潤滑更適合本發明的熱鍛壓工藝的高溫條件。在非優選的實施例中，也可使用液體潤滑。但是，已經發現液體潤滑一般在本發明的工藝條件下會燃燒。
石墨片36最好具有大約0.01英寸到大約0.100英寸的厚度，優選的厚度是大約0.030英寸到大約0.060英寸。石墨片38具有類似的優選范圍。已經發現如果石墨片36或石墨片38的厚度小于0.01英寸，就會在本發明的工藝過程中斷裂。如果石墨片的厚度大于0.100英寸，就會通過將自身的機械性能作用到工藝過程來影響鍛壓過程。石墨片的機械性能作用到工藝過程可破壞工藝條件的重現性，還使金屬錠20端部的平均晶粒尺寸不同于金屬錠20內部區域(在端部之間的區域)的平均晶粒尺寸。可通過將多個薄片石墨互相疊放來得到所要求的厚度，得到大約為0.030英寸到大約0.060英寸的厚度。或者使用具有所要求厚度的單片固體潤滑片。
金屬錠在裝置30中進行鍛壓后，得到的熱鍛壓產品進行淬火，使產品的平均晶粒尺寸固定到小于250微米、200微米、甚至100微米。用語“固定”表示淬火后材料的平均晶粒尺寸停止改變，更具體地，倘若該材料能保持在100°F以下，材料的平均晶粒尺寸仍保持固定不變。如果材料重新加熱到100°F以上，尤其是溫度超過150°F，材料的平均晶粒尺寸開始增加。熱鍛壓產品進行淬火一般發生在從壓力機30中取出熱鍛壓產品后大約15分鐘內，一般是將整個熱鍛壓產品溫度降到小于或等于大約150°F。這可通過將熱鍛壓產品浸入室溫(大約70°F)下的液體槽中來實現。在本發明的優選實施例中，在將熱鍛壓產品從壓力機30取出后的大約15分鐘內，整個熱鍛壓產品的溫度降低到小于或等于大約750°F。
圖12顯示了裝置30(見圖11)中的金屬錠20(見圖10)進行熱鍛壓后得到的熱鍛壓產品。產品40基本為圓柱形，具有直徑E和厚度W，厚度W最好是金屬錠20(見圖10)原始厚度T的大約10％到大約40％。產品40包括金屬錠20的相對端部22和24，該端部現在的直徑是E，該直徑大于金屬錠20的直徑D。
熱鍛壓產品40可形成濺射靶。參考圖13介紹熱鍛壓產品40形成濺射靶的示例性方法。具體地，產品40以側視截面圖顯示，顯示出靶結構42包含在產品40中。靶結構42近似對應于圖1和圖2的三維靶10。然而應當知道，靶結構42可對應于其他結構，例如，二維靶結構，或圖3到6中的三維靶結構12和14。產品40包括圍繞靶結構42的材料44。可通過機械加工工藝去除材料44，留下靶結構42。
參考圖14和圖15介紹另一利用產品40形成靶結構的方法。先參考圖14，將熱鍛壓產品40置于壓力機50中。壓力機50包括第一部分52和第二部分54。部分52和54可相對移動壓縮置于其間的產品40。在所顯示的實施例中，第一和第二部分52，54的移動用箭頭56和58來表示，可看出兩個部分52和54相對移動。應當認識到，本發明還包括其他實施例，其中兩個部分52和54中只有一個作相對移動。
圖15顯示了裝置50，產品40在裝置的兩個部分52和54之間進行了壓縮。顯示出產品40已被模制成三維靶結構，其形狀近似對應于靶10的形狀(見圖1和2)。應注意到，產品40的形狀不完全與靶10的形狀相同，在所顯示的實施例中，多余材料60從靶材料的側面向外擠出。這些多余材料可通過適當方式清除。此外，如果產品40未完全形成希望的靶形狀，可通過機械加工使產品形狀成為所希望的靶形狀。一般地，壓力機50不能使產品40形成精確的靶形狀，而是使產品40形成與靶形狀近似的形狀，多余材料仍保留在希望的靶形狀上。然后通過適當方式清除多余材料，形成希望的靶形狀。
最好在產品40處于大約1300°F到大約1700°F范圍時保持小于或等于大約5分鐘的條件下操作壓力機50，保持時間最好小于或等于大約3分鐘，使得能夠將產品40的材料鍛壓成為所希望的靶形狀。產品40可先在爐中預熱到大于1300°F的溫度，然后在壓力機50中進行鍛壓。通常優選采用爐中預熱，因為將產品40與壓力機50一起加熱到所希望的1300°F以上的溫度是不實際的。
在通過壓力機50將產品40的材料鍛壓成所希望的靶形狀之后，可在一定條件下進行淬火，該條件與上面討論的對從圖11的裝置30取出的鍛壓產品進行熱淬火的條件相同。因此，產品40在壓力機50中通過鍛壓得到的靶形狀可進行淬火，在從壓力機50取出靶形狀后的15分鐘內，將整個靶形狀的溫度降低到小于或等于大約150°F(最好是小于或等于大約70°F)。
使用圖14和圖15的實施例的優點在于，對照參考圖13所進行的討論，圖14和圖15的實施例要比圖13的實施例浪費較少的材料。圖13實施例采用的熱鍛壓產品形狀一般具有大約5英寸的厚度和大約為17英寸的直徑。而圖14和15實施例的形狀要小些，在特定實施例中，其厚度大約為4英寸而直徑大約為15英寸，所形成的產品與用厚度5英寸和直徑17英寸的材料經過圖13的工藝過程形成的產品相同。這樣，與圖13實施例所用材料相比，圖14和15實施例所用的材料可減少大約40％到50％。例如，當形成三維濺射靶時，進行鍛壓加工形成三維靶的高純度銅材料可以有數百磅。已經發現圖14和圖15的實施例可比圖13的實施例節省大約180磅的銅材料。
在進行圖14和15工藝過程中可將潤滑加到產品40的表面。優選潤滑可以是液體潤滑，盡管這些工藝過程要產生高溫，因為液體潤滑可在壓力機50的各種波動中流動，比固體潤滑要適合。在特定實施例中，高溫烹調油可用作潤滑劑。
圖14和圖15的方法可用于形成各種復雜幾何形狀的靶。參考圖16到18對示例性的靶幾何形狀進行介紹。先參考圖16，圖中顯示了靶300。靶300的形狀類似于圖2的靶10的形狀(即幾何形狀類似于Applied MaterialsTM靶)。靶300的形狀包括具有延伸的中空部分302的杯狀件301。內表面308形成中空部分的周邊，外表面309與內表面相對。杯狀件301具有第一端305和相對的第二端307。端部305是開口的。在所示實施例中端部307是封閉的。應應當認識到，端部307可包括延伸的開口。
外表面309圍繞端部307延伸(在所示實施例中，外表面圍繞整個封閉端部延伸，但應當知道本發明包括其他的實施例(未顯示)，這些實施例的外表面可以只是部分地圍繞開口端307延伸)。外表面309在圓整角部304圍繞端部307。這些圓整角部繞一點(圖中顯示了示例性點311)的曲率半徑至少為1英寸。在特定實施例中，角部304的曲率半徑可至少為大約1.25英寸、1.5英寸、1.75英寸、2英寸或更大。曲率半徑最好足夠小，以避免在接近曲面部分304的位置過多減薄靶材料。可認為過多的減薄將嚴重損害靶的性能。
靶300可包括由周邊表面308形成的內部形狀，其與現有技術的Applied MaterialsTM靶基本相同，或在特定實施例中完全相同；還包括由周邊表面309形成的外部形狀，其與現有技術的AppliedMaterialsTM靶不同。
與形成方形或帶角的角部相比，形成彎曲角部304的優點在于這樣可簡化圖14和15的加工過程。具體地，已經發現圖14和15的壓力機50進行基本方形角部的鍛壓很困難，因為方形角部周圍材料的流動很差。但使用圓弧形角部可加強材料的流動，因此改進了通過圖14和圖15的鍛壓所形成產品的質量。應當注意到，雖然靶300的外周邊309只有部分方形角部進行了圓整，但在本發明的其他實施例中可對其他角部(如標號為310和312的角部)進行圓整。非圓形角部310和312的優點在于，包括基本為方形的角部310和312的靶可安裝到現有技術的Applied MaterialsTM濺射裝置，而無須改進靶或裝置。對三維靶結構的至少部分角部進行圓整的的優點在于，這樣可減少靶結構的材料數量，因此可減少靶結構所用材料的費用。
所顯示的靶具有穿過凸緣318的孔316，用于將靶連接到濺射裝置。但是，應當知道所顯示的凸緣318和孔316是示例性的，本發明的靶結構可采用其他固定結構。
靶300的材料主要由鎳、鈷、鉭、鋁和鈦中的一種或多種組成，在特定的實施例中，材料可主要由銅或鈦組成。
圖17和18顯示了靶結構的其它實施例，所示靶結構可根據本發明形成。具體地，圖17顯示了與圖4的NovellusTM靶類似的靶350但沿該靶的外周邊354設有圓整角部352。靶350包括與現有技術的NovellusTM靶的內周邊相同的內周邊356。圓整角部352的曲率半徑可與上面參考圖16介紹的靶300的半徑相同。
參考圖18，其顯示了靶360。靶360也與圖4的NovellusTM靶類似，但包括沿內周邊362以及沿外周邊364的圓整角部。具體地，內周邊362包括圓整角部366，外周邊364包括圓整角部368。在所顯示的實施例中，圓整角部368和366包具有相同的曲率半徑，且內圓整角部366在外圓整角部368的徑向內側。角部366和368的曲率半徑可與上面參考圖16所介紹的相同。應當知道本發明包括其他的實施例(未顯示)，其中內角部366的曲率半徑與外角部368的曲率半徑不同。
參考圖19，所顯示的磁控管濺射反應器400包括具有圖16所介紹類型的靶300。需要時上面介紹的圖9反應器200所用數字將用來介紹反應器400。反應器400包括磁鐵226和224。靶300與靶10(見圖9)的不同之處在于圓弧角部304使靶300的外周邊306與磁鐵224和226之間形成間隙402。間隙402一般不會帶來問題，因為間隙造成的導磁率變化不會對通過靶300材料的磁通量有很大影響。但對于靶300，如果其磁鐵和濺射表面之間厚度在杯狀磁鐵的一部分與杯狀磁鐵的另一部分有不同，就會帶來問題。例如，所顯示的靶300具有在側壁下部延伸的第一厚度A和在側壁另一部分延伸的較大第二厚度B。A與B的相對比可在靶的不同部分形成不同導磁率，因此造成靶的一部分的濺射性能與另一部分不同。但是對于靶由非磁性材料(如銅)構成的實施例，可忽略因靶結構的杯狀件四周有不同厚度而產生的影響。在不同厚度的靶結構會帶來問題的實施例中，可形成具有圓整角部的靶結構，并對曲率半徑和幾何比例選擇，以減少或消除濺射操作中靶的不同區域中磁通量的差別。
已經發現使用圖10到19加工過程的困難之處是得不到適合的原始金屬錠。圖20顯示了現有技術的鑄錠70的截面圖，顯示出傳統鑄造工藝存在的問題。具體地，鑄錠70具有厚度R和縮孔72，縮孔延伸進入鑄錠材料相當深度，使厚度R的有用部分減少。所示虛線74橫過鑄錠70，將鑄錠70分成虛線以上的不能用部分76，和虛線以下的可使用部分78。實際上，鑄錠70將沿虛線74切割開，因此厚度R將減少到第二厚度X，X對應鑄錠的可使用部分78的厚度。在傳統的鑄造工藝中，原始厚度R為大約15英寸的高純度銅鑄錠70具有的縮孔72一般要延伸大于2英寸的厚度。這樣的縮孔將鑄錠70的可使用部分減少到小于約13英寸的厚度X。換句話，至少大約13％的原始厚度R由于收縮缺陷72而不能使用。
收縮缺陷72發生在鑄造的鑄錠70材料的冷卻過程中。應用本發明時，鑄錠最好具有厚度至少為14英寸的可使用部分。在某些應用中，希望鑄錠最初有大約17英寸的可用厚度。實現這樣鑄錠的一種方法是先形成比希望厚度厚很多的鑄錠，然后切割掉很多鑄錠，將收縮缺陷清除。但是，最好能開發出形成鑄錠的新方法，能夠基本上防止鑄錠內形成收縮缺陷。
將參考圖21到24介紹根據本發明的形成鑄錠的方法。先參考圖21，模具100用截面圖顯示。模具100包括空腔102，在優選實施例中，空腔是圓柱形。向空腔102提供的熔化金屬材料104的第一次充填部分只是部分充填了空腔。在優選實施例中，第一次充填將充填小于或等于約50％的空腔102體積。在振動模具100的同時對材料104進行冷卻。振動最好是機械振動，如圖中箭頭106所示。振動可以是所顯示的側向往復運動，或包括其他運動。振動可幫助氣體在冷卻過程中從熔化材料104中排出。在一特定實施例中，材料104包括高純度銅，其在大約2200°F到大約2800°F的溫度先加入到模具中。然后將模具100保持在低于材料104熔點的冷卻溫度下。允許材料104冷卻大約30秒到大約40秒，這樣材料104的上表面部分固化。
參考圖22，向部分固化的第一次充填部分表面施加材料104的第二次充填部分。然后振動模具100，同時可以對第二次充填部分冷卻大約30秒到大約40秒。
參考圖23，向第二次充填部分表面施加材料104的第三次充填部分。然后振動模具100，同時使第一次、第二次和第三次充填部分完全冷卻和固化。在進行后一次充填時只是使早充填的材料104部分固化的原因是可避免在不同次充填之間形成固體界面。盡管圖22和23顯示了第一、第二和第三充填之間的界面，這只是用來說明，實際上這些界面通過使每次充填部分只是部分固化就可避免。因此，所形成的鑄錠從最下部分到最上部分都有均勻的成分。
圖24顯示了根據本發明的方法形成的鑄錠130的側視截面圖。鑄錠130有厚度R，縮孔132沿厚度R的一部分延伸。但是縮孔132要比圖20所顯示的現有技術鑄錠70的縮孔72小很多。因此，鑄錠130的可用部分X比現有技術鑄錠72的要大許多。在特定應用中，整個厚度R為15英寸的鑄錠形成的縮孔深度小于0.25英寸，整個厚度為18英寸的鑄錠的縮孔深度也小于0.25英寸。因此，所形成的鑄錠130具有小于或等于鑄錠整個厚度R大約10％的縮孔，在特定實施例中，縮孔可小于或等于鑄錠整個厚度R的大約5％，在另一些實施例中，縮孔可小于或等于鑄錠整個厚度R的大約2％。
在特定實施例中，第一次充填后向空腔102提供的各次熔化金屬充填部分只充填了空腔原有體積的大約10％。因此，如果第一次充填充滿了原始空腔體積的大約50％，其后的各次充填部分將充填原始空腔體積的大約10％，因此將進行大約5次這樣的后充填，以整個充滿鑄錠模腔。在另一特定實施例中，第一次充填充滿了原始內部空腔體積的大約90％。余下的體積后來通過一次充填充滿。本發明的鑄造方法可采用真空鑄造，真空鑄造在真空腔進行，壓力為大約200毫托。
本發明的方法可用于形成三維靶，其平均晶粒尺寸小于或等于250微米，200微米，甚至是100微米。例如，本發明的方法可用于形成單塊銅靶，銅純度至少是99.995％重量，并具有如圖2和圖4所示類型的復雜三維形狀。在另一示例中，本發明的方法可用于形成鉭或鈦的單塊金屬靶，具有如圖2和4所示類型的復雜三維形狀。
權利要求
1.一種形成金屬體的方法，包括制備金屬材料錠，所述金屬錠具有大于250微米的原始晶粒尺寸和原始厚度；在大約700°F到大約1100°F的溫度及足夠的壓力和時間等條件下對所述金屬錠進行熱鍛壓，使所述金屬錠的厚度減少到原始厚度的大約10％到60％，所述熱鍛壓使所述金屬錠成為熱鍛壓產品；對所述熱鍛壓產品進行淬火，將所述金屬材料的平均晶粒尺寸固定在小于250微米，淬火后的材料成為金屬體；
2.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬材料包括純度至少為99.995％重量的銅。
3.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述金屬材料包括鎳、鈷、鉭、鋁和鈦中的一種或多種。
4.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述固定的平均晶粒尺寸小于200微米。
5.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述固定的平均晶粒尺寸小于100微米。
6.根據權利要求1所述的方法，其特征在于，所述熱鍛壓通過壓力機進行，所述淬火包括在從所述壓力機中取出熱鍛壓產品后的大約15分鐘內將整個熱鍛壓產品的溫度減少到小于或等于大約150°F。
7.根據權利要求1所述的方法，所述方法還包括將所述金屬體制成物理氣相沉積靶。
8.根據權利要求1所述的方法，所述方法還包括將所述金屬體制成三維物理氣相沉積靶，包括以下步驟提供壓力機，其第一部分可容納于第二部分之中；將所述金屬體置于所述壓力機的所述第一和第二部分之間；和對所述第一和第二部分之間的所述金屬體加壓，使所述金屬體形成近似于所述三維物理氣相沉積靶的形狀。
9一種形成鑄錠的方法，包括提供具有內部空腔的模具；用熔化金屬材料的第一次充填部分對所述內部空腔進行部分充填，在所述內部空腔留出余下的未充填部分；對所述內部空腔中所述熔化材料的第一次充填部分進行冷卻，使所述熔化材料的第一次充填部分部分固化，在至少一段冷卻時間內對所述內部空腔內的所述第一次充填部分進行振動；當所述熔化材料的第一次充填部分只是部分固化時，用所述熔化材料的第二次充填部分至少部分充填所述空腔的余下未充填部分；和對所述空腔中所述熔化材料的第一和第二次充填部分進行冷卻，形成包括第一和第二次充填部分的金屬錠，在所述第二充填部分的至少一段冷卻時間內，對所述內部空腔中的所述第二次充填部分進行振動。
10.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述鑄錠是具有厚度和直徑的圓柱形，鑄造過程中在鑄錠頂部形成的縮孔深度小于所述圓柱形鑄錠厚度的10％。
11.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述鑄錠是具有厚度和直徑的圓柱形，鑄造過程中鑄錠頂部形成的縮孔深度小于所述圓柱形鑄錠厚度的2％。
12.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述熔化材料主要是金屬材料。
13.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述熔化材料包括銅，其純度至少為大約99.995％重量。
14.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一次充填部分充填了所述內部空腔體積的大約50％到大約90％。
15.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一次充填部分充填了所述內部空腔體積的大約5％到大約50％。
16.根據權利要求9所述的方法，其特征在于，所述第一次充填部分充填了所述內部空腔體積的大約50％，所述第二次充填部分充填了小于或等于10％的所述內部空腔體積，所述方法還包括在進行所述第二次充填后向所述內部空腔充填更多次的熔化材料，各次充填材料都是在所述空腔中的上次充填材料至少部分固化后輸入到所述空腔中。
17.一種物理氣相沉積靶，包括成型體，所述成型體包括至少一個杯狀體，其具有第一端和與所述第一端相對的第二端，所述第一端具有延伸到里面的開口，所述杯狀體有中空部分，所述中空部分從所述第一端的所述開口朝所述第二端延伸，所述杯狀體具有形成所述中空部分周邊的內表面，所述成型體包括圍繞所述杯狀體外面延伸并與所述內表面相對的外表面，所述外表面包括圍繞帶圓整角部的所述第二端至少一部分的區域，所述圓整角部的曲率半徑至少為大約1英寸；和濺射表面，所述濺射表面沿所述杯狀體的內表面形成。
18.根據權利要求17所述的物理氣相沉積靶，其特征在于，所述內表面不包括曲率半徑至少為大約1英寸的圓整角部。
19根據權利要求17所述的物理氣相沉積靶，其特征在于，所述內表面包括曲率半徑至少為大約1英寸的圓整角部。
20.根據權利要求17所述的物理氣相沉積靶，其特征在于，所述內表面包括曲率半徑至少為大約1英寸的圓整角部，且所述內表面的所述圓整角部在所述外表面的圓整角部內側。
21.根據權利要求17所述的物理氣相沉積靶，其特征在于，所述靶主要由高純度銅組成。
22.根據權利要求17所述的物理氣相沉積靶，其特征在于，所述靶主要由鉭組成。
23.根據權利要求17所述的物理氣相沉積靶，其特征在于，所述靶主要由鈦組成。
24.根據權利要求17所述的物理氣相沉積靶，其特征在于，所述靶包括包括銅、鎳、鈷、鉭、鋁和鈦中的一種或多種。
25.根據權利要求17所述的物理氣相沉積靶，所述外表面包圍整個所述第二端。
26.根據權利要求17所述的物理氣相沉積靶，其特征在于，所述曲率半徑至少為大約1.5英寸。
27.根據權利要求17所述的物理氣相沉積靶，其特征在于，所述曲率半徑至少為大約1.7英寸。
28.根據權利要求17所述的物理氣相沉積靶，其特征在于，所述曲率半徑至少為大約1.8英寸。
29.根據權利要求17所述的物理氣相沉積靶，其特征在于，所述成型體主要由平均晶粒尺寸小于或等于250微米的材料構成。
30.根據權利要求17所述的物理氣相沉積靶，其特征在于，所述成型體主要由平均晶粒尺寸小于或等于200微米的材料構成。
31.根據權利要求17所述的物理氣相沉積靶，其特征在于，所述成型體主要由平均晶粒尺寸小于或等于100微米的材料構成。
32.根據權利要求17所述的物理氣相沉積靶，其特征在于，所述成型體由平均晶粒尺寸小于或等于250微米的材料制成。
33.根據權利要求17所述的物理氣相沉積靶，其特征在于，所述成型體由平均晶粒尺寸小于或等于200微米的材料構成。
34.根據權利要求17所述的物理氣相沉積靶，其特征在于，所述成型體由平均晶粒尺寸小于或等于100微米的材料構成。
35.一種三維物理氣相沉積靶，包括材料，所述材料包括銅、鎳、鈷、鉭、鋁和鈦中的一種或多種；所述材料的平均晶粒尺寸小于或等于250微米；成型體，所述成型體包括至少一杯狀體，其具有第一端和與所述第一端相對的第二端，所述第一端具有延伸到里面的開口，所述杯狀體有中空部分，所述中空部分從所述第一端的所述開口朝所述第二端延伸，所述杯狀體具有形成所述中空部分周邊的內表面；和濺射表面，所述濺射表面沿所述杯狀體的內表面形成。
36.根據權利要求35所述的三維物理氣相沉積靶，其特征在于，所述材料主要由銅組成，所述靶主要由所述材料組成。
37.根據權利要求35所述的三維物理氣相沉積靶，其特征在于，所述材料主要由鉭組成，所述靶主要由所述材料組成。
38.根據權利要求35所述的三維物理氣相沉積靶，其特征在于，平均晶粒尺寸小于或等于200微米。
39.根據權利要求35所述的三維物理氣相沉積靶，其特征在于，平均晶粒尺寸小于或等于100微米。
40.根據權利要求35所述的三維物理氣相沉積靶，其特征在于，平均晶粒尺寸小于或等于90微米。
41.根據權利要求35所述的三維物理氣相沉積靶，其特征在于，平均晶粒尺寸小于或等于85微米。
42.根據權利要求35所述的三維物理氣相沉積靶，其特征在于，所述靶具有Applied Material Self Ionized Plasma PlusTM靶的形狀。
43.根據權利要求35所述的三維物理氣相沉積靶，其特征在于，所述靶具有Novellus Hollow Cathode MagnetronTM靶的形狀。
44.一種磁控管等離子濺射反應器，包括等離子腔，可容納進行濺射涂復的基底；在所述腔中的靶，所述靶具有成型件，所述成型體包括至少一杯狀體，其具有第一端和與所述第一端相對的第二端，所述第一端具有延伸到里面的開口，所述杯狀體有中空部分，所述中空部分從所述第一端的所述開口朝所述第二端延伸，所述杯狀體具有形成所述中空部分周邊的內表面；所述成型件包括圍繞所述杯狀體的外部延伸的并相對所述內表面的外表面，所述外表面包括圍繞所述帶有角部的第二端部的至少一部分的區域，所述圓整角部具有至少為大約1英寸的曲率半徑，所述靶具有沿所述杯狀體內表面形成的濺射表面，所述靶可連接到電能，在所述等離子腔中形成等離子；和接近所述靶的磁性材料體，所形成磁場的磁力線可延伸到所述靶的中空部分。
45.根據權利要求44所述的磁控管等離子濺射反應器，其特征在于，所述靶內表面不包括曲率半徑至少為大約1英寸的圓整角部。
46.根據權利要求44所述的磁控管等離子濺射反應器，其特征在于，所述靶內表面包括曲率半徑至少為大約1英寸的圓整角部。
47.根據權利要求44所述的磁控管等離子濺射反應器，其特征在于，所述靶內表面包括曲率半徑至少為大約1英寸的圓整角部，所述內表面的圓整角部在所述外表面的圓整角部的內側。
48.根據權利要求44所述的磁控管等離子濺射反應器，其特征在于，所述靶主要由高純度銅組成。
49.根據權利要求44所述的磁控管等離子濺射反應器，其特征在于，所述靶主要由鉭組成。
50.根據權利要求44所述的磁控管等離子濺射反應器，其特征在于，所述靶主要由鈦組成。
51.根據權利要求44所述的磁控管等離子濺射反應器，其特征在于，所述靶由銅、鎳、鈷、鉭、鋁和鈦中的一種或多種組成。
52.根據權利要求44所述的磁控管等離子濺射反應器，其特征在于，所述靶外表面圍繞整個所述第二端部。
53.根據權利要求44所述的磁控管等離子濺射反應器，其特征在于，所述曲率半徑至少為大約1.5英寸。
54.根據權利要求44所述的磁控管等離子濺射反應器，其特征在于，所述曲率半徑至少為大約1.7英寸。
55.根據權利要求44所述的磁控管等離子濺射反應器，其特征在于，所述靶成型件主要由具有平均晶粒尺寸為小于或等于250微米的材料組成。
56，根據權利要求44所述的磁控管等離子濺射反應器，其特征在于，所述靶成型件主要由具有平均晶粒尺寸為小于或等于200微米的材料組成。
57.根據權利要求44所述的磁控管等離子濺射反應器，其特征在于，所述靶成型件主要由具有平均晶粒尺寸為小于或等于100微米的材料組成。
58.一種磁控管等離子濺射反應器，包括等離子腔，可容納進行濺射涂復的基底；在所述腔中的靶，所述靶具有成型件，所述成型體包括至少一杯狀體，其具有第一端和與所述第一端相對的第二端，所述第一端具有延伸到里面的開口，所述杯狀體有中空部分，所述中空部分從所述第一端的所述開口朝所述第二端延伸，所述杯狀體具有形成所述中空部分周邊的內表面；所述靶具有沿所述杯狀體內表面形成的濺射表面，所述靶可連接到電能，在所述等離子腔中形成等離子，所述靶主要由包括銅、鎳、鈷、鉭、鋁和鈦中的一種或多種的材料組成，所述材料的平均晶粒尺寸小于或等于250微米；和接近所述靶的磁性材料體，所形成磁場的磁力線可延伸到所述靶的中空部分。
59.根據權利要求58所述的磁控管等離子濺射反應器，其特征在于，所述靶主要由銅組成。
60.根據權利要求58所述的磁控管等離子濺射反應器，其特征在于，所述靶主要由鈦組成。
61.根據權利要求58所述的磁控管等離子濺射反應器，其特征在于，所述靶材料的平均晶粒尺寸為小于或等于250微米。
62.根據權利要求58所述的磁控管等離子濺射反應器，其特征在于，所述靶材料的平均晶粒尺寸為小于或等于100微米。
63.根據權利要求58所述的磁控管等離子濺射反應器，其特征在于，所述靶材料的平均晶粒尺寸為小于或等于90微米。
64.根據權利要求58所述的磁控管等離子濺射反應器，其特征在于，所述靶材料的平均晶粒尺寸為小于或等于85微米。
65.根據權利要求58所述的磁控管等離子濺射反應器，其特征在于，所述靶的形狀具有Applied Materials Self Ionized Plasma PlusTM靶的形狀。
全文摘要
本發明包括一種形成金屬體的方法。制備具有原始厚度的金屬材料錠，對該金屬錠進行熱鍛壓。對熱鍛壓后的產品進行淬火，使金屬材料的平均晶粒尺寸固定在小于250微米。淬火后的材料用于形成三維物理氣相沉積靶。本發明還包括一種形成鑄錠的方法。在一特定方面，該鑄錠是高純度銅材料。本發明還包括物理氣相沉積靶和磁控管等離子濺射反應器組件。
文檔編號B21J5/02GK1623007SQ01823635
公開日2005年6月1日 申請日期2001年10月9日 優先權日2001年7月19日
發明者C·T·吳, W·易, F·B·希登 申請人:霍尼韋爾國際公司