TW200829702A - Full density Co-W magnetic sputter targets - Google Patents

Description

200829702 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明大體而言係有關於濺鍍靶，特別是有關於全 密度鈷-鎢濺鍍靶及其製造方法。 【先前技術】 全密度鈷-鎢濺鍍靶之製造存在一些挑戰。明確地 說，由於钴（Co)與鎢（W)間之密度差異，故於包含二者之 濺鍍靶中的二元素相於製造時傾向於分離。此外，於製 造期間會生成過多的金屬間相，使所獲得之合金非常地 硬、脆、及在加工時易於破裂。 【發明内容】 本發明藉提供全密度鈷-鎢濺鍍靶及其製造方法，以 解決前述的難題。此靶包含介於20-80原子％之鈷及 80-20原子％之鎢。此靶具有一種實質上均勻的多相微結 構，而且橫越其表面及穿過其厚度（亦即：沿著濺鍍方向） 皆為實質上化學地均質。金屬間相與元素相之最佳容積 比率，當達成大於理論最大密度之約99%之一密度時， 可使輕保有機械強度（例如：於熱均壓（hot isostatic pressing)、機製、或隨後的濺鑛期間可抗破裂）及可機製 性。困擾著其他鈷-鎢靶之微-裂缝及微-孔隙已被減至最 少 〇 依照本發明之一實例，一種製造濺鍍靶之方法包含 6 200829702 下歹j步驟·選擇具有一粒度分佈之一鈷粉末，且 同粒度分佈之-鵁粉末；摻^該#粉末 =目 ==末;將該推混粉末裝罐，·嶋 以形成-固體’·及機製此固體，以形成一濺鍍靶。 依照本發明之另一實例，一濺鍍靶包括：— '1 物料之第一元素相，該第一種物料為銘或鎢；一第一 金屬間相，包括該第一種物料及一第二種物料，該 種物料為鎢絲而且不同於該第—種物料，該第j二 料具有較該第二種物料為大的原子百分率；及一第二全 屬間相，包括該第二種物料及該第一種物料，該二二 物料具有較該第一種物料為大的原子百分率。該濺鍍靶 包括20_80原、子％的#’及該濺錄之密度大於其理 大密度之99%。 需明瞭於W之發明概述及於下之詳述，皆為示範性 及解說性，係意欲提供所聲稱之發明之進一步說明。 【實施方式】 於下列之詳述中，提出許多特殊的細節，以使本發 明能被完全暸解。然而，很明顯地，對於一般地精於此 方面技蟄者而S，在不具有部份的這些特殊細節下，本 發明仍可施行。於其他實例中，未詳細地顯示習知的結 構及技術，以避免不必要地混淆本發明。 一種製造全岔度鈷_鎢濺鍍靶之方法包括：增加熱均 壓（“HIP”）溫度，並且持續一段時間，藉以減少於富鎢 7 200829702 (tungsten-rich)區域中空隙之發生。但此方法之一缺點為 金屬間相之過度生成，使得合金太脆及難以無裂隙地機 製。增加HIP之時間與溫度之另一缺點為生成Kirkendall 孔隙。降低HIP之溫度與時間可避免這些問題，但會阻 止靶之富鎢區域的併合，而於這些區域中留下空隙，致 使靶之最終密度降低，如圖3B中所顯示。這些空隙，連 同所連接的微-孔隙及亦可能生成之不想要的大微-裂 隙，會使液體或水氣浸潰至靶體内，而容許钴/鎢氧化物 或氫氧化物之生成。這些氧化物及氳氧化物會造成把内 腐蝕，故降低其濺鍍性能。因此這些方法無法製得一種 不會氧化、腐蝕、破裂、及相分離之全密度鈷-鎢濺鍍靶。 例如，圖1A與1B為顯微照相，其說明：於使用一 種方法製得之濺鍍靶中，鈷與鎢元素相之分離。參見圖 1A(及參見圖1B所提供之較近觀察）可知：較淺顏色的鎢 元素相101於許多處被廣大區域的鈷元素相102所分 離，使得濺鍍靶化學地非均質，因此不適合用於濺鍍均 質的鈷-鎢膜。圖2A與2B為顯微照相，其說明：使用此 方法製得之濺鍍靶中具有大量的微-孔隙。參見圖2A (及 參見圖2B所提供之較近觀察）可知：鈷-鎢金屬間相201 滿佈Kirkendall孔隙202。這些微-孔隙會阻止錢鑛把被 全密度化，並可負面地影響濺鍍性能。 轉向圖3A，可明顯地看到微-裂隙，其會大幅地降 低一種鈷-鎢濺鍍靶製造方法之產量。例如：金屬間區域 301存在一些大的（例如：大於150微米）裂隙302，其中 200829702 有些已傳佈至遠處，以形成一裂隙網絡，水氣可能浸潰 於其中而容許氧化物及/或氫氧化物之生成，並且促使腐 蝕。此外，圖3A之濺鍍靶具有大量的微-孔隙303，其 阻止丨賤鑛被全密度化（例如：大於其組成物理論最大密 度之99%)。圖3B同樣地說明某些鈷-鎢濺鍍靶之一缺 點，其中鎢元素相304未能完全地燒結而留下空隙305， 類似地，水氣可能浸潰於其中，此同樣地會阻止濺鍍靶 被全密度化。 依本發明之一實例，提供一種可克服前述難題之鈷-鎢濺鍍靶。圖4為一顯微照相，其說明依本發明之一實 例之此種靶的微結構。濺鍍靶400包括60原子百分率 (“原子％”）的鈷及40原子％的鎢（亦即：濺鍍靶400為一 60鈷-40鎢之靶）。參見圖4可知：濺鍍靶400之鈷與鎢 同時以元素相及金屬間相存在。明確地說，濺鍍靶400 包括：元素鎢相（於此單色顯微照相中最亮的區域），如元 素鶴相4 01，鶴-钻金屬間相’其中嫣之原子百分率超過 銘之原子百分率，如鶴-銘金屬間相402 ;钻-鎢金屬間 相，其中鈷之原子百分率超過鎢之原子百分率，如鈷-鎢 金屬間相403 ;及元素鈷相（於此顯微照相中最暗的區 域），如元素銘相404。 用於本申請案之目的，“元素相”可被明瞭為濺鍍靶 之一區域，其保有元素特性（亦即：非為合金），而且為一 種物理結構，其包含一種或多種使用對照圖7詳細敘述 於下之製造方法被燒結的元素細粒。然而，當將多種元 9 200829702 素細粒燒結在一起生成一種連續的結構時，“元素相，，一 詞亦可被明瞭為包含此較大的結構。例如··於圖^中標 不405之元素鈷的大暗色區域，可被視為單一元素相（視 為保有其it素特性之-種連續結構），或者此區域秘可 被視為-些連續的元素相，各對應於單一的元素銘細 粒。因此’於下針祕姨之元素相所示範的尺寸被適 ^也明瞭可應㈣元素相，其制於製造_經燒結之 =兀，細粒，或連續元素區域，其對應於製造期間經 燒結之多種元素細粒。 編圖4中之刻度可知：鱗與銘元素相（分別如：相 之寬度介於1 〇與i 5 〇微米之間（例如：這些相 ^買截面=尺寸介於1()與15G微米之間）。更明確地， 門不中，攻些兀素相可為介於10與50微米之 二H/0微米之間’或介於100與150微米之 間。颁似地’鈷-鶴與鎢_鉛金屬間相，如：相402盥403, 可生成包封或包圍元素相之層。這些層 100微米之間（例如：這此相於俨进； 又7丨π 100料半夕η乂 頁截面之尺寸介於10與 1〇〇❹之間）。更明確地’於此依本發明示範實例之㈧ 鈷-40⑽餘彻中，許多姑, ^厚度：於約20與100微米之間)環繞元素成層( =，許多鶴侧間相生成 、 10與80微米之間）環繞元素鶴相。 +又"於、、、勺 將圖4與圖1 a及ί ρj 4 & 相比較日守顯見：困擾其他鈷· 鍛把n於依本㈣之-實㈣得之麵乾 10 200829702 中已被克服。而且’雜乾彻之微結構於 及穿越其厚度（亦即：於濺鍍方向）皆為實質地均勻、見= 外’由於金屬間相之容積分率已被最佳化（例如··金 相具有一寬度介於10與100微米之間），此靶 ^ 程i及機械強度(例如:抗破裂)’藉由使用：於此； 面技蟄者所習知的一些機製技術中之任—種，容 成形為任何所期望的最終形狀（例如：圓柱形、圓^/、、 =^參\下列的圖5A與5B可知：相較於其他的钴· 鎢濺鍍靶，濺鍍靶400享有一些額外的優點。 大為：顯微照相，其提供濺㈣彻之更高度放 2=义_从可知：|^金屬間區*5()1及5〇2 二貝上热大的微-裂隙，其於圖3八之濺鍍靶中可見 中說明之獅彻，其橫截面每平方毫 i二:广、於2〇個裂隙’而且那些少數裂隙具有少於 面每ttt:平均長度。類似地，_彻之其他橫截 具有小,只亦具有少於20個裂隙’而且那些少數裂隙 、有夕於15 0微米之一半於具痒 ,., 於革巴夕化立^ 十均長度。依本發明之一實例， 機錢部份或於貫穿乾之任意全部橫截面中， 降且米可具有少於20個裂隙，而且那些裂 隙具有少於15〇微米之一平均長度。 中每上夕卜*見圖5B可知：濺鑛革巴400於其元素鎢區域 素無空隙。例如：於圖5B中說明之橫截面，其元 隙，:3 503及504，每平方亳米平均具有少於10個空 Μ而且那些少數空隙具有少於5微米之—平均尺寸。 11 200829702 類似地，濺鍍靶400之其他橫截面每平方毫米亦具有少 於10個空隙，而且那些少數空隙具有少於5微米之一平 均尺寸。依本發明之一實例，於靶之任意橫截部份或於 貫穿靶之任意全部橫截面中，濺鍍靶之每平方毫米可具 有少於10個空隙，而且那些空隙具有少於5微米之一平 均尺寸。由於此實質上無空隙與無裂隙之微結構，結果 造成濺鍍靶400具有大於60鈷-40鎢合金理論最大密度 之99%之一密度。此全密度的微結構有助於防止濺鍍靶 400經歷困擾其他鈷-鎢濺鍍靶之氧化反應及腐蝕。最 後，濺鍍靶400實質上無Kirkendall孔隙，其於圖2A及 2B之濺鍍靶中為顯著地可見。 轉至圖6，說明依本發明另一實例之濺鍍靶。濺鍍靶 600包括40原子百分率（原子％)的鈷及60原子％的鎢（亦 即：激鑛革巴600為一 40銘-60鎢草巴）。參見圖6可知：濺 鑛草巴600之姑與鴒同時以元素相及金屬間相存在。明石霍 地，濺鍍靶600包括元素鎢相（於此單色顯微照相中最亮 的區域），如元素鎢相601 ;鎢-鈷金屬間相，其中鎢之原 子百分率超過鈷之原子百分率，如鎢-鈷金屬間相602 ; 鈷-鎢金屬間相，其中鈷之原子百分率超過鎢之原子百分 率，如鈷-鎢金屬間相603 ;及元素鈷相（於此顯微照相中 最暗色的區域），如元素銘相604。 參見圖6中之刻度可知：如相601及604之鎢與钻 元素相之寬度介於5與150微米之間（例如：這些相於橫 截面之尺寸介於5與150微米之間）。依本發明其他不同 12 200829702 的實例中，濺鍍輩巴可呈古-主. W I有素相，其橫截面尺寸介於約 10與100微米之間，介 π叙他丄 於、、勺10與50微米之間，介於約 50與100微米之間，式入 、 心間或介於約100與15〇微米之間。 宽产，二,fit相6〇2與6〇3之钻_鎢與鎢_銘金屬間相之 二二、，、100微米之間(例如··這些相於橫截面之 寸’I於1〇與100微米之間）。更明確地，於此4〇钻_6〇 嫣歲鑛乾600中，許多m鳥金屬間相生成一層（厚度介於 、勺20 ” 80镟米之間）環繞元素銘相。類似地，許多鶴· 銘至屬間相生成一層（厚度介於約2〇與⑼微米之間）環繞 元素鎢相依本發明其他不同的實例中，濺鍍靶可具有 至屬間相，其厚度介於約20與50微米之間，介於約50 與100微米之間，介於約4〇與8〇微米之間，或介於約 1〇與90微米之間。 雖然於前之示範實例被敘述為“鈷_鎢，，濺鍍靶，此標 記非意欲暗指鈷較鎢具有較大的原子百分率，而是：於 此所使用之“鈷-鎢”一詞涵蓋所有同時包括鈷與鎢的組成 物，其具有任意的相對百分率，包括其中鎢之數量大於 鈷之數量的組成物。 雖然於前之示範實例被敘述為具有二個元素相及二 個金屬間相，但本發明範疇不侷限於此一安排。而是， 於本發明實例中，其中濺鍍靶具有足夠低的鈷或鎢百分 率，於濺鍍靶中可能無較少元素之元素相。因此，於本 發明之不同實例中，濺鍍靶可具有四相（亦即：元素鈷、 金屬間之鉛-鶴、金屬間之鎢-鈷、及元素鎢），或僅有三 13 200829702 相（亦即·金屬間之姑-嫣、金屬間之嫣-銘、及兀素钻或 元素鎢）。 轉至圖7，圖解一流程圖，其說明一種製造依本發 明一實例濺鍍靶之方法。此方法始自步驟701，其中鈷與 鎢粉末被摻混，以形成一摻混的粉末。在本發明之一方 面，鈷粉末與鎢粉末具有實質上相等的粉末尺寸分佈（亦 即：粉末顆粒尺寸之分佈或範圍）。例如：於圖4至5B 中解說之濺鍍靶400係製自鈷與鎢粉末，其各具有一粒 度分佈（“PSD”）介於約+325網目與約-100網目之間（亦 即：介於約44與約149微米之間）。成份粉末之相符的 粒度分佈，可防止圖1A與1B中所說明之不想要的分離 之發生。除了確保每種粉末之粒度分佈與另一者相符， 謹慎地選擇二種粉末之粒度分佈可提供均勻的微結構， 並防止過度的金屬間生成。例如：選擇一粒度分佈，其 包括過度小（例如：<+ 625網目或<20微米）的細粒，會 提供過多鈷與鎢元素間的表面積，導致生成過多的金屬 間相，並且伴隨減低的可機製性。選擇一粒度分佈，其 包括過度大（例如：〉-60網目或>250微米）的細粒，會容 許發展不均勻的微結構，降低自靶濺鍍之膜的均勻性及 化學均質性。因此依本發明之一實例，將粒度分佈介於 約+ 625網目與約-60網目之間者（亦即：介於約20與約 250微米之間）於步驟701中予以摻混。 依本發明之一實例中，使用一滾筒式摻混機，歷時 10與120分鐘之間。例如：將說明於圖4至5B中濺鍍 14 200829702 靶400之成份粉末，於一滾筒式摻混機中摻混約45分鐘。 此方法繼續進行步驟702,其中將得自步驟701之摻 混粉末裝罐及除氣。例如：經摻混之粉末可裝入一鋼瓶 中，並於加熱前施以近似真空的條件，藉以自摻混粉末 萃出任何大氣的（或其他的）氣體，以確保最終的濺鍍靶被 全密度化。 於步驟703中，將已除氣之摻混粉末予以熱壓（例 如：藉熱均壓）。此熱均壓（“HIPing”）包括：加熱至介於 約500°C與約1050°C間之第一持溫溫度，並維持此溫度 於約15與120分鐘之間。隨後，繼續熱均壓，藉加熱至 介於約1050°C與1450°C間之第二持溫溫度，並加壓至一 壓力介於每平方英寸約15千磅（“ksi”)與約45 ksi之間。 維持於此壓力及溫度，歷時約20與360分鐘之間。而後， 將靶以一控制的速率冷卻，並自罐卸下。除了那些於此 揭示者外，當然可使用其他的持溫時間及溫度。 例如：說明於圖4至5B中之濺鍍靶400使用一種三 階段法施行熱均壓。首先將已除氣之摻混粉末加熱至約 800°C，並維持於此溫度約60分鐘。其次，將其加熱至 約1050°C，加壓至約29 ksi，並維持於此溫度及壓力約 240分鐘。而後，將其加熱至約1236°C，持續加壓至約 29 ksi，並維持於此溫度及壓力約60分鐘。經此三度持 溫後，以約2°C/分鐘之速率自約1236°C至約80(TC進行 經控制的冷卻。於溫度約800°C維持約60分鐘，隨後繼 續以約3°C/分鐘之速率自約800°C至約400°C進行經控制 15 200829702 的冷卻。當溫度達到約400°C時，加熱機制被斷電，並且 當冷卻至300°C以下時，將高密度的固體自罐取出。 於步驟704中，將步驟703中生成之高密度固體機 製成所欲之最終尺寸。因為於步驟701中已謹慎選擇了 粉末之粒度分佈，高密度固體未包含過多的金屬間相， 故未如其他鈷-鶴濺鍍把般在機製時易於破裂。此容許高 密度固體被機製成任何所欲之形狀（例如：圓筒狀，圓 形，直線等）。 於步驟705中，濺鍍靶使用一種此方面技藝者所習 知的方法予以濺鍍。因為依本發明各實例之濺鍍靶享有 前述諸優點，由其藏鍍之钻-鎢膜的均勻性及產量較其他 的钻-嫣錢革巴大幅地改善。 雖然本發明已參照不同的圖式與實例予以特別地敘 述，但應明瞭這些僅為說明之目的，不應被視為限制本 發明範疇。有許多其他的方法可施行本發明，於此方面 具有一般技藝者可在不偏離本發明之精義與範_下，對 本發明進行許多改變及修飾。 【圖式簡單說明】 所附之圖式，其納入可使對本發明有進一步的瞭 解，並被併入及構成本說明書之一部份，用於解說本發 明實例，連同敘述藉以說明本發明之原理。於圖式中： 圖1A與1B說明鈷-鎢濺鍍靶橫截面之微結構，其具 有隔離的銘及鶴元素相， 16 200829702 圖2A與2B說明鈷-鎢濺鍍靶橫截面之微結構，其具 有 Kirkendall 孑L 隙； 圖3A說明鈷-鎢濺鍍靶橫截面之微結構，其於金屬 間相中具有過度的微-裂隙； 圖3B說明鈷-鎢濺鍍靶橫截面之微結構，其於未完 全燒結的鎢相中具有空隙； 圖4說明依本發明之一實例中，60鈷-40鎢濺鍍靶 橫截面之微結構； 圖5A與5B說明依本發明之一實例中，60钴-40鎢 濺鍍靶橫截面之微結構； 圖6說明依本發明之一實例中，40鈷-60鎢濺鍍靶 橫截面之微結構； 圖7為一流程圖，說明一種方法，用於製造依本發 明之一實例之濺鍍靶。 【主要元件符號說明】 101 鶴元素相 102 銘元素相 201、403、603 钻-鶴金屬間相 202 Kirkendall 孔隙 301 金屬間區域 302 裂隙 303 微-孔隙 17 200829702 304 鎢元素相 305 空隙 400 、 600 濺鍍靶 401 、 601 7G素鶴相 402 、 602 鎢-鈷金屬間相 404 、 604 元素銘相 405 區域 501 、 502 鎢-鈷金屬間區域 503 、 504 元素鎢區域 701 至 705 步驟 18

Claims (1)

1. 200829702 十、申請專利範圍： 1. 一種製造濺鍍靶之方法，此方法包含下列步驟： 選擇具有一粒度分佈之一钻粉末，及具有相同的 粒度分佈之一鎢粉末； 摻混該鈷粉末與該鎢粉末，以形成一摻混粉末； 將該摻混粉末裝罐（canning); 熱壓該摻混粉末，以形成一固體；及 機製該固體，以形成一濺鍍靶。 2. 如請求項第1項之方法，其中該固體具有一密度，大 於其理論最大密度之99%。 3. 如請求項第1項之方法，其中該粒度分佈介於約20 與250微米之間。 4. 如請求項第1項之方法，其中該粒度分佈介於約40 與150微米之間。 5. 如請求項第1項之方法，其中熱壓為熱均壓，其包括： 加熱至介於約500°C與l〇50°C間之一第一持溫溫 度； 維持此第一持溫溫度於約15與120分鐘之間； 加熱至介於約105(TC與1450°C間之第二持溫溫 度，並加壓至一壓力介於約15 ksi與約45 ksi之間； 及 維持此第二持溫溫度，及維持此介於約15 ksi與 約45 ksi間之壓力歷時約20至360分鐘之間。 6. 如請求項第1項之方法，其中熱壓為熱均壓，其包括： 19 200829702 加熱至約800°C，並維持於約800°C歷時約60分 鐘； 加熱至約105CTC，加壓至約29 ksi，並維持於約 1050°C及約29 ksi歷時約240分鐘；及 加熱至約1236°C，維持約29 ksi之壓力，並維持 於約1236°C及約29 ksi歷時約60分鐘。 7. 如請求項第6項之方法，其中熱均壓進一步包括： 以約2°C/分鐘之速率自約1236°C冷卻至約800°C; 維持於約800°C歷時約60分鐘；及 以約3°C/分鐘之速率自約800°C冷卻至約400°C。 8. 如請求項第1項之方法，其中該鈷粉末為一種元素鈷 之粉末。 9. 如請求項第1項之方法，其中該鎢粉末為一種元素鎢 之粉末。 10. 如請求項第1項之方法，其進一步包含一步驟，將該 濺鍍靶濺鍍，以形成包括鈷與鎢之一膜。 11· 一種依照請求項第10項之方法予以濺鍍之膜。 12. —種鈷-鎢濺鍍靶，其包含： 一第一種物料之一第一元素相’該第一種物料為 銘或鶴； 一第一金屬間相，包括該第一種物料與一第二種 物料，該第二種物料為鎢或銘而且不同於該第一種物 料，相較於該第二種物料，該第一種物料具有較大的 原子百分率；及 20 200829702 一第二金屬間相，包括該第二種物料與該第一種 物料，相較於該第一種物料，該第二種物料具有較大 的原子百分率， 其中該濺鍍靶包括20-80原子％的鈷，及 其中該濺鍍靶之密度為大於其理論最大密度之 99%。 13. 如請求項第12項之濺鍍靶，其中該第一金屬間相為環 繞該第一元素相之一層。 14. 如請求項第12項之濺鍍靶，其進一步包含一第二種物 料之一第二元素相。 15. 如請求項第14項之濺鍍靶，其中該第二金屬間相為環 繞該第二元素相之一層。 16. 如請求項第14項之濺鍍靶，其中該第二元素相具有介 於約5微米與約150微米之間之一橫截面尺寸。 17. 如請求項第12項之濺鍍靶，其中該第一元素相具有介 於約5微米與約150微米之間之一橫截面尺寸。 18. 如請求項第12項之濺鍍靶，其中該第一金屬間相與該 第二金屬間相各具有介於約10微米與約100微米之間 之一厚度。 19. 如請求項第12項之濺鍍靶，其中該濺鍍靶包括40-60 原子％的鈷。 20. 如請求項第12項之濺鍍靶，其中該濺鍍靶之一橫截 面，每平方毫米平均包括少於10個空隙。 21. 如請求項第20項之濺鍍靶，其中該空隙具有少於5 21 200829702 微米之一平均尺寸。 22. 如請求項第12項之濺鍍靶，其中該濺鍍靶之一橫截 面，每平方毫米平均包括少於20個裂隙。 23. 如請求項第22項之濺鍍靶，其中該裂隙具有少於150 微米之一平均長度。 22