通過微波燒結制備高密度陶瓷和金屬陶瓷濺射靶的制作方法

專利名稱：通過微波燒結制備高密度陶瓷和金屬陶瓷濺射靶的制作方法
通過微波燒結制備高密度陶瓷和金屬陶瓷濺射耙臨時申請的交叉文獻
本申請要求來自2007年3月1日提交的美國臨時專利申請 序列號60/904,185的優先權，其全部內容在此引入作為參考。技術領域
本公開一般涉及濺射靶和其制造方法。特別地，本公開涉 及從粉末材料制造的高密度靶和制造它們的微波燒結方法。
背景技術：
濺射靶被用于許多目的，包括生產金屬、金屬合金、半導 體、陶瓷、電介質、鐵電體、和金屬陶瓷(金屬-陶瓷)的薄膜。在濺 射過程中，材料源(即濺射靶)被來自等離子體的離子轟擊，該離子 驅逐或逐出濺射靶表面的原子或分子。被逐出的(即濺射的)原子或 分子沉積在基底上，以形成薄膜涂層。
在目前應用在高技術應用中的濺射耙的制造中——如在半 導體集成電路(integrated circuit, IC)設備、電子元件、光-電傳感器設 備、磁記錄介質等的制造中，期望生產這樣的濺射靶，其提供均勻薄 膜，在濺射過程中極小顆粒的生成，和期望的性質。
據認為，濺射靶材料的密度和孔隙率促進粒子在沉積基底 表面的有害的形成，因為，當材料從靶濺射時，靶中鄰近或圍繞孔的 靶材料被較不緊密結合的，并且更容易從靶上以塊或大顆粒被逐出， 該塊或大顆粒最后沉積在基底表面上。因此據認為是重要的是為了 減少或消除濺射過程中有害的粒子形成，濺射靶包括非常高密度的材料，其沒有孔或具有最低限度的孔。
從粉末材料獲得合適地密實的、用于前述高技術應用的濺射靶的現有方法，典型地包括或熱壓或冷等靜壓(cold isostatic pressing (CIP))，然后在高溫下燒結壓實物。使用任何這些技術，所壓制的靶材 料密度典型地僅是理論最大密度的大約90%。進一步，這些技術要求 的高燒結溫度常常導致不利的大顆粒材料形成，其又導致非均勻薄膜 的形成。
另一種經常使用的、從粉末材料獲得高密度濺射靶的技術 是熱等靜壓(hot isostatic pressing (HIP))，其中粉末堆積密度典型地被 提高，從理論最大密度的30-50%的范圍提高到大約94-95 %。但是， 不利的是，由于粉末床體積的顯著縮小，后者的起始尺寸也許不被HIP 均勻地減小，導致細腰形坯(hour glass-shaped billet)的形成。由非均 勻收縮導致的氧化物和陶瓷坯的開裂不是罕見的。陶瓷坯的加工也是 困難的。進一步，不均勻堆積的起始粉末床容易在HIP過程中變形， 尤其當半徑與厚度比例超過大約3.0時。
由于前面所述，存在對用于制造改進的非常高密度和極少 或無孔的濺射靶的改進型方法的明確需要，該方法能夠用多種類型粉 末材料、以經濟有效的方式被執行。發明內容
本公開的一個優勢是改進的制造濺射靶的方法。
本公開的另一優勢是從粉末材料制造高密度濺射靶的改進型方法。
本公開的仍另一優勢是采用粉末材料的微波燒結制造高密 度濺射靶的改進型方法。
本公開的進一步優勢包含包括微波燒結電介質或金屬陶瓷 材料的改進型高密度濺射靶。
本發明的又一優勢是改進的由微波燒結制造的高密度 MgO濺射靶。
本公開的另外優勢和其它特征將在后面的描述中闡明；并 且，部分地，對那些擁有本領域普通知識的技術人員而言，在檢査后面內容之后，將是顯然的，或可以從本公開的實踐中學到。本公開的 優勢可以被認識到和獲得，正如特別在附加權利要求中指出的。
根據本公開的一方面，前面所述和其它優勢通過改進的從粉末材料制造濺射靶的方法被部分獲得，該方法包括步驟(a) 提供至少一種原料粉末材料；(b) 使至少一種原料粉末材料形成生坯(坯體、粗坯(green body))， 其具有的密度大于理論最大密度的大約40% ;(c) 用微波處理生坯，以形成密度大于大約97%的理論最大密度的燒 結體；和(d) 從燒結體形成濺射靶。
根據本公開的實施方式，步驟(a)包括提供包含至少一種 電介質材料的原料粉末，該至少一種電介質材料是氧化物、氮化物、 碳化物、鈦酸鹽、硅酸鹽、或鋁酸鹽，例如選自MgO、 Hf02、 Ti02、 Zr02、 A1203、 Ta205、 Nb205、 BN、 TaC、 BaSrTi03、 PbZrTi03、 HfSi04、 ZrSi04、和LaA103。優選的電介質材料是MgO。
根據本公開的其它實施方式，步驟(a)包括提供包含至少 一種金屬陶瓷(金屬-陶瓷)材料的原料粉末。優選地，該至少一種金 屬陶瓷材料包括磁性金屬或合金和陶瓷材料，例如，其中磁性金屬或 合金選自CoCrPt、 CoPt、和FePt;陶瓷材料選自1102、 Si02、 MgO、 Ta205、 Nb205、 A1203、 BN、禾卩TaC。
根據本公開的仍進一步實施方式包括這些實施方式，其中 步驟(a)包括提供包含至少一種具有介電常數〉 2的材料的原料粉 末，該材料選自氧化物、鈣鈦礦、碳化物、氮化物、硅酸鹽、鋁酸鹽、 和鈦酸鹽。
根據本公開的實施方式，步驟(b)包括步驟(b》混合 并攪拌至少一種原料粉末材料以形成混合均勻的粉末；和(b2)壓制該 粉末以形成生坯(the green body)。步驟(b。任選地包括混合并攪拌 至少一種粘合劑材料和至少一種原料粉末材料；并且步驟(b2)包括機 械壓制或冷等靜壓(cold isostatic pressing (CIP))。
根據本公開的實施方式，步驟(c)包括通過選自直接耦 合微波加熱、感受器-耦合微波加熱、和微波輔助加熱的方法，用微波處理粗坯。
根據本公開的一些實施方式，步驟(C)包括生坯的直接耦 合微波加熱，生坯在從室溫到升高的燒結溫度范圍內的溫度下與微波耦合；然而根據本公開的其它實施方式，步驟(c)包括生坯的感受器 -耦合微波加熱，其中至少一種鄰近該粗坯的微波感受器通過吸收微波 被加熱并向該粗坯轉移熱量，以此加熱該生坯到升高的燒結溫度，此 時粗坯與微波耦合。此外，步驟(c)可以進一步包括該生坯的直接耦合微波加熱。
根據本公開的仍然的其它實施方式，步驟(c)包括生坯的 微波-輔助加熱，其中至少一種鄰近生坯的加熱裝置加熱該生坯到升高 的燒結溫度，在這種溫度下后者與微波耦合。此外，步驟(c)可以進 一步包括該粗坯的直接耦合微波加熱。
本公開的另一方面是根據上面微波燒結方法制造的改進的 濺射靶。
本公開的仍另一優勢是根據上面微波燒結方法制造的改進 的MgO濺射靶，該靶具有為理論最大密度的大約98.8%的密度、可達 大約6英寸(in.)的厚度，和可達大約14英寸(in.)的直徑。
從下面的詳述中，本公開的另外的優勢和方面將對那些本 領域一般技術人員顯然的，其中本公開的實施方式簡單地通過實踐本 發明考慮的最佳模式的示例性說明方式被說明和描述。如所述，本公 開適用于其它和不同的實施方式，并且它的幾個特征在不同的明顯的 方面易被改進，所有都不偏離本公開的精神。因此，附圖和描述將在 本質上被認為是說明性的而非限定性的。附圖簡述
當與下面附圖一起閱讀時，下面的關于本公開實施方式的 詳述能夠被最好地理解，其中
圖l是表示作為溫度函數的MgO電介質材料的介質耗損因 素(tanS )的變化的圖，并且
圖2是表示作為溫度函數的CoCrSi02金屬陶瓷材料的介質 耗損因素(tanS )的變化的圖。
具體實施方式
本公開是基于這樣的發現非常高密度濺射靶的高效率、 經濟有效的制造能夠這樣被實現，其通過用微波能量處理靶材料的粉末壓塊(powder compact)(生坯)，以便加熱和燒結粗體，從而用于形 成非常高密度、機械上穩定的的材料，其適合加工成高質量、高密度 濺射靶。
簡單地闡述，微波加熱是一種通過微波能量的吸收用于實 現材料內部加熱或自-加熱的方法，其中電磁波(微波)能量被高效地 在局部轉化成熱能。微波能量局部的轉化實現工件整個體積快速和均 勻的加熱，并且不依賴熱能通過工件的傳導。根據本公開，當采用微 波能量的吸收用于靶材料，如陶瓷、電介質、和金屬陶瓷的燒結時， 則形成細粒徑且均勻的和致密的微觀結構，因此提高由其制造的濺射 耙的濺射性能(包括膜均勻性和性能)。由使用微波加熱靶材料粗體形 成的濺射膜的其它優勢包括改進的機械性能，如由更細小的圓邊孔的 (finer, round-edged pores)存在所導致的延展性和韌性、接近最終形狀 (near net shape)。由本公開提供的改進的機械性能，反過來，又導致 時間和能量的節約，其產生于大量減少的加工時間和溫度、以及由近 最終形狀固結導致的縮短的機器加工時間。
根據本公開，從粉末材料制造濺射靶的改進的方法包括下 述步驟(a) 提供至少一種原料粉末材料；(b) 使所述至少一種原粉料末材料形成生坯，其具有的密度大于理論 最大密度的大約40%;(c) 用微波處理生坯，以形成燒結體，其具有的密度大于理論最大密 度的大約97。X;和(d) 從燒結體形成濺射靶。
至于步驟(a)，根據本方法，廣泛類型的材料適合作為原 料粉末材料提供，并且包括，無限制的電介質和金屬陶瓷材料。
適合的電介質材料包括，無限制的——氧化物(oxides)、 氮化物(nitrides)、碳化物(carbides)、鈦酸鹽(titanates)、硅酸鹽 (silicates)、和鋁酸鹽(aluminates)，如MgO、 Hf02、 Ti02、 Zr02、A1203、 Ta205、 Nb205、 BN、 TaC、 BaSrTi03、 PbZrTiO" HfSi04、 ZrSi04、 和LaA103。優選的電介質材料是MgO。
適合的金屬陶瓷(金屬-陶瓷)材料包含非限制性的，由 磁性金屬或合金和陶瓷材料組成的金屬陶瓷，例如，磁性金屬或合金， 如CoCrPt、 CoPt、和FePt;陶瓷材料，如Ti02、 Si02、 MgO、 Ta205、 Nb205、 A1203、 BN、禾卩TaC。
根據本公開進一步合適的材料包括，非限制性的，其它氧 化物、鈣鈦礦、其它碳化物、其它氮化物、其它硅酸鹽、其它鋁酸鹽、 和其它鈦酸鹽，條件是它們具有的介電常數> 2。
根據上面的方法，在用微波處理前，備選材料的電介質性 質必須被評價。在這一點上，材料吸收微波能量的能力直接涉及材料 通過微波輻射加熱的程度。如果材料不吸收微波，即對于微波是透射 的，或如果它反射微波，它將不能通過輻射充分加熱。電絕緣材料， 如電介質，傾向于為微波透射的，然而電導體傾向于反射微波。具有 介于那些絕緣體和傳導體中間性質的材料傾向于通過微波輻射加熱充 分。在室溫下絕緣的材料通常在更高溫度下成為更具導電性的，因此 促進微波能量的吸收。例如，氧化鋁(A1203)，在室溫下絕緣并因此是 微波透射的，當在高于大約l,OO(TC的溫度下成為足夠導電以吸收微波 能量的。
根據本公開的實施方式，步驟(b)包括這些步驟(b。 摻合并混合至少一種原料粉末材料，以形成均勻地混合的粉末；和(b》 壓制該粉末以形成生坯。步驟(b,)任選地包括摻合并混合至少一種粘 合劑材料和至少一種原料粉末材料；并且步驟(b2)包括機械加壓或冷 等靜壓(cold isostatic pressing (CIP))。
更詳細地，原料粉末材料(一種或多種)被稱重并均勻混 合到不同成分中。混合粉末，然后諸如通過機械加壓或CIP被形成具 有密度〉 40%理論最大密度的未硬化板(greendisk)，該未硬化板然 后被微波能量處理，以便燒結成高密度體(即〉 97%)。
壓制的未硬化板的電介質性質表明材料與用于實現該板 加熱的微波能量耦合的程度。未硬化板電介質性質的測定決定用于燒 結的微波加熱是否能夠僅用微波進行；或未硬化板是否必須在用微波處理前，通過傳統加熱方法被加熱到一定溫度。
材料的滲透深度是可以表示出材料微波加熱的均勻性的，也能夠從材料的電介質性質確定。
為了本公開的目的，候選材料的電介質性質可以以傳統形 式被測定，如，通過諧振腔微擾法，以確定作為溫度函數的電介質耗 損因素(dielectric loss tangent (to"。)。根據經驗公式，to"^0.1表明微 波能量的合理吸收。例如，如

圖1所示，to^5對溫度測定表明MgO電 介質材料在大約1，600'C的溫度下顯示to"論O.l，并且因此當被加熱到 此溫度時能夠進行合理的微波吸收，然而，如圖2所示，to^對溫度 測定表明CoCrSi02金屬陶瓷材料在微波領域顯示強烈的自加熱。
因此，根據未硬化板(green disk)材料的電介質性質，步 驟(c)包括用微波通過直接耦合微波加熱、感受器-耦合微波加熱、或 微波-輔助加熱處理生坯(green body)。更具體地，當未硬化板材料的 電介質性質導致微波容易被吸收時，步驟(c)包括生坯的直接耦合微 波加熱，生坯與微波在從室溫到升高的燒結溫度范圍內的溫度下耦合； 然而，當to"5對溫度測定表明該材料在室溫下吸收微波差、但吸收率 隨溫度增加時，步驟(c)包括生坯的感受器-耦合微波加熱，其中至少 一個鄰近生坯的微波感受器通過微波吸收被加熱、并傳遞熱量到生坯， 以因此加熱生坯到升高的燒結溫度，在此溫度下，生坯與微波耦合。 此外，步驟(c)可以進一步包括生坯的直接耦合微波加熱。
根據可選的方法，當taw^對溫度測定表明該材料在室溫下 吸收微波差、但吸收率隨溫度增加時，步驟(c)包括生坯的微波-輔助 加熱，其中至少一個鄰近生坯的加熱元件加熱該生坯到升高的燒結溫 度，在此溫度下，后者與微波耦合。此外，步驟(c)可以進一步包括 生坯的直接耦合微波加熱。根據這種實施方式，通向每個加熱元件和 微波源的電力，能夠按期望，被分別調節/控制。此外，在轉移到微波 腔體、以繼續加熱實現燒結之前，未硬化板可以在單獨的容器中接受 加熱。
在任何情況中，根據本公開，在步驟(c)中形成的、并具 有密度〉理論最大密度的 97%的所產生的燒結板，然后在步驟(d) 中受到處理，如機器加工等，以形成合適成型的濺射靶。可選地，為簡化機器加工方法，能夠制造近凈形的燒結體(near net-shped sintered bodies),因為為獲得終耙僅僅簡單的表面研磨和拋光是必須的。
參考下面說明性而非限制性的實施例，說明本公開的應用。實施例1
MgO粉末(-325目，純度99.99%)被用于壓制5 gm.未硬 化圓板，是在12噸Carver壓片機中，使用l"直徑單軸的雙作用沖模 進行。油酸[CH3(CH2)7CH:CH(CH2)7COOH]被包含在一些樣品的粉末混 合物中，以輔助粉末材料的粘合。
l"直徑MgO圓板在高達大約12，750 psi (磅/平方英尺)的 壓力下被加壓，具有或沒有油酸粘合劑材料。壓制后的圓板的密度是 1.5gm/cm3。將一對樣品圓板，即一個有粘合劑和一個沒有粘合劑，并 排放置在具有微波腔體的加熱爐內；并在空氣中，于環境溫度下，接 受微波-輔助燒結。微波頻率是2.45 GHz (千兆赫)和樣品圓板受到以 5。C/分的加熱速率加熱到1,600°C，并且停留時間為60分鐘。當樣品圓 板達到1，600。C的溫度時，以大約1.6-1.8 kW的功率施加微波，并且微 波的應用繼續所述1小時停留時間的剩余時間。
不含粘合劑的未硬化圓板的密度是理論值的40.8%;并且， 不含粘合劑的燒結圓板的密度是理論值的98.8% 。
含粘合劑的未硬化圓板的密度是理論值的41.1%;并且， 含粘合劑的燒結圓板的平均密度是理論值的98.9°%。實施例2
將l"直徑的12個MgO未硬化圓板，在10,200psi下壓制，其不含有粘合劑；其中每個圓板，在微波-輔助燒結前、后，被刻痕上 識別數字。在燒結期間，這些圓板被安排在MgO粉末床上，覆蓋一個 5"直徑的面積。微波-輔助燒結方法包括以5X:/分的加熱速率，將圓 板傳統方式加熱到1,550°C;然后，為了避免越過期望溫度，以2°C/ 分的速率加熱到1,600°C。
不含粘合劑的未硬化圓板的密度是理論值的41.1 并且 不含粘合劑的燒結圓板的平均密度是理論值的98.6%，具有大約0.58 %的標準偏差。
與任何一個上面的實施例相比，持續同樣停留時間(1小 時)的傳統加熱產生僅具有理論最大密度之大約93%的燒結MgO圓 板。此外，根據本公開，由微波-輔助燒結形成的燒結MgO圓板顯示 提高的微觀結構，如細小粒徑。總的來說，相比于通過粉末技術制造濺射靶的傳統技術， 本公開的微波和微波輔助燒結方法學提供大量顯著的優點，其包括提 高的密度、減小的孔隙率、改進的微觀結構、包含有小粒徑，以及經 濟有效的工藝。在前面的描述中，為了提供對本發明的更好的理解，無數 詳細的細節——如具體的材料、結構、方法等——被予以闡述。但是， 本發明能夠不依賴本文詳細提出的細節而被實踐。在其它例子中，為 了不會不必要地模糊本發明，已知的處理技術和結構沒有被描述。不僅本發明優選的實施方式，而且它的多功能性的一些實 施例在本公開中被顯示和描述。應當理解的是，本發明能夠用于各種 其它組合和環境；并且易于在如本文所表達的發明概念的范圍內被改 變和/或改進。
權利要求
1.一種從粉末材料制造濺射靶的方法，其包括步驟(a)提供至少一種原料粉末材料；(b)使所述至少一種原料粉末材料形成具有大于理論最大密度的大約40％的密度的生坯；(c)用微波處理所述生坯，以形成密度大于理論最大密度大約97％的燒結體；和(d)從所述燒結體形成濺射靶。
2. 根據權利要求l的方法，其中步驟(a)包括提供包含至少一種電介質材料的原料粉末。
3. 根據權利要求2的方法，其中，所述至少一種電介質材料是氧 化物、氮化物、碳化物、鈦酸鹽、硅酸鹽或鋁酸鹽。
4. 根據權利要求3的方法，其中，所述至少一種電介質材料選自 MgO、 Hf02、 Ti02、 Zr02、 A1203、 Ta205、 Nb2Os、 BN、 TaC、 BaSrTiO" PbZrTi03、 HfSi04、 ZrSi04、禾QLaA103。
5. 根據權利要求4的方法，其中，所述至少一種電介質材料是 MgO。
6. 根據權利要求l的方法，其中步驟(a)包括提供包含至少一種金屬陶瓷(金屬-陶瓷)材料的原 料粉末。
7. 根據權利要求6的方法，其中所述至少一種金屬陶瓷材料包括磁性金屬或合金和陶瓷材料。
8. 根據權利要求7的方法，其中，所述磁性金屬或合金選自CoCrPt、 CoPt、和FePt;以及所述陶瓷材料選自Ti02、 Si02、 MgO、 Ta205、 Nb2Os、 A1203、 BN、禾卩TaC。
9. 根據權利要求l的方法，其中步驟(a)包括提供包含至少一種具有介電常數〉 2的材料的原 料粉末，該材料選自氧化物、鈣鈦礦、碳化物、氮化物、硅酸鹽、鋁 酸鹽、和鈦酸鹽。
10. 根據權利要求1的方法，其中，步驟(b)包括步驟(b。摻合并混合所述至少一種原料粉末材料，以形成混合均勻的 粉末；和(b2)壓制所述粉末，以形成所述生坯。
11. 根據權利要求10的方法，其中，步驟(b,)進一步包括摻合 并混合至少一種粘合劑材料和所述至少一種原料粉末材料。
12. 根據權利要求10的方法，其中步驟(b2)包括機械加壓或冷等靜壓(CIP)。
13. 根據權利要求l的方法，其中步驟(c)包括用微波處理所述生坯，使用的方法選自直接耦合微波加熱、感受器-耦合微波加熱、以及微波輔助加熱。
14. 根據權利要求13的方法，其中步驟(c)包括對所述生坯的直接耦合微波加熱，所述生坯與微波 在從室溫到升高的燒結溫度的溫度范圍內耦合；
15. 根據權利要求13的方法，其中步驟(c)包括對所述生坯的感受器-耦合微波加熱，其中至少一個 鄰近所述生坯的微波感受器通過微波吸收被加熱、并傳遞熱量到所述 生坯、從而加熱所述生坯到升高的燒結溫度，在此溫度下，所述生坯 與微波耦合。
16. 根據權利要求15的方法，其中步驟(C)進一步包括對所述生坯的直接耦合微波加熱。
17. 根據權利要求13的方法，其中步驟(C)包括對所述生坯的微波-輔助加熱，其中至少一個鄰近所 述生坯的加熱元件加熱所述生坯到升高的燒結溫度，在此溫度下，所 述生坯與微波耦合。
18. 根據權利要求17的方法，其中步驟(C)進一步包括所述生坯的直接耦合微波加熱。
19. 一種根據權利要求1的方法制造的濺射靶。
20. —種根據權利要求1的方法制造的MgO濺射靶。
21. 根據權利要求20的MgO濺射靶，其具有的密度為理論最大密 度的大約98.8%。
22. 根據權利要求21的MgO濺射耙，其具有可達大約6英寸(in.) 的厚度和可達大約14英寸(in.)的直徑。
全文摘要
一種從粉末材料制造濺射靶的方法，包括步驟提供至少一種原料粉末材料；使所述至少一種原料粉末材料形成密度大于理論最大密度之大約40％的生坯；用微波處理所述生坯以形成密度大于理論最大密度之大約97％的燒結體；以及，從該燒結體形成濺射靶。該方法特別地適用于包括電介質和金屬陶瓷材料的靶的制造中。
文檔編號C23C14/34GK101255546SQ20081008283
公開日2008年9月3日 申請日期2008年2月28日 優先權日2007年3月1日
發明者A·戴斯, B·孔克爾, C·德林頓, 楊峰林 申請人:賀利氏有限公司