[发明专利]用于脆性材料的安全经济蒸发的靶组件

说明书

本发明披露了一种靶组件，其允许安全、无裂且经济的靶材工作，伴随在电弧蒸发工艺以及溅射工艺中的低的断裂韧度和/或抗弯强度。本发明披露了一种用于PVD工艺的靶组件，包括靶和靶保持机构(20)，其特征是，该靶(10)包括第一卡口锁，该靶保持机构(20)包括用于靶的第一卡口锁的配对体和用于在沉积室的冷却机构内接合靶组件的第二卡口锁。

背景技术

已知由脆性材料制造的靶，当它们作为阴极被用在物理气相沉积(PVD)工艺中时，通常会在工作中遇到损伤。这可能导致有缺陷的靶和散热板以及质量差的涂覆的定制工具。这还将维修时间强加于生产线上并打断了生产。靶损伤通常在靶的在工作中出现最高机械应力的位置处开始。通常在靶的薄壁段或锐边处观察到靶几何形状的这种关键点，但它也可能在靶的周面或表面处，取决于局部应力最大值。机械应力源于冷却机构对靶背面的压力并在工作中被靶内热应力取代。在本申请的上下文中，术语“脆性”是指断裂韧度不到40MPa*m^-1/2或者抗弯强度不到500MPa的金属和陶瓷材料。

用于PVD系统的标准靶设计通常显示出盘状或板状的几何形状并且由在电弧或溅射工艺中待蒸发的靶材构成。这样的盘板状靶一般在沉积室内通过靶座安装在散热板上或例如借助螺钉被直接固定。此时的缺点是螺钉所造成的局部应力在工作中引起开裂。

EP0393344A1披露了一种利用骨架结构的尝试，该骨架结构在冷却流体起效时保持靶板压紧在散热板上。靶板显示出阶梯结构，其保证靶板能在骨架结构被开槽。但这种组件的缺点是，骨架结构的第二材料在工作中朝向电弧或等离子体放电，这可能造成骨架结构的无意蒸发，因此并不适用于稳定的工艺条件和高质量涂覆。

EP0512456A1介绍了一种靶设计，其利用沿靶周面的多个凸起，所述凸起允许靶可被转动到沉积室的固定机构中。据说靶凸起与沉积室的配对体相互作用，类似于“卡口锁”。这种“标准靶”设计的示例图如图8所示。类似于EP0393344A1，在EP0512456A1中描述了活动散热板的背压被用来将靶板压紧到固定机构上，这保证了靶背面与散热板之间的良好热接触。在此尝试中，包括凸起在内的整个靶板由待蒸发材料制造，但这在靶的卡口区域中造成相当高的应力，因此并不适用于脆性靶材情况。

过去，WO2014166620A1曾披露一种改善在溅射中的脆性靶的耐用性的想法。在那里，脆性靶材沿着经常会看到开裂的靶板外径被高强度钢替代。尽管如此，WO2014166620A1所建议的解决方案不适合由脆性材料制成的靶在电弧蒸发过程中作为阴极的工作。在某些情况下仍然存在靶座可能蒸发的危险。

因此，本发明试图克服已知靶形状的缺点，在此脆性靶材通常在作为阴极在PVD工艺中工作时遇到断裂问题。

因此，在本发明中已做出尝试来消除引起开裂的危险，做法是完成一种新型靶设计而不会使靶座的第二材料暴露在电弧或溅射等离子体下。

通常，脆性损坏的原因假设是源于几个因素。其中一个因素是在电弧蒸发或溅射过程中的靶内局部应力发展变化。具有高熔点和/或六角晶体结构的靶材例如像元素Cr、Mo、W等、或者复合靶例如Ti-Cr、Mo-Cr、Mo-Hf和高熔点元素或靶材的其它二元或三元混合物易于脆性损坏。尤其在电弧蒸发过程中，局部加热发生在靶表面上，而靶背面一般被直接或间接冷却。在等离子体侧的相较于冷却侧的不同的热膨胀可能在工作中导致靶内高应力，其叠加上来自压紧在靶背面上的散热板的机械应力。就此而言，陶瓷靶材例如像硼化物如TiB₂或氮化物如TiN、CrN或氧化物也是相似的。其它因素是这种靶材的一般低的热胀系数和/或低导热率，其可能促成靶内热应力发展变化。除此之外，靶设计必须保证靶在工作中被导电接通且良好冷却。