溅射靶和生产溅射靶的方法技术

本发明专利技术涉及一种用于物理气相沉积方法的靶材，其具有由选自铝基材料、钛基材料和铬基材料及其全部组合的复合材料组成的基质，其中所述基质是用掺杂元素掺杂的，并且所述掺杂元素是作为陶瓷化合物或者铝合金的成分而嵌入所述基质中的，以及所述掺杂元素选自镧系元素：La、Ce、Nb、Sm和Eu。本发明专利技术还涉及一种生产这样的靶材的方法和这样的靶材在物理气相沉积方法中的用途。

Sputtering target and method of producing sputtering target

The invention relates to a target material for a physical vapor deposition method, which has a matrix composed of a composite material selected from an aluminum based material, a titanium based material, a chromium based material and all combinations thereof, wherein the matrix is doped with a doping element, and the doping element is embedded in the matrix as a component of a ceramic compound or an aluminum alloy, and the doping element Selected from lanthanide elements: La, CE, Nb, SM and EU. The invention also relates to a method for producing such a target and the use of such a target in a physical vapor deposition method.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】溅射靶和生产溅射靶的方法本专利技术涉及一种用于物理气相沉积方法的，具有权利要求1的前序部分的特征的靶材，一种粉末冶金法生产用于物理气相沉积方法的靶材的方法以及这样的靶材在物理气相沉积方法中的用途。在现有技术中，物理气相沉积法(PVD)广泛用于生产多个层。归因于这样的层的宽的使用范围，必须能够沉积不同类型的涂覆材料。不同的方法例如气化，阴极雾化(溅射沉积)或者电弧气化(阴极电弧沉积或者电弧源气化技术)可用于物理气相沉积。靶材是适用于PVD方法来在基底材料上沉积层，其提供来用于这个目的。就本专利技术而言，术语“靶材”具体指的是溅射靶和用于电弧沉积的靶材(也称作电弧阴极)。取决于材料，所述靶材是通过不同的技术生产的。在粉末冶金法和熔融冶金法之间可以进行原则上的区分。在粉末冶金法的情况中，存在许多不同的可能性，其必须根据靶材的组成，考虑整合的元素的性能来选择。在此通过例子可以提及压制、烧结、热等静压(HIP)、锻造、轧制、热压(HP)或者火花等离子体烧结(SPS)，包括它们的组合。在进行涂覆时，靶材(也称作涂层源或者简称源)在涂覆室中经历了等离子体、电弧和最后但并非最不重要的加热产生的热应力。为了避免涂层源的过度加热，将它们从后侧冷却。这种冷却可以通过直接水冷却所述靶材的后侧或者通过硬质铜垫板或者柔性铜膜的间接冷却来进行。具有不同组成的靶材是现有技术已知的。因此，JP3084402公开了组成为AlxTi1-x-y-zMyRz的AlTi靶材，其中-M是选自从W和Mo中的一种或多种元素，-R表示选自Y，Ce，La和混合稀土金属中的稀土元素，并且0.05≤x≤0.7，0.02≤y≤0.25且0.0005≤z≤0.05。CN104480444描述了一种靶材组成，其包含10-50原子％的Ti，40-90原子％的Al以及如下含量的Co，Cr，Ta，W，Nb，Mo，Zr，V，B，Si，Y，La，Se和Ce：0.1-10原子％的Co，0.1-20原子％的Cr，0.1-10原子％的Ta，0.1-10原子％的W，0.1-10原子％的Nb，0.1-10原子％的Mo，0.1-10原子％的Zr，0.1-10原子％的V，0.1-10原子％的B，0.1-20原子％的Si，0.1-10原子％的Y，0.01-5原子％的La，0.01-5原子％的Ce，0.01-5原子％的Se。对于经济使用PVD技术来说最重要的参数之一是涂覆速率，其描述了所述层在基底上发生增长时的速率。采用一级近似，所述涂覆速率取决于下面的参数：·PVD技术的类型(例如电弧气化，溅射，HIPIMS，…)·施加到涂层源上的功率·靶材的数目·镀膜设备的尺寸·靶材和基底的间距·靶材前面的基底的转速·基底预应力(偏应力)靶材本身的组成也对涂覆速率具有很大影响。不同的元素由于它们的物理性能而具有不同的气化速率。在此特别重要的因素是存在的键，元素的大小(原子半径和原子量)以及功函数，即，将电子转移成自由的，未结合态所需的功。所存在的键决定了需要多少冲击能(特别是在溅射的情况中)来将原子或者原子簇从靶材表面转移到气相中。包括工作气体(Ar将在下文中提及作为工作气体的例子，但是这不构成限制)的冲击方法还导致形成次级电子，其转而导致形成更多的Ar离子，其可以进一步溅射靶材的原子。这些溅射方法的效力非常大地取决于所引入的能量，并且首先和首要地取决于能量密度。仅仅当这足够高时靶材才会雾化。这里，涂覆速率(也称作雾化速率，溅射速率)随着能量密度的增加而非常明显地增加，并且仅仅在非常高的能量密度时达到饱和。能量密度可以通过更高能量的冲击Ar离子来增加或者受到镀膜设备的其他参数的影响(例如磁场，其增加了次级电子与工作气体的相互作用，以及因此增加了后者的离子化程度)。但是，具体地，更高能量的冲击Ar离子也增加了靶材的热应力(几乎90％的入射Ar离子的能量转化成热，并且仅仅小百分比的能量进行了期望的溅射)。这些基本上是全部过程控制参数。本专利技术的一个目标是提供一种靶材和生产靶材的方法，在此情况中获得了增加的气化速率和因此增加的涂覆速率。这个目标是通过具有权利要求1的特征的靶材，具有权利要求13特征的方法以及权利要求16所述的用途来实现的。本专利技术的主要优点是增加的涂覆速率(和因此所述层更快的增长)，其可以甚至通过用选自镧系元素：La，Ce，Nd，Sm和Eu的元素相对低的掺杂靶材来实现。本专利技术基于本申请人这样的认识，即，涂覆速率会受到加入掺杂元素的非常有效的影响。这基本上基于两种效果：首先，所选择的来自于镧系元素：La，Ce，Nd，Sm和Eu的掺杂元素有助于在相互作用区域的三维范围内更有效地利用冲击Ar离子中存在的能量。所选择的掺杂元素作为它们的尺寸和质量的结果，充当了原子“攻城锤”(当它们合适地均匀分布在靶材中时，如粉末冶金法生产的靶材的情况)，其将可利用的冲击能或者动量集中在靶材表面上的较小的相互作用区域上。以此方式，转移的动能集中在较少的原子层上，并且冲击Ar离子的总能量可以集中在较小区域上。这增加了在冲击Ar离子的恒定的能量下的溅射速率并且获得了更有效的溅射方法。这也是与次级电子发射的增加相关的，其转而导致了工作气体更高的离子化程度。其次，所述次级电子发射也可以通过选自镧系元素：La，Ce，Nd，Sm和Eu的掺杂元素来增加，其具有特别低的电子功函数。较低的电子功函数意味着增加数目的次级电子和因此增加的形成工作气体的离子的可能性，其转而可以冲击更多的靶材原子。在本专利技术中，存在着所述两种效应的叠加，其明显增加了溅射率。在反应性溅射方法中另一积极效果是靶材表面更难以中毒，这归因于增加的能量密度(相应的元素在接近靶材表面的相互作用区域中更集中)。靶材与反应性气体(例如N2)的差的导电性反应产物的形成及其在靶材表面上的驻留(其导致已知的靶材中毒)变得更困难。当形成这样的产物时，它们是通过增加所存在的Ar离子的数目而迅速地再次除去，所述靶材因此在期望的金属溅射模式中保持更长时间(甚至在所述气氛中相对高N2含量时也是如此)。在电弧蒸发方法中，本专利技术的积极效果具体是在靶材表面增加的能量密度，其转而增加了电弧事件以及因此增加了气化速率。所述的选自镧系元素：La，Ce，Nd，Sm和Eu的元素此外对于层在可实现的硬度或者耐磨性方面的性能具有积极影响。所述掺杂元素是以陶瓷化合物或者铝合金形式引入靶材中，以便能够确保靶材中低的氧含量：此处所列的元素对于氧具有高的化学亲和性以及因此在纯金属或者非合金化形式时快速氧化。假如所述掺杂元素是以氧化物形式存在的，那么它们将不是导电性的和因此非常难以在沉积方法中变成气相。处于陶瓷化合物例如硼化物、碳化物、氮化物和硅化物或者Al基合金形式时，这些元素被明显保护防止了氧化。二硅化铈特别适于铈的添加，因为它在靶材生产温度范围(高到350℃)比金属铈明显更耐氧化。另外，二硅化铈具有高的脆性，作为其结果，特别细微的颗粒粉末可以通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于物理气相沉积方法中的靶材，其具有由选自铝基材料、钛基材料和铬基材料及其全部组合的复合材料组成的基质，其中所述基质是用掺杂元素掺杂的，特征在于所述掺杂元素是作为陶瓷化合物或者铝合金的成分而嵌入在所述基质中的，以及所述掺杂元素选自镧系元素：La、Ce、Nb、Sm和Eu。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170228 AT GM46/20171.一种用于物理气相沉积方法中的靶材，其具有由选自铝基材料、钛基材料和铬基材料及其全部组合的复合材料组成的基质，其中所述基质是用掺杂元素掺杂的，特征在于所述掺杂元素是作为陶瓷化合物或者铝合金的成分而嵌入在所述基质中的，以及所述掺杂元素选自镧系元素：La、Ce、Nb、Sm和Eu。


2.根据权利要求1所述的靶材，其中所述掺杂元素在所述靶材中的存在总浓度在大于或者等于1原子％且小于或者等于10原子％，优选小于或者等于5原子％的范围内。


3.根据前述至少一项权利要求所述的靶材，其中所述基质的元素占所述靶材的比例大于或者等于60原子％且小于或者等于99原子％。


4.根据前述至少一项权利要求所述的的靶材，其中所述基质是作为组成为AlxM1-x的铝基材料存在的，其中M是选自Ti、V、Cr、Zr、Nb、Mo、Ta、W、Si中的一种或多种元素以及x大于25原子％。


5.根据前述至少一项权利要求所述的靶材，其中所述基质是作为组成为TixM1-x的钛基材料存在的，其中M是选自V、Cr、Zr、Nb、Mo、Ta、W、Si中的一种或多种元素以及x大于50原子％。


6.根据前述至少一项权利要求所述的靶材，其中所述基质是作为组成为CrxM1-x的铬基材料存在的，其中M是选自Ti、V、Zr、Nb、Mo、Ta、W、Si中的一种或多种元素以及x大于50原子％。


7.根据前述至少一项权利要求所述的靶材，其中所述靶材中的氧含量小于5000μg/g，优选小于3000μg/g。


8.根据前述至少一项权利要求所述的靶材，其中所述靶材中功函数大...

【专利技术属性】
技术研发人员：皮特·波尔契克，西拉德·科洛兹瓦里，保罗·梅尔霍夫，赫尔穆特·里德尔，
申请(专利权)人：普兰西复合材料有限公司，
类型：发明
国别省市：德国;DE