CN101008075A - 用定向凝固法制造的磁性溅射靶 - Google Patents

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Abstract

一种溅射靶，包括金属合金，该金属合金具有靶表面、后表面和在靶表面与后表面之间的厚度。靶表面和后表面为金属合金的外表面。金属合金具有基本沿厚度的厚度方向。靶表面基本垂直于厚度方向。金属合金具有基本贯穿整个所述厚度的基本均匀的单一显微组织区。该金属合金还包括枝晶。在靶表面的枝晶基本沿一个方向取向，并且在金属合金的中心平面的枝晶基本沿同一方向取向。溅射靶可以包括钴(Co)基的金属合金，并且可以具有基本垂直于靶表面取向的[0001]密排六方晶格(HCP)方向。通过以第一速率拉出金属合金经过温度梯度，在***衡的温度条件下定向凝固金属合金，形成该溅射靶。除了其它目的以外，该溅射靶用于在基底上形成一个或多个磁性层，以用于数据存储。

Description

用定向凝固法制造的磁性溅射靶
技术领域
本发明一般地涉及溅射靶，具体地，本发明涉及具有改进的显微组织(microstructural)均匀性与通过通量(pass through flux)(“PTF”)的溅射靶，并涉及由其生产的产品如薄膜磁性介质。
技术背景
阴极溅射法被广泛用于向所需的基底上沉积材料的薄膜。特别地，可以用阴极溅射法制造薄膜磁性介质。随着对改进的磁性存储介质的需求不断增长，对具有改进的磁特性与均匀性的磁性介质薄膜的需求也在增长。为得到具有这些所需性质的薄膜，有必要采用具有改进的显微组织均匀性的溅射靶。
一种改进溅射靶的显微组织均匀性的方法是采用真空感应熔化与锭(ingot)凝固，随后进行热-机械加工。由于热-机械加工工艺例如轧制(rolling)和热处理需要较长的制造时间，这些技术的有效性是有限的。另外，这些方法可显著地限制由低延展性合金所组成的溅射靶的产率，因为在热-机械加工过程中由于这些难轧制的合金而使锭开裂的危险性较高。此外，来自轧制和热处理工艺视窗(window)的任何偏离都可以导致贯穿(across)靶厚度(例如，沿溅射方向)上的先前不存在(un-precedent)的显微组织不均匀性。
另外，为在阴极溅射过程中充分除去材料并沉积，通过溅射靶的所施加磁场的PTF是关键。较低的PTF必然需要较高的电压/能量补偿来溅射靶，因此限制了其充分利用。上述通过标准凝固工序然后进行热-机械加工来改进PTF的工艺，其缺点在于成本高、加工时间长和产率低。
需要的是具有改进的显微组织均匀性与PTF的溅射靶。本发明满足了这一需求并提供了其它优点。
发明概述
本发明提供了溅射靶，其显微组织均匀性较以前改善且PTF比以前更高。以第一速率拉出(withdraw)金属合金通过(through)一种温度梯度，在***衡温度条件下定向凝固金属合金，形成溅射靶。这样制造的溅射靶具有基本贯穿它的整个厚度的基本均匀的显微组织区。
根据一个实施方案，本发明是包括金属合金的溅射靶。该金属合金具有靶表面、后表面和在靶表面与后表面之间的厚度。靶表面和后表面为金属合金的外表面。该金属合金具有基本贯穿整个所述厚度的基本均匀的单一显微组织区。
根据另一个实施方案，本发明的溅射靶包括金属合金，该金属合金具有靶表面、后表面和在靶表面与后表面之间的厚度。靶表面和后表面为该金属合金的外表面。该金属合金具有枝晶。在靶表面的枝晶基本沿一个方向取向，并且在金属合金的中心平面的枝晶基本沿同一个方向取向。
根据又一实施方案，本发明的溅射靶包括金属合金，其为钴(Co)基合金。该金属合金具有靶表面、后表面和在靶表面与后表面之间的厚度。靶表面和后表面为该金属合金的外表面。靶表面基本垂直于厚度方向。该金属合金的[0001]密排六方晶格方向的取向基本垂直于靶表面。
本发明的其它特征和优点将在下面的描述中予以陈述，部分特征和优点将从描述中显然得知，或可通过实施本发明而得知。通过在书面描述及其权利要求以及所附附图中具体指出的结构，将理解并实现本发明的目的和其它优点。
应当理解前面的一般性描述和后面的具体描述是示例性和解释性的，目的是为所要求保护的本发明提供进一步的解释。
附图简要说明
附图是为了进一步理解本发明，并被引入构成本说明书的一部分，附图说明了本发明的实施方案，并且与下面的描述一起解释了本发明的原理。在附图中：
图1表示根据本发明的一个实施方案的溅射靶；
图2表示根据本发明一个方面的溅射靶的靶表面的局部视图；
图3表示根据本发明另一方面的溅射靶的局部截面图；
图4表示根据本发明又一方面的溅射靶的靶表面的局部视图；
图5表示根据本发明又一方面的溅射靶的中心平面的局部视图；
图6表示根据本发明又一方面的定向凝固的金属合金；
图7表示溅射靶的靶表面的局部视图；
图8表示溅射靶的中心平面的局部视图；和
图9表示根据本发明的另一个实施方案的溅射靶。
发明详述
为全面理解本发明，下列具体描述中陈述了许多具体的细节。但是，对本领域所属技术人员而言，本发明可在没有一些该具体细节的情况下实施，是显而易见的。另一方面，为了使本发明清楚起见，本文没有对熟知的结构和技术进行说明。
参照图1，其说明了根据本发明的一个实施方案的溅射靶。溅射靶100包括金属合金。该金属合金具有靶表面例如靶表面101、后表面例如后表面103、和侧表面例如侧表面104。该金属合金还具有在靶表面101与后表面103之间的厚度如厚度102，并且还具有基本沿厚度102的厚度方向106。靶表面101是金属合金的外表面并且基本垂直于厚度方向106。侧表面104也是金属合金的外表面。后表面103是金属合金的外表面并且基本垂直于厚度方向106或基本平行于靶表面101。根据本发明的一个实施方案，如下面更详细描述地，金属合金具有基本贯穿整个厚度102的基本均匀的单一显微组织区。根据本发明的又一实施方案，溅射靶例如溅射靶100还可以包括位于靶表面101和后表面103之间的中心平面例如中心平面105。在图1的示例性实施方案中，溅射靶100的金属合金为Co-5Ta-5Zr。
定向凝固是一种使凝固组织(例如，枝晶)贯穿整个熔化物均匀地沿特定取向(例如，生长或凝固方向)优先生长并稳定的凝固方法。在定向凝固过程中，以特定的拉出速率牵引含熔化物(例如，熔融金属或待凝固的金属合金)的坩锅，例如陶瓷蜡模铸型(investment mold)，经过(through)熔炉或感应加热装置，在所述的熔炉或感应加热装置中保持在熔化物的定向凝固过程中贯穿整个熔化物的可控的、一致的热梯度。当在***衡的温度条件下发生凝固时，显微组织特征优先沿凝固方向(即，与拉出方向相反的方向)取向。显微组织外观中的方向性或各向异性以及结晶取向可以显著地导致组织和功能性质(即，磁性)方面的性能(performance)各向异性。
图2说明了该优先取向，图2显示了图1的溅射靶100的靶表面101的区域A的特写(close-up)视图，在图1中可以看到靶表面101的显微组织特征例如显微组织特征111和112。图2显示了定向凝固的Co-5Ta-5Zr合金的典型显微组织。观察到典型的双相显微组织，其中较亮相组成为Co、Ta和Zr，但是较暗相主要组成为Co和Ta。枝晶相优先沿生长方向取向。由于显微组织特征的这种优先取向，离析(evolved)的凝固显微组织在贯穿凝固方向(即，生长方向)上是基本均匀的。由于在定向凝固过程中整个熔化物经历了相同的热梯度，观察得知，在金属合金的靶表面101和在金属合金的中心平面105，在凝固枝晶相的形状与大小方面的显微组织特征基本上相同或相似，说明显微组织的匀化作用(例如，基本均匀的单一显微组织区)基本贯穿溅射靶100的整个厚度102发生。图3表示溅射靶100的区域B的局部截面图，其显示了沿厚度方向106的这个基本均匀的显微组织区110。在贯穿靶的厚度上观察到一致取向的枝晶组织。
溅射靶的显微组织均匀性改善了通过溅射靶得到的涂层的显微组织均匀性。本发明的溅射靶可用于在基底上溅射一个或多个磁性层以用于数据存储。或者，本发明的溅射靶可用于在半导体基底上溅射导电层，或用于溅射光学薄膜，或用于几乎其它任何溅射应用。
图4和图5分别说明了图1的溅射靶100的中心平面105的区域D和靶表面101的区域C。根据一个实施方案，溅射靶可以包括枝晶，例如枝晶205和206。在靶表面101的枝晶205基本沿一个方向401(例如，生长方向)取向，在金属合金的中心平面105的枝晶206基本沿同一个方向401(例如，生长方向)取向。
现在参照图6，其说明了根据本发明的一个方面定向凝固的金属合金600。根据本发明的一个方面，金属合金600可包括两种或更多种金属，示例性地而不是限制性地，这些金属包括：钴(Co)、铁(Fe)、镍(Ni)、铬(Cr)、铂(Pt)、硼(B)、铜(Cu)、金(Au)、钛(Ti)、钒(V)、钇(Y)、锆(Zr)、铌(Nb)、钼(Mo)、钌(Ru)、铑(Rh)、镧(La)、铪(Hf)、钽(Ta)、钨(W)或铱(Ir)。根据本发明的另一方面，金属合金600可包括一种或多种金属。
根据又一实施方案，金属合金600可以包括用于纵向磁记录中的磁性层的多种低磁矩(moment)(Cr含量＞18原子百分比)和高磁矩(Cr含量＜18原子百分比)的钴合金，例如，Co-(5-25)Cr-(5-25)Pt-(5-20)B-(1.5-7.5)Cu或Au原子百分比和/或(1.5-7.5)X原子百分比，其中X＝Ti、V、Y、Zr、Nb、Mo、Ru、Rh、La、Hf、Ta、W或Ir。
根据又一实施方案，金属合金600可以是用于在纵向磁记录中溅射中间层(interlayer)的钴(Co)基合金，其组分范围为例如Co-(5-30)Cr、Co-(5-30)Cr-(2-15)Ta。
根据本发明的另一实施方案，金属合金600可以是用于溅射软磁底层的钴基、铁基或镍基合金，和用于垂直磁记录的APC(反向平行耦合钉扎层(Anti-parallel coupled pinned layers))，并具有组分例如任意可能元素比例的Co-Ta-Zr、Co-Nb-Zr、Fe-Co-B、Fe-Co-Cr-B、Fe-Co-Ni-B、Co-Fe、Ne-Fe和Ni-Mn。
根据本发明的另一方面，金属合金600可以包括钴(Co)、大于0并多达约5原子百分比的钽(Ta)和大于0并多达约5原子百分比的锆(Zr)。
根据本示例性实施方案，金属合金600是钴基合金，例如Co-5Ta-5Zr。根据另一方面，金属合金是金属基合金或金属化合物。
经由熔炉或感应加热装置以拉出方向[001]拉出金属合金600，在该装置中保持在熔化物的定向凝固过程中贯穿整个熔化物的可控的、一致的热梯度。当在定向凝固过程中在***衡的温度条件下发生凝固时，有利于低温密排六方晶格(HCP)钴(Co)相的稳定。相对于面心立方(FCC)Co相的HCP Co相的相对比例因此得以提高。因此，[0001]HCP方向(即，重直于HCP底面的表面)自身优先沿与金属合金的表面601成约54°角取向。如果底部的六方形结构(texture)平行于溅射过程中产生的力602的磁力线，那么可以得到最高的通过通量(PTF)。因此，通过机械加工金属合金600产生与金属合金600的表面601成36°角的靶表面(例如，通过沿线603切割)，可以使[0001]方向与由金属合金600机械加工得到的溅射靶的靶表面相垂直，从而大大增加了所制造溅射靶的PTF。
下面的表1说明了，与用真空感应熔化和锭凝固并随后经热机械加工的溅射靶相比，根据本发明的一个实施方案的溅射靶在PTF方面的优点。
表1
    定向凝固的溅射靶    热-机械加工的溅射靶
    组成     Co-5Ta-5Zr    Co-6Ta-4Zr
    PTF     15％    5％
图7和图8分别说明了组成为Co-6Ta-4Zr的经热-机械加工的溅射靶的靶表面和中心平面的显微组织。与本发明的溅射靶对比，在溅射靶的靶表面(如图7所示)和中心平面(如图8所示)处观察到了凝固枝晶相701和801的显微组织在取向、形状和大小方面的实质区别。在靶表面，初(primary)枝晶相(例如，较暗组织)的显微组织比在中心平面的更是柱形的和更细，而在中心平面的初相显微组织更粗糙和更是各向等大的。在两个平面中都没有观察到沿生长方向的优先取向。
在比较图3和图4时，显而易见在本发明的溅射靶100的靶表面101的相当大部分的枝晶205的大小与在本发明的溅射靶100的中心平面105的相当大部分枝晶206的大小基本相似。在比较图7和图8时，显而易见在经热-机械加工的溅射靶的靶表面的相当大部分的枝晶701的大小与在经热-机械加工的溅射靶的中心平面的相当大部分的枝晶801的大小基本不相似。
在进一步比较图3和图4时，显而易见在本发明的溅射靶100的靶表面101的相当大部分的枝晶205的形状与在本发明的溅射靶100的中心平面105的相当大部分的枝晶206的形状基本相似。在比较图7和图8时，显而易见在经热-机械加工的溅射靶的靶表面的相当大部分的枝晶701的形状与在经热-机械加工的溅射靶的中心平面的相当大部分的枝晶801的形状基本不相似。
根据本发明的一个方面，在靶表面的相当大部分的枝晶占据约1.0平方毫米或更大的面积(例如，边长1.0×10-3m的正方形)，并且在金属合金的中心平面的相当大部分的枝晶占据约1.0平方毫米或更大的面积(例如，边长1.0×10-3m的正方形)。
现在参照图9，其说明了根据本发明的又一实施方案的溅射靶。溅射靶900包括金属合金，其为钴(Co)基合金。该金属合金具有靶表面例如靶表面901、侧表面例如侧表面904和后表面例如后表面903。该金属表面还具有在靶表面901与后表面903之间的厚度，例如厚度902。该金属合金还具有基本沿厚度902的厚度方向906。靶表面901和后表面903是金属合金的外表面并且基本垂直于厚度方向906。侧表面904也是金属合金的外表面。该金属合金还具有与靶表面901成θ角取向的[0001]密排六方晶格(HCP)方向(即，垂直于HCP底面的表面)。根据本发明的一个方面，金属合金的[0001]HCP方向的取向与垂直于靶表面901的方向成0°至10°。根据本发明的又一方面，金属合金的[0001]HCP方向的取向基本垂直于靶表面901。
虽然以平面的靶表面和后表面说明了图1和图9中的溅射靶，但是对本领域所属技术人员而言，显而易见可以在本发明的范围内把溅射靶制成各种其它形状。例如，且不是限制性的，可以使本发明的溅射靶成为圆柱形固体形式的可旋转溅射靶，其中靶表面和后表面分别定义为面向和远离待涂覆基底的圆柱部分。或者，可以使本发明的溅射靶具有槽形的或织纹状的靶表面，或具有平滑或步进式(stepped)曲率的非平面靶表面。
虽然参照各种图和实施方案具体描述了本发明，应当理解这些仅仅是为说明性目的，而不应当用于限制本发明的范围。可以有许多其它方法来实施本发明。本领域所属技术人员可以在不偏离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行许多变化和修改。

Claims (22)

1.一种溅射靶，包括
金属合金，该金属合金具有靶表面、后表面和在靶表面与后表面之间的厚度，靶表面和后表面为该金属合金的外表面，该金属合金具有基本贯穿整个厚度的基本均匀的单一显微组织区。
2.如权利要求1所述的溅射靶，其中通过以第一速率拉出所述金属合金经过温度梯度，在***衡的温度条件下凝固，来形成所述的溅射靶。
3.如权利要求1所述的溅射靶，其中所述的金属合金包括多个枝晶，并且基本上所有的多个枝晶都优先沿生长方向取向。
4.如权利要求1所述的溅射靶，其中所述的金属合金包括在靶表面的基本沿第一枝晶方向取向的第一多个枝晶，在金属合金的中心平面的基本沿第二方向取向的第二多个枝晶；并且所述第一枝晶方向与所述第二枝晶方向基本平行。
5.如权利要求1所述的溅射靶，其中所述的金属合金包括枝晶，其中在靶表面的相当大部分的枝晶的形状与在金属合金的中心平面的相当大部分的枝晶的形状基本相似。
6.如权利要求5所述的溅射靶，其中在靶表面的所述相当大部分的枝晶占据约1.0平方毫米或更大的面积，并且在金属合金的中心平面的所述相当大部分的枝晶占据约1.0平方毫米或更大的面积。
7.如权利要求1所述的溅射靶，其中所述的金属合金包括枝晶，其中在靶表面的相当大部分的枝晶的大小与在金属合金的中心平面的相当大部分的枝晶的大小基本相似。
8.如权利要求7所述的溅射靶，其中在靶表面的所述相当大部分的枝晶占据约1.0平方毫米或更大的面积，并且在金属合金的中心平面的所述相当大部分的枝晶占据约1.0平方毫米或更大的面积。
9.如权利要求1所述的溅射靶，其中所述的金属合金包括钴(Co)、大于0并多达约5原子百分比的钽(Ta)，和大于0并多达约5原子百分比的锆(Zr)。
10.如权利要求1所述的溅射靶，其中所述的溅射靶用于在基底上形成一个或多个磁性层以用于数据存储。
11.一种溅射靶，包括
金属合金，该金属合金具有靶表面、后表面和在靶表面与后表面之间的厚度，靶表面和后表面为该金属合金的外表面，
该金属合金具有枝晶，在靶表面的枝晶基本沿一个方向取向，在金属合金的中心平面的枝晶基本沿同一个方向取向。
12.如权利要求11所述的溅射靶，其中通过定向凝固形成所述的金属合金。
13.如权利要求11所述的溅射靶，其中所述的金属合金包括至少一种下列成分：钴(Co)、镍(Ni)和铁(Fe)。
14.如权利要求11所述的溅射靶，其中所述的金属合金包括至少一种下列成分：钴(Co)、铁(Fe)、镍(Ni)、铬(Cr)、铂(Pt)、硼(B)、铜(Cu)、金(Au)、钛(Ti)、钒(V)、钇(Y)、锆(Zr)、铌(Nb)、钼(Mo)、钌(Ru)、铑(Rh)、镧(La)、铪(Hf)、钽(Ta)、钨(W)和铱(Ir)。
15.如权利要求11所述的溅射靶，其中所述的金属合金包括钴(Co)、大于0并多达约5原子百分比的钽(Ta)和大于0并多达约5原子百分比的锆(Zr)。
16.如权利要求11所述的溅射靶，其中所述的枝晶优先沿生长方向取向。
17.如权利要求11所述的溅射靶，其中所述的溅射靶用于在基底上形成一个或多个磁性层以用于数据存储。
18.如权利要求11所述的溅射靶，其中所述的金属合金具有磁性。
19.一种溅射靶，包括
金属合金，其为钴(Co)基合金，该金属合金具有靶表面、后表面和在靶表面与后表面之间的厚度，靶表面和后表面为该金属合金的外表面，靶表面基本垂直于厚度方向，该金属合金的[0001]密排六方晶格(HCP)方向的取向基本垂直于靶表面。
20.如权利要求19所述的溅射靶，其中通过定向凝固形成所述的溅射靶。
21.如权利要求19所述的溅射靶，其中所述溅射靶的通过通量大于约10％。
22.如权利要求19所述的溅射靶，其中所述的金属合金的[0001]密排六方晶格(HCP)方向的取向与所述靶表面的垂直方向成0°至10°。
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