(57)【要約】  スパッタリングターゲットアセンブリは、裏面を有するスパッタリングターゲットと、前面を有するバッキングプレートと、ターゲットとバッキングプレートとの間に配置された中間層と、を含む。中間層は、ターゲット材料の裏面に近接した配置された第１中間層部分と、バッキングプレートの前面に近接して配置された第２中間層部分と、を含む。第１中間層部分は、第１材料及び第２材料を含有し、第２材料よりも高濃度の第１材料を有する第１混合物で形成され、第２中間層部分は、第１材料及び第２材料を含有し、第１材料よりも高濃度の第２材料を有する第２混合物で形成される。作製法も提供される。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパッタリングターゲットアセンブリであって、
裏面を有するスパッタリングターゲットと、
前面を有するバッキングプレートと、
前記ターゲットと前記バッキングプレートとの間に配置された中間層であって、前記中間層が、前記ターゲット材料の裏面に近接して配置された第１中間層部分と、前記バッキングプレートの前面に近接して配置された第２中間層部分と、を備える、中間層と、を備え、
前記第１中間層部分が第１材料及び第２材料を含有し、前記第２材料よりも高濃度の前記第１材料を有する第１混合物で形成され、前記第２中間層部分が、前記第１材料及び前記第２材料を含有し、前記第１材料よりも高濃度の前記第２材料を有する、第２混合物で形成されている、スパッタリングターゲットアセンブリ。
【請求項２】
前記中間層が、前記スパッタリングターゲット及び前記バッキングプレートを通って延在する軸に沿って、粒径、粒質、材料組成又は材料成分密度のいずれか１つに機能性材料傾斜を有し、前記軸が、前記スパッタリングターゲットの前記裏面に対して垂直である、請求項１に記載のスパッタリングターゲットアセンブリ。
【請求項３】
前記第１中間層部分及び前記第２中間層部分が、それぞれ約０．５ミリメートル〜約３ミリメートルである、請求項１に記載のスパッタリングターゲットアセンブリ。
【請求項４】
前記スパッタリングターゲットがスパッタリングターゲット材料から形成され、前記第１中間層部分の熱膨張係数が、前記スパッタリングターゲット材料の熱膨張係数の５００％以内である、請求項１に記載のスパッタリングターゲットアセンブリ。
【請求項５】
前記中間層が第３材料を更に含む、請求項１に記載のスパッタリングターゲットアセンブリ。
【請求項６】
前記中間層が第３材料を更に含み、前記第１中間層部分が、前記第２中間層部分よりも高濃度の前記第３材料を有する、請求項１に記載のスパッタリングターゲットアセンブリ。
【請求項７】
スパッタリングターゲットアセンブリの形成方法であって、前記方法が、
スパッタリングターゲットの表面又はバッキングターゲットの表面に、第１材料及び第２材料を含有する第１混合物から第１層を形成することと、
前記第１層上に、前記第１材料及び前記第２材料を含有する第２混合物から第２層を形成することであって、前記第１層が、前記第２層よりも高濃度の前記第１材料を有し、前記第２層が、前記第１層よりも高濃度の前記第２材料を有する、ことと、
前記第２層上に前記バッキングプレート又は前記スパッタリングターゲットを配置して、前記スパッタリングターゲットと前記バッキングプレートとの間に前記第１層及び前記第２層を有するアセンブリを形成することと、
ターゲットアセンブリ接合工程において、前記スパッタリングターゲット、前記第１層、前記第２層、及び前記バッキングプレートを接合することと、を含む、方法。
【請求項８】
少なくとも第１材料及び第２材料を有する前記第１層が、前記バッキングプレートの表面に形成され、前記スパッタリングターゲットが前記第２層の表面に配置される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記方法が、
材料の複数の後続層を前記第１層に付加することであって、材料の各後続層が、以前付加された層よりも低濃度の前記第１材料を有する、ことを更に含む、請求項７に記載の方法。
【請求項１０】
粒径、粒質、材料組成、又は材料成分密度のいずれか１つの傾斜変化が前記第１層から前記第２層に存在する、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記材料の複数の後続層の各層が、約０．５ミリメートル〜約３ミリメートル厚である、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記スパッタリングターゲットがスパッタリングターゲット材料から形成され、前記第１層の熱膨張係数が、前記スパッタリングターゲット材料の熱膨張係数の５００％以内である、請求項７に記載の方法。
【請求項１３】
前記バッキングプレートがバッキングプレート材料から形成され、前記第２層の熱膨張係数が、前記バッキングプレート材料の熱膨張係数の５００％以内である、請求項７に記載の方法。
【請求項１４】
前記第１層の熱膨張係数と前記スパッタリングターゲットの熱膨張係数との差異が、前記第１層の熱膨張係数と前記バッキングプレートの熱膨張係数との差異よりも小さい、請求項７に記載の方法。
【請求項１５】
前記第１混合物及び前記第２混合物が第３材料を更に含む、請求項７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本願は、２０１６年４月１日出願の米国特許仮出願第６２／３１６，７０１号の優先権を主張するものであり、あらゆる目的のためにその全体が参照により本明細書に組み込まれる。
【０００２】
本開示は、物理蒸着システムでスパッタリングターゲットと共に使用するスパッタリングターゲットアセンブリ及び成分に関する。本開示はまた、付加製造プロセスを使用して作製したスパッタリングターゲットアセンブリ及び成分に関する。
【背景技術】
【０００３】
物理蒸着法は、様々な基板の表面に材料の薄膜を形成するために広く使用されている。かかる堆積技術にとって重要な一分野は、半導体製造である。例示的物理蒸着（「ＰＶＤ」）装置８の一部の線図を図１に示す。ある構成では、スパッタリングターゲットアセンブリ１０は、接合されたターゲット１４を有するバッキングプレート１２を備える。半導体材料ウエハーなど基板１８はＰＶＤ装置８内にあり、ターゲット１４から離間して設けられる。ターゲット１４の表面１６は、スパッタリング面である。図示するように、ターゲット１４は基板１８の上方に配置され、スパッタリング面１６が基板１８と面するように位置付けられる。動作中、スパッタリングされた材料２２は、ターゲット１４のスパッタリング面１６から離れ、基板１８の表面にコーティング（つまり薄膜）２０を形成するために使用される。いくつかの実施形態では、好適な基板１８には、半導体製造で使用されるウエハーが挙げられる。
【０００４】
例示的ＰＶＤプロセスでは、ターゲット１４は、スパッタリング面１６からの原子が周囲大気中に放出され、続いて基板１８に堆積するまで、エネルギーが照射される。ある例示的使用では、プラズマスパッタリングが使用されて、電子機器で使用するチップ又はウエハーに金属薄膜を堆積する。
【０００５】
ターゲット１４は、ＰＶＤ堆積プロセスに好適な任意の金属で形成されてよい。例えば、ターゲット１４には、アルミニウム、バナジウム、ニオブ、銅、チタン、タンタル、タングステン、ルテニウム、ゲルマニウム、セレン、ジルコニウム、モリブデン、ハフニウム、及び合金、並びにこれらの組み合わせが挙げられてよい。かかる例示的金属又は合金が、表面に薄膜として堆積されることを意図される場合、ターゲット１４は所望の金属又は合金から形成され、ＰＶＤ中にその金属又は合金から金属原子が引き出され、基板１８に堆積される。
【０００６】
バッキングプレート１２は、ＰＶＤ堆積プロセス中にターゲット１４を支持するように使用されてよい。本明細書に記載するように、ＰＶＤ堆積プロセスは、ターゲット１４及びバッキングプレート１２を含むスパッタリングターゲットアセンブリ１０に望ましくない物理変化を生じさせることがある。例えば、ＰＶＤ堆積プロセスは、ターゲット１４に歪み又は変形を生じさせる高温を含むことがある。これを阻止するために、スパッタリングターゲットアセンブリ１０及び成分は、これらの望ましくない変化を低減するように設計され得る。例えば、バッキングプレート１２は、ターゲット１４及びスパッタリングターゲットアセンブリ１０に対する望ましくない物理変化を最小化できる、又は阻止できる、高い熱容量及び／又は熱伝導率を有するように構成されてよい。
【０００７】
スパッタリングターゲットアセンブリ１０の特性を調整する１つの選択肢には、バッキングプレート１２の形成方法を制御することが挙げられる。これは、使用されるバッキングプレート材料及び製造プロセス中の材料処理法の選択を含んでよい。別の選択肢としては、バッキングプレート１２のアセンブリ及びバッキングプレート１２の様々な成分の形成に使用される方法を制御することが挙げられる。
【０００８】
例示の２成分スパッタリングターゲットアセンブリ１０設計では、図２に示すように、バッキングプレート１２は、ターゲット１４とは別個の構成要素として形成される。バッキングプレート１２は、図示するように、単一の固体プレートである。ターゲット１４は、締結、溶接、はんだ付け、及び拡散接合などの技術によってバッキングプレート１２に接合されて、スパッタリングターゲットアセンブリ１０を形成する。バッキングプレート１２は、機械的特性の強化及びスパッタリングターゲットアセンブリ１０全体の物理的特性の強化など様々な機能を提供する。スパッタリングターゲットアセンブリ１０は、図２に示すように、ターゲット１４及びバッキングプレート１２が接合された後にこれら２つを含む。ターゲットアセンブリ１０は、ボルト又はネジでの締結などの技術によって、装着部品９においてＰＶＤシステムに取り付けられる。加えて、いくつかの実施形態では、冷却水７がバッキングプレート１２に直接接触する。
【０００９】
バッキングプレート１２へのターゲット１４のある接合方法は、２つの構成要素を合わせて拡散接合することによる。拡散接合されたターゲットでは、一部のターゲット材料とバッキングプレート材料との接合が困難である。これは、ターゲット材料とバッキングプレート材料との間の熱膨張係数（ＣＴＥ）の差異が大きいためである。例えば、拡散接合されたターゲットでは、一部のターゲット材料、例えば、タングステンを、アルミニウム、アルミニウム合金、銅、又は銅合金バッキングプレートなど従来のバッキングプレート材料に接合することは、これらの材料間のＣＴＥが大きく異なるため、困難である。
【００１０】
ＣＴＥに差異を有する、２つの金属体を接合して物体が作製される場合、例えば、接合中、又はＰＶＤなど高温環境での使用時など物体が加熱されると、剥離又は亀裂さえ生じ得る。一例として、図２のようにスパッタリングターゲットアセンブリ１０を作製する場合、固体状態接合によって材料が物理的に接続されるものの、異なる速度で収縮する冷却段階中、バッキングプレート１２へのターゲット１４の接合後に、熱応力が界面２４に蓄積し得る。
【００１１】
一般に、多数の材料を有するシステム内の熱応力は、システム内の材料間のＣＴＥの差異に比例する。温度（Ｔ）に応じた熱応力（σ）と、ＣＴＥの差異値（ΔＣＴＥ、ＣＴＥの不一致とも呼ばれる）との関係は、以下の式１を使用して示すことができる。
式１：    σ〜ΔＣＴＥ＊Ｔ
【００１２】
したがって、ＣＴＥの不一致が大きい材料の場合、高温は、システムにより大きい熱応力をもたらすであろう。
【００１３】
局部応力を低減させるいくつかのアプローチとしては、（ｉ）より低い温度を接合に使用する、又ははんだ付け若しくはナノ接合など低温接合技術を使用すること、（ｉｉ）Ａｌなど軟質延性材料の薄い中間層を使用して、タングステン（Ｗ）ターゲットを銅（Ｃｕ）合金バッキングプレートと接合することにより応力を拡散させること、（ｉｉｉ）ターゲット材料のＣＴＥとバッキングプレート材料のＣＴＥとの間のＣＴＥを有する材料の中間層を使用して、ＣＴＥ傾斜を生じさせること、などが挙げられる。
【００１４】
最初のアプローチは、達成可能な接合強度（一般に６ｋｓｉ未満）による制約を受ける。許容可能、かつ均一の接合強度を得るには、通常、高温が必要であり、許容可能、かつ均一の接合強度とは、特に、３００ｍｍターゲット及び４５０ｍｍターゲット（すなわち、３００ｍｍ又は４５０ｍｍのシリコンウエハー堆積プロセスで使用されるターゲット）などより大型のターゲット構成では、通常、６ｋｓｉ超である。
【００１５】
２番目のアプローチは、バッキングプレートのＣＴＥと中間層のＣＴＥとの間に大きな差異が存在するとき、特により延性のある材料で作製されたバッキングプレートに脆性材料を接合するとき、不成功に終わる可能性があり得る。これは、一方の材料が、ＣＴＥの不一致の問題を深刻化させ得る、より高い熱膨張係数を有する場合、より顕著である。
【００１６】
３番目のアプローチは、通常、有用であるが、十分に高い融点を有し、かつターゲット材料の熱膨張係数とバッキングプレートの熱膨張係数との間の熱膨張係数を有する金属及び合金に限定される。更なる検討事項は、コストである。銅（Ｃｕ）及びタングステン（Ｗ）などターゲット材料及びバッキングプレート材料という一般的な組み合わせの間の膨張係数を有する材料（例えば、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、コバルト（Ｃｏ）、ニッケル（Ｎｉ）、タンタル（Ｔａ）、ベリリウム（Ｂｅ）、ジルコニウム（Ｚｒ））は、通常高価であり、必ずしも市販されているわけではない。
【００１７】
前述の方法よりも向上した、ターゲットをバッキングプレートに接合する方法が必要とされる。
【発明の概要】
【００１８】
いくつかの実施形態では、スパッタリングターゲットアセンブリは、裏面を有するスパッタリングターゲットと、前面を有するバッキングプレートと、ターゲットとバッキングプレートとの間に配置された中間層と、を含む。中間層は、ターゲット材料の裏面に近接した配置された第１中間層部分と、バッキングプレートの前面に近接して配置された第２中間層部分と、を含む。第１中間層部分は、第１材料及び第２材料を含有し、第２材料よりも高濃度の第１材料を有する第１混合物で形成され、第２中間層部分は、第１材料及び第２材料を含有し、第１材料よりも高濃度の第２材料を有する第２混合物で形成される。
【００１９】
いくつかの実施形態では、スパッタリングターゲットアセンブリの形成方法は、第１材料及び第２材料を含有する第１混合物から、スパッタリングターゲットの表面又はバッキングターゲットの表面に第１層を形成することを含む。第２層は、第１材料及び第２材料を含有する第２混合物から、第１層上に形成される。第１層は、第２層よりも高濃度の第１材料を有し、第２層は、第１層よりも高濃度の第２材料を有する。バッキングプレート又はスパッタリングターゲットは第２層に配置されて、スパッタリングターゲットとバッキングプレートとの間に第１層及び第２層を有するアセンブリを形成し、スパッタリングターゲット、第１層、第２層、及びバッキングプレートは、ターゲットアセンブリ接合工程で接合される。
【００２０】
多数の実施形態が開示されるが、それでもなお当業者には、本発明の例示的実施形態を示し、説明する以下の詳細な説明から、本発明の他の実施形態が明らかになるであろう。したがって、図面及び詳細な説明は、制限的なものではなく、本質的に実例とみなされるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】スパッタリング装置の概略図である。
【図２】スパッタリングターゲットアセンブリの概略図である。
【図３】中間層を有するスパッタリングターゲットアセンブリの概略図である。
【図４】直接エネルギー堆積を使用した付加製造システムの概略図である。
【図５】いくつかの実施形態による、直接エネルギー堆積を使用した付加製造システムの概略図である。
【図６】いくつかの実施形態による、直接エネルギー堆積を使用した付加製造システムの概略図である。
【図７】いくつかの実施形態による、直接エネルギー堆積を使用した付加製造システムの概略図である。
【図８】いくつかの実施形態による、直接エネルギー堆積を使用した付加製造システムの概略図である。
【図９】いくつかの実施形態による、シート積層を使用した付加製造システムの概略図である。
【図１０】いくつかの実施形態による、シート積層を使用した付加製造方法の図である。
【図１１】いくつかの実施形態による、インク噴射を使用した付加製造システムの概略図である。
【図１２】いくつかの実施形態による、粉末床拡散を使用した付加製造システムの概略図である。
【図１３】いくつかの実施形態による、コールドスプレーシステムの概略図である。
【図１４】いくつかの実施形態による、プラズマスプレーシステムの概略図である。
【図１５Ａ】いくつかの実施形態による、スパッタリングターゲットアセンブリ中間層の作製方法の図である。
【図１５Ｂ】いくつかの実施形態による、スパッタリングターゲットアセンブリ中間層の作製方法の図である。
【図１６】いくつかの実施形態による、スパッタリングターゲットアセンブリ中間層の作製方法の図である。
【図１７】いくつかの実施形態による、スパッタリングターゲットアセンブリ中間層の作製方法の図である。
【図１８】材料内に傾斜を有する、付加製造で作製された材料の図である。
【図１９】材料内に傾斜を有する、付加製造で作製された材料の図である。
【図２０ａ】材料内に傾斜を有する、付加製造で作製された材料の写真である。
【図２０ｂ】材料内に傾斜を有する、付加製造で作製された材料の写真である。
【図２１】材料内に傾斜を有する、付加製造で作製された材料の写真である。
【図２２】材料内に傾斜を有する、付加製造で作製された材料の図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
付加製造（ＡＭ）は、傾斜材料、したがって、電気及び熱伝導率など物理特性、並びにＣＴＥ、延性、脆性、及び強度（降伏力又は最大抗張力）など材料特性を含む傾斜特性を有する材料の作製に使用され得る。ＡＭは、特性傾斜を有するスパッタリングターゲットアセンブリを構成する構成要素の形成に使用され得る。
【００２３】
いくつかの実施形態では、延性、強度、又はＣＴＥの傾斜など特性傾斜を有する材料の作製は、類似しないＣＴＥを有するターゲット及びバッキングプレートを接合するために使用され得る。いくつかの実施形態では、ターゲット材料とバッキングプレート材料との接合界面付近の小領域に、延性、強度、又はＣＴＥの傾斜など特性傾斜を有する材料を作製することは、類似しないＣＴＥ（すなわち、大きなＣＴＥの不一致）を有する材料の接合に解決策をもたらす。
【００２４】
図３に示すように、いくつかの実施形態では、バッキングプレート３０は、特性傾斜を有する中間層３４を使用してスパッタリングターゲット３２に接合されてよい。バッキングプレート３０及びスパッタリングターゲット３２は、任意の好適な設計で配置され得る。例えば、スパッタリングターゲット３２及びバッキングプレート３０は、図３に示すように、それぞれ実質的に平面であってよい。他の実施形態では、ターゲットアセンブリは、スパッタリングターゲット３２の一部が、バッキングプレート３０に形成された凹部又は空洞に適合する埋め込み設計を有してよい。中間層３４は、スパッタリングターゲット３２及びバッキングプレート３０を通って延在し、スパッタリング面の平面に対して概ね垂直である軸に沿った、矢印３６で示す方向に特性傾斜を有してよい。
【００２５】
いくつかの実施形態では、調整された特性傾斜を有する中間層３４は、バッキングプレート３０若しくはスパッタリングターゲット３２のいずれか、又はスパッタリングターゲット３２及びバッキングプレート３０の両方の上に、ＡＭによって材料を直接堆積することにより作製され得る。中間層３４の堆積後、バッキングプレート３０及びスパッタリングターゲット３２は、中間層３４がバッキングプレート３０とスパッタリングターゲット３２との間に位置付けられるように組み立てられ、アセンブリは接合される。
【００２６】
一例では、中間層３４は、スパッタリングターゲット３２又はバッキングプレート３０上に形成され得る。例えば、いくつかの実施形態では、第１材料及び第２材料の第１混合物で形成された第１層は、スパッタリングターゲット３２の後面に形成される。第１材料及び第２材料の第２混合物で形成された第２層は、続いて、第１層の上に形成されてよい。第１層は、第２層よりも高濃度の第１材料を有し、第２層は、第１層よりも高濃度の第２材料を有する。次いで、バッキングプレート３０は、バッキングプレート３０の前面が第２層に隣接するように、第２層の上に配置されてよい。スパッタリングターゲット３２、第１層、第２層、及びバッキングプレート３０は、次いで接合工程で接合されてよい。
【００２７】
いくつかの実施形態では、調整された特性傾斜を有する中間層３４の全体がまず作製され、その後スパッタリングターゲット３２とバッキングプレート３０との間に位置付けられ、接合され得る。
【００２８】
いくつかの実施形態では、バッキングプレート３０及びスパッタリングターゲット３２は、１つ又は２つ以上の異なる特性を有し、中間層の特性傾斜はバッキングプレート３０からスパッタリングターゲット３２へと特性差を平滑化する、又は低減する。例えば、中間層３４は多層で構成されてよく、各層は、約０．５ミリメートル（０．０２インチ）〜約３ミリメートル（０．１インチ）厚であってよい。いくつかの実施形態では、中間層３４は多層で構成され、中間層３４は約１ミリメートル（０．０４インチ）〜約１０ミリメートル（０．４インチ）厚であってよい。隣接層の少なくとも１つの特性は様々であってよく、スパッタリングターゲット３２に隣接する層の特性は、スパッタリングターゲット３２の当該特性により類似であり、バッキングプレート３０に隣接する層の当該特性は、バッキングプレート３０の当該特性により類似である。このようにして、中間層３４は特性傾斜を有し得る。
【００２９】
一例では、バッキングプレート３０及びスパッタリングターゲット３２は、異なるＣＴＥを有する。例えば、バッキングプレート３０は、高ＣＴＥを有する、アルミニウム（Ａｌ）及び銅（Ｃｕ）合金などバッキングプレート材料で作製されてよく、スパッタリングターゲット３２は、低ＣＴＥを有する材料、例えば、タングステン（Ｗ）で作製されてよい。この例示のシステムでは、中間層３４は、バッキングプレート３０に隣接する側で高ＣＴＥを有する材料又は材料の組み合わせで作製され、スパッタリングターゲットに面する側でより低いＣＴＥを有する材料又は材料の組み合わせへと徐々に変化してよい。中間層３４の各位置における材料組成は、スパッタリングターゲット３２のスパッタリング面の平面に対して垂直方向に徐々に変化するＣＴＥを有する中間層３４材料を作製するように選択され、これにより、ターゲットアセンブリにおける応力又は破壊が低減してよい、又は排除されてよい。他の実施形態では、中間層３４は、スパッタリングターゲット３２に隣接する側で低ＣＴＥを、バッキングプレート３０に隣接する側で高ＣＴＥを供する材料又は材料の組み合わせで作製されてよい。かかる中間層は、例えば、スパッタリングターゲット３２がバッキングプレート３０よりも低いＣＴＥを有する場合に使用されてよい。
【００３０】
ここで使用するとき、特性傾斜は、第１位置から第２位置までの組成特性又は材料特性の変化を指す。例示の特性には、元素組成、熱膨張係数、脆性、延性、粒径、粒質、及び材料成分密度が挙げられる。
【００３１】
ＡＭは、組成の傾斜、材料成分密度の傾斜、粒径の傾斜、ＣＴＥの傾斜、延性の傾斜、及び／又は粒質の傾斜など特性傾斜を有する材料を作製する数種類の方法を提供する。いくつかの実施形態では、ＡＭ技術は、例えば、異なる熱膨張係数（ＣＴＥ）を有する材料など、特定材料の接合を強化する様々な組成及び密度を有する材料の層を作製するために使用され得る。特性傾斜の作製に使用されるＡＭ法に応じて、材料特性は、実質的に平滑な方法又は段階的な方法のいずれかで徐々に変化してよい。本明細書に記載のＡＭ技術を使用して、材料の層は、バッキングプレート、ターゲット材料、又はこの両方に構築され得る。
【００３２】
例えば、いくつかの実施形態では、スパッタリングターゲット３２は、スパッタリングターゲット材料で形成され、第１層の熱膨張係数は、スパッタリングターゲット材料の熱膨張係数の５００％以内である。バッキングプレート３０はバッキングプレート材料で形成され、第２層の熱膨張係数は、バッキングプレート材料の熱膨張係数の５００％以内である。一実施形態では、第１層又は第２層のいずれかの熱膨張係数は、それぞれスパッタリングターゲット材料及びバッキングプレート材料の熱膨張係数の３００％未満であってよい。
【００３３】
本開示の方法を実行するために使用され得る様々なＡＭ技術が存在する。材料は、所定のパターン及び組成で堆積される、又は沈着されるため、ＡＭを使用する本開示の部分は、印刷工程と称され得る。ＡＭ、つまり印刷工程は、指向性エネルギー堆積（ＤＥＤ）、シート積層、粉末床融合、インク噴射、コールドスプレー、熱スプレー、又はプラズマスプレーなど様々なＡＭ技術のうちの１つを用いてよい。例えば、ＡＭ技術は、アルミニウム（Ａｌ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）、銅（Ｃｕ）、鉄（Ｆｅ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、タンタル（Ｔａ）、チタン（Ｔｉ）、ニッケル（Ｎｉ）、タングステン（Ｗ）、イットリウム（Ｙ）、ジルコニウム（Ｚｒ）、又はこれらの合金若しくはシートのいずれか１つ、又はこれらの組み合わせから中間層を作製するために使用されてよい。
【００３４】
指向性エネルギー堆積（ＤＥＤ）
指向性エネルギー堆積（ＤＥＤ）は、直接金属堆積（ＤＭＤ）、レーザー直接積層、指向性光製造、火薬式ＡＭ、及び３Ｄレーザークラッディングなどの技術範囲を対象とする。これらの種類のプロセスでは、堆積時に材料を融解することにより材料を融合するために集中熱エネルギーが使用される。いくつかの実施形態では、レーザーがエネルギー源であり、材料は金属粉末又はワイヤである。
【００３５】
図４は、指向性エネルギー堆積の一般概略図を示す。指向性エネルギー堆積は、集中熱エネルギーを使用して、堆積時に材料を融解することにより、材料を融合する。このプロセスでは、構築物４０は、固体構築プラットフォーム４２上で作製される。多軸回転可能なアーム４４が、ワイヤ又は粉末の形態の材料４６を堆積させる。材料４６は、構築物４０の既存面、つまり凝固面４８上に堆積される。堆積後、材料４６は、エネルギー源５２からのレーザー、電子ビーム、プラズマアークなど集中エネルギー５０を使用して融解される。次いで、材料４６は、冷却又は凝固し、次の材料４６のために既存面４８となる。このようにして、材料４６が層ごとに付加され、凝固し、構築物４０上で新しい材料特徴を作製する、又は修復する。
【００３６】
この技術では、レーザーは、エネルギー源５０になり得、材料４６は金属粉であり得る。場合によっては、金属粉は、レーザーによって作製された溶融金属のプールに注入される、又は堆積される。この技術の他の名前には、火薬式ＡＭ又はレーザークラッディングが挙げられる。固有機能の一部には、機能性傾斜部の作製を可能にする、数種類の材料の同時堆積が挙げられる。ほとんどの指向性エネルギー堆積機はまた、４軸又は５軸運動システム又はロボットアームを有して堆積ヘッドを位置付ける。したがって、構築シーケンスは、平行面上の連続水平層に限定されない。ハイブリッドシステムはまた、粉末供給指向性エネルギー堆積をＣＭＣフライス加工（例えば、４軸又は５軸フライス加工）と組み合わせることができる。
【００３７】
図５〜８には、本開示による、ＤＭＤなど指向性エネルギー堆積のシステム、方法の様々な更なる説明を示す。
【００３８】
図５には、ＤＭＤシステム６０の例示的概略図を示す。いくつかの実施形態では、システム６０は４軸又は５軸コンピュータ数値制御（ＣＭＣ）で制御された運動システム又はロボットアームを有して堆積ヘッド６４を位置付ける。したがって、構築シーケンスは、平行面上の連続水平層に限定されない。堆積ヘッド６４は、レーザー、ｅビーム、又はプラズマ溶接トーチなどエネルギー及び集中熱源６６と、少なくとも第１フィーダ６８と、を含む。いくつかの実施形態では、第１フィーダ６８は、粉末形態の金属など構築材料７０を送達するように構成されている。金属粉は、いくつかの実施形態では、所定の速度で不活性ガスによって搭載システムから第１フィーダ６８へと移動され、可動エネルギー源７４によって作製された溶融金属のプール７２上に堆積される。溶融プール７２は、融解された、流入構築材料及び基板の以前の層の上部の両方を含み得る。溶融材料のプール７２によって１つ又は複数のフィーダから流入する粉末の接合及び混合が可能になり、その結果、所定の組成を有する層が作製される。冷却速度が高速であるため、凝固は極めて急速であり、現在固体層が存在する、移動エネルギービーム７４の直後に生じる。いくつかの実施形態では、第１フィーダの組成を各層間で変更することにより、それぞれ異なる組成を有する２つの層が堆積される。例えば、高濃度のタングステン（Ｗ）又は銅（Ｃｕ）など第１組成を有する第１層７６が、構築プラットフォーム、スパッタリングターゲット、バッキングプレート、又は以前堆積された層など基板７１上に沈着される。次に、第１フィーダ６８から排出される材料の組成が変更され、第１層７６とは異なるタングステン（Ｗ）対銅（Ｃｕ）の比率を有する第２層７８が沈着される。このプロセスが繰り返された後、傾斜組成を有する中間層８０が形成される。
【００３９】
いくつかの実施形態では、第１濃度の２種類又は３種類以上の材料など第１組成を有する第１層７６が沈着される。次に、第１フィーダ６８から排出される材料の組成が変更され、異なる比率の同一材料を有する第２層７８が沈着される。このプロセスが何度も繰り返された後、傾斜を有する中間層８０が形成される。各層が、以前の層とは異なる材料を有する、個々の層が形成され得ることも企図される。例えば、第１層７６の組成は、特定のＣＴＥを有する層を作製するように選択されてよい。第１層７６は、第１材料と、第２材料と、を含んでよい。加えて、第１層７６は、第３材料、又は任意の数の材料を含んで、特定のＣＴＥを達成してよい。後続層は、後続層のＣＴＥが第１層７６よりも高い限り、異なる比率の、第１層７６に存在するのと同一の材料、又は場合により、第１層７６とは異なる材料を有するように形成されてよい。換言すると、各層のＣＴＥが、中間層の片側から反対側への方向に傾斜を形成する限り、各層は、異なる比率で隣接層と同一の材料を有してよい、又は異なる材料を有してよい。このようにして、中間層全体が形成されてよく、各層は、個々の各層のＣＴＥが以前形成された層よりも高い又は低い限り、以前の層とは異なる材料組成を有する。
【００４０】
図６に示すように、２つのフィーダシステムを有して、材料層が沈着されている間に、連続層用に調製される材料をユーザーが変更できるようにすることが可能である。システム６０は、堆積ヘッド６４が、第１材料８４を堆積できる第１フィーダ６８及び第２材料８６を堆積できる第２フィーダ８２の両方を有する点を除いて、図５に示すシステムに類似している。第１フィーダ６８及び第２フィーダ８２の両方を使用すると、各層用に新しい組成を有するフィーダを切り替えることにより、異なる組成を有する層がより高速に堆積され得る。例えば、第１比率の２種類又は３種類以上の成分など第１組成を有する第１層７６が、第１フィーダ６８を使用して沈着される。次に、第１層７６に存在する比率とは異なる、第２比率の２種類又は３種類以上の成分を有する後続層７８が、第２フィーダ８２によって沈着される。第２フィーダ８２が材料を沈着している間、第１フィーダ６８から排出される材料の組成が変更される。このようにして、傾斜材料を有する中間層８０が作製される。
【００４１】
図７及び８に示すように、各フィーダの排出速度の精密制御により２つ又は３つ以上のフィーダから排出される粉末のそれぞれの量を変更することによって、堆積中に各層の組成を調整することができる。最終結果は、形状及び幾何学形状が入力コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）モデルと同一である、多層又は異なる、場合によっては新しい組成を有する複雑な材料の３Ｄ堆積である。
【００４２】
図７及び８に示すように、いくつかの実施形態では、システム６０は、少なくとも２つのフィーダを有する堆積ヘッド６４を含む。図７に示すように、第１フィーダ６８は、第１比率の２種類又は３種類以上の成分を有する材料組成など、特定の材料組成を有する第１材料８４を堆積するために使用され得る。第２フィーダ８２は、第１材料８４とは異なる、ある比率の種類又は３種類以上の成分を有する材料組成を有する第２材料８６を堆積するために使用され得る。各フィーダは、以前形成された層上に材料を同時に沈着し得る。材料中の各元素又は合金の比率は、堆積プロセス中に制御され得、したがって、各層の組成は、堆積プロセスの実行時に調整され得る。例えば、第１フィーダ６８によって堆積される第１材料８４はすべて銅（Ｃｕ）であってよく、第２材料８６はすべてタングステン（Ｗ）であってよい。あるいは、第１フィーダ６８によって堆積される第１材料８４は銅（Ｃｕ）及びタングステン（Ｗ）の組み合わせであってよく、第２材料８６はアルミニウム（Ａｌ）及びタングステン（Ｗ）の組み合わせであってよい。いくつかの実施形態では、第１材料８４及び第２材料８６は、様々な組み合わせで３種類の成分を含んでよい。各フィーダから堆積される材料の量を制御することにより、各層の材料組成は、材料の沈着時に制御され得る。この結果は中間層８８であり、図８に示すように、各層の形成時にも変更可能な材料傾斜８０を有する。
【００４３】
いくつかの実施形態では、原料は、粉末ではなく、ワイヤを含んでよい。この例では、ワイヤが捕捉され、溶融プールに混合される前に、熱源がワイヤを融解し、微粉へと粉末化する。
【００４４】
いくつかの実施形態では、ＤＭＤシステムは、酸素及び水分レベルを１０ｐｐｍ未満に維持し得るために、アルゴン又は高真空でパージされた、密閉チャンバを有する。かかる環境は、酸化及び汚染の防止に役立ち、最高品質の材料を確保するために部品を清潔に保つ。粉末供給システム及び排出された粉末はまた、アルゴンなどガスシールドで囲まれ、更なる保護並びに圧力をもたらす。
【００４５】
シート積層
シート積層は、異なる材料の薄層の並列スタックを作製できる、別の３Ｄ印刷技術である。シート積層は、材料のシートが接合されて３Ｄ物体を形成するＡＭプロセスである。シート積層は、バッキングプレート又はターゲット材料のいずれかの上に、異なるＣＴＥを有する薄箔のスタックを作製するために使用され得る。
【００４６】
図９に示すように、所定比率の成分を有する構築材料の予備成形材料シート１００が、ローラ１０４、任意追加的に、材料シート１００を提供するための更なる装置（ベルト１０６など）によって切断台１０２の定位置に位置付けられる。材料シート１００は、接着剤又はエネルギー源を使用して、以前接合された層１０８の上に特定の配列で定位置に接合される。次いで、レーザー又はナイフなど切断工具１１０によって、接合された材料シート１００から必要な形状が切断される。切断又は接合工程は逆転され得る。あるいは、材料シート１００は、位置付け及び接合前に切断され得る。金属の場合、シート材料は、金属テープ又は金属箔の形態で提供されることが多い。具体的には、超音波付加製造（ＵＡＭ）では、金属箔及びテープはまた、２つの高周波トランスデューサによって供給される超音波エネルギー及びシステムの回転ソノトロード（ｒｏｌｌｉｎｇ  ｓｏｎｏｔｒｏｂｅ）によって生じる圧縮力によって溶接され得る。シート積層技術は、すべてのＣＭＣ機械加工機能と併用され得る。
【００４７】
いくつかの実施形態では、金属及び合金に特に好適なシート積層技術の１つは、超音波付加製造（ＵＡＭ）である。図１０に示すように、ＵＡＭは、２つの超音波トランスデューサ１２０と、溶接ホーン１２２と、を含む回転超音波溶接システムを使用する。材料の箔１２３は、溶接ホーン１２２と、基板１２４、例えば、別の材料の箔との間に配置され得る。高周波（２０，０００ヘルツなど）超音波振動が、円盤状溶接ホーン１２２に伝達され、次いで、高圧下で結合された箔１２３に加えられて溶接される。この方法は、超音波運動による摩擦及び圧力によって駆動される低温溶接を提供する。第１段階では、反復的な超音波せん断運動により、あらゆる表面酸化物が破壊され、あらゆる表面凹凸が平坦になる。後続プロセスでは、超音波運動によって微小凹凸が崩壊する。結果として、ホーンからの熱及び圧力によって、固体状態接合が形成される。
【００４８】
ＵＡＭは、通常、回転超音波溶接システムをＣＭＣフライス加工機能と組み合わせて、良好な耐久性又は形状を確保し、３Ｄ形状及び幾何学形状が入力ＣＡＤ設計に従うようにする。例えば、必要に応じて、表面の孔又は変化は、フライス加工され得る。ＵＡＭは、バッキングプレート材料の上に、様々な比率でチタン（Ｔｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、又は銅（Ｃｕ）を有する箔など容易に入手可能な材料の箔のスタックを多数構築する、非常に効果的な技術であり得る。含まれる低温は、製造中の熱応力を低減する。また、ＵＡＭは、粉末ではなく固体箔を使用するため、各層内の孔の原因を除去する。
【００４９】
金属及び合金で作製される３Ｄ構造物の構築に使用できる他のＡＭ技術には、結合剤噴射、粉末床融合、コールドスプレー、熱スプレー、及びプラズマスプレーが挙げられる。
【００５０】
結合剤噴射
結合剤噴射は、図１１に示すように、インクジェット印刷ヘッド１４２ノズルを介して堆積されて粉末床１４４で粉末材料と接合する、液体接着剤供給部１４０を介して選択的に分注される液体結合剤を含む。結合剤噴射では、分注される材料は構築材料ではなく、粉末床１４４に堆積されて、粉末を所望の形状に維持する液体である。粉末材料は粉末供給部１４６から移動され、ローラ１５０を使用して構築プラットフォーム１４８に広がる。印刷ヘッド１４２は、必要に応じて、粉末床１４４の上に結合剤接着剤１５２を堆積する。構築プラットフォーム１４８は、構築物１５６の構築時に下降する。以前堆積された層が接合されると、別の粉末層が、粉末供給部１４６からローラ１５０によって構築物１５６上に広げられる。構築物１５６が形成され、粉末は結合剤接着剤１５２に接合される。非接合粉末は、構築物１５６を囲む粉末床１４４内に留まる。このプロセスは、構築物１５６全体が作製されるまで繰り返される。
【００５１】
結合剤噴射によって作製される金属部品は、通常、ＡＭ構築プロセス後に焼結され、第２金属で溶浸される必要がある。例としては、ステンレス鋼、青銅、又は鉄部品に青銅溶浸材を使用することである。他の溶浸材は、アルミニウム（Ａｌ）、ガラス、又は炭素繊維であり得る。構築後炉サイクル中、結合剤は焼き切れ、青銅は部品に溶浸して、金属合金を作製する。この技術は、傾斜組成の作製に使用され得る。しかしながら、この技術は粉末床の使用に加えて、傾斜組成の作製について、ｉ）焼結行程及び溶浸工程の追加コスト、ｉｉ）溶浸工程中に不所望の特性が生じるより高いリスク、ｉｉｉ）溶浸材料の数、したがって達成可能な組成の制約、という他の潜在的な欠点を有する。
【００５２】
粉末床融合
粉末床融合は、レーザーなど熱エネルギーが、図１２に示すように粉末床の領域を選択的に融合するＡＭ法である。ＡＭ装置は、金属又は金属合金粉末など構築材料１６０の床を含んでよい。構築材料１６０はまた、構築されるべき３次元構造物１６４を保持するための構築プラットフォーム１６６上で層ごとに堆積されてよい。構築材料１６０は、層ごとに互いの上に付加され、凝固されて、徐々に３次元構築物１６４を形成してよい。構築プラットフォーム１６６は、構築材料１６０に対して上下動して、構築材料１６０の付加層の付加を支援するエレベータ１６８に取り付けられることが多い。融解又は硬化装置１６２は、一般に、構築プラットフォーム１６６の上方に位置付けられる。硬化装置１６２は、金属など構築材料１６０を融解する装置を含んでよい、又は薄板若しくは他の材料を硬化する硬化装置を含んでよい。融解又は硬化装置１６２は、多くの場合、構築される材料の様々な位置を融解するために、構築プラットフォーム１６６に対して融解又は硬化装置１６２を移動させる、ラスタ１７０に接続される。いくつかの実施形態では、ＡＭ装置は材料床１６０を有さないが、その代わりに、融解装置１６２は、材料を融解し、構築プラットフォーム１６６上に分注し、材料の後続層を付加して、３次元構築物１６４を構築するディスペンサを含む。エレベータ１６８並びに融解及び硬化装置１６２は、エレベータ１６８並びに融解及び硬化装置１６２の移動に基づいて３次元構築物１６４が構築される方法を統制する制御システム１７２によって制御される。
【００５３】
熱エネルギーは、粉末材料の層の選択された部分を融解し、次いで、その部分は、冷却時に固相へと変化する。金属部品については、アンカーが金属部品を基板に取り付け、下向きの構造物を支持してよい。これは、アンカーが使用されなければ熱応力及び反りをもたらす高い熱傾斜を形成し得る、高融点の金属粉のために必要である。粉末床融合の他の一般的な名前には、レーザー溶融（ＬＭ）、選択的レーザー溶融／焼結（ＳＬＭ／ＳＬＳ）、直接金属レーザー焼結（ＤＭＬＳ）、及び電子ビーム溶解が挙げられる。いくつかの実施形態では、ターゲット材料又はバッキングプレートは、粉末床に挿入されて、様々な層が堆積され、次いで、レーザーによって選択的に焼き鈍しされて、上段に記載したように粒径に傾斜を形成する基板として使用されてよい。
【００５４】
コールドスプレー
コールドスプレーは、緻密なコーティング又は自由形状を生じさせるのに十分な運動エネルギーを使用して、基板に対して構築材料を押し出すことを含む。コールドスプレーでは、構築材料の融解は生じない。したがって、比較的低温で実行され得る。このプロセスは、高速（約５００ｍ／ｓ〜約１５００ｍ／ｓなど）で固形粒子を噴霧することにより実行され得、塑性変形により堆積物を形成する。コールドスプレー技術は、金属酸化を回避し、高密度の硬質金属堆積物を形成するために使用され得る。
【００５５】
図１３に示すように、いくつかの実施形態では、この方法は、ラバール、つまり集束−拡散１８０ノズルを介して、加熱された加圧キャリアガス１７８を押し出すことを含む。ガスが亜音速で流れる場合、ガスは圧縮性であり、音はそれを通じて伝搬する。ラバールノズルでは、ノズルの断面が減少する、ノズルの集束部分１８２において、閉塞部が形成される。ガス流は等エントロピーであるため、ガス速度は音速になり、断面は最小限である。ガスがノズルの発散部分１８４に入ると、ガスは膨張し、超音速に達する。構築材料１８６は、閉塞点から上流又は下流のいずれかのガス流に注入される。キャリアガス１７８は、ノズル１８０から排出された構築材料１８６を担持する。ノズル１８０からの構築材料１８６の排出速度は、基板１８８との衝撃時に塑性変形を生じさせて、良好に接合されたコーティング１９０及び高密度の構築層を形成するのに十分高速である必要がある。このノズル形式を使用すると、超音速の排出速度はそれゆえに可能であり、したがって、構築材料１８６は、接合の形成に必要な必要粒子速度に達する。現在は、コールドスプレー付加製造を使用して、チタン（Ｔｉ）、コバルト（Ｃｏ）、クロム（Ｃｒ）など特定の金属、及びチタン−アルミニウム−バナジウム（ＴｉＡｌＶ）合金、ニッケル（Ｎｉ）系合金など合金から構築物を作製することができる。
【００５６】
熱スプレー
プラズマスプレー、高速酸素燃料（ＨＶＯＦ）スプレー、アークスプレー、及びフレームスプレーなど熱スプレー法は、一般に、熱源を使用して構築材料を液滴に融解し、融解した構築材料を高速で基板又は構築面に噴霧することを含む。構築材料は、化学燃焼、プラズマ、又は電気アークなど様々なエネルギー源を使用して融解され得る。金属構築材料は、粉末又はワイヤ又は金属又は金属マトリックス複合材料で原料として提供され得る。
【００５７】
図１４に示すように、いくつかの実施形態では、プラズマスプレー装置は、流路に沿って一直線のカソード１９４及びアノード１９５の組み合わせによって加速されるプラズマガス１９２を含み得る。構築材料１９６は、粒子ストリーム１９７としてノズルから排出された構築材料１９６を担持する、プラズマガス１９２の流れに導入される。構築層１９８は、基板１９９上の液滴の平坦化によって形成された、構築材料の多数のパンケーキ様堆積物（「薄層」と呼ばれる）からなる。
【００５８】
中間層を形成するＡＭ法
図１５Ａ及び１５Ｂは、いくつかの実施形態による、ＡＭ法と共に使用されてよい加工行程を説明する。
【００５９】
いくつかの実施形態では、バッキングプレートとスパッタリングターゲットとの間に粒径及び粒質の傾斜を有する中間層を作製するのに使用され得る例示的形式のＡＭには、ＤＭＤ及びＤＥＤ（図１５Ａ）並びにシート積層（図１５Ｂ）が挙げられる。図１５Ａに示すように、ＤＭＤプロセスは、第１組成の粉末金属の層をバッキングプレートに堆積し、熱エネルギーを使用して粉末を融合及び混合し、第１層の組成を作製することにより工程２００で開始する。工程２０２では、材料の後続層が沈着され、それぞれ以前沈着された層よりも徐々に高濃度になる第１材料と、対応して徐々に低濃度になる第２材料と、を有する。工程２０２では、粒径の傾斜は、熱エネルギー源のパワー、走査速度、冷却速度、初期粒径、及び後熱加工によって制御される。中間層の作製時には、最終層の粉末の組成は、スパッタリングターゲット材料の組成と概ね同じである、又はそれに類似している。
【００６０】
中間層全体が形成されると、次工程の前に中間層の表面を調製するためにＣＡＤ設計ごとにＣＭＣＬフライス加工を使用して、工程２０４で表面加工されてよい。工程２０６では、中間層にスパッタリングターゲットが付加される。これは、好適かつ中間層内の任意の欠陥の修復に役立ち得る、任意の接合工程を使用して実行され得る。いくつかの実施形態では、熱間等方加圧「ＨＩＰｐｉｎｇ」など拡散接合法が使用されてよい。最終的に工程２０８では、バッキングプレート、中間層、及びスパッタリングターゲットを接合したターゲットアセンブリが、例えば、表面を平滑化するために最終機械加工工程を受けてよい。
【００６１】
図１５Ｂは、超音波付加製造などシート積層を使用する例示的プロセスを示す。図１５Ｂに示すシート積層法では、材料の各シートは、所望の相対含有率の２種類の金属又は金属合金を有してよい、特定の、所定の組成を有する。したがって、シートは、制御された順序で配置され、接合される必要がある。工程２２０では、バッキングプレートの金属濃度と類似の濃度を有する材料の第１シートは、バッキングプレート上に配置され、そこに接合される。工程２２２では、高濃度の第１金属から高濃度の第２金属へと徐々に変化する金属濃度を有する、後続の材料シートが順に付加され、接合される。工程２２４では、中間層は、ＣＮＣ旋盤又は中間層の表面を処理する他の方法を受けてよく、接合工程の準備を整える。接合工程２２６は、スパッタリングターゲットを中間層及びバッキングプレートに接合する、任意の好適な方法であってよい。いくつかの実施形態では、ＨＩＰｐｉｎｇなど拡散接合法が使用されてよい。最終的に工程２２８では、バッキングプレート、中間層、及びスパッタリングターゲットを接合したターゲットアセンブリが、例えば、表面を平滑化するために最終機械加工工程を受けてよい。
【００６２】
図１６及び１７に示すように、いくつかの実施形態では、ＡＭプロセスは、スパッタリングターゲット上（図１６）又はバッキングプレート上（図１７）のいずれかで直接実行されてよい。いくつかの実施形態では、中間層は、バッキングプレート及びスパッタリングターゲットとは完全に分離してＡＭを使用して形成されてよく、続いて、バッキングプレートとスパッタリングターゲットとの間に位置付けられ、これらに接合されてよい。図１６及び１７はまた、組成並びに微細構造の粒径及び質感などの特性に加えて、各層の他の特性を制御する方法を示す。
【００６３】
図１６に示すように、工程２３０では、粉末層はターゲット上に沈着され、粉末の融合に熱エネルギーが使用される。この同一工程は、図１６に示すようにターゲット上で直接実行され得る、又は図１７の工程２４０に示すようにバッキングプレート上で直接実行され得る。熱エネルギーは、粒子を好適な寸法に調整するように制御され得る。ＡＭプロセスは、一度にごく少量の材料を融解する。結果として、従来のプロセスよりもかなり高速の、極めて迅速な凝固が生じ、注型成形又は粉末冶金など従来のプロセスと比較して、部品全体により均一かつ細かい微細構造がもたらされる。また、合金の場合、より小さい規模で合金化元素偏析が生じる。これは、一般に、ターゲット材料上に堆積されたＡＭ層がターゲット材料よりも小さく、均一な粒径を有することを意味する。
【００６４】
次に、図１６の工程２３２及び図１７の工程２４２では、粉末の付加層が付加され、融合される。材料の各層は、以前の層と異なる材料濃度を有してよく、また、以前の層とは異なる粒径を有してよい。更に、各層の粒径は、以下に記載するように、エネルギー源によって制御されてよい。
【００６５】
粒径の追加制御は、ＡＭプロセス中の堆積層内で可能である。図１６の工程２３４及び図１７の２４４では、使用される熱エネルギー量が制御されてよく、例えば、パワーが変更されてよく、走査速度は変化してよい。１つの選択肢は、レーザー又はｅビーム源を使用して、ＡＭ工程中に中間局部熱処理を実行することである。これは、いくつかの層が堆積され、既に凝固していると、実行され得る。次いで、レーザー又はｅビーム源のパワー及び走査パターンが下げられて、融解を誘発することなく、堆積層の粒径を特定の値に成長させるのに十分な熱を発生させる。この方法により、所定の粒径を有するいくつかの堆積層をそれぞれ含むいくつかの領域を作製できる。別の選択肢は、ＡＭ堆積プロセスに対して様々な粒径の粉末を選択することである。原則として、融解条件が最適化されている限り、より細かい粉末は、より細かい最終粒径をもたらす。より細かい粉末は、通常、より高価であり、大量の材料片のコストは、通常、より高くなる。しかしながら、ターゲットの片側で比較的ごく少量の堆積が使用される場合、コストは許容可能であり得る。別の選択肢は、すべての層が堆積されたら、レーザー源を使用すること、又は従来型の炉のチャンバ全体をその場で加熱すること、のいずれかにより、総じて層全体に熱処理を実行することである。その場合、粒径成長は、前述の選択肢のように局部的ではなく、堆積物全体にわたってより均一に生じる。
【００６６】
図１６の工程２３６及び図１７の２４６では、前述の選択肢に類似の方法が使用され、接合の準備、好ましくはＨＩＰｐｉｎｇによる接合、最終機械加工、及び梱包を含む。粒径は、組成及び密度よりも熱的に安定ではないことがあり、したがってすべての粒径傾斜が、熱及び温度に対してより敏感であり得る。スパッタリングターゲットの場合、これは、実際には、接合温度（通常３００℃〜５００℃）が、通常、０．４〜０．５Ｔｍ（Ｔｍは所定材料の融点である）で生じる材料の粒成長の温度よりもかなり低い必要があることを意味する。例えば、タングステン（Ｗ）の融点は３４１０℃であり、これは、０．４Ｔｍが約１３６０℃であることを意味する。したがって、接合工程が１７０℃〜５００℃で実行される場合、タングステン（Ｗ）を含有する傾斜多層では粒成長は生じない。
【００６７】
ＡＭの更なる１つの利点は、接合面が、より精密に調製され、改善された、つまりより優れた接合強度を築くように制御され得ることである。中間層と、スパッタリングターゲット又はバッキングプレートとの接合強度を向上するために、例えば、へこみ、段、溝、又は鍵形など特徴が中間層の表面に印刷され得る。これらの特徴は、ＡＭ技術によってより精密かつ複雑に作製され得る。ニアネットシェイプ製造は、製造時間及び材料コストを低減する。加えて、ＤＥＤ、ＤＭＤ、及びＵＡＭなどＡＭ技術は、ＣＭＣフライス加工機能と併用され得る。いくつかの実施形態では、ＣＭＣフライス加工はＡＭと併用され得、優れた、又は向上した表面仕上げ及び寸法公差をもたらす。例えば、ＣＭＣフライス加工を使用して、傾斜中間層の上面の溝を機械加工して、接合工程を促進し得る。例えば、ＣＭＣフライス加工を使用して、中間層の全面にわたる、３角形のへこみで構成される表面を作製してよい。
【００６８】
傾斜中間層及びバッキングプレートアセンブリに対するターゲットの固体状態接合は、次に実行される。いくつかの実施形態では、比較的高温で全方向からある部分に等方圧力を加えるため、ＨＩＰｐｉｎｇが好ましい。この方法は、拡散及び孔の低減に役立ち、同時に、固体状態拡散接合をもたらす。ＨＩＰｐｉｎｇの前、その間、特にその後の熱処理も、残留応力の低減に役立つ。加えて、接合工程中の熱処理は、時にはＡＭで形成された層間の相互拡散を更に促進することがあり、実質的に、熱応力の低減に更に役立つ、組成中のより連続した傾斜をもたらす。
【００６９】
最終的に、図１６の工程２３８及び図１７の工程２４８では、最終機械加工工程が使用されて、スパッタリングターゲット及び／又はバッキングプレートの表面を研磨してよい。洗浄工程も使用されて、ＡＭプロセス後に残り得るすべての残留材料を除去してよい。
【００７０】
上述したように、レーザー又は電子ビームなど熱源を使用するＡＭ技術は、ターゲット又はバッキングプレートのいずれかの片面に、傾斜材料組成及び制御可能な粒径を有する材料の層を形成し得る。例えば、タングステン（Ｗ）ターゲット及び銅（Ｃｕ）合金バッキングプレートの場合、例えば、ニアネットシェイプのＷ／Ｔｉ／Ｃｕ又はＷ／Ｍｏ／Ｃｕ層スタックを形成することが有利であり得る。一般的な３層スタックは、Ｗ／Ｘ／Ｃｕの形式であり、Ｘは、ターゲット材料（この例ではタングステン（Ｗ））とバッキングプレート材料（この例では銅（Ｃｕ）合金）との間のＣＴＥ係数を有する金属又は合金である。
【００７１】
この方法は、Ｗ／Ｘ／Ｙ／Ｃｕの形式の４層スタックの場合に更に拡大でき、Ｘ及びＹは、ターゲット材料（この例ではタングステン（Ｗ））とバッキングプレート材料（この例では銅（Ｃｕ）合金）との間のＣＴＥ係数を有する金属又は合金である。別の例では、ＹのＣＴＥは、ＸのＣＴＥよりもバッキングプレート材料（この場合は、銅（Ｃｕ）合金）に近い。これは、Ｙが銅（Ｃｕ）合金バッキングプレートに直接堆積されるためである。要するに、ＷのＣＴＥ＜ＸのＣＴＥ＜ＹのＣＴＥ＜ＣｕのＣＴＥである。
【００７２】
この手順は、各層の組成及び／又は密度を制御することによりＣＴＥに傾斜を形成する多数の材料の多数のスタックに対して一般化され得る。傾斜組成を有する材料を作製する１つの方法は、制御可能であり、最高の効率及びコスト低減のための単一連続工程を含む方法であろう。いくつかの実施形態では、ユーザーはまた、原子又はマイクロスケールで傾斜組成を調整し、材料厚全体にほぼ連続的な組成及び特性の変化をもたらすことができる。粒径及び粒質を制御できる方法を有することはまた、局部応力のより優れた制御にもつながり、（特に脆性ターゲット材料の場合に）接合線付近で生じる亀裂を低減するであろう。
【００７３】
いくつかの実施形態では、中間層３２０は、中間層３２０の特定位置において特定のＣＴＥを有するように調整されてよい。図１８に示すように、スパッタリングターゲット３００及びバッキングプレート３１０は、異なる、又は類似しないＣＴＥを有してよい。好適な中間層３２０を設けるために、中間層の第１層、つまり部分３３０は、第１比率の２種類又は３種類以上の成分で形成され得る。例えば、第１層３３０は、高濃度の成分Ａ及び低濃度の成分Ｂを有する第１比率を有してよい。任意追加的に、成分Ｃ、成分Ｄ、及びそれ以上などの追加成分が第１層３３０に含まれ得る。第１層３３０に隣接する、中間層３２０の第２層、つまり部分３４０は、より低濃度の成分Ａ及びより高濃度の成分Ｂを有してよい。任意追加的に、成分Ｃ、成分Ｄ、及びそれ以上などの追加成分が第２層３４０に含まれ得る。追加成分は、第１層３３０よりも高濃度で第２層３４０に存在してよい。いくつかの実施形態では、第２層３４０の上に多層が形成され得、各層は、徐々に低濃度になる成分Ａ及び徐々に高濃度になる成分Ｂを有し得る。いくつかの実施形態では、成分Ｃ、Ｄ、及び／又はそれ以上の成分も、徐々に増加し得る。あるいは、１つ又は２つ以上の追加成分の濃度は一定に保持されてよく、成分Ａ及び成分Ｂの濃度のみが、加えられる各後続層で変化する。このプロセスは、バッキングプレート３１０に隣接する、低濃度の成分Ａ、高濃度の成分Ｂ、及び任意追加的により高濃度の成分Ｃ及び／又はＤを有する最終層が形成されるまで繰り返される（すなわち、複数の層が形成され得る）。したがって、完全に形成された中間層３２０は、スパッタリングターゲット３００に隣接する中間層の第１側からバッキングプレート３１０に隣接する第２側まで各層に特定のＣＴＥを有する。いくつかの実施形態では、各層のＣＴＥは、隣接する層のＣＴＥと異なり得る。他の実施形態では、すべての層ではなく、一部の層のＣＴＥが異なり得る。
【００７４】
再び図１８を参照すると、いくつかの実施形態では、中間層３２０は２種類又は３種類以上の成分を有する層から形成されてよく、これらの成分は層ごとに異なる。例えば、第１層３３０は、成分Ａ、成分Ｂ、及び成分Ｃから形成されてよい。各層内の各成分及び各成分の比率は、粒径又はＣＴＥなど特定の材料特性を有する層を作製するように選択される。第２層３４０は、成分Ａ、Ｂ、及びＣ、並びに加えて、又はその代わりに成分Ｄ、成分Ｅ、及び成分Ｆから形成されてよい。付加層は、完全な中間層を構築するために付加されてよく、各後続層は、例えば、以前に形成された層よりも高い、又は低いＣＴＥを有する層を作製するように選択された、様々な成分の特定の組み合わせを有するであろう。したがって、完全に形成された中間層は、スパッタリングターゲット３００に隣接する中間層の第１側からバッキングプレート３１０に隣接する第２側までＣＴＥ傾斜など材料特性傾斜を有する。
【実施例】
【００７５】
以下の非限定的な実施例は、本発明の様々な特徴及び特性を示す。本発明は、これらに限定されると解釈されるべきではなく、別途記載のない限り、すべてのパーセントは重量パーセントである。
【００７６】
実施例１：タングステン（Ｗ）ターゲットを銅−クロム（ＣｕＣｒ）バッキングプレートに接合する銅（Ｃｕ）及びチタン（Ｔｉ）の傾斜中間層を形成するためのＡＭの使用：
図１９〜２２は、指向性エネルギー堆積技術、この場合は直接金属堆積（ＤＭＤ）を使用して組成に傾斜をもたらす例を示す。スパッタリングターゲットは、直径１５ｃｍ（６インチ）及び厚さ１ｃｍ（０．５インチ）のＷターゲットであった。バッキングプレートは、直径１５ｃｍ（６インチ）、厚さ２ｃｍ（０．７５インチ）のＣｕＣｒ  Ｃ１８２００バッキングプレートであった。異なる銅（Ｃｕ）／チタン（Ｔｉ）組成を有する、１．２ｍｍ厚の５層のスタックにより、約６ｍｍ厚の機能性傾斜中間層を作製した。バッキングプレートの主要素である銅（Ｃｕ）と混合するために、チタン（Ｔｉ）を選択した。これは、チタン（Ｔｉ）が、銅（Ｃｕ）及びタングステン（Ｗ）のＣＴＥの間である、８．６×１０−６ｍ／（ｍ  Ｋ）のＣＴＥを有するためである。
【００７７】
中間層の層の組成は、ＤＭＤの前に機械的に混合し、ＤＭＤシステムの別個の粉末フィーダに入れた。ここで使用する方法は、図６について上述した方法に類似している。１つの粉末フィーダでＤＭＤを使用して、第１組成を含有する最初の１．２ｍｍ厚の層を堆積し、次いで、第２組成を含有する別の粉末フィーダに切り替えて別の１．２ｍｍ厚の層を構築し、残りの層についても同様にした。最も高い銅（Ｃｕ）含有量を有する層（９５％Ｃｕ＋５％  Ｔｉ、層４０２）は、ＣｕＣｒ（１．６重量％クロム及び残部の銅（Ｃｕ１．６％Ｃｒ）の組成及びＣＴＥ＝１７．６×１０−６ｍ／（ｍ  Ｋ）を有するＣ１８２００バッキングプレート）で作製されたＣｕ合金バッキングプレート４００上にまず堆積された。次の４層（層４０４〜４１０）では、組成は、銅（Ｃｕ）の量が徐々に低下し（７５％から５０％、２５％、１５％）、チタン（Ｔｉ）の量が比例して増加する（２５％から５０％、７５％、８５％）ように変化した。結果として、ＣＴＥは、ＣｕＣｒに隣接する第１層から第５層（Ｗに接触する）まで徐々に減少し、ＣＴＥの不一致は徐々に最小化した。これらの層の配置及び組成を図１９に示し、表１に要約した。
【００７８】
【表１】
2019518865.tif 000003
【００７９】
接着を促進し、孔を低減するために、各レーザー照射の前に各堆積層を予熱した。この処置により、ある程度限定的な組成の拡散及び均質化も可能になる。予熱工程の温度は、連続層ごとにゆっくり低下して応力を最小化し、組成変化を考慮した。ＤＭＤサイクル全体は、比較的短く（合計１８５分間）、したがって、製造用途に適していることに留意されたい。図２０ａ及び２０ｂは、２つの異なる層の堆積後の中間層の写真である。具体的には、図２０ａは、層４０８（２５重量％の銅（Ｃｕ）及び７５重量％のチタン（Ｔｉ））の堆積後の中間層の画像であり、図２０ｂは層４１０（１５重量％の銅（Ｃｕ）及び８５重量％のチタン（Ｔｉ））の堆積後の中間層の画像である。
【００８０】
ＳＥＭ／ＥＤＸによる中間層の断面の観測結果を図２１に示す。これは、堆積層の実際の組成が、元の粉末混合物に比較的近いことを示した。構築面に対して垂直の方向で中間層を通る線内の７つの位置でサンプルを取得した。表２は、各位置におけるＴｉ及びＣｕの重量％濃度を含む。
【００８１】
【表２】
2019518865.tif 000004
【００８２】
上記の表２及び図２１の対応する位置番号を参照すると、上記の実施例は、位置１及び２が８５％超のＴｉ及び１５％未満のＣｕの混合物を有する組成を有する中間層であることを示す。位置３は、およそ５０％のＴｉ及び５０％のＣｕの混合物を有する層である。位置４は、およそ３０％のＴｉ及び７０％のＣｕの混合物を有する層である。位置５及び６は、およそ１５％のＴｉ及び８５％のＣｕの混合物を有する。そして位置７は、５％のＴｉ及び９５％のＣｕの混合物を有する層である。
【００８３】
図２２に示す別の図でもわかるように、層間の界面に亀裂は観察されず、許容可能かつ優れた接合及び安定した堆積を示す。最低量かつ許容可能量の孔を観察した。要因、つまり、ｉ）融解及び凝固の生じる体積の小ささ、ｉｉ）粉末及び溶融プールを囲むシールドガスの圧力、及びｉｉｉ）予熱処理工程、の組み合わせがこの結果に寄与し得る。接合工程（特に、ＨＩＰｐｉｎｇによる場合）が、孔の低減に更に寄与したことも観察した。
【００８４】
本明細書では、裏面を有するスパッタリングターゲットと、前面を有するバッキングプレートと、ターゲットとバッキングプレートとの間に配置された中間層と、を備えるスパッタリングターゲットアセンブリが開示される。中間層は、少なくとも第１材料及び第２材料と、ターゲット材料の裏面に近接した配置された第１中間層部分と、バッキングプレートの前面に近接して配置された第２中間層部分と、を備える。第１中間層部分層は、第２材料よりも高濃度の第１材料を有し、第２中間層部分は、第１層よりも高濃度の第２材料を有する。
【００８５】
また、本明細書では、スパッタリングターゲットアセンブリの形成方法が開示され、この方法は、少なくとも第１材料及び第２材料を有する中間層を形成することを含む。中間層は、第１中間層部分と、第２中間層部分と、を有し、第１中間層部分は、第２中間層部分よりも高濃度の第１材料を有し、第２中間層部分は、第１中間層部分よりも高濃度の第２材料を有する。この方法は、ターゲットの裏面が第１中間層部分に隣接するように、裏面を有するターゲットを配置することと、バッキングプレートの前面が第２中間層部分に隣接するように、前面を有するバッキングプレートを配置することと、ターゲットアセンブリ接合工程においてターゲット、中間層、及びバッキングプレートを接合することと、を含む。中間層を形成することは、第１濃度の第１材料を有する第１中間層部分を形成することと、材料の後続層を第１中間層部分に付加することであって、材料の各層が、以前付加された層よりも低濃度の第１材料を有することと、第２濃度の第１材料を有する第２中間層部分を形成することと、中間層に中間層接合工程を受けさせることと、を含む。
【００８６】
また、本明細書では、スパッタリングターゲットアセンブリの形成方法が開示され、この方法は、第１中間層部分と、第２中間層部分と、を有する中間層を形成することを含み、中間層を形成することは、第１中間層部分を形成することと、層ごとに構築材料を付加することと、を含む。この方法はまた、第２中間層部分を形成することと、中間層に接合工程を受けさせることと、を含む。第１中間層部分から第２中間層部分への方向に沿って、構築材料の各層は、以前の層よりも低濃度の第１材料と、高濃度の第２材料と、を有する。この方法はまた、スパッタリングターゲットとバッキングプレートとの間に中間層を配置することと、中間層とスパッタリングターゲットとの間、及び中間層とバッキングプレートとの間に拡散接合を形成するのに十分高い温度に、スパッタリングターゲット、中間層、及びバッキングプレートを加熱することと、を含む。
【００８７】
また、本明細書では、スパッタリングターゲットアセンブリの形成方法が開示され、この方法は、第１中間層部分及び第２中間層部分を有する中間層を形成することを含む。中間層を形成することは、第１材料特性値を有する第１中間層部分を形成することと、第１中間層部分に材料の後続層を付加することと、第２材料特性値を有する第２中間層部分を形成することと、を含む。第１中間層部分から第２中間層部分への方向に沿って、中間層は、第１材料特性値から第２材料特性値への材料特性値傾斜を有する。この方法はまた、中間層に中間層接合工程を受けさせることと、ターゲットの裏面が第１中間層部分に隣接するように、裏面を有するスパッタリングターゲットを配置することと、バッキングプレートの前面が第２中間層部分に隣接するように、前面を有するバッキングプレートを配置することと、ターゲットアセンブリ接合工程においてスパッタリングターゲット、中間層、及びバッキングプレートを接合することと、を含む。
【００８８】
本発明の範囲から逸脱することなく、記載した例示的実施形態に対して様々な修正及び付加を行うことができる。例えば、上述の実施形態は、特定の特徴に言及するものであるが、本発明の範囲はまた、異なる特徴の組み合わせを有する実施形態及び上述の特徴のすべてを含むわけではない実施形態を含む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
2019518865.tif 000018
【図１５Ａ】
2019518865.tif 000019
【図１５Ｂ】
2019518865.tif 000020
【図１６】
2019518865.tif 000021
【図１７】
2019518865.tif 000022
【図１８】
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【図１９】
2019518865.tif 000024
【図２０ａ】
2019518865.tif 000025
【図２０ｂ】
2019518865.tif 000026
【図２１】
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【図２２】
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【手続補正書】
【提出日】平成30年11月2日(2018.11.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
スパッタリングターゲットアセンブリであって、
裏面を有するスパッタリングターゲットと、
前面を有するバッキングプレートと、
前記ターゲットと前記バッキングプレートとの間に配置された中間層であって、前記中間層が、前記ターゲット材料の裏面に近接して配置された第１中間層部分と、前記バッキングプレートの前面に近接して配置された第２中間層部分と、を備える、中間層と、を備え、
前記第１中間層部分が第１材料及び第２材料を含有し、前記第２材料よりも高濃度の前記第１材料を有する第１混合物で形成され、前記第２中間層部分が、前記第１材料及び前記第２材料を含有し、前記第１材料よりも高濃度の前記第２材料を有する、第２混合物で形成されている、スパッタリングターゲットアセンブリ。
【請求項２】
前記中間層が、前記スパッタリングターゲット及び前記バッキングプレートを通って延在する軸に沿って、粒径、粒質、材料組成又は材料成分密度のいずれか１つに機能性材料傾斜を有し、前記軸が、前記スパッタリングターゲットの前記裏面に対して垂直である、請求項１に記載のスパッタリングターゲットアセンブリ。
【請求項３】
スパッタリングターゲットアセンブリの形成方法であって、前記方法が、
スパッタリングターゲットの表面又はバッキングターゲットの表面に、第１材料及び第２材料を含有する第１混合物から第１層を形成することと、
前記第１層上に、前記第１材料及び前記第２材料を含有する第２混合物から第２層を形成することであって、前記第１層が、前記第２層よりも高濃度の前記第１材料を有し、前記第２層が、前記第１層よりも高濃度の前記第２材料を有する、ことと、
前記第２層上に前記バッキングプレート又は前記スパッタリングターゲットを配置して、前記スパッタリングターゲットと前記バッキングプレートとの間に前記第１層及び前記第２層を有するアセンブリを形成することと、
ターゲットアセンブリ接合工程において、前記スパッタリングターゲット、前記第１層、前記第２層、及び前記バッキングプレートを接合することと、を含む、方法。
【国際調査報告】
2019518865.tif 000029
2019518865.tif 000030