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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines intermetallischen Sputtertargets. Die Bildung erfolgt mit einem Gemisch von zwei oder mehreren elementaren Pulvern. Die Sputtertargets dienen der Dampfabscheidung von intermetallischen Schichten bei der Herstellung von Halbleiterbauteilen.
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Intermetallische Schichten aus zwei oder mehreren Elementen finden Einsatz als Widerstände oder Diffusionssperren in Halbleiterbauteilen. Normalerweise werden die intermetallischen Schichten auf dem Halbleiterwafer mit dem Verfahren der Dampfabscheidung (physical vapor deposition, PVD) abgeschieden. Beim PVD-Verfahren wird ein Sputtertargetmaterial mit einem Plasma oder einem Ionenstrahl beschossen, wodurch Teilchen des Sputtertargetmaterials aus der Sputteroberfläche freigesetzt werden. Die freigesetzten Teilchen werden auf dem Halbleiterwafer als dünne Schicht abgeschieden.
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Intermetallische Sputtertargets aus zwei oder mehreren Elementen können mit der Pulvermetallurgie oder mit Gießverfahren hergestellt werden. Bezüglich der Korngrößeverteilung, die für die Steuerung der Eigenschaften von dünnen Schichten ein wesentlicher Parameter ist, ergibt das Verfahren der Pulvermetallurgie eine einheitlichere Mikrostruktur als das Gießverfahren. Zusätzlich ist das Gießverfahren weniger günstig aufgrund großer Unterschiede in den Schmelzpunkten der einzelnen Elemente, die in vielen intermetallischen Targetmaterialien enthalten sind.
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Das Verfahren der Pulvermetallurgie kann in Abhängigkeit vom Herstellungsprozeß und der Eigenschaften der einzelnen Elemente eine metallische Targetstruktur aus mehreren Phasen oder aus einer Phase liefern. Ein Nachteil von metallischen Strukturen aus mehreren Phasen besteht darin, daß aufgrund des Unterschieds zwischen den Sputtergeschwindigkeiten der einzelnen Elemente die Einheitlichkeit der Schichtzusammensetzung schlechter sein kann, als man sie mit intermetallischen Verbindungen aus einer einzigen Phase erhält. Beispielsweise wird beim mehrphasigen Sputtertarget Ti-Al Aluminium schneller gesputtert als Titan. Bei einer einphasigen TiAl3-Verbindung wird die intermetallische Verbindung mit einer einheitlichen Geschwindigkeit gesputtert und trägt deshalb zu einer einheitlicheren Zusammensetzung der abgeschiedenen Schicht bei.
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Das vor der Pulvermetallurgie eingesetzte Verfahren zum Erhalten von intermetallischen Sputtertargets umfaßt das drucklose Synthetisieren des metallischen Pulvers in einem Heizofen, wodurch die einzelnen Metalle unter Bildung von Klumpen des intermetallischen Materials reagieren. Zum Zerkleinern der gesinterten Klumpen zur Konsistenz eines Pulvers müssen diese deshalb gemahlen oder zerstoßen werden. Das Pulver kann dann zur Bildung eines hochdichten intermetallischen Sputtertargets verpreßt werden. Dieses Verfahren des Standes der Technik setzt zwei Trennschritte ein, zwischen denen gemahlen wird, um das gepreßte Sputtertarget zu erhalten. Das Mahlen trägt zur Verunreinigung bzw. Kontamination des Sputtertargetmaterials bei, was dazu führen kann, daß die abgeschiedene dünne Schicht uneinheitlich ist.
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Weitere Sputtertargets und Verfahren zur Herstellung davon sind in
US 5 508 000 A beschrieben.
EP 0 616 045 A1 beschreibt insbesondere Silizidtargets zum Sputtern und Verfahren zur Herstellung davon.
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Es besteht ein Bedürfnis an der Entwicklung eines Verfahrens zum Herstellen von hochdichten intermetallischen Sputtertargets, bei der die durch das Herstellungsverfahren hervorgerufene Verunreinigung bzw. Kontamination minimiert wird. Die Erfindung stellt sich daher die Aufgabe, ein solches Verfahren zur Verfügung zu stellen.
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Diese Aufgabe wird bei einem Verfahren der eingangs erwähnten Art gelöst durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Anspruch 1. Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Herstellen von intermetallischen Sputtertargets aus zwei oder mehreren Elementen zur Verfügung, wobei bei dem Verfahren ein Gemisch aus zwei oder mehreren elementaren Pulvern hergestellt wird bzw. synthetisiert wird, unmittelbar gefolgt von Sintern und Pressen der synthetisierten intermetallischen Struktur zur Herstellung eines hochdichten gepreßten Targets. Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß in einem ummantelten Reaktionsgefäß, wie z. B. einer Preßform oder einer Metalltrommel, ein Gemisch aus Metallpulvern synthetisiert, indem das Pulvergemisch auf eine Temperatur von 100 bis 400°C unterhalb des niedrigsten Schmelzpunktes der Metallpulver erhitzt wird, wobei kein äußerer Druck ausgeübt wird. Das Pulvergemisch wird mindestens etwa 1 Stunde bei dieser Temperatur gehalten, oder bis das Metallpulver vollständig in eine intermetallische Struktur umgewandelt ist. Das synthetisierte intermetallische Pulver wird dann in dem ummantelten Reaktionsgefäß auf eine zweite Temperatur von mehr als 50 bis 300°C unterhalb des Schmelzpunktes der intermetallischen Verbindung, d. h. insbesondere auf eine Temperatur von 51 bis 300°C unterhalb des Schmelzpunktes der intermetallischen Verbindung, erwärmt, wobei gleichzeitig auf die Verbindung ein äußerer Druck ausgeübt wird, um ein hochdichtes intermetallisches Sputtertarget zu bilden. Das intermetallische Pulver wird bevorzugt mindestens eine Stunde bei der zweiten Temperatur und dem zweiten Druck gehalten. Das Ausüben des Druckes auf das intermetallische Pulver kann in einer Achse (einachsig) mit einer düsenartigen Preßform mit einem Druck von mindestens 3,4 MPa (500 psi) erfolgen, oder es kann isostatisch mit einem Druck von mindestens 69 MPa (104 psi) auf das intermetallische Pulver erfolgen, welches in einer abgeschlossenen und evakuierten Kapsel untergebracht ist.
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Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung verringert Spülen mit Wasserstoff während der Synthese der intermetallischen Struktur den Sauerstoffgehalt im erhaltenen Sputtertarget. Nach der Bildung der intermetallischen Struktur ist es dann bevorzugt, das Pulver unter Vakuum zu pressen, um restlichen Wasserstoff zu entfernen. Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung für größere Teilchen, insbesondere größer als 100 μm, kann das Erwärmen mehrstufig erfolgen, wobei das Pulver von der Synthesetemperatur in Schritten von 200 bis 300°C erwärmt und jeweils etwa 1 bis 3 Stunden lang dabei gehalten wird, bis die entgültige Sintertemperatur erreicht ist.
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Mit den Ausführungsformen der Erfindung erhält man ein wenig kontaminierendes Verfahren zum Herstellen von intermetallischen Sputtertargets, die eine endgültige Dichte von mindestens 90% der theoretischen Dichte sowie eine aus einer einzigen Phase aufgebaute intermetallische Struktur aufweisen.
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Die Erfindung stellt ein Verfahren zum Herstellen von intermetallischen Sputtertargets aus zwei oder mehr Elementen zur Verfügung, wobei ein Gemisch aus zwei oder mehreren elementaren Pulvern eingesetzt wird, insbesondere wenn der Unterschied zwischen den Schmelztemperaturen der einzelnen Metalle signifikant ist. Das erfindungsgemäße Verfahren verwendet einen mehrstufigen thermischen Prozeß in einer einzigen Vorrichtung, so daß keine Zwischenschritte erforderlich sind, bei denen die intermetallischen Klumpen zerstoßen werden. Das entstehende intermetallische Sputtertarget hat eine endgültige Dichte von größer als etwa 90% der theoretischen Dichte und eine minimale Verunreinigung bzw. Kontamination durch die Technik der Pulvermetallurgie.
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Beim ersten Schritt des erfindungsgemäßen thermischen Prozesses werden zwei oder mehr Metallpulver einheitlich gemischt und damit ein ummanteltes Reaktionsgefäß oder eine Preßvorrichtung beschickt. Die Metallpulver können beispielsweise zwei oder mehr Vertreter von Ti, Al, Ni, Cr, Cu, Co, Fe, W, Si, Mo und Ta sein. Ebenfalls beispielhaft ist die Aufzählung von intermetallischen Strukturen, die mit den folgenden Pulvergemischen hergestellt werden können: Ti-Al, Ni-Al, Cr-Al, Cu-Al, Co-Al, Fe-Al, W-Si, Mo-Si, Ta-Si, Ti-Si, Co-Si, Cr-Si, Al-Si-Ti und Al-Ni-Ti. Obwohl diese beispielhaften Auflistungen nur bimetallische und trimetallische Gemische umfassen, ist darauf hinzuweisen, daß die Grundsätze der vorliegenden Erfindung auch auf intermetallische Gemische aus vier oder mehr Elementen angewandt werden können. Die Menge des jeweils eingesetzten Metallpulvers hängt ab von der gewünschten intermetallischen Struktur, die man erhält. Beispielsweise kann 1 mol Titan auf jeweils 3 mol Aluminium eingesetzt werden, um die intermetallische Struktur TiAl3 zu erhalten.
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Das ummantelte Reaktionsgefäß, mit dem das gemischte Pulver beschickt wird, hängt ab vom Preßverfahren, das zum Ausüben des Druckes auf das Pulverbett eingesetzt werden soll. Man kann das Heißpressen verwenden, bei dem das ummantelte Reaktionsgefäß eine düsenartige Form ist, beispielsweise eine düsenartige Form aus Graphit. Alternativ kann das heißisostatische Pressen verwendet werden, bei dem das ummantelte Reaktionsgefäß eine evakuierte und verschlossene Metalltrommel ist, beispielsweise aus Titan, rostfreiem Stahl, Beryllium, Cobalt, Kupfer, Eisen, Molybdän oder Nickel.
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Nachdem das ummantelte Reaktionsgefäß mit ihm beladen ist, wird das Pulvergemisch im Vakuum oder in einer Inertgasatmosphäre wie Argon oder Stickstoff auf eine Temperatur von 100 bis 400°C unterhalb des niedrigsten Schmelzpunktes der jeweiligen Metallkomponenten des Pulvergemisches erwärmt. Beispielsweise bei einem Pulvergemisch aus Ti-Al beträgt der Schmelzpunkt von Ti etwa 1670°C und der Schmelzpunkt von Al etwa 660°C, so daß das Pulvergemisch auf eine Temperatur von 100 bis 400°C unterhalb des Schmelzpunktes von Aluminium erwärmt wird. Mit anderen Worten, das Gemisch aus Ti-Al wird auf eine Temperatur von etwa 260 bis etwa 560°C erwärmt. Das Pulvergemisch wird mindestens etwa 1 Stunde bei dieser Temperatur gehalten, oder solange, bis das Metallpulver vollständig in eine intermetallische Struktur überführt ist. Für Pulver mit einer mittleren Teilchengröße unterhalb von 100 μm benötigt die Synthese typischerweise etwa 1 bis 5 Stunden. Für Pulver mit einer Teilchengröße unterhalb von 40 μm benötigt die Synthese nur etwa 1 bis 2 Stunden. Wenn die Teilchengröße größer als 100 μm ist, erfolgt die vollständige Synthese in etwa 5 bis 8 Stunden. Bei dieser Stufe der Synthese wird kein äußerer Druck ausgeübt, wodurch ein Bruch des ummantelten Reaktionsgefäßes, beispielsweise der Graphitdüse, durch die explosionsartige Belastung vermieden wird, die durch die exotherme Reaktion erzeugt wird, mit der die Metallpulver miteinander reagieren. Außerdem werden die Pulverkomponenten durch die Anwesenheit des ummantelten Reaktionsgefäßes bei der Synthese zusammengehalten und von der Bildung von Klumpen abgehalten, die ein Zerstoßen vor dem Pressen erfordern. Stattdessen wird ein eher kompaktes Pulverbett erhalten, welches nach der Synthese im ummantelten Reaktionsgefäß unmittelbar gepreßt werden kann. Wenn die Synthese beendet ist, beginnt noch im ummantelten Reaktionsgefäß sofort die zweite Stufe, bei der das intermetallische Pulver im Vakuum oder unter einer Atmosphäre aus Inertgas auf eine Temperatur von mehr als 50 bis 300°C unterhalb des Schmelzpunktes der intermetallischen Verbindung erwärmt werden. Der Schmelzpunkt der intermetallischen Verbindung liegt normalerweise im Bereich zwischen den Schmelzpunkten der einzelnen Pulver der Elemente und kann mit dem Phasendiagramm des speziellen Legierungssystems bestimmt werden. Wenn wiederum das System Ti-Al als Beispiel herangezogen wird, so hat TiAl3 einen Schmelzpunkt von etwa 1350°C. Bei dieser speziellen einphasigen intermetallischen Verbindung liegt die Temperatur der zweiten Stufe deshalb mehr als 50 bis 300°C unterhalb der Schmelztemperatur der intermetallischen Verbindung von 1350°C.
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Mit anderen Worten wird das intermetallische Pulver auf etwa 1050 bis weniger als etwa 1300°C erwärmt. Für trimetallische Gemische kann eine ternäre intermetallische Verbindung hergestellt werden, oder es können zwei oder drei binäre intermetallische Verbindungen gebildet werden, die die gewünschte intermetallische Struktur umfassen. Dies gilt ebenfalls für Gemische aus vier oder mehr Pulvern von Elementen. Bei solchen Systemen hat jede intermetallische Verbindung einen Schmelzpunkt. Die Temperatur der zweiten Stufe zum Erwärmen des intermetallischen Pulvers wäre mehr als 50 bis 300°C unterhalb der niedrigsten Schmelztemperatur der in der intermetallischen Struktur anwesenden intermetallischen Verbindungen.
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Gleichzeitig mit dem Erwärmen der zweiten Stufe wird auf die intermetallische Verbindung ein Druck ausgeübt. Beispielsweise kann ein einachsiger Druck (Druck in nur einer Achse) auf die düsenförmige Preßform ausgeübt werden, oder man verwendet einen isostatischen Druck auf das in der Metalltrommel verkapselte Pulver. Das einachsige Pressen erfolgt typischerweise bei einem Druck von mindestens 3,4 MPa (500 psi), das isostatische Pressen erfolgt typischerweise bei einem Druck von mindestens 69 MPa (104 psi). Zum vollständigen Verdichten des intermetallischen Pulvers werden Temperatur und Druck mindestens 1 Stunde aufrechterhalten.
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Nachdem das Pulver vollständig verdichtet ist, wird der Druck weggenommen und der Targetrohling gekühlt. Der gepreßte Targetrohling kann dann zur gewünschten Gestalt und zu den gewünschten Abmessungen bearbeitet werden, wobei eine mechanische Drehbank, eine Schneidvorrichtung oder ein Schleifer verwendet wird.
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Bei einer alternativen Ausführungsform der Erfindung für Pulver mit einer mittleren Teilchengröße von größer als 100 μm kann für die erste Stufe ein mehrstufiges Heizverfahren eingesetzt werden, um die Synthesezeit für die Bildung der intermetallischen Struktur zu verringern. Bei dieser Ausführungsform wird das gemischte Pulver teilweise synthetisiert durch Erwärmen auf die Temperatur von 100 bis 400°C unterhalb des niedrigsten Schmelzpunktes der jeweiligen Metallkomponenten des Pulvergemisches und Beibehalten dieser ersten Temperatur über etwa 1 bis 3 Stunden, gefolgt von Erwärmen auf die Temperatur der zweiten Stufe in Schritten von 200 bis 300°C. Vor dem nächsten Schritt wird jeder Temperaturschritt etwa 1 bis 3 Stunden lang beibehalten. Bei unvollständiger Bildung der intermetallischen Struktur bei der ersten Temperatur bildet sie sich auf diese Weise vollständig beim schrittweisen Erwärmen vor der Temperatur und dem Druck des abschließenden Preßvorgangs. Für Pulver mit größerer Teilchengröße kann dieses mehrstufige Heizverfahren der ersten Stufe deshalb empfohlen werden, um die Synthesezeit abzukürzen.
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Bei einer weiteren alternativen Ausführungsform der Erfindung können Sputtertargets für Anwendungen mit wenig Sauerstoff hergestellt werden. Ein Spülen mit Wasserstoff während der Bildung der intermetallischen Struktur führt zu einer Verringerung des Sauerstoffgehalts. Das ummantelte Reaktionsgefäß wird deshalb während der Synthese mit Wasserstoff gespült, um die Anwesenheit von Sauerstoff zu verhindern, der mit den Komponenten des Pulvers unter Bildung von Oxiden reagieren würde. Dieses Spülen mit Wasserstoff führt nach der Bildung der intermetallischen Struktur zur Anwesenheit von gewissen Mengen an Restwasserstoff im Reaktionsgefäß. Bei der zweiten Stufe wird deshalb im ummantelten Reaktionsgefäß ein Vakuum erzeugt, und das intermetallische Pulver wird unter Druck erwärmt, wodurch Restwasserstoff entfernt wird, wenn sich das hochdichte intermetallische Sputtertarget bildet.
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Beispiel 1
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Es wurden 6 mal Aluminiumpulver (162 g) mit einer Schmelztemperatur von etwa 660°C und 2 mol Titan (96 g) mit einer Schmelztemperatur von etwa 1670°C 3 Stunden lang gemischt, womit ein einheitliches Gemisch erhalten wurde. Das gemischte Pulver wurde dann in eine düsenartige Graphitform gebracht, in der Form in einer Argonatmosphäre auf 350°C erwärmt (diese erste Temperatur lag 310°C unterhalb des Schmelzpunktes des Metalls mit dem niedrigsten Schmelzpunkt im Gemisch) und etwa 2 Stunden lang bei 350°C gehalten. Die Temperatur in der düsenartigen Graphitform wurde dann auf 1200°C angehoben (diese Temperatur lag 150°C unterhalb des Schmelzpunktes der intermetallischen Verbindung TiAl3), wobei der Druck auf 6,9 MPa (103 psi) erhöht wurde. Die Temperatur von 1200°C und der Druck von 6,9 MPa (103 psi) wurden 3 Stunden lang beibehalten. Dann wurde der Druck weggenommen und das gepreßte Sputtertarget zur Abkühlung auf Zimmertemperatur stehengelassen. Die Dichte des gepreßten Sputtertargets betrug etwa 96% der theoretischen Dichte; die Struktur des Targets wurde mit Röntgenbeugung als einphasiges TiAl3 identifiziert. Der gepreßte Rohling wurde mit einem Diamantradschleifer auf eine Dicke von 6,3 mm (0,25 inch) geschliffen und mit einer mechanischen Drehbank mit punktförmigem Stahl mit Wasserkühlung auf einen Durchmesser von 76 mm (3 inch) abgedreht. Die abgedrehte Scheibe des Sputtertargets wurde dann mit einer Stützplatte aus Kupfer verbunden, wodurch eine vollständige Anordnung aus Sputtertarget und Stützplatte erhalten wurde, und in eine Sputtermaschine eingebaut, wo mit PVD-Abscheidung auf einem Halbleiterwafer eine Dünnschicht aus TiAl3 abgeschieden wurde.
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Beispiel 2
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Zur Herstellung eines trimetallischen Sputtertargets aus Al, Si und Ti werden die drei Metallpulver mit Schmelzpunkten von 660, 1414, bzw. 1668°C zu einem einheitlichen Gemisch vermischt, in ein ummanteltes Reaktionsgefäß gebracht und dann auf eine erste Temperatur von etwa 250 bis 560°C erwärmt. Das Gemisch wird 1 bis 8 Stunden lang bei dieser ersten Temperatur gehalten, bis sich die intermetallische Struktur aus Al2Si3Ti bildet. Die Temperatur wird dann auf eine zweite Temperatur von etwa 927 bis weniger als etwa 1177°C erhöht, wobei diese Temperatur gemäß Bestimmung mit dem ternären Phasendiagramm 300 bis mehr als 50°C unterhalb des Schmelzpunktes der intermetallischen Verbindung von 1227°C liegt. Bei dieser zweiten Temperatur wird ein einachsiger oder isostatischer Druck ausgeübt und mindestens eine Stunde lang beibehalte, um das Pulver vollständig zu verdichten.
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Beispiel 3
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Zur Herstellung eines trimetallischen Sputtertargets aus Al, Ni und Ti werden die drei Metallpulver mit Schmelzpunkten von 660, 1455, bzw. 1668°C zu einem einheitlichen Gemisch vermischt, in ein ummanteltes Reaktionsgefäß gebracht und dann auf eine erste Temperatur von etwa 250 bis 560°C erwärmt. Das Gemisch wird 1 bis 8 Stunden lang bei dieser ersten Temperatur gehalten, bis sich die intermetallische Struktur bildet. Bei diesem System umfasst die intermetallische Struktur die binären Verbindungen AlNi3, AlTi und NiTi mit Schmelzpunkten der intermetallischen Verbindungen von 1385, 1350 bzw. 1310°C. Die Temperatur wird dann auf eine zweite Temperatur von etwa 1010 bis weniger als etwa 1260°C erhöht, wobei diese Temperatur gemäß Bestimmung mit den drei binären Phasendiagrammen 300 bis mehr als 50°C unterhalb des Schmelzpunktes der intermetallischen Verbindung von 1310°C liegt. Bei dieser zweiten Temperatur wird ein einachsiger oder isostatischer Druck ausgeübt und mindestens 1 Stunde lang beibehalten, um das Pulver vollständig zu verdichten.
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Es wird somit ein Verfahren zum Herstellen von hochdichten intermetallischen Sputtertargets zur Verfügung gestellt, welches die Verunreinigung bzw. Kontamination aus dem Herstellungsverfahren minimiert. Die vorstehenden Beispiele betreffen repräsentative Legierungssysteme; die vorliegende Erfindung stellt jedoch ein Verfahren zur Herstellung beliebiger intermetallischer Sputtertargets zur Verfügung.