DE102005020250B4 - sputtering Target - Google Patents

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    • C23C14/3414—Metallurgical or chemical aspects of target preparation, e.g. casting, powder metallurgy

Abstract

Sputtertarget mit einem Träger und einem Sputtermaterial, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Träger und Sputtermaterial eine Pulver- oder Granulatschüttung angeordnet ist.sputtering Target with a carrier and a sputtering material, characterized in that between carrier and sputtering a powder or Granulatschüttung arranged is.

Figure 00000001
Figure 00000001

Description

Die Erfindung betrifft ein Sputtertarget, insbesondere Rohrtarget mit einem Träger und einem Sputtermaterial.The Invention relates to a sputtering target, in particular pipe target with a carrier and a sputtering material.

Zum Beschichten großflächiger Substrate wie Architekturglas und mittlerweile auch Flachbildschirmscheiben wird die Magnetronsputtertechnik eingesetzt. Hierbei wird das Beschichtungsmaterial in Form eines sogenannten Sputtertargets (Targets) in einer Vakuumbeschichtungsanlage atomar zerstäubt/gesputtert und anschließend als Beschichtung auf einem Glassubstrat abgeschieden. Die Abscheidung kann sowohl elementar als auch in Form einer chemischen Verbindung erfolgen, welche durch das Zufügen eines Reaktivgases gebildet wird. Auf diese Weise werden zum Beispiel Wärmedämmschichten auf Glas und TFT-Beschichtung der Flachbildschirme erzeugt. Desweiteren gibt es Anwendungen im optischen Bereich beispielsweise zur Erzeugung spezieller elektromagnetischer Filter, zur Reflex- und Antireflexbeschichtung. Die bei diesen u.a. Sputterprozessen verwendeten Targets werden als Flach- und mittlerweile auch als Rohrtargets eingesetzt. Bei den Flachtargets wird das Targetmaterial i.d.R. auf einer Cu-Rückplatte fixiert, meist über spezielle Löttechniken. Zur Herstellung der Rohrtargets gibt es verschiedene Wege in Abhängigkeit des Targetmaterials: Aufgießen des Targetmaterials auf das Trägerrohr [ DE 100 43 748 A1 , DE 100 63 383 A1 , thermisches Aufspritzen des Targetmaterials auf das Trägerrohr [H. J. Gläser, Dünnfilmtechnologie auf Flachglas, 1999, S.84–85], Herstellung eines Rohrtargets über Gieß- und Umformverfahren, sodass Trägerrohr und Targetrohr eine Einheit bilden, Aufbringen von Segmenten auf ein Trägerrohr. Bei der letzteren Technik werden ein oder mehrere rohrförmige Targetsegmente auf einem Trägerrohr fixiert. Die Fixierung dient zur Herstellung einer stabilen, elektrisch leitenden und wärmeschlüssigen (wärmeleitenden) Verbindung zwischen Targetmaterial und Trägerrohr. Insbesondere der wärmeschlüssigen Verbindung kommt große Bedeutung zu, da etwa 75% der eingebrachten Energie im Sputterprozess in Wärme umgewandelt wird, welche sicher durch die Innenkühlung des Trägerrohres abzuführen ist. Die Fixierung kann erfolgen über Löttechnik, Klemmtechnik oder Klebung. Alle diese Techniken haben zum Nachteil, dass eine großflächig homogene, wärmeschlüssige Verbindung zwischen Targetrohr und Trägerrohr nicht oder nur mit hohem technischen Aufwand zu erzielen ist. In allen Fällen einer metallschlüssigen Verbindung muss zum Löten bei erhöhten Temperaturen gearbeitet werden. Zur Einstellung einer homogenen Temperaturverteilung erfordert dies einen erheblichen Regelaufwand. Da Trägerrohr und Targetrohr sowie Lot aus jeweils unterschiedlichen Materialien bestehen, treten unterschiedliche Wärmeausdehnungen auf, die beim Abkühlen schnell zum Versagen der Lötung, d.h. Ausbildung von Spalten, führen können. Häufig werden kleine, teilweise aber auch große Bereiche der Innenflächen zwischen Träger- und Targetrohr nicht ausreichend homogen miteinander verbunden. Diese Bereiche können zum Beispiel bis zu 100 cm2 groß sein. Hier kommt es beim Sputtern zu stark aufgeheizten Zonen, die thermische Spannungen und Gefügeveränderungen bis hin zur Rissbildung zeigen können. Zudem führt dies zum Aufschmelzen des Lotes in Nachbarbereichen und damit ebenfalls zum Versagen des Rohrtargets.The magnetron sputtering technique is used to coat large-area substrates such as architectural glass and meanwhile also flat-panel windows. Here, the coating material in the form of a so-called sputtering targets is atomized / sputtered atomically in a vacuum coating system and then deposited as a coating on a glass substrate. The deposition can take place both elementally and in the form of a chemical compound, which is formed by the addition of a reactive gas. In this way, for example, thermal barrier coatings on glass and TFT coating of flat screens are produced. Furthermore, there are applications in the optical field, for example for the production of special electromagnetic filters, for reflection and anti-reflection coating. The targets used in these sputtering processes are used as flat and now also as tube targets. In the flat targets, the target material is usually fixed on a Cu backplate, usually via special soldering techniques. There are various ways of producing the tube targets depending on the target material: pouring the target material onto the carrier tube [ DE 100 43 748 A1 . DE 100 63 383 A1 , Thermal spraying of the target material on the support tube [HJ glasses, thin film technology on flat glass, 1999, p84-85], production of a tube target casting and forming process, so that the carrier tube and target tube form a unit, applying segments to a support tube. In the latter technique, one or more tubular target segments are fixed on a support tube. The fixation is used to produce a stable, electrically conductive and heat-conductive (heat-conducting) connection between the target material and the carrier tube. In particular, the heat-conductive connection is of great importance, since about 75% of the energy introduced in the sputtering process is converted into heat, which is safely dissipate by the internal cooling of the support tube. The fixation can be made by soldering, clamping technology or gluing. All of these techniques have the disadvantage that a large-area homogeneous, heat-resistant connection between the target tube and support tube can not be achieved or only with great technical effort. In all cases of a metal connection must be used for soldering at elevated temperatures. To set a homogeneous temperature distribution, this requires a considerable amount of control. Since the carrier tube and the target tube as well as solder each consist of different materials, different thermal expansions occur, which can quickly lead to a failure of the soldering during cooling, ie formation of gaps. Often small, but sometimes large areas of the inner surfaces between the carrier and target tube are not sufficiently homogeneously interconnected. These areas can be up to 100 cm 2 , for example. Here sputtering leads to strongly heated zones, which can show thermal stresses and microstructural changes up to cracking. In addition, this leads to the melting of the solder in neighboring areas and thus also to the failure of the pipe target.

Desweiteren erzielen Klebeverbindungen häufig keine ausreichende elektrische leitfähige Verbindung und neigen zu Ausgasungen und Zersetzungen des Polymers unter Vakuum und thermischer Belastung, was den Sputterprozess negativ beeinflusst.Furthermore achieve adhesive joints often no sufficient electrical conductive connection and tilt to outgassing and decomposition of the polymer under vacuum and thermal Load, which negatively affects the sputtering process.

Aus EP 852266 B1 und WO 02/027057 A2 sind Sputtertargets bekannt, bei denen zwischen Träger und Targetmaterial eine Zwischenschicht aus einem Metall bzw. einer Legierung angeordnet ist, die einen Thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweist, der zwischen dem des Targetmaterials und dem des Trägers liegt.Out EP 852266 B1 and WO 02/027057 A2 sputtering targets are known in which between the support and target material, an intermediate layer of a metal or an alloy is disposed, which has a coefficient of thermal expansion, which lies between that of the target material and that of the carrier.

Aus US 5,863,398 A ist ein Sputtertarget bekannt, bei dem eine Zwischenschicht aus Titan oder einer Titanlegierung verwendet wird. In US 5,653,856 A ist ein Sputtertarget offenbart, bei dem der Träger mittels einer Lötpaste mit dem Targetmaterial verlötet ist. Die Lötpaste besteht aus Gallium oder einer Galliumlegierung mit darin dispergiertem Metallpulver.Out US 5,863,398 A For example, a sputtering target utilizing an intermediate layer of titanium or a titanium alloy is known. In US 5,653,856 A a sputtering target is disclosed in which the carrier is soldered to the target material by means of a solder paste. The solder paste consists of gallium or a gallium alloy with metal powder dispersed therein.

Aufgabe der Erfindung ist, eine einfache, zuverlässige und reproduzierbare Bondtechnolgie zum Fixieren vorzugsweiser rohrförmiger Targetsegmente auf einem Träger, vorzugsweise Trägerrohr, zu entwickeln, welche eine elektrisch leitfähige und (bis in den mm2-Bereich) flächig homogen wärmeschlüssige Verbindung zwischen Targetrohr und Trägerrohr darstellt. Hierbei soll die oben beschriebene Problematik des Bondens aufgrund der Unterschiede im thermischen Ausdehnungskoeffizienten der eingesetzten Materialien berücksichtigt werden.The object of the invention is to develop a simple, reliable and reproducible bonding technology for fixing preferential tubular target segments on a support, preferably a support tube, which represents an electrically conductive and (up to the mm 2 range) surface homogeneously heat-conductive connection between the target tube and support tube , Here, the problem of bonding described above due to the differences in the thermal expansion coefficient of the materials used should be considered.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Das erfindungsgemäße Sputtertarget ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Träger und Sputtermaterial eine Pulver- oder Granulatschüttung angeordnet ist. Das Pulver oder Granulat sichert durch eine natürliche homogene Verteilung die angestrebten Vorteile. Insbesondere können der Träger und das Sputtermaterial als Rohre (Trägerrohr und Targetrohr) ausgebildet sein, es ist jedoch auch eine entsprechende Ausbil dung von Flachtargets mit Trägerplatte und Targetplatte möglich. Vorzugsweise weist die Pulver- oder Granulatschüttung ein gut rieselfähiges, elektrisch leitfähiges und wärmeleitfähiges Pulver und/oder Granulat auf, d.h., sie besteht entweder teilweise oder vollständig aus diesem rieselfähigen, elektrisch leitfähigen und wärmeleitfähigen Pulver oder Granulat. Als rieselfähig wird ein Pulver/Granulat bezeichnet, welches ohne wesentliche Agglomeration oder Konglomeration der Schwerkraft folgt. Beeiflußt wird die Rieselfähigkeit beispielsweise durch Größe, Masse oder Morphologie der Teilchen. Zweckmäßig ist es, dass die Pulver- oder Granulatschüttung metallisches und/oder keramisches und/oder Grafit-Pulver und/oder -Granulat aufweist oder daraus besteht.The object is solved by the features of the main claim. Advantageous embodiments are specified in the subclaims. The sputtering target according to the invention is characterized in that a powder or granular charge is arranged between the carrier and the sputtering material. The powder or granules ensure the desired benefits through a natural homogeneous distribution. In particular, the carrier and the sputtering material may be formed as tubes (carrier tube and target tube), but it is also a corresponding Ausbil tion of flat targets with carrier plate and target plate possible. Preferably, the powder or Granulatschüttung a good free-flowing, electrically conductive and thermally conductive powder and / or granules, that is, it consists either partially or completely of this free-flowing, electrically conductive and thermally conductive powder or granules. As flowable, a powder / granules is called, which follows without significant agglomeration or conglomeration of gravity. The flowability is governed, for example, by the size, mass or morphology of the particles. It is expedient that the powder or granular bed comprises or consists of metallic and / or ceramic and / or graphite powder and / or granules.

Die Pulver- oder Granulatschüttung kann eines oder mehrere der Metalle aus der Gruppe Al, Cu, Sn, Zn, Ag, In, Fe, Ni, W, C und/oder deren Legierungen und/oder Mischungen aufweisen oder daraus bestehen. Insbesondere kann die Pulver- oder Granulatschüttung beschichtetes Pulver und/oder Granulat aufweisen oder daraus bestehen.The Powder or granular bed one or more of the metals from the group Al, Cu, Sn, Zn, Ag, In, Fe, Ni, W, C and / or their alloys and / or mixtures have or consist of. In particular, the powder or bed of granules coated powder and / or granules or consist thereof.

Von Vorteil kann es sein, dass in die Pulver- oder Granulatschüttung ein Matrixmaterial infiltriert ist. Insbesondere kann das Matrixmaterial ein metallischer Lotwerkstoff sein oder ein organisches oder anorganisches Polymermaterial oder ein Vorläufer davon. Das Matrixmaterial kann mehreren Komponenten aufweisen. Das Matrixmaterial kann unter Druck oder Vakuum infiltriert werden. Es kann die Fixierung der Rohre sowie den elektrischen oder thermischen Kontakt zwischen Trägerrohr und Targetrohr verbessern.From Advantage may be that in the powder or Granulatschüttung a Matrix material is infiltrated. In particular, the matrix material be a metallic solder material or an organic or inorganic Polymer material or a precursor thereof. The matrix material can have several components. The matrix material can be infiltrated under pressure or vacuum. It may be the fixation the pipes and the electrical or thermal contact between support tube and improve target tube.

Gemäß der Erfindung wir Pulver oder Granulat in einen Abstandsraum (Bondspalt) zwischen Träger und Sputtermaterial gefüllt und kann dort zusätzlich verdichtet werden, beispielsweise durch Vibration. Zwischen diese Pulver- oder Granulatschüttung kann ein Matrixmaterial, zum Beispiel ein Lotmaterial gefüllt werden. Anschließend werden die Außenseiten des Abstandsraumes durch geeignetes Material verschlossen, beispielsweise verlötet oder verklebt.According to the invention we place powder or granules in a gap (bond gap) between carrier and sputtering material filled and can be there in addition be compacted, for example by vibration. Between these Powder or Granulatschüttung can a matrix material, for example, a solder material to be filled. Subsequently become the outsides the distance space closed by suitable material, for example soldered or glued.

Die Erfindung wird beispielhaft anhand einer Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigtThe The invention will be explained by way of example with reference to a drawing. In the drawing shows

1 einen schematischen Querschnitt durch ein Rohrtarget und 1 a schematic cross section through a pipe target and

2 einen Ausschnitt aus 1, darstellungsgleich einen schematischen Querschnitt durch ein Flachtarget. 2 a section from 1 , Representationsgleich a schematic cross section through a flat target.

Ein Targetrohr 1 aus dem Sputtermaterial wird über ein Trägerrohr 2 geschoben. Bei der Herstellung des Targetrohres 1 ist auf einen ausreichend großen Innendurchmesser zu achten, so dass sich im aufeinandergeschobenen Zustand ein ausreichend großer Bondspalt zwischen Targetrohr 1 und Trägerrohr 2 ergibt. Dieser Spalt wird mit einem gut rieselfähigen und verdichtungsfähigen Pulver oder Granulat eines elektrisch und wärme-leitfähigen Materials gefüllt. Die sich ergebende Pulverschüttung 3 muss den Bondspalt zwischen Targetrohr 1 und Trägerrohr 2 homogen und möglichst dicht füllen. Hiermit wird gleichzeitig eine Fixierung des Targetrohres 1 auf dem Trägerrohr 2 als auch eine elektrisch leitfähige und homogen wärmeschlüssige Verbindung zwischen Trägerrohr 2 und Targetrohr 1 erzielt. Bei Erzielung einer hohen Pulverpackungsdichte und einer vollständigen Bondspaltfüllung wird eine in allen Innenflächenbereichen homogene Kontaktierung zwischen Targetrohr 1 und Trägerrohr 2 erreicht. Die Kontaktierung zwischen Trägerrohr 2 und Targetrohr 1 erfolgt über Oberflächenteilkontakte der einzelnen Pulver- od. Granulatkörner (siehe 2). Da die Füllung des Bondspaltes im kalten Zustand, das heißt, ohne zusätzliche Heizung, bei Raum- oder Umgebungstemperatur, erfolgen kann, wird das Problem der unterschiedlichen Wärmeausdehnung der eingesetzten Materialien umgangen. Weiterhin besitzt eine derartig hergestellte Pulver- oder Granulatfüllung als Bondschicht das Potenzial, bei Wärmeausdehnung des Sputtermaterials im späteren Sputterbetrieb flexibler als eine starre Lotschicht zu reagieren.A target tube 1 from the sputtering material is via a support tube 2 pushed. In the preparation of the target tube 1 Care must be taken to ensure a sufficiently large inner diameter, so that in the pushed-together state, a sufficiently large bond gap between the target tube 1 and support tube 2 results. This gap is filled with a free-flowing and compactable powder or granules of an electrically and heat-conductive material. The resulting powder bed 3 needs the bond gap between target tube 1 and support tube 2 homogeneous and as tight as possible. This is at the same time a fixation of the target tube 1 on the support tube 2 as well as an electrically conductive and homogeneous heat-conductive connection between the support tube 2 and target tube 1 achieved. In order to achieve a high powder packing density and a complete bond gap filling, a homogeneous contact between target tube in all inner surface areas 1 and support tube 2 reached. The contact between carrier tube 2 and target tube 1 takes place via surface part contacts of the individual powder or granules (see 2 ). Since the filling of the bonding gap in the cold state, that is, without additional heating, at room or ambient temperature, can be done, the problem of differential thermal expansion of the materials used is bypassed. Furthermore, a powder or granule filling produced in this way as a bonding layer has the potential to react more flexibly than a rigid solder layer during thermal expansion of the sputtering material in the subsequent sputtering operation.

Beispiel 1:Example 1:

Ein Targetrohr 1 aus beispielsweise SiAl wird mit folgenden Maßen hergestellt: Länge L = 1650mm, Außendurchmesser Da = 160mm, Innendurchmesser Di = 136mm. Ein Trägerrohr 2 aus Edelstahl wird mit folgenden Maßen hergestellt: L = 1700mm, Da = 133mm, Di = 125mm. Das Targetrohr 1 wird über das Trägerrohr 2 geschoben und zentiert. Es ergibt sich ein umlaufender Bondspalt von 1,5mm Breite. Dieser wird mit rieselfähigem Cu-Pulver aufgefüllt. Die Teilchen des Cu-Pulvers weisen einen Durchmesser von etwa 50 bis 200 μm auf und sind im Wesentlichen sphärisch. Das Pulver wird beim Befüllen des Spaltes eingerüttelt, also zum Beispiel durch mechanische Anregung wie durch Vibration nachverdichtet. Die Abdichtung der Spalte der Rohrenden erfolgt mittels einer Lötnaht. Auch ein Verkleben des Materials an den Rohrenden ist möglich.A target tube 1 made of, for example, SiAl is manufactured with the following dimensions: length L = 1650mm, outer diameter Da = 160mm, inner diameter Di = 136mm. A carrier tube 2 made of stainless steel with the following dimensions: L = 1700mm, Da = 133mm, Di = 125mm. The target tube 1 is over the support tube 2 pushed and zentiert. This results in a circumferential bonding gap of 1.5 mm width. This is filled up with free-flowing Cu powder. The particles of the Cu powder have a diameter of about 50 to 200 microns and are substantially spherical. The powder is shaken when filling the gap, so for example by mechanical excitation as re-densified by vibration. The sealing of the column of pipe ends by means of a solder seam. Also a bonding of the material to the pipe ends is possible.

Beispiel 2:Example 2:

Analog zu Beispiel 1: Die Pulverschüttung 3 besteht aus einem Pulvergemisch aus Cu- und Ag-Pulver.Analogous to Example 1: The powder bed 3 consists of a powder mixture of Cu and Ag powder.

Beispiel 3:Example 3:

Analog Beispiel 1: Die Pulverschüttung 3 im Bondspalt wird anschließend mit einem niedrigviskosen Polymermaterial infiltriert.Analogous to Example 1: The powder bed 3 in the bonding gap is then infiltrated with a low-viscosity polymer material.

Beispiel 4:Example 4:

Analog Beispiel 1: Der Aufbau aus Trägerrohr 2, Targetrohr 1 und Pulverschüttung 3 wird anschließend homogen auf etwa 170 °C erwärmt. Die Pulverschüttung 3 im Bondspalt wird mit In als Lotmaterial infiltriert.Analogously to Example 1: The structure of carrier tube 2 , Target tube 1 and powder bed 3 is then heated homogeneously to about 170 ° C. The powder bed 3 in the bonding gap is infiltrated with In as solder material.

Claims (9)

Sputtertarget mit einem Träger und einem Sputtermaterial, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Träger und Sputtermaterial eine Pulver- oder Granulatschüttung angeordnet ist.Sputtering target with a carrier and a sputtering material, characterized in that a powder or Granulatschüttung is disposed between the carrier and sputtering material. Sputtertarget nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulver- oder Granulatschüttung ein rieselfähiges, elektrisch leitfähiges und wärmeleitfähiges Pulver oder Granulat aufweist.Sputtering target according to claim 1, characterized in that that the powder or Granulatschüttung a free-flowing, electric conductive and thermally conductive powder or granules. Sputtertarget nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulver- oder Granulatschüttung metallisches und/oder keramisches und/oder Grafit-Pulver und/oder -Granulat aufweist.Sputtering target according to claim 1 or 2, characterized that the powder or Granulatschüttung metallic and / or ceramic and / or graphite powder and / or granules. Sputtertarget nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulver- oder Granulatschüttung eines oder mehrere der Metalle aus der Gruppe Al, Cu, Sn, Zn, Ag, In, Fe, Ni, W, C und/oder deren Legierungen und/oder Mischungen aufweist.Sputtering target according to claim 3, characterized that the powder or Granulatschüttung one or more of Metals from the group Al, Cu, Sn, Zn, Ag, In, Fe, Ni, W, C and / or having their alloys and / or mixtures. Sputtertarget nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Pulver- oder Granulatschüttung beschichtetes Pulver und/oder Granulat aufweist.Sputtering target according to one of claims 1 to 4, characterized in that the powder or Granulatschüttung coated Having powder and / or granules. Sputtertarget nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass in die Pulver- oder Granulatschüttung ein Matrixmaterial infiltriert ist.Sputtering target according to one of claims 1 to 5, characterized in that in the powder or Granulatschüttung a Matrix material is infiltrated. Sputtertarget nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial ein metallischer Lotwerkstoff ist oder ein organisches oder anorganisches Polymermaterial oder ein Vorläufer davon.Sputtering target according to claim 6, characterized the matrix material is or is a metallic solder material organic or inorganic polymer material or a precursor thereof. Sputtertarget nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Matrixmaterial mehreren Komponenten aufweist.Sputtering target according to claim 6 or 7, characterized the matrix material has several components. Sputtertarget nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Träger und das Sputtermaterial als Rohre ausgebildet sind.Sputtering target according to one of claims 1 to 8, characterized in that the carrier and the sputtering material are formed as tubes.
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