DE102006026005A1

DE102006026005A1 - Kaltgepresste Sputtertargets

Info

Publication number: DE102006026005A1
Application number: DE102006026005A
Authority: DE
Inventors: Martin Dr. Weigert; Markus Schultheis
Original assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Current assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Priority date: 2006-06-01
Filing date: 2006-06-01
Publication date: 2007-12-06
Also published as: US20090277777A1; KR20090031499A; CN101460650A; WO2007137824A1; ZA200810662B; RU2008150855A; EP2024529A1; JP2009538984A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sputtertarget mit einem Sputtermaterial aus einer Legierung oder Materialmischung aus mindestens zwei Komponenten, wobei die beiden Komponenten im thermodynamischen Ungleichgewicht vorliegen und besteht darin, dass die Komponenten durch ein isostatisches oder unaxiales Kalt-Press-Verfahren kompaktiert sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sputtertarget mit einem Sputtermaterial aus einer Legierung oder Materialmischung aus mindestens zwei Komponenten sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung.
Sputtertargets zur Kathodenzerstäubung werden üblicherweise durch schmelzmetallurgische oder pulvermetallurgische Verfahren hergestellt. Pulvermetallurgische Verfahren werden unter anderem dann angewandt, wenn sich die gewünschten Komponenten nicht schmelztechnisch legieren lassen oder wenn die resultierenden Legierungen eine zu große Sprödigkeit aufweisen, um in die gewünschte Targetgeometrie gebracht zu werden.
Bislang eingesetzte pulvermetallurgische Verfahren sind:

– Kaltpressen und Sintern bei erhöhten Temperaturen
– heißaxiales Pressen der Pulver oder Pulvermischungen
– heißisostatisches Pressen der Pulver oder Pulvermischungen
– Pulverschmieden oder Pulverwalzen (im Regelfall in versiegelten Kannen)
– Plasmaspritzen und thermisches Spritzen.

Alle diese üblichen Verfahren haben gemeinsam, dass die Pulver währen des Herstellungsverfahrens beträchtlich erwärmt werden, teilweise über den Schmelzpunkt hinaus ( DE 41 15 663 A1 ), teilweise bis kurz unter den Schmelzpunkt (z. B. Sintern) oder zumindest bis knapp unter den Schmelzpunkt der am niedrigsten schmelzenden Komponente ( EP 0243 995 B1 , EP 0834 594 B1 ). Diese thermisch aktivierte pulvermetallurgischen Verfahren erfordern einerseits hohen aparativen Aufwand, wie z. B. Schutzgasöfen, Autoklaven, adäquate, thermisch stabile Pressformen, andererseits kann dieser Schritt der thermischen Pulververdichtung zu unerwünschten Nebeneffekten wie Oxidation oder Versprödung durch thermisch aktivierte Festkörperreaktionen führen.
In jüngster Zeit haben sich Anwendungsfälle von Sputtertargets aufgetan, bei denen Legierungen oder Gemische gefragt sind, welche aus Elementen oder Komponenten bestehen, die einerseits extrem niedrig schmelzende, andererseits hochschmelzende Bestandteile enthalten. Beispiele dafür sind:

– Cu/In- oder Cu/In/Ga-Legierungen für Photovoltaik-Halbleiter
– Mischtargets bestehen einerseits aus niedrig schmelzenden Elementen wie Sn, Zn, In oder Bi, andererseits aus Komponenten wie Silizium, Titan, Niob, Mangan oder Tantal. Zweck dieser Mischtargets ist es z. B. durch Rekativsputterprozesse optisch funktionale Schichten mit gezielt einstellbarem Brechungsindex herzustellen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur kostengünstigsten und qualitativ hochwertigen Herstellung von pulvermetallurgischen Sputtertargets sowie derartige Sputtertargets bereitzustellen.
Die Aufgabe wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Diese Aufgabe wird unter anderem dadurch gelöst, dass die beiden Komponenten des Sputtermaterials im thermodynamischen Ungleichgewicht vorliegen und durch ein isostatisches oder unaxiales Kalt-Press-Verfahren (also bei oder im Bereich der normalen Raumtemperatur) kompaktiert sind. Das Sputtermaterial kann aus Elementen/Komponenten gebildet sein, die einen sehr großen Unterschied in den jeweiligen Schmelzpunkten haben. Insbesondere sind die Komponenten des Mischtargets in Pulverform hergestellt, diese Pulver sind durch Kaltpressverfahren, wie z. B. Kaltaxialpressen oder kalt-isostatisches Pressen verdichtet. Der resultierende Pressling wird keinerlei thermischer Behandlung (oberhalb der Raumtemperatur) ausgesetzt, sondern direkt, d. h. im kaltgepressten Zustand eventuell nach geringfügiger spanabhebender Bearbeitung, als Sputtertarget eingesetzt. Diese Erfindung bricht somit mit dem bislang üblichen Paradigma, dass Sputtertargets nur dann eine sichere Funktionalität gewährleisten, wenn sie zumindest durch Sinterreaktionen eine stabile kompakte Gefügestruktur aufweisen. Überraschenderweise zeigt sich, dass sich bei bestimmten Materialkombinationen durchaus praxistaugliche Sputtertargets, allein durch diesen Kaltpressprozess herstellen lassen. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Komponenten in Pulverform so vorbereitet werden, dass mindestens eine Komponente eine Härte von weniger als 100 MPa HB aufweist und diese besonders weiche Komponente mindestens 20 Vol% des Sputtermaterials ausmacht. Neben der Möglichkeit, allein Metallkomponenten (reine Metalle oder Legierungen) auf diese Art und Weise zu Sputtertargets zu verpressen, ist es ebenfalls möglich, Verbundtargets aus insbesondere weichen metallischen und harten keramischen Komponenten zu pressen.
Vorzugsweise ist mindestens eine der Komponenten aus mindestens einem Metall aus der Gruppe Indium, Zinn oder Wismuth oder aus einer Legierung auf Basis dieser Metalle gebildet. Insbesondere kann mindestens eine der Komponenten aus Indium oder aus einer Indiumbasislegierung gebildet sein. Zweckmäßig ist es, dass mindestens eine der Komponenten eine metallische Reinheit von größer 99,9 % aufweist. Das Sputtermaterial kann aus den Komponenten:

a) Indium oder Indiumbasislegierung
b) Kupfer- oder Kupferbasislegierung

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten durch ein isostatisches oder unaxiales Kalt-Press-Verfahren kompaktiert werden. Vorzugsweise werden die Komponenten nach dem Kaltpressen keiner thermischen Behandlung ausgesetzt. Vorteilhaft ist es, dass mindestens eine der Komponenten des Sputtermaterials durch ein axiales Pressverfahren auf eine metallische Trägerplatte aufgepresst und ein stoffschlüssiger Verbund aus Sputtermaterial und Trägerplatte gebildet wird. Es kann auch mindestens eine der Komponenten des Sputtermaterials durch ein axiales Pressverfahren zu einer Targetplatte verpresst und diese Targetplatte separat vom Pressvorgang auf eine Trägerplatte geklebt oder gelötet werden. Die Prozesstemperatur des Klebe- oder Lötvorgangs kann dabei niedriger sein, als die niedrigste Schmelztemperatur der Komponenten. Das Verfahren kann in einer Variante auch so ausgeführt werden, dass mindestens eine der Komponenten durch ein isostatisches Pressverfahren auf ein Trägerrohr aufgepresst und ein stoffschlüssiger Verbund aus Sputtermaterial und Trägerrohr gebildet wird.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können planare Sputtertargets hergestellt werden, indem sie durch ein axiales Pressverfahren auf eine metallische Trägerplatte aufgepresst werden. Dazu nimmt man vorzugsweise eine oberflächlich aufgeraute Trägerplatte und presst die Pulvermischung direkt auf diese Trägerplatte, so dass ein „mikroformschlüssiger" Verbund entsteht. Alternativ können planare Sputtertargets nach diesem Verfahren jedoch auch zu einer Platte aus Targetmaterial verpresst werden und die Verbindung zu einer Target-Trägerplatte nachträglich durch eine Klebe- oder Lötverbindung hergestellt werden.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren können auch Rohrkathoden hergestellt werden, indem die Pulverkomponenten als Mischung durch übliche kaltisostatische Pressverfahren direkt auf ein aufgerautes Trägerrohr aufgepresst werden.
Besonders gute Ergebnisse erzielt man, wenn die „weiche" Komponente der Pulvermischung aus reinem Indium oder Indiumbasislegierung besteht. Auf diese Art und Weise können beispielsweise Cu-In-Gemische zum Sputtern von Kupfer-Indium-haltigen Dünnschicht-Photovoltaik-Schichten hergestellt werden.
Im folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen erläutert.

1. Ein Gemisch bestehend aus 50 Gew.-% Si-Pulver und 50 Gew.-% Sn-Pulver, mit Korngrößen jeweils im Bereich von 10 μm bis 140 μm (Silizium) und 45 μm bis 140 μm (Zinn) wird durch kaltaxiales Pressen in einer rechteckigen Pressform (300 X 100 mm) verdichtet. Auf dem Unterstempel der Pressform wird eine Cu-Platte der Größe 300 X 100 mm aufgelegt, welche auf ihrer Oberseite durch Sandstrahlen aufgeraut wurde. Nachdem das Pulver mit einem Druck von 2000 bar axial auf die Kupferplatte gepresst wurde, entnimmt man der Pressform ein Verbundteil, wobei die Dichte des komprimierten Si-Sn-Gemisches eine Dichte von 97 % der theoretischen Dichte aufweist. Dieses Verbundteil kann als Kathode zur Sputterbeschichtung eingesetzt werden, wobei die Kupferplatte des Verbundsystems direkt als Rückplatte zum Einsatz in der Sputterkathode dient.
2. Ein Gemisch aus 60 Gew.-% Indium und 40 Gew.-% Kupfer, mit Korngrößen jeweils im Bereich von 5 μm bis 200 μm wird durch kaltaxiales Pressen in einer Pressform der Maße 300 X 100 mm bei einem Druck von 2000 bar gepresst. Ober- wie auch Unterstempel des Presswerkzeugs bestehen aus geschliffenen Stahlplatten. Nach Beendigung des Pressvorgangs kann eine Cu-In-Komposit-Platte dem Presswerkzeug entnommen werden, wobei die Dichte dieser Platte etwa 99,5 % der theoretischen Dichte entspricht. Diese Kupfer-Indium-Platte wird durch Weichlöten unter Verwendung eines Sn-In-Weichlotes (50/50 Gew.-%) zusammen mit weiteren auf die gleiche Art und Weise hergestellten Platten auf eine Kupfer-Kathodenplatte gelötet, so dass eine Sputterkathode der Dimension 900 × 100 mm bestückt werden kann. Diese Sputterkathode wird zum Herstellen von Kupfer-Indium-Legierungsschichten eingesetzt.
3. Ein Gemisch bestehend aus 60 Gew.-% Indium Pulver und 40 Gew.-% Cu-Ga-Legierungspulver, wobei die Legierung wiederum eine Cu 70/Ga 30-Legierung darstellt, wird in ein Presswerkzeug gefüllt. Dieses Presswerkzeug weist einen inneren Hohlkern auf, welcher zum Beispiel aus Edelstahl besteht und welcher später als Trägerrohr einer Sputter-Rohrkathode dienen soll. Dieser innere Hohlkern trägt auf seiner Außenseite eine raue Flammspritzschicht, bestehend z. B. aus Ni-Al-Legierung. Der äußere Teil des Presswerkzeuges besteht aus einem Gummisack. Nach dem Befüllen des Zwischenraumes zwischen innerem Trägerrohr und äußerem Gummisack werden die Stirnseiten dieser zylindrischen Anordnung mit Gummi-Vergussmasse wasserdicht abgedichtet. Das Pulvergemisch wird sodann in einer kalt-isostatischen Presse (CIP-Verfahren) bei 2000 bar allseitigem Pressdruck verdichtet. Nach dem Verdichtungsschritt wird der äußere Gummisack entfernt. Das ehemalige Pulvergemisch liegt jetzt als kompaktierte Außenwand eines Verbundzylindersystems vor. Der Außendurchmesser dieses Verbundes wird drehtechnisch so bearbeitet, dass ein Rohr mit homogener Wandstärke entsteht. Das Cu-In-Ga-Verbundsystem auf Stahlrohr wird sodann als Rohrkathoden zum sputtertechnischen Herstellen von Cu-Ga-In-Schichten benutzt.

Claims

Sputtertarget mit einem Sputtermaterial aus einer Legierung oder Materialmischung aus mindestens zwei Komponenten, wobei die beiden Komponenten im thermodynamischen Ungleichgewicht vorliegen, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten durch ein isostatisches oder unaxiales Kalt-Press-Verfahren kompaktiert sind.
Sputtertarget nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Komponenten eine Härte von weniger als 100 MPa (Brinell Härte) aufweist, wobei diese Komponente mindestens 20 Vol% der gesamten Pulvermischung aufweist.
Sputtertarget nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Komponenten als Pulver vorliegt.
Sputtertarget nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten aus Metallen oder Legierungen oder aus einem Gemisch aus Metall oder Legierung mit keramischem Material gebildet sind.
Sputtertarget nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Komponenten aus mindestens einem Metall aus der Gruppe Indium, Zinn oder Wismuth oder aus einer Legierung auf Basis dieser Metalle besteht.
Sputtertarget nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Komponenten aus Indium oder aus einer Indiumbasislegierung gebildet ist.
Sputtertarget nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Komponenten eine metallische Reinheit von größer 99,9 % aufweist.
Sputtertarget nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Sputtermaterial aus den Komponenten: a. Indium oder Indiumbasislegierung b. Kupfer- oder Kupferbasislegierung gebildet ist.
Sputtertarget nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sputtermaterial auf einer Trägerplatte oder auf einem Trägerrohr stoffschlüssig angeordnet ist.
Verfahren zum Herstellen eines Sputtertargets nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten durch ein isostatisches oder unaxiales Kalt-Press-Verfahren kompaktiert werden.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten nach dem Kaltpressen keiner thermischen Behandlung ausgesetzt werden.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Komponenten des Sputtermaterials durch ein axiales Pressverfahren auf eine metallische Trägerplatte aufgepresst und ein stoffschlüssiger Verbund aus Sputtermaterial und Trägerplatte gebildet wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Komponenten des Sputtermaterials durch ein axiales Pressverfahren zu einer Targetplatte verpresst wird und diese Targetplatte separat vom Pressvorgang auf eine Trägerplatte geklebt oder gelötet wird.
Verfahren nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Prozesstemperatur des Klebe- oder Lötvorgangs niedriger ist, als die niedrigste Schmelztemperatur der Komponenten.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Komponenten durch ein isostatisches Pressverfahren auf ein Trägerrohr aufgepresst und ein stoffschlüssiger Verbund aus Sputtermaterial und Trägerrohr gebildet wird.