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Die
Erfindung betrifft eine Sputtertargetanordnung mit einem Trägerrohr
und einem das Trägerrohr
beabstandet umgebenden Targetrohr.
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Zur
Herstellung dünner
Schichten wird u. a. die Methode der Kathodenzerstäubung, auch
Sputtern genannt, eingesetzt. Hierbei wird ein sogenannter Targetwerkstoff
atomar unter Ar-Ionenbeschuss zerstäubt und beschichtet anschließend ein
Substrat. Die Dicke solcher Schichten liegt typischerweise im Bereich
einiger Nanometer bis zu ca. 100 nm; auch Mikrometer dicke Schichtherstellung
ist möglich.
Die hierbei hergestellten Schichten können über große Flächen äußerst homogen abgeschieden
werden. So werden mittels dieses Verfahrens auch Glasscheiben im
Format ca. 3,2 × 6
m2 mit Wärmeschutzschichten beschichtet.
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Der
Beschichtungswerkstoff wird bei diesen Sputterverfahren meist über eine
Trägerplatte
oder ein Trägerrohr
kathodisch geschaltet, so dass er unter Ar
+-Ionenbeschuss
zerstäubt
werden kann. Der Aufbau eines solchen Targets besteht demgemäß meistens
aus einer Cu-Trägerplatte
oder einem Stahl-(SST)-Trägerrohr,
auf der/dem der eigentliche Targetwerkstoff befestigt ist. Diese
Befestigung muss eine gute elektrische Kontaktierung und einen ausreichenden
Wärmeübergang
zwischen Target und Träger
ermöglichen.
Im Falle der Trägerplatte
wird zur Befestigung des Targetmaterials häufig ein Lötverfahren eingesetzt. Im Falle
des Trägerrohres
können niedrig
schmelzende Targetwerkstoffe bei der Herstellung direkt auf das
Trägerrohr
aufgegossen werden (
DE 100 63
383 ). Thermisch spritzfähige
Materialien werden direkt auf das Trägerrohr aufgespritzt (
DE 41 15 663 ). Hochfeste
Materialien mit ausreichender Duktilität werden ohne separates Trägerrohr direkt
als Rohr ausgebildet (
EP
1 666 631 A2 ), z. B. stranggepresst, und nach mechanischer
Bearbeitung kathodisch geschaltet. Einige Materialien werden auch
als Rohr oder rohrförmige
Segmente hergestellt und anschließend auf das Träger rohr
befestigt. Verschiedene Befestigungsmöglichkeiten werden diskutiert,
z. B. Lötverfahren
(
DE 10 2004 060 423 ),
Klebeverfahren, Klemmverfahren (
WO 2004/007791 A1 ,
DE 10 2004 031 161 A1 ).
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Die
Lötverfahren
haben den Nachteil, dass der Befestigungsprozess unter Löttemperatur
durchgeführt
werden muss. Anschließendes
Abkühlen lässt Auswirkungen
unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten zu. Dieses
Verfahren ist insbesondere bei der Anwendung von spröden Targetmaterialien
kritisch zu betrachten. Als Lote werden u. a. In-basierte Werkstoffe
verwendet, hierdurch steigen jedoch die Herstellkosten des Sputtertargets stark
an.
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Klebeverfahren
arbeiten in der Regel mit elektrisch leitfähigen organischen Substanzen.
Die hierbei eingestellte elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit
ist aber schlechter als bei Lötverfahren.
Die Standzeit der organischen Substanzen unter Temperatureinfluss
ist eingeschränkt.
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Beide
Verfahren gewährleisten
eine enge mechanische Ankopplung des Targetmaterials an das Trägerrohr,
sind aber in ihrer Ausführung
nicht trivial. Zudem erlaubt die starke mechanische Ankopplung keine
unterschiedlichen Ausdehnungen und Materialbewegungen zwischen Sputtertarget
und Trägerrohr.
Treten starke Ausdehnungen und Materialbewegungen im Sputterprozess
auf, so verformen sich diese Targetanordnungen oder bilden Risse; dies
führt meist
zum Verlust der Targetfunktion. Ein homogener Sputterprozess ist
meist nicht mehr möglich.
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Klemmsysteme
bieten in der Regel keine ausreichende Wärmeableitung vom Target zum
Trägerrohr
und können
nur bei geringen Leistungen gesputtert werden. Zudem erfordern sie
kostennachteilige Vorbehandlungen des Targetwerkstückes und des
Trägerrohres
zur Fixierung der Klemmvorrichtungen.
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DE 10 2004 060 423 beschreibt
eine Befestigungstechnik mittels einer Verbindungsschicht, die eine
möglichst
hohe Benetzung zum Träger
und Target aufweist und beispielsweise aus Lotwerkstoff hergestellt
werden kann.
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WO 2004/007791 A1 beschreibt
ein Klemmsystem, bei dem vorzugsweise Federn in vorgesehenen Aussparungen
das Target an den Träger
drücken.
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DE 10 2004 031 161
A1 beschreibt ein Klemmsystem, bei dem Klemmringe oder
ringförmige Klemmkeile
das Target mit dem Träger
verbinden. Die Wärmeableitung
erfolgt hierbei vornehmlich über Wärmestrahlung
zwischen Target und Träger.
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EP 1 561 836 bzw.
DE 10 2004 005 663
A1 beschreiben eine Pressverbindungstechnik zwischen Sputtertarget
und Trägerrohr,
bei der vorzugsweise ein verformbares, spiralförmiges Rohr zwischen Sputtertarget
und Träger
gebracht wird und per Fluiddruck verformt und aufgedrückt wird.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Befestigungstechnologie für rohrförmige Sputtertargets
bereitzustellen, die eine Verbindung zwischen einem Trägerrohr
und einem Sputtertargetwerkstoff in einfacher Weise ermöglicht.
Hierbei sollen gute elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Flexibilität zwischen
Trägerrohr
und Targetrohr in Axial-, Radial- und Umfangsrichtung gewährleistet
werden. Die Befestigungstechnologie soll einfach und kostengünstig handhabbar
sein und keine größeren zusätzlichen kostenaufwändigen Bearbeitungsschritte
am Target oder Träger
erforderlich machen.
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Die
Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorzugsweise
Ausgestaltungen sind in den abhängigen
Ansprüchen
angegeben. Zwischen Sputtertargetrohr und Trägerrohr sind Lamellen angeordnet
werden. Die Lamellen bewirken eine elektrische Kontaktierung, eine
Wärmeübertragung
und Flexibilität
der Targetrohrsegmente auf dem Trägerrohr in Axial-, Radial-
und Umfangsrichtung, um auftretende Spannungen abzubauen.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Targetrohr und Trägerrohr
Metallstreifen angeordnet sind, die jeweils sowohl das Trägerrohr
als auch das Targetrohr kontaktieren. Insbesondere sind die Metallstreifen oder
einige davon aus einem Metall der Gruppe Cu, Al, Ag, Fe, Ni, Mo
oder aus einer Legierung mit mindestens einem dieser Metalle gebildet.
Vorzugsweise sind Metallstreifen mit einem Metall der Gruppe Sn, In,
Bi, Al, Ag, Ni oder einer Legierung mit mindestens einem dieser
Metalle beschichtet. Die Metallstreifen sind bevorzugt flach ausgebildet
sind oder weisen geprägte
oder abgekantete oder gewellte Bereiche auf. Die Metallstreifen
können
auch Schlitze aufweisen. Es kann vorteilhaft sein, Metallstreifen
an Targetrohr und/oder an Trägerrohr
anzukleben oder anzulöten
oder -bonden. Sie werden vorzugsweise in Längsrichtung der Rohre, insbesondere
achsparallel zur Rohrachse, angeordnet.
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Vorteilhaft
kann es sein, dass zwischen Trägerrohr
und Targetrohr ein wärmeleitfähiges Pulver, insbesondere
als Schüttung,
angeordnet ist.
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Bevorzugt
kann das Sputtermaterial des Targetrohrs eine insbesondere gegossene,
Silizium-Aluminium-Legierung
oder eine Keramik, insbesondere aus Zinkoxid-Aluminiumoxid, sein.
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Die
Sputtertargetanordnung ist vorzugsweise für eine Belastung im Sputterverfahren,
insbesondere im Gleichstromverfahren, von mindestens 10 kW pro Meter
der Sputtertargetlänge
bei einem Sputtertargetdurchmesser von mindestens 150 mm geeignet.
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Nachfolgend
werden Ausführungsbeispiele der
Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert. In der Zeichnung zeigt:
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1:
beispielhafte Querschnitte durch vorgeformte Lamellen
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2:
eine Lamellenaufsicht/einen Lamellenquerschnitt
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3:
beispielhafte Anordnung verschiedener Lamellentypen vereinfacht.
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Das
Trägerrohr
und das Targetrohr werden auf den Verbindungsflächen aufgerauht bzw. mit rauhen
Schichten versehen. Die Verbindung zwischen Träger und Target wird über Lamellen
(auch als Metallstreifen bezeichnet) hergestellt, die sich über Haftreibung
in die Oberflächen
der Kontaktpartner verhaken/verkrallen. Die Lamellen bestehen bevorzugt
aus „weichen" Metallen wie Cu,
Al, Ag und deren Legierungen, aber auch aus Fe, Ni, Mo und deren
Legierungen. Besonders bevorzugt werden Metalle bzw. Legierungen
der erst genannten Gruppe, um eine gute mechanische Verkrallung
und ausreichende Wärmeabfuhr
zu gewährleisten.
Die im Sputterbetrieb abzuführende
Wärme führt insbesondere
zur Ausdehnung der Lamellen, wodurch der Effekt der mechanischen
Verkrallung verstärkt
wird. Die Breite und Dicke der Lamellen wird insbesondere so gewählt, dass
möglichst
viele Lamellen eingebaut werden können, damit ein hoher Wärmefluss
vom Target zum Träger
erfolgen kann. Sie werden vorzugsweise axial, also parallel zur
Rohrachse, angeordnet, können
aber auch umfangsmäßig eingebracht
werden. Es ist hierbei wichtig, dass die Lamellen eine möglichst
große
Kontaktfläche
mit dem Targetwerkstoff und mit dem Trägerrohr aufweisen. Es ist vorteilhaft, möglichst
viele solcher Lamellen einzusetzen, um die Kontaktfläche zu erhöhen. Zur
optimalen Kontaktierung können
die Lamellen vorgeformt/geprägt
werden. Damit wird eine besonders großflächige und starke Kontaktierung
zum Kontaktpartner erreicht. Eine Beschichtung der Lamellen mit
einem weicheren Metall wie z. B. Sn oder In erhöht die Fähigkeit zur mechanischen Verhakung
und die wirksame Kontaktierungsfläche der Lamellen zu Target
und Träger. Eine
weitere Möglichkeit
zur Erhöhung der
mechanischen Verhakung ist die Ausbildung von fuß- oder krallenartigen Lamellenrändern. Des
Weiteren können
die Lamellen auch mit einem hochtemperaturbeständigen Kleber eingeklebt werden.
Zur weiteren Erhöhung
der Wärmeeleitfähigkeit
können
die Lamellen in ein wärmeleitfähiges Pulver/Granulat
eingebettet werden. Hierzu eignen sich besonders Pulver bzw. Pulvermischungen
aus Cu, Al, Ag, Sn, Zn, Fe, C. Die Länge der Lamellen entspricht
bei axialer Anordnung idealerweise der Länge des zu befestigenden Targetrohrsegmentes,
z. B. 250–300
mm, ihre Breite ist ein Bruchteil des Trägerrohrumfanges, ihre Dicke
0,1–1,0
mm, ihre Form ist gerundet oder geprägt, z. B. gewellt. Im Falle
einer Anordnung der Lamellen über
den Umfang entspricht ihre Länge
idealerweise dem Trägerrohrumfang.
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Diese
Art der Verbindungstechnik ist besonders geeignet für harte
und spröde
Materialien und Materialien, die aus technischen Gründen oder
Kostengründen
in Rohrsegmenten hergestellt werden. Darunter fallen z. B. SiAl-Gusslegierungen,
Ag-Legierungen und Keramiken wie ZnO. Zur zusätzlichen Fixierung der Segmente
in achsialer Richtung kann an beiden Enden des Targets ein Rückhaltering
auf das Trägerrohr
fixiert, z. B. geschweißt
oder gelötet werden.
Dieser Ring kann in einer Aussparung des Targetmaterials am äußeren Targetrand
versenkt werden.
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Beispiel 1
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Ein
Ti-Trägerrohr
mit einer Länge
von 3852 mm und einem Durchmesser von 133 mm wird mit einer rauhen,
thermischen Spritzschicht versehen. Rohrförmige SiAl-Segmente werden über ein
Gussverfahren hergestellt und anschließend auf die Maße Länge = 300
mm, Innendurchmesser = 135 mm, Außendurchmesser = 160 mm gefertigt.
Die Innenfläche des
SiAl-Rohrsegmentes wird durch ein Anschleifverfahren aufgerauht.
Ein SiAl-Rohrsegment wird über
das Trägerrohr
geschoben. In den Spalt zwischen Trägerrohr und SiAl-Rohr werden
zuvor gefertigte 10 Stück
Cu-Lamellen einer Länge
von 300 mm, einer Breite von 40 mm und einer Dicke von 0,4 mm mittels
eines Hilfswerkzeuges eingeschoben. Die weiteren SiAl-Segmente werden
analog aufgebracht und befestigt.
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Beispiel 2
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Ein
SST-Trägerrohr
mit einer Länge
von 3191 mm und einem Durchmesser von 133 mm wird durch ein Sandstrahl-
oder Schleifverfahren aufgerauht. Es werden keramische Rohrsegmente
wie z. B. ZnO oder ZnO:Al2O3 über ein
Sinterverfahren und nachfolgende mechanische Bearbeitung hergestellt mit
einer Länge
von 250 mm, einem Innendurchmesser von 135 mm und einem Außendurchmesser
von 160 mm. Die Innenoberfläche
des keramischen Rohrsegmentes wird aufgerauht z. B. durch einen Sandstrahl-
oder Anschleifprozess. Das keramische Rohrsegment wird über das
Trägerrohr
geschoben. Es werden Cu-Lamellen mit einer Länge von 250 mm, einer Breite
von 20 mm und einer Dicke von 0,3 mm hergestellt, zu einem Wellenprofil
geformt und anschließend
verzinnt. 20 Lamellen werden mittels eines Hilfswerkzeugs zwischen
Träger
und Target geschoben.
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Beispiel 3
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Ein
SST-Trägerrohr
mit einer Länge
von 1050 mm und einem Durchmesser von 133 mm wird durch ein Sandstrahl-
oder Schleifverfahren aufgerauht. Es werden 4 keramische Rohrsegmente
wie z. B. ZnO oder ZnO:Al2O3 über ein
Sinterverfahren und nachfolgende mechanische Bearbeitung hergestellt mit
einer Länge
von 250 mm einem Innendurchmesser von 136 mm und einem Außendurchmesser
von 160 mm. Die Innenoberfläche
des keramischen Rohrsegmentes wird aufgerauht z. B. durch einen Sandstrahl-
oder Anschleifprozess. Das keramische Rohrsegment wird über das
Trägerrohr
geschoben. Es werden Cu-Lamellen mit einer Länge von 250 mm, einer Breite
von 40 mm und einer Dicke von 0,5 mm hergestellt und zu einem Wellenprofil
geformt. 10 Lamellen werden mittels eines Hilfswerkzeugs zwischen
Träger
und Target geschoben. Die Targetenden werden durch angeschweißte SST-Ringe
gesichert. Das Target kann mit 15 kW im DC-Mode gesputtert werden.
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Beispiel 4
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Analog
Beispiel 1–3.
Die Lamellen werden zur zusätzlichen
Befestigung und Kontaktflächenerhöhung mit
einem hochtemperaturbeständigen
Kleber eingeklebt.
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Beispiel 5
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Analog
zu Beispielen 1–4.
Die Lamellen werden in ein wärmeleitfähiges Pulver
eingebettet. Das Pulver besteht aus Cu der mittleren Komgröße 100 μm. Auch andere
Pulver oder Pulvermischungen sind wählbar. Hiermit kann die Wärmeleitfähigkeit
des Targetverbundes nochmals erhöht
werden.
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Beispiel 6
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Analog
zu Beispielen 1–5.
Es werden 5 Lamellen mit der Länge
418 mm, der Breite 50 mm und der Dicke 0,4 mm mit Wellenprofil hergestellt.
Die Lamellen werden ringförmig
zwischen Targetrohrsegment und Träger eingeschoben.
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Beispiel 7
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Zur
Herstellung der Lamellen bzw. Metallstreifen werden z. B. Al-/Al-Legierung-Blechstreifen oder
Cu-/Cu-Legierung-Blechstreifen oder Stahlblechstreifen oder Ag-/Ag-Legierung-Blechstreifen hergestellt
und z. B. wellenförmig
vorgeformt (1).
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Beispiel 8
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Zur
Herstellung von Lamellen mit Randkrallen zwecks verbesserter mechanischer
Verhakung werden die Längsränder der
Lamellen eingeschlitzt und vorgeformt (2).
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Beispiel 9
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3 zeigt
schematisch einige beispielhafte Möglichkeiten der Anordnungen
von Metallstreifen/Lamellen im Spalt zwischen dem inneren Trägerrohr
und dem äußeren Targetrohr.
Abweichend von dieser Darstellung wird in der Regel ein bestimmter Lamellentyp
verwendet und in großer
Zahl in den Spalt eingebaut. Es können aber auch verschiedene Lamellentypen
alternierend eingesetzt werden, da diese hinsichtlich ihrer Eigenschaften
optimiert werden können,
so dass einige hinsichtlich ihrer mechanischen Funktion und andere
hinsichtlich ihrer Wärmeleitung
optimiert werden können.