DE102007044651A1

DE102007044651A1 - Rohrsputtertarget mit grabenförmig strukturierter Außenfläche des Trägerrohres

Info

Publication number: DE102007044651A1
Application number: DE102007044651A
Authority: DE
Inventors: Peter Preissler; Markus Schultheis; Martin Dr. Weigert
Original assignee: WC Heraus GmbH and Co KG
Current assignee: Heraeus Deutschland GmbH and Co KG
Priority date: 2007-09-18
Filing date: 2007-09-18
Publication date: 2009-04-02
Anticipated expiration: 2027-09-19
Also published as: TWI398536B; EP2188410A1; WO2009036910A1; DE102007044651B4; TW200930824A

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Sputtertarget mit einem Trägerrohr und einem an dessen äußerer Mantelfläche angeordneten Sputtermaterial und besteht darin, dass an der äußeren Mantelfläche des Trägerrohres Vertiefungen angeordnet sind, in die das Sputtermaterial eingreift.

Description

Die Erfindung betrifft ein Sputtertarget mit einem Trägerrohr und einem an dessen äußerer Mantelfläche angeordneten Sputtermaterial. Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Sputtertargets.
Sputtertargets mit einem Trägerrohr, sogenannte Rohrsputtertargets, erlangen zunehmende Bedeutung in der modernen Dünnschichttechnik. In der Literatur sind vielfältig ausgeprägte Rohrsputtertargets beschrieben. In vielen Fällen hat es sich als vorteilhaft erwiesen, dass das eigentliche Verbrauchsmaterial, das Sputtermaterial, auf ein Trägerrohr aufgebracht wird. Dies kann geschehen durch thermische Spritzverfahren wie nach DE 41 15 663 , durch direktes Aufgießen auf ein Trägerrohr, wie in DE 100 43 748 beschrieben, durch Lot- oder Klebeverfahren, durch Klemmverfahren, wie in EP 1 518 006 offenbart, durch direktes Aufpressen, z. B. durch heißisostatische Pressverfahren gemäß EP 500 031 oder durch kaltisostatische Pressverfahren.
Entscheidend für die Funktionalität ist die Qualität der Verbindung des Sputtermaterials mit dem material des Trägerrohrs. Einerseits muss ein niederohmiger elektrischer Kontakt gewährleistet sein, andererseits muss ein sehr guter thermischer Kontakt gesichert sein, da im Einsatz als Sputtertarget hohe Wärmemengen vom Sputtermaterial über das Trägerrohr zu einem Kühlmedium abgeführt werden müssen. Dieser gute thermische Kontakt wird bisher meistens durch stoffschlüssige Verfahren hergestellt, in dem z. B. das Sputtermaterial bei hohen Temperaturen so auf das Trägerrohr aufgebracht wird, dass eine Legierung mit oder eine Benetzung durch das Sputtermaterial erreicht wird. In vielen Fällen ist dieser gute Kontakt nicht genau definierbar, wie beispielsweise beim thermischen Spritzen oder wie beim heißisostatischen Pressen. Hier sind möglicherweise Diffusionsvorgänge oder eventuell nur Verklammerungen des Sputtermaterials in der Rauhigkeit der Oberfläche des Trägerrohres verantwortlich für die Haftung.
Prinzipiell besteht die Problematik, dass eine gute Verbindung von Trägerrohr und Sputtermaterial unabdingbar für das Hochleistungssputtern sind, dass aber gleichzeitig eine zu starke Verbindung des Sputtermaterials mit dem Trägerrohr (beispielsweise in der Art einer oberflächennahen Legierung) auch unerwünscht ist, da dadurch z. B. Kontaminationen des Sputtermaterials auftreten können. Besonders kritisch gestaltet sich die Verbindungstechnik von Sputtermaterial und Material des Trägerrohres, wenn Materialien mit deutlich unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten verwendet werden. In einem solchen Fall besteht gerade bei einer relativ schwachen Verbindung die Gefahr, dass das Sputterplasma eine solche thermische Belastung erzeugt, dass Querspannungen in der Verbindungszone zwischen Sputtermaterial und Trägerrohr auftreten, wodurch eine Schädigung und somit weitere Schwächung der Verbindungszone entstehen kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Rohrsputtertarget zur Verfügung zu stellen, welches die oben beschriebenen Probleme zur Erzielung eines guten thermischen Kontaktes zwischen Trägerrohr und Sputtermaterial weitestgehend löst.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der kennzeichnenden Ansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen wiedergegeben.
Dadurch, dass an der äußeren Mantelfläche des Trägerrohres Vertiefungen angeordnet sind, in die das Sputtermaterial eingreift, wird überraschenderweise nicht nur eine erhebliche Festigkeit der mechanischen Verbindung zwischen Sputtermaterial und Targetrohr gewährleistet, sondern auch eine niederohmige elektrische Verbindung und die erforderliche gute Wärmeleitfähigkeit zwischen beiden Materialien. In die Vertiefungen greift das Sputtermaterial beim Aufbringen auf das Trägerrohr ein und wird dort stabil gehalten.
Vorzugsweise weisen die Vertiefungen eine Tiefe von mindestens 0,5 mm auf. Die Vertiefungen können insbesondere als Nuten ausgebildet sein. Zweckmäßigerweise weisen die Vertiefungen Hinterschneidungen, entweder einseitig oder auf beiden Seiten auf. Es ist vorteilhaft, dass die Vertiefungen um die Längsachse des Trägerrohres herum angeordnet sind, insbesondere können Sie ring- oder spiralförmig angeordnet sein. Die Vertiefungen können durchgehend ausgebildet sein oder eine begrenzte Länge aufweisen, wobei sie vorzugsweise regelmäßig über den Umfang des Trägerrohres verteilt sind, beispielsweise in Form unterbrochener Ringe oder Spiralen. Vorteilhaft ist es weiterhin, dass die Vertiefungen in dem Bereich des Sputtermaterials über die Länge des Trägerrohres, vorzugsweise gleichmäßig, verteilt sind.
Die Vertiefungen können auch negativ ausgebildet sein, also als Erhöhungen, die von dem Sputtermaterial umgriffen sind. Sie können also aus der Mantelfläche des Trägerrohes herausragen, so dass sie praktisch in das aufgebrachte Sputtermaterial eingebettet sind. Dabei können sie auch mit Hinterschneidungen ausgebildet sein.
Die erfindungsgemäßen Sputtertargets können erfindungsgemäß beispielsweise dadurch hergestellt werden, dass das Sputtermaterial geschmolzen und auf das Trägerrohr aufgegossen wird oder, wenn pulverförmiges Sputtermaterial geeigneter Art vorliegt, kann das pulverförmige Sputtermaterial auch auf das Trägerrohr aufgepresst werden, vorzugsweise durch isostatisches Pressen.
Ein Verzahnen von Sputtermaterial und Träger ist bisher nur von Targetplatten, also von ebenen Sputtertargets, bekannt geworden. WO 00/15863 A1 beschreibt hierzu eine grabenförmige Struktur einer Targetrückplatte. Eine zweite Platte aus einem Sputtermaterial wird auf die Targetrückplatte aufgeschmiedet, so dass die Verzahnung unter Verformung des Materials entsteht. Diese Verformung birgt die Gefahr von strukturellen Inhomogenitäten, die zu einem inhomogenen Sputterverhalten führen können. Die Herstellung von rohrförmigen Verbindungen ist aus offensichtlichen Gründen auf diese Weise nicht möglich. Gegenüber rohrförmigen Verbindungen haben plattenförmige Verbindungen auch den Vorteil, dass unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten und damit ein unterschiedliches Ausdehnungsverhalten zweier miteinander verbundener Materialien in der Ebene ausgeglichen werden kann, was bei Rohren nicht möglich ist. Hier ist an sich zu erwarten, dass bei Erhitzung von Rohrsputtertargets, die aus unterschiedlichen Materialien gebildet sind, entweder das Sputtermaterial sich aufwirft, also sich flächenhaft vom Trägerrohr ablöst aufgrund einer größeren Ausdehnung gegenüber dem Trägerrohr oder dass das Sputtermaterial reißt, wenn es eine geringere Ausdehnung als das Trägerrohr aufweist. Überraschenderweise hat es sich jedoch gezeigt, dass die Vertiefungen bzw. Erhöhungen, insbesondere bei gleichmäßig über die Mantelfläche erfolgter Ausbildung, eine gute Verbindung der beiden Materialien sicherstellt, ohne Verwerfungen oder Risse des Sputtermaterials entstehen zu lassen. Außerdem weist das Sputtermaterial eine homogene Struktur auf, ebenso wie das Trägerrohr und die darin eingebrachte Struktur nicht beschädigt werden, so dass eine mehrfache Verwendung des Trägerrohres nach Absputtern des Sputtermaterials möglich ist. Dies ist bei einem Aufschmieden häufig nicht mehr möglich, aufgrund der Zerstörung oder Beschädigung der in die Trägerplatte eingebrachten Struktur während des Aufschmiedens.
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung erläutert.
In der Zeichnung zeigen
1a, 1b und 1c verschiedene Möglichkeiten, eine Vertiefung in ein Trägerrohr einzubringen, jeweils als unterbrochene Strukturen,
2a, 2b und 2c zeigen der 1 entsprechende teilgeschnittene Darstellungen,
3a, 3b und 3c Erhöhungen auf der Mantelfläche des Trägerrohres, also negative Vertiefungen analog 1,
4a, 4b und 4c zeigen Teilschnitte der Sputtertargetanordnungen mit Erhöhungen auf dem Sputterrohr gemäß 2,
5a und 5b zeigen lokal begrenzte Einprägungen in das Trägerrohr und
6a, 6b und 6c Vertiefungen analog 1 als ununterbrochene spiralförmige Strukturen einschließlich jeweils einer Detaildarstellung des Vertiefungsprofils.
1a zeigt ein Trägerrohr 1, auf dem Sputtermaterial 2 (in der Figur im Schnitt) aufgebracht ist. Die Verzahnung erfolgt durch V-förmige, umlaufende Vertiefungen 3, die längs des Umfanges des Trägerrohres regelmäßig unterbrochen sind. 1b zeigt eine ähnliche Anordnung, wobei die Vertiefungen 3' sägezahnförmig ausgebildet sind und 1c zeigt eine ähnliche Ausbildung, wobei die Vertiefungen 3'' in Form einer trapezförmigen Nut ausgebildet sind, die durch die Trapezform beidseitige Hinterschneidungen aufweisen, während die sägezahnförmigen Vertiefungen 3' nach 1b lediglich einseitige Hinterschneidungen aufweisen.
Während in den 1a bis 1c das Sputtermaterial 2 im Schnitt und das Trägerrohr 1 in der Seitenansicht dargestellt ist, zeigen die 2a bis 2c gleiche Strukturen, wobei sowohl das Sputtermaterial 2 als auch die Vertiefungen 3, 3' und 3'' in der Oberfläche der Trägerrohre 1 teilweise geschnitten dargestellt sind.
In 2 ist der Querschnitt der Vertiefungen 3, 3' und 3'' zu sehen. Die Vertiefungen 3 sind V-förmig ausgebildet, die Vertiefungen 3' sind sägezahnförmig ausgebildet und weisen eine einseitige Hinterschneidung auf und die Vertiefungen 3'' sind in ihrem Querschnitt trapezförmig ausgebildet, wobei durch die Form der Trapeze beidseitige Hinterschneidungen entstehen.
Die 3a bis 3c zeigen Sputtertargetrohre 1 mit angeschnittenem Sputtermaterial 2, welches durch auf den Targetrohren 1 angebrachte Erhöhungen 4, 4' und 4'' fixiert sind. Die Erhöhungen 4, 4', 4'' sind negativ zu den Vertiefungen gemäß 1a bis 1c ausgebildet. Sie sind auf die Oberfläche der Sputtertargetrohre 1 aufgeschweißt. In Analogie zu 2 ist in den 4a bis 4c jeweils eine teilgeschnittene Sputtertargetanordnung gezeigt, wobei die Erhöhungen 4, 4', 4'' im Schnitt dargestellt sind.
In 5a und 5b ist eine weitere Möglichkeit der Anbringung von Vertiefungen dargestellt. 5a zeigt eingeprägte Vertiefungen 5 mit etwa quadratischem Querschnitt, 5b zeigt Vertiefungen 5' mit kreisförmigem Querschnitt. Die Vertiefungen 5, 5' sind ebenso wie die Vertiefungen 3, 3', 3'' in den 1 und 2 nicht durchgehend angebracht. Für die Durchleitung des Kühlmittels durch das Innere des Trägerrohres 1 ist eine innere geschlossene Oberfläche des Trägerrohres 1 notwendig.
Die 6a bis 6c zeigen in Analogie zu 1 Vertiefungen 6, 6', 6'', die als duchgehende Spiralen ausgebildet sind, wobei das Sputtermaterial 2 geschnitten dargestellt ist und das Trägerrohr 1 in der Seitenansicht, mit einer Detaildarstellung des Querschnitts der Vertiefungen 6, 6', 6''.
Nach der beispielhaften Beschreibung grundsätzlicher Formen der Vertiefungen bzw. Erhöhungen werden nachfolgend zwei konkrete Beispiele beschrieben.
Beispiel 1:
Ein Trägerrohr 1 aus unmagnetischem Edelstahl mit einer Gesamtlänge von 3191 mm, einem Außendurchmesser von 133 mm und einer Wanddicke von 4 mm wird in jedem Bereich, auf dem später das Sputtermaterial 2 aufgebracht werden soll, mit einer spiralförmigen Gewindestruktur als Vertiefung 3, 6 versehen. Dazu wird, beginnend im Abstand von 20 mm von jedem Ende des gesamten Trägerrohres 1, ein spiralförmiger Graben entsprechend 1a oder 6a mit Hilfe einer Drehmaschine eingearbeitet, wobei die spiralförmige Vertiefung 3, 6 eine Basis breite von 2 mm und eine Tiefe von 2 mm aufweist und die Spirale eine Steigung von 5 mm (analog zu einem Gewinde) hat. Dieser so bearbeitete Bereich des Trägerrohres 1 wird mit einer galvanischen Haftschicht versehen. Das so vorbereitete Trägerrohr 1 wird dann im stehenden Guss, wie beispielsweise in DE 100 43 748 offenbart, mit flüssigem Zinn als Sputtermaterial 2 umgossen. Die Wandstärke des Sputtermaterials 2 beträgt 15 mm.
Nach Abkühlung des Sputtermaterials 2 nach dem Guss wird die Außenfläche des Sputtermaterials 2 beispielsweise mit Hilfe einer Drehmaschine auf die gewünschte Wanddicke des Sputtermaterials 2 von 13 mm nachgearbeitet. Das fertige Sputtertarget kann jetzt in handelsüblichen Rohrkathoden zur Herstellung dünner Schichten eingesetzt werden.
Beispiel 2:
Ein Trägerrohr 1 aus unmagnetischem Edelstahl mit einer Länge von 550 mm, einem Außendurchmesser von 133 mm und einer Wanddicke von 4 mm wird in jedem Bereich, auf den das Sputtermaterial 2 aufgebracht werden soll, mit einer spiralförmigen Vertiefung 3, 6 versehen (wie in Beispiel 1 analog einer Gewindestruktur). Dazu wird, beginnend im Abstand von jeweils 20 mm vom Ende des Trägerrohrs 1, eine spiralförmige Vertiefung 3', 6', wie in 1b, 6b dargestellt, mit Hilfe einer Drehmaschine eingearbeitet. Die Vertiefung 3', 6' weist eine einseitige Hinterschneidung auf. Die Basisbreite der Vertiefung 3', 6' beträgt 4 mm, die Tiefe beträgt 2 mm, die Steigung der spiralförmigen Vertiefung 3', 6' beträgt 5 mm (analog einer Gewindesteigung). Der bearbeitete Teil des Trägerrohres 1 wird durch Sandstrahlen zusätzlich aufgeraut, entfettet und gereinigt.
Das Trägerrohr 1 wird zentrisch in einem entsprechend langen Gummischlauch positioniert, wobei ein umlaufend gleicher Abstand zwischen Trägerrohr 1 und dem Gummischlauch gebildet wird. Dieser Abstand (Zwischenraum) zwischen zylindrischem Gummischlauch und Trägerrohr 1 wird mit einer Pulvermischung aus 50 Gew.-% Kupferpulver und 50 Gew.-% Indiumpulver gefüllt. Beide Enden dieser konzentrischen Anordnung von Trägerrohr 1, Metallpulver und Gummischlauch werden mit Gummistopfen wasserdicht abgedichtet, so dass das Kupfer-Indium-Pulvergemisch zwischen Gummischlauch und Trägerrohr 1 eingeschlossen ist.
Diese Anordnung wird in einer kaltisostatischen Presse einem isostatischem Wasserdruck von 1500 bar ausgesetzt. Das Pulvergemisch verdichtet sich dabei auf nahezu 100% seiner theoretischen Dichte, wobei Pulveranteile in die Hinterschneidung der Vertiefung 3', 6' eindringen. Der Gummistopfen und der Gummischlauch werden nach dem Pressen entfernt. Das entstandene Verbundrohr aus Trägerrohr 1 und Sputtermaterial 2 wird auf der Außenoberfläche so bearbeitet, dass eine einheitliche Dicke des Sputtermaterials 2 entsteht. Das fertige Sputtertarget wird in eine handelsübliche Rohrkathode eingesetzt und dient der Herstellung dünner Schichten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 4115663 [0002]
- DE 10043748 [0002, 0027]
- EP 1518006 [0002]
- EP 500031 [0002]
- WO 00/15863 A1 [0011]

Claims

Sputtertarget mit einem Trägerrohr und einem an dessen äußerer Mantelfläche angeordneten Sputtermaterial, dadurch gekennzeichnet, dass an der äußeren Mantelfläche des Trägerrohres Vertiefungen angeordnet sind, in die das Sputtermaterial eingreift.
Sputtertarget nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen eine Tiefe von mindestens 0,5 mm aufweisen.
Sputtertarget nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen als Nuten ausgebildet sind.
Sputtertarget nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen Hinterschneidungen aufweisen.
Sputtertarget nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen um die Längsachse des Trägerrohres herum angeordnet sind.
Sputtertarget nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen ring- oder spiralförmig angeordnet sind.
Sputtertarget nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen im Bereich des Sputtermaterials über die Länge des Trägerrohres verteilt sind.
Sputtertarget nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Vertiefungen negativ ausgebildet sind, als Erhöhungen, die von dem Sputtermaterial umgrif fen sind.
Verfahren zur Herstellung eines Sputtertargets nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sputtermaterial geschmolzen und auf das Trägerrohr aufgegossen wird.
Verfahren zur Herstellung eines Sputtertargets nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein pulverförmiges Sputtermaterial auf das Trägerrohr aufgepresst wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass isostatisch gepresst wird.