-
Die Erfindung betrifft eine Sputtertargetanordnung mit einem Trägerrohr und einem das Trägerrohr beabstandet umgebenden Targetrohr, mit einem zwischen Trägerrohr und Targetrohr angeordneten Metallgewebe sowie ein Bond-Verfahren zur Herstellung der Sputtertargetanordnung.
-
Stand der Technik
-
Zum Beschichten großflächiger Substrate wie Fenster-/Architekturglas, Bildschirmscheiben, Folien o. ä aber auch zur Erzeugung von dünn beschichteten Solarzellen, die zunehmend die Standardsilizium-Solarzellen ersetzen, wird häufig das zu den PVD-Verfahren gehörende Sputtern eingesetzt. Beim Sputtern werden Atome, Ionen oder größere Kluster durch Beschuss mit energiereichen Ionen, insbesondere Argon-Ionen aus einem Festkörper, dem Sputtertarget, herausgelöst und in die Gasphase überführt. Dort werden diese Teilchen entweder ballistisch oder geführt durch elektrische Felder auf das zu beschichtende Substrat gelenkt, wo sie eine Schicht mit hoher Konformität und Schichtdickenhomogenität bilden. Als Sputtertarget werden insbesondere Hartstoffe auf Basis von Titan-Nitrid oder Titan-Carbonitrid verwendet, aber auch spröde Keramiken wie beispielsweise Indiumzinkoxid (IZO), Indiumzinnoxid (ITO), aluminiumdotiertes Zinnoxid (ZnO:Al) und Titandioxid (TiO2), Silizium (Si), und viele Legierungen mit einem hohen Gehalt an intermetalllischen Phasen sowie viele Übergangs- und Refraktärmetalle. Beim Sputtern ist es gewünscht, die Sputtertargets möglichst schnell zum Abdampfen zu bringen, um möglichst schnell und damit kostengünstig Substrate zu beschichten.
-
Die bei diesen Sputterprozessen verwendeten Sputtertargets werden als Flach- oder Rohrtargets eingesetzt. Bei den Rohrtargets ist der auf das Substrat aufzubringende Werkstoff zu einem Rohr ausgebildet und auf einem Trägerrohr aus Edelstahl fixiert. Die Abfuhr der in das Sputtertarget eingebrachten Energie und elektrischer Ladung erfolgt durch Innenkühlung des Trägerrohrs und einer leitfähigen Verbindung zu diesem. Der Fixierung und der thermischen und elektrischen Verbindung zwischen Sputtertarget und Trägerrohr kommt daher eine besondere Bedeutung zu, da die Art und Weise der Fixierung auch den Wärmetransport vom Sputtertarget zum Trägerrohr und damit die möglichen Betriebstemperaturen und damit wiederum die mögliche Geschwindigkeit der Substratbeschichtung entscheidend bestimmen.
-
Bekannte Fixierungen verwenden ein Indiumlot, das jedoch nicht über 156,6°C erhitzt werden darf, aufgrund seiner niedrigen Viskosität und leichten Oxidierbarkeit nur unter Vakuum und auch ansonsten schwierig zu handhaben ist, nicht alle Sputtertargets ausreichend benetzt, aufgrund seiner Seltenheit und trotz umfangreichen Recycelns relativ teuer ist und großen Preissprüngen unterliegt.
-
Andere bekannte Fixierungen verwenden eine Klebungen zwischen Sputtertarget und Trägerrohr. Diese Art der Fixierung hat den Vorteil, bei Raumtemperatur und unter Normaldruck durchgeführt werden zu können. Klebungen können auch bei schwer zu benetzenden Oberflächen die Lötung ersetzen. Diese Klebungen müssen jedoch elektrisch leitfähig und wärmeleitfähig sein. Eigenleitfähige Kleber besitzen hierbei meist um Größenordnungen zu schwache Eigenschaften, so dass zu den u. a. in Frage kommenden Klebstoffen auf Epoxidharzbasis meist Metallpulver und/oder Metallfaser oder -gewebe zugesetzt werden. Darüberhinaus ist das ausgehärtete Epoxidharz spröde und weist einen im Vergleich zu den weiteren Werkstoffen Stahl oder Cu sehr unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten auf, so dass es den im Betrieb auftretenden Temperatur- und damit Maßschwankungen nicht oder kaum folgen kann, was zu einer schlechten Kontaktierung der Grenzflächen, Rissen im Klebstoff und damit zu einer verkürzten Lebensdauer des Sputtertargets führt. Die Ausdehnungskoeffizienten der eingesetzten Materialien müssen daher annähernd übereinstimmen, um Spannungen zu verhindern. Verbünde aus einem Metallpulver und einem Klebstoff sowie aus einem Metallgewebe und einem Klebstoff sind aus der
DE 10 2005 029 221 A1 bekannt. Bei dieser wird einem Trägerrohr ein gestrickter Cu-Schlauch mit einer Wandstärke von 3 mm übergezogen und mit einem Epoxidharz bestrichen. Vor dem Ineinanderschieben von Trägerrohr und Targetrohr wird die Innenseite des Targetrohrs ebenfalls mit Epoxidharz bestrichen und nach dem Ineinanderschieben bei etwa 60°C ausgehärtet. Nachteilig an diesem Stand der Technik ist, dass der Cu-Schlauch den toleranzbedingt variierenden Spaltmaßen einer Sputtertargetanordnung nicht in ausreichendem Maße zu folgen vermag, so dass es im Sputtertarget zu stark aufgeheizten Bereichen mit der Folge von thermischen Spannungen, Gefügeveränderungen und sogar Rissbildungen kommt.
-
Aus der
DE 10 2005 020 250 B4 ist schließlich bekannt, zwischen Trägerrohr und Targetrohr eine eingerüttelte Pulver- oder Granulatschüttung aus Graphit und/oder Cu oder Ag zu verwenden und diese ggf. in eine In-Lot-Matrix zu betten.
-
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Sputtertargetanordnung anzugeben, deren Kontakt zwischen Sputtertarget und Trägerrohr verbessert ist und eine einfache, zuverlässige Methode anzugeben, einen solchen verbesserten Kontakt herzustellen.
-
Die Vorrichtungsaufgabe wird dadurch gelöst, dass das Metallgewebe eine Metalllitze ist, die in überwiegend orthogonaler Orientierung zu den koaxialen Längsachsen von Trägerrohr und Targetrohr im Spalt angeordnet ist und mit ihrer Außenseite die zueinander gerichteten Wände von Trägerrohr und Targetrohr kontaktierend ist. Unter Metalllitze versteht die Erfindung dabei ein annähernd röhrenförmiges Metallgewebe mit annähernd zylindrischem koaxialem Hohlraum und einer maschenartig durchbrochenen Wand, durch die der zylindrische Hohlraum zugänglich ist. Derartige Metalllitzen sind seit langem bekannt und leicht erhältlich. Sie können aus Cu, Stahl oder anderen Metallen oder Legierungen bestehen. Ihr großer Vorteil ist ihre Flexibilität und Verformbarkeit in axialer und radialer Richtung der Litze. Diese Eigenschaft macht sich die Erfindung mit großem Vorteil zunutze, indem sie diese Litze in überwiegend orthogonaler Richtung zur Längsachse des Trägerrohrs um dieses herum anordnet. Hierdurch kontaktiert die Metalllitze die zueinander weisenden Wände von Trägerrohr und Targetrohr großflächig mit ihrer Außenseite und kann sich aufgrund ihrer hohen Flexibilität leicht an unterschiedliche Spaltmaße anpassen. Der Erfindung kommt es dabei zunächst nicht darauf an, ob die Litze spiralförmig oder in Ringen oder in Mischformen daraus oder mäandrierend um das Trägerrohr geführt ist, solange sie eine ausreichend große Kontakfläche zwischen Träger- und Targetrohr und damit eine innige Kontaktierung gewährleistet. Der Erfindung kommt es auch nicht auf eine spezielle Maschenweite oder Gewebeart der Litze oder ihren genauen Durchmesser an, sondern auf deren Flexibilität. Mit großem Vorteil vermeidet die Erfindung damit den Nachteil aus dem o. g. Stand der Technik, dass nur die Wandstärke des Gewebefadens zum Ausgleich von Spaltmaßänderungen zur Verfügung steht und der einzelne Gewebefaden entsprechend gering flexibel ist, da er praktisch als Volldraht angesprochen werden kann.
-
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Metalllitze im Spalt im Vergleich zu ihrem Ausgangszustand verdichtet ist. Mit sehr großem Vorteil wird so die Kontaktfläche weiter erhöht, so dass die unterschiedlichen Spaltmaße besonders gut ausgeglichen und Wärme und elektrische Landungen besonders effizient gleitet werden. Die Verdichtung führt zu einem innigen Kontakt, da die so erhaltene Flächenpressung zu einer flächigen Anlage der Litze an den Wänden führt, die wesentlich größer ist als die punktuelle Anlage beispielsweise einer Pulverschüttung. Diese Flächenpressung kann auch bei einer konstanten Spaltweite erforderlich sein, um eine gute Leitfähigkeit zu gewährleisten.
-
Ist die die Metalllitze spiralförmig um das Trägerrohr gewickelt, ergibt sich eine einfache doch effiziente Anordnung, die leicht zu verwirklichen ist.
-
Besonders vorteilhaft ist die Weiterbildung der Erfindung, wonach ein Klebstoff zur Erhöhung der Festigkeit der Metalllitze vorgesehen ist, wobei der Volumenanteil der Metalllitze im Klebstoffmetallverbund größer ist als der Volumenanteil des Klebstoffs. Mit sehr großem Vorteil werden so erfindungsgemäß die besonders vorteilhaften Eigenschaften des Metalls hinsichtlich Wärme- und elektrischer Leitfähigkeit sowie thermischem Ausdehnungsverhalten im Verbund ausgenutzt, da die Kontaktierung der Rohrwände vor allem über das Metall erfolgt und nicht über den Kleber. Dieser dient erfindungsgemäß eher zur Fixierung der Metalllitze und zur Verbesserung des inneren Zusammenhalts. Erfindungsgemäß sollen daher auch möglichst keine flächigen Kontaktierungen von Klebstoff und Wänden erfolgen.
-
Ist der Klebstoff ein Hochtemperaturklebstoff, insbesondere ein gut wärmeleitender und einen geringen elektrischen Widerstand aufweisender Hochtemperaturklebstoff, insbesondere ein Graphitklebstoff, kann das erfindungsgemäße Sputtertarget auch bei sehr hohen Temperaturen und damit besonders schnell betrieben werden, da die Verbindung von Sputtertarget und Targetrohr unter allen Betriebsbedingungen nur durch den Schmelzpunkt des Metalls der Metalllitze und nicht durch die Klebereigenschaften begrenzt wird.
-
In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass auf eine oder mehrere Windungen Metalllitze eine oder mehrere Lagen Klebstoff folgend angeordnet sind, insbesondere auf eine Windung Metalllitze eine Lage Klebstoff folgend ist. Hierdurch wird ein fester Verbund von verdichteter Metalllitze und Klebstoff ermöglicht, insbesondere deswegen, weil der Klebstoff in den nach Verdichtung noch vorhandenen koaxialen Hohlraum der Metalllitze und deren Maschen eindringen, diese zu einem gewissen Teil füllen und so nach Aushärten eine Verbindung herstellen kann, so dass sich ein Klebstoffmetallverbund ergibt, bei dem wenig Klebstoff in einer Metallmatrix angeordnet ist.
-
Die Verfahrensaufgabe der Erfindung wird durch ein Bond-Verfahren zur Herstellung einer Sputtertargetanordnung wie beschrieben gelöst, bei welchem das Targetrohr koaxial zum Trägerrohr ausgerichtet wird, so dass ein Spalt zwischen diesen entsteht, anschließend eine Metalllitze in den Spalt eingeführt und überwiegend orthogonal zu den Längsachsen von Trägerrohr und Targetrohr im Spalt um das Targetrohr herum geführt wird, eine oder mehrere Lagen Metalllitze nach dem Einbringen verdichtet werden und diese Schritte so oft wiederholt werden, bis die erforderliche Kontaktfläche zwischen Trägerrohr und jedem Targetrohr erreicht ist. Dieses Bond-Verfahren bietet mit großem Vorteil eine Möglichkeit, eine großflächige und feste sowie innige Kontaktierung von spaltbegrenzenden Wänden und Metalllitze herzustellen. Die Metalllitze kontaktiert durch die Verdichtung bei der Herstellung sowohl Trägerrohr als auch Targetrohr großflächig. Dadurch wird eine direkte Wärmeleitung und eine Leitung der Elektronen über das Metallgitter der Metalllitze vom Targetrohr zum Trägerrohr ermöglicht. Die erfindungsgemäß vorgesehene Flächenpressung erhöht die Güte des Kontakts und belässt der Metalllitze dennoch eine ausreichende Flexibilität, um den wiederholt auftretenden Temperatur- und damit Maßschwankungen von Target- und Trägerrohr ohne Verlust an Kontaktfläche zu folgen.
-
In Ausgestaltung des Bond-Verfahrens ist vorgesehen, dass nach einer oder mehreren Lagen Metalllitze eine oder mehrere Lagen Klebstoff in den Spalt eingebracht werden oder dass die Metalllitze vor der Einbringung in den Spalt mit einem Klebstoff benetzt wird. Diese Klebstoffeinbringung dient der Verfestigung der Metalllitze, ohne deren Flexibilität durch zu beeinträchtigen. Je nach Klebstoff ist auch ein vollständiges Verfüllen der Hohlräume denkbar, jedoch nur dann, wenn eine Flexibilität des Gesamtmaterials erhalten bleibt, die selbst bei unterschiedlichen Temperaturen und bei Temperaturwechseln den innigen Flächenkontakt zu den Rohrmaterialien sicherstellt.
-
Wird nur die erste und/oder die letzte Lage Metalllitze pro Targetrohr in einen Klebstoff gebettet, kann einfach ein stirnseitiger Abschluß der Sputtertargetanordnung geschaffen werden, der ein mechanisches Verschieben der Metalllitze aus dem Verbund verhindert. Je nach Targetrohrlänge kann es erforderlich sein, nicht nur die allererste und allerletzte Windung bezogen auf des Trägerrohr, sondern auch alle ersten und letzten Windungen bezogen auf des jeweilige Targetrohr mittels Klebstoff zu verfestigen.
-
Ist erfindungsgemäß die Einbringung eines Klebstoffs vorgesehen, so ist auch jeweils ein Aushärteschritt für den Klebstoff vorgesehen.
-
Nachstehend wird eine Ausführungsform der Erfindung beispielhaft anhand der Zeichnungen beschrieben. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
-
1: einen schematischen Längsschnitt durch eine rohrförmige Sputtertargetanordnung in Montagesituation und
-
2: eine schematischen Aufsicht auf eine rohrförmige Sputtertargetanordnung.
-
1 zeigt ein Trägerrohr 1 aus Edelstahl auf einem Drehteller 8. Ein solches Trägerrohr kann zur Zeit bis zu 3,2 m lang sein. Es ist beabstandet von einem Targetrohr 2 aus dem Sputtermaterial umgeben, wobei unterschiedliche Spalte 6 je nach Sputtertarget und Trägerrohr eine jeweilige Weite zwischen 0,2 mm und ca. 2 mm aufweisen, jeweils um die Fertigungstoleranzen der beiden zylindrischen Körper schwankend. Bei der Herstellung der erfindungsgemäßen Sputtertargetanordnung wird in einem ersten Schritt ein Targetrohr 2 über das Trägerrohr 1 geschoben, koaxial ausgerichtet und fixiert. In den Spalt 6 wird die Metalllitze 5 von der drehtellerabgewandten Stirnseite eingeführt und am Drehteller 8 festgelegt. Im Fall von Keramiktargets müssen fertigungsbedingt mehrere Targetrohrabschnitte 9 nacheinander mit dem bis zu 3,2 m langen Trägerrohr 1 verbunden werden, da sich erstere nicht in größeren Längen als beispielsweise 30 cm fertigen lassen. Die Targetrohrabschnitte 9 sind dabei in Richtung der Längsachse durch einen radialen Spalt 10 voneinander beabstandet, der beispielsweise eine Weite von 0,1 mm aufweist und der wie gezeigt von der Metalllitze 5 an einer Stelle überbrückt wird. Diese Überbrückung erfolgt so, dass die Metalllitze 5 nicht in den Bereich der Materialbreite des Targetrohres 1 reicht, um im späteren Betrieb keine Lichtbögen zu erzeugen. Hier besteht ein großer Vorteil gegenüber dem niedrigviskosen In-Lot, da die Cu-Litze nicht aus dem Spalt austreten kann. Ansonsten würden im späteren Betrieb Lichtbögen erzeugt, die die Lebensdauer des Sputtertargets dramatisch reduzieren und die Auftragsgüte auf dem Substrat verschlechtern. Im drehtellernahen Bereich ist eine bereits verdichtete Metalllitzenschicht 12 dargestellt, deren Windungen mit Klebstoff zueinander fixiert sein können. Die weitere Herstellung der Sputtertargetanordnung erfolgt durch Rotation der zueinander koaxial ausgerichteten Einheit aus Trägerrohr 1 und Sputtertarget 2, so dass sich die Metalllitze 5 spiralförmig um das Trägerrohr 1 legt. Die Metalllitze 5 wird hierbei überwiegend orthogonal zu den Längsachsen von Trägerrohr 1 und Targetrohr 2 um das Trägerrohr 1 herumgeführt und verdichtet. Nach Erzeugung einer oder mehrerer Lagen Metalllitze 5 werden eine oder mehrere Lagen Klebstoff 4 in den Spalt 6 auf die oberste Litzenlage aufgebracht und dieser Vorgang wiederholt. Bevorzugt ist hierbei eine wechselnde Einbringung von Metalllitze 5 und Klebstoff 4, beispielsweise so, dass die einzubringende Metalllitze durch einen mit Klebstoff getränkten Schwamm gezogen und so benetzt wird. Die soeben eingebrachte Lage Metalllitze 5 wird umgehend verdichtet, beispielsweise mittels eines Stempels 11. Da diese Lage auf einer Lage Klebstoff 4 liegt, drückt das Verdichten zum einen den Klebstoff in die Hohlräume der darunterliegenden als auch der darüberliegenden Lage Metalllitze 5 und zum anderen die Metalllitze 5 in möglicherweise bestehende Spalttaschen größeren Durchmessers, so dass eine dichte Metallpackung im Spalt und damit eine besonders große Metallkontaktfläche zwischen den zueinander gerichteten und den Spalt 6 definierenden Wänden von Trägerrohr 1 und Targetrohr 2. Die Füllung des Spaltes 6 erfolgt bei Raumtemperatur, ohne zusätzliches Erwärmen oder Anlegen eines Vakuums. Die Klebstoffmenge ist dabei so gewählt, dass keinesfalls sämtliche noch bestehenden Hohlräume der Metalllitze 5 ausgefüllt werden, vielmehr verbleibt ein Grossteil der Hohlräume unverfüllt, um die Flexibilität der Metalllitze 5 auch im späteren Betrieb möglichst zu erhalten. In dem entstandenen Klebstoffmetallverbund stellt die Metalllitze 5 im Vergleich zum Klebstoff 4 daher idealerweise den weitaus größeren Volumenanteil. Der erfindungsgemäß eingesetzte Klebstoff 4 ist ein Hochtemperaturklebstoff, wie beispielsweise ein handelsüblicher Graphitkleber mit einer Temperaturbeständigkeit von bis zu 2.000°C. Jedoch sind auch andere Klebstoffe denkbar, beispielsweise ein dotierter Klebstoff auf Basis eines Epoxids. Temperaturbeständigkeit des Klebstoffs und Flexibilität der Metalllitze 5 werden benötigt, die im Betrieb des Sputtertargets wiederholt auftretenden Temperaturgradienten von bis zu 500°C auf der Aussenseite des Targets zu 15°C auf der Trägerrohroberfläche so abzufangen, dass möglichst stets ein inniger Kontakt zwischen äußerer Trägerrohroberfläche und innerer Targetrohroberfläche gewährleistet ist. Hier können bereits Abweichungen im Hundertstel Millimeterbereich zu lokalen Überhitzungen des Targetrohrs und damit zu dessen Lebensdauerverkürzung führen.
-
Es ist auch eine Ausführung denkbar, bei der die Metalllitze 5 in Form von Ringen, welche einen Außendurchmesser entsprechend dem Außendurchmesser des Spaltes 6 aufweisen, übereinander in den Spalt eingebracht werden. Ein solcher Metallitzenring ist streng orthogonal zur Längsachse des Trägerrohrs 1 ausgerichtet.
-
2 zeigt eine schematischen Aufsicht auf eine rohrförmige Sputtertargetanordnung mit den unterschiedlichen Orten, an denen die jeweiligen Verfahrensschritte stattfinden unter Weglassung des Drehtellers. Gut zu erkennen ist, dass nach einem ersten Schritt b) der Cu-Litzeneinbringung um hierzu ca 120° versetzt ein Verdichtungsschritt c) erfolgt und um zu diesem um weitere 120° versetzt ein Schritt e) der Klebstoffeinbringung. Der Verdichtungsschritt c) führt wie bereits ausgeführt dazu, dass die darunter befindliche Lage Klebstoff in die verbliebenen Hohlräume der benachbarten Cu-Litzen 5 eindringt und diese ansatzweise füllt. Er führt ebenfalls dazu, dass die Cu-Litze aufgrund ihrer hohen Flexibilität in Spalttaschen größeren Durchmessers gedrückt oder sich Engpässen im Spalt anpasst, so dass eine besonders gute Kontaktierung von Metalllitze und jeweiliger Wandfläche erfolgt. Gut zu erkennen ist, dass die Metalllitze mit ihrer Aussenseite die beiden spaltbegrenzenden Wandflächen von Targetrohr und Trägerrohr kontaktiert. Nicht dargestellt ist eine weitere erfindungsgemäße Variante, bei der der Schritt e) der Klebstoffbenetzung der Cu-Litze bereits außerhalb des Spaltes 6 erfolgt und bei der demgemäß der Schritt e) nicht in der 2 erfolgt. Nicht dargestellt ist ebenfalls eine weitere Variante, bei der überhaupt kein Klebstoff eingebracht wird, der Schritt e) also entfällt. Hier würden lediglich die allererste und allerletzte Windung versiegelt, um einen sauberen und dichten Abschluß zu erhalten.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Trägerrohr
- 2
- Targetrohr
- 3
- Klebstoffmetallverbund
- 4
- Klebstoff
- 5
- Metalllitze
- 6
- Spalt
- 7
- Außenseite
- 8
- Drehteller
- 9
- Targetrohrabschnitt
- 10
- radialer Spalt
- 11
- Stempel
- 12
- verdichteter Bereich
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102005029221 A1 [0005]
- DE 102005020250 B4 [0006]