DE102014102407B4 - Sputtering target arrangement - Google Patents
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Abstract
Rohrförmiges, mehrteilig aus lösbar miteinander verbindbaren Segmenten (1, 2, 3) ausgebildetes Sputtertarget, dadurch gekennzeichnet, dass die Segmente (1, 2, 3) zueinander komplementäre Gewindeabschnitte (7, 8) aufweisen, mit denen sie aneinander lösbar verbindbar sind, wobei die Segmente (1, 2, 3) ein Sputtermaterialrohr (2) und zwei Anschlussstücke (1, 3) sind, wobei die Gewindeabschnitte (8) des Sputtermaterialrohres (2) axial länger als die Gewindeabschnitt (7) der Anschlussstücke (1, 3) ausgebildet sind und wobei die Gewindeabschnitte (7) der Anschlussstücke (1, 3) als Außengewinde jeweils in einem radial einspringenden Endabschnitt angeordnet sind und die Gewindeabschnitte (8) des Sputtermaterialrohres (2) ein Innengewinde aufweisen, welches im Vergleich zu seinem Innendruchmesser radial auswärts angeordnet ist. Tubular sputtering target made up of multiple parts from segments (1, 2, 3) that can be detachably connected to one another, characterized in that the segments (1, 2, 3) have mutually complementary threaded sections (7, 8) with which they can be detachably connected to one another, wherein the segments (1, 2, 3) are a sputtering material tube (2) and two connecting pieces (1, 3), wherein the threaded sections (8) of the sputtering material tube (2) are axially longer than the threaded sections (7) of the connecting pieces (1, 3) and wherein the threaded sections (7) of the connecting pieces (1, 3) are each arranged as an external thread in a radially projecting end section and the threaded sections (8) of the sputtering material tube (2) have an internal thread that is arranged radially outward in comparison to its internal diameter.
Description
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Sputtertargetanordnung.The present invention relates to a sputtering target arrangement.
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 ArgonIonen aus einem ggf. drehenden 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. Beim Sputtern ist es gewünscht, die Sputtertargets möglichst schnell zum Abdampfen zu bringen, um möglichst schnell und damit kostengünstig Substrate zu beschichten.Sputtering, which is part of the PVD process, is often used to coat large-area substrates such as window/architectural glass, screens, films, etc., but also to produce thinly coated solar cells, which are increasingly replacing standard silicon solar cells. During sputtering, atoms, ions or larger clusters are released from a possibly rotating solid body, the sputtering target, by bombarding them with high-energy ions, particularly argon ions, and transferred to the gas phase. There, these particles are directed either ballistically or guided by electric fields onto the substrate to be coated, where they form a layer with high conformity and layer thickness homogeneity. During sputtering, it is desirable to evaporate the sputtering targets as quickly as possible in order to coat substrates as quickly and cost-effectively as possible.
Die bei diesen Sputterprozessen verwendeten Sputtertargets werden als Flach- oder drehende Rohrtargets eingesetzt. Bei den Rohrtargets ist der auf das Substrat aufzubringende Werkstoff zu einem Rohr ausgebildet und üblicherweise 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. Schließlich müssen die Ausdehnungskoeffizienten der eingesetzten Materialien annähernd übereinstimmen, um Spannungen zu verhindern. Es ist daher nicht erstaunlich, dass derartige Rohrtargets ohne weiteres 25.000 EUR oder mehr kosten können, zumal sie bis zu 250kg wiegen können, wovon ein überwiegender Anteil auf das teure Sputtermaterial entfällt.The sputtering targets used in these sputtering processes are flat or rotating tube targets. With tube targets, the material to be applied to the substrate is formed into a tube and usually fixed to a stainless steel carrier tube. The energy and electrical charge introduced into the sputtering target is dissipated by internal cooling of the carrier tube and a conductive connection to it. The fixation and the thermal and electrical connection between the sputtering target and the carrier tube are therefore particularly important, since the type of fixation also determines the heat transport from the sputtering target to the carrier tube and thus the possible operating temperatures and in turn the possible speed of the substrate coating. Finally, the expansion coefficients of the materials used must be approximately the same in order to prevent stresses. It is therefore not surprising that such tube targets can easily cost EUR 25,000 or more, especially since they can weigh up to 250 kg, the majority of which is made up of the expensive sputtering material.
Als Sputtertarget werden insbesondere Metalle wie Ti, Cr, AI, Mo verwendet, die mit in die Gasphase zugesetztem Stickstoff auf dem Substrat als Hartstoffe wie Titan-Nitrid oder Titan-Carbonitrid abgeschieden werden. Weitere Materialien für das Sputtertarget sind spröde Keramiken wie beispielsweise Indiumzinkoxid (IZO), Indiumzinnoxid (ITO), aluminiumdotiertes Zinnoxid (ZnO:Al) und Titandioxid (TiO2), Silizium (Si), und Legierungen mit einem hohen Gehalt an intermetalllischen Phasen sowie viele Übergangs- und Refraktärmetalle. Letztere, wie beispielsweise Mo, werden direkt aus Pulver auf den Edelstahl des Trägerrohres aufgebondet, wobei das Trägerrohr ohne weiteres Längen von 3200mm und die darauf befindliche Mo-Schicht eine Länge von 2400 mm erreichen können. Im radialen Übergangsbereich von Übergangs/Refraktär-Metallschicht und Edelstahl ist eine etwa 1 bis 2mm starke Übergangs/Refraktär-Metallschicht aufzubringen, die den Edelstahl schützt, so dass aus diesem keine Atome herausgeschlagen werden können.Metals such as Ti, Cr, Al and Mo are used as sputtering targets in particular. These are deposited on the substrate as hard materials such as titanium nitride or titanium carbonitride using nitrogen added to the gas phase. Other materials for the sputtering target are brittle ceramics such as indium zinc oxide (IZO), indium tin oxide (ITO), aluminum-doped tin oxide (ZnO:Al) and titanium dioxide (TiO 2 ), silicon (Si), and alloys with a high content of intermetallic phases as well as many transition and refractory metals. The latter, such as Mo, are bonded directly from powder to the stainless steel of the carrier tube, whereby the carrier tube can easily reach lengths of 3200 mm and the Mo layer on top can reach a length of 2400 mm. In the radial transition area between the transition/refractory metal layer and the stainless steel, a transition/refractory metal layer approximately 1 to 2 mm thick must be applied to protect the stainless steel so that no atoms can be knocked out of it.
Bei diesen bekannten Mo-Edelstahl-Sputtertargets ist die Aufarbeitung abgenutzter Sputtertargets schwierig, da sowohl am Edelstahlträgerrohr als auch an den davon abgetrennten Mo-Mantelresten noch In-Lot-Anhaftungen vorhanden sind. Diese machen weitere Aufarbeitungsschritte erforderlich, so dass mit In-Lot verunreinigte Molybdänreste einen deutlich geringeren Recyclingwert erzielen.With these known Mo-stainless steel sputtering targets, the reprocessing of worn sputtering targets is difficult because In-solder adhesions are still present on both the stainless steel carrier tube and the Mo cladding residues separated from it. These make further reprocessing steps necessary, so that molybdenum residues contaminated with In-solder achieve a significantly lower recycling value.
Aus der WO 2004 / 005 574 A2 ist ein Trägerrohr bekannt, auf dem einzelne gleichartige Segmente zu einem Targetzylinder angeordnet werden. Hierbei dienen Endkappen dem festen Zusammenpressen der einzelnen Segmente.WO 2004/005 574 A2 discloses a support tube on which individual, similar segments are arranged to form a target cylinder. End caps are used to firmly press the individual segments together.
Aus der
Aus der JP H06- 57 419 A ist bekannt, die einzelnen Segmente des Targets nicht lösbar verbindbar miteinander zu verbinden. Die Verbindung der einzelnen Segmente wird durch (Schraub)-Verbindung des jeweiligen Basismaterials und Verbindung der Schichten des jeweiligen Targetmaterials hergestellt. Letztgenannte Verbindung entsteht durch teilweises Entfernen des Materials an den zu verbindenden Enden und anschließendes Sandwichen zwischen eingesetzten Komponenten. Eine Verbindung der Materialien erfolgt über Erhitzung auf 1.000°C.From JP H06-57 419 A it is known to connect the individual segments of the target in a non-detachable manner. The connection of the individual segments is made by (screw) connecting the respective base material and connecting the layers of the respective target material. The latter connection is made by partially removing the material at the ends to be connected and then sandwiching between the components used. The materials are connected by heating to 1,000°C.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Sputtertargetanordnung anzugeben, bei der diese Nachteile nicht auftreten.The object of the invention is therefore to provide a sputtering target arrangement in which these disadvantages do not occur.
Diese Aufgabe wird bei einem rohrförmigen Sputtertarget durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Die Mehrteiligkeit erlaubt mit großem Vorteil eine Trennung zwischen verbrauchten und weiterverwendbaren Teilen des Sputtertargets, so dass nur erstere ersetzt werden müssen. Dies spart Material und damit Kosten. Hierbei ist bevorzugt, den Bereich des Sputtertargets, der das Sputtermaterial zur Verfügung stellt, aus einem einzigen Stück, also aus einem einzigen Segment, bestehen zu lassen. Der Vorteil der Mehrteiligkeit ist jedoch durch das Erfordernis des Vorsehens und Ausgestalten mehrerer Verbindungstellen erkauft, welche grundsätzlich auch das Gefüge des gesamten Sputtertargets mechanisch schwächen. Die erfindungsgemäße Mehrteiligkeit reduziert die Transportkosten aufgrund des geringen Gewichtes des Sputtermaterialrohres im Vergleich zu einem vollständigen Sputtertarget bestehend aus Anschlussstücken und Sputtermaterialrohr.This object is achieved in a tubular sputtering target by the features of claim 1. The multi-part design allows with great advantage a separation between used and reusable parts of the sputter target, so that only the former need to be replaced. This saves material and therefore costs. It is preferred to have the area of the sputter target that provides the sputter material consist of a single piece, i.e. a single segment. However, the advantage of the multi-part design is offset by the need to provide and design several connection points, which fundamentally also mechanically weaken the structure of the entire sputter target. The multi-part design according to the invention reduces transport costs due to the low weight of the sputter material tube compared to a complete sputter target consisting of connection pieces and sputter material tube.
Erfindungsgemäß weist das Sputtertarget ein Sputtermaterialrohr und zwei Anschlussstücke auf, die lösbar miteinander verbunden ausgebildet sind, so ist der segmentartige Aufbau besonders einfach realisiert, zumal die beiden Anschlussstücke identisch aufgebaut und bemaßt sein können. In diesem Fall ist das Sputtermaterialrohr dasjenige, welches allein das Material für das Sputterverfahren zur Verfügung stellt. Es ist auch erfindungsgemäß, nur ein Anschlussstück vorzusehen und für den Anschluss an der zweiten Maschinenseite, bzw. PVD-Anlagenseite, die entsprechende Seite des Sputtermaterialrohres entsprechend zu gestalten und dieses daher länger auszubilden.According to the invention, the sputtering target has a sputtering material tube and two connecting pieces that are detachably connected to one another, so the segment-like structure is particularly easy to implement, especially since the two connecting pieces can be constructed and dimensioned identically. In this case, the sputtering material tube is the one that alone provides the material for the sputtering process. It is also according to the invention to provide only one connecting piece and to design the corresponding side of the sputtering material tube accordingly for the connection to the second machine side or PVD system side, and therefore to design it longer.
Ebenfalls erfindungsgemäß ist, dass die Segmente zueinander komplementäre Gewindeabschnitte aufweisen, mit denen sie aneinander verbindbar sind. Die Gewindeverbindung ist eine konstruktiv einfache, jedoch haltbare Verbindung, sie wird erfindungsgemäß weiteren lösbaren und drehfesten Verbindungen wie einer gesicherten Bajonettverbindung vorgezogen.It is also according to the invention that the segments have complementary threaded sections with which they can be connected to one another. The threaded connection is a structurally simple but durable connection; according to the invention it is preferred to other detachable and rotationally fixed connections such as a secured bayonet connection.
Erfindungsgemäß ist weiter vorgesehen, dass die Gewindeabschnitte des Sputtermaterialrohres axial länger als die Gewindeabschnitte der Anschlussstücke ausgebildet sind. Dies ermöglicht mit Vorteil eine besonders sichere und feste Verbindung durch starkes Anziehen des Gewindes, ohne dass dem die jeweiligen Gewindestirnseiten entgegenwirken könnten. Die Elastizitätsgrenze des Gewindematerials wird dabei erfindungsgemäß nicht überschritten.According to the invention, it is further provided that the threaded sections of the sputtering material tube are axially longer than the threaded sections of the connecting pieces. This advantageously enables a particularly secure and firm connection by strongly tightening the thread, without the respective thread faces being able to counteract this. The elastic limit of the thread material is not exceeded according to the invention.
Besonders vorteilhaft ist die Ausgestaltung der Erfindung, dass die Segmente aus demselben Material bestehend sind. In diesem Fall ist beispielsweise das gesamte Sputtertarget einheitlich aus Molybdän gefertigt, was die Materialkosten zwar erhöht, jedoch die Problemfelder von thermischem Ausdehnungskoeffizienten und Wärme- und elektrischer Leitfähigkeit ausblendet.A particularly advantageous embodiment of the invention is that the segments are made of the same material. In this case, for example, the entire sputtering target is made entirely of molybdenum, which increases the material costs but eliminates the problem areas of thermal expansion coefficient and heat and electrical conductivity.
Es können erfindungsgemäß Dichtungen zwischen den Segmenten vorgesehen sein, insbesondere Cu-Dichtungen.According to the invention, seals can be provided between the segments, in particular Cu seals.
Durch das Sputtermaterial oder aufgrund von Anforderungen der Sputtermaschine kann es erforderlich sein, dass die Anschlussstücke ein mit Sputtermaterial beschichtetes Edelstahlträgerrohr aufweisen, bzw. aus diesem bestehen. Dies ist zwar nachteilig bezüglich der erwähnten Problemfelder, jedoch mechanisch möglicherweise stabiler.Due to the sputtering material or the requirements of the sputtering machine, it may be necessary for the connecting pieces to have or consist of a stainless steel support tube coated with sputtering material. Although this is disadvantageous with regard to the problem areas mentioned, it may be mechanically more stable.
Die Erfindung wird in einer bevorzugten Ausführungsform unter Bezugnahme auf eine Zeichnung beispielhaft beschrieben, wobei weitere vorteilhafte Einzelheiten den Figuren der Zeichnung zu entnehmen sind. Funktionsmäßig gleiche Teile sind dabei mit denselben Bezugszeichen versehen.
-
1 : zeigt eine erste Ausführungsform der Erfindung im Längsschnitt, -
2 : zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung im Längsschnitt
-
1 : shows a first embodiment of the invention in longitudinal section, -
2 : shows a second embodiment of the invention in longitudinal section
Die Anschlusstücke 1, 3 weisen jeweils ein Maschinenende 4 und ein Sputtermaterialrohrende 5 auf. Das Sputtermaterialrohr 2 weist zwei gleichartig ausgebildete Anschlusstückenden 6 auf. Die Verbindung zwischen Anschlussstück 1, 3 und Sputtermaterialrohr 2 wird über ein Gewinde erreicht, wobei das Anschlussstück ein Außengewinde 7 und das Sputtermaterialrohr ein Innengewinde 8 aufweisen. Die Maschinenenden 4 sind so ausgestaltet, dass das gesamte Sputtertarget in eine Maschine einsetzbar ist, sie sind nicht erfindungswesentlich. Das Außengewinde 7 ist in einem radial einspringenden Endabschnitt des jeweiligen Anschlussstückes 1, 3 über eine Länge 9 ausgebildet, beispielsweise über eine Länge von 40mm. Das Innengewinde 8 ist im Vergleich zum Innendurchmesser des Sputtermaterialrohres 2 radial auswärts angeordnet, wobei der Radialversatz der Materialstärke des Außengewindeabschnittes 7 des Anschlussstückes 1, 3 entspricht. Dies hat den Vorteil, dass das Innere des zusammengeschraubten Sputtertargets eine möglichst stufenlose, glatte Mantelfläche aufweist, so dass eine laminar strömende Kühlflüssigkeit und damit eine besonders effektive Wärmeabfuhr ermöglicht werden. Das Innengewinde 8 weist eine Länge 10 auf, die größer als die Länge 9 des Außengewindes ist. Hierdurch wird ein besonders festes Anziehen der Gewindeverbindung ermöglicht, ohne dass die jeweilige Stirnseite des Anschlussrohres 1, 3 gegen die Stirnseite des Gewindeabschnittes des Sputtermaterialrohres gepresst würde. Nur durch diese feste Verbindung ist die erforderliche Drehsicherung gegeben, die Länge des Gewindeabschnittes verhindert ein Durchbiegen des einsatzbereiten Sputtertargets an dieser Stelle. Zwischen Anschlussstück 1, 3 und Sputtermaterialrohr 2 können Dichtungen vorgesehen sein, insbesondere Metalldichtungen, bevorzugt Cu-Dichtungen. Das Sputtermaterialrohr 2 hat in diesem Fall eine axiale Länge von 2450 mm und einen Außendurchmesser von 163 mm. Die Anschlussstücke 1, 3 haben eine axiale Länge von rund 430 mm, die Gewinde sind als M 135*2 Gewinde ausgebildet.The connecting pieces 1, 3 each have a machine end 4 and a sputter material tube end 5. The sputter material tube 2 has two similarly designed connecting piece ends 6. The connection between the connecting piece 1, 3 and the sputter material tube 2 is achieved via a thread, the connecting piece having an external thread 7 and the sputter material tube having an internal thread 8. The machine ends 4 are designed so that the entire sputter target can be inserted into a machine; they are not essential to the invention. The external thread 7 is formed in a radially projecting end section of the respective connecting piece 1, 3 over a length 9, for example over a length of 40 mm. The internal thread 8 is arranged radially outwards compared to the inner diameter of the sputter material tube 2, the radial offset corresponding to the material thickness of the external thread section 7 of the connecting piece 1, 3. This has the advantage that the interior of the screwed-together sputtering target has a surface that is as smooth and continuous as possible, so that a laminar flow of cooling liquid and thus a particularly effective heat dissipation is possible. light. The internal thread 8 has a length 10 which is greater than the length 9 of the external thread. This enables the threaded connection to be tightened particularly firmly without the respective front side of the connecting pipe 1, 3 being pressed against the front side of the threaded section of the sputter material pipe. Only this firm connection provides the necessary anti-rotation lock; the length of the threaded section prevents the ready-to-use sputter target from bending at this point. Seals can be provided between the connecting piece 1, 3 and the sputter material pipe 2, in particular metal seals, preferably Cu seals. In this case, the sputter material pipe 2 has an axial length of 2450 mm and an external diameter of 163 mm. The connecting pieces 1, 3 have an axial length of around 430 mm; the threads are designed as M 135*2 threads.
Mit großem Vorteil schlägt die Erfindung ein drei- oder mehrteiliges Sputtertarget vor, bei dem sich der eigentliche Verbrauchsabschnitt - das Sputtermaterialrohr 2 - gesondert von den Anschlussstücken 1, 3 herstellen und recyclen lässt, was die Herstell- und Wiederbeschaffungskosten senkt. Darüber hinaus ermöglicht die Erfindung die Herstellung eines Sputtertargets aus einem einzigen Material, was insbesondere hinsichtlich der Fragen von thermischer und elektrischer Leitfähigkeit sowie der Ausdehnungskoeffizienten von großem Vorteil ist.The invention advantageously proposes a three-part or multi-part sputtering target in which the actual consumable section - the sputtering material tube 2 - can be manufactured and recycled separately from the connecting pieces 1, 3, which reduces the manufacturing and replacement costs. In addition, the invention enables the production of a sputtering target from a single material, which is particularly advantageous with regard to the issues of thermal and electrical conductivity and the expansion coefficient.
BEZUGSZEICHENLISTELIST OF REFERENCE SYMBOLS
- 11
- AnschlussstückConnector
- 22
- SputtermaterialrohrSputtering material tube
- 33
- AnschlussstückConnector
- 44
- MaschinenendeMachine end
- 55
- SputtermaterialrohrendeSputter material tube end
- 66
- AnschlussstückendeConnector end
- 77
- AussengewindeExternal thread
- 88th
- Innengewindeinner thread
- 99
- AussengewindelängeExternal thread length
- 1010
- InnengewindelängeInternal thread length
- 1111
- EdelstahlträgerrohrStainless steel support tube
- 1212
- DeckschichtTop layer
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| DE102014102407.9A Active DE102014102407B4 (en) | 2014-02-25 | 2014-02-25 | Sputtering target arrangement |
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Citations (6)
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| JPH0657419A (en) | 1992-08-07 | 1994-03-01 | Mitsubishi Materials Corp | Target for sputtering |
| US6673221B2 (en) | 2001-02-17 | 2004-01-06 | David Mark Lynn | Cylindrical magnetron target and apparatus for affixing the target to a rotatable spindle assembly |
| WO2004005574A2 (en) | 2002-07-02 | 2004-01-15 | Academy Precision Materials A Division Of Academy Corporation | Rotary target and method for onsite mechanical assembly of rotary target |
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| WO2014040100A1 (en) | 2012-09-17 | 2014-03-20 | Plansee Se | Tubular target |
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2014
- 2014-02-25 DE DE102014102407.9A patent/DE102014102407B4/en active Active
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Also Published As
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