DE19508898A1 - Indiumoxid/Zinnoxid Sputtertarget für die Kathodenzerstäubung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Indiumoxid/Zinnoxid Sputtertarget für die Kathodenzerstäubung mit 5-15 Gew.-% Zinnoxid und einer Dichte von mindestens 95% der theoretischen Dichte sowie ein Verfahren zur Herstellung dieser Targets durch heißisostatisches Pressen.

Oxidkeramische Targets aus Indiumoxid-Zinnoxid (ITO) werden zur Herstellung transparenter, elek­ trisch leitfähiger, dünner Schichten durch Katho­ denzerstäubung (Sputtern) eingesetzt. Anwendung finden solche Schichten vor allem in der Flach­ bildschirmtechnik. Die Indiumoxid-Zinnoxid-Dünn­ schichten können entweder durch Sputtern metalli­ scher Targets in sauerstoffreaktiver Atmosphäre oder durch Sputtern oxidkeramischer Targets herge­ stellt werden. Der Sputterprozeß mit oxidkerami­ schen Targets hat den Vorteil, daß die Regelung des Sputterprozesses bei einem nur geringen Sauer­ stofffluß in der Sputterkammer leichter möglich ist als bei den hohen Sauerstoffflüssen, wie sie beim Sputtern mit metallischen Targets notwendig sind.

Da es sich bei dem Indiumoxid/Zinnoxid um einen keramischen Werkstoff handelt, der im Vergleich zu Metallen eine deutlich geringere Wärmeleitfähig­ keit und zugleich eine hohe Empfindlichkeit gegen­ über thermischen Spannungen infolge ungleichmäßi­ ger Erwärmung während des Sputterprozesses auf­ weist, besteht ein großes Interesse daran, Targets mit guter Wärmeleitfähigkeit herzustellen. Diese Targets erlauben dann einen Sputterbetrieb mit hö­ herer spezifischer Leitungsdichte, ohne daß das Risiko besteht, daß die Targets durch Risse oder Bruch versagen. Durch die mögliche höhere Sputter­ leistung kann mit höherem Substratdurchsatz produ­ ziert werden, was die Anlagekapazität erhöht und die Produktionskosten senkt. Außerdem sorgt eine bessere Wärmeleitfähigkeit des Targets bei gegebe­ ner Sputterleistung für eine niedrigere Temperatur an der Targetoberfläche. Der verringerte Wärmegra­ dient reduziert die thermischen Spannungen im Tar­ getwerkstoff und erhöht so die Sicherheit gegen Targetausfälle im Sputterbetrieb. Dies gilt ganz besonders, wenn es sich dabei um im Impulsbetrieb betriebene Kathoden handelt.

Es wurden deshalb systematische Untersuchungen durchgeführt, um Bedingungen herauszufinden, unter denen sich Targets aus Indiumoxid/Zinnoxid-Mi­ schungen mit 5-15 Gew.-% Zinnoxid herstellen las­ sen, die eine deutlich verbesserte Wärmeleitfähig­ keit gegenüber den herkömmlichen Targets aufwei­ sen. Die zur Zeit auf dem Markt erhältlichen Tar­ gets weisen eine Wärmeleitfähigkeit von höchstens 10 Wm^-1K^-1 auf. In der Regel werden nur 7-9 Wm^-1K^-1 erreicht.

Erste Versuche haben gezeigt, daß eine Grundvor­ aussetzung für hohe Wärmeleitfähigkeit eine mög­ lichst hohe Dichte des Targetwerkstoffs von <95% der theoretischen Dichte ist. Dies allein erwies sich jedoch als nicht ausreichend. Durch Variieren der Schritte Pulverbehandlung und Pulververdich­ tung wurde nach Bedingungen gesucht, unter denen sich neben einer hohen Targetdichte auch eine hohe Wärmeleitfähigkeit ergibt. Hierbei zeigte sich, daß die in der Technik beschriebenen Verfahren nicht zu guten Ergebnissen führten.

In der DE-OS 3 30 525 (Klein) werden teilreduzierte Indiumoxid-Zinnoxid-Targets und ihre Herstellung beschrieben. Danach werden Indiumoxid-Zinnoxid-Pul­ vergemische unter reduzierenden Bedingungen bei 850°C bis 1000°C heiß gepreßt, wobei die Oxide in einer Graphitheißpressform oder unter Zugabe von Kohlenstoff oder Kohlenstoff freisetzendem organi­ schem Material heiß gepreßt werden. Während des Preßvorgangs werden die Oxide teilweise reduziert, so daß ein Target entsteht, das in seinem Sauer­ stoffgehalt gegenüber der stöchiometrischen Zusam­ mensetzung abgereichert ist.

Mit diesem Verfahren können Targets mit Dichten bis zu 91% der theoretischen Dichte (TD), einer unbefriedigenden Wärmeleitfähigkeit von 8 Wm^-1K^-1 sowie schlechter elektrischer Leitfähigkeit (p = 0,1-0,6 Ωcm) hergestellt werden.

In der DE 41 24 471 (Weigert) und der Patentanmel­ dung DE 44 07 774 (Schlott) werden Verfahren zur Herstellung teilreduzierter ITO-Targets durch den Einsatz vorreduzierter Pulver und anschließendes Heißpressen oder heißisostatisches Pressen be­ schrieben. Untersuchungen bezüglich des Einflusses des Reduktionsgrades der ITO-Pulver auf die Wärme­ leitfähigkeit des Targetwerkstoffs haben gezeigt, daß im Mittel eine höhere Wärmeleitfähigkeit ge­ messen wird, wenn es sich um teilreduzierte Targets handelt. Es war jedoch nicht möglich, aufgrund der beschriebenen Verfahren Targets mit Wärmeleitfä­ higkeiten von mehr als 11 Wm^-1K^-1 zu erreichen.

An verschiedenen Stellen werden Verfahren zum Herstellen von ITO-Targets durch Sintern beschrie­ ben (US 5,071,800 (Tosoh Corp., JP 4-1293707 (Dowa)). Nach den beschriebenen Verfahren herge­ stellte Targets weisen in der Regel zu geringe Dichten auf ( 90% TD). Die erreichten Wärmeleit­ fähigkeiten lagen hier bei 9 Wm^-1K^-1.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es also, die Nachteile der bekannten Targetwerkstoffe be­ züglich der zu geringen Wärmeleitfähigkeit zu ver­ meiden und ein oxidkeramisches Target mit hoher Wärmeleitfähigkeit zu schaffen.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß Indiumoxid/Zinnoxid-Pulver mit 5-15 Gew.-% Zinnoxid eingesetzt werden, von denen minde­ stens eine der verwendeten Pulverkomponenten bei T 1000°C geglüht wird, das Pulver bei Bedarf an­ schließend teilweise reduziert wird und anschlie­ ßend durch heißisostatisches Pressen bei Tempera­ turen von T 800°C verdichtet wird. Hierdurch wird ein Target erhalten, das bei einer Dichte von mehr als 95% der theoretischen Dichte eine Wärme­ leitfähigkeit von zumindest 14 Wm^-1K^-1 aufweist.

Überraschenderweise hat sich bei den Versuchen ge­ zeigt, daß das Glühen des oder der Ausgangspulver oder einer der Komponenten der Ausgangspulver bei Temperaturen oberhalb 1000°C in Verbindung mit der teilweisen Reduktion des Pulvers und der anschließen­ den Kompaktierung über heißisostatisches Pres­ sen bei genügend hohen Temperaturen (T 800°C) zu einem erheblichen Anwachsen der Wärmeleitfähigkeit auf Werte über 14 Wm^-1K^-1 führt. Die Glühbehandlung ist dabei die entscheidende Grundvoraussetzung. Offensichtlich führt sie zu einer Reinigung der Korngrenzen bzw. vervollständigt die Reaktion zu den jeweiligen Oxiden. Da die erfindungsgemäße Glühbehandlung außerdem zu einer Rekristallisie­ rung und einer Abnahme der BET-Oberfläche führt, hat sich gezeigt, daß solche Pulver nur noch sehr schlechte Sintereigenschaften aufweisen. Die Kom­ paktierung muß daher durch Preßintern unter hohem Druck erfolgen. Der Schritt der teilweisen Reduktion bzw. die Wahl einer ausreichend hohen Kompaktierungstemperatur wirken sich dabei ebenfalls positiv auf die Wärme­ leitfähigkeit aus. Zusätzlich zu einer Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit konnte auch eine deutliche Verringerung des spezifischen elektrischen Wider­ standes des Targetmaterials auf Werte 300 µΩcm und eine gesteigerte Dichte von häufig < 98% TD beobachtet werden. In besonders günstigen Fällen waren sogar Widerstände < 120 µΩcm und Dichten < 99% erreicht.

Die entsprechend der vorliegenden Erfindung herge­ stellten Targets wurden im Sputterbetrieb mit Tar­ gets verglichen, die nach einem der herkömmlichen Verfahren hergestellt wurden. Während das herkömm­ liche Target mit einer Wärmeleitfähigkeit von 9 Wm^-1K^-1 und einer Dichte von 96,1% oberhalb einer Leistungsdichte von 5 W/cm² anfing, Risse zu zei­ gen, ließ sich das nach der vorliegenden Erfindung gefertigte Target mit einer Dichte von 98,2% und einer Wärmeleitfähigkeit von 15,8 Wm^-1K^-1 auch bei 10 W/cm² noch ohne Anzeichen von Rissen betreiben.

Beispiele

Claims (5)

1. Indiumoxid/Zinnoxid Sputtertarget mit 5-15 Gew.-% Zinnoxid und einer Dichte von mindestens 95% der theoretischen Dichte, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Target eine Wärmeleit­ fähigkeit (gemessen nahe Zimmertemperatur) von mindestens 14 Wm^-1K^-1 aufweist und daß min­ destens eine Komponente des Ausgangspulvers einer Glühbehandlung bei T 1000°C unter­ worfen ist.

2. Verfahren zur Herstellung eines Sputtertargets gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Pulver nach der Glühbehandlung anschlie­ ßend teilweise reduziert und durch Pressen bei erhöhter Temperatur verdichtet wird.

3. Verfahren zur Herstellung eines Sputtertargets gemäß den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Pulver bei Temperaturen oberhalb 800°C durch heißisostatisches Pressen verdichtet wird.

4. Sputtertarget gemäß Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das oder die Pulver einer Glühbehandlung im Bereich 1350°C T 1650°C unterworfen sind und das daraus hergestellte Target zum überwiegenden Teil aus einem Indi­ umoxid-Zinnoxid Mischkristall besteht.

5. Sputtertarget gemäß Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß es geringe Anteile an metal­ lischen In-Sn Phasen enthält.