DE19735734A1

DE19735734A1 - Pulvermetallurgisches Sputtertarget auf der Basis von Wismut

Info

Publication number: DE19735734A1
Application number: DE1997135734
Authority: DE
Inventors: Martin Dr Schlott; Wolfgang Dauth; Martin Dr Weigert; Markus Schultheis
Original assignee: Leybold Materials GmbH
Current assignee: Heraeus Deutschland GmbH and Co KG
Priority date: 1997-08-18
Filing date: 1997-08-18
Publication date: 1999-02-25
Anticipated expiration: 2017-08-19
Also published as: DE19735734B4

Description

Die Erfindung betrifft ein pulvermetallurgisches Sputtertarget auf der Basis von Wismut.

Wie aus der DE 32 11 753 (Gläser) und der EP 0 291 945 (Schlamp et al.) bekannt ist, werden Wismut- Sputtertargets für die Kathodenzerstäubung einge setzt zur Herstellung dünner Metalloxidschichten in Verbindung mit Wärmedämmungsschichtsystemen für Architekturglas. Die Reflexion der infraroten Wär mestrahlung wird dabei in der Regel durch eine Silberschicht erreicht. Diese Silberschicht ist üblicherweise in eine Oxidschicht eingebettet. In der Technik bekannt sind vor allem Zinnoxid und Wismutoxid.

Wegen des niedrigen Schmelzpunkts des Wismut von 271°C sowie der schlechten Wärmeleitfähigkeit von 7,8 W/mK besteht bei diesem Material das grund sätzliche Problem, daß schon bei recht niedrigen Leistungsdichten der Sputterkathoden die Oberflä che des Targets aufschmelzen kann und im Fall von hängend eingebauten Kathoden sogar Schmelze auf das Substrat abtropft. Dies führt zu einem Ausfall der entsprechenden Sputterkathode und zieht auf wendige Umrüstarbeiten nach sich. Um solche Aus fälle zu vermeiden und dennoch bei hohen Lei stungsdichten und damit hohen Sputterraten arbei ten zu können, war es das Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Targetmaterial zu entwickeln, das mit höheren spezifischen Leistungsdichten betrie ben werden kann, als die zur Zeit bekannten Tar gets.

Entsprechend der EP 0 291 945 (Schlamp et al.) hergestellte Targets weisen wegen des gezielt er höhten Sauerstoffgehalts von 500-800 ppm (höchstens jedoch 2000 ppm) schon einen gewissen Vorteil auf. Dieser Vorteil beruht auf der Tatsa che, daß die Oxidpartikel im Fall des Anschmelzens der Wismut-Phase bei 271°C zu einer teigigen Mas se führen, die erst allmählich oberhalb des Schmelzpunktes zu fließen beginnt. Bei den in der Technik verwendeten Targets handelt es sich jedoch um stranggepreßte Targets (siehe EP 0 291 945). Während die eingesetzten Wismut-Pulver infolge der Oxidation der Kornoberfläche noch sehr gleichmäßig von einer Oxidhaut umschlossen sind, gilt dies für das fertige Target nicht mehr. Vielmehr führen die starken Verformungen und Reibkräfte der einzelnen Pulverpartikel während des Strangpreßprozesses zum Aufreißen der Oxidhaut. Hierdurch entstehen viel fältige direkte Kontaktstellen zwischen den Me tallpartikeln und die Oxide liegen überwiegend als isolierte Partikel vor (Bild 1). Im Fall eines Aufschmelzens ist daher die tixotropierende Wir kung der Oxide stark vermindert.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu grunde, ein Target auf Basis von Wismut zu schaf fen, das auch bei hoher Sputterleistung nicht zum Abtropfen neigt.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Gefüge aus Partikeln der Metallphasen be steht, die Metallpartikel von einer dünnen, über wiegend geschlossenen Oxidschicht umgeben sind, die Dichte mindestens 98% der theoretischen Dich te beträgt und das Target einen Sauerstoffgehalt 800-3000 ppm aufweist.

Weitere Einzelheiten und Merkmale des Sputtertar gets und des Verfahrens zu seiner Herstellung sind in den Patentansprüchen näher beschrieben und ge kennzeichnet.

Die Erfindung läßt die verschiedensten Ausfüh rungsmöglichkeiten zu und ist anhand der anhängen den Abbildungen näher beschrieben, und zwar zei gen:

Abb. 1

Ein stranggepreßtes Gefüge eines Bi : Mn-Targets, bei dem die Metall partikel durch den Strangpreßvor gang stark länglich verformt sind, wobei die Oxidhaut aufgerissen ist und nun als Kette von Oxidpartikeln vorliegt.

a) Vergrößerung 200 : 1
b) Vergrößerung 500 : 1
c) Vergrößerung 1000:1

Abb. 2

Ein axial gepreßtes Gefüge eines Bi : Mn-Targets. Die Metallpartikel sind nur schwach verformt und im wesentlichen durch eine geschlosse ne Oxidschicht umgeben.

a) Vergrößerung 200 : 1
b) Vergrößerung 500 : 1
c) Vergrößerung 1000 : 1

Untersuchungen der Mikrostruktur solcher Preßteile haben gezeigt, daß die ursprünglichen Wismut- Partikel im Gegensatz zum Strangpressen beim axia len oder hydrostatischen Verdichten nur schwach verformt werden. Wenn die Partikel vor der Ver dichtung eine Oxidhaut aufweisen, bleibt diese so mit im wesentlichen erhalten und umschließt je weils die einzelnen Pulverpartikel (Bild 2).

Die Wirkung der Oxidschichten im gepreßten Gefüge Vergleich zu herkömmlich gefertigten Targets wurde mit Aufschmelztests unter Vakuumbedingungen untersucht und "in-situ" beobachtet:

a) Bei herkömmlichen Targets, die entsprechend 0 291 945 nach dem Strangpreßverfahren hergestellt wurden, ist bei Überschreiten der Schmelztemperatur von 271°C ein Aufblähen des Materials senkrecht zur Strangpreßrich tung zu beobachten. Gleichzeitig schrumpft das Material längs der Strangpreßrichtung. Bei ca. 275°C tritt dann deutlich flüssige Schmelze aus und die Probe sackt in sich zu sammen.
b) Im Gegensatz hierzu weisen Targets, die ent sprechend der vorliegenden Erfindung herge stellt wurden, eine deutlich bessere Formsta bilität oberhalb 271°C auf. Bis 275°C ist keine nennenswerte Veränderung der Probenform beobachten. Oberhalb von 275°C entstehen dann langsam Risse in der Targetoberfläche. Das Austreten von Flüssigkeit oder ein Zusam mensacken des Probekörpers wurde bis zu Tem peraturen von 295°C nicht beobachtet.

Diese positive Wirkung der Oxidschicht um die Pul verpartikel im Gefüge der gepreßten Teile zeigt sich, solange der Sauerstoffgehalt im Target min destens 800 ppm beträgt.

Preßversuche haben außerdem gezeigt, daß die Dich te der gepreßten Teile bei Sauerstoffgehalten oberhalb 3000 ppm unter 98% absinkt. Aus diesen Gründen ist es vorteilhaft, einen Sauerstoffgehalt 800-3000 ppm einzustellen. Außerdem ist eine Pulverpartikelgröße von nicht mehr als 600 µm und eine mittlere Korngröße von nicht weniger als 30 µm anzustreben. Im Fall von zu großer Partikel läßt die positive Wirkung der Oxidschicht nach, während zu feine Pulver Preßteile mit zu geringen Dichten liefern. Günstig sind mittlere Korndurch messer von 50-150 µm.

Beispiel 1

500 g Wismut-Pulver mit einer maxi malen Korngröße < 600 µm, einer mittleren Korngröße von 100 µm und mit einem Sauerstoffgehalt von 1200 ppm wurde in einer Gummiform bei Zimmertemperatur unter einem Druck 3000 bar isostatisch kompak tiert. Die so erzeugte Platte wies eine Dichte von 99,0% der theore tischen Dichte auf. Das Material weist das unter b) beschriebene Verhalten im Aufschmelztest auf. Im Schliffbild sind Oxidschichten er kennbar, die die Metallphasen in der Regel vollständig umschließen.

Beispiel 2

500 g eines Legierungspulvers Bi : Mn (1 Gew.-%) mit einer Korngröße < 600 µm, einer mittleren Korngröße 80 µm und mit einem Sauerstoff gehalt von 2200 ppm wurde in einer Stahlform bei Zimmertemperatur un ter einem Druck von 2000 bar axial gepreßt. Die so erzeugte Platte wies eine Dichte von 98,5% der theoretischen Dichte auf. Das Mate rial weist das unter b) beschriebe ne Verhalten im Aufschmelztest auf.

Im Schliffbild sind Oxidschichten erkennbar, die die Metallphasen in der Regel vollständig umschließen. Außerdem sind geringe Anteile an BiMn und MnO₂ erkennbar.

Beispiel 3

5 kg eines Pulvers wie aus Beispiel 1 wurden zunächst isostatisch zu einem Bolzen verpreßt, der an schließend bei 200°C in einer Strangpresse zu einem Flachprofil verpreßt wurde. Aus diesem Profil wurden Proben gefertigt, die dem Aufschmelztest unterzogen wurden. Es wurde das unter a) beschriebene Verhalten beobachtet. Die stark länglich verformten Körper wiesen eine stark zerstörte Oxidschicht auf.

Claims

1. Pulvermetallurgisches Sputtertarget auf der Basis von Wismut, dadurch gekennzeichnet, daß das Gefüge aus Partikeln der Metallphasen be steht, die Metallpartikel von einer dünnen, überwiegend geschlossenen Oxidschicht umgeben sind, die Dichte mindestens 98% der theore tischen Dichte beträgt und das Target einen Sauerstoffgehalt von 800-3000 ppm aufweist.

2. Sputtertarget nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß das Wismut bis zu 2 Ge sichtsprozent Mangan enthält.

3. Sputtertarget nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallparti kel kleiner als 600 µm sind und einen mittle ren Korndurchmesser von 50-150 µm aufwei sen.

4. Verfahren zum Herstellen von Sputtertargets nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge kennzeichnet, daß ein oberflächlich oxidier tes Wismut-Metallpulver durch axiales oder hydrostatisches Pressen bei Temperaturen un terhalb 200°C auf mindestens 98% seiner theoretischen Dichte verdichtet werden.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Verdichtung bei Drücken im Bereich von 1500 bis 3000 bar erfolgt.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wismut- Metallpulver mit 0-2 Gew.-% Mangan, einem Sauerstoffgehalt von 800-3000 ppm sowie ei ner mittleren Korngröße von 50-150 µm und einer maximalen Korngröße von nicht mehr als 600 µm eingesetzt wird.