DE19948389A1

DE19948389A1 - Sputtertarget und Verfahren zu dessen Herstellung

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Publication number: DE19948389A1
Application number: DE19948389A
Authority: DE
Inventors: Osamu Mochizuki; Satoshi Kurosawa; Tsumotu Takahata
Original assignee: Tosoh Corp
Current assignee: Tosoh Corp
Priority date: 1998-10-08
Filing date: 1999-10-07
Publication date: 2000-05-11
Also published as: US6261984B1; TW593717B; TW593716B; SG81315A1

Abstract

Ein Gemisch von Zinksulfid und Siliciumdioxid als Ausgangsmaterialienpulver, vermischt mit Zindoxid in einer Menge von 0,5 bis 5 Gewichtsprozent, wird einem Warmpress-Sintern unterworfen, um einen Sinterkörper zu erhalten. Auf diese Weise kann ein Sputtertarget hoher Dichte, das den Sinterkörper verwendet, in hoher Ausbeute erhalten werden.

Description

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein aus einem hauptsächlich aus Zinksulfid und Siliciumdioxid zusammengesetzten Sinterkörper hergestelltes Sputtertarget zum Einsatz in der Bildung einer Schutzschicht für ein optisches Aufzeichnungsmedium, mit dem Daten unter Verwendung eines Lichtstrahls aufgezeichnet, wiedergegeben und gelöscht werden können, sowie auf ein Verfahren zu dessen Herstellung.

2. Beschreibung verwandter Techniken

Als eine Schutzschicht für optische Disketten, mit denen Daten unter Verwendung eines Lichtstrahls aufgezeichnet, wiedergegeben und gelöscht werden können, wird eine aus einem Gemisch von Zinksulfid (ZnS) und Siliciumdioxid (SiO₂) hergestellte Schicht eingesetzt. Des weiteren wird als ein Verfahren für die Bildung einer solchen Schutzschicht ein Sputterverfahren verwendet, das einen aus Zinksulfid und Siliciumdioxid hergestellten Sinterkörper als Sputtertarget einsetzt.

Die Fabrikation des aus Zinksulfid und Siliciumdioxid hergestellten Sinterkörpers, der als Sputtertarget zum Einsatz in der Bildung einer Schutzschicht für ein optisches Aufzeichnungsmedium wie zum Beispiel einer optischen Diskette verwendet werden soll, wird im kombinierten CIP- (Cold Isostatic Pressing: isostatisches Kaltpressen) und HIP- (Hot Isostatic Pressing: isostatisches Warmpressen) Verfahren, im Warmpressverfahren oder dergleichen hergestellt. Unter diesen Verfahren wird hauptsächlich das Warmpressen industriell eingesetzt.

Jedoch neigt ein solcher aus Zinksulfid und Siliciumdioxid hergestellter Sinterkeramikkörper zur Rissbildung während der Fabrikation. Dieser Defekt ist als die Hauptursache verminderter Ausbeute bekannt. Es ist dringend erforderlich gewesen, die während der Fabrikation erfolgte Rissbildung zu verhindern.

Zinksulfid und Siliciumdioxid als Bestandteile eines Sinterkörpers, der als Sputtertarget in der Bildung einer Schutzschicht für ein optisches Aufzeichnungsmedium eingesetzt werden soll, gehen selbst beim Sintern unter Druck wenig gegenseitig in feste Lösung. Ferner haben Zinksulfid und Siliciumdioxid verschiedene thermische Ausdehnungskoeffizienten und verursachen daher das Auftreten von Restspannungen an der Grenzfläche der kristallinen Teilchen im Sinterkörper, wenn man diesen während seiner Fertigung durch Sintern von der Sintertemperatur auf Raumtemperatur abkühlen lässt. Wenn ein Sinterkörper, in dem diese Spannungen verbleiben, aus der Luft Wasser absorbiert, weist er eine Volumenvergrösserung auf und kann daher leicht Risse bilden.

Insbesondere ist es von Vorteil, das Material bei hohen Temperaturen zu sintern, um einen Sinterkörper höherer Dichte zu erhalten. Wenn jedoch das Material bei einer Temperatur gesintert wird, die zumindest so hoch wie die Übergangstemperatur des Zinksulfids von der Zinkblende- zur Wurtzitstruktur ist, wird der obige Effekt auffälliger, so dass es schwierig wird, einen rissfreien Sinterkörpers zu erhalten.

Wenn ferner das Sputtertarget eine niedrige Dichte aufweist, dann hat es eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und Biegefestigkeit sowie eine ungenügende mechanische Festigkeit und wird somit während des Sputterns Risse bilden. Entsprechend kann keine hohe Sputterleistung angelegt werden. Im Ergebnis kann der Durchsatz optischer Disketten nicht erhöht werden. Darüber hinaus hat ein solches Sputtertarget niedriger Dichte eine grosse Zahl von Hohlstellen in seiner Struktur. Diese Hohlstellen führen zur Bildung von als "nodule" (Knötchen) bekannten Wiederabscheidungsaggregaten, die als Quelle der Partikelbildung wirken. Diese Partikel können die Produktausbildung senken.

Zusammenfassung der Erfindung

Es ist Ziel der vorliegenden Erfindung, ein Sputtertarget hoher Dichte, das in der Bildung einer Schutzschicht für optische Aufzeichnungsmedien nützlich ist und mit dem eine hohe Filmbildungsgeschwindigkeit erreicht werden kann, sowie einen Sinterkörper, der eine hohe Sinterdichte, eine hohe mechanische Festigkeit sowie eine hohe Wärmeschockbeständigkeit hat und aus dem ein solches Sputtertarget hergestellt werden kann, sowie ein Verfahren für die Herstellung eines solchen Sinterkörpers zur Verfügung zu stellen, das einfach ist, gute Ausbeuten liefert und ein Drucksinterverfahren wie zum Beispiel Warmpressen verwendet.

Die gegenwärtigen Erfinder haben gefunden, dass Rissbildung während des Sinterns vermieden und ein Sinterkörper hoher Dichte, hoher mechanischer Festigkeit und hoher Wärmeschockbeständigkeit gut reproduzierbar mit dem folgenden Verfahren hergestellt werden kann. In einem Verfahren zur Fertigung eines aus Zinksulfid (ZnS) und Siliciumdioxid (SiO₂) hergestellten Sinterkörpers, der als Sputtertarget in der Bildung einer Schutzschicht für ein optisches Aufzeichnungsmedium eingesetzt werden soll, wird ein durch Vermischen von Zinksulfid und Siliciumdioxid mit Zinkoxid (ZnO) als Ausgangsmaterialien gewonnenes Pulver unter spezifischen Warmpressbedingungen gesintert.

Das einen solchen Sinterkörper umfassende Sputtertarget weist wegen der hohen Sinterfähigkeit des Sinterkörpers eine erhöhte mechanische Festigkeit und daher eine hohe Wärmeschockbeständigkeit auf. Somit kann das Sputtertarget selbst beim Betrieb mit einer hohen Sputterleistung keine Rissbildung erleiden. Entsprechend wurde erkannt, dass eine höhere Sputterleistung angelegt werden kann, so dass eine hohe Sputtergeschwindigkeit und ein stabiles Sputtern ermöglicht werden.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sputtertarget, das einen Sinterkörper umfasst, der aus Zinksulfid und Siliciumdioxid als Hauptkomponenten besteht und des weiteren ein zusammengesetztes Oxid von Zink und Silicium umfasst. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Sputtertarget, das einen solchen Sinterkörper umfasst.

Die vorliegende Erfindung betrifft fernerhin ein Sputtertarget, das einen Sinterkörper umfasst, der aus Zinksulfid und Siliciumdioxid als Hauptkomponenten besteht und zumindest eines der folgenden Erfordernisse (1) und (2) erfüllt:

1. Die Dreipunkt-Biegefestigkeit des Sinterkörpers nach JIS R 1601 soll nicht unter 60 MPa liegen; und
2. Die Wärmeleitfähigkeit des Sinterkörpers nach JIS R 1611 soll nicht weniger als 9,8 W/m.K betragen. Die vorliegende Erfindung betrifft auch ein Verfahren für die Herstellung eines Sinterkörpers.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

In den beigefügten Zeichnungen sind:

Fig. 1A bis 1C graphische Darstellungen, die die Röntgenbeugungsprofile der Sinterkörper des vergleichenden Beispiels 1, des Beispiels 4 und des Beispiels 6 veranschaulichen; und

Fig. 2A bis 2D sind graphische Darstellungen, die die bei vorbestimmten Winkeln erhaltenen, detaillierten Röntgenbeugungsprofile der in den Beispielen der vorliegenden Erfindung und den Vergleichsbeispielen erhaltenen Sinterkörper veranschaulichen.

Eingehende Beschreibung der Erfindung

Die vorliegende Erfindung wird weiter hierunter beschrieben.

Ein Sinterkörper gemäss vorliegender Erfindung kann durch einheitliche Vermischung eines Zinksulfidpulvers, eines Siliciumdioxidpulvers und eines Zinkoxidpulvers und so dann Sintern des so erhaltenen Mischpulvers erhalten werden.

Der Gehalt an Zinkoxidpulver im Mischpulver liegt vorzugsweise zwischen 0,5 und 5 Gewichtsprozent, stärker bevorzugt zwischen mehr als 0,5 Gewichtsprozent und nicht mehr als 5 Gewichtsprozent, noch stärker bevorzugt zwischen 1 und 5 Gewichtsprozent, und insbesondere zwischen 1 und 3 Gewichtsprozent, wenn die Auswirkung auf die Eigenschaften der durch Sputtern erzeugten Schutzschicht für das optische Aufzeichnungsmedium berücksichtigt wird. Wenn der Gehalt an Zinkoxid unter 0,5 Gewichtsprozent absinkt, ist die sich ergebende Wirkung in der Erhöhung der Dichte des Sinterkörpers ungenügend. Des weiteren kann das Material während der Fertigung Rissbildung erleiden, so dass es dann nicht möglich wird, eine genügende Ausbeuteerhöhung in der Produktion zu erzielen. Im Gegensatz dazu ist bei einem Zinkoxidgehalt von mehr als 5 Gewichtsprozent die Wirkung einer erhöhten Sinterdichte wirtschaftlich nachteilig abgesättigt. Ferner können bei einem zu hohen Zinkoxidgehalt die Eigenschaften der durch Sputtern erhaltenen Schutzschicht für das optische Aufzeichnungsmedium beeinträchtigt sein.

Das in der vorliegenden Erfindung hinzuzufügende Zinkoxid besteht nur aus Zink und Sauerstoff, die Bestandteile des Zinksulfids und des Siliciumdioxids sind. Somit kann im Vergleich zu anderen Sinterzusätzen Zinkoxid sehr geringe Auswirkung auf die Eigenschaften der als eine Schutzschicht für das optische Aufzeichnungsmedium gebildeten Dünnschicht haben.

Das Molenverhältnis von Zinksulfidpulver zu Siliciumdioxidpulver im Mischpulver liegt vorzugsweise zwischen 90 : 10 und 70 : 30, da diese Formulierung eine Schicht liefern kann, die als Schutzschicht für das optische Aufzeichnungsmedium die wünschenswertesten Eigenschaften hat.

Die Sintertemperatur liegt bevorzugt zwischen 1000°C und 1200°C, stärker bevorzugt zwischen der Übergangstemperatur des Zinksulfids von der Zinkblende- zur Wurtzitstruktur, d. h. einer nicht unter 1020°C liegenden Temperatur, und einer nicht über 1200°C liegenden Temperatur. Wenn die Sintertemperatur unter 1000°C absinkt, kann ein Zinksulfid des Hochtemperaturtyps mit Wurtzitstruktur nicht erhalten werden. Um eine gewünschte Wirkung der Erhöhung der Sinterdichte auszuüben, ist es erforderlich, dass das Brennen unter einem sehr hohen Druck oder über eine ausgedehnte Zeitdauer hinweg erfolgt. Im Gegensatz dazu kann sich, wenn die Sintertemperatur 1200°C übersteigt, die Formulierung des Sinterkörpers wegen Sublimieren von Zinksulfid ändern. Darüber hinaus kann, wenn vorausbestimmt wird, dass die Sintertemperatur im Bereich von nicht unter 1100°C bis nicht über 1200°C liegt, ein Sinterkörper höherer Dichte leicht gewonnen werden.

Der so erhaltene Sinterkörper gemäss vorliegender Erfindung ist ein aus Zinksulfid und Siliciumdioxid als Hauptkomponenten hergestellter Sinterkörper, der weiterhin ein zusammengesetztes Oxid von Zink und Silicium enthält. Der Gesamtgehalt an Zinksulfid und Siliciumdioxid im Sinterkörper liegt bevorzugt nicht unter 90 Gewichtsprozent, stärker bevorzugt nicht unter 95 Gewichtsprozent.

Wie oben erwähnt, erleiden Zinksulfid und Siliciumoxid wenig Reaktion oder feste Lösung, wenn das Gemisch von Zinksulfidpulver, Siliciumdioxidpulver und Zinkoxidpulver unter Druck gesintert wird, aber das Zinkoxid reagiert zumindest zum Teil mit Siliciumdioxid, um ein zusammengesetztes Oxid von Zink und Silicium zu liefern. Fig. 1C zeigt das Röntgenbeugungsprofil eines Sinterkörpers, der Zinkoxid enthält, das in einer Menge von 5 Gewichtsprozent eingearbeitet worden ist. Wie in Fig. 1C gezeigt, wird ein dem zusammengesetzten Oxid von Zink und Silicium entsprechender Beugungspeak (X) beobachtet. In diesem Profil gehören alle Beugungspeaks ausser dem mit X bezeichneten zu Zinksulfid des Hochtemperaturtyps mit Wurtzitstruktur. Das zusammengesetzte Oxid von Zink und Silicium liefert Beugungspeaks zumindest bei 3,49 Å (2θ = 25,5), bei 2,84 Å (2θ = 31,5), und bei 2,64 Å (2θ = 34,0). Wie aus dem Vergleich mit dem in Tabelle 1 gezeigten ASTM 8-492 offensichtlich, wird angenommen, dass Zinkorthosilicat (Zn₂SiO₄) erzeugt wird.

In der vorliegenden Erfindung ist es nicht erforderlich, dass das gesamte hinzugefügte Zinkoxid ein einziges zusammengesetztes Oxid von Zink und Silicium bildet. Die so hinzugefügten Zinkoxidanteile können zum Teil andere zusammengesetzte Oxide oder amorphe Substanzen bilden. Der Beugungungswinkel 2θ, bei dem der Röntgenbeugungspeak des zusammengeseztzten Oxids von Zink und Silicium auftritt, kann gelegentlich um etwa ±0,02° von dem oben definierten Wert abweichen und muss daher nicht streng mit 3,49 Å, 2,84 Å und 2,64 Å zusammenfallen. Ferner besteht, selbst wenn so hinzugefügte Zinkoxidanteile zum Teil keine Reaktion erleiden, kein besonderes Problem, da sie so gering sind, dass sie im Röntgenbeugungsprofil nicht erkannt werden.

Wie oben erwähnt, kann der Sinterkörper, der durch Sintern eines Mischpulvers erhalten wurde, das durch Vermischen eines Zinksulfidpulvers, eines Siliciumdioxidpulvers und eines Zinkoxidpulvers erhalten wurde, die gewünschte Wirkung einer Erhöhung der Sinterdichte aufweisen, selbst wenn, je nach der hinzugefügten Zinkoxidmenge, im Röntgenbeugungsprofil kein zusammengesetztes Oxid von Zink und Silicium beobachtet wird. Wenn irgendein zusammengesetztes Oxid von Zink und Silicium im Röntgenbeugungsprofil beobachtet wird, kann die erwünschte Wirkung stärker hervortreten.

Das Molenverhältnis von Zinksulfid zu Siliciumdioxid im Sinterkörper liegt zwischen 90 : 10 und 70 : 30, weil es zu einer Schicht zu führen vermag, die als Schutzschicht für ein optisches Aufzeichnungsmedium am meisten erwünschten Eigenschaften hat.

Wenn der Gehalt an Zinkoxid im Mischpulver während der Fertigung des Sinterkörpers zwischen 0,5 und 5 Gewichtsprozent beträgt und sämtliche Zinkoxidanteile Zinkorthosilicat (Zn₂SiO₄) bilden, liegt der Gehalt an Zinkorthosilicat (Zn₂SiO₄) im Sinterkörper zwischen 0,68 und 6,8 Gewichtsprozent.

Weiter kann durch Erhöhung der Dichte des Sinterkörpers die mechanische Festigkeit des Sputtertargets erhöht werden, wodurch es möglich wird, eine höhere Sputterleistung anzulegen. Gleichzeitig kann die Bildung von Partikeln auf ein Minimum reduziert werden. Somit liegt die relative Dichte des Sinterkörpers, der das Sputtertarget der vorliegenden Erfindung darstellt, bevorzugt nicht unter 95%, stärker bevorzugt nicht unter 97%. Je höher die relative Dichte des Sinterkörpers, der das Sputtertarget der vorliegenden Erfindung darstellt, desto wirkungsvoller ist die vorliegende Erfindung. Daher liegt die relative Dichte des Sinterkörpers vorzugsweise so nahe wie möglich bei 100%. Entsprechend beträgt die relative Dichte des Sinterkörpers bevorzugt 95 bis 100%, stärker bevorzugt 97 bis 100%.

Zur Messung der Bruttodichte des Sinterkörpers kann zum Beispiel das Archimedische Verfahren eingesetzt werden. Es ist gelegentlich schwierig, den genauen Wert der realtiven Dichte des Sinterkörpers zu berechnen, da die Art und der Gehalt des im Sinterkörper enthaltenen zusammengesetzten Oxids von Zink und Silicium unbestimmt und die genaue theoretische Dichte des Sinterkörpers daher unbekannt ist. In diesem Falle kann die theoretische Dichte, die unter der Annahme bestimmt wird, dass der Sinterkörper aus Zinksulfid, Siliciumdioxid und Zinkoxid besteht, statt der des oben erwähnten Sinterkörpers verwendet werden. In diesem Fall ist die so bestimmte theoretische Dichte etwa 0,03% kleiner als die unter Annahme bestimmte, dass alle so hinzugefügten Zinkoxidanteile Zinkorthosilicat bilden, wenn der Zinkoxidgehalt 5 Gewichtsprozent beträgt.

Der Sinterkörper nach vorliegender Erfindung ist aus Zinksulfid und Siliciumdioxid als Hauptkomponenten hergestellt und erfüllt zumindest eines der folgenden Erfordernisse (1) und (2):

1. Die Dreipunkt-Biegefestigkeit des Sinterkörpers nach JIS R 1601 soll nicht unter 60 MPa liegen; und
2. Die Wärmeleitfähigkeit des Sinterkörpers nach JIS R 1611 soll nicht weniger als 9,8 W/m.K betragen.

Zur Messung der Dreipunkt-Biegefestigkeit des Sinterkörpers kann JIS [Japanisches Normeninstitut] R 1601 (1995) (Verfahren zur Prüfung der Biegefestigkeit von Feinkeramiken) eingesetzt werden. Genauer wird aus dem Sinterkörper ein Prüfkörper von 36 × 4 × 3 mm herausgeschnitten.

Die Dreipunkt-Biegefestigkeit des Sinterkörpers hat eine direkte Beziehung zur mechanischen Festigkeit des Sinterkörpers. Je höher die Dreipunkt-Biegefestigkeit des Sinterkörpers, desto weniger ist der Sinterkörper gegenüber Rissbildung durch mechanische Einwirkung oder Wärmeschock anfällig. Indem vorausbestimmt wird, dass die Dreipunkt-Biegefestigkeit des Sinterkörpers nicht unter 60 MPa liegen soll, kann verhindert werden, dass der Sinterkörper während seiner Fertigung oder während des Sputterns Rissbildung erleidet. Die Obergrenze der Dreipunkt-Biegefestigkeit wird nicht speziell begrenzt. In der Praxis liegt jedoch die Obergrenze der Dreipunkt- Biegefestigkeit des Sinterkörpers bevorzugt zwischen 60 und 80 MPa und stärker bevorzugt zwischen 68 und 80 MPa, insoweit ihre Wirkung bestätigt werden kann.

Für die Messung der Wärmeleitfähigkeit des Sinterkörpers kann JIS R 1611 (1991) (Verfahren zur Prüfung des thermischen Diffusionsvermögens, der spezifischen Wärmekapazität und der Wärmeleitfähigkeit von Feinkeramiken mit dem Laserflashverfahren) eingesetzt werden. Ein Prüfkörper mit einem eingeschriebenen Kreis und einem Umkreisabschnitt mit einem Durchmesser zwischen 8 und 10 mm sowie einer Dicke von nicht mehr als 4 mm wird aus dem Sinterkörper herausgeschnitten. Unter Benutzung der Gleichung: κ = α.C.ρ (in der κ die Wärmeleitfähigkeit, α der gemessene Wert des thermischen Diffusionsvermögens, C die spezifische Wärmekapazität und ρ die Bruttodichte des Prüfkörpers sind) wird die Wärmeleitfähigkeit berechnet. Weiter kann die Bruttodichte des Prüfkörpers mit dem Archimedischen Verfahren gemessen werden.

Je höher die Wärmeleitfähigkeit des Sinterkörpers, desto höher ist die Kühlwirkung während des Sputterns und desto weniger anfällig gegenüber Rissbildung durch Wärmeschock ist der Sinterkörper. Daher erleidet der Sinterkörper keine Rissbildung, selbst wenn er bei höherer Sputterleistung eingesetzt wird, wodurch es möglich wird, eine rasche und dauerhafte Filmbildung zu erreichen. Indem vorherbestimmt wird, dass die Wärmeleitfähigkeit des Sinterkörpers nicht unter 9,8 W/m.K liegt, wird es möglich, Rissbildung während des Sputterns genügend zu verhindern. Die Obergrenze der Wärmeleitfähigkeit des Sinterkörpers ist nicht speziell begrenzt. In der Praxis liegt sie jedoch bevorzugt zwischen 9,8 und 12,8 W/m.K, stärker bevorzugt zwischen 11,2 und 12,8 W/m.K, insofern als ihre Wirkung bestätigt werden kann.

Die relative Dichte des Sinterkörpers der vorliegenden Erfindung beträgt bevorzugt nicht weniger als 95%, stärker bevorzugt nicht weniger als 97%. Weiter wird der obige Sinterkörper bevorzugt mit Zinksulfid vom Hochtemperaturtyp mit Wurtzitstruktur hergestellt. Es wird bevorzugt, dass der obige Sinterkörper keine (200)-Beugung von Zinksulfid des Niedertemperaturtyps mit Zinkblendestuktur liefert, wenn er den gewöhnlichen Röntgenbeugungsmessungen zur Identifizierung von Substanzen unterworfen wird. Jedoch genügt es, selbst wenn Spuren eines Peaks beobachtet werden, wenn das Verhältnis der integrierten Intensität (I_β(200)) der (200)- Beugung von Zinksulfid des Niedertemperaturtyps mit Zinkblendestruktur zur integrierten Insensität (I_α(100)) der (100)-Beugung von Zinksulfid des Hochtemperaturtyps mit Wurtzitstruktur (I_β(200))(I_α(100)) nicht mehr als 0,01 und insbesondere nicht mehr als 0,001 beträgt. In anderen Worten liegt das Intensitätsverhältnis (I_β(200)/(I_α(100)) bevorzugt zwischen 0 und 0,01, stärker bevorzugt zwischen 0 und 0,001.

Als gewöhnliche Messbedingungen, unter denen in Röntgenbeugungsmessungen des Sinterkörpers eine quantitative Analyse ausgeführt wird, können beispielsweise CuK_α1 als charakteristische Röntgenstrahlung, 50 kV als angelegte Spannung, 200 mA als Targetstrom, 0,2°/min als Vorschubgeschwindigkeit, 0,5° als Beugungsschlitzbreite, 0,5° als Streuungsschlitzbreite und 0,15 mm als Breite des Lichtsammelschlitzes angegeben werden. Wenn CuK_α1 als die charakteristische Röntgenlinie verwendet wird, erhält man die (100)-Beugung von Zinksulfid des Hochtemperaturtyps mit Wurtzitstruktur als einen Beugungspeak bei einem Beugungswinkel 2θ von etwa 26,9° (d = 3,309 Å), während die (200)-Beugung von Zinksulfid des Niedertemperaturtyps mit Zinkblendestruktur als ein Beugungspeak bei einem Beugungswinkel 2θ von etwa 33,1° (d = 2,705 Å) erhalten wird.

Unter Bezugnahme auf den obigen, aus Zinksulfid und Siliciumdioxid als Hauptkomponenten hergestellten Sinterkörper, der weiter ein zusammengesetztes Oxid von Zink und Silicium enthält, beträgt das Verhältnis der integrierten Intensität (I_β(200)) der (200)-Beugung von Zinksulfid des Niedertemperaturtyps mit Zinkblendestruktur zur integrierten Intensität (I_α(100)) der (100)-Beugung von Zinksulfid des Hochtemperaturtyps mit Wurtzitstruktur (I_β(200)/(I_α(100)) bevorzugt nicht über 0,01, stärker bevorzugt nicht über 0,001.

Weiter auf das Verfahren für die Herstellung des Sinterkörpers der vorliegenden Erfindung bezugnehmend, werden Zinksulfid, Siliciumdioxid und Zinkoxid als die Ausgangsmaterialien in Pulverform in einem vorbestimmten Verhältnis vermischt und dann zum Beispiel in einer Kugelmühle homogenisiert. Das so erhaltene Mischpulver wird dann in eine Grafitform geladen. Das so geladene Mischpulver wird dann unter Warmpressbedingungen gesintert, d. h. mit einem Druck von 200 bis 300 kg/cm² und einer Temperatur von 1000 bis 1200°C, einer Zeitdauer von 1 bis 5 Stunden, einer Aufheizrate von 200 bis 300°C/h und einer Abkühlrate von 200 bis 300°C/h, unter Argon oder im Vakuum. Wenn eine Aufheizrate von mehr als 300°C/h verwendet wird, entwickeln sich Restspannungen im Sinterkörper während der Abkühlung, die gelegentlich das Auftreten von Defekten wie Rissbildung im Sinterkörper verursachen. Somit beträgt die Abkühlgeschwindigkeit vorzugsweise nicht mehr als 200°C/h.

Die als Ausgangsmaterialien für den Sinterkörper der vorliegenden Erfindung zu verwendenden Pulver von Zinkoxid, Siliciumdioxid und Zinkoxid sind nicht speziell begrenzt. Handelsübliche Produkte können als solche eingesetzt werden. In der Praxis wird jedoch bevorzugt, ein Zinksulfidpulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von nicht mehr als 10 µm, ein Siliciumdioxidpulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von nicht mehr als 10 µm und ein Zinkoxidpulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von nicht mehr als 5 µm einzusetzen, um einen Sinterkörper höherer Gleichförmigkeit und Dichte zu erhalten.

Weiter kann das zu verwendende Siliciumdioxidpulver aus kugelförmigen Teilchen bestehen. Jedoch wird es durch den Einsatz eines Siliciumdioxidpulvers von unregelmässiger Teilchengestalt mit vielen Ecken und einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von nicht weniger als 10 µm, das durch Mahlen von verhältnismässig grossen Teilchen ohne bestimmte Gestalt erhalten werden, möglich, wirksam zu verhindern, das Siliciumdioxidteilchen vom Sinterkörper abfallen, wodurch die Partikelbildung während des Sputterns wirkungsvoller verhindert wird.

Darüber hinaus kann das in der vorliegenden Erfindung zu verwendende Siliciumdioxid einige Sauerstoff- und Siliciumfehlstellen aufweisen. Weder das im Sinterkörper enthaltene Siliciumdioxid noch das aus Ausgangsmaterial zu verwendende Siliciumdioxid müssen ein Atomverhältnis von Sauerstoff zu Silicium (O/Si) von 2 haben.

Der so erhaltene Sinterkörper wird dann einer trockenen oder nassen Bearbeitung unterworfen, um zu einer vorbestimmten Gestalt verarbeitet zu werden. Wenn erforderlich, wird der so bearbeitete Sinterkörper dann auf eine Unterlageplatte aufgekittet, so dass die während des Sputterns freigesetzte Wärme wirksam abgeleitet werden kann. So wird ein Sputtertarget gemäss vorliegender Erfindung hergestellt. Insbesondere ermöglicht die vorliegende Erfindung eine leichte Herstellung von grossen Sinterkörpern. Ein säulenförmiger Sinterkörper (Rohblock) wird in Scheiben geschnitten, um eine Mehrzahl scheibenförmiger Targetmaterialien zu erhalten. Wenn erforderlich, wird das scheibenförmige Target geformt, poliert und dann auf eine Unterlageplatte aufgekittet, um ein Sputtertarget gemäss vorliegender Erfindung herzustellen. Der säulenförmige Sinterkörper (Rohblock) kann so bemessen sein, dass sein Durchmesser zwischen 75 und 250 mm und seine Höhe 100 mm betragen, so dass etwa 12 Scheiben von Targetmaterialien mit einer Dicke von 6 mm gewonnen werden können.

Die Form des Sputtertargets kann je nach dem zu verwendenden Sputtergerät eigens ausgewählt werden. Zum Beispiel sind ein Kreis mit einem Durchmesser von 3 bis 8 Zoll oder ein Achteck mit Abmessungen von 4 bis 6 Zoll auf 5 bis 20 Zoll normal. Die Dicke des Sputtertargets liegt normalerweise bei etwa 3 bis 20 mm.

Beispiele

Die vorliegende Erfindung wird in den folgenden Beispielen weiter beschrieben, aber sollte nicht als auf diese begrenzt ausgelegt werden.

Beispiele 1 und 2

Ein ZnS-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 5 µm, ein SiO₂-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 5 µm und ein ZnO-Pulver mit einem durchschnittlichen Teilchendurchmesser von 0,5 µm wurden als Ausgangsmaterialien verwendet.

Das ZnS-Pulver und das SiO₂-Pulver wurden in einem Molverhältnis von 80 : 20 vermischt. Das ZnO-Pulver wurde dann zu diesem Gemisch in einer Menge von 0,5 Gewichtsprozent, bezogen auf deren Gesamtgewicht, hinzugefügt. Das Gemisch wurde in ein Harzgefäss mit Zirconiumkugeln gegeben und in einer Kugelmühle während 16 Stunden vermischt. Das so erhaltene Pulvergemisch wurde in eine Grafitform geladen, dann einem Sintern durch Warmpressen im Vakuum bei einer Temperatur von 1100°C (Beispiel 1) oder 1150°C (Beispiel 2) und einem Druck von 200 kg/cm² unterworfen, um einen Sinterkörper herzustellen. Bei diesem Vorgehen waren die Aufheizrate und die Abkühlrate je 200°C/h, während die Haltezeit 5 Stunden betrug.

Jeder der verschiedenen, so erhaltenen Sinterkörper wurde zu einer Scheibe verarbeitet (Dicke: 5 mm, Durchmesser: 200 mm ∅), dann auf eine Kupferunterlageplatte aufgekittet, um Sputtertargets zu erhalten.

Beispiele 3 bis 6

Das ZnS-Pulver und das SiO₂-Pulver wurden in einem Molenverhältnis von 80 : 20 vermischt. Das ZnO-Pulver wurde dann zu diesem Gemisch in einer Menge von 1 Gewichtsprozent (Beispiele 3 und 4) bzw. 5 Gewichtsprozent (Beispiele 5 und 6), bezogen auf deren Gesamtgewicht, hinzugefügt. Das Gemisch wurde in ein Harzgefäss mit Zirconiumdioxidkugeln gegeben und in einer Kugelmühle während 16 Stunden vermischt. Das so erhaltene Pulvergemisch wurde in eine Grafitform geladen, dann einem Sintern durch Warmpressen im Vakuum bei einer Temperatur von 1100°C (Beispiele 3 und 5) oder 1150°C (Beispiele 4 und 6) und einem Druck von 200 kg/cm² unterworfen, um einen Sinterkörper herzustellen. Bei diesem Vorgehen waren die Aufheizrate und die Abkühlrate je 200°C/h, während die Haltezeit 3 Stunden betrug.

Jeder der verschiedenen, so erhaltenen Sinterkörper wurde zu einer Scheibe verarbeitet (Dicke: 5 mm, Durchmesser: 200 mm), dann auf eine Kupferunterlageplatte aufgekittet, um Sputtertargets zu erhalten.

Vergleichsbeispiele 1 und 2

Sputtertargets wurden in gleicher Weise wie in Beispielen 3 bis 6 hergestellt, ausser dass kein ZnO-Pulver hinzugefügt wurde (Sintertemperatur: 1100°C (Vergleichsbeispiel 1), 1150°C (Vergleichsbeispiel 2)).

Die hinzugefügten Mengen von ZnO und die Sinterbedingungen in Beispielen 1 bis 6 und Vergleichsbeispielen 1 und 2 sind in Tabelle 2 aufgeführt.

In Beispielen 1 bis 6 und Vergleichsbeispielen 1 und 2 wurde jeder der Sinterkörper daraufhin beobachtet, ob während der Fertigung Rissbildung erfolgt. Jeder der erhaltenen Sinterkörper wurde dann Röntgenbeugungsmessungen unterworfen und die Dreipunkt-Biegefestigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Dichte gemessen. Jedes der erhaltenen Sputtertargets wurde in Bezug auf seine Sputtereigenschaften bewertet.

Für die Röntgenbeugungsmessungen wurden die charakterische Röntgenstrahlung von CuK_α1 benutzt. Zusätzlich zur gewöhnlichen qualitativen Analyse wurden Messungen mit einem Monochromator bei einer angelegten Spannung von 50 kV, einem Targetstrom von 200 mA und einer Vorschubgeschwindigkeit von 0,2°/min ausgeführt. Die Schlitzbreiten für Beugung, Streuung und Aufnahme waqren 0,5°, 0,5° bzw. 0,15 mm. Die Anzahl von Integrationen betrug fünf. Die Messungen wurden bei Beugungswinkeln 2θ von 21,0 bis 23,0, 25,0 bis 26,0, 31,0 bis 35,0 und 48,0 bis 50,0 ausgeführt.

Für die Messung der Dreipunkt-Biegefestigkeit wurden 10 Progen mit Abmessungen von 36 × 4 × 3 mm aus den in Beispielen 1 bis 6 und Vergleichsbeispielen 1 und 2 erhaltenen Sinterkörpern herausgeschnitten. Unter Benutzung eines Biegefestigkeits- Prüfgeräts vom Typ Autograph AG-2000B (von der Shimadzu Corporation) wurden die Messungen in Übereinstimmung mit JIS R 1601 bei einer Kreuzkopfgeschwindigkeit von 0,5 mm/min ausgeführt.

Für die Messung der Wärmeleitfähigkeit der Sinterkörper wurden scheibenförmige Prüfkörper mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Dicke von 1 mm aus den in Beispielen 1 bis 6 und Vergleichsbeispielen 1 und 2 erhaltenen Sinterkörpern herausgeschnitten. Unter Benutzung eines Analysengerätes für Wärmekonstanten ("Standard Laser Flash Thermal Constants Analyzer TC7000", hergestellt von Shiku-Riko Inc.) wurden die Messungen in Übereinstimmung mit JIS R 1611 ausgeführt. Die Messwerte wurden dann Berechnungen mit der Gleichung: κ = α.C.ρ (worin κ die Wärmeleitfähigkeit, α der gemessene Wert des thermischen Diffusionsvermögens, C die spezifische Wärmekapazität und ρ die Bruttodichte des Messkörpers sind) unterworfen, um die Wärmeleitfähigkeit zu bestimmen. Die Bruttodichte der Messkörper wurde mit dem Archimedischen Verfahren bestimmt.

Ferner wurde aus der mit dem Archimedischen Verfahren gemessenen Bruttodichte die relative Dichte der Sinterkörper berechnet. Die theoretische Dichte der Sinterkörper wurde unter der Annahme berechnet, dass der Sinterkörper aus Zinksulfid, Siliciumdioxid und Zinkoxid besteht. Genauer wurden als theoretische Dichten von Zinksulfid, Siliciumdioxid und Zinkoxid Werte von 4,09 g/cm³, 2,20 g/cm³ bzw. 5,78 g/cm³ verwendet. Als theoretische Dichten der Sinterkörper wurden Werte von 3,67 g/cm³ für die Vergleichsbeispiele 1 und 2, von 3,68 g/cm³ für die Beispiele 1 bis 4 bzw. von 3,74 g/cm³ für die Beispiele 5 und 6 verwendet.

Zur Bewertung der Sputtereigenschaften wurde ein RF-Magnettronsputtergerät eingesetzt. Genauer wurde das Sputtern bei einem Argondruck von 0,4 Pa und einer angelegten Sputterleistung von 300 W über eine Zeit von 1 min ausgeführt. Sputtern wurde bei einem Argondruck von 0,4 Pa und einer angelegten Leistung von 300 W weitergeführt, bis die Targets erschöpft waren. Die Sputtertargets wurden unter diesen Bedingungen auf Rissbildung hin geprüft.

Fig. 1A bis 1C zeigen die Röntgenbeugungsprofile der so erhaltenen Sinterkörper. Fig. 1A zeigt das Röntgenbeugungsprofil des Vergleichsbeispiels 2, das kein ZnO enthält. Fig. 1B zeigt das Röntgenbeugungsprofil des Beispiels 4, in dem die hinzugefügte Menge an ZnO 1 Gewichtsprozent beträgt. Fig. 1C zeigt das Röntgenbeugungsprofil des Beispiels 6, in dem die hinzugefügte Menge an ZnO 5 Gewichtsprozent beträgt. In Fig. 1C zeigt X den Beugungspeak des zusammengesetzten Oxids von Zink und Silicium an. Alle anderen Beugungspeaks sind Peaks von Zinksulfid des Hochtemperaturtyps. Fig. 2A bis 2D zeigen die Röntgenbeugungsprofile, die bei denselben Messbedingungen wie oben erwähnt erhalten wurden, aber die Bedingungen mit Winkeln 2θ von 21,0 bis 23,0, 25,0 bis 26,0, 31,0 bis 35,0 und 48,0 bis 50,0 wiedergeben. In Fig. 2A bis 2D zeigen Buchstaben a, b und c die Röntgenbeugungsprofile der im Vergleichsbeispiel 2, im Beispiel 4 bzw. im Beispiel 6 erhaltenen Sinterkörper an.

Tabelle 1 zeigt den Vergleich der Position des Beugungspeaks, der aus dem Röntgenbeugungsprofil des im Beispiel 6 erhaltenen Sinterkörpers erhalten wurde, mit der des Peaks für Zinkorthosilicat (Zn₂SiO₄)(ASTM 8-492). Es ist aus diesen Figuren und der Tabelle ersichtlich, dass der Sinterkörper, der ZnO eingearbeitet enthält, Beugungspeaks zumindest bei 3,49 Å, 2,84 Å und 2,64 Å aufweist, was möglicherweise darauf hinweist, dass Zinkorthosilicat (Zn₂SiO₄) gebildet wurde.

Alle diese Ergebnisse betreffen die bei einer Temperatur von 1150°C gesinterten Körper. Fast die gleichen Ergebnisse wie oben angeführt wurden mit dem Röntgenbeugungsprofil der in Vergleichsbeispiel 1 und Beispielen 3 und 5 erhaltenen Sinterkörper erhalten, wo die Sintertemperatur 1100°C betrugt.

Beispiele 1 und 2, jedes mit einem ZnO-Gehalt von 0,5 Gewichtsprozent, zeigen keinen für ZnO oder das zusammengesetzte Oxid typischen Beugungspeak neben dem für Zinksulfid des Hochtemperaturtyps charakteristischen Beugungspeak.

Aus den Ergebnissen des Vergleichbeispiels 2 und der Beispiele 4 und 6 veranschaulicht die graphische Darstellung für Beugungswinkel 2θ von 31 bis 35° in Fig. 2C, dass keiner der Sinterkörper der Beispiele 1 bis 6 oder der Vergleichsbeispiele 1 und 2 (200)-Beugung (2θ = 33,1° (d = 2,705 Å)) von Zinksulfid des Niedertemperaturtyps mit Zinkblendestruktur aufweist.

Tabelle 1

Tabelle 2 zeigt die Herstellungsbedingungen wie zum Beispiel die hinzugefügte Menge von ZnO, die Sintertemperatur und den Sinterdruck in Beispielen 1 bis 6 und Vergleichsbeispielen 1 und 2 sowie die Ergebnisse für die Dreipunkt-Biegefestigkeit, die Wärmeleitfähigkeit, die relative Dichte, das Auftreten von Rissen während des Sinterns und in der Auswertung der Sputtereigenschaften usw.

Tabelle 2

Wie aus Tabelle 2 ersichtlich, weisen die Sputtertargets, in die ZnO in Mengen von 0,5 bis 5 Gewichtsprozent eingearbeitet wurde (Beispiele 1 bis 6), eine Dreipunkt- Biegefestigkeit von nicht weniger als 60 MPa, eine Wärmeleitfähigkeit von nicht weniger als 9,8 W/m.K und eine relative Dichte von nicht weniger als 95% auf und erleiden daher Rissbildung weder während des Sinterns noch während des Sputterns. Im Gegensatz dazu weisen die Sputtertargets ohne ZnO (Vergleichsbeispiele 1 und 2) eine Dreipunkt-Biegefestigkeit von nicht mehr als 56 MPa, eine Wärmeleitfähigkeit von nicht mehr als 9,5 W/m.K und eine relative Dichte von nicht mehr als 95,6% auf und erleiden Rissbildung während des Sinterns. Die Sputtertargets, die aus rissfrei gebliebenen Sinterkörpern hergestellt wurden, erleiden Rissbildung während des Sputterns. Unter Bezugnahme auf die Beobachtung der Menge von während des Sputterns gebildeten Partikeln weisen die in Beispielen 1 bis 6 hergestellten Sputtertargets sehr wenig Partikelbildung auf und bieten im Vergleich zu den Sputtertargets der Vergleichsbeispiele 1 und 2 eine sehr gute Leistung.

Wie oben erwähnt, kann gemäss vorliegender Erfindung ein Sinterkörper erhalten werden, der Zinksulfid und Siliciumdioxid als die Hauptkomponenten enthält und eine sehr hohe Sinterdichte, eine hohe mechanische Festigkeit und eine hohe Wärmeschockbeständigkeit aufweist. Der Sinterkörper gemäss vorliegender Erfindung kann vorteilhaft eingesetzt werden, um ein Sputtertarget zu bilden. Insbesondere können gemäss vorliegender Erfindung grosse Sinterkörper leicht hergestellt werden. Zum Beispiel kann ein säulenförmiger oder prismatischer Sinterkörper (Rohblock) zerschnitten und in eine Mehrzahl von Targetmaterialien unterteilt werden, wodurch die Fabrikation von Sputtertargets bei niedrigen Kosten erleichtert wird.

Das Sputtertarget gemäss vorliegender Erfindung erleidet keine Rissbildung während seiner Herstellung, wodurch es ermöglicht wird, die Fabrikationsausbeute drastisch zu erhöhen. Zusätzlich können Sputtertargets sehr hoher Dichte erhalten werden. Ein solcher Sputtertarget weist eine hohe Festigkeit und ausgezeichnete thermische Eigenschaften auf. Entsprechend ermöglicht es der Einsatz eines solchen Sputtertargets, einen Film unveränderlich bei hoher Geschwindigkeit ohne Rissbildung zu bilden, selbst wenn das Sputtern bei hoher Sputterleistung erfolgt.

Claims

1. Sputtertarget, einen Sinterkörper aus Zinksulfid, Siliciumdioxid und einem zusammengesetzten Oxid von Zink und Silicium umfassend.

2. Sputtertarget nach Anspruch 1, worin die relative Dichte des benannten Sinterkörpers nicht geringer als 95% ist.

3. Sputtertarget nach Anspruch 1, worin die Gesamtmenge von Zinksulfid und Siliciumdioxid nicht weniger als 90 Gewichtsprozent beträgt.

4. Sputtertarget nach Anspruch 1, worin das Molverhältnis von Zinksulfid zu Siliciumdioxid im Bereich von 90 : 10 bis 70 : 30 liegt.

5. Sputtertarget nach Anspruch 1, worin das benannte zusammengesetzte Oxid von Zink und Silicium einen Röntgenbeugungspeak bei 3,49 Å, 2,84 Å und 2,64 Å hat.

6. Sputtertarget nach Anspruch 1, worin das benannte zusammengesetzte Oxid von Zink und Silicium Zinkorthosilicat (Zn₂SiO₄) ist.

7. Sputtertarget nach Anspruch 1, worin ein Verhältnis der integrierten Intensität (I_β(200)) der (200)-Beugung von Zinksulfid des Niedertemperaturtyps mit Zinkblendestruktur zur integrierten Intensität (I_α(100)) der (100)-Beugung von Zinksulfid des Hochtemperaturtyps mit Wurtzitstruktur (I_β(200)/(I_α(100)) in den Röntgenbeugungsmessungen am Sinterkörper nicht mehr als 0,01 beträgt.

8. Sputtertarget nach Anspruch 1, worin zumindest eines der folgenden Erfordernisse (1) und (2) erfüllt:

1. eine Dreipunkt-Biegefestigkeit des Sinterkörpers nach JIS R 1601 von nicht weniger als 60 MPa; und
2. eine Wärmeleitfähigkeit des Sinterkörpers nach JIS R 1601 von nicht weniger als 9,8 W/m.K.

9. Sputtertarget, Zinksulfid und Siliciumdioxid umfassend, worin zumindest eines der folgenden Erfodernisse (1) und (2) erfüllt ist:

10. Sputtertarget nach Anspruch 9, worin ein Verhältnis der integrierten Intensität (I_β(200)) der (200)-Beugung von Zinksulfid des Niedertemperaturtyps mit Zinkblendestruktur zur integrierten Intensität (I_α(100)) der (100)-Beugung von Zinksulfid des Hochtemperaturtyps mit Wurtzitstruktur (I_β(200))(I_α(100)) in den Röntgenbeugungsmessungen am Sinterkörper nicht mehr als 0,01 beträgt.

11. Sputtertarget nach Anspruch 9, worin die relative Dichte des benannten Sinterkörpers nicht geringer als 95% ist.

12. Sputtertarget, einen Zinksulfid und Siliciumdioxid umfassenden Sinterkörper umfassend, das durch Sintern eines durch Vermischen eines Zinksulfidpulvers, eines Siliciumdioxidpulvers und eines Zinkoxidpulvers erhaltenen Pulvergemischs hergestellt wird.

13. Sputtertarget nach Anspruch 12, worin das benannte Pulvergemisch bei einer Temperatur gesintert wird, die nicht niedriger als die Übergangstemperatur des Zinksulfids von der Zinkblendestruktur zur Wurtzitstruktur ist.

14. Sputtertarget nach Anspruch 12, worin der Gehalt an Zinkoxidpulver in dem genannten Pulvergemisch im Bereich von 0,5 bis 5 Gewichtsprozent liegt.

15. Verfahren zur Herstellung eines Sputtertargets mit Schritten:
ein Zinksulfidpulver, ein Siliciumdioxidpulver und ein Zinkoxidpulver zu vermischen und
das so erhaltene Pulvergemisch zu sintern.

16. Verfahren nach Anspruch 15, worin das benannte Pulvergemisch bei einer Temperatur gesintert wird, die nicht niedriger als die Übergangstemperatur des Zinksulfid von der Zinkblendestruktur zur Wurtzitstruktur ist.

17. Verfahren nach Anspruch 15, worin der Gehalt an Zinkoxidpulver in dem benannten Pulvergemisch zwischen 0,5 und 5 Gewichtsprozent beträgt.

18. Verfahren nach Anspruch 15, worin das Zinksulfidpulver einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von nicht mehr als 10 µm, das Siliciumdioxidpulver einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von nicht mehr als 10 µm und das Zinkoxidpulver einen durchschnittlichen Teilchendurchmesser von nicht mehr als 5 µm hat.