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Die
Erfindung betrifft eine Sputtertargetanordnung mit einem Trägerrohr
und einem das Trägerrohr beabstandet umgebenden Targetrohr,
mit einem zwischen Trägerrohr und Targetrohr angeordneten Metallgewebe.
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Stand der Technik
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Aufgabe
der Erfindung ist es daher, eine Sputtertargetanordnung anzugeben,
deren Kontakt zwischen Sputtertarget und Trägerrohr verbessert
ist.
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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.
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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.
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Ist
die die Metalllitze spiralförmig um das Trägerrohr
gewickelt, ergibt sich eine einfache doch effiziente Anordnung,
die leicht zu verwirklichen ist.
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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.
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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.
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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.
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Nachstehend
wird eine Ausführungsform der Erfindung beispielhaft anhand
der Zeichnungen beschrieben. Die Figuren zeigen im Einzelnen:
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1:
einen schematischen Längsschnitt durch eine rohrförmige
Sputtertargetanordnung in Montagesituation und
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2:
eine schematischen Aufsicht auf eine rohrförmige Sputtertargetanordnung.
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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.
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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.
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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.
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- 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
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 102005029221
A1 [0005]
- - DE 102005020250 B4 [0006]