DE60313222T2 - Verfahren zur herstellung eines zerstäubungstargets - Google Patents

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Description

  • GEBIET DER ERFINDUNG
  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Anfertigung eines Sputtertargets und das daraus hervorgehende Sputtertarget. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Targetmaterials ist dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Targethalters ähnlich.
  • ALLGEMEINER STAND DER TECHNIK
  • Sputtertargets, wie etwa keramische Sputtertargets, sind im Stand der Technik allgemein bekannt. Sie umfassen ein Targetmaterial, das an einen Targethalter gebunden ist. Ein bevorzugtes Verfahren zur Anfertigung von planaren keramischen Sputtertargets ist das Heißisostatische Verdichten (HIP). Grundsätzlich umfasst das Anfertigungsverfahren des Targets drei Schritte:
    • a) Heißisostatisches Verdichten eines keramischen Pulvers (für bestimmte Pulver wird ein Kaltisostatisches Verdichten (CIP) bevorzugt);
    • b) Maschinelles Bearbeiten des Targetmaterials in Formen, die zum Binden bereit sind;
    • c) Binden des Targetmaterials an einen Targethalter (Trägerplatte).
  • Zum Heißisostatischen Verdichten des keramischen Pulvers wird das keramische Pulver in eine Gießform gefüllt. Die Gießform mit dem Pulver wird zur Entfernung restlicher Gase im Vakuum entgast. Daraufhin wird die Gießform luftdicht verschweißt und in einen HIP Ofen überführt. Es wird ein Druck (typischerweise zwischen 500 und 2000 bar) und Erwärmung (Temperatur typischerweise zwischen 250 und 1500 °C) angewandt. Auf diese Weise wird ein verdichtetes keramisches Material erzielt. Nach Entfernen des Gießformmaterials kann das verdichtete keramische Material weiter maschinell behandelt werden. Daraufhin wird das keramische Material (beispielsweise eine plattenartige Struktur des keramischen Materials) mit einem Bindungsmaterial, wie beispielsweise einem Indium-Lötmittel, an den Targethalter (beispielsweise eine Platte, wie etwa eine Kupferplatte) gebunden.
  • Dieses Verfahren ist zur Anfertigung von planaren keramischen Sputtertargets geeignet. Für rotierende Targets (die einen röhrenförmigen Targethalter umfassen) andererseits wird das Verfahren extrem kompliziert.
  • Sowohl für planare als auch rotierende Targets ist es in hohem Maße erwünscht, das Targetmaterial direkt auf den Targethalter zu HIPen, wodurch in einem Verfahrensschritt (HIPen und Binden werden in einem Arbeitsgang durchgeführt) ein Target geschaffen wird. Jedoch werden bei dessen Ausführung hohe Belastungen an der Grenzfläche zwischen dem Targetmaterial und dem Targethalter erzeugt, aufgrund des Unterschieds der Wärmeausdehnungskoeffizienten des verdichteten keramischen Targetmaterials und des Targethalters.
  • Dies kann zu einer schlechten Haftung zwischen dem Targetmaterial und dem Targethalter (Ablösen genannt) führen, und das Targetmaterial ist voller Risse (Rissbildung).
  • Das Ablösen und die Rissbildung werden besonders bei Targets deutlich, die einen großen Unterschied des Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen dem Targethalter und dem Targetmaterial aufweisen.
  • Weit voneinander abweichende Wärmeausdehnungskoeffizienten treten beispielsweise auf, wenn das Targetmaterial ein keramisches Material umfasst, wohingegen der Targethalter aus Metall besteht.
  • KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
  • Ein Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist es, ein Sputtertarget herzustellen, das geringe Belastungen an der Grenzfläche des Targetmaterials und des Targethalters aufweist.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines Sputtertargets durch direktes Binden des Targetmaterials an den Targethalter mittels Heißisostischem Verdichten bereitzustellen.
  • Ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist es, ein Sputtertarget bereitzustellen, wobei eine gute Übereinstimung zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Targetmaterials und des Targethalters erzielt wird.
  • In einem Gesichtspunkt der Erfindung wird ein Verfahren zur Anfertigung eines Sputtertargets bereitgestellt.
  • Das Verfahren umfasst die Schritte:
    • – Bereitstellen eines Targethalters der einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist;
    • – Bereitstellen eines Targetmaterials, das einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Das Targetmaterial umfasst mindestens eine erste und eine zweite Verbindung. Die erste Verbindung weist einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, wohingegen die zweite Verbindung einen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist. Der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient ist höher als der erste Wärmeausdehnungskoeffizient, und der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient ist höher als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Targethalters;
    • – Binden des Targetmaterials an den Targethalter.
  • Durch Erhöhen der Konzentration der zweiten Verbindung, erhöht sich der Wärmeausdehnungskoeffizient des Targetmaterials.
  • Erfindungsgemäß wird das Konzentrationsverhältnis der ersten und zweiten Verbindung so gewählt, dass eine gute Übereinstimmung zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Targetmaterials und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Targethalters erzielt wird.
  • Vorzugsweise beträgt der Unterschied zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Targetmaterials und des Targethalters weniger als 20 %. Besonders bevorzugt beträgt der Unterschied zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Targetmaterials und des Targethalters weniger als 10 %, beispielsweise weniger als 5 %.
  • Die erste Verbindung umfasst vorzugsweise ein keramisches Material, wie etwa keramisches Pulver. Geeignete keramische Pulver umfassen Metalloxide, wie etwa Zinkoxide (wie beispielsweise ZnO), Indiumoxide (wie beispielsweise In2O3), Kupferoxide (wie beispielsweise Cu2O und CuO), Galliumoxide (wie beispielsweise Ga2O3), Zinnoxide (wie beispielsweise SnO oder SnO2), Titanoxide (wie beispielsweise TiO oder TiO2), Aluminiumoxide (wie beispielsweise Al2O3), Indium-Zinnoxide, Indiumoxide legiert mit Zinn sowie Gemische eines oder mehrerer dieser Oxide.
  • Die zweite Verbindung umfasst ein keramisches Material oder ein metallisches Material, wie etwa keramisches Pulver oder ein Metallpulver.
  • Vorzugsweise umfasst die zweite Verbindung ein metallisches Material, beispielsweise Metallteilchen, wie etwa Metallpulverteilchen.
  • Das metallische Material umfasst vorzugsweise Zink, Indium, Kupfer, Gallium, Zinn, Titan oder Aluminium oder Gemische eines oder mehrerer dieser Metalle.
  • Da die meisten Metalle einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen, wird der Wärmeausdehnungskoeffizient des Targetmaterials durch Erhöhen des Gehalts an metallischem Material im Targetmaterial erhöht. Durch Optimierung der Konzentration an metallischem Material im Targetmaterial kann eine Übereinstimmung des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Targetmaterials und des Targethalters erzielt werden.
  • Ferner weist die Anwesenheit von metallischem Material im Targetmaterial weitere Vorteile auf:
    In den meisten Fällen verbessert die Anwesenheit von metallischem Material im Targetmaterial die Bindung des Targetmaterials an den Targethalter. Zusätzlich gestattet die Anwesenheit von metallischem Material im Targetmaterial diesem, gut verdichtete und solide Targetstrukturen bei relativ niedrigen HIP Temperaturen (unter 1000 °C) zu erreichen. Eine Verringerung der HIP Temperatur vermindert das Risiko weiter, dass Ablösen und Rissbildung auftreten.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst die erste Verbindung ein keramisches Material und die zweite Verbindung umfasst ein metallisches Material des Metalls des keramischen Materials.
  • Als Beispiel kommt ein Targetmaterial in Betracht, das ein keramisches Pulver als erste Verbindung und ein Metallpulver des Metalls des keramischen Pulvers als zweite Verbindung umfasst.
  • Unten werden einige typische Beispiele angeführt:
    Erste Verbindung Zweite Verbindung
    Beispiel 1 Zinkoxid Zink
    Beispiel 2 Indiumoxid Indium
    Beispiel 3 Kupferoxid Kupfer
    Beispiel 4 Galliumoxid Gallium
    Beispiel 5 Zinnoxid Zinn
    Beispiel 6 Titanoxid Titan
    Beispiel 7 Aluminiumoxid Aluminium
    Beispiel 8 Indium-Zinnoxid Indium
    Beispiel 9 Indiumoxid mit Zinn legiert Indium
  • Das Targetmaterial kann durch Mischen von Teilchen, wie etwa Pulverteilchen, der ersten Verbindung und Teilchen, wie etwa Pulverteilchen, der zweiten Verbindung bereitgestellt werden.
  • Das Mischen der Teilchen kann auf jede im Stand der Technik bekannte Art und Weise erfolgen. Ein bevorzugtes Verfahren des Mischens von Teilchen ist durch mechanisches Legieren.
  • Der Begriff „mechanisches Legieren" bedeutet ein Verfahren, welches das Befüllen eines hermetisch versiegelbaren Behälters mit einem Gemisch verschiedener Materialpulver gemeinsam mit harten Kugeln oder Stäben als Zerstückelungs- oder Mahlmittel und das Mahlen der Charge durch Stürzen oder mechanisches Schütteln der Charge umfasst, bis die Bestandteile einen superfein gemischten oder legierten Zustand erreichen.
  • Das Binden des Targetmaterials an den Targethalter kann auf jede beliebige im Stand der Technik bekannte Art und Weise erzielt werden.
  • Das Binden kann beispielsweise durch Verwendung eines Lötmittels, wie etwa eines Indium-Lötmittels, erzielt werden. GeHIPtes Targetmaterial kann beispielsweise an den Targethalter unter Verwendung eines Lötmittels, wie etwa eines Indium-Lötmittels, gebunden werden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist insbesondere geeignet zur Herstellung von Targets, wobei das Targetmaterial direkt in einem Verfahrensschritt auf den Targethalter geHIPt wird.
  • Wie oben beschrieben ist das Sputtertarget (Targetmaterial und Targethalter) während des HIP Verfahrens hohen Temperaturen (Temperatur typischerweise zwischen 250 und 1500 °C) und Drücken (typischerweise zwischen 500 und 2000 bar) ausgesetzt. Dies kann zum Ablösen und zur Rissbildung des Targetmaterials führen. Das erfindungsgemäße Verfahren vermeidet diese Nachteile, da der Wärmeausdehnungskoeffizient des Targetmaterials und der Wärmeausdehnungskoeffizient des Targethalters übereinstimmen oder sich nur geringfügig unterscheiden.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren kann zur Anfertigung von planaren oder rotierenden Targets verwendet werden. Das Verfahren ist insbesondere sehr nützlich zur Anfertigung rotierender Targets.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren ist sehr nützlich zur Anfertigung von keramischen Sputtertargets.
  • Keramische Sputtertargets zeigen einige sehr attraktive Eigenschaften. Die Zugabe von Sauerstoff beim Sputtern ist begrenzt, einfach zu regulieren und das Sputterverhalten des Targetmaterials ist stabil.
  • Das Sputtern keramischer Schichten mit metallischen Targets ist andererseits bedeutend komplizierter, da der Sauerstofffluss sehr vorsichtig kontrolliert werden muss, um eine gute Schichtzusammensetzung zu errreichen. Wenn die Sauerstoffflusskontrolle nicht sorgfältig ausgeführt wird, geht das Target in den „Vergiftungsmodus” über, was zu sehr niedrigen Sputterfrequenzen und schlechten Beschichtungseigenschaften führt.
  • Der Zusatz einer bestimmten Menge Metall zu einem keramischen Sputtertarget verändert die stabilen Sputterbedingungen nicht, im Vergleich mit den Sputterbedingungen eines rein keramischen Sputtertargets.
  • Überdies wird die Wärme- und elektrische Leitfähigkeit des Targetmaterials aufgrund der Anwesenheit einer geringen Menge eines metallischen Materials verbessert, und die Kraftdichte des Sputtertargets kann erhöht werden. Dies kann zu höheren Sputterfrequenzen führen.
  • Für die erfindungsgemäßen Sputtertargets wird bevorzugt, dass der Gehalt an metallischem Material nicht zu hoch ist (der Gehalt ist vom keramischen Material abhängig), um zu verhindern, dass sich das Targetmaterial wie ein metallisches Sputtertarget verhält.
  • Weiterhin wird aufgrund der Anwesenheit eines metallischen Materials im keramischen Targetmaterial das Risiko vermindert, dass Risse im Targetmaterial während der Bearbeitung und der Verwendung des Sputtertargets aufgrund der Erwärmung während des Sputterverfahrens gebildet werden.
  • Bei langen röhrenförmigen Sputtertargets und insbesondere bei freitragenden, werden Beanspruchungen durch Biegen erzeugt. Diese Beanspruchungen können zu Rissen führen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet die Anfertigung von langen röhrenförmigen Sputtertargets und die Anfertigung von freitragenden, da die Dehnbarkeit des Targetmaterials erhöht ist.
  • In einem zweiten Gesichtspunkt der vorliegenden Erfin dung wird ein nach dem obigen Verfahren erhältliches Sputtertarget bereitgestellt.
  • Das Sputtertarget umfasst ein Targetmaterial, das an einen Targethalter gebunden ist; der Unterschied des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Targetmaterials und des Targethalters beträgt weniger als 20 % und besonders bevorzugt weniger als 10 %, beispielsweise weniger als 5 %.
  • Das Sputtertarget kann ein planares Target oder ein rotierendes Target umfassen.
  • In einem weiteren Gesichtspunkt betrifft die Erfindung die Verwendung eines Targets in einem Sputterverfahren.
  • BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN DER ERFINDUNG
  • Ein erstes Beispiel eines erfindungsgemäßen Sputtertargets umfasst ein Indium-Zinnoxid (ITO) Sputtertarget.
  • Das Sputtertarget wird wie folgt angefertigt:
    Zunächst wird eine Gießform, welches eine Trägerröhre (Targethalter) und eine äußere Gießform umfasst, mit ISOT (Indiumsesquioxid-Zinn) Pulver gefüllt. ISOT Pulver kann durch mechanisches Legieren von In2O3 mit Sn Teilchen in einer Kugelmühle synthetisiert werden. Nach Vakuum-Entgasung wird die Gießform luftdicht verschweißt und in einen HIP Ofen überführt. Das ISOT Pulver wird durch Anwendung von Druck (typischerweise zwischen 500 und 2000 bar, beispielsweise 1000 bar) und Erwärmung (Temperatur typischerweise zwischen 250 und 1500 °C, beispielsweise 1000 °C) verdichtet. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des verdichteten ISOT Pulvers beträgt ungefähr 6 μm/mK und ist wesentlich niedriger als der Wärmeausdehnungskoeffizient der meisten metal lischen Targethalter. Aufgrund dieses Unterschieds der Wärmeausdehnungskoeffizienten werden Risse während des Abkühlungszyklus des HIP Verfahrens gebildet. Nach Entfernen der äußeren Gießform wird ein Targetmaterial erhalten, das voller Risse ist und keine gute Haftung an den Targethalter aufweist. Ein auf diese Weise erhaltenes Sputtertarget ist für Sputteranwendungen nutzlos.
  • Durch angemessenes Mischen des ISOT Pulvers mit Indiumteilchen, die einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweisen (33 μm/mK), kann der Wärmeausdehnungskoeffizient des verdichteten ISOT/In Pulvers nach dem HIP mit dem Targethalter in Übereinstimmung gebracht werden. Auf diese Weise können Beanspruchungen, die an der Grenzfläche zwischen dem verdichteten ISOT Material und dem Targethalter erzeugt werden, eingeschränkt werden. Dies führt zu einer kompakten verdichteten ISOT Struktur ohne Risse.
  • In Tabelle 1 werden verschiedene Zusammensetzungen des Targetmaterials angeführt. Der Gehalt an ISOT und Indiumteilchen variiert, um mit verschiedenen Arten von Targethaltern überein zu kommen.
  • Der Gehalt an Indium-Zinnoxid legiert mit Zinn (ISOT) und der Gehalt an Indium werden in Volumenprozent angegeben. Der Wärmeausdehnungskoeffizient des Targetmaterials wird in Spalte 3 angeführt. Tabelle 1
    ISOT Gehalt Vol.% Indiumgehalt Vol.% CTE [μm/K·m] stimmt überein mit
    100 0 6
    90 10 8,6 Titan
    70 30 13,8 Ni80Cr20
    60 40 16,4 SS AISI 304
  • Aus Tabelle 1 ist ersichtlich, dass sich der Wärmeaus dehnungskoeffizient mit einer ansteigenden Menge an Indium erhöht.
  • Mit einem Zusatz von 10 % Indium zum ISOT Pulver wird eine gute Übereinstimmung zwischen dem Targetmaterial und einem Titan-Targethalter erzielt. Bei einer Zugabe von 30 % Indium umfasst ein bevorzugter Targethalter eine Ni80Cr20 Legierung, wohingegen bei einer Zugabe von 40 % Indium ein bevorzugter Targethalter rostfreien Stahl SS AISI 304 umfasst.
  • Für einen Fachmann muss es als selbstverständlich erscheinen, dass dieselben Prinzipien für rein keramische mit Indium gemischte ITO Pulver angewandt werden können.
  • Ein zweites Beispiel eines erfindungsgemäßen Sputtertargets umfasst ein ZnO rotierendes Target. ZnO zeigt einen sehr niedrigen wärmeausdehnungskoeffizienten (3 μm/mK). In Analogie mit dem ersten Beispiel ist es nicht möglich, ZnO direkt auf einen metallischen Targethalter (Trägerröhre) zu HIPen. Durch Mischen des ZnO mit einem Metall, das einen hohen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, wird es jedoch möglich, das Targetmaterial mit gebräuchlichen Targethaltern hinsichtlich des Wärmeausdehnungskoeffizienten in Übereinstimmung zu bringen.
  • Ein geeignetes Metall umfasst Zn. Zn weist einen Wärmeausdehnungskoeffizienten von 30 μm/mK auf.
  • Dieselben Prinzipien können zur Herstellung von mit Fremdatomen dotierten rotierenden ZnO-Targets wie ZnO:Al oder ZnO:Ga angewandt werden. Durch Mischen von ZnO:Al oder ZnO:Ga mit der angemessenen Menge von Zn Metallteilchen kann eine gute Übereinstimmung des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Targetmaterials und den Targethalters erzielt werden.
  • Durch Anwendung von Druck (typischerweise zwischen 500 und 2000 bar) und Erwärmung (Temperatur typischerweise zwischen 250 und 1500 °C) wird das Pulver in eine kompakte Struktur verdichtet. Wenn eine gute Übereinstimmung mit dem Targethalter geschaffen wurde, kann eine gute Bindung an den Targethalter ohne Risse im Targetmaterial erreicht werden.
  • Die obigen Beispiele haben dargelegt, wie rotierende Targets aus Materialien hergestellt werden können, die zum Sputtern transparenter leitender Oxidschichten verwendet werden können. Die Targets zeigen ein stabiles Sputterverhalten ohne Vergiftung, als ob das Targetmaterial aus rein keramischem Material bestünde.

Claims (20)

  1. Verfahren zur Anfertigung eines Sputtertargets, wobei das Verfahren die Schritte umfasst: – Bereitstellung eines Targethalters, der einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist; – Bereitstellung eines Targetmaterials, welches einen Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, wobei das Targetmaterial mindestens eine erste und eine zweite Verbindung umfasst, wobei die erste Verbindung einen ersten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, die zweite Verbindung einen zweiten Wärmeausdehnungskoeffizienten aufweist, wobei der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient höher als der erste Wärmeausdehnungskoeffizient ist und der zweite Wärmeausdehnungskoeffizient höher als der Wärmeausdehnungskoeffizient des Targethalters ist; wobei der Unterschied des Wärmeausdehnungskoeffizienten des Targethalters und des Targetmaterials weniger als 20 % beträgt; – Binden des Targetmaterials an den Targethalter.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Binden des Targetmaterials an den Targethalter durch Heißisostatisches Verdichten (HIPen) des Targetmaterials direkt auf den Targethalter erzielt wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Unterschied zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Targetmaterials und dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Targethalters weniger als 10 % beträgt.
  4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die erste Verbindung ein keramisches Mate rial umfasst.
  5. Verfahren nach Anspruch 4, wobei das keramische Material ein keramisches Pulver umfasst.
  6. Verfahren nach Anspruch 5, wobei das keramische Pulver ein Metalloxid umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Zinkoxiden, Indiumoxiden, Kupferoxiden, Galliumoxiden, Zinnoxiden, Titanoxiden, Aluminiumoxiden, Indium-Zinnoxiden, Indiumoxiden, die mit Zinn legiert sind sowie Gemischen eines oder mehrerer dieser Oxide.
  7. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei die zweite Verbindung ein keramisches Material oder ein metallisches Material umfasst.
  8. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das keramische Material ein keramisches Pulver umfasst.
  9. Verfahren nach Anspruch 7, wobei das metallische Material Metallteilchen, wie etwa Metallpulverteilchen umfasst.
  10. Verfahren nach Anspruch 7 oder 9, wobei das metallische Material ein Metall umfasst, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend aus Zink, Indium, Kupfer, Gallium, Zinn, Titan oder Aluminium oder Gemischen eines oder mehrerer dieser Metalle.
  11. Verfahren nach Anspruch 4, wobei die zweite Verbindung ein metallisches Material des Metalls des keramischen Materials der ersten Verbindung umfasst.
  12. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Targetmaterial durch Mischen von Teilchen der ersten Verbindung mit Teilchen der zweiten Verbindung bereitgestellt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, wobei das Mischen mechanisches Legieren umfasst.
  14. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Sputtertarget ein planares Target umfasst.
  15. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, wobei das Sputtertarget ein rotierbares Target umfasst.
  16. Sputtertarget, das ein Targetmaterial umfasst, welches an einen Targethalter gebunden ist, wobei das Target durch ein Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 15 erhältlich ist.
  17. Sputtertarget nach Anspruch 16, wobei der Unterschied zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Targetmaterials und des Targethalters weniger als 10 % beträgt.
  18. Sputtertarget nach Anspruch 16 oder 17, wobei das Sputtertarget ein planares Target umfasst.
  19. Sputtertarget nach Anspruch 16 oder 17, wobei das Sputtertarget ein rotierbares Target umfasst.
  20. Verwendung eines Sputtertargets nach einem der Ansprüche 16 bis 19 in einem Sputterverfahren.
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