FI76122C - Oxidkeramisk faongelektrod foer katodfoerstoftning. - Google Patents

Description

761 22

Oksi di keraaminen kohde-elektrodi sputterointia varten

Keksintö koskee oksidikeraamisia kohde-elektrodeja, 5 jotka ovat käyttökelpoisia magneettikentän vahvistamassa katodisessa sputteroinnissa ja jotka perustuvat kuumapuris-tettuihin indiumoksidi/tinaoksidi-seoksiin.

Tällaiset kohde-elektrodit ovat sinänsä tunnettuja ja tunnetaan myös näiden kohde-elektrodien käyttö läpinäky-10 vien, sähköä johtavien kerrosten muodostamiseen.

Koska kohde-elektrodit, joita painetta ja korkeaa lämpötilaa käyttäen puristetaan kohdealustoiksi, ovat sähköä johtamattomia, on tavallista näitä kohde-elektrodeja sput-teroitaessa käyttää suurta taajuutta, jolloin myös ei-joh-15 teet voidaan sputteroida vaikeuksitta. Suurimittakaavaises-sa toteutuksessa on suurtaa juussputterointi kuitenkin vähemmän sovelias. Sinänsä edullista tasajännitesputterointia varten soveltuvat ensi sijassa metalliset kohde-elektrodit mutta eivät oksidikeraamiset kohde-elektrodit.

20 Metallisia apukatodeja käytettäessä täytyy kuitenkin läpinäkyviä oksidikerroksia valmistettaessa suorittaa hapetus kohde-elektrodimateriaalia levitettäessä päällystettävälle pinnalle tai sen jälkeen. Tämä menettelytapa ei yleensä anna tyydyttäviä kerroksia eikä sitä voida käyttää pääl-25 lystettäville materiaaleille.

Täten esiintyy tarvetta oksidikeraamisten kohde-elektrodien saamiseksi, jotka soveltuvat myös tasajännite-sputterointiin ja joita samalla voidaan käyttää suurella tehotiheydellä niinsanotussa magneettikentällä vahvistetus-30 sa katodisputteroinnissa.

Nyt on havaittu, että kohde-elektrodeja, joiden tiheys toisaalta on erittäin suuri ja joiden happipitoisuus toisaalta on siten vähennetty, että niiden sähköjohtokyky on verrattain suuri, voidaan käyttää erittäin hyvällä menes-35 tyksellä suurtehosputterointilaitteessa tasajännitesputterointia käyttäen. Yllättävästi voidaan näillä kohde-elektro- 2 76122 deilla, joiden happipitoisuutta voidaan pienentää niin paljon, että ne sisältävät jopa metallisia osuuksia, siitä huolimatta valmistaa erittäin homogeenisia metallioksidi-kerroksia, joissa ei ole minkäänlaisia metallisulkeumia, 5 jotka voisivat heikentää kerroksen läpinäkyvyyttä.

Keksintö koskee oksidikeraamista kohde-elektrodia magneettikentän avulla vahvistettua katodisputterointia varten, joka kohde-elektrodi perustuu kuumapuristettuihin indiumoksidi/tinaoksidi-seoksiin, joiden on vähintään 75 % 10 teoreettisesta tiheydestä. Kohde-elektrodille on tunnusomaista, että sen happipitoisuus stökiometriseen koostumukseen verrattuna on siten alennettu, että sen sähköjohtokyky vastaa 0,6-0,1 J"L .cm:n ominaisvastusta.

Keksinnön mukaisen kohde-elektrodin oleellinen etu on 15 sen hyvä soveltuvuus suurtehosputterointiin tasajännitteen avulla. Ratkaisevaa tällöin on se, että suuren tiheyden lisäksi kohde-elektrodien sähkönjohtokyky on verrattain suuri.

Menetelmä oksidikeraamisten kohde-elektrodien kuuma-puristamiseksi on sinänsä tunnettu. Tällöin kohdistetaan 20 metallioksidijauheeseen kuumennettavissa puristimissa sintrauslämpötilassa, joka yleensä on noin 2/3 absoluuttisesta sulamislämpötilasta, suuri, jopa useiden satojen ilmakehien paine. Käytetyn lämpötilan, paineen ja kunkin metal-lioksidin materiaaliominaisuuksien mukaan saadaan tällöin 25 tiheydeltään erilaisia keramiikkakappaleita.

Kaupallisesti on saatavissa indium- ja tinaoksidiin perustuvia kohde-elektrodeja, joiden tiheys on noin 50-70 % teoreettisesta tiheydestä. Kohde-elektrodeja, joiden tiheys on vähintään 75 % kiinteän aineen tiheydestä, on tosin esi-30 tetty DE-hakemusjulkaisussa 31 12 104, mutta siinä ei ole esitetty mitään menetelmää kohde-elektrodien aikaansaamiseksi. Nyt on havaittu, että tällaisia kohde-elektrodeja voidaan valmistaa kuumapuristamalla indiumoksidi/tinaoksidi-seoksia määrätyissä lämpötiloissa pelkistävässä atmosfää-35 rissä.

3 76122

Keksintö koskee myös menetelmää edellä kuvatun kohde-elektrodin valmistamiseksi. Menetelmälle on tunnusomaista, että metallioksidiseosta puristetaan pelkistävässä ilmakehässä 50-600 kg/cm2:n paineessa ja 850-1000°C:n lämpötilas-5 sa niin paljon kokoon, että saadaan kohde-elektrodi, jonka sähkönjohtokyky vastaa 0,6-0,1 /l.cm:n ominaisvastusta.

850-1000°C oleva puristuslämpötila on huomattavasti indiumoksidille, jonka sulamislämpötila on 1910°C ja tina-oksidille, jonka sulamislämpötila on 1620°C, edellä maini-10 tun nyrkkisäännön mukaan odotettavaa sintrauslämpötilaa alempi. Itse asiassa pursitetuille materiaaleille suoritetut mikroskooppiset tutkimukset osoittavat, että mitään tavanomaista sintraustapahtumaa ei tapahdu. Normaalissa sintrauksessa voidaan nimittäin havaita säännöllisesti 15 erittäin pienten aineosien liukenemisen ja suurehkojen osien vastaavan kasvun vuoksi osasrakenteen muuttuminen karkeammaksi. Tätä ei indiumoksidi/tinaoksidi-kohde-elektro-dien tapauksessa voida havaita. Useimmiten säilyy osasko-ko suurimmaksi osaksi vakiona.

20 Oleellista on, että keksinnön mukainen menetelmä suo ritetaan pelkistävässä atmosfäärissä. Tätä varten puristetaan lähtömateriaali edullisesti grafiittimuotissa. Voimakkaammin pelkistävän atmosfäärin muodostamiseksi voidaan me-tallioksidijauheeseen lisätä myös hiiltä tai hiiltä luovut-25 tavaa ainetta. Edullisia ovat esim. orgaanista materiaalia, esim. selluloosaan perustuvaa materiaalia kuten paperia olevat peitekerrokset metallioksidijauheen ja puristusmän-nän välissä. Voidaan olettaa, että korkeassa lämpötilassa tapahtuvassa hiiltymisessä muodostuvat kaasut vaikuttavat 30 osittain indiumoksidin pelkistymiseen. Voidaan olettaa, että tällöin muodostuva metallinen indium, joka on läsnä sulassa muodossa, toimii liukumista parantavana aineena oksi-dijauhetta varten ja siten sallii jauheen merkittävän tiivistymisen.

35 Sitoutumatta kuitenkaan tähän teoriaan, voidaan tode ta, että keksinnön mukaan valmistetuissa kohde-elektrodeis- 4 76122 sa esiintyy huomattava happivajaus, mikä ilmenee jo alioksi-deista metalliseen tilaan olevan osuuden vaikutuksesta harmaaksi värittymisessä.

Käytetyn lämpötilan ja puristusajan mukaan voidaan 5 täten saada kohde-elektrodeja, joiden tiheys on 90-95 prosenttiin saakka teoreettisesta tiheydestä.

Käytettäessä liian korkeita lämpötiloja tai liian pitkiä puristusaikoja voi tapahtua metallioksidien täydellinen pelkistyminen, mistä aiheutuu nestemäisen metallinen valu-10 minen pois puristusmuotista. Nämä epäsuotavat olosuhteet voidaan kuitenkin välttää muutamien esikokeiden avulla. On osoittautunut, että erityisesti 880-920°C lämpötiloissa saadaan erittäin hyviä tuloksia. Tällöin on kokonaispuristus-aika mukaanluettuna esikuumennusvaihe noin 1-2 tuntia, jol-15 loin korkeintaan puristetaan noin puoli tuntia, edullisesti 10 minuuttia korkeimmassa lämpötilassa.

Puristusaste, joka tarkoittaa puristuksessa saadun tiheyden suhdetta kiinteän aineen teoreettiseen tiheyteen, voidaan määrätä etukäteen määrittämällä puristusmännän pu-20 ristusmatka, jolloin luonnollisesti puristusmatkaa määrättäessä on otettava huomioon myös puristusmuotin ja puristus-männän lämpölaajeneminen. Puristusasteen riippuvuus puris-tusmatkasta voidaan määrätä jokaista puristusmuottia ja jokaista puristuslämpötilaa varten helposti kokeellisesti.

25 Puristuspaine ei sinänsä ole erityisen kriittinen ja se voi korkeintaan grafiittimuotin kestämän paineen vuoksi n olla noin 600 kg/cm . On kuitenkin osoittautunut, että näin suuret paineet eivät ole välttämättömiä hyvien tulosten saamiseksi. Itse asiassa saadaan jo epätavallisen pienillä 30 paineilla, kuten noin 50 kp/cm2, erittäin hyviä tuloksia.

Edullisesti työskennellään täten alueella noin 50-100 kp/cm2, erityisesti noin 70 kp/cm :n paineessa. Tämä pieni puristus-paine mahdollistaa pitkän käyttöiän tällöin vähän rasitetulle puristimelle.

35 Keksinnön mukaisen menetelmän avulla valmistetaan in- diumoksidi/tinaoksidi-kohde-elektrodeja, jotka pääaineosa- 5 76122 naan sisältävät indiumoksidia. Tinaoksidipitoisuus voi vaihdella välillä noin 1-20 paino-%. Edullisesti sisältyy sitä noin 9-11 paino-%.

Muutamien tavanomaisten esikokeiden avulla voidaan 5 määrittää määrättyä tulosta varten halutun kohde-elektrodin ja koostumuksen suhteen optimaaliset olosuhteet. Tällöin voidaan säännöllisesti lähteä siitä, että pidentämällä puristusaikaa ja kohottamalla puristuslämpötilaa saadaan sekä tiheämpiä kohde-elektrodeja että myös kohde-elektrode-10 ja, joiden happivajaus on suurempi. Mitä suurempi happiva-jaus on, sitä suurempi on myös kohde-elektrodien sähkönjohtokyky. Säännöllisesti valitaan olosuhteet siten, että saadaan kohde-elektrodeja, joiden sähkönjohtokyky vastaa noin 0,6-0,1 il .cm:n ominaisvastusta.

15 Kohde-elektrodin sähkönjohtokykyä voidaan haluttaessa säätää myös sekoittamalla metallijauhetta metallioksidijauheeseen ennen puristusta. Tällöin voidaan lisätä sekoittamalla 2 paino-%:iin asti indiumia ja/tai tinaa.

Keksinnön mukaisen kohde-elektrodin edellä jo maini-20 tun hyvän soveltuvuuden lisäksi suurteho-tasajännitesputte-rointiin on se suuren tiheyden vuoksi myös mekaanisesti erityisen stabiili. Tämä yhdessä myös erittäin suuren lämmön-johtokyvyn kanssa, mikä takaa sputteroinnissa esiintyvän lämmön nopean poisjohtumisen, on keksinnön mukaisen kohde-25 elektrodin seuraava oleellinen etu.

Näitä kohde-elektrodeja voidaan käyttää edullisesti tasopintaisten alustojen päällystämiseen, kuten esim. valmistettaessa sähköä johtavia läpinäkyviä kerroksia paperille, läpinäkyviä lämmönsuojakerroksia lasille tai valmistet-30 taessa sähköä johtavia kerroksia nestekidenäyttöjä varten. Kaikissa näissä sinänsä tunnetuissa menetelmissä voidaan käyttää keksinnön mukaisia kohde-elektrodeja tasajännite-sputteroinnissa. Kaikissa näissä menetelmissä saadaan erittäin hyviä läpinäkyviä kerroksia. Oleellista tällöin on 35 pelkästään se, että sputterointiatmosfääri sisältää määrätyn osuuden happea. Kulloinkin tarvittava happipitoisuus 6 76122 voidaan määrätä helposti joidenkin suuntaa antavien esiko-keiden avulla. Yleensä on se noin 1-20 tilavuus-% ja loppuosa on esim. vetyä ja argonia.

Keksinnön avulla saavutetaan täten oleellinen edis-5 tysaskel suurtaajuussputteroinnin alalla.

Esimerkki 1

Sylinterimäiseen grafiittimuotiin, jonka sisäläpimit-ta on 210 mm, pannaan 1700 g seosta, joka sisältää 1516 g indiumoksidia ja 184 g tina(IV)-oksidijauhetta, mikä vas-10 taa 9:1 olevaa indiumin moolisuhdetta tinaan ja suojataan sekä alapuolista että myös yläpuolista grafiittipuristus-mäntää vastaan kerroksella suodatinpaperia. Paineen säätämisen jälkeen arvoon 70 kp/cm^ muodostetaan laitteeseen tyhjiö ja kuumennetaan se vakiopaineessa 35 minuutin aikana 15 880°C lämpötilaan. Noin 700°C lämpötilassa alkava tiivis tyminen todetaan puristusmännän liikkeen perusteella. Kun massa on puristettu kokoon 9,2 mm paksuuteen, poistetaan kuumennus, jälkipuristetaan vielä 10 minuuttia ja tyhjiö poistetaan sitten. Saadaan harmaalta näyttävä keramiikka-20 levy, jonka paksuus on 9,2 mm, tiheys 5,3 g/cm^, mikä vastaa 75 % teoreettisesta tiheydestä ja ominaissähkövastus 0,42 XL.cm.

Esimerkki 2

Sylinterimäiseen grafiittimuottiin, jonka sisäläpi-25 mitta on 210 mm, pannaan 1700 g seosta, joka sisältää 1516 g indiumoksidijauhetta ja 184 g tina(IV)-oksidijauhetta, jolloin jauheen ja grafiittimännän väliin sijoitetaan kulloinkin 2 kerrosta suodatinpaperia. Paineen säätämisen n jälkeen arvoon 70 kp/cm muodostetaan laitteeseen tyhjiö 30 ja kuumennetaan vakiopaineessa 40 minuutin aikana 900°C lämpötilaan. Kun massa on puristunut kokoon 8,3 mm paksuuteen, poistetaan kuumennus, puristetaan vielä 10 minuuttia ja sitten poistetaan tyhjiö. Saadaan ulkonäöltään harmaan keramiik-kalevy, jonka paksuus on 8,3 mm, tiheys 5,9 g/cm^, mikä 35 vastaa 82,7 % teoreettisesta tiheydestä, ja ominaissähkövastus 0,38 XL.cm.

7 76122

Esimerkki 3

Sylinterimäiseen grafiittimuottiin, jonka sisäläpi-mitta on 210 mm, pannaan 1700 g seosta, joka sisältää 1516 g indiumoksidijauhetta ja 184 g tina(IV)-oksidijauhet-5 ta, jolloin jauheen ja grafiittimännän väliin sijoitetaan kulloinkin 3 kerrosta suodatinpaperia. Paineen säätämisen

O

jälkeen arvoon 70 kp/cm muodostetaan laitteeseen tyhjiö ja kuumennetaan vakiopaineessa 45 minuutin aikana 920°C lämpötilaan. Kun massa on puristettu 7,8 mm paksuuteen, 10 poistetaan kuumennus, puristetaan vielä 10 minuuttia ja tyhjiö poistetaan sitten. Saadaan ulkonäöltään harmaan keramiikkalevy, jonka paksuus on 7,8 mm ja tiheys 6,3 g/cm^, mikä vastaa 88,5 % teoreettisesta tiheydestä ja ominaissäh-kövastus 0,17 SI . cm.

15 Esimerkki 4

Sylinterimäiseen grafiittimuottiin, jonka sisäläpi-mitta on 210 mm, pannaan 1700 g seosta, joka sisältää 1608 g indiumoksidia, 92 g tina(IV)-oksidia, mikä vastaa indiumin moolisuhdetta tinaan noin 95:5, ja 34 g grafiitti-20 jauhetta. Paineen säätämisen jälkeen arvoon 70 kp/cm^, muodostetaan laitteeseen tyhjiö ja kuumennetaan vakiopaineessa 35 minuutin aikana 880°C lämpötilaan. Kun massa on puristunut 8,4 mm paksuuteen, poistetaan kuumennus, puristetaan vielä 10 minuuttiin ja tyhjiö poistetaan sitten. Saadaan 25 ulkonäöltään harmaan keramiikkalevy, jonka paksuus on

O

8,5 mm, tiheys 5,8 g/cm , mikä vastaa 80 % teoreettisesta tiheydestä, ja ominaissähkövastus 0,38 J\.cm.

Esimerkki 5

Sylinterimäiseen grafiittimuottiin, jonka sisäläpi-30 mitta on 210 mm, pannaan 1700 g seosta, joka sisältää 1337 g indiumoksidia, 340 g tina(IV)-oksidia ja 17 g tina-jauhetta, mikä vastaa indiumin moolisuhdetta tinaan 80:20. Paineen säätämisen jälkeen arvoon 90 kp/cm·* muodostetaan laitteeseen tyhjiö ja kuumennetaan 40 minuutin aikana 900°C 35 lämpötilaan. Kun massa on puristettu 8,5 mm paksuuteen, poistetaan lämmitys, puristetaan vielä 10 minuuttia ja sit- 8 76122 ten poistetaan tyhjiö. Saadaan ulkonäöltään harmaan kera-

O

miikkalevy, jonka paksuus on 8,5 mm, tiheys 5,77 g/cm , mikä vastaa 80 % teoreettisesta tiheydestä, ja ominaissäh-kövastus 0,35 J1 . cm.

Claims (7)

76122

1. Oksidikeraaminen kohde-elektrodi magneettikentän avulla vahvistettua katodisputterointia varten, joka kohde- 5 elektrodi perustuu kuumapuristettuihin indiumoksidi/tina-oksidiseoksiin, joiden tiheys on vähintään 75 % teoreettisesta tiheydestä, tunnettu siitä, että sen happipitoisuus stökiometriseen koostumukseen verrattuna on siten alennettu, että sen sähkönjohtokyky vastaa 0,6-0,1 Jl.cm:n 10 ominaisvastusta.

2. Menetelmä patenttivaatimuksen 1 mukaisen oksidike-raamisen kohde-elektrodin valmistamiseksi, jonka tiheys on vähintään 75 % teoreettisesta tiheydestä, tunnettu siitä, että metallioksidiseosta puristetaan pelkistävässä 15 ilmakehässä 50-600 kg/cm2:n paineessa ja 850-1000°C:n lämpötilassa niin paljon kokoon, että saadaan kohde-elektrodi, jonka sähkönjohtokyky vastaa 0,6-0,1 -fL.cmrn ominaisvastusta .

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen menetelmä, t u n -20 n e t t u siitä, että puristus suoritetaan 900-920°C:n lämpötilassa ja 50-100 kg/cm2:n paineessa.

4. Patenttivaatimuksen 2 tai 3 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että puristus suoritetaan grafiit-timuotissa.

5. Jonkin patenttivaatimuksen 2-4 mukainen menetelmä, tunnettu siitä, että puristusmuotissa on läsnä hiiltä tai puristuslämpötilassa hiiltä luovuttavaa orgaanista materiaalia.

6. Jonkin patenttivaatimuksen 2-5 mukainen menetelmä, 30 tunnettu siitä, että metallioksidijauheeseen lisätään ennen puristusta 2 paino-%:in saakka tina- ja/tai indium jauhetta .

7. Patenttivaatimuksen 1 mukaisen kohde-elektrodin käyttö tasajännite-sputterointimenetelmässä.