WO2008074404A1

WO2008074404A1 - Sputtertargetanordnung

Info

Publication number: WO2008074404A1
Application number: PCT/EP2007/010597
Authority: WO
Inventors: Christoph Simons; Peter Preissler; Josef Heindel
Original assignee: W.C. Heraeus Gmbh
Priority date: 2006-12-19
Filing date: 2007-12-06
Publication date: 2008-06-26
Also published as: DE102006060512A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Sputtertargetanordnung mit einem Tragerrohr und einem das Tragerrohr beabstandet umgebenden Targetrohr und besteht darin, dass zwischen Targetrohr und Tragerrohr Metallstreifen angeordnet sind, die jeweils sowohl das Tragerrohr als auch das Targetrohr kontaktieren.

Description

Unser Zeichen: P10799 WO

6. Dezember 2007

Patentanmeldung

W. C. Heraeus GmbH

Sputtertargetanordnung

Die Erfindung betrifft eine Sputtertargetanordnung mit einem Trägerrohr und einem das Trägerrohr beabstandet umgebenden Targetrohr.

Zur Herstellung dünner Schichten wird u. a. die Methode der Kathodenzerstäubung, auch Sputtern genannt, eingesetzt. Hierbei wird ein sogenannter Targetwerkstoff atomar unter Ar-Ionenbeschuss zerstäubt und beschichtet anschließend ein Substrat. Die Dicke solcher Schichten liegt typischerweise im Bereich einiger Nanometer bis zu ca. 100 nm; auch Mikrometer dicke Schichtherstellung ist möglich. Die hierbei hergestellten Schichten können über große Flächen äußerst homogen abgeschieden werden. So werden mittels dieses Verfahrens auch Glasscheiben im Format ca. 3,2 x 6m² mit Wärmeschutzschichten beschichtet.

Der Beschichtungswerkstoff wird bei diesen Sputterverfahren meist über eine Trägerplatte oder ein Trägerrohr kathodisch geschaltet, so dass er unter Ar⁺-Ionenbeschuss zerstäubt werden kann. Der Aufbau eines solchen Targets besteht demgemäß meistens aus einer Cu-Trägerplatte oder einem Stahl- (SST)-Trägerrohr, auf der/dem der eigentliche Targetwerkstoff befestigt ist. Diese Befestigung muss eine gute elektrische Kontaktierung und einen ausreichenden Wärmeübergang zwischen Target und Träger ermöglichen. Im Falle der Trägerplatte wird zur Befestigung des Targetmaterials häufig ein Lötverfahren eingesetzt. Im Falle des Trägerrohres können niedrig schmelzende Targetwerkstoffe bei der Herstellung direkt auf das Trägerrohr aufgegossen werden (DE 100 63 383). Thermisch spritzfähige Materialien werden direkt auf das Trägerrohr aufgespritzt (DE 41 15 663). Hochfeste Materialien mit ausreichender Duktilität werden ohne separates Trägerrohr direkt als Rohr ausgebildet (EP 1 666 631 A2), z.B. stranggepresst, und nach mechanischer Bearbeitung kathodisch geschaltet. Einige Materialien werden auch als Rohr oder rohrförmige Segmente hergestellt und anschließend auf das Trägerrohr befestigt. Verschiedene Befestigungsmöglichkeiten werden diskutiert, z.B. Lötverfahren (DE 10 2004 060 423), Klebeverfahren, Klemmverfahren (WO 2004/007791 A1 , DE 10 2004 031 161 A1 ).

Die Lötverfahren haben den Nachteil, dass der Befestigungsprozess unter Löttemperatur durchgeführt werden muss. Anschließendes Abkühlen lässt Auswirkungen unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten zu. Dieses Verfahren ist insbesondere bei der Anwendung von spröden Targetmaterialien kritisch zu betrachten. Als Lote werden u. a. In-basierte Werkstoffe verwendet, hierdurch steigen jedoch die Herstellkosten des Sputtertargets stark an.

Klebeverfahren arbeiten in der Regel mit elektrisch leitfähigen organischen Substanzen. Die hierbei eingestellte elektrische Leitfähigkeit und Wärmeleitfähigkeit ist aber schlechter als bei Lötverfahren. Die Standzeit der organischen Substanzen unter Temperatureinfluss ist eingeschränkt.

Beide Verfahren gewährleisten eine enge mechanische Ankopplung des Targetmaterials an das Trägerrohr, sind aber in ihrer Ausführung nicht trivial. Zudem erlaubt die starke mechanische Ankopplung keine unterschiedlichen Ausdehnungen und Materialbewegungen zwischen Sput- tertarget und Trägerrohr. Treten starke Ausdehnungen und Materialbewegungen im Sputterpro- zess auf, so verformen sich diese Targetanordnungen oder bilden Risse; dies führt meist zum Verlust der Targetfunktion. Ein homogener Sputterprozess ist meist nicht mehr möglich.

Klemmsysteme bieten in der Regel keine ausreichende Wärmeableitung vom Target zum Trägerrohr und können nur bei geringen Leistungen gesputtert werden. Zudem erfordern sie kostennachteilige Vorbehandlungen des Targetwerkstückes und des Trägerrohres zur Fixierung der Klemmvorrichtungen.

DE 10 2004 060 423 beschreibt eine Befestigungstechnik mittels einer Verbindungsschicht, die eine möglichst hohe Benetzung zum Träger und Target aufweist und beispielsweise aus Lotwerkstoff hergestellt werden kann.

WO 2004/007791 A1 beschreibt ein Klemmsystem, bei dem vorzugsweise Federn in vorgesehenen Aussparungen das Target an den Träger drücken.

SSR/KÜ/EC/2007010215 DE 10 2004 031 161 A1 beschreibt ein Klemmsystem, bei dem Klemmringe oder ringförmige Klemmkeile das Target mit dem Träger verbinden. Die Wärmeableitung erfolgt hierbei vornehmlich über Wärmestrahlung zwischen Target und Träger.

EP 1 561 836 bzw. DE 10 2004 005 663 A1 beschreiben eine Pressverbindungstechnik zwischen Sputtertarget und Trägerrohr, bei der vorzugsweise ein verformbares, spiralförmiges Rohr zwischen Sputtertarget und Träger gebracht wird und per Fluiddruck verformt und aufgedrückt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Befestigungstechnologie für rohrförmige Sputtertargets bereitzustellen, die eine Verbindung zwischen einem Trägerrohr und einem Sputtertargetwerkstoff in einfacher Weise ermöglicht. Hierbei sollen gute elektrische Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit und Flexibilität zwischen Trägerrohr und Targetrohr in Axial-, Radial- und Umfangsrichtung gewährleistet werden. Die Befestigungstechnologie soll einfach und kostengünstig handhabbar sein und keine größeren zusätzlichen kostenaufwändigen Bearbeitungsschritte am Target oder Träger erforderlich machen.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorzugsweise Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben. Zwischen Sputtertargetrohr und Trägerrohr sind Lamellen angeordnet. Die Lamellen bewirken eine elektrische Kontaktierung, eine Wärmeübertragung und Flexibilität der Targetrohrsegmente auf dem Trägerrohr in Axial-, Radial- und Umfangsrichtung, um auftretende Spannungen abzubauen.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Targetrohr und Trägerrohr Metallstreifen angeordnet sind, die jeweils sowohl das Trägerrohr als auch das Targetrohr kontaktieren. Insbesondere sind die Metallstreifen oder einige davon aus einem Metall der Gruppe Cu, AI, Ag, Fe, Ni, Mo oder aus einer Legierung mit mindestens einem dieser Metalle gebildet. Vorzugsweise sind Metallstreifen mit einem Metall der Gruppe Sn, In, Bi, AI, Ag, Ni oder einer Legierung mit mindestens einem dieser Metalle beschichtet. Die Metallstreifen sind bevorzugt flach ausgebildet sind oder weisen geprägte oder abgekantete oder gewellte Bereiche auf. Die Metallstreifen können auch Schlitze aufweisen. Es kann vorteilhaft sein, Metallstreifen an Targetrohr und/oder an Trägerrohr anzukleben oder anzulöten oder -bonden. Sie werden vorzugsweise in Längsrichtung der Rohre, insbesondere achsparallel zur Rohrachse, angeordnet.

SSR/KÜ7EC/2007010215 Vorteilhaft kann es sein, dass zwischen Trägerrohr und Targetrohr ein wärmeleitfähiges Pulver, insbesondere als Schüttung, angeordnet ist.

Bevorzugt kann das Sputtermaterial des Targetrohrs eine insbesondere gegossene, Silizium- Aluminium-Legierung oder eine Keramik, insbesondere aus Zinkoxid-Aluminiumoxid, sein.

Die Sputtertargetanordnung ist vorzugsweise für eine Belastung im Sputterverfahren, insbesondere im Gleichstromverfahren, von mindestens 1OkW pro Meter der Sputtertargetlänge bei einem Sputtertargetdurchmesser von mindestens 150mm geeignet.

Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von Zeichnungen erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 : beispielhafte Querschnitte durch vorgeformte Lamellen

Fig. 2: eine Lamellenaufsicht / einen Lamellenquerschnitt

Fig. 3: beispielhafte Anordnung verschiedener Lamellentypen vereinfacht

Das Trägerrohr und das Targetrohr werden auf den Verbindungsflächen aufgerauht bzw. mit rauhen Schichten versehen. Die Verbindung zwischen Träger und Target wird über Lamellen (auch als Metallstreifen bezeichnet) hergestellt, die sich über Haftreibung in die Oberflächen der Kontaktpartner verhaken/verkrallen. Die Lamellen bestehen bevorzugt aus „weichen" Metallen wie Cu, AI, Ag und deren Legierungen, aber auch aus Fe, Ni, Mo und deren Legierungen. Besonders bevorzugt werden Metalle bzw. Legierungen der erst genannten Gruppe, um eine gute mechanische Verkrallung und ausreichende Wärmeabfuhr zu gewährleisten. Die im Sput- terbetrieb abzuführende Wärme führt insbesondere zur Ausdehnung der Lamellen, wodurch der Effekt der mechanischen Verkrallung verstärkt wird. Die Breite und Dicke der Lamellen wird insbesondere so gewählt, dass möglichst viele Lamellen eingebaut werden können, damit ein hoher Wärmefluss vom Target zum Träger erfolgen kann. Sie werden vorzugsweise axial, also parallel zur Rohrachse, angeordnet, können aber auch umfangsmäßig eingebracht werden. Es ist hierbei wichtig, dass die Lamellen eine möglichst große Kontaktfläche mit dem Targetwerkstoff und mit dem Trägerrohr aufweisen. Es ist vorteilhaft, möglichst viele solcher Lamellen einzusetzen, um die Kontaktfläche zu erhöhen. Zur optimalen Kontaktierung können die Lamellen vorgeformt/geprägt werden. Damit wird eine besonders großflächige und starke Kontaktierung zum Kontaktpartner erreicht. Eine Beschichtung der Lamellen mit einem weicheren Metall wie z.B. Sn oder In erhöht die Fähigkeit zur mechanischen Verhakung und die wirksame Kon- taktierungsfläche der Lamellen zu Target und Träger. Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung

SSR/KÜ/EC/2007010215 der mechanischen Verhakung ist die Ausbildung von fuß- oder krallenartigen Lamellenrändem. Des Weiteren können die Lamellen auch mit einem hochtemperaturbeständigen Kleber eingeklebt werden. Zur weiteren Erhöhung der Wärmeeleitfähigkeit können die Lamellen in ein wär- meleitfähiges Pulver/Granulat eingebettet werden. Hierzu eignen sich besonders Pulver bzw. Pulvermischungen aus Cu, AI, Ag, Sn, Zn, Fe, C. Die Länge der Lamellen entspricht bei axialer Anordnung idealerweise der Länge des zu befestigenden Targetrohrsegmentes, z.B. 250-300mm, ihre Breite ist ein Bruchteil des Trägerrohrumfanges, ihre Dicke 0,1-1 , 0mm, ihre Form ist gerundet oder geprägt, z.B. gewellt. Im Falle einer Anordnung der Lamellen über den Umfang entspricht ihre Länge idealerweise dem Trägerrohrumfang. Diese Art der Verbindungstechnik ist besonders geeignet für harte und spröde Materialien und Materialien, die aus technischen Gründen oder Kostengründen in Rohrsegmenten hergestellt werden. Darunter fallen z.B. SiAI-Gusslegierungen, Ag-Legierungen und Keramiken wie ZnO. Zur zusätzlichen Fixierung der Segmente in achsialer Richtung kann an beiden Enden des Targets ein Rückhaltering auf das Trägerrohr fixiert, z.B. geschweißt oder gelötet werden. Dieser Ring kann in einer Aussparung des Targetmaterials am äußeren Targetrand versenkt werden.

Beispiel 1

Ein Ti-Trägerrohr mit einer Länge von 3852mm und einem Durchmesser von 133mm wird mit einer rauhen, thermischen Spritzschicht versehen. Rohrförmige SiAI-Segmente werden über ein Gussverfahren hergestellt und anschließend auf die Maße Länge=300mm, Innendurchmesser^ 35mm, Außendurchmesser=160mm gefertigt. Die Innenfläche des SiAI-Rohrsegmentes wird durch ein Anschleifverfahren aufgerauht. Ein SiAI-Rohrsegment wird über das Trägerrohr geschoben. In den Spalt zwischen Trägerrohr und SiAI-Rohr werden zuvor gefertigte 10 Stück Cu-Lamellen einer Länge von 300mm, einer Breite von 40mm und einer Dicke von 0,4mm mittels eines Hilfswerkzeuges eingeschoben. Die weiteren SiAI-Segmente werden analog aufgebracht und befestigt.

Beispiel 2

Ein SST-Trägerrohr mit einer Länge von 3191mm und einem Durchmesser von 133mm wird durch ein Sandstrahl- oder Schleifverfahren aufgerauht. Es werden keramische Rohrsegmente wie z.B. ZnO oder ZnO:AI2O3 über ein Sinterverfahren und nachfolgende mechanische Bearbeitung hergestellt mit einer Länge von 250mm, einem Innendurchmesser von 135mm und einem Außendurchmesser von 160mm. Die Innenoberfläche des keramischen Rohrsegmentes wird aufgerauht z.B. durch einen Sandstrahl- oder Anschleifprozess. Das keramische Rohrsegment wird über das Trägerrohr geschoben. Es werden Cu-Lamellen mit einer Länge von

SSR/KÜ/EC/2007010215 250mm, einer Breite von 20mm und einer Dicke von 0,3mm hergestellt, zu einem Wellenprofil geformt und anschließend verzinnt. 20 Lamellen werden mittels eines Hilfswerkzeugs zwischen Träger und Target geschoben.

Beispiel 3

Ein SST-Trägerrohr mit einer Länge von 1050mm und einem Durchmesser von 133mm wird durch ein Sandstrahl- oder Schleifverfahren aufgerauht. Es werden 4 keramische Rohrsegmente wie z.B. ZnO oder ZnO:AI2O3 über ein Sinterverfahren und nachfolgende mechanische Bearbeitung hergestellt mit einer Länge von 250mm einem Innendurchmesser von 136mm und einem Außendurchmesser von 160mm. Die Innenoberfläche des keramischen Rohrsegmentes wird aufgerauht z.B. durch einen Sandstrahl- oder Anschleifprozess. Das keramische Rohrsegment wird über das Trägerrohr geschoben. Es werden Cu-Lamellen mit einer Länge von 250mm, einer Breite von 40mm und einer Dicke von 0,5mm hergestellt und zu einem Wellen- profil geformt. 10 Lamellen werden mittels eines Hilfswerkzeugs zwischen Träger und Target geschoben. Die Targetenden werden durch angeschweißte SST-Ringe gesichert. Das Target kann mit 15kW im DC-Mode gesputtert werden.

Beispiel 4

Analog Beispiel 1-3. Die Lamellen werden zur zusätzlichen Befestigung und Kontaktflächenerhöhung mit einem hochtemperaturbeständigen Kleber eingeklebt.

Beispiel 5

Analog zu Beispielen 1-4. Die Lamellen werden in ein wärmeleitfähiges Pulver eingebettet. Das Pulver besteht aus Cu der mittleren Korngröße 100μm. Auch andere Pulver oder Pulvermischungen sind wählbar. Hiermit kann die Wärmeleitfähigkeit des Targetverbundes nochmals erhöht werden.

SSR/KÜ/EC/2007010215 Beispiel 6

Analog zu Beispielen 1-5. Es werden 5 Lamellen mit der Länge 418mm, der Breite 50mm und der Dicke 0,4mm mit Wellenprofil hergestellt. Die Lamellen werden ringförmig zwischen Targetrohrsegment und Träger eingeschoben.

Beispiel 7

Zur Herstellung der Lamellen bzw. Metallstreifen werden z.B. Al-/Al-Legierung-Blechstreifen oder Cu-/Cu-Legierung-Blechstreifen oder Stahlblechstreifen oder Ag-/Ag-Legierung- Blechstreifen hergestellt und z.B. wellenförmig vorgeformt (Fig. 1).

Beispiel 8

Zur Herstellung von Lamellen mit Randkrallen zwecks verbesserter mechanischer Verhakung werden die Längsränder der Lamellen eingeschlitzt und vorgeformt (Fig. 2).

Beispiel θ

Fig. 3 zeigt schematisch einige beispielhafte Möglichkeiten der Anordnungen von Metallstreifen / Lamellen im Spalt zwischen dem inneren Trägerrohr und dem äußeren Targetrohr. Abweichend von dieser Darstellung wird in der Regel ein bestimmter Lamellentyp verwendet und in großer Zahl in den Spalt eingebaut. Es können aber auch verschiedene Lamellentypen alternierend eingesetzt werden, da diese hinsichtlich ihrer Eigenschaften optimiert werden können, so dass einige hinsichtlich ihrer mechanischen Funktion und andere hinsichtlich ihrer Wärmeleitung optimiert werden können.

SSR/KÜ/EC/2007010215

Claims

Patentansprüche

1. Sputtertargetanordnung mit einem Trägerrohr und einem das Trägerrohr beabstandet umgebenden Targetrohr, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Targetrohr und Trägerrohr Metallstreifen angeordnet sind, die jeweils sowohl das Trägerrohr als auch das Targetrohr kontaktieren.

2. Sputtertargetanordnung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet dass die Metallstreifen aus einem Metall der Gruppe Cu, AI, Ag, Fe, Ni, Mo oder aus einer Legierung mit mindestens einem dieser Metalle gebildet sind.

3. Sputtertargetanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass Metallstreifen mit einem Metall der Gruppe Sn, In, Bi, Al₁ Ag, Ni oder einer Legierung mit mindestens einem dieser Metalle beschichtet sind.

4. Sputtertargetanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallstreifen flach ausgebildet sind oder geprägte oder abgekantete oder gewellte Bereiche aufweisen.

5. Sputtertargetanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass Metallstreifen Schlitze aufweisen.

6. Sputtertargetanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass Metallstreifen an Targetrohr und/oder an Trägerrohr geklebt, gelötet oder gebondet sind.

7. Sputtertargetanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Metallstreifen in Längsrichtung der Rohre, insbesondere achsparallel, angeordnet sind.

SSR/KÜ/EC/2007010215

8. . Sputtertargetanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Trägerrohr und Targetrohr ein wärmeleitfähiges Pulver, insbesondere als Schüttung, angeordnet ist.

9. Sputtertargetanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Sputtermaterial des Targetrohrs eine insbesondere gegossene, Silizium- Aluminium-Legierung oder eine Keramik, insbesondere aus Zinkoxid-Aluminiumoxid, ist.

10. Sputtertargetanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass sie für eine Belastung im Sputterverfahren, insbesondere im Gleichstromverfahren, von mindestens 10kW pro Meter der Sputtertargetlänge bei einem Sputtertargetdurch- messer von mindestens 150mm geeignet ist.

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