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Dokumentenidentifikation DE102005017191A1 19.10.2006
Titel Rohrförmiges Sputtertarget und Verfahren zu seiner Herstellung
Anmelder W.C. Heraeus GmbH, 63450 Hanau, DE
Erfinder Schlott, Martin, Dr., 63075 Offenbach, DE;
Simons, Christoph, Dr., 63599 Biebergemünd, DE;
Pavel, Hans-Joachim, 63526 Erlensee, DE
Vertreter Kühn, H., Pat.-Ass., 63450 Hanau
DE-Anmeldedatum 13.04.2005
DE-Aktenzeichen 102005017191
Offenlegungstag 19.10.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 19.10.2006
IPC-Hauptklasse C23C 14/34(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
Zusammenfassung Die Erfindung betrifft ein rohrförmiges Sputtertarget, insbesondere zur Herstellung von TFT-Displays, und besteht darin, dass der im Sputterprozess genutzte Rohrbereich frei von Stößen oder Nähten ist (monolith oder Bondrohr) und das Targetmaterial Al oder eine Aluminium-Legierung aufweist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein rohrförmige Sputtertarget sowie ein Verfahren zu seiner Herstellung, insbesondere zur Beschichtung von TFT-LCD Bildschirmen

Al-Legierungen und speziell Al:Nd werden seit einigen Jahren als sogenannte Sputtertargets zur großtechnischen Herstellung von transparenten leitfähigen Schichten eingesetzt. Bei diesem Vakuum-Beschichtungsverfahren wurden bisher ausschließlich planare Sputtertargets eingesetzt. Ein bevorzugtes Verfahren zur Herstellung solcher Al:Nd Planartargets ist das Sprühformen, gefolgt von einer Nachverdichtung über heißisostatisches Pressen sowie anschließender Umformung über Walzen.

Die ständig steigende Größe der Substrate für TFT-Displays macht es erforderlich, auch immer größere Sputterkathoden zur Verfügung zu stellen. Dies führt zu einer Reihe von Problemen. Zum Beispiel wird es immer schwieriger, entsprechend große Targetplatten einteilig zu fertigen. Außerdem gibt es auch zunehmend Probleme beim Bonden der Targets auf entsprechende Trägerplatte. Aus anderen Anwendungen (Architekturglas) ist der Einsatz von Rohrkathoden/zylinderförmigen Magnetrons bekannt. Hierbei werden die abzusputternden Targetwerkstoffe in Form von Hohlzylindern entweder in monolithischer Form (d.h. ohne Trägerrohr) oder als gebondete Konstruktion (d.h. mit Trägerrohr) hergestellt. Bisher kommen hier vor allem Si, Sn, Zn zum Einsatz.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung war es nun, ein technisch und ökonomisch attraktives Verfahren zu entwickeln, mit dem einteilige rohrförmige Sputtertargets auf der Basis von Al und Al-Legierungen für die TFT-Display-Beschichtung hergestellt werden können.

Die Aufgabe wird durch die unabhängigen Ansprüche gelöst, vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Das erfindungsgemäße rohrförmige Sputtertarget ist dadurch gekennzeichnet, dass der im Sputterprozess genutzte Rohrbereich frei von Stößen oder Nähten ist (monolith oder Bondrohr) und das Targetmaterial Al oder eine Aluminium-Legierungen aufweist. Insbesondere kann als Al-Legierung eine Al-Nd-Legierung eingesetzt werden. Zweckmäßig ist es, dass das Targetmaterial eine metallische Reinheit von mindestens 99,99%, insbesondere von mindestens 99,999% aufweist. Weiterhin ist es vorteilhaft, dass das Targetmaterial einen Sauerstoffgehalt von höchstens 500ppm, insbesondere höchstens 250 ppm aufweist. Weiterhin ist es zweckmäßig, dass im Fall einer Al-Legierung die Ausscheidungen an einer zweiten Phase der Al-Legierung in feinverteilter Form vorliegen. Ebenso ist es von Vorteil, dass die Ausscheidungen an einer zweiten Phase der Al-Legierung in ihrem Querschnitt durchschnittlich kleiner als 50 &mgr;m, bevorzugt kleiner als 10 &mgr;m, und insbesondere kleiner als 5 &mgr;m sind. Das Gefüge besteht vorteilhafterweise aus Körnern mit einer mittleren Korngröße von kleiner als 500 &mgr;m, bevorzugt kleiner als 200 &mgr;m, insbesondere kleiner als 100 &mgr;m.

Das erfindungsgemäße Verfahren zur Herstellung eines rohrförmigen Sputtertargets ist dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein Block hergestellt wird und dieser Block anschließend über einen Extrusionsprozess zu einem nahtlosen Rohrtarget geformt wird. Zweckmäßig wird der Block über ein Schutzgas- oder Vakuum-Gießverfahren oder über Sprühformen oder Pressen eines Granulats hergestellt. Zweckmäßig ist es weiterhin, dass mehrere Blöcke hintereinander gelegt und gleichzeitig zu einem einzigen naht- und ansatzlosen Rohr verarbeitet werden.

TFT-Displays erfordern den Einsatz spezieller Aluminiumlegierungen als Leiterbahnen, damit die Al-Leiterbahnen bei dem erforderlichen Glühschritt des TFT-Prozesses nicht zur Vergröberung und Hillock-Bildung neigen. In der Literatur werden hierzu verschiedene Legierungen wie z.B. Al, Al:Nd(2at%) beschrieben. Die Schwierigkeit bei den Legierungen besteht nun darin, die für die Schichtfunktion wichtigen Ausscheidungen einer zweiten Phase möglichst fein und gleichmäßig verteilt zu gestalten.

Der Einsatz sprühgeformter Körper (wie für die Planaretargets) ist hierzu grundsätzlich möglich, jedoch ist das Gewicht solcher Körper wegen der zur Verfügung stehenden Anlagen in der Regel recht begrenzt, so dass sich lange Targetrohre nur segmentiert herstellen lassen. Bei den Versuchen zu einem geeigneten Verfahren zur Herstellung einteiliger Targetrohre aus Al-Legierungen ergaben sich folgende überraschende Möglichkeiten:

  • 1) Gießtechnisch hergestellte Hohlzylinder erwiesen sich bei geeignet gewählten Pressbedingungen als strangpressbar. Während die Gussstruktur und die Größe der Ausscheidungen der zweiten Phase, bedingt durch die langsame Abkühlung in der Zylinderform, recht grob war, wiesen die stranggepressten Rohre eine sehr feine Kornstruktur sowie eine sehr feine Verteilung an Ausscheidungen der 2. Phase auf. Offensichtlich führt die starke Umformung beim Strangpressen zu einem Aufbrechen und Umverteilen der groben Ausscheidungen der zweiten Phase. Da es kein Problem ist, entsprechend große Gussrohlinge herzustellen, lassen sich so einteilige Targetrohre mit über 2,5m Länge fertigen.
  • 2) Auch der Einsatz sprühgeformter Blöcke ist möglich. Es ergab sich überraschend, dass die in der Technik sonst angewandte Vorverdichtung über HIP (heißisostatisches Pressen) nicht erforderlich ist. Dieser erste Verdichtungsschritt ergibt sich vielmehr schon beim Anpressen des Blocks in der Extrusionsanlage sowie während des unter starkem Pressdruck ablaufenden Extrudiervorgangs. Im Gegensatz hierzu besteht beim Walzen planarer Targets aus sprühgeformten Blöcken die Gefahr, dass die Blöcke wegen der verblieben Porosität reißen. Um die beschränkte Blockgröße zu überwinden, wurden versuchsweise zwei sorgfältig plangedrehte Blöcke hintereinander in die Strangpresse eingesetzt. Das hieraus extrudierte Rohr war nach dem Besäumen 2,6m lang und wies in seinem Gefüge keine Anzeichen auf die Nahtstelle der Blöcke auf.
  • 3) Eine Al:Nd Legierung wurde zu einem Granulat vergossen. Dieses Granulat wurde kalt zu einem Block vorgepresst der dann anschließend über Strangpressen zu einem Rohr geformt wurde.

In allen drei Fällen ergab sich eine homogene, feinverteilte Form an Al:Nd Ausscheidungen sowie ein sehr feines Targetgefüge. Die Größe der Ausscheidungen hängt vom Ausgangsblock ab und lag insgesamt im Bereich von 2–100 &mgr;m.


Anspruch[de]
Rohrförmiges Sputtertarget, insbesondere zur Herstellung von TFT-Displays, dadurch gekennzeichnet, dass der im Sputterprozess genutzte Rohrbereich frei von Stößen oder Nähten ist und das Targetmaterial Al oder eine Aluminium-Legierungen aufweist. Rohrförmiges Sputtertarget nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Al-Legierung eine Al-Nd-Legierung eingesetzt wird. Rohrförmiges Sputtertarget nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Targetmaterial eine metallische Reinheit von mindestens 99,99% aufweist. Rohrförmiges Sputtertarget nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Targetmaterial eine metallische Reinheit von mindestens 99,999% aufweist. Rohrförmiges Sputtertarget nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Targetmaterial einen Sauerstoffgehalt von höchstens 500ppm aufweist. Rohrförmiges Sputtertarget nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Targetmaterial einen Sauerstoffgehalt von höchstens 250ppm aufweist. Rohrförmiges Sputtertarget nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Fall einer Al-Legierung die Ausscheidungen an einer zweiten Phase der Al-Legierung in feinverteilter Form vorliegen. Rohrförmiges Sputtertarget nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausscheidungen an einer zweiten Phase der Al-Legierung in ihrem Querschnitt durchschnittlich kleiner als 50 &mgr;m, bevorzugt kleiner als 10 &mgr;m, und insbesondere kleiner als 5 &mgr;m sind. Rohrförmiges Sputtertarget nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gefüge aus Körnern mit einer mittleren Korngröße von kleiner als 500 &mgr;m, bevorzugt kleiner als 200 &mgr;m, insbesondere kleiner als 100 &mgr;m besteht. Verfahren zur Herstellung eines rohrförmigen Sputtertargets nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zunächst ein Block hergestellt wird und dieser Block anschließend über einen Extrusionsprozess zu einem nahtlosen Rohrtarget geformt wird. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Block über ein Schutzgas- oder Vakuum-Gießverfahren hergestellt wird. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Block über Sprühformen oder Pressen eines Granulats hergestellt wird. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere Blöcke hintereinander gelegt und gleichzeitig zu einem einzigen naht- und ansatzlosen Rohr verarbeitet werden.






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