Sputtertargets sind unverzichtbare Rohstoffe für die Herstellung funktioneller Dünnschichten in der Halbleiterindustrie, für Anzeigetafeln, in der Photovoltaik und in anderen Bereichen. Ihre Rolle in verschiedenen Abscheidungsprozessen macht sie technologisch unersetzlich. Durch die Auswahl verschiedener Zielmaterialien können die Hersteller Schichten mit unterschiedlichen Funktionen wie Leitfähigkeit, Diffusionsbarriereeigenschaften oder optischen Merkmalen erhalten. Von allen Anwendungsbereichen stellen Halbleiter die strengsten technischen Anforderungen an Sputtertargets, was zu den höchsten Materialreinheitsstandards und Preisen führt. Ein Schlüsselmaterial in diesem Zusammenhang ist das Sputtertarget.
Was ist die Definition von Sputtering-Targets?
Sputtertargets werden sowohl bei der Herstellung von Wafern als auch beim Chip Packaging verwendet.
Bei der Waferherstellung dienen sie hauptsächlich als Metallquelle für die Sputterabscheidung.
Beim Chip-Packaging werden sie in der Regel für die Metallisierung von Klebe- und Verbindungsschichten verwendet.
Bei integrierten Schaltkreisen spielen Metallsputtertargets eine entscheidende Rolle bei der Bildung der Leiterbahnen, die für die Übertragung elektrischer Signale auf dem Chip verantwortlich sind.
Was sind die technischen Anforderungen an Sputtertargets?
Beim Sputtern werden durch Ionenbeschuss Atome aus einem festen Target herausgeschleudert, die sich dann auf einem Wafer oder Substrat ablagern und dünne Schichten mit elektrischen, mechanischen oder schützenden Funktionen bilden. Da diese Schichten wesentliche Bestandteile integrierter Schaltkreise sind, gelten für Sputtertargets in Halbleiterqualität strenge Anforderungen hinsichtlich Reinheit, Dichte, Korngröße und Ausrichtung sowie Oberflächenqualität.
(1) Reinheit
Die Reinheit eines Metallsputtertargets bestimmt direkt die Reinheit und Leistung der abgeschiedenen Schicht. Selbst Spuren von Verunreinigungen können die elektrischen, optischen oder mechanischen Eigenschaften beeinträchtigen. Die Reinheit der Targets wird in 3N, 4N, 5N, 6N und 7N eingeteilt, wobei “N” für die Anzahl der Neunen im Reinheitsgrad steht. Halbleiteranwendungen erfordern in der Regel eine Reinheit von 5N (99,999 %) bis 6N (99,9999 %).
Darüber hinaus muss der Gehalt an Alkalimetallen (K, Na, Li), radioaktiven Elementen (U, Th), Übergangsmetallen (Fe, Ni, Cr), Halogenen (Cl) und gasförmigen Verunreinigungen (C, O, N) streng kontrolliert werden, um eine Verunreinigung des Gate-Dielektrikums zu verhindern und die Stabilität der Bauteile zu gewährleisten.
(2) Korngröße und -ausrichtung
Die Korngröße beeinflusst die Sputterrate, da Atome in der Nähe von Korngrenzen leichter herausgeschleudert werden können. Feinere und gleichmäßigere Körner führen zu stabileren Abscheideraten und gleichmäßigeren Schichtdicken. Für Halbleitertargets sind in der Regel Korngrößen unter 100 μm erforderlich .
Die Kornorientierung wirkt sich auch auf das Sputterverhalten aus, da die Atome bevorzugt entlang dicht gepackter Richtungen sputtern. Eine technische Anpassung der Kristallorientierung kann daher die Effizienz und Konsistenz der Abscheidung verbessern.
(3) Dichte
Die Dichte eines Sputtertargets sollte nahe an seiner theoretischen Dichte liegen, mit minimaler Porosität. Targets mit geringer Dichte enthalten Hohlräume, in denen sich Verunreinigungen ansammeln können und die während des Sputterns zu anormalen Entladungen führen, was letztlich die Schichtqualität und die Abscheidungsstabilität beeinträchtigt.
(4) Oberflächenqualität
Vorsprünge oder Unregelmäßigkeiten auf der Oberfläche können eine lokale Verstärkung des elektrischen Feldes verursachen, was zu Lichtbogenbildung oder Entladungen während des Sputterns führt. Daher müssen die Targets eine ausgezeichnete Ebenheit, Geradheit und Oberflächenrauhigkeit aufweisen.
Was sind die Anwendungsbereiche von Sputtertargets?
Hochreine Sputtertargets werden in erster Linie in vier großen Bereichen eingesetzt: Anzeigetafeln, Informationsspeicher, Solarzellen und Halbleiterchips.
(1) Chip-Targets
Chip-Targets gehören zu den technologisch anspruchsvollsten Materialien. Halbleiterprozesse erfordern ultrahochreine Metalle und präzise Abmessungen. Zu den gängigen Materialien gehören hochreines Kupfer, Aluminium, Titan, Tantal und Kupfer-Mangan-Legierungen. Für fortschrittliche integrierte Schaltungen erfordern Aluminium-Targets in der Regel Reinheiten über 5N5.
(2) Targets für Anzeigetafeln
Für Display-Anwendungen werden hochreines Aluminium, Kupfer, Molybdän und Indium-Zinn-Oxid (ITO) verwendet . Diese Targets müssen eine großflächige, gleichmäßige Abscheidung für Produkte wie hochauflösende Fernsehgeräte und Laptops ermöglichen. Aluminiumtargets für Anzeigetafeln erfordern im Allgemeinen einen Reinheitsgrad von 5N oder höher.
(3) Targets für die Informationsspeicherung
Informationsspeichergeräte erfordern Materialien, die eine hohe Aufzeichnungsdichte und eine schnelle Datenübertragung ermöglichen. Beispiele hierfür sind Co, Ni, Fe und ihre Legierungen für magnetische Aufzeichnungsschichten, Ru für nichtmagnetische Abstandsschichten und Ta, Cu für leitende oder Pufferschichten. Diese Targets erfordern eine außergewöhnliche magnetische Stabilität, Gleichmäßigkeit der Schichten, geringe Defekte und Kompatibilität mit mehrlagigen Nanostrukturen.
(4) Targets für Solarzellen
Bei Solarzellentechnologien werden je nach Gerätetyp verschiedene Sputtertargets verwendet. CIGS-Zellen benötigen Kupfer-, Indium-, Gallium-, Selen- und Molybdän-Targets; CdTe-Zellen verwenden Cadmium und Tellur; und transparente leitende Schichten in verschiedenen Photovoltaik-Technologien verwenden in der Regel ITO oder AZO. Diese Targets müssen eine hohe Reinheit und Gleichmäßigkeit aufweisen und großflächig beschichtet werden, um die Umwandlungseffizienz zu verbessern und die Herstellungskosten zu senken.
Schlussfolgerung
Da die Halbleiterindustrie immer leistungsfähiger wird, eine stärkere Integration anstrebt und die Fertigung in größerem Maßstab betreibt, wird die Bedeutung der Sputtertargets immer deutlicher. Sie wirken sich nicht nur direkt auf die Qualität der funktionalen Dünnschichten aus, sondern bestimmen auch die Zuverlässigkeit der Geräte, die Energieeffizienz und die Gesamtausbeute des Prozesses.
In der Zukunft werden Sputtertargets weiterhin technologische Durchbrüche bei der Reinheitskontrolle, dem Zusammensetzungsdesign, den Sinterprozessen und der Herstellung großer Formate erleben, was ihre Rolle als eines der wichtigsten Grundmaterialien für die laufende Entwicklung der globalen Elektronikindustrie stärken wird.