Entwicklungsstand und Zukunftstrends der Sputtertarget-Industrie

(I) Grundlegender Überblick über die Sputtertarget-Industrie

1. Entwicklungsgeschichte der Dünnschichtherstellungstechnologie

Dünnschichtmaterialien entstehen durch Kondensation, Bildung und Wachstum von Atomen oder Molekülen auf der Oberfläche eines Substrats (z. B. optischem Glas). Durch das Aufbringen einer Dünnschicht mittels Beschichtungsverfahren lassen sich der Materialoberfläche neue Eigenschaften verleihen, wodurch neue technische Anwendungen möglich werden. Die Materialoberfläche erhält dadurch neue mechanische, dekorative und spezielle Funktionen wie akustische, elektrische, optische, magnetische und thermische Eigenschaften sowie deren Umwandlung. Dies verbessert die ursprüngliche Leistung des Produkts, erhöht dessen Qualität und verlängert seine Lebensdauer.

In den Anfängen der Dünnschichtmaterialindustrie waren Dünnschichten aufgrund begrenzter Herstellungstechnologien und Materialeigenschaften lediglich für Anwendungen wie Korrosionsschutz und Spiegelherstellung geeignet. Fortschritte bei Technologien wie Vakuumsystemen und Detektionssystemen für die Dünnschichtherstellung haben die Leistungsfähigkeit von Dünnschichten deutlich verbessert und ihre Anwendungsbereiche rasant erweitert. Insbesondere seit den 1950er-Jahren, mit dem Aufstieg der Elektronik- und Informationsindustrie, haben Dünnschichtherstellungstechnologien und -materialien ihre Vorteile in der Großserienfertigung von Leiterplatten und der Miniaturisierung integrierter Schaltungen (ICs) unter Beweis gestellt. Heute sind Dünnschichtsynthese und -herstellung unverzichtbare Mittel zur Entwicklung neuer Materialien. Dünnschichtherstellungstechnologien und -materialien finden breite Anwendung in verschiedenen kritischen Bereichen der modernen Technologie und der Volkswirtschaft, wie beispielsweise in der Luft- und Raumfahrt, der elektronischen Informationstechnik, dem Gesundheitswesen, der Energiewirtschaft und der Kommunikationstechnik.

Die Vakuumbeschichtungstechnologie bildet die Grundlage der Dünnschichtherstellung; nahezu alle Dünnschichtmaterialien müssen unter Vakuum- oder Niederdruckbedingungen hergestellt werden. Basierend auf unterschiedlichen Prozessprinzipien lässt sich die Vakuumbeschichtungstechnologie in CVD (Chemical Vapor Deposition) und PVD (Physical Vapor Deposition) unterteilen. CVD ist ein Verfahren, bei dem Dünnschichten durch chemische Reaktionen von Gasmischungen auf der Substratoberfläche abgeschieden werden. Dieses Verfahren ist jedoch hinsichtlich der Auswahl von Reaktanten und Produkten eingeschränkt. Da chemische Reaktionen zudem relativ hohe Temperaturen erfordern, wird die Substratumgebung in der Regel erwärmt, was die Auswahl des Substratmaterials ebenfalls einschränkt. PVD hingegen ist eine Technologie, die Dünnschichten mit spezifischen Funktionen physikalisch auf der Substratoberfläche abscheidet. Sie bietet eine große Auswahl an Abscheidungsmaterialien und Substratmaterialien, eine einfachere Kontrolle der Schichtdicke, eine stärkere Haftung und ein breiteres Anwendungsspektrum. Das Beschichtungsverfahren ist energieeffizienter, sicherer und umweltfreundlicher und hat sich daher heute als Standardtechnologie in der Dünnschichtherstellung etabliert.

Die PVD-Vakuumbeschichtungstechnologie, klassifiziert nach spezifischem Prozess und technischem Verfahren, umfasst hauptsächlich die Vakuumverdampfungsbeschichtung und die Vakuumsputterbeschichtung. Die Vakuumverdampfungsbeschichtung ist einfach, bequem und ermöglicht eine schnelle Filmbildung, weshalb sie in der Anfangsphase der Entwicklung dominierte. Aufgrund ihrer Unfähigkeit, hochschmelzende Metalle und Oxidmaterialien zu verdampfen, ihrer geringen Eignung für die Beschichtung großflächiger Substrate und anderer Faktoren wurde sie jedoch zunehmend durch die Vakuumsputterbeschichtung ersetzt. Die Vakuumsputterbeschichtung bietet eine gute Reproduzierbarkeit und kontrollierbare Filmdicke und ermöglicht so die Abscheidung gleichmäßiger Filme auf großflächigen Substraten. Die hergestellten Filme weisen Vorteile wie hohe Reinheit, gute Dichte und starke Haftung auf dem Substratmaterial auf, wodurch sie zu einer der wichtigsten Technologien für die industrielle Herstellung verschiedener Dünnschichten geworden ist. Da die Leistungsanforderungen an Dünnschichten stetig steigen, wurde die Vakuumsputtertechnologie kontinuierlich verbessert und weiterentwickelt. Mikrowellen-Sputtern Technologie ist derzeit die am weitesten verbreitete.

Das primäre Beschichtungsmaterial in der Magnetron-Sputtertechnologie ist das Sputtertarget. Je nach Form des verwendeten Sputtertargets unterscheidet man zwischen planarer und rotierender Magnetron-Sputtertechnologie. Bei der Magnetron-Sputtertechnologie werden Ionen in einem Vakuum durch ein elektrisches Feld beschleunigt, wodurch ein Ionenstrahl mit hoher kinetischer Energie entsteht, der auf eine feste Oberfläche trifft. Dabei werden Atome von der Oberfläche abgesputtert und auf dem zu beschichtenden Objekt abgeschieden. Das von den Hochgeschwindigkeitsionen beschossene feste Material (das Sputtertarget) dient als Quelle des Dünnfilms und fungiert während des Beschichtungsprozesses wie ein beschossenes Target.

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2. Struktur und Klassifizierung von Sputtertargets

Als Sputtertarget bezeichnet man die Sputterquelle, die unter geeigneten Prozessbedingungen mittels Beschichtungssystemen wie Magnetron-Sputtern auf ein Substrat aufgebracht wird, um verschiedene funktionelle Dünnschichten zu bilden.

Ein Sputtertarget besteht im Wesentlichen aus einem Targetrohling und einer Trägerplatte (im Folgenden analog: Trägerrohr). Der Targetrohling bildet den Kern des Sputtertargets und dient als Targetmaterial, das während des Sputterprozesses vom hochenergetischen Ionenstrahl beschossen wird. Beim Auftreffen der Ionen auf den Targetrohling werden Atome von seiner Oberfläche herausgesputtert und auf der Substratoberfläche abgeschieden, wodurch ein dünner Film entsteht. Die Trägerplatte dient hauptsächlich der Fixierung und Unterstützung des Targetrohlings sowie der Wärme- und elektrischen Leitung. Sie besteht in der Regel aus Metall. Da Sputtertargets für den Sputterprozess in speziellen Sputteranlagen installiert werden müssen und im Inneren der Anlagen Hochspannung und Hochvakuum herrschen, weisen die meisten Targetrohlinge Eigenschaften wie relative Weichheit, hohe Sprödigkeit und geringe elektrische und thermische Leitfähigkeit auf. Dies macht sie für den direkten Einbau und Einsatz in der Anlage ungeeignet. Daher müssen sie mit einer Trägerplatte verbunden werden.

Mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Magnetron-Sputtertechnologie und den steigenden Anforderungen nachgelagerter Anwendungen hat sich die Vielfalt der für Sputtertargets verwendeten Materialien deutlich erhöht. Aktuell werden unter anderem elementare Metalle/Nichtmetalle, Legierungen und weitere Materialien zur Herstellung von Sputtertargets eingesetzt. Keramische VerbindungenElementare Metall-/Nichtmetall-Targets bestehen aus demselben Metall-/Nichtmetall-Element und zeichnen sich durch hohe Reinheit und spezifische Mikrostrukturen aus. Beispiele hierfür sind Kupfer- (Cu), Aluminium- (Al), Molybdän- (Mo), Titan- (Ti), Silizium- (Si), Graphit- (C) und Bor- (B) Targets. Sie sind wichtige Rohstoffe für die Herstellung von Elektrodenverdrahtungsfilmen, Barriereschichten, Haftschichten und Reflexionsfilmen. Legierungstargets werden aus zwei oder mehr Metallen oder Nichtmetallen synthetisiert und weisen bestimmte metallische Eigenschaften auf, wie beispielsweise Titan-Aluminium- (TiAl), Nickel-Chrom- (NiCr) und Molybdän-Niob- (MoNb) Targets. Legierungstargets besitzen spezifische, den elementaren Targets überlegene Eigenschaften und erfüllen die Anforderungen an Design und Entwicklung neuer funktionaler Filmsysteme. Keramische Verbundtargets bestehen aus einem oder mehreren Oxiden, die bei hohen Temperaturen gesintert werden und keramische Strukturen und Eigenschaften aufweisen, wie beispielsweise ITO-Targets (Indiumzinnoxid), IZO-Targets (Indiumzinkoxid), AZO-Targets (Aluminiumzinkoxid) usw. Keramische Verbundtargets bieten Vorteile wie hohe Festigkeit, hohen Schmelzpunkt, gute chemische Stabilität und Korrosionsbeständigkeit, weisen jedoch eine geringe plastische Verformbarkeit auf, neigen zu Sprödbruch und sind in großen Abmessungen schwer herzustellen.

Für die Sputterbeschichtung werden spezielle Sputtertargets benötigt. Sputtertargets lassen sich nach ihrer Form in planare und rotierende Targets unterteilen. Planare Targets sind längliche, quadratische, runde usw. Targets mit einer bestimmten Dicke, die durch das Verbinden eines Targetrohlings mit einer Trägerplatte entstehen. Beim Sputtern sind Targetrohling und Substrat parallel zueinander ausgerichtet. Unterhalb der Trägerplatte befinden sich Magnete, die ein elektromagnetisches Feld zwischen Targetrohling und Substrat erzeugen. Rotierende Targets sind röhrenförmige Sputtertargets, bei denen Magnete im Inneren des Röhrentargets ein elektromagnetisches Feld zum Substrat hin erzeugen. Je nachdem, ob eine Verbindung mit einer Trägerplatte oder einem Rohr erforderlich ist, lassen sich Sputtertargets in monolithische und gebundene Targets unterteilen. Monolithische Targets sind typischerweise metallische Elementtargets, die direkt im Herstellungsprozess aus Metall geformt werden, ohne Trägerplatte oder Rohr. Sie benötigen keine Verbindung und können direkt installiert und verwendet werden. Gebundene Targets sind typischerweise nichtmetallische Elementtargets oder keramische Verbundtargets, die vor dem Sputtern mit einer Trägerplatte oder einem Rohr verbunden werden müssen.

3. Stellung und Rolle der Sputtertarget-Industrie in der industriellen Wertschöpfungskette und ihre Beziehung zu vorgelagerten und nachgelagerten Industrien

Die Wertschöpfungskette der Sputtertarget-Industrie umfasst im Wesentlichen die Metallreinigung, die Targetherstellung, die Sputterbeschichtung und die Endanwendungen. Die Targetherstellung ist dabei ein entscheidendes Glied in der Wertschöpfungskette. Die Produktqualität und die Leistungskennzahlen der Sputtertargets bestimmen unmittelbar die Qualität und Stabilität der Endprodukte.

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In der Wertschöpfungskette der Sputtertarget-Industrie umfasst die vorgelagerte Metallreinigung primär die Reinigung natürlich vorkommender, verunreinigter Metalle, um die Produktionsanforderungen der Targetherstellung zu erfüllen. Die Targetherstellung erfordert zahlreiche präzise und komplexe Prozesse sowie ein spezifisches Prozessdesign, das auf den Leistungsanforderungen der nachgelagerten Anwendungsbereiche basiert. Die Sputterbeschichtung beinhaltet im Wesentlichen die Installation des Sputtertargets in einer speziellen Sputteranlage zur Durchführung der Sputterreaktion. Dabei werden Schichten mit Eigenschaften wie Leitfähigkeit, Isolation, Photoleitfähigkeit, Piezoelektrizität, Magnetismus, Schmierfähigkeit, Supraleitung, Verschleißfestigkeit und dekorativen Eigenschaften erzeugt. Anschließend erfolgt die Komponentenverpackung. Die Endanwendungen umfassen die Verwendung der verpackten Komponenten zur Herstellung von Produkten für Endverbraucher.

Als Schlüsselmaterial für die industrielle Herstellung verschiedener Dünnschichten finden Sputtertargets breite Anwendung in integrierten Halbleiterschaltungen, Flachbildschirmen, Solarzellen, Datenspeichern, Wärmeschutzglas und anderen Bereichen. Unterschiedliche Anwendungsgebiete stellen unterschiedliche Anforderungen an die Herstellungstechnologie und die Produkteigenschaften von Sputtertargets.

Sputtertargets gehören zu den Kernmaterialien für die Herstellung integrierter Halbleiterschaltungen. Jede Einheit einer integrierten Schaltung besteht unter anderem aus Substrat, Isolierschicht, dielektrischer Schicht, Leiterschicht und Schutzschicht. Die dielektrische Schicht, die Leiterschicht und selbst die Schutzschicht erfordern Sputterbeschichtungsverfahren. Seit der Entwicklung integrierter Schaltungen hat sich die IC-Industrie rasant nach dem Prinzip „eine Gerätegeneration, eine Prozessgeneration, eine Produktgeneration“ weiterentwickelt. Mit der kontinuierlich steigenden Integrationsdichte der Chips sind die Anforderungen an die in der IC-Fertigung verwendeten Sputtertargets stetig gewachsen. Sputtertargets für integrierte Halbleiterschaltungen stellen derzeit das technisch anspruchsvollste Gebiet der Branche dar.

Flachbildschirme stellen den Anwendungsbereich mit dem größten Bedarf an Sputtertargets dar. Die Beschichtung ist ein grundlegender Schritt in der modernen Flachbildschirmindustrie. Um die Gleichmäßigkeit großflächiger Filmschichten zu gewährleisten, die Produktionseffizienz zu steigern und Kosten zu senken, verwenden nahezu alle Arten von Flachbildschirmen eine große Anzahl von Sputtertargets zur Herstellung verschiedener Funktionsschichten. Viele Leistungsmerkmale von Endprodukten wie Fernsehern, Computern, Mobiltelefonen und Fahrzeugdisplays, wie Auflösung und Lichtdurchlässigkeit, hängen eng mit den Eigenschaften der gesputterten Schichten zusammen. Im Vergleich zu integrierten Halbleiterschaltungen sind die Reinheits- und technischen Anforderungen an Sputtertargets im Flachbildschirmbereich etwas geringer. Mit zunehmender Targetgröße steigen jedoch die Anforderungen an Indikatoren wie Gleichmäßigkeit, Ebenheit und Haftungsrate der Sputtertargets.

Solarzellen zählen zu den Anwendungsgebieten mit erheblichem Zukunftspotenzial für Sputtertargets. Diese werden hauptsächlich zur Herstellung von Rückelektroden für Dünnschichtsolarzellen und Leiterschichten für HJT-Solarzellen (Heterojunction-Technologie) verwendet. In den letzten Jahren haben Länder weltweit die Photovoltaikindustrie verstärkt gefördert. Die Solarzellentechnologie hat sich global rasant weiterentwickelt – von frühen monokristallinen und polykristallinen Silizium-Solarzellen bis hin zur Dünnschicht-Solarzellentechnologie der dritten Generation. Sputterbeschichtung ist das bevorzugte Herstellungsverfahren für Dünnschichtsolarzellen. Um die photoelektrische Umwandlungseffizienz weiter zu verbessern und die Herstellungskosten zu senken, werden gleichzeitig kontinuierlich neue Solarzellentechnologien wie HJT entwickelt. Die breite Anwendung und Förderung von Solarzellen wird das rasante Wachstum der Marktnachfrage nach Sputtertargets vorantreiben.

Darüber hinaus finden Sputtertargets breite Anwendung in der Datenspeicherung, Glasbeschichtung, dekorativen Beschichtung, Werkzeug- und Formenbeschichtung sowie weiteren Bereichen. Verglichen mit der Halbleiterindustrie und der Flachbildschirmindustrie sind die technischen Anforderungen an Sputtertargets hinsichtlich Reinheit und Kornorientierung in Bereichen wie Datenspeicherung, Glasbeschichtung und dekorativer Beschichtung im Allgemeinen geringer. Unter der Voraussetzung, dass Produktqualität und technische Anforderungen erfüllt werden, liegt der Fokus in diesen Bereichen stärker auf Kosten, Produktionskapazität, Lieferstabilität und Lieferzeit.

(II) Globale Entwicklung der Sputtertargetindustrie

Hochleistungs-Sputtertargets entstanden parallel zur Entwicklung von Branchen wie Halbleiter, Flachbildschirmen, Datenspeicherung und Mikroelektronik. Aufgrund ihrer vielfältigen technischen Eigenschaften wie elektrische, magnetische und thermische Eigenschaften, Reflexionsvermögen und Farbdarstellung zählt diese Branche zu den technologieintensivsten. Die Anforderungen an Produktionstechnologie, Maschinen und Anlagen, Prozessabläufe und Arbeitsumgebung sind sehr hoch, und der Markt wurde lange Zeit von ausländischen Unternehmen dominiert. Seit den 1970er Jahren, mit der kontinuierlichen Weiterentwicklung der Elektronik- und Informationsindustrie, entstanden in Industrieländern und Regionen wie den USA, Japan und Europa zahlreiche Hersteller von Hochleistungs-Sputtertargets. Nach der Beherrschung der Kerntechnologien setzten diese Unternehmen strenge Geheimhaltungs- und Patentlizenzierungsmaßnahmen um und sicherten sich so eine dominante Position auf dem globalen Markt für Sputtertargets. Statistiken zufolge entfielen von 1990 bis 1998 58 % der weltweit in den USA angemeldeten Patente für Sputtertargets auf Japan, 27 % auf die USA und 11 % auf Deutschland. Darüber hinaus hat die für die globale High-End-Fertigung charakteristische regionale Clusterbildung dazu geführt, dass sich der Marktanteil von vorgelagerten Schlüsselmaterialien wie Hochleistungs-Sputtertargets weiter in entwickelten Ländern oder Regionen konzentriert hat.

Seit den 1980er Jahren hat sich die Elektronikindustrie, vor allem getrieben durch integrierte Halbleiterschaltungen, Flachbildschirme, Datenspeicher und optische Speichermedien, rasant entwickelt, wobei sich die technologischen Prozesse schnell weiterentwickelt haben. Der Bedarf an Schlüsselmaterialfilmen und Sputtertargets für die Herstellung entsprechender Produkte ist kontinuierlich gestiegen. So wurden beispielsweise in der Halbleiterfertigung Kupferleiterfilme mit niedrigerem spezifischem Widerstand für die Verdrahtung durch Aluminiumfilme ersetzt; in der Flachbildschirmindustrie führte die gleichzeitige Entwicklung verschiedener Displaytechnologien zu einem stetig steigenden Bedarf an Sputtertargets; in der Datenspeicherindustrie stieg die Speicherkapazität magnetischer Speicher kontinuierlich an, und es kamen ständig neue magnetooptische Aufzeichnungsmaterialien auf den Markt. Die rasante Entwicklung nachgelagerter Anwendungsbereiche hat die Entwicklung der Magnetron-Sputtertechnologie und der Sputtertarget-Industrie maßgeblich gefördert. Die Entwicklung neuer Sputtertargets erfüllt zudem die technischen und leistungstechnischen Anforderungen verschiedener neuer elektronischer Bauteile.

Mit der zunehmenden Anwendung verschiedener gesputterter Dünnschichtmaterialien in Bereichen wie integrierten Halbleiterschaltungen, Flachbildschirmen und Datenspeicherung ist die Nachfrage nach diesem hochwertigen Funktionsmaterial in nachgelagerten Branchen stetig gestiegen. Der Markt für Hochleistungs-Sputtertargets hat sich deutlich vergrößert und verzeichnet ein rasantes Wachstum. Laut Daten des Hua Jing Industry Research Institute und des Zhongshang Industrial Research Institute stieg das globale Marktvolumen für Sputtertargets von 2016 bis 2023 von 11,3 Milliarden US-Dollar auf 25,8 Milliarden US-Dollar, was einer durchschnittlichen jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 12,52 % entspricht. Zukünftig werden sich die Anwendungsbereiche von Sputtertargets mit der Entwicklung neuer Infrastrukturen und Anwendungsfelder wie dem Internet der Dinge (IoT), Big Data, neuen Displays, Solarzellen und Energiesparglas weiter ausdehnen, und der globale Markt für Sputtertargets wird weiterhin stetig wachsen.

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Dank ihrer Pionierrolle in der Patenttechnologie, ihrer starken technischen Kompetenz, ihrer ausgefeilten Produktionskontrolle und ihrer hohen Produktqualität haben große Hersteller von Sputtertargets aus Industrieländern wie den USA, Japan und Europa einen hohen Marktanteil im globalen Sputtertarget-Markt erobert. Große multinationale Konzerne wie JX Nippon Mining & Metals, Honeywell, Tosoh und Praxair wurden frühzeitig gegründet, verfügen über eine lange Geschichte, sind etabliert und decken die gesamte Wertschöpfungskette ab – von der Metallreinigung über die Targetherstellung und Sputterbeschichtung bis hin zu den Endanwendungen. Mit ihren Pionierrollen und ihrer technologischen Forschungs- und Entwicklungsstärke prägen diese Unternehmen die Entwicklung und Innovation der Branche und verfügen über bedeutende Vorteile im Bereich der Sputtertargets. Sie halten derzeit zusammen rund 80 % des globalen Marktanteils. Darüber hinaus belegen weitere multinationale Unternehmen mit starker Finanzkraft, führendem technologischen Niveau und umfassender Branchenerfahrung, wie beispielsweise Mitsui Kinzoku, Sumitomo Chemical, Ulvac, HC Starck und Plansee, führende Marktpositionen in ihren jeweiligen Segmenten.