KR0160169B1 - 실리콘-함유 조성물을 음극 스퍼터링시키기 위한 제품 및 실리콘-함유 조성물을 금속 표면에 접합시키는 방법 - Google Patents

실리콘-함유 조성물을 음극 스퍼터링시키기 위한 제품 및 실리콘-함유 조성물을 금속 표면에 접합시키는 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 거친 실리콘-함유 조성물의 표면에 제1접합층, 제2납땜가능한 층 및 제3땜납층을 아크-분무시킨 다음, 아크-분무된 표면을 금속의 표면에 납땜시킴을 포함하는, 실리콘-함유 조성물을 금속의 표면에 접합시키는 방법에 관한 것이다. 이러한 방법은 음극 스퍼터링에 사용하기 위한 실리콘-함유 타겟을 제조하는데 특히 유용하다.

Description

실리콘-함유 조성물을 음극 스퍼터링시키기 위한 제품 및 실리콘-함유 금속 표면에 접합시키는 방법
제1도는 아크-분무(arc-spraying)에 의해서 접합층(12), 납땜가능한 물질(14), 및 납땜용 합금(16)의 층으로 피복된 실리콘-함유 타겟 물질(10)의 단면도이다.
제2도는 금속 지지판(20)에 접합된 제1도의 피복된 타겟의 단면도이다.
본 발명은 일반적으로 실리콘-함유 음극 타겟 물질의 기술분야에 관한 것이며, 더욱 구체적으로 금속 지지판에 실리콘-함유 타겟을 접합시키는 기술분야에 관한 것이다.
로트배취(Lauterbach)등에게 허여된 미합중국 특허 제 4,341,816호에는 니켈, 니켈/크롬, 니켈/알루미늄, 니켈/알루미늄/몰리브덴, 알루미늄/청동, 몰리브덴, 알루미늄/실리콘, 아연, 구리 또는 구리/유리와 같은 혼화성 접합층을 디스크형 또는 판형 타겟의 표면에 플라즈마-분무시킨 다음; 구리, 구리/유리 또는 은과 같은 납땜가능한 층을 상기 접합층에 피복시키고; 상기 납땜가능한 층을 냉각판의 표면상에 납땜시킴으로써, 상기 타겟을 냉각판에 스퍼터링(sputtering)시켜 접합시키는 방법이 개시되어 있다. 상기 접합층 및 납땜가능한 층은 플라즈마 분무를 통해서 적용된다.
실리콘은 땜납으로 습윤시키기 어려우며 금속화 층을 필요로 한다. 실리콘은 태양 전지용 전극 또는 접적회로상에서의 접점을 형성시키기 위해 알루미늄을 사용하여 금속화시킬 수 있다는 것이 반도체분야에 공지되어 있다. 또한, 플라즈마 분무에 의해 실리콘에 알루미늄 층을 적용시킴을을 포함하는, 스퍼터링용 타겟의 금속화 방법과 공지되어 있다.
본 발명은 아크-분무에 의해 알루미늄 또는 알루미늄 합금을 사용하여 실리콘 타겟을 금속화시키는 방법에 관한 것이다. 이러한 아크-분무는 금속화에 매우 적합하다. 결합강도를 측정하기 위한 인스트론 시험에서, 실리콘은 금속화 접합전에 파쇄되는 것으로 나타났으며, 음극 전력시험에서는 땜납의 용융 없이도 생산 수준이 200%를 초과하였다.
본 발명은 금속표면에 실리콘 및 실리콘 화합물을 스퍼터링시키기 위한 음극의 제조방법에 관한 것이다. 상기 방법은 바람직하게는, 산화 알루미늄, 실리콘 카바이드, 또는 전형적으로 철, 알루미늄 및 칼슘 실리케이트의 무정형 혼합물인 보일러 슬랙(boiler slag)과 같은 거칠고 모난 입상 그릿(grit)을 사용하여 실리콘판을 그릿 블라스팅(grit blasting)시킴을 포함한다. 70그릿미만의 입자크기가 바람직하다. 실리콘판의 표면은 그릿 블라스팅된 다음 아크-분무된다. 12 내지 40그릿의 혼합물(12/40)이 접합층(바람직하게는 알루미늄 또는 알루미늄 합금); 납땜가능한 층(땜납에 의해 습윤 가능한 금속, 바람직하게는 구리, 구리합금 및 니켈합금, 더욱 바람직하게는 구리); 및 땜납층과 함께 사용하기에 특히 바람직하다. 상기 알루미늄 및 구리 층은 바람직하게는 0.002 및 0.020in(0.05 내지 0.5mm)의 두께를 갖는다. 상기 땜납층은 구리를 완전히 덮을 수 있도록 충분히 두꺼워야 하며, 전형적으로 0.02in(0.5mm)이상이다. 땜납은 바람직하게는 주석, 인듐 또는 그들의 합금이다.
상기 그릿 블라스팅된 표면은 접합성이 크게 개선된다. 바람직한 그릿 물질은 보일러 슬랙이다. 땜납층은 땜납층으로서의 기능외에도 납땜중에 구리 층을 산화로부터 보호한다.
또한 본 발명의 방법은 금속표면으로서 금속 지지판(바람직하게는, 구리)을 그릿 블라스팅하고, 땜납층을 금속 지지판에 아크-분무시켜 사용하는 것을 부가적으로 바람직하게 포함한다. 땜납을 사용하여 금속 지지판을 습윤시키는 것이 어려울 경우, 상기 판을 납땜가능한 층으로 추가로 아크-분무시킬 필요가 있다.
아크-분무된 땜납은 예를들면, 구리와 같은 금속판에 충분히 잘 접합하기 때문에 금속화된 실리콘판을 금속판에 접할시킬 때, 플럭스(flux)를 덜 사용하거나 사용하지 않아도 된다. 이로 인해, 피복된 실리콘 타일 및 금속 지지판사이에서 과량의 플럭스가 포획되는 경향이 감소된다. 포획된 플럭스는 음극 조작중에 가스 발생 또는 박리의 원인이 된다.
본 발명의 방법은 또한 스퍼터링용 음극을 형성시키기 위해서, 금속화된 실리콘판을 땜납으로 아크-분무된 금속판에 납땜시켜 접합시킴을 포함한다.
본 발명은 니켈을 3 내지 18중량% 함유하는 실리콘-니켈 합금을 사용하여 실시할 수 있다. 이러한 실리콘-니켈 합금의 타겟은 산화물, 질화물 및 옥시질화물을 포함하는 실리콘-니켈 함유 피복물을 제조하기 위해서 질소, 산소, 불활성 가스 및 그들의 혼합물을 포함하는 대기중에서 스퍼터링된다. 이러한 실리콘-니켈 조성물은 수득된 필름의 흡수를 비교적 낮게 유지하면서 타겟 안정성 및 바람직한 스퍼터링 속도를 제공하기에 충분한 니켈을 포함한다.
효과적인 스퍼터링를 위해서, 타겟은 스퍼터링 온도에서 안정한, 기계적으로 강한 전기 정도성 접합재를 사용하여 지지판에 접합되어야 한다. 또한, 지지판의 열전도성은 스퍼터링중에 박리되는 것을 피하기 위해서 적절하게 냉각시킬 수 있도록 충분히 높아야 한다. 다수의 통상적인 납땜방법은 실리콘을 습윤시키지 않기 때문에, 아크-분무에 의해서 침착된 하도제 층을 사용한다. 구리, 티탄 및 몰리브덴판을 접합시키기 위한 접합 기구가 개발되고 시험되어 왔다. 납땜의 온도 범위에 걸쳐 열팽창계수의 조화가 중요하다 하더라도, 냉각중에 또는 냉각후에 타겟판으로부터 실리콘은 균열되거나 박리되지 않았다.
본 발명의 바람직한 실시양태에서, 피복물은 너비 13in(23cm) 길이 106in(269cm)의 타겟을 갖는 음극을 사용하여 100 × 144in(2.54 × 3.66mm)이하의 유리를 피복시킬 수 있는 대규모의 마그네트론 스퍼터링 장치중에서 제조된다. 또다른 경우에 있어서, 피복물은 5 × 17in(12.7 × 43.2mm) 실리콘-니켈 타겟을 갖는 평면 마그네트론 음극을 사용하여, 보다 작은 규모로 침착된다. 기본 압력은 10-6토르 범위이다. 상기 피복물은 우선 스퍼터링 가스에 4밀리토르의 압력을 적용시킨 다음, 3kw의 일정한 전력을 음극에 적용함으로써 제조한다. 각각의 실시예에서, 6mm두께의 유리 기재는 120in(3.05m)/min의 속도로 콘베이어롤 상의 타겟아래를 통과한다. 실리콘-함유 타겟의 접합강도 시험에 있어서, 음극 전력은 일반적인 제조수준의 200% 이하로 적용된다.
실리콘의 접합강도를 시험하기 위해서, 알루미늄, 구리 및 배빗(babbitt)금속층을 하나의 1in2(2.54cm2) 실리콘 타일의 2개의 면 및 2개의 1 × 1.5 × 0.25in(2.54 × 3.8 × 0.6cm) 구리판의 하나의 면상으로 연속적으로 분무시켰다. 상기 실리콘 및 구리는 12/40 그릿의 보일 러 슬랙을 사용하여 샌드 블라스팅시켰다. 이어서, 상기 샌드 블라스팅된 표면을 알루미늄, 구리 및 배빗 금속 합금으로 아크-분무시켰다. 이어서, 산화를 방지하기 위해서, 상기 배빗 금속 합금의 표면을 비-부식성 납땜 플럭스로 피복하였다. 이어서, 상기 피복된 실리콘 타일을 모든 배빗 금속 합금의 표면이 접촉하도록 구리판사이에 삽입시켰다. 이어서, 상기 표면이 함께 융합될 때까지 약 5분동안 800℉(427℃)의 로중에서 상기 삽입체를 가열함으로써 상기 표면을 납땜하였다. 이어서, 상기 삽입체를 로로부터 제거하여 냉각시켰다. 상기 실리콘 및 구리 형상물을 인스트론 장치상에 640ℓb로 인장 시험하였다. 실리콘은 그 절반이 파괴되었으나, 박리되지는 않았다.
하기 표는 본 발명의 실시예중에 사용된 아크-분무 시스템(TAFA 모델 8830)의 금속, 전류 및 분무압을 보여준다.
상기 조건에 있어서, 6패스(passes, 1패스는 기재에 대해 1초간의 접근과 동일하다)의 알루미늄으로 약 0.015in(0.38mm) 두께의 층이 침착되었고, 6패스의 구리로 인해 0.015in(0.38mm)두께의 층이 침착되어으며, 10패스의 배빗 금속 합금으로 인해 상기 구리 층에 바람직하게는, 약 0.02in(0.51mm)이상으로 완전히 덮을 수 있는 충분한 두께의 층이 침착되었다. 주석, 인듐 및 그의 합금도 또한 배빗 금속 합금대신 사용할 수 있다.
전압 설정, 분무압 및 전류 범위를 패스의 수와 함께 변화시킴으로써 동일한 두께의 피막을 얻을 수 있다. 그러나, 분무중에 실리콘 타일이 과열되는 것을 방지하는 것이 중요하다. 실리콘 타일이 과열될 경우, 금속화된 층은 실리콘으로부터 박리된다. 더욱 많은 처리량이 요구될 경우, 분무중에 실리콘 타일의 온도를 낮게 유지하기 위해서 공기 분사 냉각 사용할 수 있다.
[실시예 I]
실리콘-함유 조성물을 주형에서 주조하였다. 이렇게 생성된 실리콘-함유 주조물을 목적하는 크기로 절단시켜 실리콘 타일을 형성시켰다. 금속화에 사용되는 실리콘 타일을 제조하기 위해서, 접합되는 표면을 거친 분사 매질(12/40)을 사용하여 그릿 블라스팅시켰다. 접합되는 표면은, 그릿 블라스팅 후, 글러브(gloves)없이 접촉하지 않는다. 상기 그릿 블라스팅된 타일의 표면을 압축공기로 세정시켜 먼저를 제거하였다. 실리콘 타일을 금속화시키기 위해서, 상기 샌드 블라스팅된 표면을 하기 물질의 각 층을 순서대로 사용하여 하기 기재된 두께로 아크-분무하였다.
실리콘-함유 타겟 타일의 접합에 사용되는 구리 지지판을 제조하기 위해서, 접합되는 지지판의 표면을 기계가공시키고 탈지시켰다. 납땜되는 영역을 마스크(mask)로 덮어가리고, 노출된 영역(납땜되지 않는 영역)을 푸른 색으로 착색하는 레이아웃(layout) 염료를 표면에 분무시켰다. 마스크를 제거하고, 구리를 배빗 금속 합금으로 예를들면, 약 0.020in(0.51mm)두께로 완전히 덮도록 아크-분무시켰다.
실리콘 음극 판 구역을 형성시키기 위해서, 즉 실리콘 타일을 구리 지지판에 접합시키기 위해서, 구리 지지판 구역을 배빗 금속 합금으로 아크-분무시켰다. 금속화된 표면을 주석으로 습윤시키기 위해서, 상기 아크-분무된 실리콘 타일 및 지지판을 주석욕중에 침지시켰다. 습윤된 실리콘 표면을 습식으로 주석도금된 구리의 표면에 대해 평평하게 위치시키며 그 표면사이에 틈(gap) 또는 포켓(pocket)이 생기지 않게 배열한다. 과량의 땜납을 모든 판의 표면으로부터 제거하고, 판을 냉각시켰다.
[실시예 II]
실리콘을 몰리브덴, 티탄 또는 알루미늄 판에 접합시키기 위해서, 실시예 I에 기술된 바와 같이 실리콘 타일을 제조하였다. 이어서, 목적하는 금속의 10 × 6 × 3/8in(25.4 × 15.2 × 0.95mm)두께의 판을 우선 구리로 아크-분무시킨 배빗 금속 합금으로 아크-분무시켰다. 이어서, 실리콘 타일을 판위에 올려놓고 실시예 I에 기술된 바와 같이 납땜하였다.
[실시예 III]
실리콘을 구리 지지판에 접합시키기 위해서, 실시예 I에 기술된 바와 같이 실리콘 타일을 제조하였다. 구리 판을 구리로 아크-분무시킨 다음 금속 합금으로 아크-분무시켰다. 이어서, 실리콘 판을 실시예 I에 기술된 바와 같이 구리 판위에 위치시켰다.
상기 실시예는 본 발명을 예시하기 위해서 제공된다. 다른 실리콘-함유 조성물은 다른 접합성 금속 층, 다른 납땜가능한 층, 다른 배빗 금속 및 다른 땜납 조성물을 사용하여, 본 발명의 방법에 따라서 접합될 수 있다. 본 발명의 영역은 특허 청구 범위에 의해서 정의된다.

Claims (18)

  1. (a) 거친 실리콘-함유 표면을 제공하는 단계; (b) 상기 거친 실리콘-함유 표면상에 금속 접합층을 아크-분무(arc-spraying)시키는 단계; (c) 상기 금속 접합층상에 납땜가능한 층을 아크-분무시키는 단계; (d) 상기 납땜가능한 층상에 땜납층을 아크-분무시키는 단계; 및 (e) 상기 땜납층을 금속 표면에 납땜시키는 단계을 포함하는, 실리콘-함유 조성물을 금속 표면에 접합시키는 방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 접합층이 알루미늄 및 알루미늄 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 방법.
  3. 제1항에 있어서, 상기 납땜가능한 층이 구리 및 구리 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 방법.
  4. 제1항에 있어서, 상기 땜납층이 주석, 인듐 및 그들의 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 금속 표면이 구리, 티탄, 알루미늄 및 몰리브덴으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속을 포함하는 방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 금속 표면이 구리를 포함하는 방법.
  7. 제1항에 있어서, 상기 거친 실리콘-함유 표면을 제공하는 단계가 실리콘-함유 표면을 그릿-블라스팅(grit-blasting)시킴을 포함하는 방법.
  8. 제1항에 있어서, 실리콘-함유 표면이 접합되는 금속 표면상에 금속 층이 아크-분무되는 방법.
  9. 제8항에 있어서, 금속 층상에 땜납층이 아크-분무되는 방법.
  10. (A) 실리콘-함유 조성물, (B) 상기 실리콘-함유 조성물의 표면의 적어도 일부에 아크-분무된 금속층, (C) 상기 아크-분무된 금속층상에 아크-분무된 납땜가능한 층 및 (D) 상기 납땜가능한 층상에 아크-분무된 땜납층으로 이루어진, 실리콘-함유 조성물을 음극 스퍼터링시키기 위한 제품.
  11. 제10항에 있어서, 상기 금속 층이 알루미늄인 제품.
  12. 제10항에 있어서, 상기 납땜가능한 층이 구리인 제품.
  13. 제10항에 있어서, 상기 땜납층이 주석을 포함하는 합금인 제품.
  14. 제10항에 있어서, 상기 땜납층에 접합된 금속 지지판을 또한 포함하는 제품.
  15. 제14항에 있어서, 상기 금속 지지판의 구리, 알루미늄, 티탄 및 몰리브덴으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속인 제품.
  16. 제15항에 있어서, 상기 금속 지지판의 표면이 구리, 주석, 인듐 및 그들의 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 금속층으로 아크-분무된 제품.
  17. 제16항에 있어서, 상기 표면이 구리를 포함하는 아크-분무된 층상에 아크-분무된 땜납층을 또한 포함하는 제품.
  18. 제17항에 있어서, 상기 땜납이 주석, 인듐 및 그들의 합금으로 구성된 그룹으로부터 선택된 제품.
KR1019940006871A 1993-04-02 1994-04-01 실리콘-함유 조성물을 음극 스퍼터링시키기 위한 제품 및 실리콘-함유 조성물을 금속 표면에 접합시키는 방법 KR0160169B1 (ko)

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