KR100329831B1 - Ti／Al6061스퍼터링타겟조립체접합방법및접합장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 Ti/Al6061 스퍼터링 타겟 조립체 접합방법을 개시한다.
본 발명은 Ti 스퍼터링 타겟과 Al6061 냉각기판을 준비하는 단계와, 상기 Ti 타겟과 Al6061 냉각기판 사이에 상기 Al6061 냉각기판의 용융점보다 낮은 용융점을 갖는 용가재를 삽입하는 단계와, 상기 Ti 스퍼터링 타겟/용가재/Al6061 냉각기판을 접합온도 550℃∼570℃, 접합시간 60분∼180분, 10-4torr이하의 진공분위기에서 접합하는 단계를 포함한다.
본 발명에 따르면 저융점 용가재를 이용함으로써 Al6061합금의 고상선 온도(582℃)보다 낮은 저온에서 Ti 스퍼터링 타겟과 Al6061 냉각기판의 접합공정을 실현할 수 있으며, 저가 접합장비로 저비용의 Ti 스퍼터링 타겟 조립체를 제조할 수 있는 진공 브래이징 공정을 적용할 수 있는 효과를 가져올 수 있다.

Description

Ｔｉ／Ａｌ6061 스퍼터링 타겟 조립체 접합방법 및 접합장치{BONDING METHOD AND BONDING DEVICE OF Ti/Al6061 SPUTTERING TARGET ASSEMBLY}
본 발명은 스퍼터링 타겟/냉각기판 조립체의 접합에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저융점 용가재를 이용해 티타늄(Ti) 타겟과 냉각기판으로 가공과 취급이 용이한 고강도 Al6061합금을 가능한 한 낮은 온도에서 접합할 수 있는 Ti/Al6061 스퍼터링 타겟 조립체 접합방법 및 접합장치에 관한 것이다.
반도체 공정에서 스퍼터링 타겟(sputtering target)은 실리콘 웨이퍼(Si wafer) 처리공정 중 특정 플라즈마에 대해 금속원소가 실리콘 웨이퍼에 증착(deposite)되어 배선재료 및 베리어(barrier) 등을 형성하는데 사용되며, 다양한 종류의 금속이 이용되고 있다.
반도체 초미세회로를 구성하기 위해서는 이러한 스퍼터링 타겟 제품의 순도(99.99% ; 4N), 가스 유입 및 사용 초기에서 최종까지 결정입 크기의 변화가 없어야 하는 등, 정밀한 기술 및 엄격한 관리가 요구된다.
스퍼터링 타겟은 타겟 물질과 냉각기판으로 구성되며, 냉각기판은 타겟 표면의 균일한 스퍼터율을 나타내기 위하여 부분적 과열을 방지하기 위한 목적으로 볼트 등을 이용한 기계적 결합형과 브레이징(brazing) 및 솔더링(soldering)을 이용한 화학적 결합형을 사용하고 있다.
스퍼터링 타겟을 제조하기 위해서는 정선된 고순도의 재료를 분말 야금법, 진공주조법, 핫-프레스(hot-press)법, 힙(HIP; hot isostatic pressing)법 등에 의해 고밀도로 소결하여 가공한 후 접합부를 세척하여 냉각기판에 접합을 행한다.
최근의 접합 동향은 스퍼터율을 증가시키기 위하여 타겟 표면의 온도를 상승시키는 브레이징 타입으로 타겟 표면의 온도를 500℃ 정도로 높여, 고 스퍼터율과 타겟 물질의 고 회수율을 지향한 방법이 개발되고 있는 추세이다.
한편, 1993년 7월 27일 특허등록된 미국특허 번호 5,230,459호에 스퍼터링 타겟과 냉각기판의 접합방법이 개시되어 있다.
이에 따르면, 접합공정으로 결합될 스퍼터링 타겟 일면에 다수의 닫힌 루프(roof) 형상 또는 톱니형상의 그루브(grooves)를 형성한다.
스퍼터링 타겟과 냉각기판을 접합하기 위해 그루브가 형성된 표면은 경계면의 한면이 되도록 냉각기판의 상면과 대면하도록 상부에 포개진다. 스퍼터링 타겟/냉각기판 조립체는 산소가 배출된 진공 또는 불활성가스 분위기로 조절된 환경에서 가압하여 톱니 형상의 그루브가 접합되는 상대편 금속 또는 합금성분으로 삽입하여 경계면에 그루브가 없어질 때 까지 가압한다.
압력은 공정 조건에 따라 2,000∼15,000 psi의 범위에서 바뀐다.
스퍼터링 타겟/냉각기판 조립체는 가압단계 이전이나 동시에 가열하여 확산 접합(diffusion bonding)이 이루어지도록 한다. 접합온도는 힙(HIP)공정을 사용할 경우 접합시 등방향에서 가압이 가능하므로 모재의 고상선 온도 이하로 제한되지 않는다.
한편, 스퍼터링 타겟/냉각기판 조립체는 고정된 딱딱한 껍질의 로(furnace) 혹은 스퍼터링 타겟/냉각기판 조립체를 얇은 금속 용기에 캡슐화하는 보호싸개 안에 놓여져 고온에서 가압력이 스퍼터링 타겟/냉각기판 조립체에 균일하게 가해지는 소위, 힙(HIP; hot isostatic pressing) 공정이 이루어지도록 한다.
힙(HIP)공정을 이용하는 경우 고-액 공존 영역에서도 접합작업이 가능하므로 약 550∼625℃의 온도범위에서 가열한다. 즉, 스퍼터링 타겟/냉각기판 조립체의 성분 중 더 낮은 온도에서 용융되는 성분의 고상선 온도 이상의 범위에서도 가능한 잇점이 있다. 그러나 힙(HIP)공정은 비용이 많이 소요되기 때문에 선호되지는 않는다.
이와같은 종래의 스퍼터링 타겟/냉각기판 조립체 접합방법은 접합시 표면의 부동태의 효과적인 파괴제거를 유도하며, 강인한 결합력을 형성함은 물론, 접합 후 냉각시 열팽창계수로 인한 접합부의 분리를 효과적으로 방지할 수 있는 잇점이 있다.
그런데 종래의 스퍼터링 타겟/냉각기판 조립체 접합온도는 대략 550∼625℃의 온도범위에서 행해진다. 한편 냉각기판으로 사용되는 Al6061합금의 융점은 승온시 액상이 처음 출현하는 고상선이 582℃이고, 고상이 없어지고 전부 액상으로되는 액상선이 652℃이므로 이들의 온도구간에서는 고상과 액상의 공존영역이 존재한다.
따라서 Al6061합금을 고상에서 접합하고자 하려면 용융되기 시작하는 고상선 온도인 582℃보다 낮은 온도하에서 접합해야 하는 제약이 있다.
그러나 종래의 진공분위기하에서 알루미늄 접합용으로 사용되는 용가재들의 융점은 580℃이며 Al6061합금의 고상선 온도와의 2℃정도의 차이를 나타내어 본 Al6061 접합용 용가재로는 적합하지 않다.
통상적으로 고상선 온도에서 제어오차 등을 고려하여 ±15℃의 여유를 갖도록 할 때, 접합에 필요한 온도(최소한 550℃)와 Al6061합금 용융점 온도(567℃ (582℃-15℃)) 사이의 범위가 매우 좁아 온도제어에 많은 어려움이 따를 뿐만 아니라 정밀한 온도제어에는 많은 비용이 필요하게 되며, 정밀한 온도제어가 이루어지지 않으면, 과열에 의한 냉각기판의 열변형 발생 및 기계적 특성의 퇴화를 초래한다.
또한, 종래의 스퍼터링 타겟/냉각기판 조립체 접합방법은 스퍼터링 타겟 저면에 정밀한 그루브를 가공해야하는 불편함이 있었으며, 가공비로 인한 비용이 상승되는 단점이 있었다.
또한, 종래의 힙(HIP)장치는 Ti 스퍼터링 타겟과 알루미늄 합금 냉각기판을 캡슐화해야 하는 복잡한 공정을 필요로하는 단점이 있다.
또한, 종래의 힙(HIP)장치는 가압하중이 2,000∼15,000 psi로 매우 높은 단점이 있다.
따라서 본 발명은 이와같은 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, Ti 타겟과 냉각기판으로 가공과 취급이 용이한 고강도 Al6061합금을 가능한 한 낮은 온도에서 접합할 수 있는 접합방법 및 접합장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
이와같은 목적을 실현하기 위한 본 발명은 Ti 스퍼터링 타겟과 Al6061 냉각기판을 준비하는 단계와, 상기 Ti 타겟과 Al6061 냉각기판 사이에 상기 Al6061 냉각기판의 용융점보다 낮은 용융점을 갖는 용가재를 삽입하는 단계와, 상기 Ti 스퍼터링 타겟/용가재/Al6061 냉각기판을 진공 핫 프레스 장치에서 가압하여 접합하는 단계를 포함한다.
본 발명의 특징에 따르면 상기 진공 핫 프레스 장치는 발열체가 내장된 핫 플레이트를 상기 Ti 스퍼터링 타겟/용가재/Al6061냉각기판 상하 표면에 직접 접촉시켜 전열로 가열하는 것이 바람직하다.
본 발명의 상기 목적과 여러 가지 장점은 이 기술 분야에 숙련된 사람들에 의해 첨부된 도면을 참조하여 아래에 기술되는 발명의 바람직한 실시예로부터 더욱 명확하게 될 것이다.
도 1은 각 원소들의 중량비(wt%)에 따른 DTA 분석에 의한 융점측정 결과를 나타낸 표,
도 2는 본 발명에 따른 Ti/Al6061 스퍼터링 타겟 조립체 접합장치를 도시한 정면 개략도,
도 3은 Ti 스퍼터링 타겟/Al6061 냉각기판 접합체의 접합인자에 따른 인장강도를 나타낸 표.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10 ; 진공챔버
20 ; Ti 스퍼터링 타겟/용가재/Al6061냉각기판
30 ; 핫 플레이트
40 ; 발열체
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 일실시예를 상세하게 설명한다.
스퍼터링은 높은 가속전압하의 개스이온(Ar 등)을 증착재료(target)의 표면에 충돌시키면 증착재료의 일부가 원자 또는 분자상태로 떼어져 기판(substrate)에 기계적 또는 화학적 결합으로 얇고 치밀한 박막(film)을 형성하는 증착공정을 말하며, CVD 등 다른 증착법에 비해 제조비용이 낮으면서 형성된 박막은 균일하고 치밀하기 때문에 전자부품소재 등의 표면에 코팅(coating)하여 기능이나 특성을 향상시키는 방법으로 널리 이용되고 있다.
특히, 티타늄(Ti) 타겟을 제조하는 기술은 반도체 공정의 발전과 더불어 매우 중요하게 부각되고 있다. 반도체 공정상 증착 기술이 하이-파워(Hi-Power)로서 고속증착의 방향으로 진전됨에 따라 증착시 타겟의 온도상승에 따른 접합부의 내열성 및 열응력을 잡아 주기 위한 접합부의 강인한 접합력이 요구되며, 냉각기판으로는 알루미늄(Al)과 같이 열전달 특성이 좋은 재료와의 접합이 요구된다.
Ti 타겟의 냉각기판으로는 가공과 취급이 용이한 고강도 Al합금(Al6061)이 매우 적합하다.
Ti와 Al은 소재자체의 활성이 매우 큰 금속으로서 그 표면에는 매우 안정한표면산화 스캐일(Scale)이 존재하고 상호간의 열팽창계수 차이가 극히 심하므로 접합이 매우 용이하지 않다.
따라서, Ti 스퍼터링 타겟과 Al6061 냉각기판 간의 접합에 양모재간의 열팽창계수 차이에 의한 열응력과 열변형을 완화 및 방지하는 것이 중요하다.
본 발명에서는 Ti 스퍼터링 타겟과 Al6061 냉각기판 사이에 Al6061 냉각기판의 용융온도보다 낮은 용융점을 갖는 저융점 용가재를 삽입하여 진공 핫 프레스 장치로 Al6061합금의 고상선 온도(582℃)보다 훨씬 낮은 저온에서 Ti 스퍼터링 타겟과 Al6061 냉각기판을 접합하였다.
이를 위해 본 발명에서는 용가재 금속으로 융점이 570℃ 이하인 저융점 용가재를 개발하였다.
본 발명에 따른 저융점 용가재의 합금조성은 Al을 기지로하여 융점강하를 목적으로 첨가되는 원소 2가지가 포함된다. 융점강하 원소를 선정하는데 있어서 기존에는 Si 이외에 Zn ,Bi 등의 저융점 원소를 첨가하여 용가재의 융점을 크게 낮출 수 있으나 이러한 원소들은 고온, 진공하에서 증기압이 높기 때문에 기화하기 쉽다. 한편, 하이-파워(High Power) 스퍼터링 공정에서와 같이 고온 진공( 500℃,10-4)분위기 환경하에서는 용가재 중의 첨가원소의 기화조건이 형성되므로, 첨가원소의 기화로 인한 쳄버내의 오염이 없어야 된다.
따라서 본 발명에서는 첨가원소로서 기화 문제가 없는 Cu와 Si를 사용하였고 ,또한 이들 원소는 Al은 물론 Ti와 친화성이 좋아서 접합성이 뛰어나다.
이때 첨가원소는 융점강화 효과 뿐만아니라 첨가원소가 Al 모재로 확산하는 과정을 통해 접합부 주변이 등온응고를 거쳐 확산접합이 이루어져야 한다는 측면에서 첨가원소 및 함량이 결정되었다.
도 1은 각 원소들의 중량비(wt%)에 따른 DTA 분석에 의한 융점측정 결과를 나타낸 표로서, Cu를 17.5wt%내지 27wt% 함유하고, Si를 5.25wt% 내지 8.2wt%를 함유하고, 나머지가 Al으로 구성된 저융점 용가재의 융점이 570℃ 이하로 나타났다.
용가재 조성은 일반 압연공정에서는 호일(foil)로 제작이 어려우므로 용탕을 직접 압연하는 공정을 이용한다. 즉, 동으로 된 트윈 롤(twin roll) 사이에 소정의 노즐을 통해 자유낙하하는 용탕을 공급하여 직접 압연하여 폭 40mm, 두께 200㎛의 용가재 호일을 제조한다.
용가재의 형상은 호일뿐만 아니라 분말로 제작되며, 메쉬를 통과시켜 접합면 전면에 균일하게 도포하여 접합한다.
한편, Ti 스퍼터링 타겟/용가재/Al6061냉각기판을 접합하기 위한 접합장치는 발열체가 내장된 핫 플레이트를 Ti 스퍼터링 타겟/용가재/Al6061냉각기판 상하 표면에 직접 접촉시켜 전열로 가열하는 방식의 진공 핫 프레스가 바람직하다.
통상적인 진공 핫 프레스 장치는 발열체가 측면에 구비되어 발열체에 의해 발생되는 복사열을 이용하여 상,하부 펀치 및 가공물을 가열하는 방식이다. 그런데 이와 같은 측면 가열 방식은 10인치가 넘는 스퍼터링 타켓과 같이 접합면적이 넓고 높이가 낮은 플레이트 형상의 접합에는 측면부와 중심부와의 온도 구배가 심하여 접합온도의 균일화가 어려우며, 접합시간이 길어진다.
특히, 복사열을 이용하는 방식은 대략 600℃ 이하의 낮은 온도영역에서는 발열체로부터의 복사열방출이 미비해서 본 Ti 스퍼터링 타겟/용가재/Al6061냉각기판의 접합공정에 적합하지 않다.
이와 같은 이유로 본 발명에 적용되는 접합장치는 도 2에 도시된 바와 같이, 진공챔버(10)와, 진공챔버(10)안에 Ti 스퍼터링 타겟/용가재/Al6061냉각기판(20)을 가압하기 위한 핫 플레이트(30)와, 이 핫 플레이트(30) 안에 내장된 발열체(40)로 구성되는 소위, 상하 가열식 진공 핫 프레스인 것을 특징으로 한다.
이와 같은 상하 가열식 핫 프레스 장치에 따르면 발열체(40)가 내장된 핫 플레이트(30)가 Ti 스퍼터링 타겟/용가재/Al6061냉각기판(20)의 상하 표면에 직접 접촉된 상태에서 전열 및 복사열에 의해 가열되면서 가압되므로 Ti 스퍼터링 타겟 조립체의 중심부와 측면부의 온도구배가 없는 균일한 가열이 이루어지며, 접합시간을 단축시킨다.
본 발명의 바람직한 실시예에 따른 진공 핫 프레스 장치의 접합조건은 접합온도 550℃∼570℃, 접합시간 60분∼180분, 10-4torr이하의 진공분위기에서 접합하는 것이 바람직하다.
도 3은 Ti 스퍼터링 타겟/Al6061 냉각기판 접합체의 접합인자에 따른 인장강도를 나타낸 표이다. 접합강도는 80MPa 이상의 높은 강도를 나타내고 있다. 특히 120min 조건은 전온도구간에서 높은 값을 나타내었다. 560℃조건에서 유지시간(holding time)에 따른 접합조직은 접합부내에 반응층으로 보이는 층의 두께가 60min; 약 3㎛, 120min; 약 5㎛, 180min; 약 8㎛로 유지시간이 길어짐에 따라 증가하고 있다. 따라서 접합체의 강도는 증가하다가 감소하는 경향으로 보아 반응층의 두께는 약 5㎛가 가장 적정한 강도를 나타내고 있다고 볼 수 있다.
한편, 반응층은 라인분석결과 Al, Ti, Si원소의 금속간 화합물로 추정되며 시간이 길어짐에 따라 Al+Si 성분의 양이 약간 증가하는 경향이지만 전체적으로 (Al+Si)3Ti의 조성을 갖고 있다는 것을 알 수 있다. 이것은 Si 원소인 경우 반응층 내에 계속 존재하는 반면, Cu 원소는 Al 모재쪽으로 전부 확산하여 결국 접합부는 등온응고하였을 것으로 추정된다.
이처럼 용가재의 융점이 접합모재인 Al6061의 고상선 보다 낮으므로 Ti 스퍼터링 타겟과 Al6061 냉각기판의 접합공정시 과열에 의한 Al6061의 변형 발생 및 기계적 성질의 퇴화를 막을 수 있다.
이와 같은 특징을 갖는 본 발명에 따른 접합방법은 저융점 용가재를 이용함으로써 접합온도가 대략 550∼570℃의 온도범위에서 결정되며 냉각기판으로 이용되는 Al6061합금이 용융되기 시작하는 고상선 온도(582℃)보다 훨씬 낮은 저온에서 이루어지므로 접합온도 제어 범위에 여유가 있어 온도제어가 용이하다.
또한, 본 발명에 따른 접합방법은 저가 접합장비로 저비용의 Ti/Al6061 스퍼터링 타겟 조립체를 제조할 수 있는 효과를 가져올 수 있다.
본 발명에서는 Al합금중에서 Al6061합금을 냉각기판으로 적용한 실시예를 설명하였으나 본 발명은 이에 한정되지 않고 Al6061합금보다 높은 고상선 온도를 갖는 금속 및 합금의 접합공정에 모두 적용할 수 있으며, 더 나아가 저융점 용가재보다 높은 고상선 온도를 갖는 다른 금속 및 합금의 접합공정에도 적용할 수 있다.
이상, 상기 내용은 본 발명의 바람직한 일실시예를 단지 예시한 것으로 본 발명의 당업자는 본 발명의 요지를 변경시킴이 없이 본 발명에 대한 수정 및 변경을 가할 수 있음을 인지해야 한다.
상술한 바와 같이 본 발명에 따르면 저융점 용가재를 이용함으로써 Al6061합금의 고상선 온도(582℃)보다 훨씬 낮은 저온에서 Ti 스퍼터링 타겟과 Al6061 냉각기판의 접합공정을 실현할 수 있으며, 저가 접합장비로 저비용의 Ti 스퍼터링 타겟 조립체를 제조할 수 있는 진공 브래이징 공정을 적용할 수 있는 효과를 가져올 수 있다.

Claims (3)

  1. 티타늄(Ti) 타겟을 가공과 취급이 용이한 고강도 Al6061합금으로 이루어진 냉각기판에 접합하기 위한 Ti/Al6061 스퍼터링 타겟 조립체 접합방법에 있어서,
    Ti 스퍼터링 타겟과 Al6061 냉각기판을 준비하는 단계와,
    상기 Ti 타겟과 Al6061 냉각기판 사이에 상기 Al6061 냉각기판의 용융점보다 낮은 용융점을 갖는 Cu를 17.5wt%내지 27wt% 함유하고, Si를 5.25wt% 내지 8.2wt%를 함유하고, 나머지가 Al으로 구성된 저융점 용가재를 삽입하는 단계와,
    상기 Ti 스퍼터링 타겟/용가재/Al6061 냉각기판을 가압하여 접합하는 단계를 포함하는 Ti/Al6061 스퍼터링 타겟 조립체 접합방법.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 저융점 용가재는 폭 40mm, 두께 200㎛로 이루어지는 호일 또는 분말로 형성되는 것을 특징으로 하는 Ti/Al6061 스퍼터링 타겟 조립체 접합방법.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 호일로 형성되는 저융점 용가재는 동으로 된 트윈 롤(twin roll) 사이에 노즐을 통해 자유 낙하하는 용탕을 공급하여 직접 압연하여 제조하는 것을 특징으로 하는 Ti/Al6061 스퍼터링 타겟 조립체 접합방법.
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