KR100506562B1 - 알루미늄 합금제 음극 스퍼터링 타깃 - Google Patents

알루미늄 합금제 음극 스퍼터링 타깃 Download PDF

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Abstract

본 발명은 음극 스퍼터링 타깃으로서, 음극 스퍼터링 중에 제거될 수 있는 타깃의 용적을 이루는 활성부가 구리와 철을 동시에 함유하고 20℃를 상당히 초과하는 재결정 온도 및 20℃에서 2.85μΩ.㎝ 미만의 전기 비저항을 동시에 갖는 고순도 알루미늄 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 타깃에 관한 것이다. 접속 회로를 제조하기 위한 타깃으로 사용하면, 공동과 돌기가 출현하는 빈도가 감소되고, 접속 회로의 저항이 고순도 알루미늄 합금으로 얻는 저항과 근사한 값으로 유지되며, 또한 고순도 알루미늄 합금의 에칭성과 필적하는 에칭성이 얻어진다.

Description

알루미늄 합금제 음극 스퍼터링 타깃{CATHODE PULVERISATION TARGETS IN ALUMINIUM ALLOY}
본 발명은 다양한 기판(substrate)을 금속화(metallization)시키기 위해 설계된 음극 스퍼터링 타깃(cathodic sputtering target)에 관한 것이다. 구체적으로 말하면, 이것은 집적 회로, 특히 상호 접속 회로의 제조와, 대형 평판 표시 장치(FPD)의 금속화를 위해 설계된 타깃에 관한 것이다.
특히, 본 발명은 음극 스퍼터링 타깃의 활성부(active part)에 사용되는 알루미늄 합금에 관한 것이다.
본원에 있어서, 성분 및 불순물의 함량은 중량치로 표시한다.
전자 업계에서는 특히 4 메가비트를 초과하는 용량의 DRAM 메모리와 같은 초고도의 집적 회로와, 액정 표시 장치(LCD)와 같은 평판 표시 장치(FPD), 특히 박막 트랜지스터(TFT)에 의해 제어되는 표시 장치에서 알루미늄계 또는 알루미늄 합금계의 전기적 상호 접속 회로를 많이 사용하고 있다.
이들 상호 접속 회로는 음극 스퍼터링으로 널리 공지된 기법을 공업적으로 사용하여 얻어지는데, 이 기법으로는 다양한 유형의 내열 또는 비(非)내열 재료나, 합금 또는 비합금 재료나, 도전 또는 유전 재료를, 진공하에 놓여질 수 있고 작은 온도 증가에 견딜 수 있는 상이한 유형의 기판에 고착시킬 수 있다. 공지된 절차는 일련의 기판의 금속화 작업, 금속 층에 대한 에칭 작업 및 부동태화 작업을 포함한다. 금속화 작업 중에, 기판은 180℃를 초과하며 통상 200℃ 내지 250℃ 정도의 금속화 온도(Tm)라 불리는 소정 온도에서 일반적으로 유지되지만, 현재의 경향으로는 170℃ 내지 200℃ 정도의 금속화 온도가 사용된다.
초고도 집적 회로에서, 금속 층은 전형적으로 0.5㎛ 내지 1㎛ 두께이고, 에칭은 매우 가늘며(전형적으로 0.25 내지 0.5㎛ 정도), 전류 밀도는 매우 높아서 특히 가속된 시효 시험 중에는 종종 106A/㎠에 이른다. 이러한 조건하에서는, 사용 중 구멍과 돌기의 형성을 야기하는 전자 이동(electromigration) 현상에 의한 회로의 기능 저하(degradation)가 관측된다. 이 문제를 해결하는 한가지 공지된 방법은 Cu, Ti, Si, Sc, Pd 및 이들의 화합물과 같은 선택된 합금 첨가 성분(첨가제)을 다량 함유(통상 2500ppm 초과)하는 알루미늄 합금을 사용하여 금속화를 수행하는 것이다. 하지만, 이들 합금이 갖는 단점으로는, 구체적으로는 회로를 에칭하는데 사용되는 시약(reagent)에 대한 알루미늄과 첨가제의 반응도 차이 때문에 에칭이 상당히 곤란하고, 특히 건식 에칭 공정에 있어서는 종종 화학 에칭 반응에서 파생된 생성물의 제거가 곤란하다는 것이다.
또한, 일본 특허 출원 JP62.235451호 내지 JP62.235454호와 JP62.240733호 내지 JP62.240739호에는 20 내지 7000ppm의 양으로의 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈, 크롬, 몰리브덴 또는 텅스텐 등의 내열 금속의 첨가 및 20 내지 5000ppm의 양으로의 붕소, 탄소 및/또는 질소의 첨가와 함께, 구리, 코발트, 망간, 니켈, 주석, 인듐, 금 또는 은 등의 한정된 첨가(통상 200ppm 미만)를 포함하는 고순도 알루미늄 합금의 사용이 기재되어 있다. 이러한 복합 성분의 합금이 갖는 단점은 이들 합금의 제조, 특히 타깃 조성의 불균질을 초래할 수 있는 금속간 성분(inter-metallic element)의 국부 편석(segregation)없이 그 합금이 유동하기에는 곤란하다는 점이다.
하지만, 평판 표시 장치의 경우에, 에칭의 폭은 통상 10㎛ 이상이며, 화상의 선명도(image definition)를 향상시키기 위해 5㎛ 정도의 폭이 고려된다. 따라서, 평판 표시 장치의 에칭은 초고도 집적 회로의 에칭에 비해 훨씬 덜 미세하다. 또한, 전류 밀도도 상당히 낮다. 이러한 조건하에서는 전자 이동에 의한 회로의 기능 저하가 실제적으로 존재하지 않으므로, 첨가제 함량이 높은 합금을 사용할 필요가 없다. 따라서, 중요한 장점으로서 합금에 비해 훨씬 더 쉽게 에칭되고 매우 높은 전기 전도성과 우수한 내식성을 갖는 고순도의 비합금 알루미늄을 사용하는 것이 통상 바람직하다.
급속히 발전하는 평판 표시 장치 분야의 현 추세는 대형의 표시 장치를 제조하는 것이다. 현재의 개발 추세는 특히 대각선 치수가 17" 및 20"인 개인용 컴퓨터(PC) 모니터와 대각선이 40"로 표면의 면적이 대략 0.5㎡인 벽걸이형 평면 텔레비젼 스크린에 초점이 맞춰져 있다. 또, 생산성과 효율 때문에 이들 모니터와 스크린은 기판("글래스"라고도 부름)으로 직접 제조하거나 동일 기판을 절단하여 제조한다. 그 결과, 글래스 기판의 크기가 급속히 증가하는 것이 현 추세이다. 현행 표준 포맷은 360mm ×460mm이고, 550mm ×650mm로 조만간 증가될 것이며, 대각선이 17", 20" 및 40" 평판의 동시 제조를 위해 대략 800mm ×1000mm 기판의 사용이 고려되고 있다.
이러한 추세에 따라, 모니터 제조 공정의 고유의 열 처리 중에 금속화 피막의 표면에 "공동(void)" 및 "돌기(hillock)"의 출현은 중대한 문제가 되며, 표시 장치의 크기가 증가할수록 막이 쓸모없게 되는 경우가 많아진다. 특히, 이에 해당하는 경우는 300℃가 넘는 온도로 가열하는 것에 의한 고온 산화 막(thermal oxidation film)의 형성 작업이나 화학 증착법(CVD)에 의한 상보성 층(complementary layer)의 고착 작업을 포함하는 표시 장치 제조 공정이다. 이러한 유형의 열 처리에 의해 생기는 공동과 돌기는 화질을 저하시키는 상호 접속 결함(interconnection fault)을 초래할 수 있다. 화질 기준이 엄격하므로, 단지 소수의 결함으로도 제조 중에 완성 모니터를 폐기시키게 한다.
이러한 문제의 원인은 자세히 밝혀져 있지 않다. 널리 받아 들여지는 최신의 한 가지 설명(P.R. Besser 등이 저술한 Materials Research Society의 Symposium Proceedings, 1993 년판, 309 권, 181-186 및 287-292 쪽)에 따르면, 돌기와 공동의 출현은 특히 매우 심한 압박(constraint)이 생기는 것에 기인하는데, 이 압박은 알루미늄 막과 기판 간의 열팽창 계수에서의 큰 차이로 인해 야기된다. 이러한 스트레스는 알루미늄의 항복 강도를 상당히 초과할 수 있다. 모니터 온도가 금속화 온도보다 높게 증가되면, 알루미늄 막은 압축되고 (보다 소성적인) 일부 결정립이 인접한 결정립의 압력을 받아 막 외측으로 압출될 것이다. 냉각 중에, 막은 장력을 받게 되며 구멍(hole)이 형성됨을 통해 이러한 스트레스가 이완되어 진다[스트레스 공동화 현상(stress voiding)]. 일부 저자에 따르면, 돌기의 출현은, 막이 견고한 조직을 갖는 경우 막의 잔여부와는 다른 배향성을 갖는 결정립 영역의 존재와 관계되는 것으로 언급되고 있다(D.B. Knorr가 저술한 Materials Research Society의 Symposium Proceedings, 1993 년판, 309 권, 75-86 쪽). 마지막으로, 다른 저자들에 따르면, 돌기의 형성은 특정하게 배향되고 이동도가 매우 높은 일부 결합(joint)의 존재에 기인한 일부 결정립의 비정상적인 성장 현상과 관계되는 것으로 언급되고 있다(K. Rajan의 Electrochemical Society Proceedings, 1995 년판, 95-3 권, 81-93 쪽).
특히 반도체 집적 회로 분야에서는, 이러한 문제점을 해결하기 위해, 알루미늄 합금과 내열 금속의 박막 층이 교대로 형성된 다층 상호 접속 회로를 사용하는 방안이 제안된다. 예컨대, 미국 특허 US 4 673 623호는 알루미늄 합금(Al+1%Si) 층과, 티타늄 또는 텅스텐 층을 여러차례 교대로 배열한 다층 구조의 사용을 제안한다. Xerox Corp.에 의한 유럽 특허 출원 제681 328호에 따르면, 각각의 교대 층의 두께는 돌기가 발생하는 임계치 미만의 작은 값으로 양호하게 제한된다. IBM Corp.의 미국 특허 제5 171 642호는 바람직하게는 0.5% Cu를 함유한 알루미늄 합금과, 알루미늄과 반응하여 TiAl3 등의 금속간 화합물을 형성하는 내열 금속(양호하게는 티타늄)의 층을 교대로 사용할 것을 제안하고 있다. 또한, 미국 특허 제5 202 274호는 Al-Si, Al-Pd, Al-Ni, Al-Ge 또는 Al-W 등의 알루미늄 합금 도체상에 알루미늄 산화물 층을 형성시키는 것을 제안한다. 하지만, 이들 해법에 따라 얻어지고 돌기의 형성을 만족할 만큼 방지하는 다층 상호 접속 회로는 최상의 경우에도 3.3μΩ.㎝를 초과하는 높은 전기 저항을 갖는다. 또한, 이들 해법이 갖는 단점은 제조 공정을 복잡하게 하여 종종 이들 해법을 경제적으로 실행할 수 없을 정도로까지 제조 비용이 상당히 증가된다는 점이다.
전자 이동에 의한 기능 저하 문제를 제거하기 위해, Al+0.5%Cu, Al+0.1%Cu+0.15%Ti, Al+0.5%Cu+1%Si 등의 초고도 집적 회로에 사용되는 것과 동일한 합금을 사용하는 것도 역시 제안되었다. 다른 제안은 돌기의 출현을 제한할 수 있는 첨가물 성분의 함량이 높은 특정한 합금, 예컨대 Ta가 12%인 합금, 또는 Ti과 B의 조합된 함유율이 높아 TiB2 금속간 석출물(대략 500ppm)이 풍부한 합금, 또는 10 중량%의 Nd를 함유한 합금을 사용하는 것이다.
하지만, 내열 성분 또는 첨가 성분이 다량 첨가된 이들 합금을 청결성과 조성상의 거시적ㆍ미시적 균질성을 보장하는 조건하에 타깃으로 제조 및/또는 주조하는 것은 곤란한데, 여기서 청결성은 카바이드, 질화물 및 산화물 등의 비금속 개재물(inclusion) 및/또는 가스의 함량이 낮은 것을 의미하며, 균질성은 후에 발생하여 막을 쓸모없게 만드는 에칭 결함, 예컨대 합금 막의 에칭 단계 중에 에칭될 수 없는 입자의 고착(deposit)이나, 화학적으로 불균질한 막의 형성을 방지하는데 필수적이다.
특히, 반응성이 큰 네오다인(neodyne)과 같은 희토류 성분을 함유하는 합금을 직접 주조에 의해 제조 및 주조하는 동시에, 산화물, 카바이드 등과 같은 유해한 내열성 개재물의 배제를 보장한다는 것은 매우 어렵다. 타깃이 사용 중인 때에는, 이들 개재물은 국부적 미소 아크(micro-arc)를 유발하며 결과적으로 금속화 피막 내외에 입자 또는 미립분(droplet)의 고착을 유발하게 되는데, 이는 후에 심각한 에칭 결함을 초래할 것이다.
두번째로, 첨가제가 함유된 합금은 금속간 석출물이 존재하므로 또한 에칭이 매우 곤란하지만, 이 석출물의 존재는 적절한 비저항(resistivity)이 요구되는 때는 필수적이다. 이러한 난점은 특히 구리 함유 합금에 잘 나타난다. 알루미늄의 에칭에 적절한 에칭 시약은 에칭 공정 수행 중에 합금내에 존재하는 구리와 반응하여, 쉽게 휘발하지 않고 빈번하게 사용되는 세정 용매에 쉽게 용해되지도 않는 염화물 또는 불소화물과 같은 화학적 화합물을 생성한다. 또한, 구리는 Al2Cu 석출물을 형성하는데 이 석출물이 에칭 면적에 비해 클 때는 에칭이 더 곤란해진다.
또, 막 균질성 기준은 기판이 클 때 특히 중요해 지는데, 이것은 타깃의 크기가 통상 기판의 크기에 따라 증가하기 때문이다. 막 균질성은 타깃의 전체 활성 용적내의 결정립의 미세도(finesse)와 조성의 균질성 및 균일성에 의존하는데, 합금이 첨가제를 포함할 때 대형 타깃에서 균질성의 달성은 더 곤란하다. Ta 및 TiB2를 함유한 합금 등의 내열성 첨가제가 든 합금은 완전 융점이 매우 높은데, 주조 부품내에 국부 편석없이 합금 성분이 매우 균일하게 분포되도록 하는 유일한 방법인 종래의 연속 주조 공정에 따라 큰 크기의 블랭크를 주조할 때는 완전 융점이 높은 데에 기인하여 심각한 문제가 야기된다.
또한, 첨가제가 든 합금의 전기 비저항은 금속화에 후속하는 열처리 후에도 순수 알루미늄에 비해 상당히 높다. 사용 또는 고려되는 합금의 비저항은 열처리 후에도 통상 3μΩ.㎝를 초과한다. 따라서, 표시 장치 사용 중의 에너지 소비는 더 크므로, 특히 휴대용 전지로 작동되는 시스템의 작동 지속 시간이 감소된다. 비저항이 증가하면 기본 픽셀 제어 트랜지스터를 제어하는 전기 펄스에 대한 응답 시간이 증가하는데, 이는 높은 화상 리프레시 속도(high image refreshment rate)가 필요한 평판 화상 표시 장치와 같은 용례에서 특히 문제가 된다.
결론적으로, 이들 합금은 제조 비용을 빈번하게 증가시키므로 사용 가능하지 않다.
따라서, 본 출원인은 열처리 중에 돌기 및 공동의 출현을 상당히 감소시키는 알루미늄 합금으로, 순수 알루미늄과 유사한 전기 비저항 및 에칭 조건을 가지며, 높은 조성상의 균질성과 함께, 용존 가스 및 개재물의 함량을 제한하는 것을 보장할 수 있는 조건하에서 용이하게 제조할 수 있는 알루미늄 합금을 연구하였다.
도 1은 본 발명에 따른 알루미늄 합금에서 재결정 개시 온도(Tc)에 대한 Cu 및 Fe 함량의 영향을 나타낸다. Cu와 Fe를 제외한 성분의 전체 함량은 0.01% 이하이다.
도 2는 본 발명에 따른 알루미늄 합금에서 재결정 종료 온도(Tf)에 대한 Cu 및 Fe 함량의 영향을 나타낸다. Cu와 Fe를 제외한 성분의 전체 함량은 0.01% 이하이다.
본 발명의 제1 목적은 전기 회로용 상호 접속 회로를 제조하기 위해 구성된 음극 스퍼터링 타깃으로서, 이 타깃에 있어서의 음극 스퍼터링 작업 중에 제거될 수 있는 용적에 해당하는 활성부가 구리와 철 모두를 함유한 고순도 알루미늄 합금으로 구성되며, 재결정 온도가 대략 20℃의 대기 온도보다 상당히 높고 20℃에서 3.0μΩ.㎝ 미만의 전기 비저항을 갖는 음극 스퍼터링 타깃을 제공하는 것이다.
더 자세히 말하자면, 전술한 고순도 알루미늄 합금은 알루미늄 이외의 성분을 총 0.1 중량% 미만 함유하고 있고,
- 구체적으로 Cu 및 Fe와 같은 합금 성분은 합금의 재결정 개시 온도가 150℃ 이상이고 양호하게는 200℃ 이상이 되게 하는 함량을 가지며,
- 그 Cu의 함량은 5ppm 내지 1000ppm이고 양호하게는 15ppm 내지 300ppm이며,
- Fe 함량은 2ppm 내지 60ppm이고 양호하게는 3ppm 내지 30ppm이며,
- 알루미늄 이외의 성분으로서 구체적으로는 합금 성분 및 불순물 성분은 고상의 완전히 재결정화된 시료에 대해 측정된 합금의 전기 비저항이 20℃에서 2.85μΩ.㎝ 미만이 되게 하는 함량을 갖는 것을 특징으로 한다.
완전히 재결정화된 상태, 즉 "어닐링된" 상태에서의 비저항은 바람직하게는 적어도 400℃인 온도에서 적어도 30 분 열처리한 후에 측정되는데, 상기 온도는 공지된 평판 표시 장치의 제조 공정에서 도달하는 최고 온도 보다 높다.
재결정 온도는 소위 재결정 개시 온도(Tc)를 사용하는 재결정의 개시, 또는 재결정 종료 온도(Tf)를 사용하는 재결정의 종료에 의해 정해진다. 이하의 설명에 있어서, 재결정 개시 온도(Tc)라 함은 83%[일반화된 변형률(ε)이 2에 상응]에 상당하는 압연으로 인한 두께 감소의 결과로 냉간 가공 경화된 시료가 소정 온도에서 15 분간 유지된 후 재결정된 입자를 10% 이상 갖게 되는 최저 온도로 정의하며, 재결정 종료 온도(Tf)라 함은 이 온도에서 15 분간 유지한 후에 가공 경화된 입자의 90% 이상이 재결정화되는 최저 온도로 정의한다.
연구하는 동안, 놀랍게도 본 출원인은, 매우 높은 순도의 알루미늄 합금이 고착된 막의 표면에서 돌기를 형성하려는 경향은 재결정 현상과 실제로 연관이 있음을 발견하였다. 돌기와 공동의 발생을 초래하는 합금의 재결정 온도는 통상 대략 200℃ 미만이므로 통상의 금속화 온도보다 낮거나 비슷하다. 하지만, 이러한 관계의 기초가 되는 메커니즘은 아직 밝혀지지 않았다.
따라서, 본 발명에 따른 합금은, 돌기의 발생률 및 그 크기를 상당히 감소시키기 위해 합금의 재결정 개시 온도(Tc)가 바람직하게는 150℃ 이상이고 더 바람직하게는 200℃ 이상이 되도록 하는 한편, 전기 비저항을 초고순도 알루미늄의 전기 비저항과 매우 근사하게 매우 낮은 값, 다시 말하면 20℃에서 3.0μΩ.㎝보다 상당히 낮고, 바람직하게는 완전히 재결정화된 상태의 고상 시료에 대해 20℃에서 측정되었을 때 2.85μΩ.㎝ 이하로 유지하는 조성 및 금속화 상태를 갖는다.
본 출원인은 합금 성분으로서 Fe와 Cu가 제한된 양(중량으로 몇 ppm을 초과함)으로 동시에 존재하면 초고순도 알루미늄의 재결정 온도가 증가하는 것도 역시 관찰하였다(도 1 및 도 2). 이와 같은 철과 구리간의 상호 작용 효과는 매우 놀라운 것인데, 이는 상기 성분의 각각의 개별적인 효과는 매우 낮기 때문이다. 이러한 작용은 고전적인 재결정 이론을 따르지 않고, 고용체내에서 거의 모든 성분은 100ppm 미만의 농도에서도 재결정 온도를 실질적으로 증가시킨다는 이 분야에서 통상적으로 받아 들여지는 사실과도 일치하지 않는다(구체적으로는 J.E. Hatch의 "Aluminum-Properties and physical metallurgy", 1984 년판, 120 쪽 참조).
본 발명에 따른 합금 성분 및 합금 불순물의 함량은, 에칭의 질을 손상시키거나(구체적으로는 크기가 막 두께의 15%를 초과하는 경우) 이들 에칭 형성을 곤란하게 할 수 있는 석출물이 형성될 소지가 있다는 점에서도 역시 제한된다.
투과 전자 현미경에 의한 현미경적 고찰 실험에서도, 본 발명에 따른 합금을 사용하여 얻어지고 그 후에 400℃에서 열처리된 금속화 피막내에 존재하는 Al2Cu 금속간 석출물의 수는 Cu 함량이 1000ppm 이하인 경우 매우 적고, 300ppm 이하의 함량에서는 전혀 없다는 것이 입증되었다.
또한, Fe 함량은 대부분의 철이 알루미늄내에 고용체로 잔류하고, 또 Al3Fe 및 Al6Fe 등의 일부 철함유 석출물의 수효 및 크기가 제한되도록 한정된다. Fe가 60ppm을 초과하면, 예컨대 습식 에칭 작업 중에 알루미늄 합금의 상호 접속부가 부식에 대해 크게 민감해진다. 이 효과는 Fe가 30ppm을 초과하면 검출 가능해지기 시작한다.
본 발명의 유리한 하나의 변형례에 따르면, 낮은 Fe 및 Cu의 함량에 있어서, 합금은 또한 합금 성분으로서 Si도 함유한다. 특히, Cu 함량이 50ppm 미만이고 Fe 함량이 20ppm 미만일 때, Si 함량이 2ppm 내지 30ppm이면 유리하다. 또한, Cu, Fe 및 Si는 재결정 개시 온도가 150℃, 양호하게는 200℃를 초과하고, 어닐링된 상태에서 20℃에서의 비저항이 2.85μΩ.㎝ 이하가 되도록 하는 함량을 갖는다.
본 출원인은 전술한 값으로 제한된 Fe 또는 Cu 함량에 있어서, Si의 존재는 과하지는 않지만, 재결정 온도에 상당히 기여하는 것을 관찰하였다. 예컨대, 표 1은 각각 50ppm과 20ppm으로 제한된 구리와 철 함량에 대한 제한된 실리콘 함량의 영향을 나타내는데, 이때 불순물(즉, Fe, Cu 및 Si 합금 성분 이외의 성분)의 전체 함량은 0.01% 미만이다. 따라서, 실리콘의 상보적인 효과는 비록 철과 구리 함량이 낮으면 현저하지만, 철과 구리 함량이 각각 20ppm과 50ppm에 이르면 감소한다.
함량(중량 ppm) Tc(℃) Tf(℃)
Fe Cu Si
0 50 0 130 220
0 50 10 160 260
5 25 0 180 270
5 25 10 200 300
20 50 0 260 325
20 50 10 260 325
본 발명의 유리한 한가지 변형례에 따르면, 스퍼터링 타깃의 결정립 크기를 적절히 정제 처리(refining)하여 타깃 활성부의 마모면을 균일하게 하기 위해, 합금을 제조하는 공정은 바람직하게는 정제 성분으로 Ti 및 B를 동시에 첨가하는 것으로 이루어진 정제 단계를 포함하며, 이때 합금내 티타늄 함량은 20ppm 내지 80ppm이고, 붕소의 함량은 4ppm을 초과하는 데 그 B의 함량이 Ti/B 중량비가 2.5 내지 10이 되게하는 함량으로 한다.
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본 발명의 다른 변형례에 따르면, 합금은 희토류 성분 등의 상보성 합금 성분을 5ppm을 초과하고 0.05% 미만의 함량으로 함유하는데, 이들 성분의 함량은 본 발명에 따른 합금으로 된 상호 접속 회로와 다른 인접 층 사이의 계면 및 접합 특성과, 상호 접속부의 내식성과, 상호 접속부 표면에 형성된 알루미늄 산화물 층(존재하는 경우)의 유전력(dielectrical power)을 상당히 향상시킬 수 있다.
합금 및 정제 성분 이외의 성분인 불순물의 총 함량은 양호하게는 0.01% 미만인데, 이는 10㎛를 초과하는 금속간 석출물의 형성될 소지를 방지하고, 고상 알루미늄중에 매우 잘 용해되는 성분에 있어서는 합금의 비저항을 감소시키기 위한 것이다.
본 발명에 따른 합금중의 알카리 불순물(Li, Na, K, Rb, Cs)의 전체 함량은 0.0005% 미만이 좋다. 알카리 불순물의 함량은, 이들 알카리 불순물이 특히 다른 재료와의 계면으로 상호 접속 라인을 따라 매우 고속으로 이동(migration)함으로써 미칠 수 있는 극히 유해한 영향으로 인해 제한된다.
본 발명에 따른 합금은 합금 성분 및 가능하게는 선택된 정제 성분을 초고순도의 알루미늄 매트릭스(matrix)에 첨가하여 얻을 수 있는데, 이때 매트릭스의 순도는 양호하게는 4N(99.99% 이상의 알루미늄)보다 높고, 더 양호하게는 4N7(99.997% 이상의 알루미늄)보다 높다.
본 발명에 따른 타깃의 활성부는 본 발명에 따른 합금 플레이트를 압연하여 유리하게 얻는다. 압연 조건은, 금속에서 높은 등방성을 달성하기 위해, 다시 말하면 타깃 표면 위에서의 균일한 마모를 촉진하는 조직(texture)을 제거하기 위해, 플레이트가 압연 중에, 보다 정확하게는 롤러 사이로 지나가는 중에 또는 지나간지 얼마 안되어 재결정이 발생하도록 되어있다. 압연 중의 이러한 재결정은 Tf + 50℃를 초과하는 온도에서의 압연을 통해 양호하게 얻는데, 이때 Tf는 합금의 재결정 종료 온도이다. 압연은 양호하게는 교차되게 행하는데, 각각의 압연 단계에서 두께는 20% 이상 감소된다. 또, 각각의 단계 사이의 대기 시간은 50% 이상의 플레이트가 재결정되기에 충분하면 좋다.
본 발명에 따른 타깃의 활성부에는 0.7mm를 초과하는 내부 균열이나 흠집(flaw)이 없고, 활성 금속(active metal)의 입방 데시미터당 200㎛를 초과하는 내부 균열이 10 개 미만이면 좋은데, 활성 금속은 음극 스퍼터링 작업 중에 제거될 수 있는 금속을 말한다. 이들 제한값은 음극 스퍼터링 금속화 작업 중에 타깃에서 떨어져 나온 입자와 미립분의 재고착에 의해 야기되는 에칭 결함의 빈도를 전적으로 만족할만한 수준으로 유지하기에 충분하다.
타깃 활성부의 내부적 건전성, 즉 내부 균열의 갯수 및 그 크기는 본 출원인에 의해 출원된 프랑스 특허 출원 제96 01990호에 공지된 공정에 따라 양호하게는 8㎒ 이상의 주파수로 초음파 검사하여 유리하게 측정한다.
또, 활성 금속의 결정립 크기는, 타깃의 활성부에 걸쳐 매우 균일한 마모를 부여하기 위해, 고착된 막 균질성이 조성과 두께 모두에 대해 만족스럽도록 2mm 미만이 된다.
본 발명의 다른 목적은 전기적 상호 접속 회로에 관한 것으로, 이 회로는 양호하게는 본 발명에 따른 타킷으로부터 음극 스퍼터링에 의해 얻어지는 본 발명에 따른 알루미늄 합금의 상호 접속 층을 적어도 하나 구비하고, 비합금 알루미늄에 비해 매우 향상된 재결정에 대한 내성을 가지는 한편, 탁월한 에칭성 및 순수 알루미늄과 유사한 낮은 비저항을 유지하는 것을 특징으로 한다.
실시예 1
대략 4.6 톤의 알루미늄 합금을 전기 가열로내에서 용융시켰는데, 순도 99.998%의 정제된 알루미늄에, Fe 함량이 8ppm이 되고 Cu 함량이 40ppm이 되도록 Fe와 Cu를 소량 첨가하였다. 획득된 합금에는 9ppm의 Si도 역시 함유되어 있다.
이어서, 획득된 합금을 횡단면이 500 ×1055mm이고 길이가 3200mm인 압연 슬래브(slab) 형태로 주조하였다. 주조 중에, 용존 수소 및 개재물의 함량을 감소시키기 위해 이 합금을 연속된 2 개의 레이들(ladle)에서 순서대로 처리하였다. 제1 레이들은 본 출원인에 의해 개발된 ALPUR 공정에 따른 아르곤 분사 로터(rotor)가 장착된 탈기 레이들이었다. 제2 레이들은 관형 알루미늄 덩어리(gravel)의 딥 베드(deep bed)가 마련된 여과 레이들인데, 본 출원인에 의해 개발된 공정에 따라 제조되며 PECHINEY DBF(Deep Bed Filter)라는 명칭으로 공지되어 있다.
이어서, 플레이트의 바닥과 상부의 융기 영역을 제거하기 위해 슬래브를 톱질 가공하여 그 길이를 2400mm로 조정하였다.
이어서, 응고된 금속의 거시적(macrographic) 조직과 가스 함량을 검사하기 위해, 슬래브의 상부와 바닥에서 주조 방향에 대해 수직하게 슬라이스(slice)를 취하였다. 이 실험에 따라, 매우 거친 거시적 조직[즉, 센티미터로 측정되고 고화 전면(solidification front)에 수직하게 연장된 결정립 크기]과, 제품의 중심부내의 미소 수축 기공과, 0.07ppm 미만의 수소 함량이 존재함이 밝혀졌다.
이어서, 이와 같이 톱질 가공한 이 슬랩의 넓은 표면을 밀링에 의해 표면당 대략 8mm 스캘핑(scalping; 주물의 표피 제거 작업)시켜, 미세한 현무암질(basaltic) 결정립이 있는 주조 피막(casting skin)과 외피면(cortical area)을 제거하였다. 따라서, 스캘핑된 슬래브를 건조 분위기의 전기로에서 580℃로 32 시간 동안 균질화시켜, 가스 재혼입(regassing)을 방지하면서 상기 조성을 미시적으로 균질화시켰다. 이어서, 이 슬래브를 노내에서 냉각시키고 500℃ 아래에서 외기에 놓은 후, 가역 롤러의 이송 테이블에 배치하여 두께가 75mm로 감소될 때까지 여러 단계에 걸쳐 주조 축선에 평행하게 압연하였다. 이 제1 압연 단계가 끝날 때 스트립의 온도는 대략 460℃였다.
이 압연 작업으로부터 생산된 대략 15.50m 길이의 스트립을 스트립 양단에서 25cm 절단한 후 전단 가공에 의해 1m 길이의 조각들로 절단하였다.
이들 조각을 각각의 조각의 넓은 표면에 수직한 축선을 중심으로 90°회전시킨 후, 전술한 압연 방향에 수직한 방향을 따라 여러 단계에 걸쳐 즉각 재차 열간 압연("교차" 압연)시켜 두께를 12.5mm로 감소시켰다. 이 제2 압연 단계가 끝날 때, 스트립의 온도는 압연 작업에 진입한 정도에 따라 370℃ 내지 410℃였다
이렇게 해서, 폭이 1000mm, 길이가 6.3m, 두께가 12.5mm인 15 개의 스트립이 마련되었으며, 이들을 다시 전단 가공에 의해 절단하여, 음극 스퍼터링 타깃으로 가공할 수 있는 폭이 1000mm, 길이가 900mm, 두께가 12.5mm인 90 개의 플레이트를 얻었다.
최초 정제된 알루미늄과, Cu 및 Fe를 첨가한 후에 얻은 합금의 재결정 온도를 측정하였다. 이 측정에 따라, 최초 정제된 합금의 재결정 개시 온도와 종료 온도는 25℃ 미만이고, 또, 얻어 합금은 250℃ 및 320℃의 재결정 개시 및 종료 온도를 각각 갖는 것으로 나타났다.
또한, 플레이트 시료에 미시적(microgrphic) 검사를 수행하였는데, 획득된 플레이트의 결정립은 균질하고 미세하며 넓은 표면에 평행하게 2mm 미만의 크기를 가졌으며, 0.7mm 미만의 두께로 상기 표면에 평행하게 평탄화된 것으로 드러났다. 비교를 위해, 주조 축선에 평행한 방향으로만 압연된 스트립은 압연 방향으로 3mm에 이르는 긴 결정립과, 압연 방향으로의 선택 배향(preferred orientation)의 잔류 압연 조직을 가지고 있었다.
추가의 미시적 검사에 따라 금속간 석출물이 없는 것으로 드러났다.
플레이트로부터 취한 재결정된 시료에 대해 측정된 20℃에서의 금속의 비저항은 2.70μΩ.㎝를 초과하지 않았다.
이들에 대해 압연 및 절단 작업을 행하고, 이어서 냉각시킨 후에, 10MHz의 주파수에서의 침지 초음파 검사(immersed ultrasonic inspection)에 의해 각각의 플레이트를 검사하고, 기록된 초음파 반향(echo)을 300㎛ 직경의 평탄한 바닥으로부터의 반향과 비교하였다. 이들 측정치를 이용하여, 검사한 금속의 입방 데시미터당 200㎛를 초과하는 등가 사이즈의 반향의 수에 따라 플레이트를 세 종류로 분류하였는데, 10개를 초과하는 반향을 갖는 플레이트(8개의 플레이트), 2 내지 8개의 반향을 갖는 플레이트(27개의 플레이트) 및 2 개 미만의 반향을 갖는 플레이트(55개의 플레이트)가 그것이다.
이와 같이 검사한 후, 각각의 세 종류에서 하나의 플레이트를 표본추출하고, 다이아몬드 공구를 사용하여 표면을 가공하여 두께를 10mm로 감소시킨 후, 측면을 가공하여 최종 플레이트의 치수를 790mm ×880mm ×10mm로 하였다. 이어서, 음극 스퍼터링 타깃을 만들기 위한 공지된 기법에 따라 이들 최종 플레이트를 전기적 및 냉각용 연결 지지부에 연결하였다.
이들 세개의 타깃을 치수가 550 ×650mm인 글래스 기판의 금속화에 사용하였는데, 이 글래스 기판은 초고순도 알루미늄(5N) 기재의 상호 접속부를 제조하는 데에 통상 사용되는 기법을 사용하여 평판 표시 장치를 제조하기에 적합하다. 고착 중의 기판 온도는 200℃로 Tc보다 낮았으며, 부동태화는 Tc에 근사한 온도인 320℃에서 행해졌다.
또한, 광학 현미경 검사를 비롯한 제조 검사에서는, 3개의 시험 타깃에 대한 돌기의 발생 빈도는 2ppm 미만의 Fe와 Cu를 함유한 초고순도 알루미늄 타깃으로 금속화된 표시 장치에서 관찰되는 빈도의 절반 미만이었으며, 특히, 이들 돌기의 높이는 매우 많이 감소되어 최대 높이가 0.5㎛에서 0.2㎛로 바뀐 것으로 나타났다. 또, 본 발명에 따른 알루미늄 합금 막의 결정립 크기는 도핑되지 않은 5N의 알루미늄에서 관찰된 것의 1/3 만큼 상당히 낮았다.
높이가 0.2㎛ 미만인 돌기는 후속하는 표시 장치 제조 작업에서 상당히 허용 가능한 것으로 고려되는 데에 반해, 높이가 0.3㎛ 또는 심지어 0.4㎛를 초과하는 돌기는 종종 치명적이 되는데, 그것은 이들이 알루미늄 합금 또는 순수 알루미늄 상호 접속부의 표면에 후속하여 증착되거나 형성된 막의 두께를 초과하기 때문이다.
하지만, 제1 종류(활성 금속의 입방 데시미터당 200㎛를 초과하는 결함을 10 개 넘게 포함)에 속하는 타깃으로 제조한 표시 장치는 다른 두 타깃으로 제조한 표시 장치에서 발견되는 것보다 상당히 더 많은 에칭 결함을 갖는데, 이는 제조된 표시 장치의 10% 이상을 폐기하게 만들었다. 이들 에칭 결함은 금속화 작업 중에 마이크로 아크의 발생에 의해 타깃으로부터 떨어져 나온 액체 미립분의 알루미늄 막으로의 재고착과 관련된 것이었다.
실시예 2
실시예 1에서와 동일한 조건하에 시험을 수행하였는데, 주조시의 알루미늄 합금의 제련 절차만 상이하였다.
주조시, 5 중량%의 Ti와 1 중량%의 B를 함유한 고순도 알루미늄 합금 와이어를 사용하여 액체 금속에 B와 Ti를 연속적으로 첨가하였다. 와이어가 첨가되는 속도는, 주조 합금내에 Ti 함량이 50ppm 정도, B 함량이 10ppm 정도가 되도록 조정하여, 주조 금속 1 톤당 1kg의 합금 와이어를 첨가하였다.
"주조 상태 그대로"의 슬래브의 단부를 톱질 가공하는 중에 표본 추출된 거시적 세그먼트는 전술한 실시예에 비해 훨씬 더 미세한 입상 조직을 나타냈으며, 슬래브의 중앙부에서 수축 구멍이 크게 감소된 것으로 드러났다.
실시예 1과 동일 조건하에서 압연한 후에, 플레이트의 결정립은 훨씬 더 미세하게 되었고, 그 치수는 모든 방향에서 1mm를 초과하지 않았다. 플레이트 시료에서 측정된 비저항은 20℃에서 2.80μΩ.㎝을 초과하지 않았다. 또, 초음파 검사 중에, 제조된 플레이트 90개 중, 2개만이 금속의 입방 데시미터당 200㎛를 초과하는 등가 사이즈의 반향을 10개 이상 가졌다.
실시예 1과 정확히 동일한 공정을 사용한 합금으로 제조되어 정확히 동일한 조건하에 시험된 타깃은 돌기의 발생 빈도 및 그 크기에 대해 다소 더 좋은 결과를 보였으며, 동시에 400℃에서의 부동태화 처리 후에 막의 결정립 크기도 역시 작은 것으로 관찰되었다.
이들 시험에 따라, B와 Ti를 동시에 제한적으로 첨가하여 정제하면, 본 발명에서 의도하는 특징을 유지하며 심지어는 그 특성을 다소 더 향상시키는 동시에, 내부 균열의 수 및 그 크기에 대해 만족스러운 플레이트의 비율이 현저하게 증가한다는 것이 밝혀졌다.
장점
따라서, 본 출원인에 의해 수행된 시험은, 예기치 못한 것으로 종래 지식과는 반대로, 초고순도의 알루미늄의 특성과 유사한 사용 특성과 특히 낮은 전기 비저항 및 매우 우수한 에칭성이 나타내는 동시에, 이 합금으로부터 음극 스퍼터링에 의해 얻은 막의 표면에서 돌기와 공동의 발생을 상당히 감소시킬 수 있는 낮은 함량의 일부 성분을 갖는 알루미늄 합금을 여러 등급으로 설계하는 것이 가능하다는 것을 증명하였다.
비록 각각 수 중량ppm을 초과하지만, 제한된 양의 Fe와 Cu가 동시에 존재하면, 초고순도 알루미늄에서 달성되는 것과 매우 근사하게 매우 낮은 값의 전기 비저항, 다시 말하면 20℃에서 3.0μΩ.㎝보다 상당히 낮은 전기 비저항을 유지하면서도, 재결정 온도에서의 큰 증가와 관련한 돌기의 발생 비율과 그 크기를 고순도 알루미늄에 대해 얻어지는 것 이상으로 현저히 감소시킬 수 있다.
본 발명에 따른 타깃은, 기법의 수정없이 음극 스퍼터링 방법으로 공지된 금속화에 사용할 수 있으며, 초고순도의 알루미늄에 사용된 것과 동일한 조건하에서 에칭을 행할 수 있다.
돌기의 형성에 대한 높은 내성과는 별개로, 본 발명에 따른 상호 접속 회로는 고순도 비합금 알루미늄에서 얻은 저항과 필적하는 전기 저항 및 매우 미세한 결정립을 가지며, 이러한 미세도(fineness)의 고온에서의 지속성은 높은 값의 재결정 온도로 인해 초고순도 알루미늄(5N 초과)보다 더 우수하다.

Claims (12)

  1. 음극 스퍼터링 타깃으로서,
    상기 타깃에서 음극 스퍼터링 작업 중에 제거될 수 있는 활성부는 고순도 알루미늄 합금으로 구성되고, 알루미늄 이외 성분의 전체 함량이 0.1 중량% 미만이며,
    - Cu 및 Fe를 포함한 합금 성분은 합금 재결정 개시 온도가 150℃ 이상이 되게 하는 함량을 가지며,
    - 상기 Cu의 함량은 5ppm 내지 300ppm이며,
    - 상기 Fe의 함량은 2ppm 내지 60ppm이며,
    - 알루미늄 이외의 성분으로서 합금 성분 및 불순물 성분은 완전히 재결정화된 고상 시료에 대해 측정된 상기 합금의 전기 비저항이 20℃에서 2.85μΩ.㎝ 미만이 되게 하는 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 음극 스퍼터링 타깃.
  2. 제1항에 있어서, 상기 합금 성분은 상기 합금의 재결정 개시 온도가 200℃ 이상이 되게 하는 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 음극 스퍼터링 타깃.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 합금의 Cu 함량은 15ppm 내지 300ppm이고, 상기 합금의 Fe 함량은 3ppm 내지 30ppm인 것을 특징으로 하는 음극 스퍼터링 타깃.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 합금의 Cu 함량은 50ppm 미만이고, 상기 합금의 Fe 함량은 20ppm 미만이며, 그리고 상기 합금은 Si를 2ppm 내지 30ppm의 함량으로 더 포함하는 것을 특징으로 하는 음극 스퍼터링 타깃.
  5. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 합금은 티타늄(Ti)와 붕소(B)를 더 포함하며, 티타늄의 함량은 20ppm 내지 80ppm이고 붕소의 함량은 4ppm을 초과하며, 상기 티타늄 대 상기 붕소(Ti/B)의 중량비는 2.5 내지 10인 것을 특징으로 하는 음극 스퍼터링 타깃.
  6. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 합금내 불순물의 총 함량은 0.01% 미만인 것을 특징으로 하는 음극 스퍼터링 타깃.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 합금내 알카리 불순물(Li, Na, K, Rb, Cs)의 총 함량은 0.0005% 미만인 것을 특징으로 하는 음극 스퍼터링 타깃.
  8. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 타깃의 활성부는 0.7mm를 초과하는 내부 균열을 갖지 않으며, 활성 금속의 입방 데시미터 당 200㎛를 초과하는 내부 균열을 10개 미만 가지며, 상기 활성 금속은 음극 스퍼터링 작업 중에 제거될 수 있는 금속인 것을 특징으로 하는 음극 스퍼터링 타깃.
  9. 제8항에 있어서, 상기 활성 금속은 2mm 미만의 결정립을 갖는 것을 특징으로 하는 음극 스퍼터링 타깃.
  10. 음극 스퍼터링 타깃의 활성부를 얻는 방법으로서,
    제1항 또는 제2항에 따른 알루미늄 합금 플레이트를 압연하는 복수의 압연 단계를 포함하며,
    상기 복수의 압연 단계는 높은 등방성의 금속이 획득되도록, Tf + 50℃를 초과하는 온도에서 상호 교차되게 수행되며, 각각의 압연 단계에서는 두께를 20% 이상 감소시키며, 상기 Tf는 상기 플레이트에 사용된 합금의 재결정 종료 온도인 것을 특징으로 하는 방법.
  11. 전기적 상호 접속 회로로서, 제1항 또는 제2항에 따른 알루미늄 합금의 상호 접속 층을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
  12. 전기적 상호 접속 회로로서, 제1항 또는 제2항에 따른 타깃의 음극 스퍼터링에 의해 제조된 알루미늄 합금의 상호 접속 층을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 회로.
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