KR100688832B1 - 초미세 결정-구리 기재의 스퍼터 타겟 - Google Patents

Abstract

스퍼터 타겟(sputter target)은 고순도 구리 및 구리 기재 합금으로 구성된 군으로부터 선택된 조성을 갖는다. 스퍼터 타겟의 결정 구조는 약 99% 이상 재결정화되고, 스퍼터 타겟 면은 (111), (200), (220) 및 (311) 각각이 약 10% 이상인 결정방위를 갖는다. 또한, 스퍼터 타겟은 스퍼터의 균일도를 개선시키고 스퍼터 타겟의 아킹(arcing)을 감소시키기 위한 약 10㎛ 미만의 결정 크기를 갖는다.

Description

초미세 결정-구리 기재의 스퍼터 타겟 {ULTRAFINE-GRAIN-COPPER-BASE SPUTTER TARGETS}

도 1은 결정 크기가 3.8 마이크론으로 초미세하게 결정화된 99.9993%의 순도를 갖는 구리의 현미경사진을 나타내는 도면이다.

도 2A 및 2B는, 각각 결정 크기가 33㎛이며 표준 냉각 압연되고(rolled) 어닐링된 99.9993% 순도의 구리와, 초미세 결정 크기가 3.8㎛이며 극저온에서 압연되고 저온에서 어닐링된 99.9993% 순도의 구리 사이에서의, 아크 총수 대 타겟 수명에 대한 비교 플롯을 나타내는 도면이다.

도 3은, 결정 크기가 45㎛이며 표준 냉각 압연되고 어닐링된 99.9999% 순도의 구리와, 초미세 결정 크기가 3.6㎛이며 극저온에서 압연되고 저온에서 어닐링된 99.9999% 순도의 구리 사이에서의, 항복 강도 및 인장 강도의 비교 플롯을 포함하는 도면이다.

도 4A 및 4B는, 각각 결정 크기가 45㎛이며 표준 냉각 압연되고 어닐링된 99.9999% 순도의 구리와, 결정 크기가 3.6㎛이며 극저온에서 압연되고 저온에서 어닐링된 99.9999% 순도의 구리 사이에서의, 결정학적 텍스쳐 결정방위를 제공하는 도면이다.

도 5는, T6 처리조건을 사용하여 99.999%의 구리와 알루미늄 합금 6061을 비 교한 탄성 계수 대 온도의 플롯을 나타내는 도면이다.

최근, 연구자들은 냉각 작업의 최적화 및 열처리물의 재결정화(어닐링)에 기초하여 스퍼터 타겟 미세구조를 정련시키는데 관심을 기울여 왔다. 불운하게도, 이러한 기술은 고순도 구리 및 구리 합금의 미세구조를 정련시키는데 있어서 제한된 성공만을 이루어왔다. 구리 및 구리 합금의 미세구조를 정련하는 것이 상대적으로 용이함에도 불구하고, 제조업자들은 허용가능한 결과를 수득하기 위해 종래의 작업 및 어닐링에 의존하고 있다. 구리 스퍼터 타겟의 대부분의 상업적 제조업자들은 약 25 내지 100㎛의 결정 크기를 갖는 스퍼터 타겟을 제조하고 있는 실정이다.

코엔익스만 등(Koenigsmann et al.)의 미국 특허 공고 제 2001/0023726호에는, 스퍼터 균일도를 개선시키기 위해서 스퍼터 타겟의 결정 크기를 제한하고 결정학적 텍스쳐 결정방위를 제어하는 경우에 발생되는 이점이 개시되어 있다. 코엔익스만의 방법은, 상대적으로 미세 결정 크기 및 균형있는 결정 구조 방위를 갖는 고순도 구리 스퍼터 타겟을 제조하도록, 가온 작업, 냉각 작업 및 어닐링을 조합시키는 방법에 의존하고 있다. 이 방법에 의해, 20㎛ 정도의 결정 크기를 갖는 스퍼터 타겟이 성공적으로 제조된다.

퍼베이트 등(Pavate et al.)의 미국 특허 제 6,139,701호에는 고순도 구리 타겟에 대한 스퍼터 타겟의 미세-아킹(micro-arcing)을 저하시키기 위해 종래의 제조 방법으로 복합적인 타겟 특징을 제어하는 것이 개시되어 있다. 이 특허는 필드 증강된 방출(field enhanced emissions)로부터 발생되는 결함을 제한하도록 유전체 함유물, 결정 크기 및 표면 조도를 감소시키는 것을 제안하고 있다.

상기 코엔익스만 등에 의해 달성되고 퍼베이트 등에 의해 제안된 최근의 개량에도 불구하고, 종래의 구리 작업 공정은 미세구조를 초미립자 결정 크기로 정련시키는 것에 대해서는 제한적인 성공을 이루어왔다. 이는 정상적인 작업 온도(주위온도)에서, 구리 및 구리 합금이 제한적인 정상상태의 전위밀도(dislocation density) 및 아결정(subgrain) 또는 셀 크기에 도달하기 때문이다. 그리고, 어닐링시키자 마자, 이 구조가 상대적으로 거친 결정 구조로 재결정화된다.

타겟 제조업자들은 미세 결정으로 된 미세구조를 제조하기 위해 구속 전단 압출법(ECAE: Equal Channel Angular Extrusion)에 의존해 왔다. ECAE를 사용하여 결정 크기를 감소시키는 것에 대한 예가 하기 문헌에 기술되어 있다[참조 문헌: Nakashima et al., "Influence of Channel Angle on the Development of Ultrafine Grains in Equal-Channel Angular Pressing," Acta. Mater., Vol. 46, (1998), pp. 1589-1599 and R.Z. Valiev et al., "Structure and Mechanical Behavior of Ultrafine-Grained Metals and Alloys Subjected to Intense Plastic Deformation," Phys. Metal. Metallog., Vol. 85, (1998), pp. 367-377]. ECAE는 워크피스 형태에 큰 변화를 일으키지 않으면서 다량의 변형력을 금속 내로 도입시킨다. 사실상 스퍼터 타겟 제조업자들은 고순도 구리 스퍼터 타겟의 결정 크기를 5㎛ 미만으로 감소시키기 위해 ECAE를 사용할 수 있음을 주장해왔다. 이 방법이 결정 크기를 감소시키는데 효과적이라 하더라도, 이는 직사각형 형태의 플레이트만을 사용하여 작동되며 직사각형 플레이트로부터 원형의 타겟을 절단시키는 비효율적인 단계를 요하는 ECAE 공정으로부터 야기되는 허용가능한 생산량-낮은 생산량을 제공하거나, 균일한 스퍼터링을 용이하게 하는 방식으로 결정들을 정렬시키는 것으로 보이지는 않는다.

로 등(Lo et al.)의 미국 특허 제 5,766,380호(발명의 명칭 "미세 결정 및 미세 침전물을 사용하여 무작위적으로 배향된 알루미늄 합금 스퍼터링 타겟을 제조하는 방법")에는 알루미늄 합금 스퍼터 타겟을 제조하기 위한 극저온 방법이 개시되어 있다. 이 방법은 결정을 재결정화시키고 결정 구조를 제어하기 위해 최종 어닐링 단계와 함께 극저온 처리법을 채용하고 있다. 마찬가지로, 와이. 리우(Y. Liu)의 미국 특허 제 5,993,621호에는, 티타늄 스퍼터 타겟의 결정학적 텍스쳐를 조작하고 개선시키기 위해 극저온 작업 및 어닐링을 사용한다.

스퍼터 타겟은 고순도 구리 및 구리 기재 합금으로 구성되는 군으로부터 선택된 조성을 갖는다. 상기 스퍼터 타겟의 결정 구조는 약 99% 이상 재결정화되며; 스퍼터 타겟 면은 (111), (200), (220) 및 (311) 각각이 약 10% 이상인 결정방위를 갖는다. 뿐만 아니라, 스퍼터 타겟은 스퍼터 균일도를 개선시키고 스퍼터 타겟 아킹을 감소시키기 위한 약 10㎛ 미만의 결정 크기를 갖는다.

본 발명의 방법은, 먼저 구리 기재의 타겟 블랭크를 약 -50℃ 미만의 온도로 냉각시킴으로써 구리 기재 스퍼터 타겟을 형성한다. 상기 구리 기재의 타겟 블랭크의 순도는 99.999% 이상이며, 이는 초기 결정 크기의 결정을 함유한다. 이후, 냉각된 구리 기재의 타겟 블랭크를 변형시켜 변형된 결정 구조를 형성한다. 변형시킨 후에, 약 350℃ 미만의 온도에서 변형된 결정 구조를 재결정화시켜, 재결정화된 결정을 갖는 타겟 블랭크를 형성한다. 이러한 타겟 블랭크는 약 99% 이상의 재결정화된 결정을 함유하며, 이러한 재결정화된 결정은 초기 결정 크기보다 더 작은 미세 결정 크기를 갖는다. 종국적으로, 미세 결정 크기가 유지되는데 충분한 저온에서 구리 기재 타겟 블랭크를 마감처리하여, 완성된 스퍼터 타겟을 형성한다.

고순도 구리 및 구리 기재 합금의 변형 온도를 적어도 -50℃로 낮추면, 재결정화 온도가 저하될 뿐만 아니라 미세한 결정 크기가 얻어진다는 사실이 밝혀졌다. 이후, 타겟 블랭크를 350℃ 미만의 온도로 가열시키면, 최소량의 결정 성장이 이루어지는 미세구조가 안정화된다. 이러한 방법으로 스퍼터링 중에 직면하는 온도에서 우수한 안정성을 갖는 미립화되고 재결정화된 구조가 생성된다.

특히, 구리 타겟을 제조하기 위한 방법에 있어서, 먼저 저온의 재결정화 어닐링 처리 동안에 후속적인 활성화를 위한 활성화된 신규한 결정 기핵 자리수를 증가시키면서, 극저온에서 강력한 플라스틱 변형력을 도입시킨다. 이것은 강력한 플라스틱 변형력으로부터 핵(N)의 숫자를 증가시키는 반면, 신규한 결정의 후속적인 성장 속도(G)를 감소시킬 뿐만 아니라 결정화된 결정 크기를 감소시킨다.

상기 극저온 방법은 재결정화 반응이 저온에서 일어나도록 함으로써 감소된 결정 경계 이동성(grain boundary mobility)을 촉진시킨다. 그 결과, 극저온에서의 작업은 강력한 플라스틱 변형, 및 극저온에서의 변형과 관련된 지연된 동적 회복(dynamics recovery) 모두에 의해 G에 대한 N의 비율이 최대(N이 증가됨)가 되게 하며, 보다 낮은 온도에서 재결정화가 일어나도록 함으로써 새로 형성된 결정의 성장 속도를 감소시킨다(G가 감소됨). G에 대한 N의 비율이 최대가 되면, 재결정화된 결정 크기가 최소화될 수 있다. 이후, 타겟 블랭크를 완성된 스퍼터 타겟으로의 후속 처리 동안에 결정 성장을 제어함으로써, 생성되는 최소 결정 크기가 유지된다.

형성 조작을 실시하기 직전에 타겟 블랭크를 냉각욕 내로 침지시킴으로써 정상치보다 낮은 변형 온도를 넓게 적용시키면, 매우 효과적인 변형이 일어난다. 이후, 저온에서 어닐링시켜서, 변형된 결정을 대체하는 상대적으로 작은 크기의 새로 충분히 재결정화된 결정이 생성된다.

이러한 방법으로, 약 99% 이상의 재결정화된 구리를 함유하는, 구리 기재 합금 및 고순도의 구리 스퍼터 타겟 모두가 제조된다. 본 발명에 있어서, 고순도라는 것은 순도가 99.99 중량% 이상인 구리를 지칭하며; 구리 기재 합금이라는 것은 구리를 주성분으로 함유하며 순도가 99.99중량% 미만인 구리 합금을 지칭한다. 본 발명에 있어서, 별다르게 표현되지 않는 한, 모든 조성은 중량%이다. 본 발명의 방법은 순도가 99.99중량% 이상인 구리를 함유하는 타겟에 대해 효과적이다. 또한, 본 발명의 방법은 순도가 99.999중량% 이상, 가장 유리하게는 순도가 99.9999중량% 만큼 높은 구리를 함유하는 타겟에 대해서 유용하다. 구리 기재 합금에 대해서, 가장 유리한 구리 합금은 10중량% 미만의 비구리 구성성분을 함유하는 것이다.

완성된 결정은 약 10㎛ 미만의 결정 크기를 갖는다. 이는 표준 고순도 구리 타겟에 대해 결정 크기에 있어서 현저한 개선 효과를 나타낸다. 뿐만 아니라, 이러한 공정은 결정 크기를 약 8㎛ 미만의 수준까지 유리하게 유지시킬 수 있다. 가장 유리하게는, 본 발명의 방법은 결정 크기를 약 0.1 내지 7.5㎛ 수준에서 유지시킨다.

본 발명에서는, 스퍼터 타겟 면에 수직으로 측정되며 %로 표시된, 전체 결정과 관련하여 특수한 결정방위를 갖는 상대적인 비율을 정의한다. 예를 들어, X선 피크의 세기를 측정하고, 이것을 무작위적인 방위 분말 표준법으로 측정된 피크의 상대적인 세기로 나눔으로써 결정방위를 계산한다. 이후, 이 비에 100%를 곱하여, 정규화, 즉 세기와 이들의 상응하는 상대적인 세기 사이의 모든 결정방위의 합으로 나눈다.

완성된 스퍼터 타겟 면은 유리하게는 (111), (200), (220) 및 (311) 각각이 약 10% 이상인 결정방위를 갖는다. 가장 유리하게는, 완성된 스퍼터 타겟 면은 (111), (200), (220) 및 (311) 각각이 약 15% 이상인 결정방위를 갖는다. 이러한 (111), (200), (220) 및 (311)의 결정방위의 균형있는 조합은 가장 균일한 스퍼터 특성을 제공한다.

먼저, 고순도의 타겟 블랭크를 약 -50℃ 미만의 온도로 냉각시켜서, 변형시키기 위한 블랭크를 제조한다. 냉각 매질은 고상 또는 액상의 CO₂, 액상 질소, 액상 아르곤, 헬륨 또는 그 밖의 과냉각시킨 액체의 임의의 조합물일 수 있다. 유리 하게는, 상기 방법에서는 블랭크를 약 -80℃로 냉각시킨다. 가장 유리하게는, 상기 방법에서는 블랭크를 적어도 약 -196℃ 또는 77K로 냉각시킨다. 대부분의 용도에 대해 가장 실용적인 온도는 77K이다(대기압에서 액상 질소).

냉각시킨 후에, 냉각시킨 고순도의 타겟 블랭크를 변형시켜, 강력한 변형력을 고순도의 타겟 블랭크 내로 도입시킨다. 상기 변형 공정은, 변형된 결정 구조를 형성한 후에 저온에서 어닐링시켜 미세 결정 크기를 수득하도록 하는 프레싱, 압연, 단조공정(forging)과 같은 공정을 포함한다. 변형 중에는, 타겟 블랭크의 가열을 제한하는 것이 중요하다. 또한, 약 50% 이상의 가공 변형력(engineering strain)을 타겟 블랭크 내로 도입시키는 것이 유리하다. 이러한 변형력에 의해 타겟 두께를 통한 균일한 미세 구조가 보장된다.

압연은 결정 크기를 감소시키고 목적하는 텍스쳐를 얻기 위한 가장 유리한 방법인 것으로 판명되었다. 특히, 패스 중에 1회 이상으로 극저온으로의 재냉각을 실시하면서 다중 패스 압연시키면, 가장 유리한 결과가 얻어진다. 가장 유리하게는, 각각의 패스 중에 재냉각시키는 것이다. 그러나, 일부 용도에 대해서는, 2회 패스마다 재냉각시키는 것으로도 충분하다.

타겟 블랭크 내의 결정을 약 350℃ 미만의 온도에서 재결정화시킨다. 이 온도에서, 약 99% 이상의 결정이 재결정화된다. 유리하게는, 결정을 약 320℃ 미만의 온도에서 재결정화시킨다. 가장 유리하게는, 결정을 약 150 내지 320℃의 온도에서 재결정화시킨다. 상기 논의된 바와 같이, 재결정화 온도를 최소화시키면 타겟의 결정 크기가 감소된다.

고순도의 타겟 블랭크를, 미세 결정 크기를 유지하는데 충분한 온도에서 완성된 스퍼터 타겟으로 마감처리한다. 스퍼터 타겟이 지나치게 높은 온도에서 마감처리되면, 이로운 결정 크기 감소 효과가 상실된다. 유리하게는, 상기 마감처리는 결정 성장을 제한하도록 약 200℃ 미만의 온도에서 실시된다. 마감처리 온도를 약 100℃ 미만으로 감소시키면, 마감처리 중의 결정 성장이 추가로 감소된다. 가장 유리하게는, 마감처리가 주위 온도에서 실시되는 것이다.

완성된 타겟은 우수한 기계적인 특성을 갖는다. 유리하게는, 본 발명의 방법으로 항복 강도가 약 140 MPa 이상인 고순도의 구리 타겟이 제조되며; 가장 유리하게는, 항복 강도가 약 150 MPa 이상인 고순도의 구리 타겟이 제조된다. 명세서 중에서 다른 온도를 구체적으로 언급하지 않는 한, 본 발명에서 기계적인 특성은 실온에서 측정된 특성을 지칭한다. 탄성계수가 높은 구리와 조합시킨 초미세 결정 크기를 갖는 구리의 높은 강도(이는 전형적인 지지용 플레이트 합금, Al 6061 T6을 사용하여 얻어지는 강도를 훨씬 능가함)에 의해서, 큰 직경의 구리 스퍼터 타겟을 일체형 구성으로 제조할 수 있다. 이것 외에도, 구리 및 구리 합금이 알루미늄 합금보다 현저하게 더 높은 열전달율을 보유하기 때문에, 본 발명에 따라 설계된 일체형 스퍼터 타겟은 스퍼터 타겟의 결함을 억제시키면서 보다 저온에서의 스퍼터링을 가능하게 한다.

상기 타겟의 스퍼터링 또는 버닝-인(burning-in)을 개시시킨 후에, 스퍼터 타겟 면의 표면 조도는 타겟 내의 아킹을 제한하도록 유리하게는 150 마이크로인치(3.8㎛) Ra 미만이다. 가장 유리하게는, 스퍼터 타겟 면의 표면 조도 는 타겟 내 아킹을 제한하도록 타겟을 버닝-인 시킨 후에 100 마이크로인치(2.5㎛) Ra 미만이다.

실시예 1

본 실시예에서는, 순도가 99.9993%인 구리로부터 제조된 풀-사이즈의 RMX 12 이클립스 스타일(Eclipse-style)의 스퍼터 타겟을 사용하였다. 최종적인 타겟 블랭크의 치수는 직경이 12.0"(30.5 cm)이고 두께가 0.437"(1.11 cm)이다. 표 1에는 이러한 타겟을 사용하여 실시된 제조 방법이 표시되어 있다. 극저온에서의 프레싱 단계(제 2 단계)에서, 조작자는 육안으로 보았을 때 더 이상 비등되지 않을 때까지, 직경이 5.0"(12.7 cm)이고 길이가 3.75"(9.53 cm)인 워크피스를 액상 질소 내에 침지시킨 다음, 이 워크피스를 대략 77K 또는 -196℃의 온도에서 유지시켰다. 각각의 프레싱 단계 사이에 극저온에서 처리된 빌레트(billets)를 재냉각시켜, 가능한 한 무리없이 -196℃ 또는 77K에 근접한 온도에서 변형이 일어나도록 하였다.

초기 냉각 및 재냉각 단계를, 워크피스가 이것의 표면을 둘러싼 액상 질소를 더 이상 비등시키지 않을 때까지 지속하였다. 실온에서 금속을 액상 질소 내에 침지시킨 직후에, 금속 표면에 접한 액체를, 워크피스를 둘러싼 완전한 가스막이 형성되거나 "막 비등"이 일어날 정도로 신속하게 비등시켰다. 막이 비등하는 동안에, 가스 장벽이 열전달을 제한하였다. 워크피스의 온도가 감소되고 상기 금속이 -196℃에 근접함에 따라, 가스 막 장벽이 파괴되기 시작하여, 액체가 비등하기 전에 금속 표면과 접촉되었다. 열 전달은 이러한 "핵 비등" 단계 동안에는 상대적으로 신속하게 이루어졌다. 핵 비등 동안의 비등 속도는 막 비등 시의 비등 속도보다 현저하게 높았다. 이러한 본격적인 시험으로부터 얻어진 흥미로운 결과는, 워크피스를 -196℃에 접근시키는 경우에, 비등 상태에서의 가청가능한 정도의 변화로부터 막이 핵 비등으로 전이된다는 것을 알 수 있다는 점이다.

예비 냉각 공정이 완료된 후에, 평평한 다이 사이에서 구리로 된 워크피스를 4단계로 프레싱(각 단계에서 거의 동일한 정도로 프레싱됨)시켜서, 최종 높이가 1.4"(3.56 cm)가 되도록 두께를 감소시켰다. 각 감소 단계 사이에서, 워크피스를 액상 질소욕 내에 침지시켜 상기 워크피스를 대략 77K 또는 -196℃로 재냉각시켰다. 프레싱 단계 사이에 그리고 프레싱을 완료한 후, 곧바로 상기 워크피스를 액상 질소욕 내로 침지시켜 워크피스의 온도가 -80℃를 초과하지 않도록 하였다. 이것은 프레싱 조작에 의해 부여된 최대로 저장된 변형 에너지를 용이하게 유지할 수 있게 한다.

제 3 단계에서, 극저온 압연은 각각의 압연 패스 사이에 액상 질소욕 내에 침지시켜 재냉각 단계를 실시하면서, 패스 횟수 당 대략 0.040"(0.10 cm)이 되도록 이루어졌다. 또한, 각각의 패스 시에 또는 "교차 압연" 시에, 타겟 블랭크를 90°로 회전시켜서, 어닐링 후에 균형있는 결정 구조가 용이하게 형성되도록 하였다. 프레싱 단계에서와 마찬가지로, 각각의 압연 패스 후에 워크피스를 액상 질소욕 내로 곧바로 이송시키면, 타겟 블랭크의 온도를 가능한 한 낮게 유지할 수 있다는 점이 중요하다. 극저온에서 압연을 완료한 후에, 워크피스를 주위 온도로 복귀시켰다.

250℃에서 4시간 동안 재결정화 열처리는 강력한 변형력이 가해진 워크피스의 구조를 변형시켜 신규한 초미세 결정으로 대체시킨다.

표 1.

초미세 결정으로 구성된 99.9993% 순도의 구리 스퍼터 타겟에 사용된 처리 단계

단계	설명
1	3" (7.6 cm) 길이 및 127 mm의 직경을 갖는 Cu 99.9993%의 빌레트로 절단하는 단계
2	3"(7.6 cm)에서 1.7"(4.3 cm)로 그리고 1"(2.5 cm)의 최종 높이로 극저온에서 프레싱시키는 단계
3	각각의 패스시에 0.040"(0.10 cm)에서 0.325"(0.83 cm)로 극저온에서 압연시키는 단계
4	워터젯을 사용하여 12.125"(30.8 cm)의 직경으로 절단시키는 단계
5	양 측면을 0.485"(1.23 cm)의 두께로 기계가공하는 단계
6	땜납(solder)을 지지용 플레이트에 접합시키는 단계
7	어셈블리를 완성된 치수로 기계가공하는 단계
8	접합 강도를 초음파를 사용하여 검사하는 단계
9	세척 및 탈지시키는 단계
10	검사 및 시험 단계

타겟 블랭크의 외부 링으로부터 취해진 워터젯을 사용하여 절단시킨 샘플로부터 금속분석 및 X선 회절 분석을 실시하였다.

극저온에서의 작업 및 저온에서의 어닐링으로부터 얻어진 초미세 구리 결정 크기가 도 1의 현미경 사진에 표시되어 있다. 이 샘플로부터 재결정화가 완료되었을 뿐만 아니라, ASTM E-112 표준법에 따라 측정된 결정 크기가 3.8㎛라는 사실을 알 수 있다.

동일한 순도의 표준 결정 크기(33㎛)를 갖는 Cu 타겟과 나란히 실시된, 본 발명의 실시예의 초미세 결정 크기(3.8㎛)를 갖는 Cu 타겟에 대한 스퍼터 시험이, 이클립스 스퍼터 장치 상에서 수행되었다. 스퍼터링은 2개의 타겟 수명에 걸쳐 수행되고, 미세아킹 검출기(어드밴스드 에너지 모델(Advanced Energy model) 3152302-000)를 사용하여 아킹을 검출하고 기록하였다. 아킹 결과가 도 2에 플롯팅되어 있으며, 이로부터 초미세 결정 크기가 표준 결정 크기로 된 타겟과 비교하여 아킹 작용을 현저하게 감소시킨다는 것을 알 수 있다.

초미세 결정 크기 이외에도, 극저온에서 프레싱시킨 타겟은 종래의 방식으로 처리된 타겟과 비교하여 스퍼터링된 표면 조도에 있어서 극적인 개선을 나타내었다. 초미세 결정 크기 타겟은, 비교용 타겟을 사용하여 달성된 스퍼터링 후에 얻어진 240 마이크로인치(6.1 ㎛) Ra와 비교하여, 스퍼터링 후에 60 마이크로인치(1.5 ㎛) Ra의 표면 조도를 나타내었다. 또한, 이러한 표면 조도에 있어서의 감소는 스퍼터 타겟의 아킹 세기를 감소시키는 작용을 할 수 있다.

실시예 2

직경이 7.0"(17.8 cm)인 99.9999% 순도의 Cu 빌레트를 6.45"(16.38 cm)의 길이로 절단시키고, 여기에 실시예 1에 기술된 바와 같은 극저온 변형 공정을 실시하였다. 상기 빌레트 슬라이스를 액상 질소 중에서 대략 77K로 냉각시키고, 극저온에서 4단계(각 단계 사이에 재결정화시킴)로 최종 높이가 4.5"(11.43 cm)가 되도록 프레싱시켰다. 이후, 워크피스를 최종 두께가 1.0"(2.54 cm)가 되도록 극저온에서 압연시켰다. 압연 패스는 패스 당 0.10"(0.25 cm)로 직선 치수가 감소되었고, 2회 패스 후마다 액상 질소 내에서의 재냉각이 실시되었다. 극저온에서 변형시킨 후에, 워크피스를 250℃에서 2시간 동안 어닐링시켜서 초미세하게 결정화된 구조를 형성시켰다. 본 실시예의 샘플의 타겟 블랭크의 결정 크기는 3.6㎛로 측정되었고, 이것을 충분하게 재결정화시켰다. 인장력 바(tensile bar)를 타겟 블랭크로부터 기계가공하여, 이것을 ASTM E-8에 따라 당겨서 응력-변형도 곡선을 수집하였다. 도 3에서, 본 실시예로부터의 재료에 대한 인장력 시험으로부터 수집한 데이터를 시판되는 구리 스퍼터 타겟으로부터 수집한 기존 데이터(45 마이크론의 결정 크기)와 비교하였다.

상기한 바와 같이 처리한 타겟 블랭크로부터의 샘플에 대해 X선 회절 분석을 실시하여, 극저온에서 처리한 워크피스의 전체 두께를 통한 텍스쳐 균일도를 검사하였다. 다수개의 두께 위치로부터 얻어진 샘플에 대한 결정방위가 도 4에 도시되어 있다. 도 4로부터, 본 실시예의 샘플의 전체 두께를 통해 상대적으로 일관성이 있으면서 무작위적인 텍스쳐가 얻어진다는 것을 알 수 있다.

극저온에서의 변형 및 저온에서의 어닐링 공정에 의해 보다 높은 강도가 얻어진다고 하더라도, 단일 조각 또는 일체형의 스퍼터 타겟을 설계하면 초미세하게 결정화된 Cu에 대해서 유리하다. 알루미늄 합금 6061과 비교하여 보다 우수한 구리의 탄성 계수(도 5)가 관련된 온도 범위를 통해 명확하게 나타난다. 또한, 알루미늄과 비교하여 구리의 열 전도도가 보다 높기 때문에, 스퍼터링 공정에 대해 보다 나은 열 관리가 가능해진다. 또한, 일체형으로 설계하면, 타겟을 지지용 플레이트에 접합시키는 것에 관련된 비용이 절감되며, 스퍼터 타겟의 유용한 두께가 증가된다.

본 발명의 방법으로 원형의 타겟 및 시트와 같은 직사각형 형태의 타겟을 포함하는 임의의 형태의 타겟을 제조할 수 있다. 극저온 공정을 사용하면, 일체형으로 설계된 순수한 구리 타겟에서 2 내지 8㎛ 정도로 미세한 최소 결정 크기를 얻을 수 있다. 또한, 결정 크기를 감소시키면, 보다 높은 온도에서 가장 일반적으로 어닐링되는 종래의 고순도 스퍼터 타겟과 비교하여 스퍼터 균일도가 개선된다. 뿐만 아니라, 본 발명의 방법에 의해 종래의 처리 방법보다 더욱 일관성있는 제품이 제공된다. 종국적으로, 상기 타겟은 균일한 스퍼터링을 더욱 더 용이하게 하는 균형있는 결정방위와 함께 충분히 재결정화된 텍스쳐를 갖는 결정을 함유한다.

본 발명을 특정의 바람직한 구체예를 참조로 상세하게 기술하였다 하더라도, 당업자는 청구범위의 사상 및 범주 내에서 본 발명의 그 밖의 구체예가 존재함을 인식하고 있을 것이다.

본 발명의 방법에 따라, 최소량의 결정 성장이 이루어지는 미세구조가 안정화됨으로써, 스퍼터링 중에 직면하는 온도에서 우수한 안정성을 갖는 미립화되고 재결정화된 구조가 생성된다.

Claims (10)

1. 삭제
2. 고순도 구리 및 구리 기재 합금으로 구성된 군으로부터 선택된 조성;

   99% 이상 재결정화된 결정 구조;

   (111), (200), (220) 및 (311) 각각이 10% 이상인 결정방위(grain orientation ratio)를 갖는 스퍼터 타겟 면(sputter target face); 및

   스퍼터 균일도(sputter uniformity)를 개선시키고 스퍼터링 동안의 아킹(arcing)을 감소시키기 위한 8㎛ 미만의 결정 크기를 갖는 스퍼터 타겟.
3. 제 2항에 있어서, 스퍼터 타겟이 일체형(monoblock) 구조를 가짐을 특징으로 하는 스퍼터 타겟.
4. 제 2항에 있어서, 실온에서 측정할 경우, 스퍼터 타겟의 순도가 99.99 중량% 이상이며, 항복 강도(yield strength)는 150 MPa 이상임을 특징으로 하는 스퍼터 타겟.
5. 제 2항에 있어서, 스퍼터 타겟 면은 (111), (200), (220) 및 (311) 각각이 15% 이상인 결정방위를 가짐을 특징으로 하는 스퍼터 타겟.
6. a) 초기 결정 크기를 가지며, 고순도 구리 및 구리 기재 합금으로 구성된 군으로부터 선택된 조성을 갖는 결정을 함유하는 타겟 블랭크를, -50℃ 미만의 온도로 냉각시키는 단계;

   b) 냉각시킨 타겟 블랭크를 변형시켜 타겟 블랭크 내로 변형력(strain)을 도입시키고, 변형된 결정 구조를 형성시키는 단계;

   c) 변형된 결정 구조를 350℃ 미만의 온도에서 재결정화시켜, 초기 결정 크기보다 작은 미세 결정 크기를 갖는 재결정화된 결정을 99% 이상 함유하는 타겟 블랭크를 형성시키는 단계; 및

   d) 타겟 블랭크를 마감처리하여, 완성된 스퍼터 타겟의 미세 결정 크기를 유지하기에 충분한 저온에서 완성된 스퍼터 타겟을 형성시키는 단계를 포함하여, 스퍼터 타겟을 형성시키는 방법.
7. a) 초기 결정 크기를 가지며, 고순도 구리 및 구리 기재 합금으로 구성된 군으로부터 선택된 조성을 갖는 결정을 함유하는 타겟 블랭크를, -50℃ 미만의 온도로 냉각시키는 단계;

   b) 냉각시킨 타겟 블랭크를 변형시켜 타겟 블랭크 내로 변형력을 도입시키고, 변형된 결정 구조를 형성시키는 단계;

   c) 변형된 결정 구조를 320℃ 미만의 온도에서 재결정화시켜, 초기 결정 크기보다 작은 미세한 결정 크기를 갖는 재결정화된 결정을 99% 이상 함유하는 타겟 블랭크를 형성시키는 단계; 및

   d) 타겟 블랭크를 마감처리하여, 완성된 스퍼터 타겟의 미세한 결정 크기를 10㎛ 미만으로 유지시키기에 충분한 저온에서 완성된 스퍼터 타겟을 형성시키는 단계로서, 스퍼터 타겟 블랭크는 (111), (200), (220) 및 (311) 각각이 10% 이상인 결정방위를 갖는 스퍼터 타겟 면을 갖도록 스퍼터 타겟을 형성시키는 단계를 포함하여, 스퍼터 타겟을 형성시키는 방법.
8. 제 7항에 있어서, 냉각이 -80℃ 미만의 온도에서 실시되며, 재결정화가 150 내지 300℃의 온도에서 실시됨을 특징으로 하는 방법.
9. 제 7항에 있어서, 변형이 압연에 의해 실시됨을 특징으로 하는 방법.
10. 제 9항에 있어서, 압연이 다중 패스 압연(multiple pass rolling)이며, 압연 패스 사이에 타겟 블랭크를 1회 이상 재냉각시키는 추가 단계를 포함함을 특징으로 하는 방법.

Images