KR100994973B1 - 초음속 유동 적층성형기술을 이용한 스퍼터링 타겟의제조방법 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 초음속 유동 적층성형기술을 이용한 스퍼터링 타겟의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대면적에서 결정립 크기를 균일하게 분포시키는 것이 어려울 뿐만 아니라 다양한 형상의 스퍼터링 타겟을 제조하는 것이 곤란하였던 종래기술에 비하여 타겟의 크기와 형상에 구애 받지 않고 스퍼터링 타겟을 용이하게 제조할 수 있는 신규한 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 스퍼터링 타겟의 제조방법은 모재를 준비하는 단계; 상기 모재의 표면에 초음속 유동 적층성형기술을 이용하여 스퍼터링 타겟용 원료 분말을 코팅하여 적층체를 형성하는 단계; 및 상기 모재 표면에 코팅된 적층체를 회수하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
스퍼터링, 초음파 유동 적층성형, 저온분사, 결정립
Description
본 발명은 초음속 유동 적층성형기술을 이용한 스퍼터링 타겟의 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 대면적에서 결정립 크기를 균일하게 분포시키는 것이 어려울 뿐만 아니라 다양한 형상의 스퍼터링 타겟을 제조하는 것이 곤란하였던 종래기술에 비하여 타겟의 크기와 형상에 구애 받지 않고 스퍼터링 타겟을 용이하게 제조할 수 있는 신규한 제조방법에 관한 것이다.
스퍼터링이라 함은 피코팅재에 원하는 재료를 박막 등으로 코팅하는 방법의 한가지로서, 그 방법의 예로서는, 진공 등의 분위기에서 타겟의 표면에 전기장에 의해 강하게 가속된 불활성 가스 양이온 등을 충돌시키면 상기 타겟에서 타겟을 구성하는 원자가 상기 가스와 운동량 교환에 의해 타겟 밖으로 튀어나오게 되는데, 상기 튀어나온 원자(표면 탈출한 원자)가 피코팅재(타겟의 입장에서 보면 '상대재'라고도 함)에 코팅되도록 하는 방법 등을 들 수 있다.
이때, 스퍼터링 타겟에서 표면 탈출되는 원자의 유량이 스퍼터링 타겟의 위치에 따라 다른 경우에는 상대재에 코팅되는 양이 차이나게 되므로 바람직하지 않다. 따라서, 스퍼터링 타겟에서 표면 탈출되는 원자의 유량은 가급적 타겟의 전면에서 균일할 필요가 있는데, 이를 위해서는 스퍼터링 타겟을 이루는 재료의 각 결정립들의 크기가 균일할 필요가 있다. 결정립 크기가 불균일할 경우 타겟 표면으로부터 탈출하는 원자의 양이 불균일해지기 때문에 스퍼터링에 의해 제조된 제품의 품질이 불량하게 될 우려가 있다.
현재, 스퍼터링 타겟을 제조하기 위한 방법으로서는 여러가지가 제안되고 있는데, 그 중 하나는 일본 공개특허공보 제1998-080044호에 기재된 바와 같이, 방전 플라즈마 소결법을 이용하는 방법을 들 수 있다. 즉, 상기 일본 공개특허공보 제1998-080044호에는 인듐 산화물(In2O3)과 주석 산화물(SnO2)에 바나듐 산화물(V2O5)을 첨가하여 원료를 제조한 후 방전 플라즈마 소결법을 이용하여 상기 원료를 소결하여 스퍼터링 타겟 소결체를 제조하는 방법이 개시되어 있다. 방전 플라즈마 소결법을 통한 소결은 분말의 소실 없이 높은 성형밀도의 스퍼터링 타겟을 제조할 수 있다는 장점을 가진다.
그런데, 방전 플라즈마 소결법을 통하여 스퍼터링 타겟을 제조할 경우, 타겟 의 크기가 직경 30cm을 초과하면 소결 성형체의 중심부와 외곽부에서 생성되는 플라즈마의 밀도가 상이할 뿐만 아니라, 성형후 냉각과정에서 중심부가 외곽부보다 더 늦게 냉각되는 등의 이유로 중심부와 외곽부의 결정립 성장 정도의 차이가 발생하게 되어 결국 결정립 크기가 불균일한 스퍼터링 타겟이 제조되어 버린다. 그 결과, 타겟의 품질이 저하하여 바람직하지 않다. 그 뿐만 아니라, 상기 방전 플라즈마 소결법을 이용할 경우 단순히 평판상의 튜브만 제조가능할 뿐이어서 그 형태에 제약이 크다.
스퍼터링 타겟을 제조하는 또다른 방법으로서 유럽 공개특허공보 00305425호에 개시된 것을 들 수 있다. 상기 유럽 공개특허공보 00305425호는 열간등방가압(Hot Isostatic Pressing)소결법을 사용하여 Cu/Cr 스퍼터링 타겟을 제조하는 방법을 개시하고 있다. 상기 방법에서 Cu/Cr 분말은 각각 20~150㎛의 입자크기 범위를 가지는데, 이들의 혼합체인 혼합 Cu/Cr 분말은 800ppm 이하의 산소함량하에서 1시간 이상 가압되어 타겟 블랭크로 제조된다. 제조된 블랭크는 100~200ppm 증가된 산소함량을 가지며, 이론 밀도 대비 적어도 90%인 밀도와 1000ppm 이하의 산소 함량을 가지는 저산소 및 고밀도의 Cu/Cr 스퍼터링 타겟으로 제조된다.
그러나, 상기 열간등방가압 소결법은 타겟의 직경이 30cm을 초과할 경우 전체 타겟 면적에 등압으로 압력을 가하는 것이 기술적으로 불가능하고, 타겟의 중심부와 외곽부 사이의 냉각속도 차이에 의한 미세조직 차이를 발생시켜 타겟의 품질 이 저하된다는 문제를 여전히 극복하지 못하였다. 또한, 상기 열간등방가압 소결에 사용되는 장비상의 제약으로 인하여 스퍼터링 타겟의 형상이 평판형으로 제약된다는 것 역시 상기 열간등방가압 소결법의 중대한 단점이다.
또한, 대한민국 공개특허공보 제2006-0045561호 등에는 주조법을 통하여 고밀도 금속타겟을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 상기 주조법은 합금 성분의 조절과 불순물 조절이 용이하여 스퍼터링 타겟 제조시 가장 많이 사용되는 방법이다. 상기 주조법에서는 주형에 용융된 주물을 주입하고 일정 시간 동안 냉각시켜 타겟을 제조한다.
그런데, 주물을 주형(mold)에 주입할 경우 열플럭스가 주물의 외곽에서 주위로 빠져나가기 때문에, 외곽부와 중심부 사이에 냉각속도의 차이가 발생한다. 그 결과, 외곽부에는 덴드라이트 조직이 형성하는 반면, 중심부는 등축상 조직이 발생하게 되는데 이로 인하여 응고 미세 조직의 크기 차이가 크게 된다는 문제가 발생할 수 있다. 또한 상기 주물법 역시 타겟 형상이 평판 형상으로 제약된다는 단점을 가진다.
본 발명은 상기 종래기술의 문제점을 해결하기 위한 것으로서, 본 발명의 일측면에 따르면, 크기나 형태상의 제약이 적을 뿐만 아니라 부위에 관계없이 결정립 크기가 일정하여 스퍼터링 타겟의 장점을 극대화할 수 있는 신규한 스퍼터링 타겟의 제조방법이 제공된다.
상기 본 발명의 과제를 해결하기 위한 스퍼터링 타겟의 제조방법은 모재를 준비하는 단계; 상기 모재의 표면에 초음속 유동 적층성형기술을 이용하여 스퍼터링 타겟용 원료 분말을 코팅하여 적층체를 형성하는 단계; 및 상기 모재 표면에 코팅된 적층체를 회수하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.
이때, 초음속 유동 적층성형기술을 이용하여 스퍼터링 타겟용 원료분말을 코팅할 때, 원하는 형상의 스퍼터링 타겟에 대응하는 마스크를 이용하는 것이 원하는 형태의 스퍼터링 타겟 제조에 보다 유리하다.
또한, 스퍼터링 타겟의 형상이 튜브형일 경우, 회전하는 원통 또는 튜브 형상의 모재 표면에 분말을 초음속 유동 적층성형기술을 이용하여 분사하여 스퍼터링 타겟 형상의 코팅을 형성한 후 상기 타겟을 모재로부터 분리하는 것이 바람직하다.
그리고, 초음파 유동 적층성형기술에서 사용되는 공정 가스의 온도는 450~550℃인 것이 좋다.
또한, 초음파 유동 적층성형기술에서 사용되는 공정 가스의 압력은 2.0~2.5MPa인 것이 좋다.
그리고, 스퍼터링 타겟 제조용 분말의 직경은 5~200㎛인 것이 바람직하다.
또한, 원료분말을 코팅하기 이전에 모재의 표면에 조도를 부여하기 위하여 전처리를 실시하는 단계를 더 포함하는 것이 효과적이다.
본 발명의 방법은 균일한 결정립 크기를 가지면서, 직경이 30cm 이상인 대형 스퍼터링 타겟 또는 그 형상이 튜브형 등과 같이 복잡한 형상의 스퍼터링 타겟도 용이하게 제조할 수 있도록 하는 효과를 가진다.
이하, 본 발명을 상세히 설명한다.
본 발명의 발명자들은 상술한 종래 기술의 문제점을 해결하고 본 발명의 과제를 달성하기 위해 깊이 연구한 결과, 비교적 결정립 크기가 균일한 재료를 사용하고 상기 재료의 결정립 크기 분포가 크게 변하지 않는 상태에서 스퍼터링 타겟을 형성하는 것이 효과적이라는 것을 발견하고 본 발명에 이르게 되었다.
즉, 본 발명에서는 초음속 유동 적층성형기술을 이용한다. 상기 초음속 유동 적층 성형기술이라 함은 통상 저온분사(cold spray)와 불리는 것과 유사한 기술로서 분말을 용융시키지 않는 저온에서 분말을 고속으로 가속하여 피사체에 충돌시킴으로써 가속된 분말의 운동에너지를 분말의 변형에 필요한 에너지로 전환함으로써 분말이 변형되어 피사체에 강하게 결합 및 코팅되도록 하는 기술을 의미한다. 보다 상세히 설명하기 위해서, 도 1에 나타낸 초음속 유동 적층성형 장치를 참고한다. 다만, 도 1은 초음속 유동 적층성형 장치를 설명하기 위하여 예시한 것으로서 장치의 범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다.
도 1에서 볼 수 있듯이, 초음속 유동 적층 성형 장치는 공정가스공급수단(1), 조절 패널(2), 분말 송급 장치(3), 가스 가열 및 가압 장치(4)와 수렴-발산 (converge-diverge) 노즐(5)로 구성되어 있다. 상기 장치에서는 미세한 입경을 가지는 금속 분말을 사용한다.
우선, 금속 분말은 도 1의 분말 송급 장치(3)에 주입된다. 초음속 유동 적층 성형 공정에서 공정 가스(1)는 가스 가열 및 가압 장치(3)를 통과하는 동안 상기 장치 내에서 고온, 고압으로 가열된다. 상기 가스 가열 및 가압 장치(3)을 통하여 공정 가스는 200-600℃의 범위로 가열될 수 있으며, 1.0-2.9 MPa의 범위로 가압될 수 있다. 가열, 가압된 공정 가스는 가스 라인을 따라 수렴-발산 노즐로 이동되게 된다. 가열, 가압된 공정 가스는 노즐의 수렴부 (converge)를 통과하는 동안 압축되게 된다. 그리고 발산부 (diverge)를 지나는 동안 팽창한다. 압축된 가스가 팽창되는 동안 가스는 급격하게 가속되어 초음속 (super-sonic)의 속도를 가지게 된다. 공정 가스의 종류는 질소와 헬륨이 있으며, 각 공정 가스의 밀도 차이에 의해 같은 공정 조건 (온도, 압력)에서도 다른 속도를 나타내는데, 헬륨 가스의 밀도가 질소 가스의 밀도보다 더 높기 때문에 더 높은 속도를 나타낸다. 공정 가스의 유동 속도는 주로 1000m/s~2000 m/s의 범위를 가지며, 공정 조건과 공정 가스의 조절과 선택을 통하여 속도 조절이 가능하다.
분말은 분말 송급 장치 (3)를 통해 공정 가스 라인과 다른 라인을 따라 이동하여 노즐 주입 전 만나 공정 가스를 따라 이동하게 된다. 노즐 이전에서 분말은 공정 가스와 접촉하여 공정 가스에 의해 이동하는 동안 공정 가스의 끄는 힘 (drag force)에 의해 가속된다. 그 결과, 분말은 500-1200 m/s의 범위의 속도를 가지는데, 상기 범위에서 대체로 공정 가스의 속도에 비례하는 경향을 가진다. 가속된 분말은 가스의 이동 방향을 따라 분사되어 모재와 충돌한다.
모재와 충돌한 분말은 낮은 온도로 인하여 용융되지 않은 고체 상태에서 모재와 충돌하여 높은 변형 속도 (strain rate) 하에서 극심한 소성 변형을 겪게 되는데, 공정 조건에 따라 변형 속도는 0.5×109s-1까지 상승한다. 이러한 높은 변형 속도 하에서는, 소성 변형으로 인하여 발생하는 열에너지가 외부로 전달되지 못하고, 단열 상태 (adiabatic state)로 변형하는 입자 내에 축적되어 입자의 열적 연화 (thermal softening)을 유도하며, 입자와 모재의 계면 상에 단열 전단 불안정 (adiabatic shear instability)을 발생시킨다. 따라서, 본 발명에서 채용되는 초음속 유동 적층 성형에서 입자의 고상 접합 기구는 단열 전단 불안정 (adiabatic shear instability)에 의한 계면부의 온도 상승에 기인하는 것으로 판단된다.
이때 분말의 비행 속도가 높을수록 입자 충돌 시 더 높은 소성 에너지가 발생하고 충돌 계면에서 더 높은 온도가 발생하여 높은 열적 연화가 나타나므로, 적층이 보다 용이해진다. 상기와 같은 적층과정이 미리 정해진 스퍼터링 타겟의 면적에서 이루어지면, 상기 적층체를 모재로부터 분리함으로써 상기 분말들이 적층되어 결합된 형태의 스퍼터링 타겟을 얻을 수 있는 것이다.
초음속 유동 적층 성형은 분말의 녹는점보다 낮은 온도에서 공정이 진행되고, 분말이 대기와 접촉하는 시간이 극도로 짧기 때문에 분말의 부가적인 산화와 상변태(phase transformation) 없이 입자의 물리적, 기계적 특성을 보존하며 성형 체를 형성할 수 있는 특징을 가지고 있다. 그리고 분말의 지속적인 충돌에 의해 단조(cold working) 효과가 나타날 수 있기 때문에 성형체 층 내 입자와 입자가 조밀하게 결합하여 높은 기계적 특성을 보인다. 그리고 초음속 유동 적층 성형은 성형체와 모재가 강하게 결합되어 높은 접합 강도를 가진다. 따라서 성형체의 기계적 수명이 타 공정을 통해 형성된 성형체보다 길고 내구성이 강하다.
또한, 초음속 유동 적층성형기술에 의해 얻어진 분말 적층체는 내부의 결정립 크기가 원재료의 결정립 크기로부터 크게 변하지 않은 상태로 분말들이 결합하기 때문에 원재료의 결정립 크기를 균일하게 제어할 수 있으면 최종 스퍼터링 타겟에서의 결정립 분포 역시 균일하게 제어할 수 있는 것이다. 따라서, 제조과정에서 결정립 크기가 변동하지 않으므로 스퍼터링 타겟의 크기에 제약을 받지 않으므로 직경 30cm 이상의 대직경(예를 들면, 직경 200cm)의 스퍼터링 타겟도 제조할 수 있는 것이다.
즉, 본 발명의 스퍼터링 타겟 제조방법은 모재를 준비하는 단계; 상기 모재의 표면에 초음속 유동 적층성형기술을 이용하여 스퍼터링 타겟용 원료 분말을 코팅하여 적층체를 형성하는 단계; 및 상기 모재 표면에 코팅된 적층체를 회수하는 단계;를 포함하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명의 하나의 바람직한 일측면에 따르면 상기 스퍼터링 타겟의 형 태를 제어하기 위한 보다 바람직한 방법이 제공될 수 있는데, 이는 다음과 같다. 즉 스퍼터링 타겟의 형상은 본발명에서 채용한 초음속 유동 적층성형기술을 실시하기 위한 초음속 유동 적층성형장치의 노즐을 원하는 영역에 맞추어 이동시키거나 반대로 노즐은 고정시키고 모재를 이동시키면서 원하는 영역으로 코팅시키는 방법을 이용하면 원하는 형상의 스퍼터링 타겟을 얻을 수 있겠으나, 그 크기를 정밀하게 제어하기 위해서는 추가적인 후가공이 필요한 경우도 간혹 발생할 수 있다.
도 2에는 원하는 형상의 스퍼터링 타겟을 제조하는 보다 바람직한 방법의 일례를 나타내었다. 도 2에는 내부에 원형 공간이 절단된 원형 마스크(7)와 6각형 마스크(9)를 예로서 나타내었는데, 상기 마스크의 절단된 공간에 대응하는 스퍼터링 타겟(8, 11)을 얻을 수 있다. 즉, 도 2에 도시된 바와 같이 원하는 형상의 스퍼터링 타겟에 대응하는 마스크를 모재(피사체) 표면에 설치할 경우 피사체에는 상기 원하는 형상의 스퍼터링 타겟 형상으로 분말이 적층 코팅될 것이므로 코팅된 분말 적층체를 분리하여 스퍼터링 타겟으로 활용하면 되는 것이다.
또한, 본 발명의 또하나의 바람직한 일측면에 따르면 평판상의 스퍼터링 타겟 뿐만 아니라, 튜브 형태의 스퍼터링 타겟도 제조할 수 있다. 즉, 상기 초음속 유동 적층성형기술은 모재 표면에 분말을 고속으로 가속하여 충돌시킴으로써 분말의 운동에너지가 코팅에 필요한 에너지로 변환되도록 하기만 하면 되기 때문에, 모재 표면의 형상에는 크게 구애받지 않는다. 따라서, 도 3에 도시한 바와 같이 회 전하는 원통 또는 튜브 형상의 모재 표면에 분말을 초음속 유동 적층성형 방식으로 고속 분사하면 모재 표면에는 분말이 튜브 형상으로 코팅 및 적층되게 되므로 이를 모재와 분리할 경우 튜브 형태의 스퍼터링 타겟을 얻을 수 있는 것이다. 튜브 형상으로 제조되는 스퍼터링 타겟 역시 그 크기의 제약이 없음은 물론이다.
상술한 초음속 유동 성형 기술은 상술한 바 있듯이, 저온분사방법과 유사한 것이므로 본 발명에서 언급하지 아니한 구체적인 조건은 이미 충분히 공개되어 사용하는 저온분사장치의 사용조건을 이용하면 된다. 다만, 상술한 바와 같이 본 발명은 스퍼터링 타겟을 제공하기 위한 것이므로 다음과 같이 공정가스의 온도, 공정가스의 압력, 분말의 직경 등은 하기하는 바와 같이 제어하는 것이 보다 바람직하다. 이하, 상기 바람직한 조건들에 대하여 보다 상세히 설명한다.
공정 가스의 온도
공정 가스 가열 및 가압 장치(3)에서 가열되는 공정 가스의 가열 온도는 450~550℃인 것이 바람직하다. 스퍼터링 타겟 제조용 분말이 모재 또는 다른 분말에 충돌 시 충분한 소성 변형을 유도하기 위해서는 분말이 높은 속도로 공정 가스 유동장 내에서 가속되어야 한다. 이를 충족시키기 위해서는 공정 가스의 온도를 높여 공정 가스의 비행 속도를 높여 분말의 속도를 높여야 한다.
그리고 공정 가스 온도를 높이게 되면, 공정 가스의 열에너지가 분말에 비행 중 전달되어 분말이 높은 온도를 가지게 된다. 분말이 높은 온도를 가지게 되면 더 열적 연화에 의해 소성 변형이 더 쉽게 발생하므로 적층이 용이해진다. 반면에 공정 가스의 온도가 550℃ 이상이 되면 통상적으로 사용되는 초음속 유동 적층성형 장비에 무리를 가하게 되므로, 이를 감안한다면 550℃ 이상의 공정 가스 온도를 사용하지 않는 것이 바람직하다.
공정 가스의 압력
공정 가스 가열 및 가압 장치 (3)에서 가열되는 공정 가스의 압력은 2.0~2.5MPa인 것이 바람직하다. 공정 가스의 압력은 공정 가스와 분말의 비행 속도를 결정하는 변수이다. 제시된 공정 가스의 압력은 초음속 유동 적층 성형 공정에서 상대적으로 높은 압력 범위로서, 분말의 비행 속도를 극대화하여 스퍼터링 타겟 제조용 분말이 모재에 충돌할 때 분말의 변형을 최대화하여 결합이 보다 용이하게 되도록 하는 범위의 것이다. 반면에, 공정 가스의 압력이 2.5MPa 이상이 되면, 사용되는 공정 가스의 유량이 커져서 생산 단가가 높아지고, 또한 장비에 무리를 가하므로 2.5MPa 이하의 공정 가스 압력을 사용하는 것이 바람직하다.
분말의 직경
스퍼터링 타겟 제조 용 분말의 구 상당 직경은 성형성을 결정하는 중요한 인자이다. 만일 스퍼터링 타겟 제조용 분말의 직경이 너무 작을 경우에는 입자가 가진 운동에너지가 충분하지 않아 성형시 적층효율이 떨어지게 되며, 반대로 스퍼터링 타겟 제조용 분말의 직경이 너무 클 경우에는 가스가 입자를 충분히 가속시키지 못하여 입자가 코팅되기 어렵게 된다. 따라서, 스퍼터링 타겟 제조용 분말의 직경은 일정한 범위의 것을 사용하는 것이 바람직한데, 스퍼터링 타겟 제조용 분말의 직경은 5~200㎛인 것이 바람직하며, 특히 10~35㎛인 것이 보다 바람직하다. 그리고 스퍼터 타겟의 순도는 분말의 순도에 의하여 결정되므로 분말의 순도는 스퍼터 타겟의 적용처에 따라 상이하나 99.9% 이상인 것이 바람직하다.
그러므로, 상술한 내용을 바탕으로 할 때 초음속 유동 적층성형기술을 이용한 스퍼터링 타겟 제조를 위한 보다 바람직한 공정 조건은 다음과 같다. 즉, 공정 가스의 온도는 450~550℃인 것이 보다 바람직하며, 압력은 2.0~2.5MPa로 설정하는 것이 보다 바람직하다. 그리고 스퍼터링 타겟 제조용 분말의 직경은 5~200㎛으로 하는 것과 순도는 99.9% 이상인 것이 바람직하다.
상기와 같은 초음속 유동 적층성형조건 이외에도 본 발명의 과제를 해결하기 위한 보다 바람직한 조건들을 열거하면 다음과 같다. 상기 조건들은 가스의 종류, 분사거리, 전처리 방법, 노즐의 이동 속도, 모재의 회전 속도 등과 같은데 그 상세한 내용은 다음과 같다.
가스의 종류
초음속 유동 적층 성형 기술을 이용한 스퍼터링 타겟 제조를 위해 공정 가스의 종류는 질소, 헬륨, 공기 또는 이들의 혼합 가스 또한 사용이 가능하다. 공정 가스의 종류가 분말의 모재 표면과의 적층에 영향을 미치지 않으므로, 공정 가스의 종류는 제한하지 않는다. 다만, 공정 가스의 가격에 따른 생산 단가를 고려하여 공기 또는 질소를 공정 가스로 사용하는 것이 바람직하다.
분사 거리
분사 거리(노즐의 출구와 모재 표면과의 거리)는 10~40mm인 것이 바람직하다. 분사 거리가 이보다 가까울 경우는 분말이 가속되는 시간이 짧아져 분말의 속도를 극대화할 수 없으며, 분사 거리가 이보다 멀 경우는 공정 가스의 유동장이 대기와의 마찰에 의해 감소되는 바 분말의 속도 또한 감속되어 분말의 속도를 극대화하지 못하여 코팅 공정의 효율을 저하시킨다.
모재 표면의 전처리
또한, 모재의 표면을 전처리하여 표면의 조도를 증가시키는 것이 바람직하다. 상기 전처리로는 블라스팅법을 이용하는 것이 바람직하다. 상기 블라스팅은 크기 177-595㎛인 알루미나 분말을 5~8kg/cm2 정도의 압력으로 금형 표면에 분사하는 방식으로 이루어진다.
노즐의 이동 속도(노즐과 모재 간의 상대속도)
노즐의 이동 속도는 단위 표면 당 그리고 단위 시간 당 금형의 표면에 충돌 하는 분말의 수를 결정한다. 이것은 코팅의 두께를 결정하는 변수로써, 스퍼터링 타겟 제조를 위해서는 노즐의 이동 속도는 60-120 mm/s로 설정하는 것이 보다 바람직하다. 여기서, 노즐의 이동속도는 노즐과 모재 사이의 상대속도를 의미하는 것으로서 반드시 노즐만 이동할 필요는 없으며 모재가 이동하거나 노즐과 모재가 동시에 이동할 수도 있으며, 이때에는 이들 사이의 거리의 변화율을 이동 속도로 보면 된다.
모재의 회전 속도
튜브형 스터퍼링 타겟의 제조시 모재에 해당하는 원통의 회전 속도는 100 RPM 이상인 것이 보다 바람직하다. 회전 속도가 100RPM 이상일때, 원통의 전면적에 고르게 성형이 가능하다.
상기와 같이 본 발명에 의해 유리하게 제조될 수 있는 스퍼터링 타겟은 적용처에 따라 다른 소재가 적용된다. 그 예를 들면, 현재 반도체와 디스플레이 제조 분야에서 스퍼터링 타겟이 많이 사용되고 있는데, 디스플레이 배선용으로는 알루미늄 합금과 구리 합금이 사용되며, 전극용으로는 몰리브덴, 탄탈륨 및 크롬과 그 합금이 사용된다. 또한, 반도체 배선용으로는 알루미늄과 그 합금, 구리가 사용되며, 전극용으로는 몰리브덴, 텅스텐, 티타늄, 루비듐 및 니켈 등이 사용된다. 따라서, 상술한 종류의 재료로 이루어진 원료분말을 이용하여 스퍼터링 타겟을 제조할 수 있음은 물론이고, 상기에서 예를 들어 열거하지 않더라도 스퍼터링 타겟의 원료로 사용될 수 있는 금속 분말이라면 모두 본 발명의 원료분말로 사용될 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명한다. 다만, 하기하는 실시예는 본 발명을 예시하여 보다 구체화하기 위한 것일 뿐 본 발명의 권리범위를 제한하기 위한 것이 아니라는 점에 유의할 필요가 있다. 본 발명의 권리범위는 특허청구범위에 기재된 사항과 이로부터 합리적으로 유추되는 사항에 의해 정해지는 것이기 때문이다.
(실시예)
평판형 스퍼터링 타겟의 제조
편판형 저탄소강과 원통형 저탄소강을 모재로 각각 사용하여 평판형 스퍼터링 타겟과 튜브형 스퍼터링 타겟을 제조하였다.
모재는 코팅 공정 전에 표면 조도를 일정하게 하고, 표면에 존재하는 불순물 또는 오염 물질을 제거하기 위해 연마 처리 되었으며, 연마 처리한 후에는 표면 조도를 증가시키기 위해 저탄소강 표면에 5.0 kg/cm2의 압력으로 177~595㎛의 크기를 가지는 알루미나 분말을 이용하여 그릿-블라스팅(grit-blasting)을 실시하였다. 블라스팅 실시된 전탄소강 모재 표면을 초음파 세척하여 불순물을 제거함으로써 전처리를 완료하였다.
상기 전처리된 모재의 상하부 표면에 도 4에 나타낸 것과 같은 형상의 직경이 10~35㎛의 분포를 가지는 탄탈륨 분말을 이용하여 초음속 유동 적층 성형 코팅을 실시하였다. 초음속 유동 적층 성형 장비는 도 1에 도시된 것과 유사한 형태의 장비로서 독일 CGT 사의 초음속 유동 적층성형 코팅 장비를 사용하였다. 공정 가스로는 질소 가스를 사용하였으며, 가스 가열 및 가압 장치를 거친 질소 가스의 온도는 400℃로 설정하였으며, 압력은 2.0MPa로 설정하였다. 분사 거리는 30mm로 설정하였으며, 두꺼운 코팅 층의 형성을 위해서 노즐의 이동 속도는 80mm/s로 설정하였다.
상기 방법을 통하여 저탄소강 모재 상에 형성된 편판형 탄탈륨 스퍼터링 타겟의 단면을 도 5에 나타내었다. 도면에서 간접적으로 확인할 수 있듯이 기공도 0.04%의 치밀한 조직이 형성되었다. 도 6은 탄탈륨 스퍼터링 타겟의 에칭된 단면의 광학현미경 사진이다. 도 6에서 보이는 바와 같이 전 영역에서의 탄탈륨의 미세 분말이 균일하면서 치밀하게 형성되어 있음을 알 수 있다. 본 발명에서 제시된 방법을 통하여 400μm 두께의 성형체가 형성되었으며, 노즐의 이동 시간과 적층 횟수에 따라 성형체의 두께를 증가시킬 수 있다. 평판형 스퍼터링 타겟의 경우 모재를 제거하여 성형체를 떼어내고 표면을 연마처리하여 사용할 수 있다.
튜브형 스퍼터링 타겟의 제조방법
원통형 저탄소강을 사용하고, 제조시 원통형 모재를 모터에 탑재하여 150RPM의 회전속도로 회전시키면서 초음속 유동 적청성형 과정을 실시한 것 이외에는 상기 평판형 스퍼터링 타겟의 제조 실시예와 동일한 과정으로 튜브형 스퍼터링 타겟을 제조하였다.
도 7은 초음속 유동 적층 성형을 통하여 형성된 튜브형 탄탈륨 스퍼터링 타겟의 에칭된 단면을 나타내고 있다. 도 7에서 보이는 바와 같이 균일한 두께의 탄탈륨 성형체가 전면적에 걸쳐서 형성되어 있다. 성형체의 기공도는 0.05%로 조직은 매우 치밀함을 알 수 있다. 도 8은 튜브형 탄탈륨 스퍼터링 타겟의 에칭된 단면의 광학 현미경 사진을 나타내고 있다. 도 9는 확대된 튜브형 탄탈륨 스퍼터링 타겟의 에칭된 단면을 나타내고 있다. 튜브형 스퍼터링 타겟의 경우 원통형 모재와 성형체를 분리하지 않고 표면을 미세연마하여 사용한다. 튜브형으로 제조된 스퍼터링 타겟 역시 분말이 균일하면서 치밀하게 결합되어 있음을 확인할 수 있었다.
따라서, 상기 실시예의 결과로부터 본 발명의 유리한 효과를 확인할 수 있었다.
도 1은 본 발명의 일 구현례에서 사용하는 초음속 유동 적층성형 장치의 배치도,
도 2는 원하는 형상의 스퍼터링 타겟을 제조하기 위하여 마스크를 이용하는 본 발명의 바람직한 일구현례를 나타내는 개략도,
도 3은 원통 또는 튜브 형태의 모재의 표면에 스퍼터링 타겟을 형성하는 방법을 나타내는 개략도,
도 4는 본 발명의 일실시예에서 사용한 탄탈륨 분말의 형태를 촬영한 현미경 사진,
도 5는 본 발명의 일실시예에서 제조한 탄탈륨 스퍼터링 타겟의 표면을 촬영한 현미경 사진,
도 6은 본 발명의 일실시예에서 제조한 탄탈륨 스퍼터링 타겟의 에칭된 단면의 광학현미경 사진,
도 7은 본 발명의 일실시예에서 제조한 초음속 유동 적층 성형을 통하여 형성된 튜브형 탄탈륨 스퍼터링 타겟의 에칭된 단면을 관찰한 현미경 사진,
도 8은 본 발명의 또하나의 실시예에서 제조한 튜브형 탄탈륨 스퍼터링 타겟의 에칭된 단면의 광학 현미경 사진, 그리고
도 9는 본 발명의 또하나의 실시예에서 제조한 튜브형 탄탈륨 스퍼터링 타겟의 에칭된 단면을 관찰한 현미경 사진이다.
Claims (7)
- 모재를 준비하는 단계;상기 모재의 표면에 초음속 유동 적층성형기술을 이용하여 스퍼터링 타겟용 원료 분말을 코팅하여 적층체를 형성하는 단계; 및상기 모재 표면에 코팅된 적층체를 회수하는 단계;를 포함하고,상기 초음파 유동 적층성형기술에서 사용되는 공정 가스의 온도는 450~550℃인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 초음속 유동 적층성형기술을 이용하여 스퍼터링 타겟용 원료분말을 코팅할 때, 원하는 형상의 스퍼터링 타겟에 대응하는 마스크를 이용하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 스퍼터링 타겟의 형상이 튜브형일 경우, 회전하는 원통 또는 튜브 형상의 모재 표면에 분말을 초음속 유동 적층성형기술을 이용하여 분사하여 스퍼터링 타겟 형상의 코팅을 형성한 후 상기 타겟을 모재로부터 분리하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟의 제조방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서, 초음파 유동 적층성형기술에서 사용되는 공정 가스의 압력은 2.0~2.5MPa인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 스퍼터링 타겟 제조용 분말의 직경은 5~200㎛인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서, 원료분말을 코팅하기 이전에 모재의 표면에 조도를 부여하기 위하여 전처리를 실시하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타겟의 제조방법.
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|---|---|---|---|
| KR1020080046704A KR100994973B1 (ko) | 2008-05-20 | 2008-05-20 | 초음속 유동 적층성형기술을 이용한 스퍼터링 타겟의제조방법 |
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| KR20090120751A KR20090120751A (ko) | 2009-11-25 |
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| KR1020080046704A KR100994973B1 (ko) | 2008-05-20 | 2008-05-20 | 초음속 유동 적층성형기술을 이용한 스퍼터링 타겟의제조방법 |
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| WO2006117145A2 (en) * | 2005-05-05 | 2006-11-09 | H.C. Starck Gmbh | Coating process for manufacture or reprocessing of sputter targets and x-ray anodes |
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2008
- 2008-05-20 KR KR1020080046704A patent/KR100994973B1/ko not_active IP Right Cessation
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