KR101273096B1 - 스퍼터용 원통형 타겟의 제조 방법 - Google Patents

Abstract

스퍼터용 원통형 타겟의 제조 방법에 따르면, 금속 빌렛을 준비한 후 상기 금속 빌렛을 압출용 다이의 내부에 장착한다. 이어서, 상기 금속 빌렛을 맨드릴 및 프레스로 가압하여 상기 압출용 다이에 형성된 입구로부터 원통형 타겟을 압출하여 원통형 타겟을 제조한다.

Description

스퍼터용 원통형 타겟의 제조 방법{METHOD OF MANUFACTURING A CYLINDRICAL TARGET FOR A SPUTTER}

본 발명은 스퍼터용 원통형 타겟의 제조 방법에 관한 것이다. 보다 상세하게는 스퍼터 공정을 이용하여 대상체에 특정 물질의 박막을 형성할 경우 상기 특정 물질로 이루어진 원통형 타겟을 제조하기 위한 제조 방법에 관한 것이다.

최근 태양광 발전 장치의 수요가 폭발적으로 증가함에 따라 태양 전지를 제조하기 위한 제조 장치에 대한 기술 발전이 급속히 이루어지고 있다. 상기 태양광 발전 장치에 적용되는 태양 전지를 이루는 특정 막을 형성하기 위한 증착 장치는 기존의 반도체 소자나 평판디스플레이 장치의 제조시 사용되어 온 증착장치를 응용하고 있다. 여기서, 태양 전지는 투명전도층, 절연층, 금속층 또는 광흡수층을 포함한다. 이때, 상기 특정막을 형성하기 위하여 화학적 기상 증착(CVD : Chemical Vapor Deposition)장치 또는 물리적 기상 증착(PVD : Physical Vapor Deposition)장치가 이용되고 있다.

이중, 상기 물리적 기상 증착 장치의 예로는 스퍼터링 증착 장치를 들 수 있다. 상기 스퍼터링 증착 장치는 챔버, 캐소드, 공정 가스 공급 유닛 및 전원 인가 유닛을 포함한다. 이때, 특정 막의 재료로 타겟을 주조나 소결에 의해 제작한 후, 챔버 내부에 위치한 캐소드에 장착한다. 이어서, 상기 공정 가스 공급 유닛은 챔버 내부에 아르곤과 같은 공정 가스를 주입한 후, 상기 전원 인가 유닛이 전원을 인가하여 상기 공정 가스를 이온화한 후, 인가된 높은 전위차에 의해 하전입자를 가속시킨다. 여기서 얻어진 높은 운동에너지를 가진 하전 입자가 캐소드에 장착된 타겟에 충돌하여 상기 타겟의 표면으로부터 원자가 튀어나오면 튀어나온 원자가 기판 표면에 달라붙으면서 기판 상에 특정 막이 형성된다.

하지만, 스퍼터링 증착 장치는 상기 전위차를 줄이고 가스의 이온화를 용이하게 하는 것이 요구된다. 따라서, 상기 캐소드 주위에 자기장을 형성하는 마그네트를 이용하여 전자를 타겟 표면에 구속시키도록 구비된다. 그러나, 상기 마그네트의 배열에 따라 가속된 하전입자의 충돌 면이 타겟 표면에 전체적으로 균일하게 형성되지 못함으로 인하여 타겟의 사용효율이 저하되는 문제점이 있다. 따라서 타겟의 사용 효율을 개선하기 위하여 일반적인 평판형 타겟 형태를 대신하여 회전 가능한 원통형 타겟이 요구되고 있다.

본 발명의 일 목적은 스퍼터용 원통형 타겟의 제조 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 실시예에 있어 스퍼터용 원통형 타겟의 제조 방법에 따르면, 금속 빌렛을 준비한 후 상기 금속 빌렛을 압출용 다이의 내부에 장착한다. 이어서, 상기 금속 빌렛을 맨드릴 및 프레스로 가압하여 상기 압출용 다이에 형성된 입구로부터 원통형 타겟을 압출하여 원통형 타겟을 제조한다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 금속 빌렛을 가압하는 공정은 상기 배출되는 타겟을 클램핑한 후, 상기 압출용 다이의 입구로부터 배출되는 원통형 타겟을 인장하는 공정을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 금속 빌렛은 구리, 알루미늄, 금, 은, 몰리브덴, 티타늄, 철, 주석 또는 이들의 합금으로 이루어질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 압출용 다이의 내부 표면에 윤활막을 형성하는 공정이 더 수행될 수 있다. 여기서, 상기 윤활막을 형성하기 위하여 황산염 또는 옥살산염을 상기 내부 표면에 코팅하여 제1 코팅막을 형성한 후, 상기 제1 코팅막 상에 비누와 같은 수용성 알카리 금속염을 도포하여 제2 코팅막을 형성할 수 있다. 이와 다르게, 상기 윤활막은 상기 다이의 내부 표면에 구리막, 주석막 또는 이들의 합금막을 코팅함으로써 형성될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 금속 빌렛을 맨드릴 및 프레스로 가압하는 공정은, 상기 금속 빌렛(10)의 온도 구배를 0.5℃/㎝ 이하로 조절하는 공정을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 금속 빌렛을 맨드릴 및 프레스로 가압하는 공정은 불활성 가스 분위기에서 수행될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 금속 빌렛을 맨드릴 및 프레스로 가압하는 공정은 4,000 내지 6,000 톤/㎡ 의 압력 및 1.0 내지 2.0 m/hr의 압출 속도로 가압하는 것을 포함할 수 있다.

본 발명의 일 실시예 있어서, 상기 원통형 타겟을 압출한 후, 상기 원통형 타겟을 상부에서 가압하여 상기 원통형 타겟의 평탄도를 보정하고, 상기 원통형 타겟을 열처리하여 상기 원통형 타겟의 결정 구조를 개선하는 공정이 수행될 수 있다.

본 발명의 실시예들에 따른 스퍼터용 원통형 제조 방법에 따르면, 압출 방식으로 타겟을 제조함으로써, 기존의 주조 공정이나 소결 공정을 통한 타겟의 제조 공정과 비교할 때 상대적으로 간단한 공정으로 제조된다. 또한, 원통형 타겟이 상대적으로 낮은 온도에서 제조될 수 있으며 나아가 생산성이 개선될 수 있다. 그리고, 소결 공정 또는 주조 공정에 있어서 수반되는 원통형 타겟의 오염이 억제될 수 있음으로써 원통형 타겟의 신뢰성이 개선되어 스퍼터링 공정을 통하여 균일한 특정 막이 형성될 수 있다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터용 원통형 타겟의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 도 1에 도시된 인출 공정에 사용되는 다이 및 맨드릴을 설명하기 위한 단면도이다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 따른 스퍼터용 원통형 타겟의 제조 방법에 대해 상세히 설명한다. 본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본문에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다. 각 도면을 설명하면서 유사한 참조부호를 유사한 구성요소에 대해 사용하였다. 첨부된 도면에 있어서, 구조물들의 치수는 본 발명의 명확성을 기하기 위하여 실제보다 확대하여 도시한 것이다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

제1, 제2 등의 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되어서는 안 된다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제1 구성요소는 제2 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제2 구성요소도 제1 구성요소로 명명될 수 있다.

한편, 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 스퍼터용 원통형 타겟의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 2는 도 1에 도시된 인출 공정에 사용되는 다이 및 맨드릴을 설명하기 위한 단면도이다.

도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 스퍼터용 원통형 타겟의 제조 방법에 있어서, 먼저 금속 빌렛(10)을 준비한다.(S110) 상기 금속의 예로는 구리, 알루미늄, 금, 은, 몰리브덴, 티타늄, 철, 주석 등의 금속 또는 이들의 합금을 이용될 수 있다. 상기 금속 빌렛(10)을 준비하기 위하여, 갈바닉(galvani) 공정을 통하여 요구하는 고순도의 구리 원료를 제조한다. 이어서, 헬륨, 네온, 아르곤, 질소 가스와 같은 불활성 가스를 이용한 불활성 분위기에서 용해 주조 공정을 통하여 상기 금속 빌렛(10)을 준비할 수 있다. 또한 상기 금속 빌렛(10)은 원통 형상을 가질 수 있다. 이와 다르게 상기 금속 빌렛(10)은 삼각기둥, 사각기둥 및 오각 기둥과 같은 다각 기둥 형상을 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 금속 빌렛(10)의 표면에 탄소층을 형성할 수 있다. 예를 들면 상기 금속 빌렛(10)의 표면에 흑연을 도포할 수 있다. 따라서, 후속하는 압출 공정에서 상기 원통형 타겟에 소성 변형이 억제될 수 있다.

이어서, 상기 금속 빌렛(10)을 압출용 다이(100)에 장착한다.(S120)

상기 압출용 다이(100)를 제조하기 위하여, 열간 가공용 다이강이 이용될 수 있다. 상기 열간 가공용 다이강을 가공하여 상기 압출용 다이(100)의 형상을 확보한다. 상기 압출용 다이(100)는 그 내부에 중공 및 압출구를 가진다. 상기 중공의 내부에는 상기 금속 빌렛(10)이 장착될 수 있다. 또한 상기 압출용 다이(100)에 형성된 상기 압출구를 통하여 원통형 타겟이 배출될 수 있다. 이어서, 상기 압출용 다이(100)에 대한 열처리 공정이 수행된다. 상기 열처리 공정은 예를 들면 약 800 내지 1,200°C 의 온도에서 수행될 수 있다. 이로써 상기 압출용 다이(100)가 더욱 치밀해진 구조를 가짐에 따라 개선된 강도를 가질 수 있다. 또한, 상기 열처리 공정 후 열처리된 압출용 다이(100)의 표면에 지르코니아를 이용하여 코팅막을 형성한다. 따라서, 상기 코팅막은 상대적으로 우수한 내식성을 가짐에 따라 상기 압출용 다이(100)가 개선된 내구성을 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 금속 빌렛(10)을 그 내부에 천공을 형성하는 천공 공정을 추가적으로 수행할 수 있다. 상기 천공 공정을 통하여 상기 금속 빌렛(10)에 천공을 형성할 경우 후속하는 압출 공정에서 용이하게 원통형 타겟을 형성할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 압출용 다이(100)의 표면에 윤활막을 추가적으로 형성할 수 있다. 상기 윤활막은 후속하는 압출 공정에서 금속 빌렛(10)이 용이하게 압출용 다이(100)로부터 압출될 수 있다.

예를 들면 상기 윤활막을 상기 압출용 다이(100)의 표면에 형성하기 위하여, 황산염 또는 옥살산 염을 상기 압출용 다이(100)의 내부 표면에 코팅하여 제1 코팅막을 형성한다. 이어서, 상기 제1 코팅막 상에 비누와 같은 수용성 알카리 금속염을 도포하여 상기 제1 코팅막 상에 제2 코팅막을 형성한다. 따라서, 상기 제1 및 제2 코팅막들을 포함하는 상기 윤활막이 상기 압출용 다이(100)의 내부 표면에 형성될 수 있다.

이와 다르게, 상기 윤활막을 상기 압출용 다이(100)의 표면에 형성하기 위하여, 상기 다이의 내부 표면에 구리, 주석 또는 이들의 합금으로 이루어진 윤활막을 형성할 수 있다. 상기 윤활막이 상기 압출용 다이(100)의 표면에 형성됨에 따라 후속하는 압출 공정에서 상기 금속 빌렛(10)이 용이하게 압출용 다이(100)로부터 인출될 수 있다.

상기 금속 빌렛(10)을 압출 공정으로 원통형 형상의 타겟으로 압출한다.(S130) 상기 압출 공정에 있어서, 상기 압출용 다이(100)에 형성된 중공의 연장 방향으로 프레스(120) 및 맨드릴(110)로 상기 금속 밸릿을 가압한다.

상기 맨드릴(110)은 원기둥 형상을 가질 수 있다. 상기 맨드릴(110)은 상기 중공의 중심과 동일한 동심축을 갖도록 배치된다. 따라서, 상기 맨드릴(110)이 상기 중공의 연장 방향으로 상기 금속 밸릿을 가압할 수 있다.

상기 프레스(120)는 상기 맨드릴(110)과 상기 중공의 내측벽 사이에 개재된다. 따라서 상기 맨드릴(110) 및 상기 프레스(120)는 상기 압출용 다이(100)의 일측을 폐쇄할 수 있다. 상기 프레스(120)는 상기 맨드릴(110)의 중심과 동심축을 갖는 개구를 가질 수 있다. 따라서 상기 프레스(120)의 중공에는 상기 맨드릴(110)이 배치될 수 있다.

상기 맨드릴(110) 및 상기 프레스(120)로 상기 금속 밸릿을 가압하는 압출 공정은 4,000 내지 6,000 톤/㎡ 의 압력으로 수행될 수 있다. 또한 상기 압출 공정에 있어서 압출 속도는 1.0 내지 2.0 m/hr로 조절될 수 있다. 따라서 상기 압출 공정을 통하여 치밀한 조직을 갖는 원통형 타겟이 제조될 수 있다. 또한, 상기 원통형 타겟이 개선된 표면 조직을 가질 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 압출 공정은 상기 금속 빌렛의 온도 구배를 0.5℃/㎝이하로 조절될 수 있다. 상기 금속 빌렛의 온도 구배가 0.5℃/㎝초과일 경우, 상기 금속 빌렛이 상기 압출용 다이(100)의 압출구로부터 압출된 상기 원통형 타겟이 그 위치에 따라 서로 다른 조직을 가진다. 따라서 상기 원통형 타겟을 이용하여 스퍼터링 공정이 수행될 경우 전기 전도 불량에 의한 깨짐, 이상 방전이 발생하는 문제가 발생할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 압출 공정은 상기 압출용 다이(100)를 둘러싸는 내부 분위기를 불활성 가스 분위기로 조절될 수 있다. 상기 불활성 가스는 예를 들면, 질소, 헬륨, 네온, 아르곤 이들의 혼합 가스를 들 수 있다. 따라서, 상기 압출 공정에서 상기 금속 빌렛(10)의 표면이 산소와 접촉하여 산화막이 형성되는 것이 억제될 수 있다. 특히, 상기 금속 빌렛(10)이 구리를 포함할 경우 상기 구리로 이루어진 상기 금속 빌렛(10)의 표면에 산화막이 형성되는 것이 억제될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 금속 빌렛(10)에 탄소막이 형성될 경우, 상기 탄소막을 상기 원통형 타겟의 표면으로부터 제거하는 공정이 추가적이 수행될 수 있다.

상기 금속 빌렛(10)을 가압하는 공정은 상기 배출되는 타겟을 클램핑한 후, 상기 압출용 다이(100)의 입구로부터 배출되는 원통형 타겟을 인장하는 공정을 포함할 수 있다.

이어서, 상기 원통형 타겟의 평탄도를 보정하는 보정 공정이 수행될 수 있다.(S140) 상기 보정 공정을 통하여 상기 원통형 타겟이 전체적으로 균일한 동심축을 갖도록 가공될 수 있다. 예를 들면 상기 보정 공정은 상기 원통형 타겟을 장방향으로 배치한 후 상기 원통형 타겟을 회전하는 동시에 프레스를 이용하여 상기 원통형 타겟을 가압하는 가압 공정을 포함할 수 있다. 상기 프레스는 예를 들면 유압 프레스를 포함할 수 있다. 결과적으로 상기 보정 공정을 통하여 상기 원통형 타겟은 원통이 형성된 방향으로 일정한 동심축을 가질 수 있다. 또한 상기 원통형 타겟이 상기 원통이 형성된 방향으로 개선된 직진성을 가질 수 있다.

이후 상기 원통형 타겟을 열처리하여 열처리 공정이 수행된다.(S150) 상기 열처리 공정을 통하여 상기 원통형 타겟은 전체적으로 균일한 결정구조를 가질 수 있다. 예를 들면, 상기 열처리 공정은 상기 원통형 타겟을 열처리 노의 내부에 배치한 후, 상기 열처리 노를 600 내지 900℃의 온도를 조절한다. 상기 열처리 공정은 약 1시간 내지 3시간 동안 진행될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 있어서, 상기 열처리 공정이 수행된 상기 원통형 타겟을 추가적으로 가공하는 가공 공정이 수행될 수 있다. 상기 가공 공정을 통하여 상기 원통형 타겟이 원하는 크기로 갖도록 가공할 수 있다.

상술한 바와 같이, 본 발명에 따른 스퍼터용 원통형 타겟의 제조 방법에 따르면 압출 공정으로 용이하게 제조할 수 있다. 스퍼터링 공정 중 타겟의 냉각을 위한 냉각 플레이트가 생략될 수 있음으로써 상기 냉각 플레이트의 본딩에 따른 열전달 효율이 악화되는 것을 억제할 수 있다. 또한 상기 압출 공정을 통하여 제조된 스퍼터용 원통형 타겟은 전체적으로 균일한 조직을 가짐에 따라 상기 원통형 타겟으로 스퍼터링 공정이 원활하게 수행될 수 있다. 그리고, 상기 스퍼터링 공정에서 상기 원통형 타겟이 전체적으로 균일하게 침식됨으로 타겟의 사용 효율이 개선될 수 있다. 더구나 상기 원통형 타겟이 회전됨으로써 단위 면적당 큰 파워를 공급할 수 있음으로써 상대적으로 높은 성막 속도가 확보될 수 있다. 결과적으로 스퍼터링 장비에 사용되는 터겟의 효율이 개선되어 하나의 타겟으로 상대적으로 긴 시간동안 스퍼터링 공정이 수행되어 타겟을 이용한 성막 공정의 비용이 절감될 수 있다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (10)

1. 금속 빌렛을 준비하는 단계;
   내부 표면에 윤활막이 형성된 압출용 다이를 준비하는 단계;
   상기 금속 빌렛을 상기 압출용 다이의 내부에 장착하는 단계; 및
   상기 금속 빌렛을 맨드릴 및 프레스로 가압하여 상기 압출용 다이에 형성된 입구로부터 원통형 타겟을 압출하는 단계를 포함하는 스퍼터용 원통형 타겟의 제조 방법.
2. 제1항에 있어서, 상기 금속 빌렛을 가압하는 단계는,
   상기 배출되는 타겟을 클램핑하는 단계; 및
   상기 압출용 다이의 입구로부터 배출되는 원통형 타겟을 인장하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터용 원통형 타겟의 제조 방법.
3. 제1항에 있어서, 상기 금속 빌렛은 구리, 알루미늄, 금, 은, 몰리브덴, 티타늄, 철, 주석 또는 이들의 합금으로 이루어진 것을 특징으로 하는 스퍼터용 원통형 타겟의 제조 방법.
4. 삭제
5. 제1항에 있어서, 상기 압출용 다이를 준비하는 단계는,
   황산염 또는 옥살산염을 상기 내부 표면에 코팅하여 제1 코팅막을 형성하는 단계; 및
   상기 제1 코팅막 상에 수용성 알카리 금속염을 도포하여 제2 코팅막을 형성하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터용 원통형 타겟의 제조 방법.
6. 제1항에 있어서, 상기 압출용 다이를 준비하는 단계는 상기 다이의 내부 표면에 구리막, 주석막 또는 이들의 합금막을 코팅하는 것을 특징으로 하는 스퍼터용 원통형 타겟의 제조 방법.
7. 제1항에 있어서, 상기 금속 빌렛을 맨드릴 및 프레스로 가압하는 단계는, 상기 금속 빌렛의 온도 구배를 0.5℃/㎝ 이하로 조절하는 것을 특징으로 하는 스퍼터용 원통형 타겟의 제조 방법.
8. 제1항에 있어서, 상기 금속 빌렛을 맨드릴 및 프레스로 가압하는 단계는 불활성 가스 분위기에서 수행되는 것을 특징으로 하는 스퍼터용 원통형 타겟의 제조 방법.
9. 제1항에 있어서, 상기 금속 빌렛을 맨드릴 및 프레스로 가압하는 단계는 4,000 내지 6,000 톤/㎡ 의 압력 및 1.0 내지 2.0 m/hr의 압출 속도로 가압하는 것을 특징으로 하는 스퍼터용 원통형 타겟의 제조 방법.
10. 금속 빌렛을 준비하는 단계;
    상기 금속 빌렛을 압출용 다이의 내부에 장착하는 단계;
    상기 금속 빌렛을 맨드릴 및 프레스로 가압하여 상기 압출용 다이에 형성된 입구로부터 원통형 타겟을 압출하는 단계;
    상기 원통형 타겟을 상부에서 가압하여 상기 원통형 타겟의 평탄도를 보정하는 단계; 및
    상기 원통형 타겟을 열처리하여 상기 원통형 타겟의 결정성을 확보하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 스퍼터용 원통형 타겟의 제조 방법.

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