KR102274485B1 - 간접 냉각 디바이스에 적합한 냉각 플레이트를 구비하는 타깃 - Google Patents

간접 냉각 디바이스에 적합한 냉각 플레이트를 구비하는 타깃 Download PDF

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Abstract

본 발명은 냉각 덕트를 포함하는 구성요소 및 구성요소의 냉각 측면에 대해 해제가능하게 접속되는 추가의 열적으로 전도성인 플레이트를 갖는 타깃을 냉각하기 위한 디바이스에 관한 것으로, 냉각 측면은 냉각 덕트가 효과적인 측면이며, 추가의 열적으로 전도성인 플레이트와 구성요소의 냉각 측면 사이에, 냉각 측면을 마주하는 추가의 열적으로 전도성인 플레이트의 측면에 접착제를 바른 방식으로 넓게 끈끈하게 결합된 제1 접착제를 바른 탄소 필름이 공급된다는 것으로 특징지어진다.

Description

간접 냉각 디바이스에 적합한 냉각 플레이트를 구비하는 타깃{TARGET, ADAPTED TO AN INDIRECT COOLING DEVICE, HAVING A COOLING PLATE}
본 발명은 PVD 프로세스, 특히 진공 조건 하에서 재료 소스로서 사용되는 표면을 구비하는 타깃에 관한 것이다. 본 발명은 특히 스퍼터링(sputtering)(즉, 독일에서 "살포(Zerstauben)"로 지칭되는 PVD 프로세스)을 위해 사용되는 이러한 유형의 타깃들에 관한 것이다. 사용시에, 이러한 유형의 타깃은 일반적으로 이를 냉각시키기 위한 수단이 제공되는 소스 홀더에 의해 고정된다. 본 발명은 특히 이러한 타깃을 포함하는 코팅 소스에 관한 것이다.
스퍼터링(sputtering)에서, 타깃의 표면에는 진공 조건 하에서 이온들에 의해 충격이 가해진다. 충격은 이러한 목적을 위해 제공된 타깃 표면의 시야로 배치된 기판들 상에 침착될 수 있는 타깃 표면으로부터 재료를 제거시킨다. 이를 위해 요구되는 이온들은 타깃 표면 위에 구축된 플라스마에 의해 제공된다. 타깃에 음의 전압을 인가함으로써, 이온들이 이를 향해 가속화된다. 단위 시간당 이온 흐름이 더 많을수록, 더 높은 코팅 속도가 획득된다. 타깃에 인가된 전압이 높을수록, 타깃 표면에 대한 이온들의 충돌 속도가 더 높으며, 타깃으로부터 분출되는 스퍼터링된 재료의 에너지가 더 높다. 따라서 더 높은 전력 입력이 요구될 수 있다. 스퍼터링된 재료의 이온화 정도와 전력 밀도 사이의 의존성 또한 존재하는 것으로 알려져 있다. 이러한 효과들은 HIPIMS 프로세스에서 사용된다.
이러한 스퍼터링 타깃에 적용되는 중간 전력 밀도는 일반적으로 5W/cm2 내지 30W/cm2의 범위 내에 있다.
그러나, 스퍼터링은 에너지 효율이 매우 높은 PVD 코팅 방법은 아니다. 이는 타깃 내에 제공된 에너지의 대부분이 열로 변환되며, 타깃이 가열된다는 것을 의미한다. 이러한 열은 반드시 냉각 프로세스에 의해 밖으로 배출되어야 한다. 종래 기술에 이것을 달성하기 위한 다양한 접근법이 존재하며, 아래에서 간략하게 설명한다.
a) 직접 냉각되는 타깃
도 1에 개략적으로 도시된 바와 같은 직접 냉각되는 타깃(1)에서, 타깃 표면(3)을 가열하기 위해 변환된 전력이 타깃 후면(7)으로의 열 전도에 의해서 타깃 재료(5) 내에 전달된다. 수관(water duct)(9) 내에서 흐르는 냉각 유체(11)는 자신의 열 용량 및 흐름 조건에 따라서 열의 흐름을 밖으로 운반할 수 있다. 타깃 후면(7)과 냉각 유체(11) 사이에 매우 우수한 열 접촉이 존재한다. 그러나, 이러한 경우에, 예를 들어 나사(13)에 의해서 타깃을 베이스 바디(15)에 고정하는 것이 필요하다. 또한, 밀봉(seal)(17)이 제공되어야만 하며, 이것은 예를 들어 물과 같은 냉각 유체(11)로부터 진공을 밀봉한다. 공급 라인들(6)이 또한 도 1에 도시되어 윤곽이 나타내어졌다. 그외에는, 도면은 단지 개략적인 서술이다. 예를 들어 진공 생산, 절연처리 및 냉각 유체의 공급 및 제거를 위한 다른 구성요소들이 전문가들에게 알려져 있고 따라서 본 명세서에 도시되어 있지 않다.
직접 냉각되는 타깃은 사실 자신의 매우 우수한 냉각 용량으로 인해 매력적이지만, 타깃들을 변경할 때 물/타깃 결합의 필수적인 분열 및 냉각제/진공 실의 존재로 인한 뚜렷한 단점들을 가진다. 따라서, 예를 들어 냉각 유체의 누수 발생과 같은 위험이 존재한다. 이러한 위험은 타깃 재료의 빈번한 변경이 요구될 때 특히 높다.
b) 간접 냉각되는 타깃
도 2에 도시된 바와 같은 간접 냉각되는 타깃에서, 타깃(201)의 후면(203)이 (예를 들어, 나사 또는 클램프에 의해) 소스 홀더(205)에 고정되며, 본질적으로 닫힌 냉각 플레이트(207)가 소스 홀더(205)에 통합된다. 예를 들어, 냉각 플레이트(207)는 이동하는 유체가 열을 밖으로 운반하는 냉각제가 흐르는 냉각 덕트(209)를 포함한다.
이러한 경우에서, 냉각 유체 덕트는 고체의 고정적인 커버에 의해 경계가 정해진다. 냉각 및 전기 접촉을 위해서, 타깃은 예를 들어 나사를 이용하여 타깃의 원주에서 또는 가능하게는 중간에서 이러한 커버에 고정된다. 이러한 방법은 무엇보다도 두 가지 문제를 야기한다.
열 전달은 타깃 후면의 표면 및 냉각 플레이트의 표면을 통해 창출된다. 특정한 수단없이, 이들 두 표면은 이상적인 완만한 접촉 쌍의 경계 표면으로부터 급격하게 편향하는 경계 표면을 구성한다. 이러한 상황이 도 3에 도시되었다. 이러한 경우에서 열 전달은 급격하게 감소되며 압력 의존적인 것으로 나타난다. 그러나, 접촉 압력은 예를 들어 오로지 체결 나사(fastening screw)에 의해서만 도입될 수 있다. 다시 말하면, 열 전달은 오직 국부적으로만 개선될 수 있다.
이러한 상황은 두 표면들 사이에 접촉 필름을 제공함으로써 개선될 수 있다. 예를 들어, 이러한 필름은 인듐, 주석, 또는 그래파이트로 제조될 수 있다. 이들의 연성(ductility)으로 인해, 이러한 필름들이 타깃 후면과 냉각 플레이트의 표면 사이의 불규칙성을 보상할 수 있다. 또한, 접촉 압력이 영역에 걸쳐 더욱 균일하게 가해질 수 있다.
이 방법의 단점은, 특히 수직으로 장착된 타깃들을 이용하여 접촉 필름을 장착하는 것이 불편하고 어렵다는 것이다. 이것은 특히 타깃 재료들을 빈번하게 변경하는 것이 필요할 때 관련된다. 그래파이트 필름의 경우에서, 가로 열 전도성이 사실 우수하지만, 세로 열 전도성은 좋지 않다. 따라서 한편으로 그래파이트 필름들은 이들의 낮은 세로 열 전도성이 냉각 프로세스를 저해하지 않도록 얇아야만 한다. 다른 한편으로는, 설치 동안에 필름에 대한 손상을 방지하기 위해 소정의 필름 두께가 필요하다. 이러한 이유로, 0.5mm보다 작지 않은 두께를 갖는 그래파이트 필름이 사용된다.
따라서 특히 종래 기술로부터 알려져 있는 디바이스에 비교하여 타깃 재료의 변경을 개선하는 타깃들에 대한 향상된 냉각 디바이스에 대한 필요성이 존재한다.
본 발명은 위에서 개략적으로 설명된 간접 냉각 디바이스의 수정에 기초한다. 본 발명에 따르면, 접착성(self-adhesive) 탄소 필름이 타깃 바디의 후면에 부착되어 타깃 바디에 단단하게 결합된다는 점에서 목적이 달성된다. 필름은 타깃 바디가 장착되기 전에 타깃 바디의 후면에 균등하게 그리고 간격 없이 접착될 수 있다. 이것은 타깃 바디의 후면과 탄소 필름 사이의 매우 우수한 열적 접촉을 보장한다. 그 다음 타깃 바디가 소스 홀더에 쉽게 장착될 수 있다. 그 다음 타깃에 부착된 탄소 필름이 냉각 플레이트의 표면과 타깃 바디의 후면 사이의 접촉 필름의 기능을 수행한다.
이렇게 접착성 탄소 필름을 사용하는 것은 진공 기술 분야에서 관례적이지 않다. 접착성 탄소 필름을 생산하기 위해 사용되는 접착제가 진공 조건 하에서 실질적인 기체 배출(outgasing)을 경험하며 따라서 진공에 부정적인 영향을 갖기 때문에, 그리고 상응하는 휘발성 구성요소들이 진공 하에서 처리될 기판들의 오염을 발생시키기 때문에, 이러한 물질들은 사용되지 않는다.
반면에, 본 출원인은 놀랍게도 전술된 바와 같이 사용되는 접착성 필름들이 임의의 인식가능한 방식으로 위에서 기술된 단점들을 겪지 않음을 발견하였다. 이에 대한 이유는 타깃 표면의 후면과의 밀접한 접촉 및 멤브레인과의 탄소 필름의 접촉으로 인해 접착제의 기체 배출이 근본적으로 느려지고, 이에 따라서 관계가 없어진다는 사실에 있을 수 있다.
본 발명이 이제 도면들의 도움으로 서로 다른 예시적인 실시예들과 관련하여 자세하게 설명될 것이다.
도 1은 직접 냉각을 이용하는 종래의 코팅 소스를 도시한 도면.
도 2는 간접 냉각을 이용하는 종래의 코팅 소스를 도시한 도면.
도 3은 도 2에 따른 냉각을 이용하는 코팅 소스에서의 제한된 열 접촉을 도시한 도면.
도 4는 접착제를 바른 부착된 탄소 필름을 갖는 본 발명에 따른 타깃의 실시예를 통한 단면도.
도 5는 제1 실시예에서 간접 냉각을 이용하는 코팅 소스로 통합된, 본 발명에 따른 타깃을 도시한 도면.
도 6은 제2 실시예에서 코팅 소스로 통합된, 본 발명에 따른 타깃을 도시한 도면.
도 4는 상응하여 일 측면 상에 접착제를 바르고 0.1mm과 0.5mm 사이의 두께를 갖는 탄소 필름(407)이 장착된 타깃 후면(403)을 구비하는 타깃(401)을 도시한다. 바람직하게는, 이 예에서 선택된 탄소 필름의 두께는 0.125mm이다. 예에서, 제품 식별 번호 KU-CB1205-AV를 갖는 쿤즈 컴퍼니(Kunze company)로부터의 접촉 필름이 사용되었다.
도 4는 타깃 후면과 접착성 탄소 필름 사이의 경계 표면의 확대된 세부사항을 도시한다. 여기에서 탄소 필름은 탄소 필름을 접착성 필름으로 변질시킨 접착성 필름(409) 및 탄소 필름(411)을 포함한다.
도 4에 따른 타깃은 도 5에 도시된 바와 같이 간접 냉각을 이용하여 코팅 소스에 쉽게 통합될 수 있다. 접착성 탄소 필름(507)을 갖는 타깃(501)은 소스 홀더(505)의 전면에 나사(513)를 이용하여 고정되고, 냉각 덕트(509)를 구비하는 냉각 플레이트는 소스 홀더 내에 통합되며 탄소 필름(507)은 냉각 플레이트의 후면(503)에 대해 압축되어 냉각 플레이트와의 우수한 열 접촉을 생성한다. 본 발명에 따른 사실로 인하여, 탄소 필름이 타깃 후면에 접착되고, 이것은 타깃이 코팅 챔버에 수직으로 장착되었음에도 타깃을 변경하는 데에 매우 용이하다.
간접 냉각의 개량된 변형 예는 도 6에 도시된 바와 같은 이동 멤브레인에 의한 간접 냉각이다. 이 설계는 도 5에 도시된 것과 유사하며, 접착성 탄소 필름(607), 소스 홀더(605) 및 냉각 덕트(609)를 갖는 타깃(601)을 구비하지만, 이 바람직한 실시예에서는, 냉각 덕트(609)를 탄소 필름(607)으로부터 분리시키는 냉각 플레이트의 벽이 가요성 멤브레인(603)으로서 구현되었다. 예를 들어, 냉각제는 물일 수 있다. 타깃을 변경할 때, 물 밀봉을 제거할 필요가 없다. 만약 타깃(601)이 적절한 수단에 의해 (예를 들어, 클램프(613) 또는 나사에 의해) 소스 홀더(605)에 고정되면, 냉각 덕트(609) 내에서 우세한 정수압이 타깃 후면에 대해, 그리고 그에 따라 접착성 탄소 필름(607)에 대해 균등하게 멤브레인(603)을 누르며, 우수하고 넓은 열 접촉을 생성한다.
이러한 경우에서, 접착성 탄소 필름이 중요한 역할을 한다는 사실이, 서로 다른 스퍼터링 전력과 두 개의 서로 다른 재료 조성에 대해 접착제를 바른 탄소 필름을 구비한 타깃 온도와 구비하지 않은 타깃 온도를 비교하는 아래의 표 1에서 인상적인 방식으로 문서화되었다:
번호 타깃 유형 탄소 필름 스퍼터링 전력 타깃 온도
1 AlCr(70:30 at%) 아니오 5KW 235℃
2 AlCr(70:30 at%) 네 5KW 132℃
3 AlCr(70:30 at%) 네 7.5KW 171℃
4 AlCr(70:30 at%) 네 10KW 193℃
5 AlTi(67:33 at%) 네 5KW 138℃
6 AlTi(67:33 at%) 네 7.5KW 182℃
표 1의 측면 번호 1에서와 같이 본 발명에 따른 접착성 탄소 필름이 없는 타깃은 기계적 이유로 오직 2.5KW에 이르는 스퍼터링 전력까지만 안전하게 동작될 수 있다. 접착성 탄소 필름을 갖는 본 발명에 따른 타깃을 이용함으로써, 전력 적합성(compatibility)이 2배보다 커진다.
서로 다른 타깃 재료들, 즉 다른 AlTi 또는 AlCr 비율을 갖거나 또는 순수한 알루미늄, 티타늄, 및/또는 크로뮴 타깃을 갖는 서로 다른 타깃 재료들이 유사한 화질을 생산한다. 본 발명은 6mm와 18mm 사이의 타깃 두께가 사용되었을 때 특히 우수한 효과를 입증한다. 바람직하게는, 타깃 두께는 6mm와 12mm 사이이다.
본 발명의 특히 바람직한 실시예에 따르면, 타깃(701)이 도 7에 따라 타깃 후면(703) 및 베이어넛(bayonet) 프로파일(707) 상에 접착성 탄소 필름(705)을 구비하는 타깃의 형태로 구현되었다. 이 실시예에 따른 바람직한 코팅 소스는 베이어넛 부착을 위한 멤브레인 및 대응 요소들을 구비하는, 도 6에 도시된 간접 냉각을 가진다. 이것은 높은 균질한 접촉 압력의 생산을 가능하게 한다. 이러한 바람직한 실시예는 150℃의 온도 위에서 기계적으로 약해질 수 있고 열 팽창이 증가하기 때문에 특히 분말 야금 타깃들과 관련하여 바람직하다. 이러한 열적 스트레스는 베이어넛 부착에 의해 제공되는 기계적 간극(mechanical clearance) 및 타깃 온도를 감소시킴으로써 뚜렷하게 감소된다. 크로뮴 타깃에 있어서, 예를 들어 100W/cm2에 이르는 전력 밀도가 가능하다.
기체 상태로부터 침착 프로세스를 위해 사용되는 재료 소스로서 구현되고, 전면 및 후면을 구비하며, 접착성 탄소 필름이 후면에 접착되는 것으로 특징지어지는 타깃이 개시되었다.
타깃은 스퍼터링 프로세스 및/또는 아크 증발 프로세스를 위한 재료 소스로서 구현될 수 있다. 접착성 탄소 필름은, 예를 들어 0.125mm와 0.5mm 사이의 두께를 가질 수 있고, 바람직하게는 0.125mm의 두께를 가질 수 있다.
소스 홀더 상에 위치되고 냉각 덕트를 갖는 간접 냉각이 통합되는 전술된 타입의 타깃을 포함하는 코팅 소스가 개시되었다.
코팅 소스에서, 바람직하게는 접착성 탄소 필름으로부터 냉각 덕트를 분리시키는 벽이 가요성 멤브레인의 형태로 구현되며, 이것에 의해서 접착성 탄소 필름이 멤브레인과의 넓은 접촉을 생성한다.
코팅 소스의 타깃의 원주는 이것이 바람직하게는 베이어넛 부착의 형태로 소스 홀더와 협력하도록 구현되며, 그에 따라 더욱 높고 더욱 균질한 접촉 압력을 생성한다.
간접 냉각되는 코팅 소스에서, 타깃의 후면으로부터 냉각 덕트를 분리시키는 벽에 접착성 탄소 필름을 접착하는 것 또한 가능할 것이다. 이것은 벽이 멤브레인으로서 구현되었다고 해도 가능하다. 그러나, 이것은 만약 필름이 손상되면 소스 홀더로부터 제거되어야만 한다는 단점을 가지며, 이것은 노동 집약적이고 나중에 대체된다. 만약 접착성 탄소 필름이 충분히 얇다면, 이를 타깃 후면과 타깃의 후면으로부터 냉각 덕트를 분리시키는 벽 모두에 부착하는 것 또한 가능하다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 높은 열 전도율을 갖는 추가적인 플레이트가 타깃과 열을 밖으로 운반하기 위한 냉각 덕트를 포함하는 구성요소 사이에 제공된다. 이러한 플레이트는, 예를 들어 몰리브덴 플레이트 또는 구리 플레이트일 수 있다. 추가적인 플레이트는 냉각 덕트를 포함하는 구성요소와 탈착가능하게 접촉할 수 있다. 다시, 매우 우수하고 넓은 열 접촉이 제공되는 것이 중요하다. 본 발명에 따르면, 추가적인 플레이트가 제공되는 측면 상에, 접착성 탄소 필름이 제공될 수 있다. 이러한 경우에서, 전술된 바와 같이 만약 접착성 탄소 필름이 타깃 후면 상에도 제공되는 것이 바람직하다. 바람직하게는, 이러한 방식으로 구현된 플레이트 양 측면 상에 접착성 탄소 필름이 제공된다. 이것은 타깃 측에 대해 우수하고 넓은 열적 접촉과 냉각 덕트를 포함하는 구성요소와의 우수한 열적 접촉 모두를 제공한다. 이러한 방식으로 구현된 추가적인 플레이트는 따라서 양 측면 상에, 접착성 탄소 필름으로 커버된다. 이러한 추가적인 플레이트는 충분한 안정성을 갖기에 충분히 두껍도록 쉽게 선택될 수 있으며 그에 따라 타깃을 변경할 때 필요한 조작에 의해 어떠한 문제도 발생하지 않는다. 적어도 구리가 추가적인 플레이트를 위해 사용된다면, 이것은 매우 비용이 낮은 변형 예이다. 두 개의 접착제를 바른 탄소 필름들 중 하나가 손상되는 경우에도, 이를 이러한 추가적인 플레이트로 교환하는 것은 비용이 많이 소요되지 않는다.
도 8은 이러한 실시예의 상응하는 설계를 개략적으로 도시한다. 이 도면은 열이 마지막으로 운반되어 나가는 냉각 덕트(807)를 갖는 구성요소(805)를 도시한다. 그 위에는 일 측면에 제1 접착성 탄소 필름(811)이 제공되고 다른 측면에 제2 접착성 탄소 필름(809)이 제공되는 열적으로 전도성인 추가적인 플레이트(803)가 존재하며, 탄소 필름(809) 상에 타깃(801)이 배치된다.
추가의 열적으로 전도성인 플레이트의 두께는 적어도 3mm, 바람직하게는 적어도 5mm, 특히 바람직하게는 적어도 1㎝이다.

Claims (9)

  1. 냉각 덕트를 구비하는 구성요소 및 상기 구성요소의 냉각 측면에 탈착식으로 연결되는 추가의 열적으로 전도성인 플레이트를 포함하는 타깃을 냉각하기 위한 디바이스로서, 상기 냉각 측면 위에 냉각 덕트가 냉각 작용을 가하는, 디바이스에 있어서,
    추가의 열적으로 전도성인 플레이트의 양 측면에 접착성 탄소 필름이 제공되되, 제1 접착성 탄소 필름은 추가의 열적으로 전도성인 플레이트의 냉각 측면을 향하는 일 측면 위에 접착 방식으로 접착되고, 추가의 열적으로 전도성인 플레이트의 다른 측면 위에는 제2 접착성 탄소 필름이 동일한 방식으로 접착되어 있으며, 상기 제1 접착성 탄소 필름은 구성요소의 냉각 측면에 접착되어 있지 않고, 상기 제2 접착성 탄소 필름은 타깃에 접착되어 있지 않는 것으로 특징지어지는, 디바이스.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 추가의 열적으로 전도성인 플레이트가 구리 플레이트 및/또는 몰리브덴 플레이트인 것으로 특징지어지는, 디바이스.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 추가의 열적으로 전도성인 플레이트의 두께가 적어도 3mm인 것으로 특징지어지는, 디바이스.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 추가의 열적으로 전도성인 플레이트의 두께가 적어도 5mm인 것으로 특징지어지는, 디바이스.
  5. 제1항 또는 제2항에 따른 냉각 디바이스를 구비하는 타깃에 있어서,
    타깃이 스퍼터링 프로세스 및/또는 아크 증발 프로세스용 재료 소스로서 구현되는 것으로 특징지어지는, 타깃.
  6. 제5항에 있어서,
    타깃 두께가 6㎜ 내지 18㎜ 사이인 것으로 특징지어지는, 타깃.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서,
    상기 접착성 탄소 필름의 두께가 0.125mm 내지 0.5mm 사이인 것으로 특징지어지는, 디바이스.
  8. 제1항 또는 제2항에 따른 디바이스를 구비하는 타깃을 포함하는 코팅 소스.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 타깃의 원주가 베이어넛 부착(bayonet attachment)의 형태인 소스 홀더와 협력하여, 균질한 접촉 압력을 생성하는 것으로 특징지어지는, 코팅 소스.
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