KR102674265B1 - 취성 재료의 안전하고 경제적인 증발을 위한 타깃 조립체 - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 아크 증발 공정뿐만 아니라 스퍼터링 공정 중에, 파괴 인성 및/또는 굽힘력이 낮은 타깃 재료의 안전하고 파괴 없는, 경제적인 타깃 재료 작업을 가능하게 하는 타깃 조립체를 개시한다. 본 발명은 타깃과 타깃 장치(20)를 포함하는 PVD 공정용 타깃 조립체를 개시하며, 타깃(10)은 제1 베이오넷 잠금부를 포함하고, 타깃 홀딩 장치(20)는 타깃의 제1 베이오넷 잠금부에 대한 대응체와, 타깃 조립체를 증착 챔버의 냉각 수단에 결합하는 제2 베이오넷 잠금부를 포함하는 것을 특징으로 한다.
Description
물리 증착(PVD) 공정에서 취성 재료로 된 타깃이 캐소드로 사용될 때, 종종 파손에 취약한 것으로 알려져 있다. 이는, 타깃과 냉각 플레이트를 손상시킬 뿐 아니라, 고객 툴(customer tool)이 열악하게 코팅되도록 할 수 있다. 이는, 생산 라인에 추가적인 유지보수 시간을 부과하여 생산을 방해한다. 통상적으로, 타깃의 파손은 타깃의, 작업 중에 가장 높은 기계적 응력이 발생하는 지점으로부터 시작된다. 타깃의 기하학적 구조의 이러한 임계 지점은 예를 들어 타깃의 날카로운 가장자리나 얇은 부분에서 관찰되기도 하지만, 응력의 국부 최댓값에 따라 타깃의 원주나 표면에서도 관찰될 수 있다. 기계적인 응력은 타깃의 후면에 가해지는 냉각 수단의 압력에 의한 것으로, 이는 작업 중에 타깃 내 열 응력으로 바뀐다. 본 출원 명세서의 내용에서, 취성이라는 용어는 파괴 인성이 40MPa*m-1/2 미만이거나 굽힘력이 500MPa 미만인 금속 및 세라믹 재료를 지칭한다.
PVD 시스템의 표준적인 타깃 설계는 일반적으로 디스크나 플레이트 형상의 기하학적 구조를 가지며, 아크 또는 스퍼터링 공정 중에 증발될 타깃 재료로 구성된다. 이러한 디스크 플레이트 타깃은 통상적으로, 증착 챔버 내부에서, 타깃 홀더에 의해 냉각 플레이트에 장착되거나, 예를 들어 나사를 통해 직접적으로 고정된다. 이러한 고정의 단점은, 나사에 의한 국부적인 응력이 작업 중에 크래킹을 유도한다는 점이다.
EP0393344A1은 냉각 유체가 활성적일 때에 냉각 플레이트에 대해 타깃 플레이트가 가압되도록 유지하는 프레임 구조체를 사용하는 시도를 개시한다. 타깃 플레이트는, 타깃 플레이트가 프레임 구조체 내로 슬릿(slit)될 수 있도록 하는 단(step)을 포함한다. 하지만, 이러한 조립체의 단점은, 작업 중에 프레임 구조체의 제2의 재료가 아크 또는 플라즈마 방전을 향하여, 프레임 구조체의 원치 않은 증발이 일어나게 되므로, 안정적인 공정 조건 및 고품질 코팅에는 적합하지 않다는 점이다.
EP0512456A1은 타깃이 증착 챔버의 고정 수단 내로 회전될 수 있도록 하는 타깃의 원주를 따라 있는 돌출부를 사용하는 타깃 설계를 제시한다. 타깃 돌출부는 "베이오넷 잠금"과 유사한 증착 챔버의 대응체와 상호 작용하는 것으로 설명된다. 이러한 "표준 타깃" 설계의 예시적인 개략도가 도 8에 도시되어 있다. EP0393344A1와 유사하게, EP0512456A1에는 활성 냉각 플레이트의 배압이 타깃 플레이트를 고정 수단에 대해 가압하는 데에 사용되고, 이로 인해 타깃 배면과 냉각 플레이트 사이에 양호한 열 접촉이 보장되는 것이 기재되어 있다. 이러한 시도에서는, 돌출부를 포함한 전체 타깃 플레이트가 증발될 재료로 만들어지는데, 이는 타깃의 베이오넷 영역에 상당한 응력을 야기하므로, 취성 타깃 재료의 경우에는 적절하지 않다.
과거에, 스퍼터링 중 취성 타깃의 내구성을 개선하는 아이디어가 WO2014166620A1에 개시되었었다. 취성 타깃 재료는, 빈번하게 크랙이 관찰되었던 타깃 플레이트의 외측 직경을 따라 고강도 스틸로 교체되었었다. 그럼에도 불구하고, WO201466620A1이 제안한 해결책은 아크 증발 공정에서의 캐소드로서 사용되는 취성 재료로 된 타깃의 작업에는 적절하지 않다. 특정 조건에서, 타깃 홀더가 증발 가능하다는 위험성이 남아있기 때문이다.
따라서, 본 발명은, PVD 공정에서 캐소드로서 사용되는 취성 타깃 재료가 종종 작업 중에 파괴에 취약하다는 공지된 타깃 기하학적 구조의 단점을 극복하고자 한다.
따라서, 본 발명에서는, 타깃에 대해 새로운 설계를 구현함으로써, 타깃 홀더의 제2의 재료가 아크 또는 스퍼터 플라즈마에 노출되지 않으면서, 크랙 발생 위험을 제거하기 위한 시도를 하였다.
일반적으로, 취성 파괴의 원인은 여러 요인으로부터 기인하는 것으로 추정된다. 그 중 하나는, 아크 증발 또는 스퍼터링 중에 타깃에서의 국부적 응력 발생이다. 녹는 점이 높고 및/또는 육방정 구조를 갖는 예컨대 Cr, Mo, W 원소 등과 같은 타깃 재료, 또는 예컨대 Ti-Cr, Mo-Cr, Mo-Hf와 같은 타깃 화합물, 그리고 녹는 점이 높은 원소 또는 타깃 재료의 이원 또는 삼원 혼합물이 취성 파괴에 취약하다. 특히, 아크 증발 중에 타깃 배면은 통상적으로 직접 또는 간접적으로 냉각되지만, 타깃의 표면에서는 국부적으로 열이 발생한다. 작업 중, 플라즈마 측과 냉각 측에서의 열 팽창의 차이에 의해, 타깃에 높은 응력이 발생되어, 타깃의 배면을 가압하는 냉각 플레이트의 기계적 응력과 중첩된다. 이와 관련하여, 예컨대 TiB2와 같은 붕소화물이나 TiN, CrN과 같은 질화물, 또는 산화물과 같은 세라믹 타깃 재료도 유사하게 적용된다. 다른 요인들로는 통상적으로, 이러한 재료들의 타깃 내 열응력 발생을 촉진할 수 있는 열팽창 계수 및/또는 낮은 열전도가 있다. 이 외에도, 타깃 설계는 타깃이 전기적으로 접촉되어, 작업 중에 잘 냉각될 수 있도록 해야 한다.
아크 증발 중에, 예컨대 자유 전자가 애노드로 충분히 접속될 수 있도록 하는 일정하거나 가변의 자기장 장치 또는 로컬 하드웨어 장치에 의한 아크 스티어링과 같은 다양한 기술에 의해, 아크 스팟의 이동이 영향 받을 수 있다. 하지만, 특히 아크 스티어링이 사용되지 않을 때, 아크 스팟이 전체 타깃 표면에 걸쳐 이동하는 것이 종종 관찰되었다. 이러한 아크 증발 모드를 "랜덤 아크" 이동이라고 한다. 최신의 타깃 설계 해결책의 경우, 예컨대 WO2014166620A1에서와 같이, 제2의 재료로 된 타깃 홀더를 이용하여 기계적인 타깃 불안정성을 해결하려고 했다. 하지만, 이러한 타깃 홀더의 높이는 일반적으로 타깃 두께와 동일하여, 증발될 타깃 재료 둘래에 "케이지(cage)"를 형성하는데, 이는 아크 증발의 경우에 타깃 홀더로부터 제2의 재료가 의도치 않게 증발되도록 할 수 있다.
따라서, 본 발명은 타깃 표면의 증발 영역을 향하는 제2의 재료를 적용하지 않고도, 취성 타깃의 기계적인 안정성을 향상시키고, 타깃 표면에 가해지는 열 하중을 견딜 능력을 향상시키는 해결책을 제시한다. 본 발명의 타깃 설계는 아크 증발에 적절하도록 의도되지만, DC- 또는 RF- 스퍼터링뿐 아니라 HIPIMS에도 사용될 수 있다.
본 발명의 목적은 아크 증발 공정뿐 아니라 스터퍼링 공정 중에 파괴 인성 및/또는 굽힘력을 제한하면서 안전하고 파괴 없이, 경제적인 타깃 재료 작업을 할 수 있도록 하는 타깃 조립체를 제공하는 것이다. 본 발명의 타깃 조립체는 코팅 공정 중에, 증발될 타깃 재료만이 노출되도록 해야 하는 것이 바람직하다. 따라서, 스퍼터링 중에 타깃 재료만이 아크 방전 또는 플라즈마를 향하고, 타깃 홀더의 제2의 재료는 아크 방전 또는 플라즈마를 향하지 않는다.
도 1은 타깃을 평면도와 2개의 단면도로 도시한다.
도 2는 홀딩 장치를 평면도와 2개의 단면도로 도시한다.
도 3은 잠금 장치를 평면도로 도시한다.
도 4는 스프링을 평면도로 도시한다.
도 5는 타깃, 홀딩 장치, 잠금 장치 및 스프링을 분해 사시도로 도시한다.
도 6은 타깃을 단면도로 도시한다.
도 7은 조립된 타깃의 일부의 세부사항을 단면도로 도시한다.
도 8은 조립된 타깃의 일부, 단순한 디스크-형 타깃 및 종래 기술의 타깃의 일부를 평면도와 단면도로 도시한다.
도 2는 홀딩 장치를 평면도와 2개의 단면도로 도시한다.
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도 6은 타깃을 단면도로 도시한다.
도 7은 조립된 타깃의 일부의 세부사항을 단면도로 도시한다.
도 8은 조립된 타깃의 일부, 단순한 디스크-형 타깃 및 종래 기술의 타깃의 일부를 평면도와 단면도로 도시한다.
본 발명의 타깃 조립체는 도 1과 도 2에 각각 개략적으로 도시되어 있는 본 발명의 타깃(10)과 홀딩 장치(20)를 포함한다. 바람직하게는, 타깃(10)과 홀딩 장치(20)는 도 3, 도 4 및 도 5에 각각 개략적으로 도시되어 있는 것과 같은 잠금 장치(30) 및 스프링(40)과 함께 사용된다. 타깃(10)은 아크 또는 플라즈마 방전에 노출되는 전면을 포함한다(exhibit). 타깃의 후면은 작업 중에 몇몇 기능과 이와 관련된 장점을 가능하게 하는 특수한 기하학적 특징을 포함하는데, 이러한 특징은 예를 들어 다음과 같다.
- 타깃 재료의 증착을 위한 아크 또는 플라즈마 방전에 노출되는 전체 타깃 표면 사용,
- 넓은 사용 범위에 걸친 타깃 사용,
- 타깃 홀딩 장치(20)와 타깃의 조합,
- 타깃의 양호한 전기적 성능(capability) 및 향상된 열 성능,
- 고온에서의 작업 시, 취성 타깃 재료의 개선된 저항,
- 예컨대 내화재(예를 들어, Cr, Mo, W) 처럼 육방정 구조 및/또는 높은 녹는점을 갖는 재료, 이러한 재료들의 혼합물, 산화물, 탄소화물, 및 붕소화물과 같은 전형적인 취성 타깃 재료 사용.
본 발명의 타깃 설계는 주로 디스크형 타깃을 위한 것으로 의도되지만, 본 발명의 개념은 타깃 홀딩 장치에 작은 변형이 적용될 경우 플레이트형 타깃에도 적용될 수 있다. 따라서, 이하의 설명은 명확성을 위해 디스크형 기하학적 구조만을 다룬다.
본 발명의 타깃 설계는 아크 뿐만 아니라 스퍼터링 공정을 위한 임의의 타깃 재료에 적용될 수 있지만, 취성 타깃 재료에 가장 적합하다.
본 명세서의 내용 중, "베이오넷" 또는 "베이오넷 잠금"이라는 용어는 타깃(10) 및/또는 타깃 홀딩 장치(20)의 임의의 돌출부가 대응하는 대응체와 계합을 달성하는 잠금 메커니즘을 지칭한다. 대응체는 타깃 홀딩 장치(20)이거나, 대안적으로는 증착 챔버에서 타깃을 고정(uptake)하는 냉각 수단일 수 있다(본 출원 명세서에서는 더 이상 거론되지 않음). 따라서, 베이오넷 잠금의 돌출부는 대응체의 대응하는 언더컷(undercut)이나 개구에 꼭 끼워진다. 본 발명의 타깃 조립체는 2개의 베이오넷 잠금을 포함하는데, 제1 베이오넷 잠금은 타깃 홀딩 장치(20)에 타깃(10)을 접촉시키고, 제2 베이오넷 잠금은 본 발명의 타깃 조립체 전체를 증착 챔버의 냉각 수단에 고정시킨다. 타깃(10) 및/또는 타깃 홀딩 장치(20)의 회전 이후에, 각각의 돌출부와 대응체의 표면은 서로 대향한다. 냉각 수단에 의해 타깃의 후면에 압력이 가해지면, 개별의 돌출부와 대응하는 반대쪽 대응체 표면들이 서로 계합되어, 본 발명의 타깃 조립체를 "잠금" 한다.
본 발명의 타깃의 직경은 개별적인 코팅 머신의 요건을 충족하기 위해 선택되는 거의 모든 임의의 숫자일 수 있다. 상업적으로 이용 가능한 아크, 스퍼터링 또는 HIPIMS 시스템의 통상적인 타깃 외경은 45 내지 200mm, 바람직하게는 60 내지 150mm 범위이다. 특정 예시에서, 타깃의 직경은 150mm로 선택된다.
본 발명에 따른 타깃 조립체에서, 도 1 및 도 5에 개략적으로 도시되어 있는 본 발명의 타깃(10)은, 예를 들어 도 2 및 도 5에 개략적으로 도시되어 있는 것과 같은 고강도 스틸 베이오넷 링(20)일 수 있는 홀딩 장치(20)에 끼워 맞추기 위해 구성된다. 타깃(10)은, 예를 들어 베이오넷 잠금으로서 홀딩 장치(20)와 함께 작동하는 돌출부일 수 있는 홀딩 장치(20)의 고정 수단을 포함한다. 이들을 반 정도 잠금하기 위해서는 홀딩 장치(20)에 대해 타깃(10)을 시계방향 또는 반시계방향으로 회전하는 상대적 회전이 필요하다. 반대방향으로의 회전의 위험을 방지하기 위해, 그리고 이들이 완전히 잠금되도록 하기 위해, 또는 의도치 않게 조립체가 해체되는 것을 방지하기 위해, 도 3 및 도 5에 예시적으로 도시되어 있는 잠금 장치(30)가 사용되는 것이 바람직하며, 상기 잠금 장치는 예를 들어 고정 수단을 갖는 센터링 링일 수 있다. 따라서, 타깃 조립체는, 홀딩 장치(20)와 타깃(10)으로부터 옵션적인 잠금 장치(30)가 느슨해지는 것을 방지하는 스프링(40)(도 4 및 도 5 참조)에 의해 고정될 수 있다. 모든 부품이 함께 조립되어 적절하게 잠금되면, 조립된 타깃은 생산 시 표준 타깃으로서 사용될 수 있다. 타깃에 대해 추가적인 하드웨어나 핸들링이 필요하지 않다. 타깃의 수명이 다할 즈음에, 조립된 타깃이 쉽게 제거될 수 있고, 부품(20, 30, 40)들은 다음 타깃에 대해 다시 재사용될 수 있다.
추가적인 세부 사항 및 본 발명의 바람직한 실시예
본 발명의 타깃은, 증발에 노출되는 전면과 아크 방전 또는 플라즈마로부터 타깃 홀딩 장치를 "가려주도록" 의도되는 것 사이에 형성되는 주연 오목부(12)를 포함한다. 오목부(12)는 타깃의 후면을 향하여, 타깃의 전면부를 타깃의 본체로부터 구획하고, 이로 인해 타깃의 내경(D2)이 D1보다 작도록 형성된다. 타깃의 외경(D1) 중 내경(D2)을 넘어 돌출하는 부분은 타깃의 제1 부분으로서 지칭되고, 타깃 노즈(nose)(11)를 나타낸다. 타깃의 내경(D2)의 영역은 제2 타깃 부분으로서 지칭된다. 이는, 도 1에 도시된 축(A-A' 및 B-B')를 따라 절단된 타깃(10)의 단면에서 볼 수 있다. 타깃은 추가적으로, 타깃의 주연을 따라 반경 방향으로 분포되는 적어도 2개의, 바람직하게는 3개 이상의 타깃 돌출부(14)를 포함한다. 이러한 타깃 돌출부(14)들은 타깃 홀딩 장치(20)에 타깃을 고정할 수 있도록 하는데, 타깃의 전면에서 보았을 때 타깃의 외경(D1)을 지나 돌출하면 안된다. 이러한 조건은 홀딩 장치(20)을 위해 반경 방향으로 충분한 공간을 남겨야 한다. 타깃 돌출부(14)를 갖는 타깃 부분은 제3 타깃 부분으로서 지칭된다.
도 1에 개략적으로 도시된 바와 같이, 타깃은 추가적으로, 타깃의 후면을 따라 반경 방향으로 분포되어 타깃 본체에 도달하는 적어도 2개의, 바람직하게는 3개 이상의 타깃 홈(16)을 포함할 수 있다. 이러한 타깃 홈(16)들은 잠금 장치(30)를 완전히 위로 올리기 위해 필요한 만큼 타깃에 깊게 형성(reach)된다.
일반적으로, 취성 재료의 모든 노치는 통상적인 크랙의 원인(source)으로서 여겨진다. 본 발명자들은 놀랍게도, 종래의 디스크형 또는 플레이트형 타깃과는 달리, 주연 오목부(12), 타깃 돌출부(14) 및 옵션적인 타깃 홈(16)을 포함하는 제시된 타깃(10)이, 종래 기술(예를 들어, WO2014166620A1)에서 공지되어 있는 것과 같은 "케이지-형" 타깃 홀더와 비교했을 때, 작업 중에 더 큰 기계적 부하에 견딜 수 있음을 발견하였다. 이하에 설명되는 바와 같이, 기계적 부하는 타깃 돌출부(14)와 타깃 홀딩 장치(24)의 내측 돌출부의 상호작용을 통해 더 잘 분산되는 것으로 추정된다.
통상적으로는, 작업 중에, 타깃의 후면으로의 냉각 수단의 압력과, 아크 또는 플라즈마 방전으로 인해 타깃의 전면에 발생되는 고온에 의해 유도되는 전면과 후면 사이의 상이한 열 팽창으로 인해, 높은 하중이 야기된다. 놀랍게도, 본 발명의 타깃 설계는 종래 기술의 타깃 설계에 비해, 더 높은 아크 전류 또는 상승된 스퍼터링 전력(power)에서 작업할 수 있도록 한다.
타깃 설계에 대한 몇 가지 조건이 유리한 것으로 밝혀졌다(도 6 참조).
- 오목부(12)의 반경 방향으로의 깊이(dr)는 타깃의 외경(D1)과 내경(D2)의 차이의 반으로 표현되거나, D1의 2 내지 7.5%, 바람직하게는 2.5 내지 4.5%의 범위에 있어야 한다.
- 타깃 노즈의 두께(tn)는 dr의 60% 내지 150%일 수 있지만, 75% 비율일 때에 가장 양호한 결과를 달성하였다.
- 오목부의 높이는 타깃 홀딩 장치(20)의 내측 돌출부(24)의 두께에 따라 달라진다.
최적의 값의 선택은 타깃의 두께와 직경에 따라 크게 좌우되지만, 타깃 설계에 대한 경험에 토대한 일반적인 규칙으로서 볼 수 있다.
이는, 예를 들어 외경(D1)이 150mm인 타깃의 경우, 오목부 깊이(dr)가 3.0 내지 11.25mm, 바람직하게는 3.8 내지 6.8mm인 것으로 선택되고, 이때 생성되는 타깃 노즈의 두께(tn)는 dr의 75%로, 2.3 내지 8.4mm, 바람직하게는 2.9 내지 5.1mm로 각각 선택될 수 있다.
본 발명의 타깃 설계에서 가장 중요한 조건은 타깃 돌출부(14)의 축 방향으로의 두께이며, 이는 타깃 베이오넷(tb)으로서 지칭된다. 전술한 바와 같이, 본 발명의 타깃 설계를 사용하면, 기계적 응력이 타깃 돌출부(14)를 통해 타깃 홀딩 장치(20) 내로 바람직하게 분산된다는 것이 발견되었다. tb에 대한 최소값은 예를 들어 다음의 인자들에 따라 달라진다.
- 타깃의 외경(D1) 및 내경(D2)의 기하학적 구조,
- 냉각 수단과 접촉해 있는 타깃 후면의 표면적,
- 작업 중에 타깃을 향한 냉각 수단의 압력,
- 타깃 재료의 기계적 특성.
기하학적 인자들은 통상에 기술자에 의해, 개별적인 증착원(deposition source)의 필요에 가장 알맞도록 선택될 수 있다. 따라서, 타깃의 내경(D2)은 기본적으로 타깃 홀딩 장치(20)의 내측 돌출부(24)가 타깃(10) 내에 부드럽게 "후크 인(hook in)"되기에 충분한 깊이만큼 작게 선택되어야 한다. 이는, 타깃 조립체에 충분한 기계적 강도를 제공하기에 충분한, 내측 돌출부(24)와 타깃 돌출부(14)의 중첩하는 표면적이 충분하도록 보장한다. 다른 한편으로는, 타깃의 내경(20)은 작업 중 증발이 효율적이도록 타깃 부피를 최대화하도록 가능한 한 커야 한다.
본 발명자들은 경험에 토대한 일반적인 규칙으로서, tb의 최솟값은 도 1 및 도 6에 도시되어 있는 바와 같이, 초기 타깃 두께(ts)의 15%, 바람직하게는 25%, 보다 더 바람직하게는 33%이어야 한다는 것을 발견하였다. ts가 12mm인 Cr-타깃의 경우, 타깃 돌출부의 두께(tb)는 적어도 1.8mm, 바람직하게는 3.6mm, 그보다 더 바람직하게는 4mm이어야 한다는 것이 밝혀졌다. 또한, tb의 최댓값은 홀딩 장치(20)의 내측 돌출부(25)의 최소 두께에 의해 제한된다. 따라서, tb의 최적의 값의 선택은 타깃 두께와 직경에 따라 매우 달라지지만, 이 또한 타깃 설계의 경험에 토대한 일반적인 규칙으로 볼 수 있다. tb의 최댓값은 작업 중에 타깃 홀딩 장치(20)의 내측 돌출부(24)의 기계적 요건을 충족하고 기계적인 고장을 방지하기 위해, 타깃 홀딩 장치(20)의 내측 돌출부(24)의 최소 두께에 의해 축 방향으로 제한된다. 추가적으로, 본 설계에서 원활한 조립을 가능하게 하기 위해서는, 타깃 돌출부(14) 및 타깃 홀딩 장치(20)의 내측 돌출부(24) 사이에 작은 간극이 있을 것이 예측되어야 한다. 최댓값은 초기 타깃 두께(ts)의 85%가 이러한 요건들을 만족하는 것으로 밝혀졌다.
냉각 플레이트의 압력은 통상적으로 1 내지 5바 이다. 하지만, 기계적 특성, 특히 타깃 재료의 굽힘력은 타깃 재료의 조성, 입자 크기, 생산 방법에 따라 크게 좌우되기 때문에 결정하기 어렵다.
도 6의 개략적인 도면은 초기 타깃 두께(ts)를 갖는 원재료(실선으로 된 외곽선)와 수명이 다할 즈음에는 타깃 두께(te)로 아주 조금의 타깃 재료(빗금으로 표시되고 점선으로 둘러싸여 있음)만 남은 것을 단면으로 도시한다. 타깃이 수명을 다할 즈음에도 기계적으로 안정적이어야 하기 때문에 전술된 tn 및 dr의 값은 중요하다. 따라서, 주어진 비율이 보존되는 방식으로 사용된다면, 취성 타깃이더라도 타깃 두께(te)가 하한에 도달할 때까지 사용될 수 있다.
하지만, tn 및 dr 값은 사용되는 타깃 재료(예를 들어, 금속, 세라믹 또는 금속 및/또는 세라믹의 혼합물)와 상기 재료의 특정한 성질뿐만 아니라, 예를 들어 타깃의 뒤에 있거나 다른 기하학적 고려 사항에서의 냉각 플레이트로부터 기인하는 기계적 부하에 따라 좌우될 수 있다.
도 1에 제시된 금속 Cr-타깃의 예시에는, 타깃 배면의 원주를 따라 균등하게 분포되는 4개의 타깃 돌출부(14)가 도시되어 있다. 타깃의 개수와 원주 길이는, 타깃의 최적의 안정성을 달성하려는 목적으로, 개별적인 증착 설비의 요건들을 충족시키기 위해 통상의 기술자에 의해 선택되어야 한다.
증착 공정 중에 증발되도록 의도되는, 타깃의 전면은 처음에는 평평한 표면이다. 전방 표면은, 타깃의 조도(roughness)가 저하되도록 추가적으로 (예를 들어, 터닝, 밀링, 연삭, 래핑(lapping), 또는 방전 가공함으로써) 가공될 수 있다. 유사한 방식으로, 외경(D1) 및 직경(D2)뿐만 아니라, 타깃 돌출부(14), 타깃 홈(16) 및 결과적인 오목부(12) 또한 가공될 수 있다. 타깃 표면 조도가 Ra<5㎛, 바람직하게는 Ra<3.5㎛일 때, 최적의 결과가 달성된다.
도 2에 개략적으로 표시된 바와 같이, 대응하는 타깃 홀딩 장치(20)는 타깃(10)을 냉각 수단에 연결하고, 이로 인해 증착 챔버에 연결하도록 의도되며, 외측 및 내측 돌출부의 세트를 적어도 2개 포함한다. 외측 돌출부(22)는 증착 챔버 내에 있는 증착원의 베이오넷 잠금부에 타깃 조립체 전체를 잠금하도록 의도되며, 타깃의 배면이 냉각 플레이트와 접촉되도록 한다. 본 업계에 전문가들에게 대응하는 메커니즘이 공지되어 있으므로, 이에 대해서는 더 깊게 설명할 필요가 없다. 하지만, 홀딩 장치(20)의 내측 돌출부(24)는 타깃 돌출부(14)와 타깃 노즈(11) 사이의 벌어진 채로 남아있는 대응하는 영역 내에 끼워지도록 의도된다. 즉, 내측 돌출부들은 오목부(12) 내에 끼워진다. 내측 돌출부(24)와 대응하는 타깃 돌출부(24)의 개수는 서로 다를 수도 있지만, 도 2에 예시적으로 도시된 바와 같이 동일한 개수를 갖는 것이 바람직하다. 타깃 돌출부(14)와 홀딩 장치의 내측 돌출부(24)들이 쌍으로 선택되었을 때에 최적의 배열인 것으로 드러났다. 전술한 바와 같이, 타깃 돌출부(14)는 충분한 기계적 강도를 가지며, 이로 인해 타깃 두께의 축 방향으로 적어도 최소 두께를 가져야 한다. 홀딩 장치(20)는 타깃(10)과 조립된 이후에, 타깃 홀딩 장치(20)의 배면과 평평하도록 하는 높이를 가져야 한다. 이는, 타깃의 배면이 증착 챔버의 타깃 냉각 수단과 완전히 접촉할 수 있도록 한다.
선택된 예시에서, 타깃 홀딩 장치(20)와 타깃(10)은 용이하게 조립될 수 있고, 홀딩 장치(20)에 대해 타깃(10)을 45도 시계방향으로 이동시킴으로써 반-잠금 상태가 형성된다. 타깃 돌출부(14)와 홀딩 장치(20)의 내측 돌출부(24)의 중첩이 형성되면, 타깃 배면에 걸리는 기계적 하중이 홀딩 장치에 효과적으로 전달(forward)되고, 타깃 표면과 타깃의 외경에 걸리는 기계 응력이 저하된다. 전문가는, 타깃(10)뿐 아니라 증착 챔버나 냉각 시스템을 향한 양립 가능성을 보장하기 위해 외측 돌출부(22) 및 내측 돌출부(24)의 대응하는 두께를 어떻게 선택하는지 안다. 전문가에 의해 개별 부품들을 조립하는 동안 용이한 동작을 위해 충분한 간극이 예측되어야 한다. 도 2의 C-C' 축 및 D-D'축을 따라 자른 단면은 홀딩 장치(본 예시에서는 고강도 스테인리스 스틸 링)가 전술된 요건들을 충족하기 위해 어떻게 형성되어야 하는지 일부 예시적인 세부 사항을 나타낸다.
본 발명의 또 다른 실시예에서는 잠금 장치(30) 및 스프링(40)이 사용된다. 따라서, 타깃 돌출부(14)를 타깃의 배면 쪽 타깃 본체로부터 타깃 돌출부(14)를 획정하는, 타깃(10)의 반경 방향으로의 추가적인 단(도 6의 D4)이 예측되어야 한다. 추가적으로, 홀딩 장치(20)는 홀더 홈(26)을 포함할 수 있는데, 홀더 홈은 타깃(10)이 홀딩 장치(20)와 조립되어 반-잠금 상태가 되도록 회전되었을 때, 타깃 본체의 타깃 홈(16)과 완전히 반대되도록 제조된다. 옵션적인 타깃 홈(16)과 홀더 홈(26)은 선택적인 잠금 장치(30)의 고정 이어(ear)(32)를 수용하여 회전 운동이 효과적으로 차단될 수 있도록 의도된다. 따라서, 타깃 홈(16)뿐만 아니라 홀더 홈(26)의 깊이는 각각, 사용되는 잠금 장치(30)의 두께에 따라 달라진다. 이 경우에는, 두께가 1mm인 고강도 스틸 링이 잠금 장치로서 사용되었다(각각 도 2 및 도 5 참조). 하지만, 잠금 장치(30)의 두께는 타깃 두께 및 직경에 따라 상당히 높을 수도 있다(예를 들어, 2 내지 5mm만큼). 고정 이어(32)는 고정 링으로부터 반경 방향으로 홀더 홈(26)들 내에 도달하도록 의도되지만, 이를 넘어서지는 않는다. 유사하게, 반대 측 고정 이어(32)도 반경 방향으로 타깃 홈(16) 내에 도달한다.
홀딩 장치(20)는 원주형 내측 오목부(28)를 포함할 수 있으며, 이는 도 2의 단면(C-C')에서 볼 수 있다. 이 내측 오목부(28)는 깊이가 1 내지 2mm밖에 하지 않고, 스프링(40)을 위한 고정부로서 고려될 수 있다. 전술된 바와 같이 타깃(10), 홀딩 장치(20) 및 옵션적인 잠금 장치(30)를 조립하여 타깃 조립체가 만들어지면, 스프링(40)은 잠금 장치(30)의 바로 위에 남아 있는 원주형의 파인 곳(trench)에 용이하게 (예를 들어, 손으로) 가압될 수 있다. 이러한 스프링 특징 때문에, 스프링(40)은 개방되어 있고, 홀딩 장치(20)의 내측 오목부(28)에 의해 수용되며, 잠금 장치(30)에 후크되어, 잠금 장치가 의도치 않게 해체되는 것을 방지한다.
도 4의 개략적인 도면으로부터 볼 수 있듯이, 스프링(40)은 평평한 스프링(40)의 양쪽에 후크(42)를 구비한다. 이러한 후크는 스프링이 부착되면 홀딩 장치(20)의 홀더 홈(26)들 내로 감춰질 수 있고, 전체 타깃 배면이 평평하도록 보장한다. 이러한 후크(42)들은 용이한 핸들링 및 사용 우 타깃의 의도적인 해체를 용이하게 하는 수단이다. 스프링(40)은 전체 타깃 조립체에 가장 잘 끼워지도록 충분한 스프링 특성을 가지고 바람직하게는 평평한 임의의 금속, 바람직하게는 스테인리스 또는 고강도 스틸로 제조될 수 있다. 타깃 홀딩 장치(20)의 재료는 전기 전도성이고, 작업 중에 발생하는 기계적인 하중을 견딜 수 있도록 선택되어야 하는데, 스테인리스 또는 고강도 스틸이 이러한 교선을 가장 잘 충족하는 것으로 밝혀졌다. 하지만, 다른 금속 또는 전기 전도성 세라믹도 생각해볼 수 있다.
본 발명의 타깃 조립체 전체를 위한 제한 조건(border condition)으로서, 타깃(10)의 배면은 홀딩 장치(20)와 같은 높이인 것이 중요하다. 이러한 상황이, 조립된 타깃의 단면이 상세하게 표현되어 있는 도 7에 개략적으로 도시되어 있다. "날카로운" 모서리가 전혀 없는 것, 즉 가공 중 가장자리 반경은 0.5mm 미만이어서는 안되고, 바람직하게는 0.25mm 미만이어서는 안된다.
타깃(10), 타깃 홀딩 장치(20)뿐만 아니라 옵션적인 잠금 장치(30) 및 스프링(40)을 포함하는 본 발명의 타깃 조립체의 분해도가 도 5에 개략적으로 도시되어 있다.
본 발명의 타깃 조립체가 갖는 이점은, 타깃 홀딩 장치(20)가 냉각 수단에 대한 어댑터로서 작용할 수 있고, 및/또는 존재하는 증착 플랜트의 고정부로서 작용하되, 본 발명의 타깃(10) 및/또는 타깃 잠금 장치(20)에 대한 대응체로서 베이오넷 잠금을 갖는, 존재하는 코스터의 수용부로서 작용한다는 점이다. 따라서, 이미 장착된 냉각 수단 또는 증착 플랜트를 높은 비용을 들여 수정할 필요가 없다.
모두 동일한 영역이 아크 또는 플라즈마 방전을 향해 노출되는 특정한 표준타깃 설계를 통해 본 발명의 타깃 조립체가 갖는 또 다른 이점이 도 8에 개략적으로 도시되어 있다. 본 발명의 타깃(10)은 "표준" 타깃의 단점을 극복함과 동시에, 다른 타깃에 비해 적은 양의 재료를 필요로 하기 때문에, 이러한 비교 도면에서 본 발명이 경제적 이점이 있음을 명확하게 볼 수 있다. 단면(A-A')은 본 발명의 타깃(10)을 지칭하고, 단면(F-F')은 단순한 디스크-형 타깃(90)을 지칭하며, 단면(E-E')은 종래 기술의 타깃(80)을 지칭한다. 모든 타깃이 전체가 증발될 재료로 제조되지만, 이러한 제조에 필요한 재료의 양은 상이하다. 전술한 바와 같이, 종래 기술의 타깃(80)은 베이오넷 잠금의 일부분인 돌출부를 포함하는데, 이는 취성 재료의 타깃에는 적합하지 않다. 완전히 디스크-형인 타깃(90)은, 타깃을 냉각 플레이트에 고정시키는 프레임 구조체가 타깃 재료의 가장자리 영역에서 상당한 양을 가리기 때문에, 동일한 플라즈마 노출 타깃 표면적을 달성하기 위해 더 큰 직경을 갖도록 제조되어야 한다. 이렇게 가려진 재료는 증발될 수 없기 때문에, 생산에서 "쓸모 없게(lost)"된다. 타깃 재료가 비싼 경우, 이러한 사용되지 않는 타깃 체적은 경제적으로 중요해진다. 하지만, 본 발명의 타깃은 타깃 재료가 가장 적은 양만큼 필요하고, 증발될 재료만 아크 또는 플라즈마 방전에 노출되도록 하여, 결과적으로 기계적 안정도를 향상시키며, 이로 인해 가능한 한 높은 타깃 소모도(degree of consumption)로 안전한 작업을 할 수 있도록 한다.
제시된 발명의 타깃 조립체는 아크 증착 뿐만 아니라 플라즈마 처리 중에 취성 파괴되는 것을 극복하도록 돕는다. 사용 후에 장착 및 분리가 용이하다. 여러 번 사용될 수 있고, 종종 비싼 타깃 재료의 더 높은 소비를 가능하게 한다. 크로뮴의 경우, 크랙을 방지하고 타깃의 조기 교체(premature change)의 필요성을 방지하도록 돕는데, 이는 타깃의 수명을 효과적으로 강화시키고, 생산에 드는 비용 및 시간을 절약한다.
Claims (11)
- 아크 또는 스퍼터링 플라즈마에서의 작업을 위한 타깃(10)과 타깃 홀딩 장치(20)를 포함하는 PVD 공정용 타깃 조립체에 있어서,
타깃(10)은 제1 베이오넷 잠금부를 포함하고, 타깃 홀딩 장치(20)는 타깃의 제1 베이오넷 잠금부에 대한 대응체와 증착 챔버의 냉각 수단에 타깃 조립체를 결합하기 위한 제2 베이오넷 잠금부를 포함하며,
타깃(10)은,
- 작업 중에 아크 또는 스퍼터링 플라즈마에 노출되는 타깃 전면(前面)으로, 타깃(10)의 제1 부분에 대응하는 타깃(10)의 가장 큰 직경인 제1 외경(D1)을 가지는 타깃 전면;
- D1보다 작은 타깃의 제2 부분에 대응하는 제2 직경(D2);
- 냉각 수단과 접촉되어야 하는 타깃 배면;
- 타깃의 제3 부분에 있는 적어도 2개의 타깃 돌출부(14)로, 타깃 돌출부는 타깃 본체의 원주를 따라서 내경(D2)을 지나 돌출하되, 외경(D1)보다 돌출하지는 않으며, 이로 인해 제1 베이오넷 잠금부의 제1 부분을 형성하는, 타깃 돌출부;를 포함하고,
타깃 홀딩 장치(20)는,
- 외측 돌출부(22) 및 내측 돌출부(24)의 세트를 적어도 2개 포함하며, 이로 인해 내측 돌출부(24)가 타깃 돌출부(14)의 제1 베이오넷 잠금부에 대한 대응체를 형성하고, 외측 돌출부(22)가 증착 챔버 내에 타깃을 잠금하기 위한 제2 베이오넷 잠금부를 형성하며,
타깃 홀딩 장치는 타깃과 조립된 이후에, 타깃 배면이 타깃 홀딩 장치의 배면과 평평하도록 하는 높이를 갖는 것을 특징으로 하는, PVD 공정용 타깃 조립체. - 제1항에 있어서,
타깃 두께 방향인, 타깃 돌출부(14)의 축 방향으로의 두께(tb)는 초기 타깃 두께(ts)의 15% 내지 85%인 것을 특징으로 하는, PVD 공정용 타깃 조립체. - 제1항에 있어서,
타킷(10)이 반경 방향으로 오목부(12)를 포함하고, 오목부 깊이(dr)는 타깃 외경(D1)과 내경(D2) 사이의 차이의 절반으로 표현되거나, D1의 2 내지 7.5%의 범위에 있는 것을 특징으로 하는, PVD 공정용 타깃 조립체. - 제3항에 있어서,
타깃(10)은 두께(tn)가 dr의 60% 내지 150% 범위에 있는 타깃 노즈(11)를 포함하는 것을 특징으로 하는, PVD 공정용 타깃 조립체. - 제1항에 있어서,
타깃 홀딩 장치(20)의 내측 돌출부(24)의 수량이 외측 돌출부(22)의 수량과 동일한 것을 특징으로 하는, PVD 공정용 타깃 조립체. - 제3항에 있어서,
내측 돌출부(24)의 두께가 타깃(10)의 타깃 오목부(12)의 높이보다 작은 것을 특징으로 하는, PVD 공정용 타깃 조립체. - 제1항에 있어서,
타깃(10)과 타깃 홀딩 장치(20)는 잠금 장치(30)용 고정부(uptake)로서, 타깃(10)에는 적어도 2개의 타깃 홈(16), 그리고 타깃 홀딩 장치(20)에는 적어도 2개의 홀딩 홈(26)을 포함하는 것을 특징으로 하는, PVD 공정용 타깃 조립체. - 제7항에 있어서,
타깃 조립체는 의도치 않은 반대방향 회전운동(counterrotation)을 방지하도록 타깃(10)과 타깃 홀딩 장치(20)를 잠금하기 위해, 잠금 장치(30)를 포함하는 것을 특징으로 하는, PVD 공정용 타깃 조립체. - 제8항에 있어서,
잠금 장치(30)가 고정 이어(ear)(32)를 포함하는 것을 특징으로 하는, PVD 공정용 타깃 조립체. - 제7항에 있어서,
타깃 홀딩 장치(20)가 스프링(40)용 고정부로서, 타깃 홀딩 장치의 내측 면을 따라 원주형 노치(28)를 포함하는 것을 특징으로 하는, PVD 공정용 타깃 조립체. - 제10항에 있어서,
타깃 조립체가 타깃 조립체의 의도치 않은 분해를 방지하는 잠금장치로서 스프링(40)을 포함하는 것을 특징으로 하는, PVD 공정용 타깃 조립체.
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