KR20000057369A

KR20000057369A - 알루미늄 합금제 음극 스퍼터링 타깃

Info

Publication number: KR20000057369A
Application number: KR1019990704904A
Authority: KR
Inventors: 르로이미셸; 뮬러장; 셰날브루노
Original assignee: 쟝-끌로드무조; 알루미늄 뻬쉬니
Priority date: 1996-12-04
Filing date: 1997-11-27
Publication date: 2000-09-15
Also published as: US6264813B1; JP2001504898A; DE69733964T2; FR2756572A1; KR100506562B1; DE69733964D1; FR2756572B1; JP4596562B2; WO1998024945A1; EP0948663A1; EP0948663B1

Abstract

본 발명은 음극 스퍼터링 타깃으로서, 음극 스퍼터링 중에 제거될 수 있는 타깃의 용적을 이루는 반응부가 구리와 철을 동시에 함유하고 20℃를 상당히 초과하는 재결정 온도와 20℃에서 2.85μΩ.㎝ 미만의 전기 저항을 동시에 갖는 고순도 알루미늄 합금으로 구성되는 것을 특징으로 하는 타깃에 관한 것이다. 접속 회로를 제조하기 위해 타깃을 사용하면, 공동과 돌기가 출현하는 빈도가 감소되고, 접속 회로의 저항이 고순도 알루미늄 합금으로 얻는 저항과 근사한 값으로 유지되며, 또한 고순도 알루미늄 합금의 에칭성과 필적하는 에칭성이 얻어진다.

Description

알루미늄 합금제 음극 스퍼터링 타깃{CATHODE PULVERISATION TARGETS IN ALUMINIUM ALLOY}

전자 업계에서는 알루미늄계 또는 알루미늄 합금계의 전기적 상호 접속 회로, 특히 4 메가비트를 초과하는 용량의 DRAM 메모리와 같은 초고도의 집적 회로와, 액정 표시 장치(LCD)와 같은 평판 표시 장치(FPD), 특히 박막 트랜지스터(TFT)에 의해 제어되는 표시 장치를 다량 사용한다.

이들 상호 접속 회로는 음극 스퍼터링으로 널리 공지된 기법을 공업적으로 사용하여 얻어지는데, 이 기법으로는 다양한 유형의 내화 또는 비(非)내화 재료나, 합금 또는 비합금 재료나, 전도 또는 절연 재료를, 진공하에 놓여질 수 있고 작은 온도 증가에 견딜 수 있는 상이한 유형의 기판에 고착시킬 수 있다. 공지된 절차는 금속 층에 대한 일련의 기판 금속화 작업, 에칭 작업 및 부동태화 작업을 포함한다. 금속화 중에, 기판은 비록 현 추세가 170℃ 내지 200℃ 정도의 금속화 온도를 적용하는 것이지만, 180℃를 초과하여 통상 200℃ 내지 250℃ 정도의 금속화 온도(Tm)라 불리는 소정 온도로 통상 유지된다.

초고도 집적 회로에서, 금속 층은 전형적으로 0.5㎛ 내지 1㎛ 두께이고, 에칭은 매우 얇으며(전형적으로 0.25 내지 0.5㎛ 정도), 전류 밀도는 매우 높아서 특히 가속된 시효 시험 중에는 종종 10⁶A/cm²에 이른다. 이러한 조건하에서는, 사용 중 구멍과 돌기의 형성을 야기하는 일렉트로마이그레이션(electromigration) 현상에 의한 회로의 기능 저하(degradation)가 관측된다. 이 문제를 해결하는 한가지 공지된 방법은 Cu, Ti, Si, Sc, Pd 및 이들의 화합물과 같은 선택적으로 첨가되는 합금 첨가 성분(첨가제)을 다량 함유(통상 2500ppm 초과)하는 알루미늄 합금을 사용하여 금속화를 수행하는 것이다. 하지만, 이들 합금이 갖는 단점으로는, 구체적으로는 회로를 에칭하는데 사용되는 시약(reagent)에 대한 알루미늄과 첨가제의 반응도 차이 때문에 에칭이 상당히 곤란하고, 특히 건식 에칭 공정에 있어서는 종종 화학 에칭 반응에서 유도된 생성물의 제거가 곤란하다는 것이다.

또한, 일본 특허 출원 JP62.235451호 내지 JP62.235454호와 JP62.240733호 내지 JP62.240739호에는 구리, 코발트, 망간, 니켈, 주석, 인듐, 금 또는 은 등의 한정된 첨가물(통상 200ppm 미만)과 함께, 티타늄, 지르코늄, 하프늄, 바나듐, 니오븀, 탄탈, 크롬, 몰리브덴 또는 텅스텐 등의 내화 금속이 20 내지 7000ppm 첨가되고, 보론, 탄소 및/또는 질소가 20 내지 5000ppm 함유된 고순도 알루미늄 합금의 이용이 기재되어 있다. 이러한 복합 성분의 합금이 갖는 단점은 이들 합금의 제조가 곤란하다는 것이며, 특히 이들 합금의 경우 금속간 성분(inter-metallic element)의 국부 편석(segregation)없이 유동되어 타깃 조성의 불균질이 초래될 수 있다는 점이다.

하지만, 평탄 표시 장치의 경우에, 에칭의 폭은 통상 10㎛ 이상이며, 화상 정세도(精細度)(image definition)를 향상시키기 위해 5㎛ 정도의 폭이 고려된다. 따라서, 평판 표시 장치의 에칭은 초고도 집적 회로의 에칭에 비해 훨씬 덜 미세하다. 또한, 전류 밀도도 상당히 낮다. 이러한 조건하에서는 일렉트로마이그레이션에 의한 회로의 기능 저하가 실제적으로 존재하지 않으므로, 첨가제 함량이 높은 합금을 사용할 필요가 없다. 따라서, 중요한 장점으로서 합금에 비해 훨씬 더 쉽게 에칭되고 매우 높은 전기 전도성과 우수한 내식성을 갖는 고순도의 비합금 알루미늄을 사용하는 것이 통상 바람직하다.

급속히 발전하는 평판 표시 장치 분야의 현 추세는 대형의 표시 장치를 제조하는 것이다. 현재의 개발 추세는 특히 대각선 치수가 17" 및 20"인 개인용 컴퓨터(PC) 모니터와 대각선이 40"로 평면 영역이 대략 0.5m²인 벽걸이형 평면 텔레비젼 스크린에 초점이 맞춰져 있다. 또, 생산성과 효율 때문에 이들 모니터와 스크린은 기판("글래스"라고도 부름)으로 직접 제조하거나 동일 기판을 절삭하여 제조한다. 그 결과, 글래스 기판의 크기가 급속히 증가하는 것이 현 추세이다. 현행 표준 포맷은 360mm×460mm이고, 550mm×650mm로 조만간 증가될 것이며, 17", 20" 및 40" 대각선 평판의 동시 제조를 위해 대략 800mm×1000mm 기판의 사용이 고려되고 있다.

이러한 추세에 따라, 모니터 제조 공정 고유의 열 처리 중에 금속화 피막의 표면에 공동(void) 및 돌기(hillock)의 출현은 중대한 문제가 되며, 표시 장치의 크기가 증가할수록 막이 쓸모없게 되는 경우가 많아진다. 특히, 이에 해당하는 경우는 300℃가 넘는 온도로 가열하는 것에 의한 고온 산화 막(thermal oxidation film)의 형성 작업이나 화학증착법(CVD)에 의한 상보형 층(complementary layer)의 고착 작업을 포함하는 표시 장치 제조 공정이다. 이러한 유형의 열 처리에 의해 생기는 공동과 돌기는 화질을 저하시키는 상호 접속 결함(interconnection fault)을 초래할 수 있다. 화질 기준이 엄격하므로, 단지 소량의 결함으로도 제조 중인 모니터를 완전히 폐기시켜야 한다.

이러한 문제의 원인은 자세히 밝혀져 있지 않다. 제시되어 널리 받아 들여지는 한가지 설명(P.R. Besser 등이 저술한 Materials Research Society의 Symposium Proceedings, 1993 년판, 309 권, 181-186 및 287-292 쪽)에 따르면, 돌기와 공동의 출현은 특히 매우 심한 압박(constraint)이 생기는 것에 기인하는데, 이 압박은 알루미늄 막과 기판 사이의 열팽창 계수가 크게 다른데서 야기된다. 이러한 스트레스는 알루미늄의 항복 강도를 상당히 초과할 수 있다. 모니터 온도가 금속화 온도보다 높게 증가되면, 알루미늄 막은 압축되고 (보다 소성인) 일부 결정립이 인접한 결정립의 압력을 받아 막 외측으로 압출될 것이다. 냉각 중에, 막은 장력하에 놓여지게 되며 구멍(hole)이 형성됨을 통해 이러한 스트레스가 이완되어 진다(스트레스 공동화 현상). 일부 저자에 따르면, 돌기의 출현은 견고하게 조직화된 막에서 잔여부와는 다른 배향성을 갖는 결정립 영역의 존재와 관계되는 것으로 언급되고 있다(D.B. Knorr가 저술한 Materials Research Society의 Symposium Proceedings, 1993 년판, 309 권, 75-86 쪽). 마지막으로, 다른 저자들에 따르면, 돌기의 형성은 특정하게 배향되고 이동도가 매우 높은 일부 결합(joint)의 존재에 기인한 일부 결정립의 불규칙한 성장 현상과 관계되는 것으로 언급되고 있다(K. Rajan의 Electrochemical Society Proceedings, 1995 년판, 95-3 권, 81-93 쪽).

특히 반도체 집적 회로 분야에서는, 이러한 문제점을 해결하기 위해, 알루미늄 합금과 내화 금속의 박막 층이 교대로 형성된 다층 상호 접속 회로를 사용하는 방안이 제안된다. 예컨대, 미국 특허 US4 673 623호는 알루미늄 합금(Al+1%Si) 층과, 티타늄 또는 텅스텐 층을 여러차례 교대로 배열한 다층 구조의 사용을 제안한다. Xerox Corp.에 의한 유럽 특허 출원 제681 328호에 따르면, 각각의 교대 층의 두께는 돌기가 발생하는 임계치 미만의 작은 값으로 양호하게 제한된다. IBM Corp.의 미국 특허 제5 171 642호는 0.5% Cu를 양호하게 함유한 알루미늄 합금과, 알루미늄과 반응하여 TiAl₃등의 금속간 화합물을 형성하는 내화 금속(양호하게는 티타늄)의 층을 교대로 사용할 것을 제안하고 있다. 또한, 미국 특허 제5 202 274호는 Al-Si, Al-Pd, Al-Ni, Al-Ge 또는 Al-W 등의 알루미늄 합금 도체상에 알루미늄 산화물 층을 형성시키는 것을 제안한다. 하지만, 이들 해법에 따라 얻어지고 돌기의 형성을 만족할 만큼 방지하는 다층 상호 접속 회로는 최상의 경우에도 3.3μΩ.㎝를 초과하는 높은 전기 저항을 갖는다. 또한, 이들 해법이 갖는 단점은 제조 공정을 복잡하게 하여 종종 이들 해법을 경제적으로 실행할 수 없을 정도로까지 제조 비용이 상당히 증가된다는 점이다.

일렉트로마이그레이션에 의한 기능 저하 문제를 제거하기 위해, Al+0.5%Cu, Al+0.1%Cu+0.15%Ti, Al+0.5%Cu+1%Si 등의 초고도 집적 회로에 사용되는 합금을 사용하는 것도 역시 제안되었다. 다른 제안은 돌기의 출현을 제한할 수 있는 첨가물 성분의 함량이 높은 특정한 합금, 예컨대 Ta가 12%인 합금, Ti과 B가 다량 합성되어 고함량(대략 500ppm)의 TiB₂금속간 석출물을 갖는 합금, 또는 10 중량%의 Nd를 함유한 합금을 사용하는 것이다.

하지만, 내화 성분 또는 첨가 성분이 다량 첨가된 이들 합금을 청결성과 조성상의 거시적·미시적 균질성을 보장하는 조건하에 타깃으로 제조 및/또는 주조하는 것은 곤란한데, 여기서 청결성은 카바이드, 질화물 및 산화물 등의 비금속 개재물(inclusion) 및/또는 가스의 함량이 낮은 것을 의미하며, 균질성은 후에 발생하여 막을 쓸모없게 만드는 에칭 결함, 예컨대 합금 막 에칭 단계 중에 에칭될 수 없는 입자의 고착(deposit)이나, 화학적으로 불균질한 막의 형성을 방지하는데 필수적이다.

특히, 반응성이 큰 네오다인(neodyne)과 같은 희토류 성분 함유 합금을 직접 주조에 의해 제조 및 주조하면서 동시에 산화물, 카바이드 등과 같은 유해한 내화 개재물을 확실히 배제하기가 매우 어렵다. 타깃이 사용 중인 때에는, 이들 개재물은 국부적 미소 아크(micro-arc)가 형성되도록 하여 결과적으로 금속화 피막 내외에 입자 또는 미립분(droplet)의 고착을 유발하게 되는데, 이는 후에 심각한 에칭 결함을 초래할 것이다.

두번째로, 첨가제가 함유된 합금은 금속간 석출물이 존재하므로 또한 에칭이 매우 곤란하지만, 이 첨가제의 존재는 적절한 저항(resistivity)이 요구되는 때는 필수적이다. 이러한 난점은 특히 구리 함유 합금에 잘 나타난다. 알루미늄의 에칭에 적절한 에칭 시약은 에칭 공정 수행 중에 합금내에 존재하는 구리와 반응하여, 쉽게 휘발하지 않고 빈번하게 사용되는 세정 용매에 쉽게 용해되지도 않는 염화물 또는 불소화물과 같은 화학적 화합물을 생성한다. 또한, 구리는 Al₂Cu 석출물을 형성하는데 이 석출물이 에칭 면적에 비해 클 때는 에칭이 더 곤란해진다.

또, 막 균질성 기준은 기판이 클 때 특히 중요해 지는데, 이것은 타깃의 크기가 통상 기판의 크기에 따라 증가하기 때문이다. 막 균질성은 타깃의 전체 반응 용적내의 결정립 조질(finesse)과 조성의 균질성 및 균일성에 의존하는데, 합금이 첨가제를 포함할 때 대형 타깃에서 균질성의 달성은 더 곤란하다. Ta 및 TiB₂를 함유한 합금 등의 내화 첨가제가 든 합금은 완전 융점이 매우 높은데, 주조 부품내에 국부 편석없이 합금 성분이 매우 균일하게 분포되도록 하는 유일한 방법인 종래의 연속 주조 공정에 따라 큰 크기의 블랭크를 주조할 때는 완전 융점이 높은데 기인하여 심각한 문제가 야기된다.

또한, 첨가제가 든 합금의 전기 저항은 금속화에 후속하는 열처리 후에도 순수 알루미늄에 비해 상당히 높다. 사용 또는 고려되는 합금의 저항은 열처리 후에도 통상 3μΩ.㎝를 초과한다. 따라서, 표시 장치 사용 중의 에너지 소비는 더 크므로, 특히 휴대용 전지로 작동되는 시스템의 작동 지속 시간이 감소된다. 저항이 증가하면 픽셀 요소 제어 트랜지스터를 제어하는 전기 펄스에 대한 응답 시간이 증가하는데, 이는 높은 화상 리프레시 속도(high image refreshment rate)가 필요한 비디오 평탄 표시 장치와 같은 용례에서 특히 문제가 된다.

결론적으로, 이들 합금은 제조 비용을 빈번하게 증가시키므로 사용 가능하지 않다.

따라서, 본 출원인은 열처리 중에 돌기 및 공동의 출현을 상당히 감소시키는 알루미늄 합금으로, 순수 알루미늄과 유사한 전기 저항 및 에칭 조건을 가지며, 용존 가스 및 개재물의 함량이 제한되고 높은 조성상의 균질성이 보장될 수 있는 조건으로 용이하게 제조할 수 있는 알루미늄 합금을 연구하였다.

본 발명은 다양한 기판(substrate)을 금속화(metallization)시키기 위해 설계된 음극 스퍼터링 타깃(cathodic sputtering target)에 관한 것이다. 구체적으로 말하면, 이것은 집적 회로, 특히 상호 접속 회로의 제조와, 대형 평판 표시 장치(FPD)의 금속화를 위해 설계된 타깃에 관한 것이다.

특히, 본 발명은 음극 스퍼터링 타깃의 반응부(active part)에 사용되는 알루미늄 합금에 관한 것이다.

본원에 있어서, 성분 및 불순물의 함량은 중량치로 표시한다.

도 1은 본 발명에 따른 알루미늄 합금에서 재결정 개시 온도(Tc)에 대한 Cu 및 Fe 함량의 영향을 나타낸다. Cu와 Fe를 제외한 성분의 전체 함량은 0.01% 이하이다.

도 2는 본 발명에 따른 알루미늄 합금에서 재결정 종료 온도(Tf)에 대한 Cu 및 Fe 함량의 영향을 나타낸다. Cu와 Fe를 제외한 성분의 전체 함량은 0.01% 이하이다.

본 발명의 제1 목적은 전기 회로용 상호 접속 회로를 제조하기 위해 구성된 음극 스퍼터링 타깃으로서, 음극 스퍼터링 작업 중에 제거될 수 있는 타깃 용적인 반응부가 구리와 철 모두를 함유한 고순도 알루미늄 합금으로 구성되며, 재결정 온도가 대략 20℃의 대기 온도보다 상당히 높고 20℃에서 3.0μΩ.㎝ 미만의 전기 저항을 갖는 음극 스퍼터링 타깃을 제공하는 것이다.

더 자세히 말하자면, 전술한 고순도 알루미늄 합금은 알루미늄 이외의 성분이 총 0.1 중량 % 미만 함유되어 있고,

- 구체적으로 Cu 및 Fe와 같은 합금 성분은 합금 재결정 개시 온도가 150℃ 이상이고 양호하게는 200℃ 이상이 되는 함량을 가지며;

- Cu 함량은 5ppm 내지 1000ppm이고 양호하게는 15ppm 내지 300ppm이며;

- Fe 함량은 2ppm 내지 60ppm이고 양호하게는 3ppm 내지 30ppm이며;

- 알루미늄 이외의 성분으로서 구체적으로는 합금 성분 및 불순물 성분은 고상의 완전히 재결정화된 시료에 대해 측정된 합금의 전기 저항이 20℃에서 2.85μΩ.㎝ 미만이 되는 함량을 갖는 것을 특징으로 한다.

완전히 재결정화된 상태 또는 "어닐링된" 상태에서의 저항은 양호하게는 적어도 400℃인 온도에서 적어도 30 분 열처리한 후에 측정되는데, 상기 온도는 공지된 평탄 표시 장치 제조 공정에서 달성되는 가장 높은 온도를 초과한다.

재결정 온도는 소위 재결정 개시 온도(Tc)에 따른 재결정의 개시, 또는 재결정 종료 온도(Tf)에 따른 재결정의 종료에 의해 정해진다. 이 문헌의 나머지 부분에서 규정하는 재결정 개시 온도(Tc)라 함은 압연시 83%(일반화된 변형률(ε)이 2에 상응)에 상당하는 두께 감소가 이루어지도록 냉간 가공 경화된 시료가 이 개시 온도에서 15 분간 유지된 후 그 개시 온도 이상의 온도에서 10% 이상의 입자 재결정화가 이루어지는 그러한 온도를 말하며, 재결정 종료 온도(Tf)라 함은 이 온도에서 15 분간 유지된 가공 경화된 입자가 90% 이상 재결정화되는 최저 온도를 말한다.

연구하는 동안, 놀랍게도 본 출원인은 매우 높은 순도의 알루미늄 합금이 고착된 막의 표면에서 돌기를 형성하는 경향은 재결정 현상과 실제로 연관이 있음을 발견하였다. 돌기와 공동의 발생을 초래하는 합금 재결정 온도는 통상 대략 200℃ 미만이므로 통상의 금속화 온도에 비해 낮았다. 하지만, 이러한 관계의 근간이 되는 기구는 아직 밝혀지지 않았다.

따라서, 본 발명에 따른 합금은 이 합금의 재결정 개시 온도(Tc)가 양호하게는 150℃ 이상이고 더 양호하게는 200℃ 이상이 됨으로써, 완전히 재결정화된 상태의 고상 시료상의 돌기의 발생률과 크기를 상당히 감소시키면서 전기 저항을 초고순도 알루미늄의 것과 매우 근사하게 매우 낮은 값으로 유지하는 조성 및 금속학적 상태를 갖는다. 이때 전기 저항은 20℃에서 3.0μΩ.㎝보다 상당히 낮고 양호하게는 20℃에서 2.85μΩ.㎝ 이하로 측정되는 값으로 측정된다.

본 출원인은 합금 성분인 Fe와 Cu가 제한된 양(중량으로 몇 ppm을 초과함)으로 동시에 존재하면 초고순도 알루미늄의 재결정 온도가 증가하는 것도 역시 관찰하였다(도 1과 2). 이와 같은 철과 구리간의 상호 작용 효과는 매우 놀라운 것인데, 이는 이들 성분 각각의 개별적인 효과는 매우 낮기 때문이다. 이러한 거동은 고전적인 재결정 이론을 따르지 않고, 고용체내에서 거의 모든 성분은 100ppm 미만의 농도에서도 재결정 온도를 실질적으로 증가시킨다는 이 분야에서 통상 수용되는 사실과도 일치하지 않는다(구체적으로는 J.E. Hatch의 "Aluminum-Properties and physical metallurgy", 1984 년판, 120 쪽 참조).

본 발명에 따른 합금 성분 및 합금 불순물의 함량은 석출물이 형성될 소지가 있다는 점에서도 역시 제한되는데, 이 석출물은 에칭의 질을 손상시키거나(구체적으로는 크기가 막 두께의 15%를 초과하는 경우) 이들 에칭 형성을 곤란하게 할 수 있다.

투사 전자 현미경에 의한 현미경적 고찰 실험에서도, 본 발명에 따른 합금을 사용하여 얻어지고 400℃에서 열처리된 금속화 피막내에 존재하는 Al₂Cu 금속간 석출물의 수효는 Cu 함량이 1000ppm 이하인 경우 매우 적고, 300ppm 이하의 함량에서는 전혀 없다는 것이 입증되었다.

또한, Fe 함량은 대부분의 철이 알루미늄내에 고용체로 잔류하도록 한정되고, Al₃Fe 및 Al₆Fe 등의 일부 철함유 석출물의 수효 및 크기가 한정된다. Fe가 60ppm을 초과하면, 예컨대 습식 에칭 작업 중에 알루미늄 합금 상호 접속부가 부식에 대해 크게 민감해진다. 이 효과는 Fe가 30ppm을 초과하면 감지 가능해지기 시작한다.

본 발명의 유리한 하나의 변형례에 따르면, Fe 및 Cu의 함량이 낮으면, 합금은 합금 성분으로서 Si도 역시 함유한다. 특히, Cu 함량이 50ppm 미만이고 Fe 함량이 20ppm 미만일 때, Si 함량이 2ppm 내지 30ppm이면 유리하다. 또한, Cu, Fe 및 Si는 재결정 개시 온도가 150℃, 양호하게는 200℃를 초과하고 어닐링된 상태에서 20℃에서의 저항이 2.85μΩ.㎝ 이하가 되는 함량을 갖는다.

본 출원인은 전술한 값으로 제한된 Fe 또는 Cu 함량에 있어서, Si가 존재하는 것은 비록 완만하지만 명백하게 재결정 온도에 기여하는 것을 관찰하였다. 예컨대, 표 1은 각각 50ppm과 20ppm으로 제한된 구리와 철 함량에 대한 제한된 실리콘 함량의 영향을 나타내는데, 이때 불순물(즉, Fe, Cu 및 Si 합금 성분 이외의 성분)의 전체 함량은 0.01% 미만이다. 따라서, 실리콘의 상보적인 효과는 비록 철과 구리 함량이 낮으면 현저하지만, 철과 구리 함량이 각각 20ppm과 50ppm에 이르면 감소한다.

함량(중량 ppm)	Tc(℃)	Tf(℃)
Fe	Tc(℃)	Tf(℃)	Cu	Si
0	5050	10	130160	220260
55	2525	10	180200	270300
2020	5050	10	260260	325325

본 발명의 유리한 한가지 변형례에 따르면, 합금을 제조하는 공정은 바람직하게는 조질 성분인 Ti 및 B를 동시에 첨가하는 것으로 이루어진 조질(refining) 단계를 포함하며, 이때 합금내 티타늄 함량은 20ppm 내지 80ppm이고, 붕소는 4ppm을 초과하며, B는 Ti/B 중량비가 2.5 내지 10이 되는 함량을 갖는데, 이는 스퍼터링 타깃 결정립 크기를 적절히 조질 처리하여 타깃 반응부의 마모면을 균일하게 하기 위한 것이다.

본 발명의 다른 변형례에 따르면, 합금은 희토류 성분 등의 상보형 합금 성분을 5ppm을 초과하고 0.05% 미만의 함량으로 함유하는데, 이들 성분의 함량은 본 발명에 따른 합금제 상호 접속 회로와 다른 인접 층 사이의 계면 및 결합 특성과, 상호 접속부의 내식성과, 상호 접속부 표면에 형성된 알루미늄 산화물 층(존재하는 경우)의 유전력(dielectrical power)을 상당히 향상시킬 수 있다.

합금 및 조질 성분 이외의 성분인 불순물의 총 함량은 양호하게는 0.01% 미만인데, 이는 10㎛를 초과하는 금속간 석출물의 형성될 소지를 방지하고, 고상 알루미늄중에 매우 잘 용해되는 성분에 있어서는 합금의 저항을 감소시키기 위한 것이다.

본 발명에 따른 합금중의 알카리 불순물(Li, Na, K, Rb, Cs)의 전체 함량은 0.0005% 미만이 좋다. 알카리 불순물의 함량은 제한되는데, 이들 알카리 불순물은 특히 다른 재료와의 계면의 상호 접속 라인을 따라 매우 고속으로 마이그레이션되므로 극히 유해하게 작용할 수 있기 때문이다.

본 발명에 따른 합금은 합금 성분과 가능하게는 선택된 조질 성분을 초고순도의 알루미늄 매트릭스(matrix)에 첨가하여 얻을 수 있는데, 이때 매트릭스의 순도는 양호하게는 4N(99.99%)보다 높고, 더 양호하게는 4N7(99.997%의 알루미늄)보다 높다.

본 발명에 따른 반응부는 본 발명에 따른 합금 플레이트를 압연하여 유리하게 얻는다. 압연 조건은, 플레이트가 롤러 사이로 지나가는 중에 또는 막 지나간 후인 압연 중에 재결정이 발생함으로써, 타깃 표면 위에서의 균일한 마모를 조장하는 집합조직(texture)을 제거하여 금속에서 높은 등방성을 달성하도록 되어있다. 압연 중의 이러한 재결정은 Tf+50℃를 초과하는 온도에서의 압연을 통해 양호하게 얻는데, 이때 Tf는 합금의 재결정 종료 온도이다. 압연은 양호하게는 교차되게 행하는데, 각각의 압연 단계에서 두께는 20% 이상 감소된다. 또, 각각의 단계 사이의 대기 시간은 50% 이상의 플레이트가 재결정되기에 충분하면 좋다.

본 발명에 따른 타깃의 반응부에는 0.7mm를 초과하는 내부 스플릿(split)이나 흠집(flaw)이 없고, 반응 금속(active metal)의 입방 데시미터당 200㎛를 초과하는 내부 스플릿이 10 개 미만이면 좋은데, 반응 금속은 음극 스퍼터링 작업 중에 제거되는 금속을 말한다. 이들 제한값은 음극 스퍼터링 금속화 작업 중에 타깃에서 떨어져 나온 입자와 미립분의 재고착에 의해 야기되는 에칭 결함의 빈도를 전적으로 만족할만한 수준으로 유지하기에 충분하다.

타깃 반응부의 내부적 건전성, 즉 내부 스플릿의 수효 및 크기는 본 출원인에 의해 출원된 프랑스 특허 출원 제96 01990호에 공지된 공정에 따라 양호하게는 8MHz 이상의 주파수로 초음파 검사하여 유리하게 측정한다.

또, 반응 금속의 결정립 크기가 2mm 미만이므로, 고착된 막 균질성은 조성과 두께 모두가 만족스러우며, 타깃의 반응부는 매우 균일하게 마모된다.

본 발명의 다른 목적은 전기적 상호 접속 회로에 관한 것으로, 이 회로는 양호하게는 본 발명에 따른 타킷으로부터 음극 스퍼터링에 의해 얻어지는 본 발명에 따른 알루미늄 합금 상호 접속 층을 적어도 하나 구비하고, 비합금 알루미늄에 비해 매우 향상된 재결정에 대한 저항을 가지면서 순수한 알루미늄의 에칭성 및 저항과 유사한 탁월한 에칭성 및 낮은 저항을 유지하는 것을 특징으로 한다.

실시예 1

대략 4.6 톤의 알루미늄 합금을 전기 가열로내에서 용융시켰는데, 순도 99.998%의 정제된 알루미늄에, Fe 함량이 8ppm이 되고 Cu 함량이 40ppm이 되도록 Fe와 Cu를 소량 첨가하였다. 획득된 합금에는 9ppm의 Si도 역시 함유되어 있다.

이어서, 획득된 합금을 횡단면이 500×1055mm이고 길이가 3200mm인 압연 슬래브(slab) 형태로 주조하였다. 주조 중에, 용존 수소 및 개재물의 함량을 감소시키기 위해 이 합금을 연속된 2 개의 레이들에서 순서대로 처리하였다. 제1 레이들은 본 출원인에 의해 개발된 ALPUR 공정에 따른 아르곤 분사 로터(rotor)가 장착된 탈기 레이들이었다. 제2 레이들은 관형 알루미늄 덩어리(gravel)의 딥 베드(deep bed)가 마련된 여과 레이들인데, 본 출원인에 의해 개발된 공정에 따라 제조되며 PECHINEY DBF(Deep Bed Filter)라는 명칭으로 공지되어 있다.

이어서, 플레이트의 바닥과 상부에 개재된 영역을 제거하기 위해 슬래브를 톱질 가공하여 그 길이를 2400mm로 조정하였다.

이어서, 응고된 금속의 매크로그래픽(macrographic) 조직과 가스 함량을 검사하기 위해, 슬리브의 상부와 바닥에서 주조 방향과 수직하게 슬라이스(slice)를 취하였다. 이 실험에 따라, 매우 거친 매크로그래픽 조직(즉, 센티미터로 측정되고 응고 전진점(solidification front)에 수직하게 연장된 결정립 크기)과, 생성 물질 중심부내의 미소 수축 기공과, 0.07ppm 미만의 수소 함량이 존재함이 밝혀졌다.

이어서, 이와 같이 톱질 가공한 이 슬랩의 넓은 표면을 밀링에 의해 표면당 대략 8mm 스캘핑(scalping; 가공전 표피 제거 작업)시켜, 미세한 바살틱(basaltic) 결정립이 있는 주조 피막(casting skin)과 외피면(cortical area)을 제거하였다. 따라서, 박리된 슬래브를 건조 분위기의 전기로에서 580℃로 32 시간 동안 균질화시켜, 재가스화(regassing)하지 않으면서 이 조성을 미시적으로 균질화시켰다. 이어서, 이 슬래브를 노내에서 냉각시키고 500℃ 아래에서 외기에 놓은 후, 가역 롤러의 이송 테이블에 배치하여 두께가 75mm로 감소될 때까지 여러 단계에 걸쳐 주조 축선에 평행하게 압연하였다. 이 제1 압연 단계가 끝날 때 스트립의 온도는 대략 460℃였다.

이 압연 작업으로부터 산출된 대략 15.50m 길이의 스트립을 스트립 양단에서 25cm 절단한 후 전단 가공에 의해 1m 길이의 조각들로 절단하였다.

이들 조각을 각각의 조각의 넓은 표면에 수직한 축선을 중심으로 90° 회전시킨 후, 전술한 압연 방향에 수직한 방향을 따라 여러 단계에 걸쳐 즉각 재차 고온 압연("교차" 압연)시켜 두께를 12.5mm로 감소시켰다. 이 제2 압연 단계가 끝날 때, 스트립의 온도는 압연 작업에 진입한 정도에 따라 370℃ 내지 410℃였다

이렇게 해서, 폭이 1000mm, 길이가 6.3m, 두께가 12.5mm인 15 개의 스트립을 제공하고, 이들을 다시 전단 가공에 의해 절단하여, 음극 스퍼터링 타깃에 대응하기에 적합한 폭이 1000mm, 길이가 900mm, 두께가 12.5mm인 90 개의 플레이트를 얻었다.

최초 조질된 알루미늄과, Cu 및 Fe를 첨가한 후에 얻은 합금의 재결정 온도를 측정하였다. 이 측정에 따라, 최초 조질된 합금의 재결정 개시 온도와 종료 온도는 25℃ 미만이고, 또, 얻은 합금은 각각 250℃와 320℃의 재결정 개시 및 종료 온도를 가지는 것으로 나타났다.

또한, 플레이트 시료에 마이크로그래픽(microgrphic) 검사를 수행하였는데, 획득된 플레이트는 넓은 표면에 평행하며 균질하고 미세한 2mm 미만의 결정립 크기를 가지며, 0.7mm 미만의 두께로 이 표면에 평행하게 평탄화된 것으로 드러났다. 비교하면, 주조 축선에 평행한 방향으로만 압연된 스트립은 압연 방향으로 3mm에 이르는 긴 결정립과, 압연 방향으로의 양호한 배향성의 잔류 압연 집합조직을 가지고 있었다.

추가의 마이크로스코픽 검사에 따라 금속간 석출물이 없는 것으로 드러났다.

20℃의 플레이트로부터 취한 재결정된 시료에서 측정된 금속 저항은 2.7μΩ.㎝를 초과하지 않았다.

이들 압연 및 절단 작업과, 후속된 냉각을 행한 후, 10MHz의 주파수로 침지하의(immersed) 초음파 검사에 의해 각각의 플레이트를 검사하고, 기록된 초음파 에코(echo)를 300㎛ 직경의 평탄한 바닥으로부터의 에코와 비교하였다. 이들 측정치를 이용하여, 검사한 금속의 입방 데시미터당 200㎛를 초과하는 동일 크기 에코의 수효에 따라 플레이트를 세 종류로 분류하였는데, 10을 초과하는 에코를 갖는 플레이트(8 개의 플레이트), 2 내지 8의 에코를 갖는 플레이트(27 개의 플레이트) 및 2 미만의 에코를 갖는 플레이트(55 개의 플레이트)가 그것이다.

이와 같이 검사한 후, 각각의 세 종류에서 하나의 플레이트를 표본추출하고, 다이아몬드 공구를 사용하여 표면을 가공하여 두께를 10mm로 감소시킨 후, 측면을 가공하여 최종 플레이트의 치수를 790mm×880mm×10mm로 하였다. 이어서, 음극 스퍼터링 타깃을 제조하기 위한 공지된 기법에 따라 이들 최종 플레이트를 전기 및 냉각 연결 지지부에 연결하였다.

이들 세개의 타깃을 치수가 550×650mm인 글래스 기판의 금속화에 사용하였는데, 이 글래스 기판은 고고순도 알루미늄(5N) 기재의 상호 접속부를 제조하기 위해 통상 사용되는 기법에 따라 평탄 표시 장치를 제조하기에 적합하다. 고착 중의 기판 온도는 200℃로 Tc보다 낮았으며, 부동태화는 Tc에 근사한 온도인 320℃에서 행해졌다.

또한, 광학 마이크로스코피 검사를 비롯한 제조 검사에 따라, 세개의 검사된 타깃에 대한 돌기의 발생 빈도는 2ppm 미만의 Fe와 Cu를 함유한 초고순도 알루미늄 타깃으로 금속화된 표시 장치에서 관찰되는 빈도의 절반 미만이었으며, 특히, 이들 돌기의 높이는 매우 많이 감소되어 최대 높이가 0.5㎛에서 0.2㎛로 바뀐 것으로 나타났다. 또, 본 발명에 따른 알루미늄 합금 막의 결정립 크기는 그 인자가 대략 3으로, 도핑되지 않은 5N 알루미늄에서 관찰된 것보다 상당히 낮았다.

높이가 0.2㎛ 미만인 돌기는 후속하는 표시 장치 제조 작업에서 상당히 수용 가능한 것으로 고려되는데, 높이가 0.3㎛ 또는 심지어 0.4㎛를 초과하는 돌기는 종종 쓸모가 없는데, 그것은 이들이 알루미늄 합금 또는 순수 알루미늄 상호 접속부의 표면에 후속하여 고착되거나 형성된 막의 두께를 초과하기 때문이다.

하지만, 제1 종류(반응 금속의 입방 데시미터당 200㎛를 초과하는 결함을 10 개 넘게 포함)에 속하는 타깃으로 제조한 표시 장치는 다른 두 타깃으로 제조한 표시 장치에서 발견되는 것보다 상당히 더 많은 에칭 결함을 갖는데, 제조된 표시 장치는 10%가 넘게 폐기되어야 한다. 이들 에칭 결함은 알루미늄 막상의 금속화 작업 중에 마이크로 아크의 발생에 의해 타깃으로부터 떨어져 나온 액체 미립분의 재고착과 관련된 것이었다.

실시예 2

실시예 1에서와 동일한 조건하에 시험을 수행하였는데, 주조시의 알루미늄 합금의 제련 절차만 상이하였다.

주조시, 5 중량%의 Ti와 1 중량%의 B를 함유한 고순도 알루미늄 합금 와이어를 사용하여 액체 금속에 B와 Ti를 지속적으로 첨가하였다. 와이어가 첨가되는 비율은, 주조 합금내에 Ti 함량이 50ppm 정도, B 함량이 10ppm 정도가 되도록 조정하여, 주조 금속 1 톤당 1kg의 합금 와이어를 첨가하였다.

"주조 상태 그대로"의 슬래브의 단부를 톱질 가공하면서 매크로그래픽 세그먼트를 표본추출하였는데, 이후 전술한 실시예에 비해 입상 조직이 훨씬 더 미세하고, 슬래브의 중앙부에서 수축 기공성이 크게 감소된 것으로 드러났다.

압연 후에, 실시예 1과 동일 조건하에서, 플레이트의 결정립은 훨씬 더 미세하였으며, 그 치수는 모든 방향에서 1mm를 초과하지 않았다. 플레이트 시료에서 측정된 저항은 20℃에서 2.80μΩ을 초과하지 않았다. 또, 초음파 검사 중에, 제조된 플레이트 90 개 중, 2 개만이 금속의 입방 데시미터당 200㎛를 초과하는 동일 크기의 에코를 10 개 넘게 가졌다.

실시예 1과 정확히 동일한 공정에 따라 이 합금으로 제조되어 정확히 동일한 조건하에 시험된 타깃은 돌기의 발생 빈도와 크기에 대해 다소 더 좋은 결과를 보였으며, 동시에 400℃에서의 부동태화 처리 후의 막 결정립 크기도 역시 작은 것으로 관찰되었다.

이들 시험에 따라, B와 Ti를 동시에 제한적으로 첨가하여 조질하면, 플레이트에서 내부 스플릿의 수효 및 크기의 만족스러운 정도가 상당히 증가하면서 본 발명에서 의도된 특징이 유지되고 다소 더 향상되는 것으로 밝혀졌다.

장점

따라서, 본 출원인에 의해 수행된 시험에 따라, 일부 성분의 함량이 낮게 알루미늄 합금을 여러 등급으로 설계하는 것이 가능하다고 밝혀졌으며, 이 합금에서는, 이 합금으로부터 음극 스퍼터링에 의해 얻은 막의 표면에서 돌기와 공동의 발생이 상당히 감소되면서도, 초고순도의 알루미늄의 특성과 유사한 사용 특성과 특히 낮은 전기 저항 및 매우 우수한 에칭성이 나타나는데, 이들은 종래 지식에서 예기치 못한 것으로 종래 지식과 대비되는 것이다.

비록 각각 몇 중량ppm을 초과하지만, 제한된 양의 Fe와 Cu가 동시에 존재하면, 전기 저항이 초고순도 알루미늄에서 달성되는 것과 매우 근사하게 20℃에서 3.0μΩ보다 상당히 낮은 값으로 유지되면서도, 이 온도를 초과하면 고순도 알루미늄이 얻어지는 재결정 온도의 큰 증가에 관련된 돌기의 발생 비율과 크기가 현저히 감소한다.

본 발명에 따른 타깃을 음극 스퍼터링 공정에 의한 공지된 금속화에 사용하여, 기법을 수정하지 않고 초고순도의 알루미늄에 사용된 것과 동일한 조건하에서 에칭을 행할 수 있다.

돌기의 형성에 대한 높은 저항과는 별개로, 본 발명에 따른 상호 접속 회로는 고순도 비합금 알루미늄에서 얻은 저항과 필적하는 전기 저항 및 매우 미세한 결정립을 가지며, 고온에서 이 입도(fineness)의 내구성은 높은 값의 재결정 온도에 기인해 초고순도 알루미늄(5N 초과)에서보다 더 우수하다.

Claims

음극 스퍼터링 타깃으로서,

음극 스퍼터링 작업 중에 제거될 수 있는 타깃 용적인 반응부가 고순도 알루미늄 합금으로 구성되고, 알루미늄 이외 성분의 전체 함량이 0.1 중량% 미만이며,

- 구체적으로 Cu 및 Fe인 합금 성분은 합금 재결정 개시 온도가 150℃ 이상이 되는 함량을 가지며;

- Cu 함량은 5ppm 내지 1000ppm이며;

- Fe 함량은 2ppm 내지 60ppm이며;

- 알루미늄 이외의 성분으로서 합금 성분 및 불순물 성분은 고상의 완전히 재결정화된 시료에 대해 측정된 상기 합금의 전기 저항값이 20℃에서 2.85μΩ.㎝ 미만이 되는 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 음극 스퍼터링 타깃.
제1항에 있어서, 합금 성분은 상기 합금의 재결정 개시 온도가 200℃ 이상이 되는 함량을 갖는 것을 특징으로 하는 음극 스퍼터링 타깃.
제1 또는 제2항에 있어서, 상기 합금의 Cu 함량은 15ppm 내지 300ppm이고, 상기 합금의 Fe 함량은 3ppm 내지 30ppm인 것을 특징으로 하는 음극 스퍼터링 타깃.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금의 Cu 함량은 50ppm 미만이고, 상기 합금의 Fe 함량은 20ppm 미만이며, 상기 합금의 Si 함량은 2ppm 내지 30ppm인 것을 특징으로 하는 음극 스퍼터링 타깃.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금은 Ti와 B를 더 포함하며, Ti 함량은 20ppm 내지 80ppm이고 B 함량은 4ppm을 초과하며, 상기 티타늄 대 상기 붕소(Ti/B)의 중량비는 2.5 내지 10인 것을 특징으로 하는 음극 스퍼터링 타깃.
제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금내 불순물의 총 함량은 0.01% 미만인 것을 특징으로 하는 음극 스퍼터링 타깃.
제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 합금내 알카리 불순물(Li, Na, K, Rb, Cs)의 총 함량은 0.0005% 미만인 것을 특징으로 하는 음극 스퍼터링 타깃.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 타깃의 반응부는 0.7mm를 초과하는 내부 스플릿(split)을 갖지 않으며, 반응 금속의 입방 데시미터 당 200㎛를 초과하는 내부 스플릿을 10 개 미만 가지며, 상기 반응 금속은 음극 스퍼터링 작업 중에 제거될 수 있는 금속인 것을 특징으로 하는 음극 스퍼터링 타깃.
제8항에 있어서, 상기 반응 금속은 2mm 미만의 결정립을 갖는 것을 특징으로 하는 음극 스퍼터링 타깃.
음극 스퍼터링 타깃의 반응부를 얻는 방법으로서,

제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 알루미늄 합금 플레이트를 여러차례 압연하는 단계를 포함하며,

상기 여러차례의 압연 단계는 높은 등방성의 금속이 획득되도록, Tf+50℃를 초과하는 온도에서 상호 교차되게 수행되며, 각각의 압연 단계를 통해 두께가 20% 이상 감소되며, 상기 Tf는 상기 플레이트에 사용된 합금의 재결정 종료 온도인 것을 특징으로 하는 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 따른 알루미늄 합금 상호 접속 층을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적 상호 접속 회로.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 타깃의 음극 스퍼터링에 의해 제조된 알루미늄 합금 상호 접속 층을 하나 이상 포함하는 것을 특징으로 하는 전기적 상호 접속 회로.