KR20020074145A - 증발 소스를 제조하는 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 물리 증착을 위한 증발 소스를 제조하는 방법에 관한 것이다. 상기 증발 소스는 알루미늄 성분 및 1 또는 그 이상의 성분을 갖는 실제 스퍼터링 타깃 뿐만 아니라 상기 타깃보다 더 좋은 열 전도율을 갖는 재료로 제조되는 백킹 플레이트를 포함한다.

본 발명에 있어서, 분말 출발 재료로 제조되는 백킹 플레이트는 상기 스퍼터링 타깃의 분말 성분과 함께 샌드위치 모양의 분말 프랙션에서 프레스된 다음 형성된다.

Description

증발 소스를 제조하는 방법{PROCESS FOR MANUFACTURING AN EVAPORATION SOURCE}

현재, 물리 증착을 위한 스퍼터링 타깃(sputtering target)은 다양한 코팅제를 제조하기 위해 대규모로 사용된다. 이의 사용은 광범위한 기판 재료를 위한 내마모성과 내식성 코팅제의 생산으로부터 코팅된 복합 재료의 생산까지 특히 반도체 및 전자 산업으로 확장된다. 이러한 광범위한 적용은 매우 광범위한 코팅 재료가 용착되어야 한다는 것을 의미한다.

이는 상이한 재료가 동시에 용착되어야 할 때 문제가 있으며, 합금의 일반적인 형성 동안 브리틀 금속간 상(brittle intermetallic phase)을 형성하므로, 이러한 합금은 더 이상 실제로 냉간 형성되거나 또는 열간 형성될 수 없고 상당한 비용을 들여서만 가공될 수 있다. 따라서, 이러한 합금으로부터 스퍼터링 타깃을 제조하는 것은 매우 어렵거나 또는 심지어 불가능하다.

이러한 문제가 있는 재료는 예를 들면 알루미늄 및 티타늄으로 제조되는 합금을 포함하고, 이것은 상술된 방법을 사용하여 스퍼터링 타깃을 생산하는 경우에만 유리하게 작업된다.

이러한 방법은 AT PS 388 752에 상세히 기술되어 있다.

스퍼터링 타깃은 표면 온도를 감소시키기 위해 스퍼터링 시스템에서 기계적 수단으로 수냉식 동판에 일반적으로 고정된다. 대부분의 경우에, 스퍼터된 재료로부터 완전히 제조되는 스퍼터링 타깃은 동판에 직접 배치된다.

가능한 한 많은 재료가 스퍼터링 타깃으로 분무화 되어야 하므로, 제조되는 스퍼터링 타깃의 전체 높이는 가능한 한 커야 한다. 그러나, 전체 높이가 증가함에 따라 증가하는 스퍼터링 타깃의 열저항이 너무 크지 않아야 한다는 것에 주의해야 하고, 스퍼터링 타깃의 표면 온도가 확실한 값으로 유지될 수 있는 것을 보장해야 한다.

분무화되는 대다수의 재료는 어떤 문제없이 상대적으로 좋은 열전도율을 가질 수 있고 또는 상대적으로 높은 표면 온도를 가질 수 있으므로, 종래의 스퍼터링 시스템은 상대적으로 큰 전체 높이를 갖는 스퍼터링 타깃을 위해 설치되고, 그 결과 이러한 시스템에서 더 작은 전체 높이를 갖는 스퍼터링 타깃을 사용하는 것은 매우 불리할 수 있다.

특히, 뛰어난 열 전도율을 갖는 알루미늄은 스퍼터링 기술을 사용하여 코팅적용에 매우 자주 사용되므로, 많은 스퍼터링 시스템은 특히 스퍼터링 타깃의 전체 높이에 관해서 알루미늄의 좋은 열 전도율을 위해 설치된다.

또한, 예를 들면 스퍼터링 타깃의 몇몇 성분 사이에서 바람직하지 않은 반응을 방지하기 위해, 알루미늄이 상대적으로 나쁜 열 전도율을 가지며 동시에 스퍼터링 공정 동안 매우 높은 표면 온도를 가져서는 안되는 재료와 함께 분무화될 때, 이러한 코팅기에 문제가 있게 된다. 따라서, 알루미늄은 티타늄 및 적절하다면 특히 마모 및 티어(tear)에 대한 방지에 있어서 코팅 적용을 위한 추가적인 성분과 함께 자주 사용된다.

이러한 재료로 제조되는 스퍼터링 타깃으로, 심지어 티타늄의 적은 양은 알루미늄의 좋은 열 전도율을 상당히 감소시킨다. 결과적으로, 이러한 스퍼터링 타깃에 있어서, 이것이 스퍼터링 시스템에 일반적으로 제공되는 전체 높이로 제조된다면, 높은 코팅률에서 결과적으로 표면온도가 매우 높아져 발열 반응이 일어나게 되어 타깃의 파괴를 초래한다.

그러나, 스퍼터링 타깃을 사용하여 알루미늄과 함께 분무화되는 다른 재료는 또한 임계화 될 수 있고 코팅 공정 동안 문제를 야기시킨다. 알루미늄과 Ta, Nd 또는 Y의 재료 조합은 예를 들면 전자적 응용에 사용될 수 있는데 반하여, 광학적 및 자기적 저장 매체를 위해서는 알루미늄과 Ni 및 Cr의 재료 조합이 자주 사용된다.

예를 들면 알루미늄과 Sn, Zn, Ag, W, Mo의 재료 조합은 마모 및 티어를 방지하고자 하는 응용에서 추가적인 Ti 부분과 결합하여 또한 자주 사용되며, 여기에서 하나의 재료 성분은 건막 윤활제(dry-film lubricant)로 작용한다.

코팅되는 동안 이러한 모든 임계 재료 조합(critical material combination)에 있어서 지적된 문제가 되도록 많이 회피되는 것을 보장하기 위해, 용착 속도가 일반적으로 제한되어서, 표면 온도가 너무 높게 상승되는 것을 방지한다.

전체 높이를 변경하는 것없이 심지어 높은 코팅률에서 이러한 임계 스퍼터링 타깃의 표면 온도를 감소시키는 한가지 가능한 방법은 접촉 지역의 영역에서 스퍼터링 타깃의 일부에 좋은 열 전도 재료로 제조되는 백킹 플레이트를 갖는 수냉식 동판을 제공한 다음 이러한 백킹 플레이트를 동판에 기계적으로 연결하는 것이다.

이러한 증발 소스를 제조하는 방법은 예를 들면 WO 00/22185 또는 US 5 397 050에 기술되어 있으며, 여기에서 백킹 플레이트는 납땜 또는 확산 결합에 의해 스퍼터링 타깃과 연결된다.

나쁜 열 전도율의 전이 지역이 타깃과 백킹 플레이트 사이에서 발생할 수 있다는 점에서 이러한 방법으로 제조되는 증발 소스는 불리하며, 이것은 스퍼터링 타깃으로부터 백킹 플레이트로, 및 그 다음 수냉식 동판으로 최적의 열 소산을 보장하지 않는다.

단지 몇 도 정도 높은 스퍼터링 타깃의 표면 온도는 분무화 성질에 관해서 단점을 나타내므로, 나쁜 열 전도율을 갖는 이러한 전이 지역은 가능하다면 피해야 한다.

본 발명은 1 또는 그 이상의 다른 성분에 더하여 알루미늄 성분을 함유하는 타깃(target), 및 상기 타깃보다 더 좋은 열 전도율을 갖는 재료로 제조되어 타깃과 연결되는 백킹 플레이트(backing plate)를 포함하는 물리 증착을 위한 증발 소스를 제조하는 방법에 관한 것이며, 상기 타깃은 분말의 개개의 성분의 혼합물을 냉간 압축함으로써 제조되고 그 결과 각 성분의 녹는점 이하의 온도에서 이것을 형성하는 한편 이론 밀도 중 적어도 98%의 밀도가 달성될 때까지 유동한다.

도 1은 100배 확대된 전이 영역을 도시한다.

따라서, 본 발명의 목적은 물리 증착을 위한 증발 소스를 제조하는 방법을 개발하는 것이며, 여기에서 알루미늄 성분을 함유하는 스퍼터링 타깃은 나쁜 열 전도율의 전이 지역을 형성하는 것없이 백킹 플레이트에 연결된다.

본 발명에 있어서, 상기 목적은 타깃 성분과 함께 분말 출발 재료를 또한 포함하는 백킹 플레이트를 샌드위치 모양의 분말 프랙션(sandwiched powder fraction)으로 프레스한 다음 백킹 플레이트를 형성함으로써 달성된다.

이러한 방법으로, 나쁜 열 전도율을 갖는 전이 지역을 형성하는 것없이 타깃 재료 및 백킹 플레이트 사이에서 뛰어난 연결이 될 수 있으므로, 스퍼터링 타깃의 표면으로부터 백킹 플레이트로, 및 그 다음 수냉식 동판으로 뛰어난 열 소산이 달성된다.

스퍼터링 타깃은 수냉식 동판에 일반적으로 볼트로 조여지거나 또는 클램프되므로, 타깃의 섹션을 설계하는 것이 바람직하며, 이것은 그 다음 백킹 플레이트와 같이 더 이상 어떤 방법으로도 분무화될 수 없고, 효과적으로 증발될 수 있는 많은 재료와 같이 동일한 전체 높이를 가지고 있어 백킹 플레이트가 없는 스퍼터링 타깃과 비교하여 사용될 수 있다.

타깃 재료와 백킹 플레이트의 특히 좋은 연결을 달성하기 위해, 상기 타깃은 적어도 15 atom %의 알루미늄으로 구성되는 것이 유리하다.

본 발명이 특히 유리한 방법으로 실현될 수 있는 스퍼터링 타깃은 15 atom %의 알루미늄과 85 atom %의 티타늄으로 제조되는 타깃이다.

뛰어난 열 전도율을 갖는 순수 알루미늄은 특히 유리한 재료로서 증발 소스의 백킹 플레이트에 적당하다. 알루미늄이 상대적으로 부드럽기 때문에, 수냉식 동판과 기계적으로 연결되기 때문에 작은 열 저항을 갖는 좋은 전이 지역이 달성될수 있다. 또한, 타깃 재료가 부주의하게 오버스퍼터(oversputtered)되어서 결과적으로 백킹 플레이트의 임의의 부분이 마찬가지로 스퍼터링된다면, 용착된 코팅에 대한 손상이 그렇게 크지 않다.

그러나, 알루미늄 뿐만 아니라, 예를 들면 구리와 같은 좋은 열 전도율을 갖는 다른 재료는 백킹 플레이트에 또한 적당하다.

프레스 단조를 형성하는 동안 재료의 플로우(flow)를 달성하기 위해 증명된 방법은 단조 프레스에서 단조 공정의 사용이다.

타깃이 알루미늄/티타늄, 예를 들면 15 atom %의 알루미늄 및 85 atom %의 티타늄으로 구성된다면, 400 ℃와 450 ℃ 사이의 온도에서 단조 공정을 수행하는 것은 가치있는 것으로 증명되었다.

압출(Extrusion)은 재료가 가능한 한 유리하게 흐르는 동안 프레스 단조를 형성하는 다른 방법이다.

본 발명에 따른 제조 공정에 대한 이러한 변형의 장점은 변화하는 전체 높이를 갖는 스퍼터링 타깃이 압출 빌릿(Extrusion billet)으로 부터 분리될 수 있다는 것이다.

본 발명은 제조 실시예를 통하여 하기에서 더욱 상세히 설명 된다.

실시예 1

50 atom %의 알루미늄과 50 atom %의 티타늄으로 제조된 20 mm 높이의 스퍼터링 타깃, 및 상기 스퍼터링 타깃에 단단히 고정되는 12 mm 높이의 알루미늄 백킹 플레이트를 포함하는 63 mm의 직경과 32 mm의 전체 높이를 갖는 디스크 형태의 증발 소스는 본 발명에 따른 방법에 따라 아래와 같이 제조된다.

평균 입자 크기가 30 ㎛인 스퍼터링 타깃용 알루미늄 분말 및 티타늄 분말은 비대칭 작동 믹서(asymmetric moved mixer)로 혼합된다.

액압 프레스의 2 부재 압출 다이에서, 이것은 증발 소스의 최종 치수에 관해 충분히 큰 사이즈로 되며, 압출 다이의 바닥은 평균 입자 크기가 30 ㎛인 순수한 알루미늄 분말로 처음에 채워지고 채워지는 분말은 편평해진다. 그 다음, 압출 다이의 최상부는 적당한 위치에 놓여져서 혼합된 알루미늄/티타늄 분말로 채워지며, 그 분말 혼합물은 다시 편평해지고 그리고 다이 충진물은 이론 밀도의 94 %를 갖는 성형체(green compact)를 형성하도록 냉간 압축된다.

프레스 단조는 유동되거나 또는 반죽되는 개별적인 성분을 갖는 전체 5개의 통로에서 거의 200℃의 단조 온도로 반개구 단조형을 갖는 단조용 프레스에서 제 2 압축을 받는다.

또한, 프레스 단조는 제 2 압축 전의 400 ℃ 내지 450 ℃ 사이와 그리고 각각의 압축 단계 사이의 온도로 예열되는 노(furnace)에서 발생된다. 짧은 형성 시간 및 낮은 형성 온도로 인하여 어떠한 산화 방지도 요구되지 않으므로, 제 2 압축은 미지의 조건에서 발생할 수 있다.

결국, 증발 소스는 최종 치수를 생산하도록 기계적으로 처리된다.

스퍼터링 타깃 재료 및 백킹 플레이트 재료 사이의 전이 영역에서 금속표면 확대도(metallograph)가 촬영된다.

도 1은 100배 확대된 전이 영역을 도시한다.

스퍼터링 타깃의 재료 및 백킹 플레이트의 재료 사이에서 감소된 열 전도율을 갖는, 문제의 중간층을 형성하지 않는 절대적으로 균질한 전이를 분명하게 볼 수 있다.

실시예 2

비교 목적을 위해, 실시예 1과 같은 치수를 갖는 디스크 형태의 증발 소스가 제조된다. 실시예 1과는 대조적으로, 상기 증발 소스는 50 atom %의 알루미늄 및 50 atom %의 티타늄으로 제조된 스퍼터링 타깃을 전적으로 포함하고, 알루미늄 백킹 플레이트를 포함하지 않는다. 상기 스퍼터링 타깃은 실시예 1과 같이 동일한 생산 파라미터로 제조된다.

실시예 3

비교 목적을 위해, 실시예 1과 같이 동일한 치수 및 동일한 재료 조합을 갖는 스퍼터링 타깃 및 백킹 플레이트를 포함하는 증발 소스가 생산된다. 실시예 1과는 달리, 상기 증발 소스는 분말 출발 재료를 동시에 처리하여 제조되지 않는다. 오히려, 상기 백킹 플레이트는 용융 야금으로 제조되는 반 가공된 구리 생산물로부터의 스퍼터링 타깃에 관계없이 동일한 치수로 대략 작업된 다음, 완성된 스퍼터링 타깃에 결합으로써 인듐 중간층을 사용하여 연결되며, 상기 스퍼터링 타깃은 분말 야금에 의해 제조되고 실시예 1과 같이 동일한 생산 파라미터로 제조된다.

실시예 1 및 실시예 3에 대응하는 증발 소스는 ARC 증발 플랜트에 차례차례 설치되고 동일한 코팅 조건 하에서 분무화되며, 이것은 0.7 ㎿/㎡의 흐름에 대응하는 60 A의 ARC 전류 세기로 일반적으로 사용되어 각 스퍼터링 타깃의 표면 온도가 결정된다.

다음의 표면 온도는 대략 2분 정도의 분무화 시간에 따라서 나온 것이다.

본 발명에 따라 제조되는 증발 소스는 실시예 1에 있어서 315 ℃의 표면 온도를 갖는다.

백킹 플레이트가 없이 실시예 2에 따라 제조되는 스퍼터링 타깃은 420 ℃의 최대 표면 온도를 갖는다.

결합된 백킹 플레이트를 갖는 실시예 3에 따라 제조되는 증발 소스는 395 ℃의 표면 온도를 갖는다.

동일한 치수를 갖는 백킹 플레이트가 사용된다는 사실에도 불구하고 실시예 1과 비교하여 명백히 높은 표면 온도는 결합에 요구되는 감소된 열 전도율을 갖는 인듐 중간층의 매우 불리한 효과를 분명히 나타낸다.

몇 도 정도 낮은 스퍼터링 타깃의 표면 온도는 분무화 성질에 관해 장점을 가져다 주므로, 선행 기술에 따른 이전 증발 소스와 비교할 때 본 발명에 따른 증발 소스의 큰 이익이 증명된다.

상술한 바와 같은 본 발명에 따른 증발 소스를 제조하는 방법은 알루미늄 성분을 함유하는 스퍼터링 타깃이 백킹 플레이트에 연결되어 나쁜 열 전도율의 전이지역을 형성하지 않는 효과가 있다.

Claims (8)

1 또는 그 이상의 다른 성분에 더하여 알루미늄 성분을 함유하는 타깃, 및 상기 타깃보다 더 좋은 열 전도율을 갖는 재료로 이루어지는 한편, 상기 타깃과 연결되는 백킹 플레이트를 포함하는 물리 증착을 위한 증발 소스를 제조하는 방법에 관한 것이며, 상기 타깃은 분말의 개개의 성분의 혼합물을 냉간 압축함으로써 제조되고 그 결과 각 성분의 녹는점 이하의 온도에서 이것을 형성하는 한편 이론 밀도 중 적어도 98%의 밀도가 달성될 때까지 유동하는 물리 증착을 위한 증발 소스를 제조하는 방법에 있어서,

분말 출발 재료로 또한 구성되어 있는 상기 백킹 플레이트는 상기 타깃 성분과 함께 샌드위치 모양의 분말 프랙션으로 프레스된 다음 형성되는 것을 특징으로 하는 물리 증착을 위한 증발 소스를 제조하는 방법.

제 1 항에 있어서,

상기 타깃은 적어도 15 atom %의 알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 물리 증착을 위한 증발 소스를 제조하는 방법.

제 2 항에 있어서,

상기 타깃은 제 2 성분으로서 85 atom %의 티타늄을 함유하는 것을 특징으로 하는 물리 증착을 위한 증발 소스를 제조하는 방법.

제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,

알루미늄은 백킹 플레이트를 위한 재료로 사용되는 것을 특징으로 하는 물리 증착을 위한 증발 소스를 제조하는 방법.

제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 형성은 단조 프레스에서 단조에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 물리 증착을 위한 증발 소스를 제조하는 방법.

제 3 항에 있어서,

상기 형성은 400 ℃ 및 450 ℃ 사이의 온도로 단조 프레스에서 단조에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 물리 증착을 위한 증발 소스를 제조하는 방법.

제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 형성은 압출에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 물리 증착을 위한 증발 소스를 제조하는 방법.

제 3 항에 있어서,

상기 형성은 400 ℃ 및 450 ℃ 사이의 온도로 압출에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 물리 증착을 위한 증발 소스를 제조하는 방법.