KR20040029485A - 조직화된 그레인 분말 야금 탄탈륨 스퍼터 타겟 - Google Patents

조직화된 그레인 분말 야금 탄탈륨 스퍼터 타겟 Download PDF

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Abstract

스퍼터 타겟(10)은 압밀 탄탈륨 분말로 형성된 탄탈륨 그레인과 스퍼터면(16)을 갖는 탄탈륨 본체(12)를 포함한다. 스퍼터면(16)은 기판(20)을 코팅하기 위해 탄탈륨 원자를 스퍼터면(16)으로부터 이격되게 전달하는 원자 전달 방향(D)을 갖는다. 탄탈륨 그레인은 스퍼터링 균일도를 증가시키기 위해 스퍼터면(16)으로부터 이격되는 원자 전달 방향으로 적어도 40%의 (222) 방향 지향률과 14% 미만의 (110) 방향 지향률을 갖는다.

Description

조직화된 그레인 분말 야금 탄탈륨 스퍼터 타겟{TEXTURED-GRAIN-POWDER METALLURGY TANTALUM SPUTTER TARGET}
종래의 탄탈륨 스퍼터 타겟은 주조 및 열기계적 처리에 의해 제조되어 스퍼터 타겟의 표면을 가로질러 그리고 타겟의 단면을 통해 (200) 및 (222) 결정 방향의 교호식 밴드를 나타낸다. 예컨대, 타겟의 표면은 종종 (200) 방향에 가까운 밝은 명암의 교호식 그레인(grain)과, (222) 방향에 가까운 어두운 명암의 그레인을 나타낸다. 유감스럽게도, (200) 조직 밴드(texture band)는 (222) 조직 밴드보다 더 낮은 스퍼터 수율(yield)을 가져서, 기판 내에 다양한 두께의 탄탈륨 스퍼터 층을 가지게 된다. 예컨대, 49 지점 테스트의 스퍼터링된 필름의 시트 저항 균일도는 통상 2% 1 시그마와 3% 1 시그마(또는, 하나의 표준 편차) 사이의 범위이다. 이러한 불균일한 탄탈륨 층은 스퍼터링 두께를 증가시켜, 제작자가 두꺼운 영역을 제거하게 하는 원인이 될 수 있다. 또한, 탄탈륨 두께의 편차는 종종 스퍼터링된 탄탈륨 필름을 필요한 용도에 사용할 수 없게 한다.
과거에는, 제작자가 그레인 방향을 제어하는 그레인 성장 기술을 사용해 왔다. 예컨대, 던(Dunn) 등에게 허여된 미국 특허 제3,335,037호는 탄탈륨 포일을 생성하는 압연/그레인 재결정화 방법을 개시한다. 이러한 방법은 탄탈륨 포일을 생성하도록 (110) 방향을 최대화한다. 이러한 제품의 두께 및 그레인 방향은 스퍼터 타겟 제조에는 부적절하다.
쟝(Zhang)에게 허여된 미국 특허 제6,193,821호는 순수 탄탈륨 빌릿(billet)을 스퍼터 타겟으로 변형시키는 열기계적 처리를 개시한다. 이러한 공정은 우선 측면 단조 또는 측면 압연에 의하고, 그 후에 업셋 단조 또는 업셋 전조에 의한다. 상기 공정은 주로 (222) 조직을 갖고 그레인 크기가 25 ㎛ 미만인 스퍼터 타겟을 생성한다. 이러한 공정은 주조 탄탈륨 타겟으로부터 형성된 타겟과 관련된 모든 밴딩(banding) 효과를 제거시키거나 또는 (222) 조직을 스퍼터 타겟의 표면에 수직한 방향으로 정렬시키는 것으로 보이지 않는다.
다른 열기계적 공정에서, 미칼럭(Michaluk) 등에게 허여된 국제 특허 공개 공보 제WO 00/31310호는 탄탈륨 스퍼터 타겟을 주조하여 처리하는 공정을 개시한다. 이러한 공정은 블랭크의 두께 전체를 통해 최소의 (200) 내지 (222) 조직 밴딩을 포함하여 스퍼터 타겟의 표면에 수직한 방향으로 (222) 조직을 주로 갖는 탄탈륨 블랭크를 생성한다. (상기 명세서는, 체심 입방체(bcc) 격자에서 h+k+l가 0이 아닌 강도를 갖도록 반사에 대해 동일한 짝수여야 하고 h+k+l이 홀수일 때 bcc 격자는 조직 결핍을 일으키는, 종래 기술의 방향에 관한 것이다. 예컨대, 상기 명세서는 다른 종래 기술에서 인용된 (111) 및 (100) 방향이 아닌 (222) 및 (200) 방향에 대한 것이다.) 유감스럽게도, (222) 및 (200) 방향만을 제어하는 것은 필요한 그레인 방향 또는 대부분의 엄격한 스퍼터링 용도에 요구되는 제어를 제공하지 못한다.
본 발명은 탄탈륨 스퍼터 타겟(sputter target) 분야에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 분말 야금 탄탈륨 스퍼터 타겟에 관한 것이다.
도1은 조직화된 그레인 분말 야금 탄탈륨 스퍼터 타겟의 개략적인 평면도이다.
도2는 평면 2-2를 따라 취해진 도1의 스퍼터 타겟의 개략적인 단면도이다.
스퍼터 타겟은 압밀된 탄탈륨 분말로 형성된 탄탈륨 그레인을 갖는 탄탈륨 본체 및 스퍼터면을 포함한다. 기판을 코팅하기 위해 스퍼터면은 탄탈륨 원자를 스퍼터면으로부터 이격시키는 원자 전달 방향을 갖는다. 탄탈륨 그레인은 스퍼터링 균일도를 향상시키기 위해 스퍼터면으로부터 이격되는 원자 전달 방향으로 적어도 40%의 (222) 방향 지향률과 15% 미만의 (110) 방향 지향률을 갖는다.
(222) 방향 지향률을 최대화시키고 (110) 방향 지향률을 최소화시키도록 제조된 조직화된 그레인 분말 야금 탄탈륨 타겟은 종래 기술로 가공된 탄탈륨 타겟과 비교하여 시트 저항 균일도가 현저히 개선된다. 이를 위해, 지향률은 %로 표시되어 전체 그레인에 대한 특정 그레인 방향의 상대적인 비율로 정의된다. 예컨대, 그레인 방향은 X-선 피크 강도를 측정하여, 이를 분말 회절 표준 연합 위원회(JCPDS) 카드 목록의 X-선 피크치의 관련 세기로 나누어 계산될 수 있다. 그후, 이러한 비율은 100%를 곱하여 표준화되고, 즉, 강도와 그에 대응하는 관련강도 사이의 모든 그레인 지향률의 합으로 나눈다.
도1 및 도2를 참조하여, 일반적인 타겟(10)은 탄탈륨 본체(12) 및 지지판(14)을 포함한다. 유리하게는, 지지판(14)은 제조 비용을 낮추고 타겟의 기계 강도를 증가시키기 위해 구리, 구리 합금 또는 알루미늄 합금 구조를 갖는다. 탄탈륨 본체(12)는 스퍼터면(16)을 갖는다. 기판(20)을 코팅하기 위해 스퍼터면은 탄탈륨 원자를 스퍼터면(16)으로부터 이격되게 운반하는 원자 전달 방향(D)을 갖는다. 타겟은 조직화된 그레인을 위한 기준 방향으로서 원자 전달 방향을 사용한다. 매우 유리하게는, 원자 전달 방향(D)은 스퍼터면(16)에 수직이다.
조직화된 그레인 분말 야금 탄탈륨 타겟은 바람직하게는 그레인을 원자 전달 방향을 갖는 (222) 방향으로 정렬시킨다. (222) 방향은 bcc 결정 구조를 위한 조밀 충진 방향이다. 타겟은 스퍼터링 균일도를 개선하기 위해 적어도 약 40%의 (222) 방향 지향률을 갖는다. 유리하게는, 타겟은 스퍼터링 성능을 더욱 개선시키기 위해 적어도 약 45%의 (222) 방향 지향률을 갖는다. 가장 유리하게는, 타겟은 효과적인 스퍼터링을 촉진시키기 위해 적어도 약 50%의 (222) 방향 지향률을 갖는다. 실험적인 탄탈륨 스퍼터링은, 스퍼터링 성능이 원자 전달 방향으로 더 큰 (222) 방향의 그레인 정렬에 의해 증가하는 것을 나타낸다. 그러나, (222) 방향만을 최대화하는 것은 뛰어난 스퍼터링 균일도를 갖는 스퍼터 타겟을 생성하기에는 불충분하다.
(222) 방향을 갖는 그레인을 최대화시키는 것과 함께, 스퍼터 타겟은 원자 전달 방향으로 정렬된 (110) 방향을 갖는 그레인을 최소화시켜야 한다. 예컨대,(222) 방향 그레인의 비교적 높은 지향률과 약 25%의 (110) 방향 지향률을 갖는 분말 야금 타겟은 통상의 가공된 스퍼터 타겟과 동일한 스퍼터링 성능을 갖는다. (110) 방향 지향률을 원자 전달 방향으로 약 15% 미만으로 유지하는 것은 우수한 스퍼터링 결과를 이루기 위해 중요하다. 유리하게는, 스퍼터 타겟은 스퍼터링 균일도를 더욱 최대화하기 위해 원자 전달 방향으로 약 10% 미만의 (110) 방향 지향률을 갖는다. 가장 유리하게는, 스퍼터 타겟은 스퍼터링 균일도를 더욱 최대화시키기 위해 원자 전달 방향으로 약 5% 미만의 (110) 방향 지향률을 갖는다. 또한, 탄탈륨 분말 압밀의 주의깊은 제어와 후속 처리는 원자 전달 방향으로 약 3% 미만의 (110) 방향 배열을 유지시킨다.
(222) 및 (110) 방향과 달리, (200), (211) 및 (310) 방향들은 스퍼터링 성능에 대해 최소의 효과를 갖는다. 유리하게는, 타겟이 스퍼터링 균일도를 유지하도록 원자 전달 방향과 정렬된 (200), (211) 및 (310) 방향들의 지향률을 각각 약 30% 미만으로 유지한다. 가장 유리하게는, 타겟은 스퍼터링 균일도를 유지하도록 원자 전달 방향과 정렬된 (200), (211) 및 (310) 방향들의 지향률을 각각 약 25% 미만으로 유지한다.
압밀 분말로부터 탄탈륨 본체를 형성하는 것은 가공된 스퍼터 타겟과 종종 연관되는 가시적인 (200) 내지 (222)의 밴딩을 제거한다. 밴딩을 제거하는 것은 스퍼터 막 균일도를 추가로 증가시킨다. 또한, 스퍼터 타겟은 선택적으로 약 1.5 미만의 그레인 종횡비를 갖는다. 이러한 상세에 있어서, 종횡비는 두께 방향에서 측정된 그레인 길이를 스퍼터면의 평면과 평행한 방향에서 측정된 그레인 길이로나눈 것이다. 가장 유리하게는, 종횡비는 1.3 미만이다.
예1
이하의 표는 10cm(4inch)의 직경 타겟을 갖는 MRC에 의해 제조된 603 일괄(batch) 스퍼터 시스템에서 수행된 예비적인 실험을 요약하고 있다. 이 시스템에서의 스퍼터 테스트는 15kWh의 640W의 전원에서 1000Å의 막 두께에 상응하는 16cm/min의 웨이퍼 스캔 속도와, 10mTorr의 챔버 압력과, 타겟과 웨이퍼의 간격을 5.1cm(2.0inch)로 하여 수행되었다. 시트 저항은 6mm의 에지를 제외한 75mm의 직경을 갖는 실리콘 산화물 웨이퍼 상의 9개의 지점에서 측정되었다.
이러한 상세에 있어서, 문자로된 타겟은 비교 예를 나타내고, 숫자로 된 타겟은 본 발명의 예들을 나타낸다. 스퍼터링 조건이 최적화되지는 않았지만, 모든 실험들은 동일한 조건 하에서 수행되었으며, 그 결과 주조 및 열기계적으로 처리된 기준 타겟(타겟 A)과 다양한 분말 야금 타겟(타겟 B 내지 타겟 G 및 타겟 1) 사이의 비교가 가능하다. 이 예들에 포함된 지향률은 상술된 바와 같이 X선 피크 강도로부터 계산된다.
표1
10cm(4inch) 스퍼터 타겟
(222) 방향의 높은 지향률과 (110) 방향의 낮은 지향률을 갖는 타겟 1은 최적의 스퍼터와 미세조직 특성을 나타내었다. 그 후, 이클립스 스퍼터 시스템(Eclipse sputter system)에서 30cm(12inch) RMX-12 타겟으로 실제 크기의 테스트를 위해 이러한 타겟의 제조 파라미터가 선택되었다.
예2
분말 야금 RMX-12 스퍼터 타겟은 40 내지 50 미크론(micron)의 평균 그레인 크기와 높은 (222) 결정학적 지향률을 나타냈다.
이클립스 시스템에서의 스퍼터 테스트는 50kWh의 10kW 전원과, 60초의 증착 시간과, 100sccm의 아르곤 유동 속도와, 15mTorr의 챔버 압력과, 150℃의 웨이퍼 온도와, 6.4cm(2.5inch)의 타겟 대 웨이퍼 간격으로 수행되었다. 시트 저항은 에지 6mm를 제외하고 150mm의 직경을 갖는 실리콘 산화물 웨이퍼 상의 49개의 지점에서 측정되었다.
표2는 주조 및 열기계적 처리(타겟 G)에 의해 제조된 종래의 타겟과, 단조된 타겟(타겟 2) 및 단조되지 않은 타겟(타겟 3)의 두 개의 분말 야금 타겟의 그레인 방향 데이터를 요약하고 있다.
표2
표2는 조직화된 그레인 분말 야금 타겟들로 얻어진 (222) 방향 지향률과 (110) 방향 지향률의 상당한 차이를 도시한다. 또한, 조직화된 그레인 분말 야금 타겟은 주조 및 가공된 제품과 종종 관련되는 해로운 (200) 내지 (222) 밴딩이 없었으며, 이러한 타겟들은 50 체적%의 플루오르화수소산과 50 체적%의 과산화수소의 용액에서의 매크로(macro)-에칭 후 확대 없이도 볼 수 있는 임의의 (200) 내지 (222) 밴딩을 포함하지 않았다. 또한, 매크로-에칭된 타겟은 전자 백-스캐터링 회절법(Electron Back-Scattering Diffraction)(EBSD)에 의해 탐지될 수 있는 임의의 밴딩(200 내지 222)을 포함하지 않는다(EBSD는 전체 두께에 걸쳐 타겟의 그레인 방향을 결정한다).
표3은 표2의 타겟에 대한 1 시그마 시트 저항 균일도 데이터를 요약하고 있다.
표3
분말 야금 스퍼터 타겟 2는 이론적인 밀도에 근접하는 밀도로 분말의 압밀, 압연, 풀림, 지지판에 대한 납땜 접합 및 기계가공에 의해 제조되었다. 타겟 3을 위한 타겟 2의 압연 단계 이전에 선택적인 단조 단계를 추가하는 것은 스퍼터링된타겟 표면의 외양 또는 스퍼터링된 막의 시트 저항 균일도에 대한 큰 영향을 나타내지 않았다. 조직화된 스퍼터 타겟 2, 3은 각각 RMX형 자석을 사용하여 회전 마그네트론 스퍼터링 챔버에서 최대 약 1.5% 미만의 1 시그마 시트 저항 균일도로 기판을 코팅했다.
이론적 밀도에 근접하는 밀도로 분말의 압밀, 그후의 압연과 풀림에 의해 제조된 탄탈륨 스퍼터 타겟은 교호식 조직 밴드를 나타내지 않았으며, 상당히 개선된 시트 저항 균일도를 나타냈다. 타겟 블랭크(blank)를 제작하는 예들이 주어져 있지만, 타겟 블랭크들이 상이한 방법을 사용하여 제작될 경우에도 본 발명이 유사한 효과를 가지고 사용될 수 있는 것은 주목할 만하다. 블랭크 제작 방법은 압연, 단조, 프레스 가공 및 이들의 조합을 포함하지만, 이에 제한되지는 않는다.
표2와 표3에 도시된 바와 같이, (110)과 (222)의 결정학적 방향을 신중하게 제어하는 것은 스퍼터링 결과를 개선시킨다. 특히, 높은 (222) 방향과 조합된 낮은 (110) 결정학적 방향을 갖고 교호식 (222) 및 (200) 조직 밴드가 없는 조직화된 그레인 분말 야금 스퍼터링 타겟은 종래의 가공된 타겟에 비해 개선된 스퍼터 성능을 갖는다. 예컨대, 이러한 타겟들은 2.7% 위로부터 1.1%와 1.5 %(1 시그마) 사이까지의 낮은 시트 저항 균일도의 스퍼터링된 막을 갖는다.
많은 가능한 실시예들이 본 발명의 범주 안에서 본 발명에 의해 이루어질 수 있기 때문에, 본 명세서에 설명된 모든 내용들은 설명적인 것으로 해석되며 제한적인 의미가 아니라는 것을 이해해야 한다.

Claims (10)

  1. 탄탈륨 스퍼터 타겟(10)이며,
    탄탈륨 분말을 압밀하여 형성된 탄탈륨 그레인을 갖는 탄탈륨 본체(12)를 포함하고,
    탄탈륨 본체(12)는 스퍼터면(16)을 가지고,
    스퍼터면(16)은 기판(20)을 코팅하도록 탄탈륨 원자들을 스퍼터면(16)으로부터 멀리 전달하기 위한 원자 전달 방향(D)을 가지고,
    탄탈륨 그레인은 스퍼터링 균일도를 증가시키기 위해 스퍼터면(16)으로부터 멀어지는 원자 전달 방향(D)으로 적어도 약 40%의 (222) 방향 지향률과 약 15% 미만의 (110) 방향 지향률을 갖는 스퍼터 타겟.
  2. 제1항에 있어서, 원자 전달 방향(D)은 스퍼터면(16)과 수직인 스퍼터 타겟.
  3. 제1항에 있어서, 그레인들은 원자 전달 방향(D)으로 적어도 약 45%의 (222) 방향 지향률과 약 10% 미만의 (110) 방향 지향률을 갖는 스퍼터 타겟.
  4. 제1항에 있어서, 그레인들은 약 30% 미만의 (200) 방향 지향률과, 약 30% 미만의 (211) 방향 지향률과, 약 30% 미만의 (310) 방향 지향률을 갖는 스퍼터 타겟.
  5. 탄탈륨 스퍼터 타겟(10)이며,
    탄탈륨 분말을 압밀하여 형성된 탄탈륨 그레인을 갖는 탄탈륨 본체(12)를 포함하고,
    탄탈륨 본체(12)는 스퍼터면(16)을 가지고,
    스퍼터면(16)은 기판(20)을 코팅하도록 탄탈륨 원자들을 스퍼터면(16)으로부터 멀리 전달하기 위한 원자 전달 방향(D)을 가지고,
    탄탈륨 그레인들은 스퍼터링 균일도를 증가시키도록 스퍼터면(16)으로부터 멀어지는 원자 전달 방향(D)으로 적어도 약 45%의 (222) 방향 지향률과, 약 30% 미만의 (200) 방향 지향률과, 약 30% 미만의 (211) 방향 지향률과, 약 30% 미만의 (310) 방향 지향률과, 약 10% 미만의 (110) 방향 지향률을 갖는 스퍼터 타겟.
  6. 제5항에 있어서, 원자 전달 방향(D)은 스퍼터면(16)과 수직인 스퍼터 타겟.
  7. 제5항에 있어서, 그레인들은 원자 전달 방향(D)으로 적어도 약 50%의 (222) 방향 지향률과 약 5% 미만의 (110) 방향 지향률을 갖는 스퍼터 타겟.
  8. 제5항에 있어서, 그레인들은 약 25% 미만의 (200) 방향 지향률과, 약 25% 미만의 (211) 방향 지향률과, 약 25% 미만의 (310) 방향 지향률을 갖는 스퍼터 타겟.
  9. 탄탈륨 스퍼터 타겟(10)이며,
    탄탈륨 분말을 압밀하여 형성된 탄탈륨 그레인을 갖는 탄탈륨 본체(12)를 포함하고,
    탄탈륨 본체(12)는 스퍼터면(16)을 가지고,
    스퍼터면(16)은 기판(20)을 코팅하도록 탄탈륨 원자들을 스퍼터면(16)으로부터 멀리 전달하기 위한 원자 전달 방향(D)을 가지고,
    탄탈륨 그레인들은 스퍼터링 균일도를 증가시키도록 스퍼터면(16)으로부터 원자 전달 방향(D)으로 적어도 약 50%의 (222) 방향 지향률과, 약 25% 미만의 (200) 방향 지향률과, 약 25% 미만의 (211) 방향 지향률과, 약 25% 미만의 (310) 방향 지향률과, 약 5% 미만의 (110) 방향 지향률을 가지며,
    탄탈륨 본체(12)는 전자 백-스캐터링 회절에 의해 탐지 가능한 (200) 내지 (222) 방향 밴딩이 없는 스퍼터 타겟.
  10. 제9항에 있어서, 스퍼터 타겟(10)은 RMX형 자석을 사용하는 회전 마그네트론 스퍼터링 챔버 내에서 최대 약 1.5%의 1 시그마 시트 저항 균일도로 기판(20)을 코팅하는 스퍼터 타겟.
KR1020047003959A 2001-09-18 2002-08-21 조직화된 그레인 분말 야금 탄탈륨 스퍼터 타겟 KR100903892B1 (ko)

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