KR20040032907A - 스퍼터 타겟의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스퍼터 타겟의 제조방법에 관한 것으로, 타겟홀더(12)를 설치하고, 중간층(14)을 타겟홀더에 형성시키며, 타겟물질보다 높은 용융점을 가진 물질로 이루어진 상층(16)을 중간층(14)의 상측에 형성시키고, 중간층 및 상층으로 코팅된 타겟홀더를 가열하는 단계로 이루어진다.

Description

스퍼터 타겟의 제조방법{A PROCESS FOR THE MANUFACTURING OF A SPUTTER TARGET}

기술분야

본 발명은 스퍼터 타겟의 제조방법에 관한 것이다.

배경기술

타겟 조합체는 통상적으로 판 또는 튜브와 같은 타겟홀더를 구비하고 있으며, 타겟홀더의 외주면으로 타겟물질이 형성되어서 하나의 층을 이루게 된다.

열분사(thermal spray)방법이 타겟물질을 타겟홀더에 형성시키는데 자주 사용되고 있다. 경우에 따라서는, 금속 타겟물질이 타겟홀더상에서 주조된다.

주조방법에 의하여 얻어진 아연 타겟은 어느 정도 고밀도를 이루지만, 각각의 입자사이의 결합이 약하게 되는 결점을 가질 수 있다.

발명의 요약

본 발명의 목적은 스퍼터 타겟의 제조방법을 제공하는 것이다. 타겟물질로서 사용되는 초기물질 또는 이러한 타겟물질을 형성시키는데 사용되는 종래의 방법에 비해서, 많은 응용성을 가진 방법 및 고밀도를 가진 타겟을 제조하는 방법을 제공하는 것이 본 발명의 목적이다.

본 발명의 목적은 또한 타겟홀더와 타겟물질사이 및 타겟물질의 입자사이의 양호한 결합성을 가진 타겟을 제조하는 방법을 제공하는 것이다. 이러한 방법은 또한 타겟물질이 고순도를 갖도록 정제하는데 사용될 수 있다.

본 발명의 또 다른 목적은 낮은 온도 및/또는 압력에서 타겟물질을 타겟홀더에 형성시키는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 제 1 실시예로서 스퍼터 타겟의 제조방법은,

타겟홀더를 설치하고,

중간층을 타겟홀더상에 형성시키며,

중간층의 용융점보다 높은 용융점을 가진 금속으로 이루어진 상층을 중간층의 상측에 형성시키고,

중간층 및 상층으로 코팅된 타겟홀더를 가열시키는 단계로 구성된다.

상기 방법은 또한 상층을 제거하는 단계를 포함할 수 있다.

가열하는 동안 상층에 의해서 중간층이 타겟홀더에 지지되기 때문에, 중간층이 타겟홀더로부터 떨어져 나가는 것을 방지할 수 있다. 따라서, 타겟은 상층의 융용점보다 낮은 온도에서 가열된다.

더우기, 상층은 중간층을 보호하는 층으로 작용함으로써, 중간층이 산화되거나 오염되는 것을 방지한다. 상층이 보호층으로 작용할 경우에는, 스퍼터 타겟을 사용자가 필요로 하는 장소에서 사용하기 직전에 상층을 제거하는 것이 바람직하다.

상기 방법은 또한 중간층과 상층사이에 이형층(release layer)을 형성시키는 단계를 포함할 수 있다. 이러한 이형층의 기능은 상층의 용이한 제거 및/또는 중간층과 상층사이의 확산방지이다.

중간층이나 상층의 어느 것도 타겟물질로 작용할 수 있다.

타겟홀더는 스퍼터 타겟을 지지하고 냉각시키는 작용을 한다. 적절한 예로서, 타겟홀더는 스테인레스스틸의 튜브로 이루어질 수 있다.

중간층은 금속, 금속합금 또는 금속 산화물로 이루어질 수 있고, 아연 또는 아연/주석과 같은 합금, 티타늄산화물, 인듐 또는 인듐/주석 산화물(ITO)과 같은 인듐산화물 등으로 이루어질 수 있다.

중간층이 타겟물질로 작용할 경우, 선택적으로 중간층은 타겟홀더와 상층사이의 접작층으로 형성될 수 있다.

중간층은 열분사 또는 디핑(dipping)과 같은 여러 방법에 의해서 타겟홀더상에 형성될 수 있다. 선택적으로, 타겟물질은 타겟홀더를 감쌀 수 있다. 감싸여진 타겟물질은 하나 이상의 금속포일, 금속스트립 또는 금속와이어 등으로 이루어질 수 있고, 또한 이들의 조합에 의해서도 이루어질 수 있다.

또한 와이어의 번치와인딩(bunch winding)이 중간층을 형성시키는데 적합한 방법이 될 수 있다. 동일하거나 상이한 조성물로 이루어진 와이어를 번치와인딩함으로써, 타겟홀더의 둘레를 감는다. 와이어는 평면 또는 직각 단면을 갖는 것이 바람직하다. 이 분야의 숙련공에게는, 번치와인딩이 포일, 스트립 또는 와이어와 같이 여러 형태로 조합되어 감겨질 수 있거나, 분말의 형태와 조합될 수 있다.

중공형 와이어를 사용할 경우, 금속분말의 형태로 다른 금속이 채워질 수 있다. 이러한 금속분말은 하나 이상의 도핑성분으로 이루어질 수 있다.

타겟홀더에 중간층을 형성시키는 다른 방법으로는 타일, 링, 조각 부품등과 같은 세그먼트를 적용하는 것이다. 이러한 세그먼트는 적당한 형상을 갖도록 하여 타겟홀더 및/또는 인접한 세그먼트와 잘 조립되도록 하는 것이 바람직하다.

고가의 물질을 사용할 경우에는 포일, 스트립, 와이어 또는 세그먼트를 적용하는 것이 매우 적합한 바, 이는 적용기술에 의한 물질의 손실을 최소로 줄일 수 있기 때문이다.

중간층은 단층이나 다층의 형태로 구성될 수 있다.

다층으로 이루어질 경우, 이러한 층은 동일한 물질, 즉 동일한 금속, 금속합금 또는 금속산화물로 이루어질 수 있고, 선택적으로 다른 물질을 포함할 수도 있다. 다층은 상이한 방법에 의해서 형성될 수 있는 바, 제 1 층은 분사에 의해서 형성시키고, 제 2 층은 제 1 층이 형성된 타겟홀더의 둘레를 포일이나 와이어로 감싸서 형성시킬 수 있다.

상층은 상대적으로 높은 용융점을 가진 금속, 금속합금 또는 금속산화물로 형성될 수 있다. 상층의 용융점은 중간층보다 상당히 높은 것이 바람직하고, 그 차이가 최소한 100 ℃ 이상을 이루는 것이 더욱 바람직하다. 또한 용융점의 차이가 최소한 200 ℃ 를 넘는 것이 가장 바람직하다.

상층은 또한 중간층을 완전히 감싸도록 하여, 이를 주위 환경으로부터 보호할 필요가 있다.

적절한 예로서, 스테인레스스틸을 중간층상에 분사하여 상층을 형성시킬 수 있다.

다른 예로서, 상층을 용융점이 높은 몰리브덴, 텅스텐 또는 이들의 금속합금으로 형성시킬 수 있다.

통상적으로, 상층은 공지된 기술을 이용하여 형성시킬 수 있으며, 열분사 또는 디핑과 같은 방법을 이용하는 것이 적절하다.

가열단계는 모든 가열방법을 이용하여 타겟 조합체를 원하는 온도까지 가열시킬 수 있다. 상층은 타겟물질이 타겟홀더로부터 흘러내리는 것을 방지하고, 타겟물질을 보호하는 기능을 갖는다.

적절한 가열방법으로는 유도가열이 있다. 또한 저항가열, 전도가열, 전기방전가열 및 복사가열 등이 사용될 수 있다.

타겟은 부분가열법에 의해서 일부분만이 가열되는 것이 바람직하다. 이러한 부분가열법에 있어서는, 유도가열코일이 타겟 조합체를 링의 형태로 감싸고 있고 타겟 조합체의 축방향으로 이동된다. 선택적으로, 타겟 조합체가 고정된 유도가열코일에 대해서 이동될 수도 있다.

타겟 조합체는 가열되는 동안 회전되는 것이 바람직하다.

타겟은 가열단계에서 수평이나 수직으로 놓여있을 수 있지만, 대개의 경우에는 수직으로 놓이는 것이 바람직하다. 가열단계에서 중간층을 고르게 혼합하거나 중간층을 여러 구성성분으로 이루는 경우에는 수평으로 놓이는 것이 바람직하고, 서서히 경화되기를 원하는 경우나 이하 상세히 기술되는 바와 같이 중간층의 순도를 높이기 원하는 경우에는 수직으로 놓이는 것이 바람직하다. 제 1 가열단계에서는 타겟을 수평으로 하고 그 후의 가열단계에서는 수직으로 타겟을 위치시키는 것이 바람직하다.

가열단계나 가열후에는 물을 순환시켜서 타겟 조합체를 냉각시킨다. 타겟 조합체는 내측이나 외측으로부터 냉각되거나 내측 및 외측으로부터 동시에 냉각될 수 있다.

제 1 실시예로서, 중간층의 최소한 하나의 구성성분을 용융시키기 위한 가열방법이 있다. 이 경우에는, 타겟 조합체를 중간층의 용융점과 같거나 그 이상되게 가열하거나 중간층의 최소한 하나의 구성성분 용융점보다 낮은 온도로 가열하는 것이 바람직하다. 가열후에 타겟 조합체를 냉각시켜 중간층의 원하는 특성을 얻는다.

타겟을, 중간층의 하나의 구성성분 용융점과 같거나 높은 온도이지만 중간층의 다른 구성성분의 용융점보다는 낮은 온도로 가열할 경우, 상기 하나의 구성성분이 다른 구성성분에 매몰되는 물리적 특성이 일어난다. 이러한 경우로는 아연, 및 이산화티타늄이나 부족당량적(substoichiometric) 이산화티타늄과 같은 티타늄산화물로 이루어진 중간층을 아연의 용융점보다 높은 온도로 가열할 경우가 있다.

가열 및 이어지는 냉각에 의해서, 중간층 물질의 재결정이 이루어지고 이러한 재결정에 의해서 또한 거의 균일한 입자들이 얻어진다.

가열 및 냉각방법은 용융 및 재결정된 물질에 직접적인 영향을 주는 바, 예를 들어 격자구조, 입자크기와 입자방향성과 같은 입자특성, 및 입자분포에 영향을 끼친다. 입자의 방향성은 타겟홀더의 종축방향에 수직방향을 이루거나 이에 근접한 수직방향을 이루는 것부터 타겟홀더의 종축방향과 동일하거나 근접한 방향을 이루는 것까지 여러 방향성을 가질 수 있다. 종축방향으로 가열 및 냉각공정을 행함으로써, 입자는 타겟홀더의 종축방향과 동일하거나 이와 비슷한 방향성을 갖게 된다. 가열단계는 유도가열코일을 타겟 조합체의 종방향으로 한번 이상 가로지르도록 반복된다. 따라서, 이러한 경우에는 타겟홀더의 종축방향에 대하여 수직을 이루거나 이와 비슷한 방향성을 입자들이 갖게 된다.

중간층의 물질밀도는 가열 및 냉각단계가 수행된 후에는 증가한다. 바람직하게는 중간층의 밀도가 92 % 이상, 더욱 바람직하게는 95 % 이상, 가장 바람직하게는 98 % 이상 즉 99 % 가 된다.

상대밀도는 다음의 식으로 정의된다.

벌크밀도(g/㎤)는 실제 준비된 물질의 크기 및 무게로부터 계산된 실헙값이고, 실제밀도는 그 물질의 이론값이다.

제 2 실시예는 두 개 이상의 구성성분 또는 두 개 이상의 층 사이에 확산을 발생시키는 것이다. 이 경우에는, 중간층을 용융시킬 필요가 없다. 타겟을 확산이 일어날 정도로 가열하는 바, 대개 이때의 온도는 중간층의 용융점 및/또는 상층의 용융점보다 낮다. 확산은 두 물질성분사이에서 발생되거나, 타겟홀더와 중간층사이 또는 중간층과 상층사이에서 발생될 수 있다. 타겟홀더, 중간층 및 상층사이에서 또한 확산이 발생될 수 있다.

물질사이의 확산은 두 개의 다른 형태인 와이어, 포일 또는 스트립을 타겟홀더에 감고 이들 와이어, 포일 또는 스트립 사이에 확산이 일어나는 온도까지 타겟 조합체를 가열하는 매몰(embodiment)방식으로 얻어진다.

바람직한 매몰은 아연 및 주석 와이어의 확산이나 아연 및 주석 타일의 확산에 의해서 얻어진 아연/주석 타겟으로 이루어진다. 이 방법으로, 타겟물질로서 아연/주석을 다른 방법에 의해서는 가하여질 수 없는 양만큼이나 주석을 타겟물질에 첨가할 수 있다. 또한, 통상적으로 달성될 수 없는 아연 및 주석의 확산이 아연입자를 주석에 매몰시켜서 달성될 수 있다.

본 발명에 따른 금속 타겟의 제조방법에 대한 주요 장점은 중간층으로 사용되는 물질(분사된 물질, 분말, 와이어, 포일, 세그먼트 등) 또는 중간층을 형성시키는 방법(분사, 디핑, 코일링 등)에 비해서, 많은 유연성을 가진 방법을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 방법의 다른 장점으로는 타겟물질의 특성에 영향을 줄 수 있는 방법의 유연성으로, 예를 들면 가열 및 냉각방법, 중간층 및/또는 상층의 형성방법을 여러 형태로 변형시킬 수 있는 것이다. 결정격자, 입자크기와 같은 입자특성, 입자확산, 입자방향성 및 타겟물질의 밀도는 가열 및/또는 냉각단계에서 결정되거나 중간층 및/또는 상층의 형성단계에서 결정된다는 것을 명확히 알 수 있다. 가열공정은 원하는 특성을 얻기위해서 온도, 시간, 위치 및/또는 형태를 조정될 수 있다.

본 발명에 따른 방법의 또 다른 장점은 타겟물질을 낮은 온도 및/또는 압력에서 타겟홀더에 형성시킬 수 있는 것이다.

본 발명에 따른 방법에 의해서 제조된 타겟은 각각의 입자사이에 양호한 결합력을 갖는 특성이 있다.

가열에 의해서, 확산층이 타겟홀더와 중간층사이에 형성될 수 있다.

가열공정은 또한 중간층 물질을 정제하거나 순도를 높이는데 이용될 수 있다. 가열하는 동안 유도가열코일에 의해서 형성된 용융부는 유도가열코일이 타겟 조합체의 하단으로부터 상단으로 가로질러 이동함에 따라 타겟 조합체의 전체 길이를 통과하게 된다. 따라서, 기체와 불순물이 용융부에 녹아들어가서 용융부의 상향이동에 따라 같이 이동하게 된다.

타겟물질의 순도는 가열 및/또는 냉각하는 동안에 타겟 조합체를 진동시키거나 초음파를 가하여 더욱 향상될 수 있다.

원할 경우, 가열단계는 유도가열코일을 타겟 조합체의 전체 길이를 일회이상 가로질러 이동시키므로서 반복될 수 있다.

가열단계를 수행한 후, 상층을 기계적인 작동에 의해서 제거하는 것이 바람직하다. 상층을 제거한 후에는 타겟물질의 표면을 마무리 공정한다.

상층을 용이하게 제거하기 위해서는, 중간층과 상층사이에 이형층을 형성시키는 것이 바람직하다. 이러한 이형층은 페인트 또는 금속산화물이나 이들의 혼합으로 형성된다. 적합한 금속산화물로는 인산화지르코늄 또는 이산화알루미늄이 있다. 이형층은 중간층과 상층사이에 확산층이 형성되는 것을 방지하거나, 사용자 장소에서 스퍼터공정을 하기 바로 직전에 상층을 쉽게 제거할 수 있게 한다.

본 발명에 따른 타겟 제조방법은 금속 스퍼터링공정이나 반응성 스퍼터링공정에 특히 적합하다. 타겟으로부터 스퍼터된 금속원자가 산소와 같은 반응성기체나 질소, 아르곤, 헬륨과 같은 가스와 산소의 혼합물로 이루어진 반응성 기체와 반응하여서, 특정 기재에 증착되는 금속산화물을 형성한다.

본 발명에 따른 타겟은 재활용되거나 재사용될 수 있다. 이를 위해서는 사용된 타겟의 형태를 측정한 후에, 소비된 부분손실을 보충하기 위해 새로운 타겟물질이 가해진다. 따라서, 본 발명에 따른 타겟은 경제적인 장점을 갖는다.

본 발명을 첨부도면을 참조로 하여 이하 상세히 설명하기로 한다.

도면의 간단한 설명

도 1 은 본 발명에 따른 제조방법을 나타낸 사시도,

도 2 는 스퍼터 타겟의 단면도이다.

실시예

제 1 단계로 타겟 조합체(10)를 다음과 같이 제조한다. 아연으로 이루어진 중간층(14)을 스테인레스스틸의 튜브(12)에 분사하여 형성시킨다. 분사된 아연의 중간층(14)은 약 91 % 의 밀도를 갖는다. 아연이 타겟물질로 작용하고, 또한 중간층은 A1, Bi, Ce, GB, Nb, Nb, Si, Ti, V, Y, Zr, Sm 및 Sb 와 같은 하나 이상의 도핑성분을 포함할 수 있다. 도핑성분은 분말첨가법과 같은 간단한 방법으로 타겟물질에 첨가될 수 있다.

중간층(14)의 방사상 외측으로 분사에 의하여 스테인레스스틸의 상층(16)을 형성시켜서, 중간층(14)을 완전히 감싸게 한다.

유도가열코일(18)로 타겟 조합체를 감싸므로서, 용융부(B)을 발생시킨다.

더욱 균일하게 열이 가해지도록 하기 위해서는, 가열하는 동안에 타겟 조합체를 그 축 중심으로 회전시키는 것이 바람직하다.

가열되는 동안, 타겟 조합체는 뚜렷한 세 개의 영역, 즉 A, B 및 C 영역으로 구분된다. A 영역은 용융된 부분을 나타내고, B 영역은 용융되고 있는 부분을 나타내며 또한 C 영역은 아직 용융되지 않은 부분을 나타낸다. 타겟 조합체를 수직되게 위치시키고, 타겟 조합체를 둘러싸고 있는 유도가열코일을 타겟 조합체의 축방향에 대해서 상향으로 이동시키는 것이 바람직하다. 유도가열코일이 타겟 조합체를 가로질러 이동함에 따라, C 영역은 용융되어 B 영역으로 변화된다. 유도가열코일이 더욱 이동하면 B 영역이 굳어져서 A 영역으로 변화된다. B 영역이 점점 상향으로 이동함에 따라, A 영역은 증가하는 반면에 C 영역은 감소하게 되고 마침내는 타겟 조합체 전체가 A 영역으로 된다.

타겟 조합체가 가열되는 동안, 특히 중간층은 여러 변형상태를 거치게 된다.

가열 및 냉각과정에 의해서, 중간층은 재결정된다. 재결정된 중간층의 구조는 거의 균일한 입자로 이루어진다. 중간층의 불순물은 유도가열코일의 이동과 함께 상향으로 이동되어서, C 영역에 비해서 고순도의 A 영역이 얻어진다. 또한 홈 및 표면결함이 제거된다. 중간층의 가열 후 냉각된 A 영역은 92 % 이상의 고밀도, 예를 들어 98 % 이상의 고밀도를 갖는다.

본 발명의 방법에 따라 얻어진 아연 타겟의 각각의 금속입자 사이의 결합 및 고밀도는 선행기술과 비교하여 큰 장점을 갖는다. 예를 들어, 분사 또는 주조방법에 의해 얻어진 아연 타겟은 저밀도 및/또는 입자사이의 약한 결합성을 가진다.

저밀도 및/또는 약한 결합성은 스퍼터링에 있어서 단점을 갖는다. 아연입자사이의 높은 기공성 및 낮은 결합성으로 인해서, 짧은 스퍼터링 시간이 지나면 이미 커다란 캐비티가 아연입자들 사이에 발생되고 만다. 아연입자가 타겟으로부터 불필요하게 떨어지게 되고, 이는 스퍼터링공정을 방해하고 코팅되는 표면을 오염시키게 된다.

본 발명에 따른 방법에 의해서 얻어진 타겟의 또 다른 장점은 주조에 의해 얻어진 것과 같은 선행기술의 타겟에 비해서, 타겟홀더에 대하여 타겟물질이 양호한 결합을 갖는 것이다.

Claims (17)

1. 스퍼터 타겟의 제조방법에 있어서,

   타겟홀더를 설치하고,

   타겟홀더에 중간층(14)을 형성시키며,

   중간층(14)의 용융점보다 높은 용융점을 가진 물질로 이루어진 상층(16)을 중간층(14)상에 형성시키고,

   이러한 중간층(14) 및 상층(16)으로 코팅된 타겟홀더를 가열하는 단계로 이루어진 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 중간층(14) 및 상층(16)사이에 이형층(release layer)을 형성시키는 단계를 포함하고 있는 방법.
3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서, 상층(16)을 제거하는 단계를 포함하고 있는 방법.
4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한항에 있어서, 타겟홀더가 판(plate)으로 이루어진 방법.
5. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한항에 있어서, 타겟홀더가 튜브로이루어진 방법.
6. 제 5 항에 있어서, 타겟홀더가 스테인레스스틸의 튜브로 이루어진 방법.
7. 상기항 중 어느 한항에 있어서, 중간층(14)이 금속, 금속합금 또는 금속산화물로 이루어진 방법.
8. 상기항 중 어느 한항에 있어서, 중간층(14)을 분사 및 디핑(dipping)에 의해서 형성시키는 방법.
9. 제 1 항 내지 제 7 항중 어느 한항에 있어서, 최소한 하나의 와이어, 스트립 또는 포일을 타겟홀더 둘레에 감거나 타겟홀더상에 세그먼트를 가해서 중간층(14)을 형성시키는 방법.
10. 상기항 중 어느 한항에 있어서, 중간층(14)을 아연 또는 분사 아연합금을 분사하여 형성시키는 방법.
11. 상기항 중 어느 한항에 있어서, 상층(16)의 물질은 금속, 금속합금 또는 금속산화물로 이루어진 방법.
12. 상기항 중 어느 한항에 있어서, 상층(16)을 분사 또는 디핑에 의해서 형성시키는 방법.
13. 상기항 중 어느 한항에 있어서, 상층(16)이 중간층(14)의 상측에 분사된 스테인레스스틸로 이루어진 방법.
14. 제 2 항 내지 제 13 항 중 어느 한항에 있어서, 이형층이 금속산화물로 이루어진 방법.
15. 상기항 중 어느 한항에 있어서, 가열은 중간층(14)의 최소한 한 구성성분의 용융점보다 높거나 같은 온도까지 가열시키는 방법.
16. 제 1 항 내지 제 14 항 중 어느 한항에 있어서, 가열은 중간층(14)의 두 개 이상의 구성성분사이에 확산(diffusion)이 일어나도록 하는 온도까지 가열시키는 방법.
17. 상기항 중 어느 한항에 있어서, 가열은 유도가열(induction heating)로 이루어지는 방법.