KR20090049321A - Method of fabricating a sputtering target of zns composite and sputtering target of zns composite prepared thereby - Google Patents

Method of fabricating a sputtering target of zns composite and sputtering target of zns composite prepared thereby Download PDF

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Abstract

본 발명은 ZnS계 스퍼터링 타겟의 제조방법 및 이로써 얻어진 ZnS계 스퍼터링 타겟에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 ZnS 단독 또는 ZnS-SiO2 혼합 분말을 방전 플라즈마 소결 공정을 수행하여 ZnS계 스퍼터링 타겟의 제조방법 및 이로써 얻어진 ZnS계 스퍼터링 타겟에 관한 것이다.The present invention relates to a method for producing a ZnS-based sputtering target and to a ZnS-based sputtering target thus obtained, and more particularly, to a method for producing a ZnS-based sputtering target by subjecting ZnS alone or ZnS-SiO 2 mixed powder to discharge plasma sintering It relates to a ZnS-based sputtering target thus obtained.

상기 제조된 스퍼터링 타겟은 99% 이상의 밀도와 미세 결정립을 가지고, 기계적 특성이 우수할 뿐만 아니라 방전 플라즈마 소결 공정을 수행함에 따라 제조 공정 시간이 크게 단축되는 잇점이 있다.The prepared sputtering target has a density of 99% or more, fine grains, and excellent mechanical properties, and has an advantage of greatly shortening a manufacturing process time by performing a discharge plasma sintering process.

스퍼터링 타겟, 방전 플라즈마 소결, 미세 결정립 Sputtering Target, Discharge Plasma Sintering, Fine Grain

Description

ZnS계 스퍼터링 타겟의 제조방법 및 이로써 얻어진 ZnS계 스퍼터링 타겟{METHOD OF FABRICATING A SPUTTERING TARGET OF ZnS COMPOSITE AND SPUTTERING TARGET OF ZnS COMPOSITE PREPARED THEREBY}METHOD OF FABRICATING A SPUTTERING TARGET OF ZnS COMPOSITE AND SPUTTERING TARGET OF ZnS COMPOSITE PREPARED THEREBY}

본 발명은 99% 이상의 밀도와 미세 결정립을 가지고, 기계적 특성이 우수할 뿐만 아니라 방전 플라즈마 소결 공정을 수행함에 따라 제조 공정 시간이 크게 단축되는 잇점이 있는 ZnS계 스퍼터링 타겟의 제조방법 및 이로써 얻어진 ZnS계 스퍼터링 타겟에 관한 것이다.The present invention provides a method for producing a ZnS-based sputtering target having a density of 99% or more, fine grains, excellent mechanical properties, and greatly shortening a manufacturing process time by performing a discharge plasma sintering process, and the resulting ZnS-based sputtering target. It relates to a sputtering target.

광기록 매체의 보호막으로 널리 사용되는 ZnS-SiO2는 스퍼터링을 통해 박막 형태로 제조된다.ZnS-SiO 2, which is widely used as a protective film for optical recording media, is manufactured in a thin film form through sputtering.

최근, 광기록 매체의 수요증가에 의한 생산성 향상이 요구되고, 이로 인해 구성층의 증착 속도 고속화가 필요하여, 고출력 스퍼터의 사용이 일반화 되었다. 이러한 고출력 스퍼터의 사용은 타겟재의 균열 발생을 초래하여 수명을 단축시키는 문제점을 가지고 있다. In recent years, productivity improvement by increasing demand of optical recording media is required, and therefore, the deposition rate of a component layer needs to be speeded up, and the use of high output sputtering has become common. The use of such a high power sputter has a problem of shortening the life by causing cracking of the target material.

이에 최종제품의 기계적 특성을 향상시킬 목적으로 2차상의 재료를 첨가하여 복합재료를 제조하거나, 우수한 미세조직을 부여하기 위해 밀링과정을 거친 ZnS 단상이나 2차상을 가진 복합 분말을 사용하여 소결하게 되면 오히려 소결성이 저하되는 문제가 발생한다.Therefore, in order to improve the mechanical properties of the final product, the composite material is prepared by adding a secondary phase material, or sintered using a ZnS single phase or a composite powder having a secondary phase milled to give an excellent microstructure. Rather, there is a problem that the sinterability is lowered.

한편 ZnS-SiO2 박막을 제조하기 위해 사용되는 ZnS 또는 ZnS-SiO2 스퍼터링 타겟은 일반적으로 열간 압축법에 의해 제조된다. Meanwhile, ZnS or ZnS-SiO 2 sputtering targets used to prepare ZnS-SiO 2 thin films are generally manufactured by hot compression.

상기 열간 압축법은 재료를 단순히 가열함과 동시에 압력을 가하여 소결성을 향상시키는 방법으로, 일예로 900∼1200℃ 온도범위에서 30∼98MPa의 압력을 가하며 소결하여 ZnS 스퍼터링 타겟을 제조하거나, ZnS-SiO2 혼합 분말을 1150 ℃에서 34.3MPa 압력을 가하며 6시간 동안 소결하여 제조하고 있다.The hot compression method is a method of improving the sinterability by simply heating the material and simultaneously applying pressure. For example, a ZnS sputtering target is manufactured by sintering at a pressure of 30 to 98 MPa in a temperature range of 900 to 1200 ° C., or ZnS-SiO 2 The mixed powder is prepared by sintering for 6 hours at 31150 MPa pressure at 1150 ℃.

그러나 열간 압축법에 의해 고밀도의 소결체를 얻기 위해서는 긴 소결시간이 필요며, 이는 기지상 및 2차상의 입자가 성장하는 원인이 되며 상기 소결체의 기계적 특성이 크게 저하되는 문제가 발생한다.However, in order to obtain a high-density sintered body by the hot compression method, a long sintering time is required, which causes the growth of matrix particles of the known phase and the secondary phase and causes a problem that the mechanical properties of the sintered body are greatly reduced.

최근에는 DC pulse를 이용한 통전가압방식으로 방전 플라즈마를 사용하여 순간적인 가열이 가능한 방전 플라즈마 소결 공정이 각광 받고 있다. Recently, the discharge plasma sintering process that enables instant heating using the discharge plasma by the energizing pressure method using the DC pulse has been in the spotlight.

이에 본 발명자들은 상기 방전 플라즈마 소결 공정을 이용하여 ZnS계 스퍼터링 타겟 제조시 그 공정 조건을 확립하여 열간 압축법에 의해 얻어지는 스퍼터링 타겟과 비교하여 보다 우수한 물성을 가지는 ZnS계 스퍼터링 타겟을 제공하고자 다각적으로 연구를 수행하였다. Accordingly, the present inventors have variously studied to provide a ZnS-based sputtering target having better physical properties compared to the sputtering target obtained by the hot compression method by establishing the process conditions when manufacturing the ZnS-based sputtering target using the discharge plasma sintering process. Was performed.

본 발명의 목적은 99% 이상의 밀도와 미세 결정립을 가지고, 기계적 특성이 우수할 뿐만 아니라 제조 공정 시간이 단축될 수 있는 ZnS계 스퍼터링 타겟의 제조방법에 관한 것이다.An object of the present invention relates to a method for producing a ZnS-based sputtering target having a density and fine grains of 99% or more, excellent mechanical properties, and can shorten the manufacturing process time.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명은 In order to achieve the above object, the present invention

ZnS 단독 또는 ZnS-SiO2 혼합 분말을 방전 플라즈마 소결 공정을 수행하여 ZnS계 스퍼터링 타겟의 제조방법을 제공한다.ZnS alone or ZnS-SiO 2 mixed powder to perform a discharge plasma sintering process to provide a method for producing a ZnS-based sputtering target.

또한 본 발명은 상기 방법으로 제조된 ZnS계 스퍼터링 타겟을 제공한다.In another aspect, the present invention provides a ZnS-based sputtering target prepared by the above method.

본 발명에 따른 방전 플라즈마 소결 공정은 종래 열간 압축법과 비교하여 단시간으로 수행하여 결정립이 미세화된 고밀도의 소결체의 제조가 가능하고, 기계적 특성이 향상된 스퍼터링 타겟의 제조를 가능케 한다. The discharge plasma sintering process according to the present invention can be performed in a short time compared to the conventional hot compression method, it is possible to manufacture a high-density sintered compact crystal grains, it is possible to manufacture a sputtering target with improved mechanical properties.

이하 본 발명을 더욱 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail.

방전 플라즈마 소결 (Spark Plasma Sintering) 공정은 원료 분말에 압력을 가함과 동시에 고전류를 걸어서 분말 사이에 플라즈마를 발생시켜 분말 입자 상호간의 물질 이동을 용이하게 하여 세라믹 또는 금속 재료를 단시간에 조밀화 시킬 수 있는 효과적인 방법이다[Luan W, Gao L, Kawaoka H, Sekino T, Niihara K, Fabrication and characteristics of fine-grained BaTiO3 ceramics by spark plasma sintering, Ceram Int 2004;30:405-410]Spark Plasma Sintering is an effective method for densifying ceramic or metal materials in a short time by facilitating mass transfer between powder particles by applying a high current to the raw powder and applying a high current to generate plasma between the powders. Luan W, Gao L, Kawaoka H, Sekino T, Niihara K, Fabrication and characteristics of fine-grained BaTiO 3 ceramics by spark plasma sintering, Ceram Int 2004; 30: 405-410]

이에 본 발명에서는 ZnS계 원료 분말을 방전 플라즈마 소결 공정을 수행하여 소결체의 스퍼터링 타겟을 제조한다.Accordingly, in the present invention, the sputtering target of the sintered compact is manufactured by performing a discharge plasma sintering process on the ZnS-based raw material powder.

상기 ZnS계 원료 분말은 ZnS 단독 또는 ZnS-SiO2 혼합 분말이 가능하다. 이때 사용하는 ZnS 및 SiO2는 후속의 볼밀공정을 통해 입자가 미세화되므로, 그 크기는 한정할 필요는 없으며, 본 발명의 실시예에서는 평균입도 5 ㎛, SiO2의 경우 10 ㎛의 크기의 분말을 사용한다. The ZnS-based raw material powder may be ZnS alone or ZnS-SiO 2 mixed powder. At this time, ZnS and SiO 2 used are finer particles through a subsequent ball mill process, so the size is not necessary to limit, in the embodiment of the present invention is the average particle size of 5 ㎛, in the case of SiO 2 powder of the size of 10 ㎛ use.

상기 ZnS계 원료 분말은 모두 β-ZnS 상을 포함한다.The ZnS-based raw material powders all contain a β-ZnS phase.

특히 상기 ZnS-SiO2 혼합 분말은 ZnS와 SiO2 원료 분말을 볼과 볼밀장치에 주입한 후 습식 매질 하에 볼밀링하는 공정을 거쳐 제조된다.In particular, the ZnS-SiO 2 mixed powder is prepared by injecting ZnS and SiO 2 raw powder into a ball and a ball mill, followed by ball milling under a wet medium.

이때 상기 ZnS와 SiO2 원료 분말은 각각 6:1∼2:1의 몰비로 혼합한다. 만약, 상기 SiO2의 함량이 상기 범위 미만이면 타겟의 기계적 특성 향상에 기여하지 못하며, 이와 반대로 상기 범위를 초과하면 본 타겟으로 박막 증착시 박막 특성을 저해하기 때문에 바람직하지 않다. At this time, the ZnS and SiO 2 raw powder are mixed in a molar ratio of 6: 1 to 2: 1, respectively. If the content of SiO 2 is less than the above range, it does not contribute to the improvement of the mechanical properties of the target. On the contrary, if the content exceeds the above range, it is not preferable because it inhibits the thin film properties when depositing the thin film with the target.

상기 볼은 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 공지된 바의 스테인레스 강철볼, 알루미나 볼 또는 지르코늄볼이 사용되고, 이때 볼은 원료 분말과 14:1∼ 18:1의 장입비 (중량비), 바람직하기로 16:1의 중량비로 혼입하여 볼밀을 원활히 수행한다.The ball is not particularly limited in the present invention, a known stainless steel ball, alumina ball or zirconium ball is used, wherein the ball is a raw material powder and a loading ratio (weight ratio) of 14: 1 to 18: 1, preferably The ball mill is performed smoothly by mixing in a weight ratio of 16: 1.

상기 습식 매질은 에탄올을 포함하는 알코올이 가능하다.The wet medium may be an alcohol comprising ethanol.

이때 사용가능한 볼밀 장치는 본 발명에서 특별히 한정하지 않으며, 대표적으로 어트리터 (attritor), 3-D mixer, 유성형볼밀 (planetary ball-mill),진동볼밀 (vibratory ball-mill), 수평식 볼밀 (horizontal ball-mill) 등 다양한 볼밀 장치가 가능하다.At this time, the ball mill apparatus that can be used is not particularly limited in the present invention, typically an attritor, a 3-D mixer, a planetary ball mill, a vibratory ball mill, a horizontal ball mill Various ball mill devices such as ball-mills are possible.

상기 원료 분말은 전술한 볼밀 장치 내에서 50∼500 rpm, 바람직하기로 100∼500 rpm의 속도로 1∼20 시간 동안 수행하고, 볼밀 공정 후 얻어진 혼합 분말을 40∼80℃ 온도에서 12∼36 시간 동안 건조하여 알코올 매질을 충분히 제거하는 과정을 거쳐 제조된다. 이와 같은 볼밀 공정에서의 조건은 ZnS및 SiO2의 입자를 충분히 미세화하고, 균일하게 혼합하기 위한 것으로, 전술한 바의 범위를 벗어나 볼밀 공정을 수행하게 되면, 후속의 방전 플라즈마 소결 공정 후 얻어지는 소결체의 물성 저하가 야기된다. The raw material powder is carried out in the above-described ball mill apparatus at a speed of 50 to 500 rpm, preferably 100 to 500 rpm for 1 to 20 hours, and the mixed powder obtained after the ball mill process is 12 to 36 hours at a temperature of 40 to 80 ° C. It is prepared by drying during the process to sufficiently remove the alcohol medium. The conditions in the ball mill process are to sufficiently finely and uniformly mix the particles of ZnS and SiO 2 , and if the ball mill process is performed out of the above-described range, the sintered compact obtained after the subsequent discharge plasma sintering process Deterioration of physical properties is caused.

이렇게 제조된 ZnS-SiO2 혼합 분말은 XRD로 상분석한 결과 α-ZnS 상과 β-ZnS 상이 공존되어 있음을 확인하였다.The ZnS-SiO 2 mixed powder thus prepared was confirmed to coexist with α-ZnS phase and β-ZnS phase as a result of phase analysis by XRD.

전술한 바의 ZnS계 원료 분말을 방전 플라즈마 소결 시스템 (SPS: Spark Plasma Sintering System)을 통해 방전 플라즈마 소결 공정을 수행하여 ZnS계 소결체를 제조한다.A ZnS-based sintered compact is manufactured by performing a discharge plasma sintering process on the ZnS-based raw material powder as described above through a spark plasma sintering system (SPS).

상기 방전 플라즈마 소결 시스템은 본 발명에서 한정하지 않으며, 이 분야에서 통상적으로 사용되는 장치가 가능하며, 일예로 도 1에 도시하였다.The discharge plasma sintering system is not limited in the present invention, it is possible to use a device commonly used in this field, as shown in FIG.

도 1에 따르면, 방전 플라즈마 소결 시스템은 상하 전극 사이에 위치한 챔버 내에 혼합분말이 들어있는 흑연몰드를 위치시킨 후 콘트롤러(a)를 통해 온도 및 압력을 조절한 다음, DC-펄스 통전(b)을 통해 혼합 분말의 소결을 수행한다. According to FIG. 1, the discharge plasma sintering system places a graphite mold containing mixed powder in a chamber located between the upper and lower electrodes, adjusts temperature and pressure through the controller (a), and then applies DC-pulse current (b). Sintering of the mixed powder is carried out.

이때 내경이 20 ㎜와 외경 50 ㎜의 흑연몰드(c)를 사용하였으며, 몰드의 중앙에 직경 1.6㎜, 길이 3㎜ 깊이로 구멍을 뚫은 후 R-type 열전대를 삽입하여 온도를 측정(d)하였다.At this time, a graphite mold (c) having an inner diameter of 20 mm and an outer diameter of 50 mm was used, and a hole was drilled to a depth of 1.6 mm in diameter and 3 mm in length in the center of the mold, and then the temperature was measured by inserting an R-type thermocouple. .

전류는 가압용의 펀치를 통해 직접 몰드와 시편내로 흐르게 되고, 시편과 몰드의 저항열에 의한 플라즈마 발생으로 소결이 진행된다. 본 연구에서 사용된 방전 플라즈마 소결 시스템은 최대 압력 6 Ton, 최대 전류 3000A을 가할 수 있다.The current flows directly into the mold and the specimen through the punch for pressing, and sintering proceeds by the generation of plasma by the heat of resistance of the specimen and the mold. The discharge plasma sintering system used in this study can apply a maximum pressure of 6 Ton and a maximum current of 3000A.

구체적으로 방전 플라즈마 소결 장치의 챔버를 진공화시킨 후, 몰드 내 원료 분말 압분체를 50∼150 ℃/min의 승온 속도로 700∼1200 ℃ 까지 승온시킨 후, 30 MPa 이상의 압력을 가해 소결을 수행한다.Specifically, after evacuating the chamber of the discharge plasma sintering apparatus, the raw material powder compact in the mold is heated to 700 to 1200 ° C at a heating rate of 50 to 150 ° C / min, and then sintered by applying a pressure of 30 MPa or more. .

이때 승온 속도 및 압력은 높을수록 소결체의 입자 성장이나 밀도 측면에서 유리하나, 현재 기술에 따른 장비의 작동 범위를 고려하여 상기 소결은 50∼150 ℃/min의 승온속도로 30∼90 MPa의 압력 범위 하에서 수행한다. 만약 소결 온도가 상기보다 낮으면 소결이 어려워 밀도가 저하되는 문제가 발생할 우려가 있다. 이때 소결 온도가 상기 범위를 초과하면 ZnS이 승화될 우려가 있으므로, 상기 범위 내에서 수행한다.At this time, the higher the temperature increase rate and pressure, the more advantageous in terms of particle growth and density of the sintered body, but considering the operating range of the equipment according to the current technology, the sintering pressure range of 30 to 90 MPa at a temperature increase rate of 50 to 150 ℃ / min Perform under If the sintering temperature is lower than the above, sintering is difficult and there is a possibility that a problem of lowering the density may occur. At this time, if the sintering temperature exceeds the above range ZnS may be sublimated, it is carried out within the above range.

이러한 소결 공정은 충분한 소결을 진행하기 위해 1∼10 분 동안 수행한다.This sintering process is carried out for 1 to 10 minutes in order to proceed with sufficient sintering.

이와 같이 방전 플라즈마 소결 장치를 이용한 소결 공정은 승온 속도, 소결 온도, 압력 및 시간, 및 이외 여러 가지 공정 변수를 고려하여 최적의 조건을 선별하여 수행하며, 이러한 최적의 조건은 이 분야의 통상의 지식을 가진 자에 의해 상기 범위 내에서 적절히 선정될 수 있다.As such, the sintering process using the discharge plasma sintering apparatus selects and performs the optimum conditions in consideration of the heating rate, the sintering temperature, the pressure and time, and various other process variables, and the optimum conditions are known in the art. It can be appropriately selected within the above range by the person having.

전술한 바의 본 발명에 따른 방전 플라즈마 소결 공정은 종래 열간 압축법과 비교하여 단시간으로 수행할 수 있고, 열간압축(Hot Press)법에 비해 전력소비가 약 1/3∼1/5정도로 적어지는 에너지 절감형 소결법이며, 취급이 간편한 잇점이 있다. 또한 러닝 코스트가 저렴하고, 스퍼터링 타겟 제조시 에너지 소비를 절감하고 생산 속도를 향상시킬 수 있을 뿐만 아니라, 최종 제품의 품질 안정성을 위해 높은 소결 밀도를 요구하는 제품에 적용될 수 있다.The discharge plasma sintering process according to the present invention as described above can be performed in a short time compared to the conventional hot compression method, the energy consumption of about 1/3 to 1/5 less than the hot press (Hot Press) method It is a saving type sintering method and has the advantage of easy handling. In addition, the running cost is low, it can reduce energy consumption and improve production speed in sputtering target manufacturing, and can be applied to products requiring high sintering density for quality stability of the final product.

이렇게 방전 플라즈마 소결 공정을 통해 제조된 ZnS계 소결체는 ZnS 단일상 또는 ZnS-SiO2 혼합상의 소결체로, 99% 이상의 밀도와 미세 결정립을 가진다. 이때 ZnS-SiO2 혼합상의 소결체의 경우 SiO2 입자 크기가 0.5∼10 ㎛, 바람직하기로 0.5∼1 ㎛를 가진다. 이러한 ZnS계 소결체는 단순 혼합이나 열간압축에 의해 얻어지는 분말과 비교하여 파괴 인성 및 연성이 향상되는 등 기계적 특성이 크게 향상된다.The ZnS-based sintered body manufactured through the discharge plasma sintering process is a sintered body of ZnS single phase or ZnS-SiO 2 mixed phase, and has a density and fine grains of 99% or more. In this case, the ZnS-SiO 2 mixed phase sintered compact has a SiO 2 particle size of 0.5 to 10 μm, preferably 0.5 to 1 μm. The ZnS-based sintered body has a significant improvement in mechanical properties such as improved fracture toughness and ductility compared to powder obtained by simple mixing or hot compression.

구체적으로 본 발명의 실험예 5를 따르면, 상기 ZnS계 소결체는 밀도가 99% 이상, 바람직하기로 99.47∼99.56%, 더욱 바람직하기로 99.4∼99.6%의 밀도를 가진 다. 또한 비커스 경도가 2.0 GPa 이상, 바람직하기로 2.2∼3.1 GPa, 더욱 바람직하기로 2.3∼3.1 GPa를 나타낸다. 그리고 파괴인성이 0.5 MPa·m0.5 이상, 바람직하기로 0.55∼1.02 MPa·m0.5, 더욱 바람직하기로 0.8∼1.02 MPa·m0. 5 를 가진다. Specifically, according to Experimental Example 5 of the present invention, the ZnS-based sintered body has a density of 99% or more, preferably 99.47 to 99.56%, and more preferably 99.4 to 99.6%. The Vickers hardness is 2.0 GPa or more, preferably 2.2 to 3.1 GPa, more preferably 2.3 to 3.1 GPa. And a fracture toughness MPa · m 0.5 or more has a 0.5, 0.55 to 1.02 preferably to MPa · m 0.5, 0.8~1.02 to more preferably MPa · m 0. 5.

본 발명에 의해 제조된 ZnS계 소결체는 밀도가 조밀하고, 비커스 경도 및 파괴인성과 같은 기계적 물성이 우수하여 스퍼터링 타겟으로 사용시 수명이 연장될 뿐만 아니라 보호막층 형성시 ZnS, SiO2가 더욱 균일하게 분포되는 잇점이 있다.The ZnS-based sintered body manufactured by the present invention has a dense density and excellent mechanical properties such as Vickers hardness and fracture toughness, which not only prolongs its life when used as a sputtering target but also distributes ZnS and SiO 2 more uniformly when forming a protective layer. There is an advantage.

특히, ZnS 단일상과 ZnS-SiO2의 혼합상의 경우 이를 스퍼터링 타겟으로 사용하여 박막을 형성하는 경우 서로 동등한 광학적 특성을 나타내나, SiO2가 포함되어있는 ZnS-SiO2의 혼합상 스퍼터링 타겟의 경우보다 우수한 기계적 특성을 나타내는 잇점이 있다. Especially, ZnS-stage for routine and ZnS-SiO case on the mixture of the two this sputtering target are shown the equivalent optical properties to each other when forming a thin film or mixing a sputtering target of ZnS-SiO 2 that contains a SiO 2 using a There is an advantage of showing better mechanical properties.

부연하면, 스퍼터링 타겟의 경우 박막을 형성하기 위해 반복적으로 스퍼터링이 이루어지는데, 이때 타겟에 크랙(crack)이 발생하고, 이러한 크랙은 스퍼터링 타겟의 수명 단축을 야기한다. 이에, 본 발명에서 제조한 ZnS-SiO2의 혼합상 스퍼터링 타겟의 경우 미세하고 균일하게 분포하고 있는 SiO2에 의해 파괴 인성이 증가하여 crack deflection의 효과로 인해 반복적인 스퍼터링시 발생하는 크랙의 전파가 억제된다. 결과적으로, 본 발명에 따른 방전 플라즈마 소결 공정을 통해 스퍼터링 타겟을 제조하는 경우 종래 스퍼터링 타겟의 수명 단축 문제의 해소가 가능해 진다.In other words, in the case of a sputtering target, sputtering is repeatedly performed to form a thin film, in which a crack occurs in the target, which causes a shortening of the life of the sputtering target. Therefore, in the mixed phase sputtering target of ZnS-SiO 2 prepared in the present invention, fracture toughness is increased by fine and uniformly distributed SiO 2 , so that the propagation of cracks generated during repeated sputtering due to the effect of crack deflection Suppressed. As a result, when manufacturing the sputtering target through the discharge plasma sintering process according to the present invention it is possible to solve the problem of shortening the life of the conventional sputtering target.

상기 ZnS계 소결체는 스퍼터링 타겟으로 사용하여 각종 상변화형 광기록매체 리라이터블 콤팩트 디스크(CD-RW), 램덤 액세스 메모리 디지털 비디오 디스크(DVD-RAM), DVD+리라이터블(DVD+RW)등 같은 리라이터블 광 디스크(rewritable optic disks)의 보호 박막층의 재료로 적용한다.The ZnS-based sintered compact is used as a sputtering target to provide various phase change type optical recording media rewritable compact discs (CD-RW), random access memory digital video discs (DVD-RAM), DVD + rewritable (DVD + RW), and the like. The same applies to the material of the protective thin film layer of the same rewritable optic disks.

이하, 본 발명의 이해를 돕기 위하여 바람직한 실시예를 제시한다. 그러나 하기의 실시예는 본 발명을 보다 쉽게 이해하기 위하여 제공되는 것일 뿐, 실시예에 의해 본 발명의 내용이 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred examples are provided to aid in understanding the present invention. However, the following examples are merely provided to more easily understand the present invention, and the contents of the present invention are not limited by the examples.

실시예Example 1:  One: ZnSZnS 단일상Single phase 스퍼터링Sputtering 타겟의Of target 제조 Produce

순수 ZnS 분말 (평균입자 크기 5㎛, 구형, 순도 99.99%, CERAC USA)을 사용하여 방전 플라즈마 소결 장치를 이용하여, 100 ℃/min의 승온 속도로 900 ℃까지 올린 후 30 MPa의 압력에서 5 분 동안 소결을 수행하여 ZnS 단일상 스퍼터링 타겟을 제조하였다.Using pure ZnS powder (average particle size 5 μm, spherical, purity 99.99%, CERAC USA), using a discharge plasma sintering apparatus, the temperature was raised to 900 ° C. at a heating rate of 100 ° C./min, and then 5 minutes at a pressure of 30 MPa. Sintering was carried out to prepare a ZnS single phase sputtering target.

실시예Example 2:  2: ZnSZnS -- SiOSiO 22 혼합상Mixed phase 스퍼터링Sputtering 타겟의Of target 제조 Produce

ZnS (순도 99.99%)와 SiO2 (순도 98%, 평균입자 크기 10 ㎛, 순도 98%, STREM CHEMICALS, USA)를 원료 분말로 사용하여 ZnS(80mol.%)-SiO2(20mol.%)의 조성이 되도록 칭량하였다.Of ZnS (80 mol.%)-SiO 2 (20 mol.%) Using ZnS (purity 99.99%) and SiO 2 (purity 98%, average particle size 10 μm, purity 98%, STREM CHEMICALS, USA) Weighed to the composition.

이 혼합 분말을 3-D mixer에서 62rpm의 속도로 10시간 동안 단순 혼합하였으 며, 방전 플라즈마 소결 장치를 이용하여, 100 ℃/min의 승온 속도로 1100 ℃까지 승온시켰다. 이어 80 MPa의 압력에서 5 분 동안 소결을 수행하여 ZnS-SiO2 혼합상 스퍼터링 타겟을 제조하였다.The mixed powder was simply mixed for 10 hours at a speed of 62 rpm in a 3-D mixer, and heated to 1100 ° C. at a temperature increase rate of 100 ° C./min using a discharge plasma sintering apparatus. Sintering was then performed at a pressure of 80 MPa for 5 minutes to prepare a ZnS-SiO 2 mixed phase sputtering target.

실시예Example 3:  3: ZnSZnS -- SiOSiO 22 혼합상Mixed phase 스퍼터링Sputtering 타겟의Of target 제조 Produce

상기 실시예 2와 동일하게 혼합분말을 칭량한 후 Attrittor를 사용하여 400rpm의 속도로 1시간 동안 에탄올 매질 내에서 습식으로 고에너지 볼밀링을 하였다. 이때 볼과 분말의 장입비는 16:1로 하였으며, 볼밀링 후 오븐에서 60℃로 24시간이상 충분히 건조하여 ZnS-SiO2 혼합 분말을 제조하였다.The mixed powder was weighed in the same manner as in Example 2, followed by wet high energy ball milling in an ethanol medium for 1 hour at a speed of 400 rpm using an Attrittor. At this time, the charging ratio of the ball and the powder was 16: 1, and after ball milling, the mixture was sufficiently dried at 60 ° C. for 24 hours in an oven to prepare ZnS-SiO 2 mixed powder.

상기 제조된 혼합 분말을 방전 플라즈마 소결 장치를 이용하여, 100 ℃/min의 승온 속도로 1100 ℃까지 올린 후 90 MPa의 압력에서 5 분 동안 소결을 수행하여 ZnS-SiO2 혼합상 스퍼터링 타겟을 제조하였다.ZnS-SiO 2 mixed phase sputtering target was manufactured by raising the mixed powder prepared above by using a discharge plasma sintering apparatus, raising the temperature to a temperature of 100 ° C./min to 1100 ° C., and sintering at a pressure of 90 MPa for 5 minutes. .

실시예 4: ZnS-SiOExample 4: ZnS-SiO 22 혼합상 스퍼터링 타겟의 제조  Preparation of Mixed Phase Sputtering Targets

상기 실시예 3과 동일하게 수행하되, 밀링을 10시간 동안 수행하여 ZnS-SiO2 혼합 분말을 제조하였으며, 100 ℃/min의 승온 속도로 1200 ℃까지 올린 후 90 MPa의 압력에서 5 분 동안 소결을 수행하여 ZnS-SiO2 혼합상 스퍼터링 타겟을 제조하였다.In the same manner as in Example 3, but the milling was carried out for 10 hours to prepare a ZnS-SiO 2 mixed powder, sintering for 5 minutes at a pressure of 90 MPa after raising to 1200 ℃ at a temperature increase rate of 100 ℃ / min ZnS-SiO 2 mixed phase sputtering target was prepared.

실험예 1: 원료 분말의 XRD 분석Experimental Example 1: XRD Analysis of Raw Material Powder

원료 분말의 결정 구조와 평균 결정립의 크기를 측정하기기 위해 XRD 분석을 수행하였다. XRD analysis was performed to determine the crystal structure and average grain size of the raw powder.

도 2의 (a)는 순수 ZnS 분말, (b) ZnS-SiO2가 4:1의 몰비로 단순 혼합된 분말, 및 (c)는 ZnS-SiO2가 4:1의 몰비로 10시간 동안 볼밀링 된 혼합 분말의 XRD 스펙트럼이다.Figure 2 (a) is pure ZnS powder, (b) ZnS-SiO 2 powder is simply mixed in a 4: 1 molar ratio, and (c) ZnS-SiO 2 is 4: 1 ball for 10 hours XRD spectrum of milled mixed powder.

도 2를 참조하면, 각 분말 모두 β-ZnS임을 확인하였고, 평균결정립의 크기는 순수 ZnS와 단순 혼합 분말의 경우 약 40 nm 이었고, 10시간 볼밀링한 분말의 경우 약 20 nm의 크기로 확인되었다.Referring to FIG. 2, it was confirmed that each powder was β-ZnS, and the average grain size was about 40 nm for pure ZnS and a simple mixed powder, and about 20 nm for a powder milled for 10 hours. .

실험예Experimental Example 2: 소결체의  2: sintered body XRDXRD 분석 analysis

소결체의 결정 구조와 평균 결정립의 크기를 측정하기기 위해 XRD 분석을 수행하였다. XRD analysis was performed to determine the crystal structure and average grain size of the sintered body.

도 3의 (a)는 순수 ZnS 소결체, (b) ZnS-SiO2가 4:1의 몰비로 단순 혼합된 소결체, 및 (c)는 ZnS-SiO2가 4:1의 몰비로 10시간 동안 볼밀링된 소결체의 XRD 스펙트럼이다.(A) is pure ZnS sintered body, (b) sintered body in which ZnS-SiO 2 is simply mixed in a molar ratio of 4: 1, and (c) is ZnS-SiO 2 in 4: 1 molar ratio for 10 hours. XRD spectrum of the milled sintered body.

도 3을 참조하면, 소결이후 (100), (101), (102), (103) 결정방향의 피크들이 성장함을 확인할 수 있는데, 이는 분말상태에서 일부 β-ZnS(cubic)상이 α-ZnS(hexagonal)로 상변태한 결과이며, 소결체 내에서 α-ZnS 상과 β-ZnS 상이 공존함을 확인할 수 있다.3, it can be seen that after sintering, peaks in the crystal directions of (100), (101), (102), and (103) grow, which means that some β-ZnS (cubic) phases in the powder state are α-ZnS ( It is the result of phase transformation into hexagonal), and it can be seen that the α-ZnS phase and the β-ZnS phase coexist in the sintered body.

실험예Experimental Example 3:  3: SEMSEM 사진 측정 Photo measurement

소결체의 미세 조직을 확인하기 위해 각 소결체의 SEM으로 측정하였다.In order to confirm the microstructure of a sintered compact, it measured by SEM of each sintered compact.

도 4의 (a)는 실시예 2에서 ZnS-SiO2가 4:1의 몰비로 10시간 동안 단순 혼합된 소결체의 SEM 사진이고, (b)는 실시예 3에서 ZnS-SiO2가 4:1의 몰비로 1시간 동안 볼밀링된 혼합 분말 소결체의 SEM 사진이고, (c)는 실시예 4에서 ZnS-SiO2가 4:1의 몰비로 10시간 동안 볼밀링된 혼합 분말 소결체의 SEM 사진이다.Figure 4 (a) is a SEM photograph of the sintered compact in 10, the ZnS-SiO 2 in a molar ratio of 4: 1 in Example 2, (b) is ZnS-SiO 2 4: 1 in Example 3 SEM image of the mixed powder sintered body ball-milled for 1 hour at a molar ratio of (c) is SEM image of the mixed powder sintered body ball-milled for 10 hours at a molar ratio of ZnS-SiO 2 4: 1 in Example 4.

도 4를 참조하면, ZnS-SiO2가 단순 혼합된 경우와 볼밀링 1시간 그리고 10시간 된 분말의 소결체의 미세조직을 관찰한 결과, 고에너지 볼밀링을 수행하지 않은 것 보다 볼밀링 공정을 거친 것이 미세하고 균일한 미세조직 특성을 보이며, 이는 밀링시간에 따른 2차상 SiO2의 입자 미세화의 결과에 의거한다.Referring to FIG. 4, when the ZnS-SiO 2 was simply mixed and the microstructure of the sintered body of the ball milling powder for 1 hour and 10 hours was observed, the ball milling process was performed rather than the high energy ball milling. It exhibits a fine and uniform microstructure characteristic, which is based on the result of particle refinement of secondary phase SiO 2 with milling time.

실험예 4: 크랙 메카니즘 확인Experimental Example 4: Checking Crack Mechanism

Micro Vickers' indentor의 Tip에서 발생한 크랙의 전파를 방해하는 메카니즘을 확인하기 위해 각 소결체의 미세 조직을 OM 및 SEM으로 측정하였다.The microstructure of each sintered body was measured by OM and SEM to identify the mechanism that prevents the propagation of cracks generated at the tip of Micro Vickers' indentor.

도 5의 (a)는 ZnS 소결체의 OM 사진이고, (b)는 ZnS-SiO2가 4:1의 몰비로 10시간 동안 혼합된 분말 소결체의 OM 사진이고, (c)는 ZnS-SiO2가 4:1의 몰비로 10시간 동안 볼밀링된 혼합 분말 소결체의 SEM 사진으로, 각 소결체내의 크랙 (Crack) 전파의 메카니즘을 보여준다.5A is an OM photograph of a ZnS sintered body, (b) is an OM photograph of a powder sintered body mixed with ZnS-SiO 2 at a molar ratio of 4: 1 for 10 hours, and (c) is ZnS-SiO 2 valent SEM photographs of the mixed powder sinters ball milled for 10 hours at a molar ratio of 4: 1, showing the mechanism of crack propagation in each sinter.

도 5를 참조하면, 압입자의 Tip에서 발생한 크랙은 본 실험에 사용된 2차 분산상인 SiO2의 주위를 타고 휘어져 빠져나가는 Crack deflection 현상이 발생한다. 상기 Crack deflection 현상은 파괴 인성과 직접적인 연관이 있는 것으로, 이러한 결과는 볼밀링을 10시간 수행하는 경우 스퍼터링 타겟의 파괴 인성을 향상시킬 수 있음을 시사한다. Referring to FIG. 5, a crack deflection phenomenon occurs in which the crack generated at the tip of the indenter is bent around the secondary dispersion phase SiO 2 used in the present experiment. The crack deflection phenomenon is directly related to the fracture toughness, and this result suggests that the fracture toughness of the sputtering target can be improved when the ball milling is performed for 10 hours.

실험예 5: 물성 측정Experimental Example 5: Measurement of Physical Properties

상기 실시예 1, 3 및 4에서 제조된 소결체와, 대조예로 종래 열간압축 성형법에 의해 제조된 스퍼터링 타겟 (시판)의 물성을 측정하고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. The physical properties of the sintered bodies prepared in Examples 1, 3 and 4 and the sputtering targets (commercially available) prepared by conventional hot compression molding as a control example were measured, and the results are shown in Table 1 below.

밀도 측정Density measurement

밀도측정은 아르키메데스법(Archimedes' principle)에 의해 측정하였고, [표 1]에 각 조건의 결과와 열간압축 성형법에 의해 제조된 상용 타겟의 상대밀도와 비교하여 나타내었다.Density measurement was measured by the Archimedes method (Archimedes' principle), it is shown in Table 1 compared with the results of each condition and the relative density of the commercial target produced by the hot compression molding method.

경도측정 및 파괴인성 측정Hardness Measurement and Fracture Toughness Measurement

제조된 소결체의 경도는 Micro Vickers' indentation법에 의해 간단히 특정되며, 하기 수학식 1로 나타내는 Indentation fracture법에 의해 파괴인성을 계산하였다.The hardness of the prepared sintered compact was simply specified by the Micro Vickers' indentation method, and fracture toughness was calculated by the indentation fracture method represented by Equation 1 below.

[수학식 1][Equation 1]

Figure 112007081328395-PAT00001
Figure 112007081328395-PAT00001

(상기 수학식 1에서, KIC는 파괴인성이고, a는 압입자의 대각선 길이의 1/2이며, c는 압입자의 중심에서 크랙의 끝까지의 길이를 나타내고, 상기 공식은 c/a가 2.5 이상일 때만 적용된다)(In Equation 1, K IC is fracture toughness, a is 1/2 of the diagonal length of the indenter, c is the length from the center of the indenter to the end of the crack, the formula applies only when c / a is 2.5 or more)

제조공정Manufacture process 상대 밀도(%)Relative Density (%) 비커스 경도(GPa)Vickers Hardness (GPa) 파괴인성(KIC, MPa·m0.5)Fracture Toughness (K IC , MPam 0.5 ) 실시예 1: 순수 ZnS 소결체Example 1: Pure ZnS Sintered Body SPSSPS 99.47%99.47% 2.2222.222 0.5720.572 실시예 2: ZnS-SiO2 소결체Example 2: ZnS-SiO 2 Sintered Body SPSSPS 99.48%99.48% 2.3712.371 0.8050.805 실시예 4: ZnS-SiO2 소결체Example 4: ZnS-SiO 2 Sintered Body SPSSPS 99.56%99.56% 3.0313.031 1.0141.014 대조예: (ZnS-SiO2) Control Example: (ZnS-SiO 2 ) 열간압축 공정Hot compression process 94.89%94.89% 1.9281.928 0.5940.594

상기 표 1을 참조하면, 열간압축 공정에 의해 제조된 (ZnS-SiO2) 와 비교하여, 본 발명에 의해 방전 플라즈마 소결 공정을 거쳐 제조된 소결체의 경우 상대 밀도, 경도 및 파괴 인성이 우수함을 알 수 있다. 특히, 볼밀 공정을 10시간 수행한 실시예 4의 소결체의 경우 가장 우수한 결과를 보였다.Referring to Table 1, it can be seen that compared with (ZnS-SiO 2 ) manufactured by the hot compression process, the sintered body manufactured by the discharge plasma sintering process according to the present invention is excellent in relative density, hardness and fracture toughness. Can be. In particular, the sintered compact of Example 4, which performed the ball mill process for 10 hours, showed the best results.

도 1은 일 실시예에 따른 방전 플라즈마 소결 시스템을 보여주는 모식도이다.1 is a schematic diagram showing a discharge plasma sintering system according to an embodiment.

도 2의 (a)는 순수 ZnS 분말, (b) ZnS-SiO2가 4:1의 몰비로 단순 혼합된 분말, 및 (c)는 ZnS-SiO2가 4:1의 몰비로 10시간 동안 볼밀링된 혼합 분말의 XRD 스펙트럼이다.Figure 2 (a) is pure ZnS powder, (b) ZnS-SiO 2 powder is simply mixed in a 4: 1 molar ratio, and (c) ZnS-SiO 2 is 4: 1 ball for 10 hours XRD spectrum of the milled mixed powder.

도 3의 (a)는 순수 ZnS 소결체, (b) ZnS-SiO2가 4:1의 몰비로 단순 혼합된 소결체, 및 (c)는 ZnS-SiO2가 4:1의 몰비로 10시간 동안 볼밀링된 소결체의 XRD 스펙트럼이다.(A) is pure ZnS sintered body, (b) sintered body in which ZnS-SiO 2 is simply mixed in a molar ratio of 4: 1, and (c) is ZnS-SiO 2 in 4: 1 molar ratio for 10 hours. XRD spectrum of the milled sintered body.

도 4의 (a)는 실시예 2에서 ZnS-SiO2가 4:1의 몰비로 10시간 동안 단순 혼합된 소결체의 SEM 사진이고, (b)는 실시예 3에서 ZnS-SiO2가 4:1의 몰비로 1시간 동안 볼밀링된 혼합 분말 소결체의 SEM 사진이고, (c)는 실시예 4에서 ZnS-SiO2가 4:1의 몰비로 10시간 동안 볼밀링된 혼합 분말 소결체의 SEM 사진이다.Figure 4 (a) is a SEM photograph of the sintered compact in 10, the ZnS-SiO 2 in a molar ratio of 4: 1 in Example 2, (b) is ZnS-SiO 2 4: 1 in Example 3 SEM image of the mixed powder sintered body ball-milled for 1 hour at a molar ratio of (c) is SEM image of the mixed powder sintered body ball-milled for 10 hours at a molar ratio of ZnS-SiO 2 4: 1 in Example 4.

도 5의 (a)는 ZnS 소결체의 OM 사진이고, (b)는 ZnS-SiO2가 4:1의 몰비로 10시간 동안 혼합된 분말 소결체의 OM 사진이고, (c)는 ZnS-SiO2가 4:1의 몰비로 10시간 동안 볼밀링된 혼합 분말 소결체의 SEM 사진이다.5A is an OM photograph of a ZnS sintered body, (b) is an OM photograph of a powder sintered body mixed with ZnS-SiO 2 at a molar ratio of 4: 1 for 10 hours, and (c) is ZnS-SiO 2 valent It is a SEM photograph of the mixed powder sintered compact ball-milled for 10 hours at 4: 1 molar ratio.

Claims (9)

ZnS 단독 또는 ZnS-SiO2 혼합 분말을 방전 플라즈마 소결 공정을 수행하여 ZnS계 스퍼터링 타겟의 제조방법Method for manufacturing a ZnS-based sputtering target by performing a discharge plasma sintering process of ZnS alone or ZnS-SiO 2 mixed powder 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 ZnS-SiO2 혼합 분말은 ZnS와 SiO2 원료 분말을 볼과 볼밀장치에 주입한 후 습식 매질 하에 볼밀링하여 제조되는 것인 ZnS계 스퍼터링 타겟의 제조방법.The ZnS-SiO 2 mixed powder is prepared by injecting ZnS and SiO 2 raw material powder into a ball and ball mill apparatus and then ball milling under a wet medium. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 ZnS와 SiO2 원료 분말은 각각 6:1∼2:1의 몰비로 혼합하는 것인 ZnS계 스퍼터링 타겟의 제조방법.The ZnS and SiO 2 raw material powder is a method for producing a ZnS-based sputtering target is mixed in a molar ratio of 6: 1 to 2: 1, respectively. 제2항에 있어서,The method of claim 2, 상기 볼밀링은 100∼500 rpm의 속도로 1∼20 시간 동안 수행하는 것인 ZnS계 스퍼터링 타겟의 제조방법.The ball milling is a method for producing a ZnS-based sputtering target that is performed for 1 to 20 hours at a speed of 100 to 500 rpm. 제1항에 있어서,The method of claim 1, 상기 방전 플라즈마 소결은 ZnS 단독 또는 ZnS-SiO2 혼합 분말을 50∼150 ℃ /min의 승온 속도로 700∼1200 ℃ 까지 승온시킨 후, 30∼90 MPa의 압력을 가해 소결을 수행하는 것인 ZnS계 스퍼터링 타겟의 제조방법.The discharge plasma sintering is a ZnS system in which ZnS alone or ZnS-SiO 2 mixed powder is heated to 700-1200 ° C. at a heating rate of 50-150 ° C./min, and then sintered by applying a pressure of 30-90 MPa. Method for producing a sputtering target. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 방법에 의해 제조되는 ZnS계 스퍼터링 타겟.A ZnS-based sputtering target produced by the method according to any one of claims 1 to 5. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 ZnS계 스퍼터링 타겟은 ZnS 단일상 또는 ZnS-SiO2 혼합상인 것인 스퍼터링 타겟. The sputtering target of the ZnS-based sputtering target is a ZnS single phase or ZnS-SiO 2 mixed phase. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 ZnS계 스퍼터링 타겟은 SiO2 입자 크기가 0.5∼10 ㎛이고, 밀도가 99% 이상이고, 비커스 경도가 2.0 GPa 이상이며, 파괴인성이 0.5 MPa·m0.5 이상인 것인 ZnS계 스퍼터링 타겟.The ZnS-based sputtering target has a SiO 2 particle size of 0.5 to 10 μm, a density of 99% or more, a Vickers hardness of 2.0 GPa or more, and a fracture toughness of 0.5 MPa · m 0.5 or more. 제6항에 있어서,The method of claim 6, 상기 ZnS계 스퍼터링 타겟은 입자 크기가 0.5∼1 ㎛이고, 밀도가 99.47∼99.56%이고, 비커스 경도가 2.2∼3.1 GPa이며, 파괴인성이 0.55∼1.02 MPa·m0. 5 인 것인 ZnS계 스퍼터링 타겟.The ZnS-based sputtering target is a particle size of 0.5~1 ㎛, a density of 99.47~99.56%, and the Vickers hardness is 2.2~3.1 GPa, fracture toughness is 0.55~1.02 MPa · m 0. 5 in that the ZnS-based sputtering target.
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