KR20090051215A - 스퍼터링 타게트 조립체 및 그 제조 방법 - Google Patents

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유겐 와이. 이바노프
에릭 테도
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토소우 에스엠디, 인크
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Abstract

본 발명은 백킹 플레이트에 접착된 스퍼터링 타게트 조립체 제조 방법에 관한 것이다. 상기 방법은 타게트(100)를 고 강도 백킹 플레이트(110)에 접착하는 단계와 또한 마찰 교반 용접 공정을 사용하여 상기 타게트와 상기 백킹 플레이트 사이에 진공 밀폐를 형성하는 단계를 포함한다.
타게트, 백킹 플레이트, 경계면, 마찰 교반 용접, 버트형 조인트

Description

스퍼터링 타게트 조립체 및 그 제조 방법{Sputtering target assembly and method of making same}
본 발명은 2006년 9월 12일자로 출원된 미국 임시 특허출원 제 60/844,028호의 우선권에 대한 이득을 주장한다.
본 발명은 스퍼터 타게트/백킹 플레이트(sputter target/backing plate) 조립체를 제조하기 위한 방법, 및 상기 방법에 의해 제조된 타게트/백킹 플레이트 조립체에 관한 것이다. 특히, 본 발명은 마찰 교반 용접(friction stir welding) 기술을 사용하여 관련 백킹 플레이트를 접착하기 위한 방법에 관한 것이다.
음극 스퍼터링은 스퍼터 타게트로부터의 재료의 막들이나 또는 박층들을 소정의 기판 위에 적층하기 위해 폭넓게 사용되었다. 기본적으로, 스퍼터 타게트를 포함하는 음극 조립체는 비활성 가스, 적합하게는 아르곤으로 충전된 챔버에서 양극과 함께 위치된다. 소정의 기판은 상기 음극 조립체와 양극 사이의 경로에 수직으로 배향되는 수용면을 갖는 양극 근방의 챔버에 위치된다. 상기 음극 조립체와 양극에 걸쳐 높은 전압의 전계가 제공된다.
상기 음극 조립체로부터 방출된 전자들은 비활성 가스를 이혼화시킨다. 다음에, 전계는 상기 스퍼터 타게트의 스퍼터링 면에 대항하여 상기 비활성 가스의 양성 충전된 이온들을 추진시킨다. 이온 충격에 의해 상기 스퍼터 타게트로부터 제고된 재료는 챔버를 가로지르고, 상기 기판의 수용면상에 막 또는 박층을 형성하기 위해 적층된다.
상기 타게트와 백킹 플레이트 사이의 양호한 열적 및 전기적 접촉을 성취하기 위하여, 상기 부재들은 일반적으로 납땜, 브레이징, 확산 접합, 클램핑, 에폭시시멘트, 또는 상호 체결 환상 부재들에 의해 서로 부착된다. 예를 들면, 미국특허 제 6,749, 103 B1호 및 제 6,725,522 B1호에 공개된 바와 같이, 고 순도 금속 및 금속 합금 스퍼터 타게트가 또한 백킹 플레이트에 기계적으로 접착된다.
큰 스퍼터링 타게트를 에너지화하기 위해 필요한 높은 수준의 스퍼터링력의 사용에 의해 합성된, 구리 및 구리 합금 또는 알루미늄 합금 백킹 플레이트와 관련된 상대적으로 높은 항복 강도 계수는 스퍼터 타게트들을 백킹 플레이트들에 결합하는 본드상에 부과되는 재료의 응력을 증가시켰다. 그와 같은 스퍼터링 상태하에서, 상기 스퍼터링 타게트 조립체들은 스퍼터링 되는 동안 일반적으로 만나게 되는 변화된 온도에 대한 노출로 인해 편향되거나 또는 분리되는 경향을 갖는다. 어느 정도까지는, 상기 조립체들이 스퍼터링 공정 동안 가열되고 이어서 냉각됨에 따라, 연납땜이 상기 스퍼터 타게트/백킹 플레이트 조립체상에 가해지는 응력을 수용했다. 낮은 강도의 백킹 플레이트가 상기 타게트/백킹 플레이트 조립체에 채용되는 경우, 상기 조립체들은 스퍼터링되는 동안 크게 편향되는 경향을 가짐으로써, 추가의 입자 생성과 같은 일부 바람직하지 않은 영향을 받게 되며, 균일성이 감소된다.
따라서, 당업계에서는 스퍼터링 타게트 재료들을 합금 백킹 플레이트에 접착 시키기 위한 방법에 대한 필요성이 대두되고 있으며, 상기 조립체는 큰 강도와 항복 강도를 나타낸다. 비록 스퍼티링 타게트 조립체가 Al-SiC 합성 물질(미국특허 제 6,183, 686 호) 또는 Al 합금 7075와 같은 높은 강도의 백킹 플레이트 재료를 사용하여 제조되었다 할지라도, 그와 같은 재료는 가끔 자체의 화학적 성질 및 열악한 용접성으로 인해 원주 표면에 용접하는 것이 불가능하게 된다. 일부 다른 경우에, Al 합금 타게트를 Cu 합금 백킹 플레이트에 결합시킬 필요가 있으나, 이는 확산 접합 공정과 같은 고온 접합 공정을 제공하지 않고는 불가능하다. 당업계에서 공지된 바와 같이, 그와 같은 고온 공정은 바람직하지 않은 Al 합금 타게트 재결정화 또는 금속들(이 경우, Cu와 Al) 사이의 깨지기 쉬운 금속간 화합물의 형성으로 인한 취약한 접착력을 초래할 수 있다.
본 발명에 따르면, 고 강도 접착을 제공하기 위해 함께 마찰 교반 용접(f.s.w.)되는 타게트 및 백킹 플레이트가 제공된다. 본 발명의 한 양태에 있어서, 상기 타게트 및 백킹 플레이트는 미국특허 제 6,749,103 호 및 제 6,725,522 호에 개시된 바와 같은 저온 기계적 상호 체결 기술을 사용하여 접착된다. 상기 2 인용문헌들이 내용은 참고를 위해 본원에 합체된다. 다음에, 원주 방향으로 연장하는 타게트/백킹 플레이트 경계면 둘레에 존재하는 조인트는 마찰 교반 용접을 통해 접착될 수 있다.
본 발명의 다른 양태에 있어서, 상기 타게트 플레이트/백킹 플레이트는 마찰 교반 용접에 의해 플레이트/플레이트 사이의 면을 따라 결합될 수 있다. 달리 말하자면, 상기 타게트 및 백킹 플레이트는 상기 조립체의 주변부에 의해 둘러싸이는 주 조인트 플레이트 경계면을 따라 f.s.w.에 의해 결합된다.
상기 두 경우에 있어서, 상기 f.s.w. 접착은 조립체가 스퍼터링 동안 일반적으로 접하게 되는 응력과 붕괴에 저항할 수 있게 한다.
다른 양태에 있어서, 상기 백킹 플레이트는 Al 7000 시리즈, Al 8000 시리즈와 같은 높은 항복 강도를 갖는 합금과, Cu-1%Cr, Cu-1%Zr, Cu-Be 또는 Cu-Zn, Cu-Ni 및 유사 합금들과 같은, 기타 Al 또는 Cu 기반 합금들을 포함한다. 그러나, 어떠한 백킹 플레이트 재료도 사용될 수 있다.
본 발명에 따른 이러 저러한 특징들 및 장점들은 다음의 상세한 설명, 첨부 도면 및 청구항들에 명백하게 설명되어 있다.
도 1은 본 발명에 따라 제조된 스퍼터 타게트/백킹 플레이트 조립체의 개략 측면 입면도.
도 2는 마찰 교반 용접에 의해 접착될 원주 조인트 영역을 나타내는 도 1의 타게트 및 백킹 플레이트 조립체의 개략 평면도.
도 3은 접착될 백킹 플레이트면을 따라 형성된 나선형 마찰 교반 용접 조인트 패턴을 나타내는 개략 평면도.
도 1은 본원에 설명된 진보적 방법들에 따른 적합한 스퍼터링 타게트 조립체의 개략 측면도이다. 상기 스퍼터링 타게트 조립체는 열전도성 백킹 플레이 트(110)의 꼭대기에 겹쳐진 스퍼터 타게트(100)를 포함한다. 상상할 수 있는 바와 같이, 상기 타게트(100)와 백킹 플레이트(110)는 미국특허 제 6,749,103 호 또는 제 6,725,522 호에 개시되어 있는 저온 기계적 상호 체결 기술을 포함하는 어떠한 방법에 의해 접착된다. 도시된 바와 같이, 성분들 사이의 원주 경계면(120)을 따라 형성된 버트형 조인트(butt like joint)는 상기 백킹 플레이트를 통해 f.s.w.에 의해 접착된다. 냉각수(도시되지 않음)는 스퍼터링 작업으로부터 초래된 열을 방출하기 위해 상기 백킹 플레이트와 접촉하여 순환될 수 있다. 상기 냉각수로부터의 부식을 방지하기 위하여, 방식층(도시되지 않음)이 상기 백킹 플레이트의 후방 표면상에 배치될 수 있다.
기계적으로 체결되는 접착 스퍼터링 타게트 조립체를 생성하는데 있어서 부딪칠 수 있는 한가지 문제점은 타케트 직경에서 용접 밀폐를 갖는 스퍼터링 타게트 조립체를 생성하는데 있어서의 어려움에 있다. 과거에는, 이와 같은 용접 밀폐를 성취하기 위해, 타게트와 백킹 플레이트가 전자빔 용접, 저항 용접 또는 그와 유사한 용접과 같은 일반적인 용접 방법들에 의해 함께 용접되었다. 그러나, 일부 특정의 바람직한 합금은 금속의 용해를 포함하는 용접 방법에 적합하지 않다. 특히 이와 같은 문제점에 취약한 스퍼터링 타게트 조립체 시스템의 예로서는, 용접 동안 겪게 되는 노출하에 고열 균열되기 쉬운 시리즈 7000 Al 합금 백킹 플레이트, 및 예를 들어 진공하에 전자빔 또는 기타 용접 기술이 진행되는 동안 Zn 증발하기 쉬운 Cu-40% Zn 합금을 구비한 조립체를 들 수 있다.
납땜 접합된 타게트 조립체는 가끔 그와 같은 원치않는 용접 특성을 갖는 재 료를 결합한다. 결론적으로, 상기 타게트/백킹 플레이트 원주에 용접 밀폐를 형성하기 위한 다른 방법이 사용되야만 한다. 사용될 수 있는 방법들 중 하나가 HIPing이다. 그러나, 이 방법은 실제 추가적인 작동 및 상승된 온도를 요구하며, 어니일링 공정으로 인해 타게트 재료의 미세 구조에 손상을 입힐 수 있다.
도 1 및 도 2에서는, 타게트와 백킹 플레이트 사이의 원주 조인트(130)가 마찰 교반 용접(f.s.w.)되는 본 발명에 따른 실시예를 설명한다. 도 1에서, 도시된 f.s.w. 공구(140)는 상기 백킹 플레이트 측면으로부터 상기 조립체에 대항하여 제공된다.
당 기술분야에서 공지된 바와 같이, 마찰 교반 용접(f.s.w.)은 공구의 고속 회전에 의존하며, 결합될 금속 표면들 사이의 결합재를 압착, 혼합 및 단조시키도록 접촉으로부터 형성된 열을 초래한다. 핀타입 f.s.w. 공구는 상업적으로 이용 가능하다. F.s.w. 기술에 대하여는 본원에 참고로 합체된 미국특허 제 5,460,317 호 및 제 6,758,382 호에 설명되어 있다.
도 3은 주 타게트/백킹 플레이트(110/110) 사이에 낀 면들이 마찰 교반 용접(f.s.w.)되는 조립체의 개략 평면도이다. 즉, 이들 주요 사이에 낀 면들은 상기 조립체의 주변부에 의해 둘러싸이고, f.s.w.에 의해 접착된다. 여기서, 상기 f.s.w.의 패턴(150)이 상부 플레이트 면을 통해 가상으로 관측될 수 있다. 도시된 상기 나선형 패턴(150)은 상기 백킹 플레이트(110)의 저부 측면으로부터 조립체에 영향을 주는 신축 자재의 핀 타입 f.s.w. 공구(140) 등에 의해 제조된 용접 영역을 가리킨다. 상기 핀은 상기 백킹 플레이트(110)를 통해 상기 타게트/백킹 플레이 트(110/110) 계면으로 관통할 수 있으며, 또한 그와 같은 계면에 인접한 상기 백킹 플레이트(11)에서 종결될 수 있다. (일부의 경우, 상기 핀은 상기 타게트(100) 안으로 약간 관통할 수도 있다). 이와 같은 방식으로, 상기 타게트(100)와 백킹 플레이트(110)는 패턴화된 용접 영역에 의해 결합된다. 비록, 본 도면에 나선형 타입 패턴(150)이 도시되었으나, 동심원, 동심 삼각형, 사각형, (지시된 또는 임의의) 반점 등과 같은 다른 용접 패턴도 예상될 수 있다. 상기 f.s.w. 공구(14)에 의해 형성되는 용접 영역은, 견고하고 내구성 있는 f.s.w. 결합이 가능하도록 하기 위해, 결합될 계면 영역과 비교하여 충분해야만 한다.
도 1 및 도 2에 도시된 실시예에 있어서, 상기 조립체 주변부에 의해 둘러싸인 영역(160)에 접합된 주 타게트/백킹 플레이트(100/110)는 다양한 다른 기술들에 의해 수행될 수 있음을 주목해야 한다. 가장 적합하게는, 이들 표면들이 상술된 저온 기계적 상호 체결 기술에 의해 접착되며, 이 경우, 접착될 계면들 중 하나는 대향 맞물림 면상에 제공되는 결합 맞물림 면 안으로 관통하거나 또는 그의 둘레로 절곡되는 융기부 또는 다른 돌출 면들과 함께 제공된다. 미국특허 제 6,749,103 호의 도 4에 설명된 구조적 장치 및 방법은 특히 이와 같은 관점에서 주목할 만하다. 반대로, 그와 같은 저온 기계적 상호 체결 기술 대신에, 접착은 용접 결합, 확산 접합, 폭발 접합(explosion bonding), HIPing, 핫프레스(hot press), TIG 용접, 및 기타 종래 기술들을 통해 성취될 수 있다.
본 발명의 예시적 실시예를 설명하기 위해, Al 7075 합금 백킹 플레이트를 포함하는 접착 Al-0.5%Cu 스퍼터링 타게트 조립체를 생산하는 예가 아래에서 설명 된다. 비록 이와 같은 예가 Al 7075 합금에 관한 것일지라도, 상기 공정은 Cu, Ni, 다른 Al 합금 등과 같은 다른 물질의 백킹 플레이트에 유용하게 제공될 수 있다. 마찬가지로, 다양한 타게트 재료들이 채용될 수 있다. 본 예에서, 스퍼터링 타게트 조립체는 Al 7075로 구성된 백킹 플레이트를 사용하여 제조된다. 다른 예에서, 스퍼터링 타게트 조립체는 Al 6061로 구성된 백킹 플레이트를 사용하여 제조된다. 유리하게도, 사용된 기계적 접착 공정은 조립체의 편향을 제어하도록 상기 백킹 플레이트에 Al-0.5%Cu 타게트를 접착하는 방법을 포함한다.
예 1: 접착될 백킹 플레이트(110) 표면상에 예를 들면 "M" 패턴의 연속 채널들을 기계가공함으로서 접착하기 위한 백킹 플레이트(110) 재료가 구비되었다. 일단 경계면들(120)이 접착을 위해 구비되면, 타게트(100)와 백킹 플레이트(110)는 구비된 표면들(120)을 결합시킴으로써 조립되고, 실온하에 상기 조립체를 프레스가공함으로써 그들을 함께 접착한다. 미국특허 제 6,749,103 호 참조. 기계적 접착 후에, 상기 조립체는 타게트(100) 주위에 진공 용접 밀폐를 형성하기 위해 타게트 원주(160) 둘레에 마찰 교반 용접된다. 상기 마찰 교반 용접(f.s.w.)은 상기 백킹 플레이트(110) 측면 뿐만 아니라 상기 타게트(100) 면 모두로부터 수행될 수 있다.
예 2: 접착될 표면들(120)의 화학적 세척 및 그리트 블라스팅(grit blasting)에 의한 접착을 위해 백킹 플레이트(110) 재료가 구비되었다. 접착 표면(130)의 습윤을 개선하고 납땜 재료의 점착성을 개선하기 위해, 양쪽 표면들은 적합한 기술, 적합하게는 스퍼터링에 의해 적합한 습윤 또는 금속층, 적합하게는 니켈에 의해 커버될 수 있다. 일단 상기 경계면들(120)이 접착을 위해 구비되면, 상기 타게트(100)와 백킹 플레이트(110)는 상술된 구비된 면들(120)을 결합시킴으로써 조립되고, 납땜 재료를 충분히 용해시키기 위한 온도, 예를 들면 인듐의 경우 200℃하에 상기 조립체를 프레스가공함으로써 그들을 함께 납땜 접착한다. 납땜 공정이 완료되고, 경계면들(120)과 같은 주 플레이트를 접착한 후, 상기 조립체는 상기 타게트(100)와 백킹 플레이트(110) 사이에 용접 밀폐층을 형성하기 위해 상기 타게트(100)와 백킹 플레이트(110) 사이의 원주(160) 둘레에 마찰 교반 용접(f.s.w.)된다.
예 3: 접착될 표면들(120)을 기계 가공함으로써 마찰 교반 용접(f.s.w.)하기 위해 백킹 플레이트(110) 재료가 구비되었다. 일단 상기 경계면들(120)이 접착을 위해 구비되면, 상기 타게트(100)와 백킹 플레이트(110)는 상술된 구비된 면들(120)을 결합시킴으로써 조립되고, 도 3의 실시예와 같이, 예를 들면 상기 타게트(100)와 백킹 플레이트(110) 사이에 소망의 f.s.w. 접착 표면(130)을 형성하기 위해 상기 타게트(100)와 백킹 플레이트(110) 사이에 나선형 f.s.w. 패턴(150) 또는 기타 적합한 f.s.w. 패턴으로 제공되는, 모든 접착된 표면들을 커버하는 f.s.w. 패턴에 의해, 상기 주 플레이트/ 플레이트 경계면(120)을 따라 그들을 함께 마찰 교반 용접(f.s.w.)한다.
본원에 설명된 방법들과 상기 방법들에 따라 제조된 스퍼터 타게트/백킹 플레이트(100/110)가 본 발명의 적합한 실시예를 구성하고 있으나, 본 발명은 그와 같은 방법들 및 스퍼터 타게트/백킹 플레이트(100/110) 조립체 구성에 한정되지 아니하고, 본 발명의 정신과 범위를 벗어나지 않는 한도 내에서 변경될 수 있음을 밝 혀둔다.

Claims (17)

  1. 스퍼터 타게트/백킹 플레이트 조립체를 제조하기 위한 방법으로서,
    제 1 결합면을 구비한 백킹 플레이트를 제공하는 단계와;
    제 2 결합면을 구비한 스퍼터 타게트를 제공하는 단계; 및
    상기 스퍼터 타게트를 상기 제 1 및 제 2 결합면을 따라 상기 백킹 플레이트에 마찰 교반 용접하는 단계를 포함하는 스퍼터 타게트/백킹 플레이트 조립체 제조 방법.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 제 1 및 제 2 결합면들은 상기 조립체의 원주 가장자리를 따라 위치되는 스퍼터 타게트/백킹 플레이트 조립체 제조 방법.
  3. 제 2 항에 있어서, 상기 마찰 교반 용접은 상기 타게트 두께를 통해 또는 상기 백킹 플레이트 두께를 통해 지향되는 스퍼터 타게트/백킹 플레이트 조립체 제조 방법.
  4. 제 1 항에 있어서, 상기 조립체는 주변부를 포함하며, 상기 제 1 및 제 2 결합면들은 상기 주변부 내에 둘러싸이는 스퍼터 타게트/백킹 플레이트 조립체 제조 방법.
  5. 제 1 항에 있어서, 상기 백킹 플레이트는 Al 또는 Cu 또는 그들의 합금을 포함하는 스퍼터 타게트/백킹 플레이트 조립체 제조 방법.
  6. 제 5 항에 있어서, 상기 Cu 합금은 Cu/Zn 합금을 포함하는 스퍼터 타게트/백킹 플레이트 조립체 제조 방법.
  7. 상기 타게트 및 백킹 플레이트가 그들 사이에 존재하는 주 경계면들을 갖고 하나가 다른 하나 위에 위치되는 타입의, 스퍼터 타게트/백킹 플레이트 조립체를 제조하기 위한 방법으로서,
    상기 조립체는 상기 주 경계면들을 둘러싸는 주변부를 규정하고, 상기 주변부는 상기 타게트와 상기 백킹 플레이트의 버트형 조인트(butt like joint)를 포함하며,
    (가) 상기 타게트를 상기 주 경계면들을 따라 상기 백킹 플레이트에 접착하는 단계; 및
    (나) 상기 타게트를 상기 버트형 조인트를 따라 상기 백킹 플레이트에 마찰 스핀 용접하는 단계를 포함하는 스퍼터 타게트/백킹 플레이트 조립체 제조 방법.
  8. 제 7 항에 있어서, 상기 (가) 단계는 용접 결합, 확산 접합, HIPing, 핫프레스, 폭발 접합, 및 TIG 용접으로부터 선택된 접합 방법을 포함하는 스퍼터 타게트/백킹 플레이트 조립체 제조 방법.
  9. 제 7 항에 있어서, 상기 (가) 단계는 상기 타게트와 상기 백킹 플레이트를 기계적으로 상호 체결하는 단계를 포함하는 스퍼터 타게트/백킹 플레이트 조립체 제조 방법.
  10. 제 9 항에 있어서, 상기 백킹 플레이트는 Al 또는 Cu 또는 그들의 합금을 포함하는 스퍼터 타게트/백킹 플레이트 조립체 제조 방법.
  11. 제 10 항에 있어서, 상기 백킹 플레이트는 Cu/Zn을 포함하는 스퍼터 타게트/백킹 플레이트 조립체 제조 방법.
  12. 제 10 항에 있어서, 상기 타게트는 Al 또는 그의 합금을 포함하는 스퍼터 타게트/백킹 플레이트 조립체 제조 방법.
  13. 제 7 항에 있어서, 상기 타게트는 Al, Cu, Co, Ni, Ta, Ti, 또는 W 또는 그들의 합금을 포함하는 스퍼터 타게트/백킹 플레이트 조립체 제조 방법.
  14. 제 9 항에 있어서, 상기 기계적으로 상호 체결하는 단계는 상기 주 경계면을 따라 홈 패턴을 형성하는 단계와, 약 100℃ 이하의 온도에서 상기 경계면을 따라 상기 타게트 및 백킹 플레이트를 압착하는 단계를 포함하는 스퍼터 타게트/백킹 플 레이트 조립체 제조 방법.
  15. 제 14 항에 있어서, 약 38℃ 이하의 실온에서 상기 경계면을 따라 상기 타게트 및 백킹 플레이트를 압착하는 단계를 포함하는 스퍼터 타게트/백킹 플레이트 조립체 제조 방법.
  16. 복수의 금속 피스들을 제공하는 단계, 및 상기 금속 피스들을 소정의 타게트 형상으로 마찰 교반 용접하는 단계를 포함하는 스퍼터 타게트 제조 방법.
  17. 스퍼터 타게트/백킹 플레이트 조립체를 제조하기 위한 방법으로서,
    상기 타게트를 형성하기 위해 구성된 복수의 소형 피스들을 제공하는 단계; 및
    상기 피스들을 상기 백킹 플레이트에 마찰 교반 용접하는 단계를 포함하며,
    상기 피스들은 상기 백킹 플레이트상에서 소정의 타게트 구성으로 위치되는 스퍼터 타게트/백킹 플레이트 조립체 제조 방법.
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