KR20120113290A - 스퍼터링 타깃 및/또는 코일 그리고 이들의 제조 방법 - Google Patents

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노부히토 마키노
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제이엑스 닛코 닛세키 킨조쿠 가부시키가이샤
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Abstract

스퍼터링 타깃 및/또는 플라스마를 가두기 위하여 플라스마 발생역 주위에 배치한 코일의, 이로젼되는 표면의 수소 함유량이 500 ㎕/㎠ 이하인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타깃 및/또는 코일. 타깃 및/또는 코일의 표면에 있어서의 수소 함유량의 저감에 몰두하여, 그 수소 흡장의 원인이 타깃 및/또는 코일의 제조 공정, 특히 타깃 및/또는 코일의 표면의 가열 조건에 있는 것으로 생각하고, 이 가열 조건을 적절히 함으로써, 타깃 표면의 수소 흡장을 감소시킬 수 있으며, 또한 스퍼터링시의 진공도를 향상시킴과 함께, 균일 미세한 조직을 구비하여, 플라스마가 안정적이며, 막의 균일성 (유니포미티) 이 우수한 스퍼터링 타깃 및/또는 코일, 그리고 이들의 제조 방법을 제공하는 것이다.

Description

스퍼터링 타깃{SPUTTERING TARGET}
이 발명은, 스퍼터링시의 진공도를 향상시킬 수 있고, 균일 미세한 조직을 구비하여, 플라스마가 안정적이며, 막의 균일성 (유니포미티) 이 우수한 스퍼터링 타깃 및/또는 코일 그리고 이들의 제조 방법에 관한 것이다.
최근, 일렉트로닉스 분야, 내식성 재료나 장식 분야, 촉매 분야, 절삭?연마재나 내마모성 재료의 제작 등, 많은 분야에 금속이나 세라믹스 재료 등의 피막을 형성하는 스퍼터링이 사용되고 있다.
스퍼터링법 자체는 상기의 분야에서 잘 알려진 방법이지만, 최근에는, 특히 일렉트로닉스 분야에 있어서, 복잡한 형상의 피막의 형성이나 회로의 형성, 혹은 배리어막의 형성 등에 적합한 스퍼터링 타깃이 요구되고 있다.
일반적으로, 타깃은, 그 원료가 되는 금속, 합금 등을 용해?주조한 잉곳 또는 빌릿을 열간 단조, 소둔 (열처리), 나아가 압연 및 마무리 (기계, 연마 등) 가공하여 타깃으로 가공되고 있다.
한편, 이와 같이 하여 제조된 타깃을 사용하여 스퍼터링을 실시하는 경우, 타깃 표면을 연삭이나 연마에 의한 기계 가공에 의해 평활하게 하여, 균일한 성막이 가능해지도록 함과 함께, 아킹이나 파티클의 발생이 적어, 안정적인 특성을 갖는 막을 제조하도록 하고 있다.
그런데, 타깃을 사용하여 스퍼터링을 실시할 때에, 진공 챔버 내의 진공도가 높아지지 않는다는 문제가 있었다. 이 원인을 구명하자, 진공 챔버 내의 수소 분압이 높다는 것을 알 수 있었다.
이 원인을 더욱 조사한 결과, 사용하는 타깃의 표면에 수소가 상당히 많이 흡장되어 있고, 이 수소가 스퍼터시에 기화되기 때문에, 챔버 내의 수소 분압이 상승하고 있다는 것을 알 수 있었다.
또한, 최근의 스퍼터링 기술로서, 스퍼터링 타깃과 기판 사이에 코일을 배치하여, 플라스마의 밀도를 높이며, 또한 비상하는 스퍼터 입자를 최대한 기판 방향을 향하게 하도록 하는 기술이 있다. 이 결과, 스퍼터링 속도가 빨라지고, 막의 균일성이 양호해져, 종합적으로 기판에 퇴적되는 막의 품질을 향상시킬 수 있는 것이다.
일반적으로, 코일의 재료는 타깃 재료와 동일한 재료이거나 또는 기판 상에 퇴적되는 스퍼터막을 구성하는 재료의 일부를 구성하는 재료를 사용하는 경우가 많다. 그러나, 특별히 코일재가 기판 상의 박막을 오염시키지 않는 재료이면, 특별히 제한되지 않는다. 또한, 코일의 형상도 원형의 것에서부터 나선식의 것이 있고, 이들을 다단으로 배치하는 예도 있다.
그래서, 본 발명자들은, 타깃 및/또는 코일의 표면에 있어서의 수소 함유량의 저감에 몰두하였는데, 그 수소 흡장의 원인이 타깃 및/또는 코일의 제조 공정, 특히 절삭 및 연마 가공에 있을 것이라고 생각하였다.
그러나, 종래의 기계 가공 (절삭, 연마 가공) 에서는, 가공 능률이 중시되어 고속으로 가공을 실시하기 때문에, 일반적으로 냉각성이 우수한 수용성 유제 (에멀션, 솔류블, 솔루션) 가 적용되고 있고, 이 연장선상에서 대책을 강구하고 있는 한, 진공도가 높아지지 않는다는 문제를 해결할 수 없었다. 즉, 종래의 타깃 및 코일 표면의 기계 가공 방법에서는, 반드시 수소를 저감시키지는 못하였다.
이 때문에, 타깃 및/또는 코일의 표면 또는 타깃 및/또는 코일에 내재하는 수소에 관련된 문헌을 조사하였다. 그 결과, 다음과 같은 문헌이 발견되었다.
특허문헌 1 에는, 표면의 수소 함유량을 50 ppm 이하로 함으로써, 노듈 생성을 방지하여, 파티클을 저감시킬 수 있다. 또한, Si, Al, Co, Ni, B 의 총량을 500 ppm 이하로 함으로써, 이로젼면에서의 마이크로아킹을 억제하고, 노듈의 발생을 방지하여, 파티클을 저감시킬 수 있다는 것이다. 소재는, Ti, Ta, Cu, Al 로 하는 실시예의 기재가 있다.
그러나, 이것은 타깃 조성만의 문제로서 파악되고 있어, 진공 챔버 내의 진공도가 높아지지 않는다는 문제의 근본적 해결은 되지 않고, 타깃의 가공시에, 어떻게 해서 수소를 저감시킬지에 대해서는, 기술적 개시 및 시사가 없다는 문제가 있다.
특허문헌 2 에는, 산화알루미늄, 수소에 의해 타깃면에 돌기가 발생하여, 스퍼터링시의 이상 방전의 원인이 된다. 산화물의 양을 3 ppm 이하, 수소 가스의 양을 0.1 ppm 이하로 하는 기재가 있다. 그러나, 이 경우에도, 타깃 조성만의 문제로서 파악되고 있어, 진공 챔버 내의 진공도가 높아지지 않는다는 문제의 근본적 해결은 되지 않고, 타깃의 가공시에 어떻게 해서 수소를 저감시킬지에 대해서는, 기술적 개시 및 시사가 없다는 문제가 있다.
특허문헌 3 에는, Ta 스퍼터링 타깃, TaN 막 상에 성막한 Ta 막 중의 수소 함유에 의해, 박리가 일어나기 쉬워져, 파티클수 증가의 원인이 되므로, Ta 의 수소 농도를 20 ppm 이하로 하는 것이 기재되어 있다. 그러나, 이 경우에도, 타깃 조성만의 문제로서 파악되고 있어, 진공 챔버 내의 진공도가 높아지지 않는다는 문제의 근본적 해결은 되지 않고, 타깃의 가공시에 어떻게 해서 수소를 저감시킬지에 대해서는, 기술적 개시 및 시사가 없다는 문제가 있다.
특허문헌 4 에는, 산소 함유량이 150 ppm 이하. 스퍼터시에 산소가 발생하여, 형성되는 막의 저항값 등의 막 특성에 유해하다. 파티클의 발생수 저감과 산소 함유량의 저감은 상반된다는 것이 기재되어 있다. 이것은 수소와는 직접적으로 관계된 것은 아니고, 이 경우에도, 타깃의 조성만의 문제로서 파악되고 있어, 진공 챔버 내의 진공도가 높아지지 않는다는 문제의 근본적 해결은 되지 않고, 타깃의 가공시에 어떻게 해서 수소를 저감시킬지에 대해서는, 기술적 개시 및 시사가 없다는 문제가 있다.
특허문헌 5 에는, Cr 주성분, Al, Si, Ti, Zr, Hf, V, Nb, Ta, W, Mo, B 가 10 ? 50 원자% 인 스퍼터링 타깃이 기재되고, 산소, 탄소, 황 및 수소의 합계 함유량을 3000 ppm 이하로 함으로써, 경질 질화막을 높은 밀착력으로 형성할 수 있게 하는 것이 기재되어 있다. 그러나, 이것은 수소만의 문제로서 파악되고 있는 것은 아니고, 또한 타깃 조성의 문제로서 파악되고 있어, 진공 챔버 내의 진공도가 높아지지 않는다는 문제의 근본적 해결은 되지 않고, 타깃의 가공시에 어떻게 해서 수소를 저감시킬지에 대해서는, 기술적 개시 및 시사가 없다는 문제가 있다.
특허문헌 6 에는, 고융점 금속 합금용 스퍼터링 타깃이 기재되고, 그 재료로서 W, Mo, Ti 혹은 Ta 가 기재되어 있을 뿐으로, 진공 챔버 내의 진공도가 높아지지 않는다는 문제의 근본적 해결은 되지 않고, 타깃의 가공시에 어떻게 해서 수소를 저감시킬지에 대해서는, 기술적 개시 및 시사가 없다는 문제가 있다.
특허문헌 7 에는, 금속 조직의 합성시에 수소에 의한 소기(掃氣)를 실시하여 스퍼터 타깃의 산소 레벨을 감소시키는 것이 기재되어 있다. 이 경우에도, 진공 챔버 내의 진공도가 높아지지 않는다는 문제의 근본적 해결은 되지 않고, 타깃의 가공시에 어떻게 해서 수소를 저감시킬지에 대해서는, 기술적 개시 및 시사가 없다는 문제가 있다.
특허문헌 8 에는, Ti 함유 고순도 Ta 소결품 타깃이 기재되고, Ta, Ti 를 수소화물의 형태로 함으로써, 분쇄가 용이해져, 이후의 소결시에 소결성이 양호한 입자 치수의 분말이 되고, 탈수소에 의해, 표면의 활성 분말이 얻어져, 소결을 촉진시키며, 또한 산소의 오염을 방지하는 것이 기재되어 있다. 이 경우에도, 진공 챔버 내의 진공도가 높아지지 않는다는 문제의 근본적 해결은 되지 않고, 타깃의 가공시에 어떻게 해서 수소를 저감시킬지에 대해서는, 기술적 개시 및 시사가 없다는 문제가 있다.
특허문헌 9 에는, 수소 원자를 함유하지 않는 액상 매체의 존재하에, 진공 용기 내의 내표면을 기계 연마하는 표면 처리 방법이 기재되어 있다. 이 표면 처리 방법이 필요시되는 주된 이유는, 진공용 부재 표면 및 내표면으로부터 확산?이탈하여, 진공계에 서서히 방출되기 때문에, 도달 진공도를 저하시키는 것, 또한 가속 공동과 같은 장치에 있어서는, 부재에 수소가 흡장?고용화되면, 충분한 가속이 얻어지지 않기 때문에, 진공 용기 내 및 기기에, 흡착?흡장?고용화되는 수소나 수분을 저감시킬 필요가 있다는 설명이 기재되어 있다.
이들 진공 장치의 내벽 또는 그 내부에 설치되어 있는 기기는, 통상적으로는 장기에 걸쳐 손모되는 경우는 없기 때문에, 일단 기계 연마하여, 흡착?흡장?고용화되는 수소나 수분을 제거한 후에는, 특별한 환경하에 두지 않는 한, 새롭게 수소나 수분이 흡착?흡장?고용화되는 경우는 없다.
그러나, 스퍼터링 타깃은 소모품이며, 이로젼을 받아 타깃 자체는 시간 경과적으로 손모되어 가는, 즉 새로운 이로젼면이 출현하는 것이기 때문에, 타깃 자체가 스퍼터링시의 진공도에 직접 영향을 준다는 발상에는 결부되지 않는다. 상식적으로는, 타깃의 이로젼이 개시되고, 그것이 진행됨에 따라, 항상 수소가 방출되는 것으로 생각되기 때문이다.
이러한 의미로부터, 수소 또는 수분의 함유가 문제가 되는 경우에는, 타깃 전체 (이로젼을 받는 전역) 에 대하여, 수소 또는 수분을 저감시킬 필요가 있고, 단순히 표면의 기계 연마에 의해 해결할 수 있을 것이라고 생각할 수 없다.
이러한 의미에서, 특허문헌 9 는, 진공 용기 내 및 기기의 초기 단계에서의 연마시의 수소나 수분의 흡착?흡장?고용화를 방지하기 위한 해결 방법으로서, 그 후의 장치나 기기는, 비교적 장기간 사용되는 것이기 때문에, 교환 빈도가 높은 스퍼터링 타깃에 적용할 수 있는 기술이라고 생각하기는 어려워, 본원 발명을 개시 및 시사하는 것이라고는 할 수 없다.
특허문헌 10 에는, 수소 흡장 금속 표면을, 연삭유를 사용하여 연마하는 방법에 있어서, 연삭유의 수분 함유량의 소정치를 초과하지 않도록 하여 수소 흡장 금속의 표면을 연마하는 방법이 기재되어 있다. 이 수소 흡장 금속의 연삭 방법에 의하면, 표면이 연삭된 수소 흡장 금속 중의 수소량은 매우 소량으로, 수소 흡장 금속의 본래 사용시에 충분히 효과를 발휘할 수 있다고 기재되어 있다.
일반적으로, 수소 흡장 금속은, 수소화물을 생성시키는 반응을 이용하여 수소의 저장이나 열의 저장을 실시하는 금속으로, 금속 원자의 간극에 수소를 도입함으로써, 수소를 흡장하고, 또한 도입한 수소를 방출하는 기능이 우수한 금속이다.
특허문헌 10 에서는, 연삭제에 수분량이 적은 연삭유를 사용함으로써, 수소 흡장 금속 표면 연마시에 생성되는 활성인 신생면이 직접 연삭유 및 대기 중의 수분에 반복적으로 노출되는 경우가 없어지기 때문에, 수분에서 유래하는 수소의 수소 흡장 금속에 대한 흡수를 방지할 수 있지만, 이것은 어디까지나 일시적으로 수소 흡장 금속으로서의 기능을 억제하는 것에 불과하다.
그러나, 스퍼터링 타깃은 소모품이며, 이로젼을 받아 타깃 자체는 시간 경과적으로 손모되어 가는, 즉 새로운 이로젼면이 출현하는 것이기 때문에, 타깃 자체가 스퍼터링시의 진공도에 직접 영향을 준다는 발상에는 결부되지 않는다. 상식적으로는, 타깃의 이로젼이 개시되고, 그것이 진행됨에 따라, 항상 수소가 방출되는 것으로 생각되기 때문이다.
이러한 의미로부터, 수소 또는 수분의 함유가 문제가 되는 경우에는, 타깃 전체 (이로젼을 받는 전역) 에 대하여, 수소 또는 수분을 저감시킬 필요가 있고, 단순히 표면의 기계 연마에 의해 해결할 수 있을 것이라고 생각할 수 없다.
이러한 의미에서, 특허문헌 10 은, 연마시의 수소나 수분의 흡착?흡장?고용화를 방지하기 위한 해결 방법으로서, 그 후, 수소의 흡장, 방출을 반복하여, 장기간 사용되는 것이기 때문에, 교환 빈도가 높은 스퍼터링 타깃에 적용할 수 있는 기술이라고 생각하기는 어려워, 본원 발명을 개시 및 시사하는 것이라고는 할 수 없다.
또한, 특허문헌 11 에는, 스퍼터 퇴적용 코일로서 고순도 구리를 사용하는 기술이 개시되어 있다. 이 경우에는, 기판 상에 석출된 필름의 결함 제거를 목적으로 하는 것이다.
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스퍼터링시의 진공도의 저하는, 타깃 및/또는 플라스마를 가두기 위하여 플라스마 발생역 주위에 배치한 코일 (이하 「코일」이라고 약칭한다) 표면의 수소 함유량에 원인이 있다는 것을 알 수 있었고, 또한 이 수소의 증가는, 타깃 및/또는 코일의 제조 공정 중의, 수소의 흡착 또는 흡장이 원인이라는 것을 알 수 있었다.
따라서, 이 흡착 또는 흡장된 수소를 저감시키는 것이 필요한데, 그러기 위해서는 스퍼터링 장치 (진공 챔버) 에 설치하기 전의, 타깃 및/또는 코일의 표면을 가열하는 것이 유효하다는 지견을 얻었다. 이로써 타깃 표면의 수소의 흡착 또는 흡장을 감소시켜, 스퍼터링시의 진공도를 향상시킬 수 있음과 함께, 균일 미세한 조직을 구비하여, 플라스마가 안정적이며, 막의 균일성 (유니포미티) 이 우수한 스퍼터링 타깃 및/또는 코일, 그리고 이들의 제조 방법을 제공하는 것이다.
스퍼터링 종료 후, 타깃을 교환할 때에도 타깃 및/또는 코일의 표면을 가열하는 것이 유효하며 또한 필요해지는데, 타깃 및/또는 코일의 표면의 수소량과 스퍼터링 종료 후에 재가동시킬 때의 스퍼터링 챔버 내의 진공 회복 시간에 상관이 있다는 것을 알 수 있었기 때문에, 스퍼터링 장치의 다운 타임 개선을 위해서도, 타깃 및/또는 코일의 표면의 수소량을 규정하는 것이 필요하다.
본 발명은, 상기의 문제를 해결하기 위하여, 진공 분위기하, 혹은 불활성 가스 분위기하에서 스퍼터링 타깃 및/또는 플라스마를 가두기 위하여 플라스마 발생역 주위에 배치한 코일을 가열하는 것이, 상기 과제를 해결하는 유효한 방법이라는 지견을 얻었다.
본 발명은, 이 지견에 기초하여,
1) 스퍼터링 타깃 및/또는 플라스마를 가두기 위하여 플라스마 발생역 주위에 배치한 코일의, 이로젼되는 표면의 수소 함유량이 500 ㎕/㎠ 이하인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타깃 및/또는 코일
2) 스퍼터링 타깃 및/또는 코일의, 이로젼되는 표면의 수소 함유량이 300 ㎕/㎠ 이하인 것을 특징으로 하는 상기 1) 에 기재된 스퍼터링 타깃 및/또는 코일
3) 스퍼터링 타깃 및/또는 코일의, 이로젼되는 표면의 수소 함유량이 100 ㎕/㎠ 이하인 것을 특징으로 하는 상기 2) 에 기재된 스퍼터링 타깃 및/또는 코일
4) 스퍼터링 타깃 및/또는 코일이, Cu, Ti, Ta, Al, Ni, Co, W, Si, Pt, Mn 으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1 종 이상의 원소 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 상기 1) ? 3) 중 어느 것에 기재된 스퍼터링 타깃 및/또는 코일을 제공한다.
또한, 본 발명은,
5) 스퍼터링 타깃 및/또는 플라스마를 가두기 위하여 플라스마 발생역 주위에 배치하는 코일을 진공 분위기하 또는 불활성 가스 분위기하에서 가열함으로써, 그 타깃 및/또는 코일의, 이로젼되는 표면의 수소 함유량을 500 ㎕/㎠ 이하로 하는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타깃 및/또는 코일의 제조 방법
6) 스퍼터링 타깃 및/또는 코일의, 이로젼되는 표면의 수소 함유량을 300 ㎕/㎠ 이하로 하는 것을 특징으로 하는 상기 5) 에 기재된 스퍼터링 타깃 및/또는 코일의 제조 방법
7) 스퍼터링 타깃 및/또는 코일의, 이로젼되는 표면의 수소 함유량을 100 ㎕/㎠ 이하로 하는 것을 특징으로 하는 상기 6) 에 기재된 스퍼터링 타깃 및/또는 코일의 제조 방법
8) 스퍼터링 타깃 및/또는 코일이, Cu, Ti, Ta, Al, Ni, Co, W, Si, Pt, Mn 으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1 종 이상의 원소 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 상기 5) ? 7) 중 어느 것에 기재된 스퍼터링 타깃 및/또는 코일의 제조 방법을 제공한다.
본 발명은, 타깃 및/또는 코일의 제조 공정, 특히 스퍼터링 장치 (진공 챔버) 에 설치하기 전의, 타깃 및/또는 코일의 표면을 가열하는 것이 유효하고, 이로써 타깃 표면의 수소의 흡착 또는 흡장을 감소시켜, 스퍼터링시의 진공도를 향상시킬 수 있음과 함께, 균일 미세한 조직을 구비하여, 플라스마가 안정적이며, 막의 균일성 (유니포미티) 이 우수한 스퍼터링 타깃 및 코일을 얻을 수 있다는 효과를 구비하고 있다.
도 1 은, 스퍼터링 장치 (진공 챔버) 내에 배치한 타깃, 기판 (웨이퍼), 코일의 위치 관계를 나타내는 도면이다.
본원 발명은, 스퍼터링 장치 (진공 챔버) 에 설치하기 전의, 스퍼터링 타깃 및/또는 코일의 표면을, 진공 분위기하, 혹은 불활성 가스 분위기하에서 가열한다. 가열 방법은 임의로 선택할 수 있다. 철저히 수소 흡장의 원인이 되는 수소 가스의 사용은 피해야 한다. 통상적으로, 이로젼을 받는 것은 주로 스퍼터링 타깃이지만, 코일도 이로젼을 받기 때문에, 플라스마를 가두기 위한 코일을 사용하는 경우에는, 코일도 동일하게 탈수소하는 것이 필요해진다.
이 가열에 의한 탈수소를 실시한 스퍼터링 타깃 및/또는 코일은, 스퍼터링 장치 (진공 챔버) 에 신속하게 (가능하면 직전에) 설치하는 것이 바람직하다고 할 수 있다. 그 사이에, 수소의 흡착 또는 흡장의 가능성이 높아지기 때문이다. 이 설치까지의 시간은 5 시간 이내, 바람직하게는 3 시간 이내, 더욱 바람직하게는 1 시간 이내로 하는 것이 좋다.
탈수소를 실시한 스퍼터링 타깃 및/또는 코일을 스퍼터링 장치 (챔버) 내에 설치하여 진공 흡인할 때에, 시간적 여유가 없는 경우 (장시간 걸리는 경우) 에 있어서는, 탈수소를 실시한 스퍼터링 타깃 및/또는 코일을, 미리 시일 (진공 밀폐) 해둘 수도 있다.
이 경우에는, 시일 (진공 밀폐) 의 정도에 따라 다르기도 하지만, 통상적으로 100 시간 정도, 더욱 밀폐도를 높이면 12 개월 정도의 보관이 충분히 가능하다. 개봉 (진공 밀봉 해제) 후에는, 신속하게, 스퍼터링 장치 (챔버) 내에 설치하면 된다.
종래 기술에서는, 이와 같은 스퍼터링 타깃 및/또는 코일의 탈수소를 위한 가열을, 스퍼터링 장치 (진공 챔버) 에 설치하기 전에 실시하는 경우는 없었다고 할 수 있다.
가열 방법은, 스퍼터링 타깃 및/또는 코일을 가열할 수 있는 방법이면 어떤 것이든 된다. 바람직하게는, 그 타깃 및/또는 코일의 전체보다, 표면만을 가열할 수 있는 방법이면 된다. 표면만 가열하는 방법으로는, 레이저, 적외선, 램프에 의한 것을 들 수 있다. 이들은, 스퍼터링 타깃 또는 코일의 변형을 방지할 수 있다. 또한, 알루미늄의 재료를 사용한 경우에는, 이 부재의 용해를 방지할 수 있다.
이로써, 스퍼터링 장치 (진공 챔버) 에 도입하는 타깃 및/또는 코일의 이로젼되는 표면의 수소 함유량을 500 ㎕/㎠ 이하로 한 스퍼터링 타깃 및/또는 코일의 제조가 가능해진다. 이로써 스퍼터 후의 진공 챔버 내의 수소 분압의 상승을 방지하여, 진공도를 양호하게 할 수 있다.
스퍼터링 타깃 및/또는 코일은 소모품이며, 이로젼을 받아 타깃 및/또는 코일 자체는 시간 경과적으로 손모되어 가는, 즉 새로운 이로젼면이 출현하는 것이기 때문에, 상식적으로는, 타깃 및/또는 코일의 이로젼이 개시되고, 그것이 진행됨에 따라, 항상 수소가 방출되는 것으로 생각되기 때문이다. 타깃 및/또는 코일 자체가 스퍼터링시의 진공도에 직접 영향을 준다는 발상에는 결부되지 않는다.
즉, 수소 또는 수분의 함유가 문제가 되는 경우에는, 타깃 및/또는 코일 전체 (이로젼을 받는 전역) 에 대하여, 수소 또는 수분을 저감시킬 필요가 있고, 단순히 표면의 기계 연마에 의해 해결할 수 있을 것이라고 생각할 수 없다.
그러나, 스퍼터링 타깃 및/또는 코일의 수소 또는 수분의 흡착?흡장의 원인을 구명하자, 타깃 및/또는 코일 내부의 문제는 아니고, 타깃 및/또는 코일의 표면의 기계 가공시의 문제인 것이 판명되었다.
따라서, 타깃 및/또는 코일 제작의 초기 단계, 즉 스퍼터링 타깃 및/또는 코일 제작의 기계 가공시에 흡착?흡장된 수소나 수분을 제거할 수 있고, 이로써, 진공 챔버 내의 수소 분압의 상승을 효과적으로 억제할 수 있게 되었다.
또한, 이 수소 함유량을 300 ㎕/㎠ 이하로 함으로써, 더욱 수소 분압의 상승 방지 효과를 높일 수 있다.
또한, 이 수소 함유량을 100 ㎕/㎠ 이하로 함으로써, 더욱 수소 분압의 상승 방지 효과를 높일 수 있다.
또한, 스퍼터 중에 수소 가스가 방출되면, 플라스마에 영향을 주어 스퍼터 레이트의 저하 및 편차가 커지는 원인이 된다 (대략 편차가 5 % 정도 내지 15 % 정도로 커진다).
또한, 스퍼터링 타깃 및/또는 코일의 수소 함유량을 500 ㎕/㎠ 이하, 또한 300 ㎕/㎠ 이하, 또한 100 ㎕/㎠ 이하로 함으로써, 수소 분압의 상승 방지 효과에 더하여, 성막 중의 수소 저감에 의해, 막의 균일성을 향상시킬 수 있다. 또한, 막 중의 함유 수소를 저감시킴으로써, 내일렉트로마이그레이션성을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 스퍼터링 타깃 및/또는 코일로는, 수소를 흡장하기 쉬운, Cu, Ti, Ta, Al, Ni, Co, W, Si, Pt, Mn 으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1 종 이상의 원소에 효과적으로 적용할 수 있다. 특히, 대표적인 것은 탄탈 (Ta) 및 티탄 (Ti) 스퍼터링 타깃 및/또는 코일이다. 이들은, 정밀한 표면 가공을 수반하는 경우가 많아, 수소를 흡장할 기회가 많기 때문이고, 또한 스퍼터막의 수소의 함유가 문제가 되기 때문이다. 따라서, 특히 이들 금속 소재에 적용하는 것이 적합하다고 할 수 있다. 그러나, 이 탄탈 (Ta) 및 티탄 (Ti) 스퍼터링 타깃 및/또는 코일에 한정되지 않는다는 것은 말할 필요도 없다.
본 발명의 스퍼터링 타깃 및/또는 코일은, 통상적으로, 다음의 공정에 의해 제조한다. 그 일례를 나타내면, 상기에 서술한 탄탈을 사용한 예에서는, 예를 들어 4 N (99.99 % 이상) 의 고순도 탄탈을 사용하고, 이것을 타깃 및/또는 코일의 원료로 한다. 이것을 전자빔 용해 등에 의해 용해?정제하여 순도를 높이고, 이것을 주조하여 잉곳 또는 빌릿을 제작한다. 전자빔 용해법에 한정할 필요는 없는 것이고, 다른 용해법이어도 되는 것이지만, 만약 고순도화를 노린다면, 전자빔 용해법은, 바람직한 용해법으로, 6 N 레벨의 순도의 재료를 얻는 것이 가능하다.
다음으로, 이 잉곳 또는 빌릿을 소둔-단조, 압연, 소둔 (열처리), 마무리 가공 등의 일련의 가공을 실시한다. 단조 혹은 압연에 의해, 주조 조직을 파괴하여, 기공이나 편석을 확산 혹은 소실시킬 수 있고, 또한 이것을 소둔함으로써 재결정화시키고, 이 냉간 단조 또는 냉간 압연과 재결정 소둔의 반복에 의해, 조직의 치밀화, 미세화와 강도를 높일 수 있다.
이 경우, 주조품 (잉곳 또는 빌릿) 으로부터 직접 타깃 및/또는 코일을 제조할 수도 있다. 이 후, 기계 가공, 연마 가공 등의 마무리 가공에 의해, 최종적인 타깃 및/또는 코일 형상으로 마무리한다.
코일의 원료가 되는 봉상 재료 (선상 재료를 포함한다) 에 대해서는, 상기 잉곳 또는 빌릿을 단신(鍛伸) 또는 압출에 의해 봉상으로 하고, 필요에 따라 이것에 선을 그은 후, 이 봉상 재료 (선상 재료) 를 코일의 원료로 한다.
또한, 코일을 제작하는 경우에는, 봉상의 코일재를 나선상으로 연속적으로 굴곡시켜 제작할 수 있지만, 몇 개의 유사 형상의 코일 단편을 제작하고, 이것들을 최종적으로 용접하여 제작할 수도 있다.
통상적으로, 상기의 제조 공정에 의해 탄탈 타깃 및/또는 코일을 제조하지만, 이 제조 공정은 일례를 나타내는 것이고, 본원 발명은, 스퍼터링 타깃 및/또는 코일의 가열 조건의 선택에 특징을 갖는 것으로서, 용해 주조, 단조, 열처리 등의 제조 공정을 발명으로 하는 것은 아니기 때문에, 다른 공정에 의해 제조하는 것은 당연히 가능하고, 본원 발명은 그것들을 모두 포함하는 것이다.
또한, 본 발명은, 타깃 및/또는 코일이 이로젼을 받을 때에 발생하는 수소를 저감시키는 발명에 관한 것이지만, 이와 같이 이로젼을 받는 타깃 및/또는 이로젼을 받는 코일을 구비하는 스퍼터링 장치 그리고 이와 같은 기기가 존재하는 진공 기기에, 동일하게 적용할 수 있다는 것은 말할 필요도 없다.
실시예
다음으로, 실시예에 대하여 설명한다. 또한, 본 실시예는 발명의 일례를 나타내기 위한 것으로, 본 발명은 이들 실시예에 제한되는 것은 아니다. 즉, 본 발명의 기술 사상에 포함되는 다른 양태 및 변형을 포함하는 것이다.
이하에 나타내는 실시예는, Ta 를 대표적으로 사용하고 있지만, 상기 Cu, Ti, Ta, Al, Ni, Co, W, Si, Pt, Mn 으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1 종 이상의 원소는, 동일한 공정을 거쳐 제조할 수 있고, 효과적으로 수소 흡장을 억제할 수 있다.
이하에, 실시예 및 비교예의 기계 가공의 상세와 평가 결과를 설명한다.
또한, 실시예 및 비교예에서는, 수소 가스량의 측정이 필요해지는데, 이하에 의해 측정을 실시하였다. 각각의 수소 함유량의 시료에 대하여, 20 ㎜ × 10 ㎜ × 8 ㎜t 로 건식으로 잘라낸 샘플을 사용하였다. 이 샘플을 800 ℃ 까지 가열하여 표면에서부터 방출되는 수소 가스를 질량 분석계에 도입하여 정량하였다.
질량 분석계의 측정 조건은, 승온 탈리 가스 질량 분석계 (아네르바사 제조, AGS-7000) 를 사용하였다. 시료를 진공 가열용 석영관 내에 세팅하고, 로터리 펌프로 5 분간 예비 배기한 후, 고진공하에서 10 분간 배기하여 흡착수를 제거하였다. 그리고, 백그라운드의 이온 강도가 저하된 것을 확인하고, 실온에서부터 800 ℃ 까지 20 ℃/min 으로 승온하였다. 그 후, 800 ℃ 에서 5 분간 유지하고, 계속해서 5 분간 방랭하였을 때의 발생 가스를 측정하였다. 일정량의 수소를 주입하여 정량하였다.
(실시예 1)
순도 99.997 % 의 탄탈 원료를 전자빔 용해하고, 이것을 주조하여 두께 200 ㎜, 직경 200 ㎜φ 의 잉곳 또는 빌릿으로 하였다. 다음으로, 이 잉곳 또는 빌릿을 단신한 후, 1500 K 의 온도에서의 재결정 소둔을 실시하여, 두께 100 ㎜, 직경 100 ㎜φ 의 재료를 얻었다.
다음으로, 이것을 냉간에서 단신과 업셋 단조 및 1173 K 의 재결정 소둔을 실시하고, 이어서 다시 냉간 압연하고, 1173 K (900 ℃) 에서 소둔 공정을 2 회 반복하고, 마무리 가공을 실시하여 두께 10 ㎜, 직경 320 ㎜φ 의 타깃재로 하였다.
다음으로, 상기와 같이 하여 제작한 타깃 마무리 가공에 의해 표면 조도를 조정하고, 하기의 조건에서 타깃의 탈수소를 실시하였다.
타깃의 표면 조도 : 0.2 ㎛
타깃의 가열 조건 : 진공 분위기, 온도 900 ℃, 2 시간
가열에 의한 탈수소를 실시한 스퍼터링 타깃은, 2 시간 이내에 스퍼터링 장치 (진공 챔버) 에 설치하였다. 이 결과, 실시예 1 의 수소 가스량은 6 ㎕/㎠ 가 되었다. 또한, 스퍼터 전의 진공도는 1×10-7 ㎩ 가 되어, 양호한 결과가 되었다.
(실시예 2)
상기 실시예 1 과 동일한 조건에서 제작한 타깃재를 마무리 가공에 의해 표면 조도를 조정하고, 하기의 조건에서 타깃의 탈수소를 실시하였다.
타깃의 표면 조도 : 0.2 ㎛
타깃의 가열 조건 : 진공 분위기, 온도 700 ℃, 2 시간
가열에 의한 탈수소를 실시한 스퍼터링 타깃은, 1 시간 이내에 스퍼터링 장치 (진공 챔버) 에 설치하였다. 이 결과, 실시예 2 의 수소 가스량은 100 ㎕/㎠ 가 되었다. 또한, 스퍼터 전의 진공도는 1×10-7 ㎩ 가 되어, 양호한 결과가 되었다.
(실시예 3)
상기 실시예 1 과 동일한 조건에서 제작한 타깃재를 마무리 가공에 의해 표면 조도를 조정하고, 하기의 조건에서 타깃의 탈수소를 실시하였다.
타깃의 표면 조도 : 0.2 ㎛
타깃의 가열 조건 : 아르곤 가스 분위기, 온도 700 ℃, 2 시간
가열에 의한 탈수소를 실시한 스퍼터링 타깃은, 2 시간 이내에 스퍼터링 장치 (진공 챔버) 에 설치하였다. 이 결과, 실시예 3 의 수소 가스량은 300 ㎕/㎠ 가 되었다. 또한, 스퍼터 전의 진공도는 2×10-7 ㎩ 가 되어, 양호한 결과가 되었다.
(실시예 4)
상기 실시예 1 과 동일한 조건에서 제작한 타깃재를 마무리 가공에 의해 표면 조도를 조정하고, 하기의 조건에서 타깃의 탈수소를 실시하였다.
타깃의 표면 조도 : 0.2 ㎛
타깃의 가열 조건 : 진공 분위기, 온도 500 ℃, 2 시간
가열에 의한 탈수소를 실시한 스퍼터링 타깃은, 1 시간 이내에 스퍼터링 장치 (진공 챔버) 에 설치하였다. 이 결과, 실시예 4 의 수소 가스량은 350 ㎕/㎠ 가 되었다. 또한, 스퍼터 전의 진공도는 5×10-7 ㎩ 가 되어, 양호한 결과가 되었다.
(비교예 1)
상기 실시예 1 과 동일한 조건에서 제작한 타깃재를 마무리 가공에 의해 표면 조도를 조정하고, 하기의 조건에서 타깃의 탈수소를 실시하였다.
타깃의 표면 조도 : 0.2 ㎛
타깃의 가열 조건 : 진공 분위기, 온도 500 ℃, 2 시간
스퍼터링 타깃은, 1 시간 이내에 스퍼터링 장치 (진공 챔버) 에 설치하였다. 이 결과, 비교예 1 의 수소 가스량은 550 ㎕/㎠ 가 되었다. 또한, 스퍼터 전의 진공도는 1×10-6 ㎩ 가 되어, 불량이었다. 이것은, 가열 온도가 낮아, 탈수소가 충분하지 않았던 것이 원인이라고 생각되었다.
(비교예 2)
상기 실시예 1 과 동일한 조건에서 제작한 타깃재를 마무리 가공에 의해 표면 조도를 조정하고, 하기의 조건에서 타깃의 탈수소를 실시하였다.
타깃의 표면 조도 : 0.2 ㎛
타깃의 가열 조건 : 대기, 온도 700 ℃, 2 시간
스퍼터링 타깃은, 1 시간 이내에 스퍼터링 장치 (진공 챔버) 에 설치하였다. 이 결과, 비교예 2 의 수소 가스량은 800 ㎕/㎠ 가 되었다. 또한, 스퍼터 전의 진공도는 5×10-6 ㎩ 가 되어, 불량이었다. 이것은, 대기 가열이 원인으로, 탈수소가 충분하지 않았던 것이 원인이라고 생각되었다.
(비교예 3)
상기 실시예 1 과 동일한 조건에서 제작한 타깃재를 마무리 가공에 의해 표면 조도를 조정하였다. 스퍼터링 타깃은, 1 시간 이내에 스퍼터링 장치 (진공 챔버) 에 설치하였다. 이 결과, 비교예 3 의 수소 가스량은 1000 ㎕/㎠ 가 되었다. 또한, 스퍼터 전의 진공도는 1×10-5 ㎩ 가 되어, 불량이었다. 이것은, 가열에 의한 탈수소를 실시하지 않았기 때문에, 가공 중에 들어오는 수소가 잔존하였던 것이 원인이라고 생각되었다.
(실시예 5)
고순도 티탄의 잉곳을 700 ℃ 에서 열간 가공하고, 그 후, 275 도에서 가공비를 2.0 으로 하여 온간 가공을 실시하고, 600 ℃ 에서 1 시간 타깃 전체에 균일한 열처리를 실시하여 두께 10 ㎜, 직경 320 ㎜φ 의 타깃재로 하였다.
이하에, 실시예 및 비교예의 기계 가공의 상세와 평가 결과를 설명한다.
다음으로, 상기와 같이 하여 제작한 타깃 마무리 가공에 의해 표면 조도를 조정하고, 하기의 조건에서 타깃의 탈수소를 실시하였다.
타깃의 표면 조도 : 0.2 ㎛
타깃의 가열 조건 : 진공 분위기, 온도 900 ℃, 2 시간
탈수소를 실시한 스퍼터링 타깃을 미리 시일 (진공 밀폐) 하여 보관하고, 그 후 1 개월을 경과한 후, 상기 시일 (진공 밀폐) 을 해제하여, 1 시간 이내에 스퍼터링 장치 (진공 챔버) 에 설치하였다. 이 결과, 실시예 5 의 수소 가스량은 10 ㎕/㎠ 가 되었다. 또한, 스퍼터 전의 진공도는 1×10-7 ㎩ 가 되어, 양호한 결과가 되었다.
(실시예 6)
상기 실시예 5 와 동일한 조건에서 제작한 타깃재를 마무리 가공에 의해 표면 조도를 조정하고, 하기의 조건에서 타깃의 탈수소를 실시하였다.
타깃의 표면 조도 : 0.2 ㎛
타깃의 가열 조건 : 진공 분위기, 온도 700 ℃, 2 시간
탈수소를 실시한 스퍼터링 타깃을 미리 시일 (진공 밀폐) 하여 보관하고, 그 후 1 개월을 경과한 후, 상기 시일 (진공 밀폐) 을 해제하여, 1 시간 이내에 스퍼터링 장치 (진공 챔버) 에 설치하였다. 이 결과, 실시예 6 의 수소 가스량은 130 ㎕/㎠ 가 되었다. 또한, 스퍼터 전의 진공도는 1×10-7 ㎩ 가 되어, 양호한 결과가 되었다.
(실시예 7)
상기 실시예 5 와 동일한 조건에서 제작한 타깃재를 마무리 가공에 의해 표면 조도를 조정하고, 하기의 조건에서 타깃의 탈수소를 실시하였다.
타깃의 표면 조도 : 0.2 ㎛
타깃의 가열 조건 : 아르곤 가스 분위기, 온도 700 ℃, 2 시간
탈수소를 실시한 스퍼터링 타깃을 미리 시일 (진공 밀폐) 하여 보관하고, 그 후 1 개월을 경과한 후, 상기 시일 (진공 밀폐) 을 해제하여, 1 시간 이내에 스퍼터링 장치 (진공 챔버) 에 설치하였다. 이 결과, 실시예 7 의 수소 가스량은 300 ㎕/㎠ 가 되었다. 또한, 스퍼터 전의 진공도는 2×10-7 ㎩ 가 되어, 양호한 결과가 되었다.
(실시예 8)
상기 실시예 5 와 동일한 조건에서 제작한 타깃재를 마무리 가공에 의해 표면 조도를 조정하고, 하기의 조건에서 타깃의 탈수소를 실시하였다.
타깃의 표면 조도 : 0.2 ㎛
타깃의 가열 조건 : 진공 분위기, 온도 500 ℃, 2 시간
탈수소를 실시한 스퍼터링 타깃을 미리 시일 (진공 밀폐) 하여 보관하고, 그 후 1 개월을 경과한 후, 상기 시일 (진공 밀폐) 을 해제하여, 1 시간 이내에 스퍼터링 장치 (진공 챔버) 에 설치하였다. 이 결과, 실시예 8 의 수소 가스량은 400 ㎕/㎠ 가 되었다. 또한, 스퍼터 전의 진공도는 6×10-7 ㎩ 가 되어, 양호한 결과가 되었다.
또한, 상기 실시예 1 ? 4 에 있어서 제작한 탄탈 타깃을 탈수소한 후, 상기 와 동일하게 진공 밀폐하여 보관하고, 그 후 1 개월을 경과한 후, 상기 시일 (진공 밀폐) 을 해제하여, 1 시간 이내에 스퍼터링 장치 (진공 챔버) 에 설치하였다. 이 결과, 수소 가스량의 상승은 관찰되지 않고, 또한, 스퍼터 전의 진공도의 저하도 관찰되지 않으며, 탄탈 타깃에 있어서도, 티탄 타깃과 마찬가지로 양호한 결과가 되었다.
(비교예 4)
상기 실시예 5 와 동일한 조건에서 제작한 타깃재를 마무리 가공에 의해 표면 조도를 조정하고, 하기의 조건에서 타깃의 탈수소를 실시하였다.
타깃의 표면 조도 : 0.2 ㎛
타깃의 가열 조건 : 진공 분위기, 온도 500 ℃, 2 시간
스퍼터링 타깃은, 1 시간 이내에 스퍼터링 장치 (진공 챔버) 에 설치하였다. 이 결과, 비교예 4 의 수소 가스량은 550 ㎕/㎠ 가 되었다. 또한, 스퍼터 전의 진공도는 1×10-6 ㎩ 가 되어, 불량이었다. 이것은, 가열 온도가 낮아, 탈수소가 충분하지 않았던 것이 원인이라고 생각되었다.
(비교예 5)
상기 실시예 5 와 동일한 조건에서 제작한 타깃재를 마무리 가공에 의해 표면 조도를 조정하고, 하기의 조건에서 타깃의 탈수소를 실시하였다.
타깃의 표면 조도 : 0.2 ㎛
타깃의 가열 조건 : 대기, 온도 700 ℃, 2 시간
스퍼터링 타깃은, 1 시간 이내에 스퍼터링 장치 (진공 챔버) 에 설치하였다. 이 결과, 비교예 5 의 수소 가스량은 950 ㎕/㎠ 가 되었다. 또한, 스퍼터 전의 진공도는 5×10-6 ㎩ 가 되어, 불량이었다. 이것은, 대기 가열이 원인으로, 탈수소가 충분하지 않았던 것이 원인이라고 생각되었다.
(비교예 6)
상기 실시예 5 와 동일한 조건에서 제작한 타깃재를 마무리 가공에 의해 표면 조도를 조정하였다. 스퍼터링 타깃은, 1 시간 이내에 스퍼터링 장치 (진공 챔버) 에 설치하였다. 이 결과, 비교예 6 의 수소 가스량은 1200 ㎕/㎠ 가 되었다. 또한, 스퍼터 전의 진공도는 1×10-5 ㎩ 가 되어, 불량이었다. 이것은, 가열에 의한 탈수소를 실시하지 않았기 때문에, 가공 중에 들어오는 수소가 잔존하였던 것이 원인이라고 생각되었다.
(실시예와 비교예의 종합 평가)
상기 실시예 및 비교예에 대해서는, 탄탈 (Ta) 과 티탄 (Ti) 에 대하여 설명하였지만, Cu, Al, Ni, Co, W, Si, Pt, Mn 으로 이루어지는 원소에 대해서도, 동일한 결과를 확인할 수 있었다. 이들 원소에 대해서는, 타깃의 제조 공정에 있어서의 가공의 종류와 열처리 조건이 각 원소에 따라 상이할 뿐, 제작한 타깃을 마무리 가공하며, 또한 표면 조도를 조정하고, 추가로 타깃의 탈수소를 실시한 재료가 본원 발명의 조건에 있는 것에 대해서는, 수소 가스량을 300 ㎕/㎠ 이하로 충분히 저감시킬 수 있고, 또한 스퍼터 전의 진공도는 1×10-7 ㎩ 이하가 되어, 양호한 결과가 얻어졌다. 반대로, 본원 발명의 조건에서 일탈하는 것에 대해서는, 수소 가스량이 증대하고, 또한 스퍼터 전의 진공도는 1×10-7 ㎩ 를 달성하지 못하여, 불량이었다.
또한, 상기 실시예 및 비교예에 대해서는, 타깃에 대하여 설명하였지만, 플라스마를 가두기 위하여 플라스마 발생역 주위에 배치한 코일에 대해서도, 동일한 처리를 실시함으로써, 동일한 결과가 얻어지는 것을 확인하였다.
산업상 이용가능성
본 발명은, 타깃 및/또는 코일의 제조 공정, 특히 타깃 및/또는 코일의 표면의 가열 조건을 적절히 함으로써, 타깃 표면의 수소 흡장을 감소시킬 수 있기 때문에, 타깃 및/또는 코일을 스퍼터링하여 사용할 때, 타깃 및/또는 코일로부터 방출되는 수소 가스량을 저감시킴으로써, 웨이퍼 교환시의 진공 챔버 내의 진공도의 열화를 억제하여, 스퍼터링시의 스루풋, 즉 시간당 또는 스퍼터 횟수당 기판의 처리 장수를 향상시킬 수 있는 우수한 효과를 갖는다.
또한, 타깃 및/또는 코일은 균일 미세한 조직을 구비하여, 스퍼터링시의 플라스마가 안정적이며, 막의 균일성 (유니포미티) 이 우수한 스퍼터링 타깃 및/또는 코일을 얻을 수 있다는 효과를 갖기 때문에, 일렉트로닉스 분야, 특히 복잡한 형상의 피막의 형성이나 회로의 형성 혹은 배리어막의 형성 등에 적합한 타깃 및/또는 코일로서 유용하다.

Claims (4)

  1. 스퍼터링 타깃의, 이로젼되는 표면의 수소 함유량이 500 ㎕/㎠ 이하인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타깃.
  2. 제 1 항에 있어서,
    스퍼터링 타깃의, 이로젼되는 표면의 수소 함유량이 300 ㎕/㎠ 이하인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타깃.
  3. 제 2 항에 있어서,
    스퍼터링 타깃의, 이로젼되는 표면의 수소 함유량이 100 ㎕/㎠ 이하인 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타깃.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
    스퍼터링 타깃이, Cu, Ti, Ta, Al, Ni, Co, W, Si, Pt, Mn 으로 이루어지는 군에서 선택되는 적어도 1 종 이상의 원소 및 불가피적 불순물로 이루어지는 것을 특징으로 하는 스퍼터링 타깃.
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