KR20140108268A - 스퍼터링 타겟들의 스프레이 재생 - Google Patents

Abstract

다양한 실시예들에서, 사용된 스퍼터링 타겟들은 타겟 재료의 스프레이 증착 동안 스프레이 증착 건(320)과 타겟의 함몰된 표면 윤곽(330) 사이에서 큰 경사각(300)을 유지함으로써 적어도 부분적으로 보수된다.

Description

스퍼터링 타겟들의 스프레이 재생 {SPRAY REJUVENATION OF SPUTTERING TARGETS}

본 출원은 2011년 12월 16일 출원된, 미국 특허 가출원 제61/576,653호의 우선권 및 그 이익을 주장하며, 상기 미국 가출원의 전체 개시내용은 본 출원에 참조로 병합된다.

다양한 실시예들에서, 본 발명은 금속성 및/또는 비금속성 파우더들의 스프레이 증착에 관한 것이고, 특히 스퍼터링 타겟들의 재생(rejuvenation)을 위한 저온 스프레이 증착에 관한 것이다.

스퍼터링(물리적 기상 증착법)은 어떠한 다양한 기판들 위에도 매우 제어 가능한 조성과 균일성으로 다양한 재료들의 박막 필름들을 증착시키기 위해 많은 산업에서 활용된다. 스퍼터링 공정에서, 증착될 재료의 스퍼터링 타겟(또는 그것의 구성 요소)은 활동적인(energetic) 입자들의 충격을 받고, 따라서 상기 기판을 향해 타켓 재료의 원자들을 방출시킨다. 종래의 새로운 (즉, 미사용된) 평면의 스퍼터링 타겟들은 편평하며 둥근 형상 또는 편평하며 직사각형과 유사한 형상을 갖는다. 예를 들어, 도 1은 직사각형 프리즘으로 이상화된 새로운 스퍼터링 타겟(100)을 도시한다. (실제로는, 평면의 스퍼터링 타겟들은 일반적으로 둥근 모서리들을 갖는 직사각형과 유사한 형상이거나 심지어 원형이다.) 스퍼터링 동안, 이 형상은 침식되고, 상기 타겟의 "수명의 말기" (즉, 상기 사용된 타겟이 새로운 깨끗한 타겟으로 대체되는 시점)까지, 일반적으로 상기 타겟 재료의 오직 일부만이 이용되었다. 따라서, 일반적으로 스퍼터 타겟의 사용자는 잔여 타겟 재료 (따라서 본래 타겟의 남은 가치의 대부분)를 폐기해야 한다. 미국 특허출원 공개번호 제2008/0216602호 및 제2008/0271779호(이것들의 전체 개시내용은 본원에 참조로 병합된다)에 기술된 것처럼, 이러한 이용 역학(utilization dynamic)에 의해 스퍼터 타겟들은 스프레이 증착[예를 들어, 저온 스프레이(cold spray)]을 통해 보수(refurbishment)에 좋은 후보들이 된다.

그러나, 스퍼터링 타켓들은 일반적으로 상기 타겟의 수명 말기에 매우 불규칙한 표면을 제공하는 방식으로 침식된다. 이러한 불규칙한 표면은, 도 2에 도시된 바와 같이, 다양한 깊이들에서의 폭의 편차, 표면을 따라 다양한 침투 깊이들 및 본래의 표면에 대해 폭넓게 변하는 각도들을 갖는 표면들로 특징 지어진다. 도 2는 사용된 스퍼터 타겟의 일부의 변화하는 표면 프로파일을 도시한다. 사용된 스퍼터링 타겟의 불규칙한 그리고/또는 복잡한 표면은 스프레이 보수 공정의 효능을 감소시키는 경향이 있으며; 예를 들어, 만약 스프레이 증착이 그러한 표면들에 효과적이라도, 증착된 재료는 약하게 결합되고 용인될 수 없을 정도로 높은 수준들의 공극률을 갖는 경향이 있다. 더욱이, 그러한 불규칙한 그리고/또는 복잡한 표면들에 복합 파우더들(즉, 복수의 요소들의 혼합물)의 스프레이에 대해 국부적인 성분의 편차가 발생하는 경향이 있다. 따라서, 본래의 타겟과 동등한 특성들(예를 들어, 미세구조 특성들, 공극률, 접착력)을 갖는 보수된 타겟들을 제공하는 침식된 스퍼터 타겟들을 위한 개선된 스프레이 재생 공정이 필요하다.

본 발명의 실시예들은 불규칙한 표면의 각각의 국부적인 부분과 스프레이 증착 제트(즉, 증착 장치로부터 추진되고, 타겟 표면에 충돌하는 파우더의 흐름) 사이의 경사각을 대략 45°보다 크게 (그리고 바람직하게는 대략 60°보다 크게) 유지함으로써 스프레이 증착(예를 들어, 저온 스프레이)을 통해 사용된(즉, 침식된) 스퍼터 타겟들의 효율적이고 효과적인 보수(refurbishment)를 가능하게 한다. 도 3은 스프레이 증착 건(gun)(320)에서 나온 입자들의 제트(310)와 타겟 표면(330) 사이의 경사각(300)을 개략적으로 도시한다. 도시된 바와 같이, 상기 경사각(300)은 90°의 최대 가능한 값을 갖는다. 상기 경사각을 대략 45°내지 대략 90°의 바람직한 범위 내에 유지하는 것은 낮은 공극률, 소비된 스퍼터링 타겟과 유사한 비-가스상의 불순물 함유량, 소비된 타겟(예를 들어, 본래 스프레이 증착에 의해 형성되지 않은 일한 타겟)과 동일하거나 더 양호한 입자 크기 및 화학적 균질성, 그리고 타겟 재료에 대한 고품질의 기계적 및/또는 야금학적 결합을 갖는 스프레이로 증착된 층에 의해 상기 사용된 스퍼터 타겟의 침식된 영역들을 충전하는 것을 가능하게 한다.

더욱이, 본 발명의 바람직한 실시예들은 9mm 보다 작고, 바람직하게는 6mm 보다 작거나, 또는 심지어 3mm 보다 작은 최대 표면 깊이[즉, 사용된 타겟의 최대 침투와 최소 침투(예를 들어, 본래의 상부면 및/또는 보수된 이후의 상부면) 사이의 차이]를 갖는 사용된 스퍼터 타겟을 보수하기 위해 상기 타겟 재료의 스프레이 증착을 수반한다.

유리하게 그리고 놀랍게도, 스프레이 보수 동안 상술한 바람직한 경사각들을 이용하는 본 발명의 실시예들은 복잡한 스프레이 제어 소프트웨어, 표면 영상 시스템들, 또는 복잡한(예를 들어, 직선이 아닌) 움직임들이 가능한 로보틱스를 필요로 하지 않으면서 고품질의 스프레이로 증착된 영역들을 제공한다. 소비된 스퍼터 타겟들을 작은 경사각들로 보수하는 시도들은 저품질의 충전된 영역들이 되거나 또는 상기 소비된 영역들을 충분하게 충전하기 위해 제어 계획들 및 복수 축 로보틱스를 필요로 한다. 이와 대조적으로, 본 발명의 실시예들은 소비된 타겟들을 저렴하고 상대적으로 간단하게 보수한다. 이러한 보수 (및 그 결과 보수된 스퍼터 타겟들)는 최종 사용자가 전체 타겟들에 대해서보다 실제로 사용된 스퍼터링 재료들(이것들의 대부분은 외산 및/또는 고가이다)의 대체에 대한 비용만 지불할 수 있게 한다. 더욱이, 본 발명의 다양한 실시예들에 따르면, 상기 스퍼터 타겟의 스프레이 보수는 침식된 타겟이 계속해서 그것의 받침판(backing plate)에 부착된 상태로 수행될 수 있으며, 상기 받침판은 일반적으로 구리, 알루미늄, 또는 스테인리스 스틸과 같은 더 낮은 용융점의 재료를 포함하거나 상기 재료로 본질적으로 구성된다. 예를 들어, 상기 스프레이되는 타겟 재료는 받침판의 그것보다 더 낮은 온도들에서 저온 스프레이에 의해 증착될 수 있다.

상기 스프레이로 증착되는 재료는 바람직하게는 소비된 타겟의 재료이지만, 본 발명의 실시예들은 보수 공정을 위해 임의의 다양한 타겟 재료들을 이용한다. 이런 방식으로, 본 발명의 실시예들에 따라 보수된 타겟들은 일반적으로 본래 비-스프레이 기술들(예를 들어, 냉간 압연 및/또는 등압 압축 성형)을 이용하여 제작된, 본래의 미사용된 타겟과 실질적으로 동일한 성능 및 특성들을 구비한 상태로 이용(즉, 스퍼터) 될 수 있다. 일부 실시예들에서, 상기 타겟 재료는 하나 이상의 내화 금속들(예를 들어, Mo, Ti, Mo/Ti, Nb, Ta, W, Mo, Zr 및 그것들의 혼합물들 또는 합금들)을 포함하거나 하나 이상의 상기 내화 금속들로 본질적으로 구성된다. 일부 실시예들에서, 상기 경사각은 타겟 재료의 경도 및/또는 용융점[예를 들어, 영률(Young's modulus)]의 함수로 증가한다. 예를 들어, 더 단단하고 더 부서지기 쉬운 재료들(예를 들어, 변형 및 마멸되는 경향이 더 적은 것들)은 상기 스프레이되는 재료와 타겟 사이의 고품질 결합을 형성하기 쉽도록, 약 60°보다 큰, 또는 심지어 약 75°보다 큰 경사각에서 증착될 수 있다.

본 발명의 다양한 실시예들에서, 침식된 스퍼터 타겟이 제공되며, 상기 타겟은 평면이 아닌 표면 윤곽을 갖는다. 상기 타겟 재료는 경사각을 약 45°보다 크게 유지하는 동안 윤곽 위에 스프레이되고, 상기 타겟의 비-평면성 표면은 스프레이된 재료로 적어도 부분적으로 충전된다. 일부 실시예들에서, 상기 타겟의 침식된 영역들은 실질적으로 완전히 충전되며, 보수된 타겟에 실질적으로 평면의 표면을 제공한다. 다른 실시예들에서, 상기 침식된 영역들은 과도하게 충전되고 (그리고 타겟 재료는 타겟의 덜 침식된 또는 침식되지 않은 부분들 위에 스프레이 될 수도 있다), 상기 타겟은 그 뒤에 그것의 표면이 실질적으로 편평해질 때까지 가공된다(예를 들어, 그라인딩된다). 일반적으로 침식된 타겟은 상술한 국부적인 비-평면성 표면을 갖지만, 상기 타겟은 (도 1 및 도 2에 도시된 바와 같이) 본래의 (그리고 보수된 이후의) 타겟의 표면에 대응하는 더 전반적인 "표면 평면"을 형성하는 것이 계속된다. 본 발명의 바람직한 실시예들에서, 이 표면 평면에 대한 스프레이된 타겟 재료의 제트의 각도는 전체 보수 공정 동안 대략 90°이다. 즉, 상기 제트(그리고 스프레이 장치)의 각도는 바람직하게는 소비된 타겟의 표면의 국부적인 비-평면성에 대응하여 변하지 않으며, 상기 공정을 단순화하고, 덜 비싸고 시간이 더 적게 소비되게 한다. 타겟 재료의 증착 후에, 상기 보수된 타겟은 스프레이로 증착된 재료와 본래의 타겟 재료 사이의 결합을 강화하게 위해 어닐링(annealing)될 수 있다. 상기 어닐링은 예를 들어, 대략 480℃ 내지 대략 700℃ 사이, 또는 대략 900℃의 온도에서, 그리고/또는 예를 들어, 대략 1시간 내지 대략 16시간 사이의 시간 동안 수행될 수 있다.

상기 타겟 재료의 스프레이 증착 이전에, 침식된 타겟의 표면은 본래의 타겟 재료와 새로 증착된 재료 사이에 고품질의, 깨끗한, 실질적으로 산소가 없는 인터페이스를 제공하도록 처리될 수 있다. 예를 들어, 상기 침식된 표면은 스프레이 증착 이전에 그릿 블라스트(grit blast)되거나, 가공되거나, 그리고/또는 에칭될 수 있다. 본 발명의 실시예들은 상기 소비된 스퍼터 타겟들을 종래의 보수 공정들과 비교할 때 그것들의 수명 사이클에서 더 일찍 보수하며, 종래의 보수 공정들은 타겟 재료의 30% 보다 많은, 또는 심지어 50% 보다 많은 부분이 침식되었을 때 수행될 수 있다. 이와 대조적으로, 본 발명의 실시예들은 상기 타겟 재료의 30% 보다 적은 부분이 침식되었을 때, 그리고/또는 (본래의 타겟 재료와 보수하는 동안 스프레이 증착된 타겟 재료 사이의 상기 인터페이스에 대응하는) 상기 침식된 타겟의 표면 윤곽이 타겟의 본래의 표면 평면에 대해 45°를 초과하는 각도를 형성하지 않을 때(그리고 바람직한 실시예들에서, 상기 각도는 30°를 초과하지 않는다) 스퍼터 타겟을 보수한다.

많은 실시예들에서, 타겟의 침식된 표면과 스프레이로 증착된 재료 사이의 상기 인터페이스는 시각적으로 그리고/또는 야금학적 평가에 의해 발견 가능하다. 예를 들어, 상기 스프레이로 증착된 재료는 본래의 타겟 재료보다 개선된 야금학적 특징(더 양호한 입자 크기 및 더 양호한 화학적 균일성도)을 나타낼 수 있다. 더욱이, 상기 인터페이스는 탐지 가능한(즉, 타겟의 배경 수준보다 더 큰), 그러나 바람직하게는 보수된 타겟이 이용되는 스퍼터링 공정에 해로운 영향을 주지 않는 불순물들(예를 들어, 산소 및/또는 탄소)의 유한한 농도를 포함함으로써, 화학적 분석을 통해 발견될 수 있다.

본원에 설명된 본 발명의 실시예들은 본래 실질적으로 평면의 스퍼터링 타겟들에 관하여 주로 설명되어 있지만, 본 발명의 실시예들은 중공 음극 마그네트론(hollow-cathode magnetron), 회전식, 또는 실런더형 타겟들, 또는 성형된 타겟들(예를 들어, 미국 특허출원 공개번호 제2011/0303535호에 설명되고, 그것의 전체 개시내용이 본 출원에 참조로 병합되는 것들과 같이) 및 스퍼터링으로 유발되는 침식이 예상되는 영역들에 수명을 연장하는 “패드들(pads)”을 구비한 타겟들과 같이 평면이 아닌 스퍼터 타겟들이 이용될 수 있다. 평면의 타겟들은 소비된 스퍼터링 타겟들의 침식된 영역들을 충전하기 위해 (즉, 스프레이 증착 건에 대해) 2개의 직선의 방향들에서 이동될 수 있는데 반하여, 회전식 타겟들은 스프레이 증착 건에 대해 회전될 수 있으며, 따라서 상기 타겟에 대해 오직 단일 차원에서 이동해야 할 수도 있다.

본원에서 사용될 때, “받침판”은 상기 스퍼터링 타겟의 기하학적 구조에 따라 실질적으로 평면, 관 모양, 또는 실린더형일 수 있고, 상기 타겟 재료의 용융점보다 낮은 용융점 및/또는 스프레이 증착 동안 스프레이 재료의 온도보다 낮은 용융점을 갖는 재료들 중 하나 이상을 포함하거나 상기 재료들 중 하나 이상으로 본질적으로 구성된다. 받침판들에 대한 대표적인 재료들은 구리, 알루미늄 및/또는 스테인리스 스틸을 포함한다.

일 태양에서, 본 발명의 실시예들은 평면이 아니며 최대 표면 깊이를 형성하는 함몰된(depressed) 표면 윤곽을 구비한 침식된 영역을 갖는 침식된 스퍼터링 타겟을 보수하는 방법을 특징으로 한다. 상기 침식된 스퍼터링 타겟(즉, 적어도 그것의 플레이트)은 타겟 재료를 포함하거나 상기 타겟 재료로 본질적으로 구성된다. 스프레이 증착 건은 상기 침식된 영역 위에 배치되고, 상기 타겟 재료의 입자들의 제트의 스프레이 증착은 침식된 영역을 부분적으로 충전하기 위해 제1 위치에서 개시되며, 상기 침식된 영역에서 스프레이 증착 건과 스프레이 증착 건의 바로 아래의 침식된 영역 사이의 경사각은 대략 45°이상이다. 상기 침식된 영역은 (ⅰ) 침식된 스퍼터링 타겟에 대해 상기 스프레이 증착 건을 이동시키고, (ⅱ) 상기 경사각을 대략 45° 내지 대략 90° 의 범위에서 선택된 복수의 다른 값들로 변화시키고, (ⅲ) 상기 침식된 스퍼터링 타겟 위의 각각의 위치에서, 침식된 영역의 깊이에 기초하여 타겟 재료의 입자들의 증착 속도를 제어하는 동안 타겟 재료의 입자들로 스프레이 증착에 의해 실질적으로 충전된다.

본 발명의 실시예들은 임의의 다양한 조합들에서, 다음 중 하나 이상을 포함할 수 있다. 상기 제1 위치에서 경사각은 대략 60°보다 클 수 있다. 스프레이 증착 이전에 상기 침식된 스퍼터 타겟의 최대 표면 깊이는 9mm 보다 작거나, 심지어 6mm 보다 작을 수 있다. 상기 타겟 재료의 입자들을 스프레이 증착하는 단계는 저온 스프레이하는 단계를 포함하거나 저온 스프레이하는 단계로 본질적으로 구성될 수 있다. 상기 제1 위치에서의 경사각은 제1 값(예를 들어, 대략 45° 또는 45° 내지 60° 사이의 값)을 가질 수 있다. 상기 침식된 영역이 실질적으로 충전되는 동안, 상기 경사각은 (a) 상기 제1 값에서 대략 90°로 변할 수 있고, (b) 그 후에, 대략 90°에서 대략 상기 제1 값으로 변할 수 있다. 상기 스퍼터링 타겟은 침식된 영역이 실질적으로 충전된 후 어닐링될 수 있다. 상기 어닐링은 진공에서 수행될 수 있다. 상기 침식된 영역을 실질적으로 충전하는 단계는 평면이 아닌 표면을 갖는 보수된 스퍼터 타겟을 형성하기 위해 침식된 영역을 과도하게 충전하는 단계를 포함하거나 상기 단계로 본질적으로 구성될 수 있다. 상기 평면이 아닌 표면은 보수된 스퍼터 타겟의 실질적으로 평면의 표면을 형성하기 위해 평탄화될 수 있다.

상기 스프레이 증착 건은 스프레이 증착 동안 침식된 영역의 깊이의 변화들에도 불구하고 실질적으로 일정한 속도로 침식된 스퍼터링 타겟에 대해 이동될 수 있다. 상기 스프레이 증착 건은 스프레이 증착 동안 경사각의 변화들에도 불구하고 실질적으로 일정한 속도로 침식된 스퍼터링 타겟에 대해 이동될 수 있다. 타겟 재료의 입자들의 증착 속도를 제어하는 단계는 침식된 스퍼터링 타겟에 대해 스프레이 증착 건을 이동시키는 속도를 제어하는 단계를 포함하거나 상기 단계로 본질적으로 구성될 수 있다. 타겟 재료의 입자들의 증착 속도를 제어하는 단계는 스프레이 증착 건으로 흐르는 입자의 속도를 제어하는 단계를 포함하거나 상기 단계로 본질적으로 구성될 수 있다. 상기 스프레이 증착 건은 침식된 스퍼터링 타겟에 대해 오직 직선으로 이동될 수 있다. 상기 타겟 재료는 복수의 서로 다른 요소들의 합금 또는 혼합물일 수 있다. 상기 침식된 영역의 깊이 프로파일은 스프레이 증착 이전에 측정될 수 있다.

본원에 개시된 본 발명의 이점들 및 특징들과 함께, 이들 및 다른 목적들은 이하의 상세한 설명, 첨부된 도면들 및 청구항들을 통하여 더욱 명백해질 것이다. 더욱이, 본원에 설명된 다양한 실시예들의 특징들은 상호 배타적이지 않고, 다양한 조합들과 치환들로 존재할 수 있다는 것이 이해될 것이다. 본원에서 사용될 때, “저온 스프레이”라는 용어는 하나 이상의 파우더들이 스프레이(예를 들어, 저온 스프레이, 동적 스프레이 및 그와 유사한 것)되는 동안 용융되지 않고 스프레이 증착되는 기술을 지칭한다. 스프레이되는 파우더들은 증착 이전에 그리고 증착하는 동안 가열될 수 있지만, 스프레이되는 파우더들의 용융점 이하의 온도까지만 가열될 수 있다. 본원에서 사용될 때, “대략” 및 “실질적으로”라는 용어는 ±10%를 의미하고, 일부 실시예들에서는 ±5%를 의미한다. “본질적으로 구성되는”이라는 용어는 본원에 다르게 정의되지 않는 한, 기능에 기여하는 다른 재료들을 배제하는 것을 의미한다. 그렇기는 하지만, 그러한 다른 재료들은 집합적으로 또는 개별적으로, 미량 존재할 수 있다.

도면들에서, 일반적으로 서로 다른 도면들 전체에 걸쳐 동일한 도면 번호들은 동일한 부분들을 언급한다. 또한, 도면들은 비율에 따를 필요가 없으며, 대신 본 발명의 원리를 설명하기 위해 일반적으로 강조가 배치된다. 다음의 설명에서, 본 발명의 다양한 실시예들이 다음의 도면을 참조하여 설명된다.
도 1은 미사용된 평면의 스퍼터링 타겟의 개략적인 등각 표현이다.
도 2는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 사용된 평면의 스퍼터링 타겟의 침식된 영역의 깊이 윤곽의 등각도이다.
도 3은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 스프레이 증착 동안 형성되는 경사각의 개략적인 표현이다.
도 4a는 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 스퍼터링 타겟에 형성된 침식된 영역을 갖는 사용된 스퍼터링 타겟의 등각도이다.
도 4b는 도 4a에 도시된 사용된 스퍼터링 타겟의, 4B-4B 선을 따른 단면도이다.
도 5는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 보수의 개시시에 사용된 스퍼터링 타겟의 단면도이다.
도 6은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 보수된 스퍼터링 타겟의 단면도이다.
도 7은 본 발명의 다양한 실시예들에 따른 스프레이로 증착된 재료의 선택적인 평탄화 이전의 보수된 스퍼터링 타겟의 단면도이다.

도 4a는 본 발명의 다양한 실시예에 따른 사용된 (또는 “소비된”) 스퍼터링 타겟(400)을 개략적으로 도시한다. 일반적으로 상기 스퍼터링 타겟(400)은 스퍼터링-타겟 플레이트(410)를 포함하거나 상기 스퍼터링-타겟 플레이트(410)로 본질적으로 구성되며, 상기 스퍼터링 타겟 플레이트(410)는 스퍼터링 도구에서 스퍼터링 동안 플레이트(410)의 재료의 소비에 의해 형성된 침식된 영역(420)을 그 내부에 포함한다. 상기 플레이트(410)는 스퍼터링 가능한 재료들(예를 들어, 금속들)을 하나 이상(예를 들어, 합금 또는 혼합물로서) 포함하거나 상기 하나 이상의 재료들로 본질적으로 구성된다. 일부 실시예들에서, 상기 타겟 재료(즉, 상기 플레이트(410)의 재료)는 내화 금속들(예를 들어, Mo, Ti, Mo/Ti, Nb, Ta, W, Mo, Zr 및 그것들의 혼합물 또는 합금들)의 하나 이상을 포함하거나 상기 내화 금속들의 하나 이상으로 본질적으로 구성된다. 상기 플레이트(410)는 스퍼터링을 위해 일반적으로 받침판(도 4a에 도시되지 않음; 도 4b를 참조)에 결합되거나 또는 다른 방법으로 부착되지만, 플레이트(410)는 본 발명의 실시예들에 따라 상기 받침판이 존재하거나 제거된 상태로 보수될 수 있다. 일반적으로 상기 침식된 영역(420)은 (예를 들어, 도 4b에 도시된 바와 같은) 오목하며, 평면이 아닌 표면 윤곽을 형성하며, 표면 윤곽의 각각의 지점은 본래의 (그리고 보수된 이후의) 타겟의 표면에 대응하는 더 전반적인(global) "표면 평면”에 대해 실질적으로 수직으로 배향하는 스프레이 증착 건과 함께 경사각(300)을 형성한다. 도 4a에 도시된 바와 같이, 이 표면 평면은 침식된 영역(420)의 바깥쪽의 플레이트(410)의 일부들에 해당한다. 본 발명의 다른 실시예들에서, 상기 스프레이 증착 건은 상기 플레이트(410)의 전반적인 표면 평면에 대해 90°가 아닌 각도로 배치될 수 있다. 상기 스프레이 증착 건이 배치되는 각도가 얼마이든, 일반적으로 상기 각도는, 예를 들어, 침식된 영역(420)의 표면 윤곽에서 국부적인 편차들의 함수로 변하기보다는, 보수하는 동안 일정하게 유지된다. 따라서, 일반적으로 복잡한 복수 축 로봇 시스템들은 본 발명을 실시하기 위해 필요하지 않고; 오히려, (도 4a에 도시된 x-y 평면에서 상기 플레이트(410) 및 상기 스프레이 증착 건의 상대적인 이동을 가능하게 하는) 간단한 x-y 갠트리(gantry)로 일반적으로 충분하다.

본 발명의 바람직한 실시예들에서, 침식된 영역(420)의 상기 깊이 프로파일(즉, 그 내부의 위치의 함수로서 깊이의 측정치들)은 플레이트(410)의 스프레이 증착 보수 이전에 측정된다. 예를 들어, 스캐닝 장치(430)는 침식된 영역(420)의 깊이 프로파일을 스캔하고 측정하기 위해 이용될 수 있다. 스캐닝 장치(430)는 예를 들어, 플로리다 레이크 메리의 파로 테크놀로지 주식회사(FARO Technologies Inc.)에서 모두 제공 가능한, 파로 에지 측정 아암(FARO Edge measurement arm)의 파로 레이저 라인 프로브(FARO Laser Line Probe)를 포함하거나 그것으로 본질적으로 구성될 수 있다. 이하의 상세한 설명과 같이, 침식된 영역(420)의 깊이 프로파일에 대한 측정값 및 지식에 대해 상기 스프레이 증착 공정이 스프레이 증착 건에 근접한 국부적인 깊이의 함수로서 제어 가능하게 될 것이다. 상기 침식된 영역(420)의 깊이 프로파일에 관한 정보는 스프레이 보수 공정의 하나 이상의 파라미터들을 제어하는데 이용될 수 있는 플레이트(410)의 3차원 모델을 생성하기 위해 이용될 수 있다.

도 4b는 도 4a에서의 4B-4B 선을 따른 스퍼터링 타겟(400)의 단면도를 도시하고, 받침판(440)에 부착된 플레이트(410)를 도시한다. (전술한 바와 같이, 본원에 설명된 보수 공정은 플레이트(410)가 상기 받침판(440)에 부착된 상태로 수행될 수 있으나, 받침판(440)은 일반적으로 명확성을 위해 나머지 도면에서 생략된다.) 도시된 바와 같이, 상기 침식된 영역(420)은 오목한 표면 윤곽(440)을 형성하고, 상기 침식된 영역(420)은 상기 플레이트(410)의 표면 아래에 최대 깊이(450)를 갖는다. 본 발명의 바람직한 실시예들에 따르면, 상기 표면 윤곽에 대한 경사각을 바람직한 범위(예를 들어, 45°내지 90°)에서 유지시키기 위해, 상기 최대 깊이는, 예를 들어 대략 9mm 보다 작고, 바람직하게는 대략 6mm 보다 작거나, 심지어는 대략 3mm 보다 작다. 일반적으로 플레이트(410)의 총 두께는 대략 18mm이며, 그래서 본 발명의 실시예들은 침식된 영역(420)의 깊이가 플레이트(410)의 총 두께의 대략 50%일 때 스퍼터링 타겟 플레이트들의 보수를 수반한다. 종래에는 플레이트들(410)이 더 많이 소비된 깊이들까지 스퍼터링될 수 있지만, 침식된 영역(420)의 최대 깊이를 제한하는 것은, 적어도 부분적으로는, 양호한 경사각들의 유지를 가능하게 하고, 따라서 타겟 재료가 훨씬 더 큰 깊이들까지 소비될 때 일반적으로 필요한 공정들에 비해 덜 복잡한 보수 공정을 가능하게 한다. (따라서, 높은 경사각들 및 상대적으로 낮은 총 타겟 소비량에서 본 발명의 실시예들에 따른 보수가 더 빈번한 보수 및 수반되는 비용 그리고 장비의 정지 시간을 더 필요로 할 수 있다고 하더라도, 놀랍게도 그 결과 더 빠르고, 덜 복잡하고, 더 저렴한 보수가, 훨씬 더 자주 수행되어도, 전체 공정 비용의 측면에서 보상될 수 있다.)

침식된 영역(420)에 대한 깊이 정보가 얻어진 후에, 상기 플레이트(410)는 스프레이 증착에 의해 보수될 수 있다. 바람직하게 상기 스프레이 증착 공정은 저온 스프레이를 포함하거나 저온 스프레이로 본질적으로 구성되며, (일반적으로 플레이트(410)를 보수하기 위해 스프레이로 증착되는 재료에 대응하는) 상기 플레이트(410)의 재료 및/또는 받침판(440)의 재료의 용융점 이하에서 수행된다. 상기 스프레이 증착 이전에, 상기 침식된 플레이트(410)의 표면은 본래의 타겟 재료와 새로 증착된 재료 사이에 고품질의, 깨끗한, 실질적으로 산소가 없는 인터페이스를 제공하도록 처리될 수 있다. 예를 들어, 상기 침식된 표면은 스프레이 증착 이전에 그릿 블라스트, 가공 및/또는 (예를 들어, 산을 사용하여) 에칭될 수 있다. 선택적인 표면 처리 이후에, 스프레이 증착은 스프레이 증착 건(500)을 상기 침식된 영역(420) 위에 배치함으로써 개시된다. 상기 스프레이 증착 건(500)은 스프레이 증착 시스템(예를 들어, 저온 스프레이 증착 시스템)의 일부이며, 예를 들어, 1992년 2월 2일 출원된 미국 특허 제5,302,414호, 1999년 6월 29일 출원된 미국 특허 제6,139,913호, 2001년 3월 2일 출원된 미국 특허 제6,502,767호, 2001년 11월 30일에 출원된 미국 특허 제6,722,584호에 설명된 시스템들 중 하나이며, 각각의 전체 개시내용은 본 출원에 참조로 병합된다. 상기 스프레이 증착 건(500)은, 예를 들어 (도시되지 않은) 파우더 공급 장치에서 나온 파우더(즉, 입자) 형태로 스프레이되는 재료(바람직하게는 소비된 플레이트(410)의 재료와 매치됨)를 수납하며, 상기 파우더를 가속시키고, 침식된 영역(420)의 표면에 부딪히며 재료의 층으로 증착되는 제트(510)에 있는 파우더를 (일반적으로 노즐로부터) 스프레이한다. 상기 보수 공정을 개시할 때, 상기 건(500)은 경사각이 대략 45°이상이 되도록 상기 침식된 영역(420)의 일부 위에 배치되며, 따라서 상기 파우더가 표면으로부터 빗나가거나 큰 공극률 양들을 갖는 층으로 불량하게 부착되기 보다는 상기 표면에 층으로 증착되는 것을 보장한다. 상기 증착된 층의 밀도(density)는 일반적으로 97% 보다 크고, 바람직하게는 99% 보다 크다. 상기 스프레이된 재료가 증착됨에 따라, 상기 건(500)은 침식된 영역(420)을 가로질러 (예를 들어, 도 4a에서 x방향을 따라) 이동하고 그리고/또는, 동등하게, 상기 침식된 플레이트(410)가 그 자체로 상기 건(500) 아래에서 이동되며(즉, 상기 건은 본 발명의 일부 실시예들에서 정지된 상태로 유지될 수 있음), 침식된 영역(420) 위로 상기 건(500)의 각각의 패스(pass)에 의해 대략 100μm 내지 대략 500μm의 두께를 갖는 타겟 재료의 고밀도의(dense) 층을 생성한다. 일 실시예에서, 상기 건(500)은 단일 증착 패스를 위해 침식된 영역(420)의 전체 길이에 걸쳐 (예를 들어, 도 4a에서 x방향을 따라) 이동되고, 그 이후 상기 건(500)이 상기 제1 방향으로 침식된 영역(420) 위로 다시 한번 이동되기 전에 수직한 방향(예를 들어, 도 4a에서 y방향)으로 짧은 거리를 이동한다. 즉, 단일 스프레이 증착 패스는 제2 패스가 침식된 영역(420)의 임의의 부분에 수행되기 전에 침식된 영역(420) 전체에 걸쳐 수행되고, 상기 침식된 영역(420)은 이러한 방식으로 패스-바이-패스(pass-by-pass) 충전된다.

스프레이 증착 동안, 상기 제트(510)와 침식된 영역(420)의 표면(또는 사전에 스프레이된 재료의 표면) 사이의 경사각은 (예를 들어, 상기 건(500)의 각각의 패스에 따라) 변한다. 예를 들어, 상기 경사각은 대략 45°이상의 제1 각에서 대략 90°의 각도로 변할 수 있고, 그 후에 대략 45°이상의 각도(예를 들어, 대략 상기 제1 각과 동일한 각도)로 돌아올 수 있다. 따라서, 상기 제트(510)(및/또는 건(500))와 침식된 영역(410)의 표면 사이의 경사각은 스프레이 증착 보수 동안 복수의 서로 다른 값을 취하지만, 고품질 증착(예를 들어, 상기 플레이트(410)에 양호하게 결합된 밀도가 높은 층들의 형성)이 되게 하기 위해 항상 대략 45°보다 크다. 더욱이, 바람직한 높은 경사각을 유지하는 것은 제트(510)의 충돌 각도를 변경하기 위해 복잡한 비선형 움직임 및/또는 복잡한 건의 기울이기 보다는, 상기 플레이트(410)에 대해 상기 건(500)의 간단한(예를 들어, 직선의) 움직임들의 사용을 가능하게 하고, 그리하여 본 발명의 실시예들을 간단하고, 시간이 덜 소비되고, 덜 비싸게 한다.

또한 본 발명의 바람직한 실시예들은 상기 침식된 영역(420)의 국부적인 깊이(즉, 상기 건(500)의 바로 아래 깊이)에 기초하여 스프레이되는 재료의 증착 속도를 제어하기 위해 스프레이 증착 이전에 측정된 깊이 프로파일을 활용하며, 이에 따라 각각의 영역 위를 동일한 횟수로 패스하면서 그것의 폭을 가로질러(즉, 도 4a의 y방향을 따라) 침식된 영역(420)을 실질적으로 일정한 충전이 가능해진다. (이와 반대로, 변하는 깊이들을 갖는 침식된 영역(420)을 가로질러 일정하게 유지되는 증착 속도는 모든 위치들 위에 동일한 횟수로 통과된 후 일부 위치들에서는 스프레이된 재료가 침식된 영역(420)으로부터 돌출되게 하지만, 다른 위치들에서는 침식된 영역(420)이 충전되지 못한 결과를 초래할 것이다.) 예를 들어, 상기 플레이트(410)에 대한 상기 건(500)의 이동 속도는 더 큰 초기 깊이를 갖는 영역 위에 더 많은 재료가 증착되도록 제어될 수 있으며; 건(500)으로부터의 파우더의 일정한 유속에 대해, 건(500)이 플레이트(410)에 대해 더 느리게 이동할수록, 국부적으로 증착된 층은 더 두꺼워진다. 이동 속도를 제어하는 것에 추가하여 또는 대신에, 더 큰 초기 깊이의 영역들 위에 더 두꺼운 층들을 형성하기 위해 건(500)으로의 파우더의 유속이 제어될 수 있으며; (예를 들어, 파우더 공급 장치로부터) 상기 건(500)으로의 더 큰 파우더 유속에 의해 그 결과로서 국부적으로 증착된 재료의 더 두꺼운 층이 형성될 것이다. 상기 이동 속도 및/또는 파우더 공급 속도는 스프레이 증착 이전에 측정된 상기 침식된 영역(420)의 깊이 프로파일에 기초하여 제어될 수 있다.

도 6은 이전에 소비된 플레이트(410) 및 이전에 침식된 영역들(420)을 실질적으로 충전하는 스프레이로 증착된 재료(610)를 포함하거나 그것들로 본질적으로 구성된 보수된 스퍼터링 타겟(600)을 도시한다. (비록, 도 6에는 도시되어 있지 않지만, 상기 타겟(600)은 또한 도 4b에 도시된 받침판(440)을 포함할 수 있다.) 일반적으로 스프레이로 증착된 재료(610)는 플레이트(410)의 재료의 용융되지 않은 파우더를 포함하거나 그것으로 본질적으로 구성된다. 도 6에 도시된 바와 같이, 재료의 표면(610)은 바람직하게는 상기 플레이트(410)와 동일 평면이고, 따라서 타겟(600)에 대해 실질적으로 평면의 상부면을 형성한다. 도 7에 도시된 바와 같이, 일부 실시예들에서, 스프레이로 증착된 재료(610)의 일부들은 플레이트(410)의 표면 위로 침식된 영역(420)으로부터 돌출될 수 있다. 그러므로, 재료(610)의 스프레이 증착 이후에, 상기 타겟(600)의 표면은 도 6에 도시된 바와 같이, 재료(610)의 표면들이 플레이트(410)의 표면과 동일 평면이 되도록 평탄화(예를 들어, 가공, 그라인딩 및/또는 연마)될 수 있다.

보수된 타겟(600)을 형성하기 위한 상기 재료(610)의 스프레이 증착 이후에, (적어도 상기 재료(610)에 근접한) 상기 타겟(600)은 연성, 인성 및 결합(예를 들어, 결합 강도)을 개선하고, 침입형 가스 성분을 감소시키고, 그리고/또는 플레이트(410)(즉, 소비되지 않고, 따라서 스프레이되지 않는 영역들)의 미세구조와 실질적으로 동일한 미세구조를 갖는 재료(610)를 제공하는, 스트레스 릴리프(stress relief)를 위해 진공에서 열처리될 수 있다. 본 발명의 일부 실시예들에서, 상기 열처리는 대략 700℃ 내지 대략 1250℃ 사이의 온도에서, 그리고 대략 1시간 내지 대략 16시간의 시간 동안, 진공에서 수행될 수 있다.

추가로, 상기 열처리는 상기 스프레이 증착 공정에서 잔류 응력을 완화시킬 수 있다. 예를 들어, 다양한 경우들에서, 스프레이되는 동안 용융되지 않은 스프레이된 재료가 압축 잔류 응력을 갖는 경향인데 반해, 스프레이되는 동안 용융된 스프레이된 재료는 인장 잔류 응력을 갖는 경향이 있다. (예를 들어, 저온 스프레이된 Ta는 30 내지 50,000psi 사이의 잔류 압축 응력을 가질 수 있다.) 이러한 잔류 응력들은 스프레이된 재료를 통합하는 타겟으로부터 균일하지 않은 스퍼터링 속도의 결과가 될 수 있다. 종래의 (즉, 스프레이된 재료와 통합되지 않은) 타겟들에서, 잔류 가공 응력들은 새로운 타겟들로 스퍼터링 하기 전에 비용이 많이 드는 번-인(burn-in) 기간 (즉, 응력이 발생한 표면 층을 스퍼터링하는 것)을 빈번하게 필요로 한다. 본원에 설명된 본 발명의 실시예들은 상기 플레이트가 받침판에 접합되기 전에 스퍼터링 타겟들의 스프레이 보수 및 그 이후의 열처리를 용이하게 한다. [상기 받침판 및 접합 화합물(예를 들어 납땜에서)은 일반적으로 더 낮은 용융점들을 갖고, 따라서 상기 타겟에서 잔류 응력을 실질적으로 제거하거나 또는 감소하기 충분한 열처리를 견딜 수 없을 것이다.] 이러한 방식으로, 접합된 타겟으로부터 스퍼터링 이전에 번-인 기간의 필요성은 감소되거나 실질적으로 제거된다.

본원에 사용된 용어들 및 표현들은 용어들 및 설명의 표현들로써 사용되고, 제한으로써 사용되지 않고, 그러한 용어들 및 표현들의 사용에서, 본원에 설명되거나 도시되거나 그것의 일부인 특징들의 어떠한 동등물도 제외하려는 의도가 없다. 추가로, 본 발명의 특정 실시예들을 설명하였지만, 본원에 개시된 개념들을 도입한 다른 실시예들을 본 발명의 사상과 범위를 벗어나지 않고 사용될 수 있음은 통상의 기술자에게 명백할 것이다. 따라서, 설명된 실시예들은 제한적인 것이 아니라, 오직 예시로서 모든 관점에서 고려되어야 한다.

Claims (15)

1. 평면이 아니며 최대 표면 깊이를 형성하는 함몰된 표면 윤곽을 구비한 침식된 영역을 갖는 침식된 스퍼터링 타겟을 보수하는 방법이며,
   상기 침식된 스퍼터링 타겟은 타겟 재료를 포함하며,
   상기 방법은,
   상기 스프레이 증착 건과 그 바로 아래의 침식된 영역 사이의 경사각이 대략 45°이상인 상태로, 상기 침식된 영역의 위에 스프레이 증착 건을 배치하고 상기 침식된 영역을 부분적으로 충전하기 위해 제1 위치에서 상기 타겟 재료의 입자들의 제트의 스프레이 증착을 개시하는 단계와,
   (ⅰ) 상기 스프레이 증착 건을 상기 침식된 스퍼터링 타겟에 대해 이동시키고, (ⅱ) 상기 경사각을 대략 45°내지 대략 90°의 범위에서 선택된 복수의 다른 값들로 변화시키고, (ⅲ) 상기 침식된 스퍼터링 타겟 위의 각각의 위치에서, 상기 침식된 영역의 깊이에 근거하여 상기 타겟 재료의 입자들의 증착 속도를 제어하면서, 상기 타겟 재료의 스프레이 증착 입자들로 상기 침식된 영역을 실질적으로 충전하는 단계를 포함하는,
   침식된 스퍼터링 타겟을 보수하는 방법.
2. 제1항에 있어서,
   상기 제1 위치에서 상기 경사각은 대략 60°보다 큰,
   침식된 스퍼터링 타겟을 보수하는 방법.
3. 제1항에 있어서,
   스프레이 증착 이전에 상기 침식된 스퍼터 타겟의 최대 표면 깊이는 9mm 보다 작은,
   침식된 스퍼터링 타겟을 보수하는 방법.
4. 제1항에 있어서,
   스프레이 증착 이전에 상기 침식된 스퍼터 타겟의 상기 최대 표면 깊이는 6mm 보다 작은,
   침식된 스퍼터링 타겟을 보수하는 방법.
5. 제1항에 있어서,
   상기 타겟 재료의 입자들을 스프레이 증착하는 단계는 저온 스프레이하는 단계를 포함하는,
   침식된 스퍼터링 타겟을 보수하는 방법.
6. 제1항에 있어서,
   (ⅰ) 상기 제1 위치에서 상기 경사각은 제1 값을 갖고, (ⅱ) 상기 침식된 영역을 실질적으로 충전하면서, 상기 경사각은 (a) 상기 제1 값에서 대략 90°로 변하고, (b) 그 이후, 대략 90°에서 대략 상기 제1 값으로 변하는,
   침식된 스퍼터링 타겟을 보수하는 방법.
7. 제1항에 있어서,
   상기 침식된 영역을 실질적으로 충전한 후에 상기 스퍼터링 타겟을 어닐링하는 단계를 더 포함하는,
   침식된 스퍼터링 타겟을 보수하는 방법.
8. 제1항에 있어서,
   상기 침식된 영역을 실질적으로 충전하는 단계는 평면이 아닌 표면을 갖는 보수된 스퍼터 타겟을 형성하기 위해 상기 침식된 영역을 과도하게 충전하는 단계를 포함하고, 상기 보수된 스퍼터 타겟의 상기 표면을 평탄화하는 단계를 더 포함하는,
   침식된 스퍼터링 타겟을 보수하는 방법.
9. 제1항에 있어서,
   상기 스프레이 증착 건은 스프레이 증착 동안 상기 침식된 영역의 깊이의 변화들에도 불구하고 실질적으로 일정한 속도로 상기 침식된 스퍼터링 타겟에 대해 이동되는,
   침식된 스퍼터링 타겟을 보수하는 방법.
10. 제1항에 있어서,
    상기 스프레이 증착 건은 스프레이 증착 동안 상기 경사각의 변화들에도 불구하고 실질적으로 일정한 속도로 상기 침식된 스퍼터링 타겟에 대해 이동되는,
    침식된 스퍼터링 타겟을 보수하는 방법.
11. 제1항에 있어서,
    상기 타겟 재료의 입자들의 증착 속도를 제어하는 단계는 상기 침식된 스퍼터링 타겟에 대해 상기 스프레이 증착 건의 이동 속도를 제어하는 단계를 포함하는,
    침식된 스퍼터링 타겟을 보수하는 방법.
12. 제1항에 있어서,
    상기 타겟 재료의 입자들의 증착 속도를 제어하는 단계는 상기 스프레이 증착 건으로의 입자의 유속을 제어하는 단계를 포함하는,
    침식된 스퍼터링 타겟을 보수하는 방법.
13. 제1항에 있어서,
    상기 스프레이 증착 건은 오직 직선으로 상기 침식된 스퍼터링 타겟에 대해 이동되는,
    침식된 스퍼터링 타겟을 보수하는 방법.
14. 제1항에 있어서,
    상기 타겟 재료는 복수의 다른 요소들의 합금 또는 혼합물인,
    침식된 스퍼터링 타겟을 보수하는 방법.
15. 제1항에 있어서,
    스프레이 증착 이전에 상기 침식된 영역의 깊이 프로파일을 측정하는 단계를 더 포함하는,
    침식된 스퍼터링 타겟을 보수하는 방법.
    

Images