KR20160131241A - 스퍼터링 타겟의 재활용 방법 - Google Patents

스퍼터링 타겟의 재활용 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 스퍼터링 타겟의 재활용 방법에 관한 것으로, 상기 재활용 방법은 (a) 폐타겟에서 소모 부위가 존재하는 소결체를 분리하는 단계; (b) 상기 소결체의 소모 부위에 소결 온도에서 액상화되는 금속 분말을 충진하는 단계; (c) 상기 금속 분말이 충진된 소결체를 소결하여 상기 금속 분말을 액상화시키는 단계; 및 (d) 상기 액상화된 금속 분말을 냉각시켜 금속층을 형성하는 단계를 포함한다.

Description

스퍼터링 타겟의 재활용 방법{RECYCLING METHOD OF A SPUTTERING TARGET}
본 발명은 반도체 제조 시 박막 형성을 위해 사용되는 스퍼터링 타겟의 재활용 방법에 관한 것이다.
스퍼터링 타겟은 반도체 제조 시 박막 형성을 위해 사용되는 것으로, 박막 형성 과정에서 스퍼터링 타겟의 30% 정도가 소모되면 Erosion으로 구분되는 경계나 그 주변에 노줄이라고 하는 돌기물이 생성된다.
상기 Erosion이나 노줄이 생성된 스퍼터링 타겟으로 스퍼터링 작업을 계속 진행하면 파티클(particle)의 형성이 증가하게 되고, 이는 결과적으로 박막의 물성을 저하시키는 원인이 된다. 따라서 스퍼터링 타겟은 일반적으로 30% 정도가 소모되고 나면 폐기되어 그 사용효율이 매우 낮은 문제점이 있다.
이에 따라 스퍼터링 타겟의 사용효율을 높이고자 사용이 완료된 스퍼터링 타겟에서 소결체 부분을 분리 및 분쇄하는 환원 과정을 통해 얻어진 분말을 다시 소결하여 스퍼터링 타겟을 재활용하는 기술이 제안된 바 있다. 그러나 상기 기술은 스퍼터링 타겟을 재활용하는데 장시간 및 고비용이 소비되어 스퍼터링 타겟의 재활용 효율을 높이는데 한계가 있다.
따라서 스퍼터링 타겟의 재활용 효율을 높일 수 있는 기술이 요구되고 있는 실정이다.
대한민국 공개특허공보 제2013-0099032호
본 발명은 상기한 문제점을 해결하기 위해 스퍼터링 타겟의 재활용 효율을 높일 수 있는 스퍼터링 타겟의 재활용 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
또한 본 발명은 상기 방법으로 재활용된 스퍼터링 타겟을 제공하는 것도 목적으로 한다.
상기한 목적을 달성하기 위해 본 발명은, (a) 폐타겟에서 소모 부위가 존재하는 소결체를 분리하는 단계; (b) 상기 소결체의 소모 부위에 소결 온도에서 액상화되는 금속 분말을 충진하는 단계; (c) 상기 금속 분말이 충진된 소결체를 소결하여 상기 금속 분말을 액상화시키는 단계; 및 (d) 상기 액상화된 금속 분말을 냉각시켜 금속층을 형성하는 단계를 포함하는 스퍼터링 타겟의 재활용 방법을 제공한다.
또한 본 발명은 상기 방법으로 재활용된 스퍼터링 타겟도 제공한다.
본 발명은 사용이 완료된 스퍼터링 타겟의 소결체 부분에 소결 온도에서 액상화되는 금속 분말을 충진하여 스퍼터링 타겟을 재활용하기 때문에 소결체 부분을 분말화한 후 다시 소결하여 스퍼터링 타겟을 재활용하는 종래의 방법에 비해 타겟의 재활용 과정에 소비되는 시간 및 비용이 줄어들어 스퍼터링 타겟의 재활용 효율을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 스퍼터링 타겟의 재활용 방법을 설명하기 위한 참고도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1에 의해 재활용된 스퍼터링 타겟의 단면 이미지이다.
도 3은 본 발명의 비교예 1에 의해 재활용된 스퍼터링 타겟의 단면 이미지이다.
이하 본 발명을 설명한다.
1. 스퍼터링 타겟의 재활용 방법
본 발명의 스퍼터링 타겟의 재활용 방법은 폐타겟에서 분리된 소결체에 금속 분말을 충진하고 소결하는 간단한 과정으로 스퍼터링 타겟을 제조함으로써 스퍼터링 타겟의 재활용 효율을 높인 것으로, 이에 대해 도 1을 참조하여 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
(a) 소결체 분리
사용이 완료된 폐타겟에서 소모 부위(P)가 존재하는 소결체(10)를 분리한다. 이때, 소결체(10)에 존재하는 소모 부위(P)는 박막 형성 과정에서 형성된 것으로 그 형태는 특별히 한정되지 않으며, 소모 부위(P)의 부피는 소모되기 전 소결체 전체 부피의 약 25~40% 정도(구체적으로, 약 30%)를 차지한다.
상기 소모 부위(P)가 존재하는 소결체(10)를 분리하는 방법은 특별히 한정되지 않으나, 핫플레이트를 이용하여 백킹 플레이트(11)를 디본딩하는 방법을 들 수 있다. 구체적으로, 폐타겟을 핫플레이트에 올려 놓은 후 200 내지 250 ℃에서 10 내지 20 분 동안 폐타겟을 가열하여 폐타겟을 이루는 소결체(10)와 백킹 플레이트(11)를 디본딩한다.
상기 폐타겟에서 분리된 소결체(10)의 조성은 특별히 한정되지 않으나, 하기 화학식 1로 표시되는 것이 바람직하다.
[화학식 1]
AxByCz
상기 화학식 1에서, A는 3가의 금속 원소이고, B는 4가의 금속 원소이며, C는 산소 또는 질소이고, x는 0.4≤x≤6이며, y는 1-x이고, z는 0.01∠z∠3이다.
여기서 A에 해당되는 3가의 금속 원소는 재활용되는 스퍼터링 타겟의 저항값을 고려할 때, 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군에서 선택되는 것이 바람직하고, 인듐(In)인 것이 더욱 바람직하다. 또한 B에 해당되는 4가의 금속 원소도 재활용되는 스퍼터링 타겟의 저항값을 고려할 때, 주석(Sn)인 것이 바람직하다.
한편 폐타겟에서 분리된 소결체(10)에는 불순물이 존재할 수 있으므로, 이를 제거하기 위해 소결체(10)를 세정하는 것이 바람직하다. 이때, 소결체(10)를 세정하는 방법은 특별히 한정되지 않으나, 초음파 세정기로 1 내지 2시간 동안 세정하는 방법을 들 수 있다.
(b) 금속 분말 충진
상기 소결체(10)를 몰드에 투입하고, 소결체(10)의 소모 부위(P)에 소결 온도에서 액상화되는 금속 분말(20)을 충진한다. 상기 금속 분말(20)로 사용 가능한 물질은 특별히 한정되지 않으나, 다른 금속 분말에 비해 용융 온도가 낮아 비교적 저온의 소결 온도에서도 액상화가 가능한 산화구리 분말(CuO 또는 CuO2)인 것이 바람직하다. 또한 금속 분말(20)의 충진량은 특별히 한정되지 않으나, 소모 부위가 충분히 채워질 수 있도록 소모 부위 부피의 1.5 내지 3배(구체적으로, 1.5배)로 충진되는 것이 바람직하다.
(c) 금속 분말 액상화
상기 금속 분말(20)이 충진된 소결체(10)를 산소 분위기 하에 소결하여 금속 분말(20)을 액상화(용융)시킨다. 이때, 소결 온도는 소결체(10)의 밀도를 높임과 동시에 금속 분말(20)을 액상화시키는 온도라면 특별히 한정되지 않으나, 900 내지 1100 ℃인 것이 바람직하다. 또한 소결 시간도 특별히 한정되지 않으나, 2 내지 8 시간인 것이 바람직하다.
이와 같이 소결 온도에서 액상화되는 금속 분말(20)을 소모 부위(P)에 충진한 후 소결할 경우 금속 분말(20)이 액상화되어 소모 부위(P)의 표면에 금속 성분이 균일하게 분포되고, 이로 인해 후술되는 금속층(30)과 소결체(20)의 계면 결합력이 높아지게 된다.
(d) 금속층 형성
상기 액상화된 금속 분말(20)을 냉각시켜 금속층(30)을 형성한다. 이때, 액상화된 금속 분말(20)을 냉각시키는 조건은 특별히 한정되지 않으나, 분당 1 내지 2 ℃씩 온도를 내리면서 10 내지 20 시간 동안 냉각시키는 것이 바람직하다.
(e) 백킹 플레이트(backing plate) 결합
본 발명의 스퍼터링 타겟의 재활용 방법은 상기 금속층(30)의 하부에 백킹 플레이트(12)를 결합(본딩)시키는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 백킹 플레이트(12)를 결합시키는 방법은 당 업계에 공지된 방법이라면 특별히 한정되지 않는다.
2. 스퍼터링 타겟
본 발명은 상기에서 설명한 재활용 방법을 통해 얻어진 스퍼터링 타겟을 제공한다. 이러한 스퍼터링 타겟은 다양한 분야에 적용될 수 있으나, 반도체 소자(예를 들어, 트랜지스터)의 박막을 형성하는데 적용되는 것이 바람직하다.
이하 본 발명을 실시예를 통하여 상세히 설명하면 다음과 같다. 단, 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예 1]
폐타겟을 핫플레이트에 올려놓고 210℃에서 1 시간 동안 디본딩하여 폐타겟을 이루는 소결체(직경 101.6Φ, 조성: 90 중량% 산화인듐 + 10 중량% 산화주석)와 백킹 플레이트를 분리하였다. 분리된 소결체의 소모 부위의 부피를 측정한 결과 소모되기 전 소결체 전체 부피의 30 %로 측정되었다. 이후, 분리된 소결체를 초음파 세정기에 투입하고 1 시간 동안 세정하였다. 다음, 세정된 소결체를 몰드에 투입하고 산화구리 분말(CuO)를 충진하였다. 이때, 산화구리 분말의 충진량은 측정된 소모 부위 부피의 1.5배로 하였다. 그 다음, 산화구리 분말이 충진된 소결체가 투입된 몰드를 소결로에 투입하고 1000 ℃에서 4 시간 동안 소결하여 산화구리 분말을 액상화시켰다. 이후, 액상화된 산화구리 분말을 분당 1 ℃씩 하강시키며 냉각하여 금속층이 형성된 소결체를 얻었다.
[비교예 1]
산화구리 분말 대신 산화인듐 분말(In2O3)과 산화주석 분말(SnO2)이 혼합된 분말을 사용하고, 1500 ℃에서 20 시간 동안 소결하는 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 소결체를 얻었다.
[실험예 1] 소결체의 단면 확인
실시예 1과 비교예 1에서 얻어진 소결체의 단면을 각각 전자현미경으로 확인하였으며, 그 결과를 도 2 및 도 3에 나타내었다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 재활용 방법을 적용함에 따라 금속층과 소결체의 결합이 잘 이루어진 것을 확인할 수 있었다. 반면, 도 3을 참조하면, 분말이 충진되어 소결이 이루어짐에 따라 기공이 형성되어 혼합 분말층과 소결체 간의 계면 결합력이 떨어지는 것을 확인할 수 있었다.
[제조예 1]
실시예 1에서 얻어진 소결체의 금속층 하부에 구리로 이루어진 백킹 플레이트를 본딩하여 재활용 스퍼터링 타겟을 제조하였다.
[비교제조예 1]
실시예 1의 소결체 대신에 비교예 1에서 얻어진 소결체를 적용하는 것을 제외하고는 제조예 1과 동일한 방법으로 재활용 스퍼터링 타겟을 제조하였다.
[실험예 2]
제조예 1 및 비교제조예 1을 sputter 설비에 장착한 후 박막을 형성시켜 소결체의 소모량을 측정하였고, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다. 이때, sputter 가동 조건은 1.6w/㎠의 power density로 20시간 동일하게 진행하였다.
분말 충진하기 전의 소결체 중량(g) 분말 충진 후 소결하여 얻어진 소결체 중량(g) 박막 형성 후 소모된 소결체 중량(g) 박막 형성에 사용된 소결체의 소모량(%)
제조예 1 274.4 340.5 258.2 24.2
비교제조예 1 274.6 350.2 349.8 0.1
상기 표 1을 참조하면, 산화구리 분말을 충진하여 재활용된 본 발명의 스퍼터링 타겟(제조예 1)은 사용에 문제가 없었으며, 일반적인 스퍼터링 타겟의 한계 수명인 30% 정도가 소모됨을 확인할 수 있었다. 반면, 산화인듐 분말과 산화주석 분말을 충진하여 재활용된 스퍼터링 타겟(비교제조예 1)은 혼합 분말층과 소결체 간의 계면 결합력 저하로 인해 sputter 시 소모가 거의 되지 않은 않은 것을 확인할 수 있었다.
10: 소결체
11, 12: 백킹 플레이트
20: 금속 분말 및 액상화된 금속 분말
30: 금속층

Claims (7)

  1. (a) 폐타겟에서 소모 부위가 존재하는 소결체를 분리하는 단계;
    (b) 상기 소결체의 소모 부위에 소결 온도에서 액상화되는 금속 분말을 충진하는 단계;
    (c) 상기 금속 분말이 충진된 소결체를 소결하여 상기 금속 분말을 액상화시키는 단계; 및
    (d) 상기 액상화된 금속 분말을 냉각시켜 금속층을 형성하는 단계를 포함하는 스퍼터링 타겟의 재활용 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    (e) 상기 금속층의 하부에 백킹 플레이트(backing plate)를 결합시키는 단계를 더 포함하는 스퍼터링 타겟의 재활용 방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 소결체가 하기 화학식 1로 표시되는 조성으로 이루어진 스퍼터링 타겟의 재활용 방법.
    [화학식 1]
    AxByCz
    상기 화학식 1에서, A는 3가의 금속 원소이고, B는 4가의 금속 원소이며, C는 산소 또는 질소이고, x는 0.4≤x≤6이며, y는 1-x이고, z는 0.01∠z∠3이다.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 3가의 금속 원소는 인듐(In), 갈륨(Ga) 및 알루미늄(Al)으로 이루어진 군에서 선택되고,
    상기 4가의 금속 원소는 주석(Sn)인 스퍼터링 타겟의 재활용 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 금속 분말은 산화구리 분말인 스퍼터링 타겟의 재활용 방법.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항의 방법으로 재활용된 스퍼터링 타겟.
  7. 제6항에 있어서,
    반도체 소자의 박막 형성을 위한 스퍼터링 타겟.
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