KR20170018886A - 타깃 및 타깃을 제조하기 위한 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 타깃(2a) 및 타깃을 제조하기 위한 방법에 관한 것으로, 상기 타깃은: 타깃 플레이트(14a)와 타깃 플레이트(14a)의 후면에 접합되어 있는 안정화층(16a)을 갖고 안정화층(16a)은 타깃 플레이트(14a) 상에 안정화 재료를 고-운동-에너지 용사하여 제조한다.

Description

타깃 및 타깃을 제조하기 위한 방법{TARGET AND METHOD FOR PRODUCING A TARGET}

본 발명은 타깃 및 이의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명에 따른 타깃은 증착을 위해 제공되는 기판 재료상에 층을 증착하기 위한 PVD(물리적 기상 증착) 공정에서 사용하기에 적합하다. 본 발명의 목적을 위한 타깃은 스퍼터링 타깃 또는 아크 캐소드이다.

타깃의 일 성분은 PVD 공정 중에 제거되어 코팅할 기판상에 증착되는 타깃 재료이다. 대부분의 경우에 이 타깃 재료는 하나 이상의 지지 플레이트에 도포 또는 접합된다.

예를 들어 WO 2011/092027 A1은 마그네트론 스퍼터링 장치용 스퍼터링 타깃으로서, 지지 플레이트에 접합되어 있는 적어도 3개의 타깃 플레이트를 갖고 있는 타깃을 개시하고 있다. 예를 들어 상기 지지 플레이트는 용접, 납땜 또는 캐스팅-온(casting-on)에 의해 타깃 플레이트에 체결될 수 있다.

납땜과 같은 종래의 공정 대신에 용사(spray) 공정에 의해 타깃 재료를 적절한 지지 플레이트에 도포할 수 있다는 것이 또한 공지되어 있다. 이에 따라 US 2008/0271779 A1은 분말상의 타깃 재료를 지지 플레이트 또는 지지 튜브에 직접 도포하여 44 ㎛ 미만의 균일한 입도를 가진 타깃을 단일 단계로 제조하는 것을 개시하고 있다.

예를 들어 알루미늄 또는 구리로 구성된 분말상의 타깃 재료를 구리 또는 규소로 구성된 지지 플레이트에 용사하는 타깃 재료 용사를 위한 유사한 공정이 WO 2008/81585 A1에 개시되어 있다.

WO 2006/117145는 또한 특히 내화 금속에 대해 이러한 용사 공정으로 스퍼터링 타깃 또는 X선 애노드를 재가공 또는 제조하는 방법을 개시하고 있다. 이때 니오븀, 탄탈, 텅스텐, 몰리브덴, 티탄, 지르코늄 또는 이들의 혼합물 또는 합금으로 구성된 분말을 사용한다.

또한 분말상의 금속 재료를 용융하지 않고 기판에 증착하는 이러한 유형의 용사 공정이 예를 들면 EP 1 666 636 A1에 기재되어 있다. 이러한 공정은 또한 다른 산업 분야에서 사용되는 다양한 부품용으로, 예를 들어 높은 부식 응력을 받는 부품에 저온 가스 용사에 의해 도포되는 부식 보호층용으로 훨씬 더 광범위하게 사용되고 있다. 이는 예를 들어 WO 2008/57710 A2에 의해 개시되어 있다. 상술한 보호층은 0.05 내지 10 mm의 바람직한 두께를 갖고 있다. 이때 증착되는 층은 높은 순도 및 낮은 산소 함량과 수소 함량을 갖는 것이 특히 중요하다.

그러나 이러한 용사 공정은 취성 타깃 재료에는 매우 적합하지 않고; 이러한 재료로 구성된 타깃 플레이트는 통상적으로 분말의 압착과 소결 또는 종래의 야금법과 같은 다른 방법들에 의해 제조되고 있다. 취성 타깃 재료의 경우에 특히 지지 플레이트에 적합한 재료와 또한 지지 플레이트에 타깃 플레이트를 접합시키는 방법을 찾는 것은 종종 어렵다. 이에 따라 안정적으로 타깃을 제조하는 것은 어려워지고 때로는 복잡하고 비용이 많이 든다.

마찬가지로 분말의 압착 및 소결 또는 그 밖의 종래의 야금과 같은 다른 공정들에 의해 통상적으로 훨씬 더 많은 양으로 제조되는 종래의 타깃 재료의 경우에도 적합한 지지 플레이트의 제공과 이들을 타깃 플레이트에 접합시키는 것은 종종 어려움을 겪는다. 이에 따라 예를 들면 납땜 연결부는 땜납 재료의 융점 미만의 온도를 이용하기까지만 안정할 뿐 최악의 경우에는 PVD 공정 중에 타깃 플레이트가 분리될 수 있다. 타깃 플레이트와 지지 플레이트의 열팽창계수 차이로 인해 예를 들면 응력 발생에 의해 상당한 문제가 나타날 수 있다.

타깃 플레이트를 지지 플레이트에 접합하는 것은 통상적으로 복수 개의 단계를 포함하기 때문에 제조 공학 관점에서 안정적인 타깃의 제조 또한 복잡하고 큰 비용이 든다.

따라서 본 발명의 목적은 간단하게 제조할 수 있는 안정적인 타깃 및 안정적인 타깃의 간단한 제조방법을 제공하는 것이다.

상기 목적은 청구범위 제1항과 제7항의 특징부에 의해 달성된다.

유리한 구현예들은 종속항의 요지이다.

청구범위 제1항에 따르면, 타깃 재료로 구성된 타깃 플레이트와 타깃 플레이이트의 후면에 접합되어 있는 안정화층을 가진 타깃을 제공하는바, 즉 상기 타깃 플레이트와 안정화층은 단일 유닛을 형성하거나 타깃을 형성한다. 상기 타깃 또는 타깃 플레이트는 조건 또는 장비에 따라 어떠한 (평면) 형상이라도 가질 수 있는데, 예를 들면 둥근형 또는 각형일 수 있다. 상기 타깃 플레이트 또는 타깃의 정면은 타깃 재료가 PVD 공정에서 사용되는 동안 제거되는 측면이거나 장치에서 사용할 대 코팅할 기판에 대면하는 측면이다. 상기 타깃 플레이트의 후면은 타깃이 사용 중에 있을 때 코팅할 기판에 반대 위치에 있는 측면이다. 상기 안정화층은 안정화 재료의 고-운동-에너지 용사에 의해 타깃 플레이트에 도포되거나 그 위에 제조된다. 즉, 이러한 용사 공정에 의해 안정화층을 타깃 플레이트 상에 점차 생성시킴으로써 이 용사 공정에 의해 전체적인/완전한 안정화층을 제조한다. 이러한 안정화층은 타깃 플레이트의 후면에만 도포되거나 측면 또는 원주면에 적어도 부분적으로 도포될 수 있다.

고-운동-에너지 용사 공정은 분말 형태의 코팅 재료를 매우 빠른 속도로 기판에 도포하는 공정이다. 이를 위해 공정 가스(예를 들면 질소, 공기, 불활성 가스, 증기)를 노즐(보통 라발 노즐과 같은 수렴/발산 노즐)에서 팽창시킴으로써 매우 빠른 속도로 가속시키고 이어서 분말 입자를 가스 제트에 주입한다. 이와 달리 상기 분말 입자를 공정 가스와 함께 가속시킨다. 상기 입자는 기판에 충돌시 밀도가 높은 견고한 부착층을 형성할 정도로 매우 빠른 속도로 가속된다. 본 발명에 적합한 고-운동-에너지 용사 공정은 예를 들면 저온 가스 용사 또는 스팀 인가 공정이다.

고-운동-에너지 용사 공정에 의해 도포되는 안정화층은 상기 이용 공정에 직접 기인하는 미소구조를 갖는다. 이에 따라 분말 입자는 기판에 충돌시 냉간 변형되고 그 결과 얻어진 고밀도의 견고한 부착층은 그전의 분말 입자가 길게 연장되어 있는 변형된 미소구조를 나타낸다. 고-운동-에너지 용사 공정에 의해 도포되는 안정화층은 전형적으로 2보다 큰, 보통 2 내지 10 범위의 평균 종횡비를 갖는다. 상기 안정화층(그전의 분말 입자) 내 입도와 종횡비는 모두 금속조직학적 연마 단면에 대한 선 구간 방법(line section method)에 의해 간단히 결정할 수 있다. 이때 종횡비 결정에 사용되는 상대적으로 긴 축은 용사된 층의 표면에 평행한 반면에 더 짧은 축은 여기에 수직이다.

상기 용사 공정의 소요시간에 따라 수 밀리미터 또는 센티미터까지의 두께를 가진 안정적인 층이 타깃 플레이트 상에 형성될 수 있다. 특히 상기 용사 공정은 타깃 재료 또는 안정화 재료의 융점 미만의 저온에서 이루어지는바, 즉 상기 타깃 플레이트는 안정화층의 용사시 변형되지 않거나 조금만 변형된다. 그러나 용사 공정에 의해 상기 타깃 플레이트에는 응력이 도입되거나 용사 공정 후에 안정화층 내 잔류할 수 있다.

상기 안정화층은 기능성 후판 또는 강성 부재로서 작용하며 강성(탄성률)을 증가시키거나 타깃 플레이트를 보강하는 역할을 하는바. 즉, 타깃 플레이트 또는 타깃의 강도와 강성은 안정화층의 도포에 의해 증가하여 PVD 장치에서 사용할 때 타깃이 변형되지 않거나 약간만 변형된다. 이러한 PVD 장치에서, 사용 타깃은 통상적으로 타깃의 후면에 배치되는 가요성(변형성) 냉각판에 의해 냉각된다. 이들 냉각판은 타깃에 압력을 가하여 또한 타깃의 변형으로 이어지거나 타깃의 강도가 너무 낮은 경우에는 파괴로 이어질 수 있다. 이 효과는 코팅 공정 중에 제거에 의해 감소될 타깃의 두께에 의해 추가로 강화된다. 그 결과, 타깃이 변형 및/또는 파괴될 가능성이 훨씬 더 크다. 이러한 파손의 경우는 강도 또는 강성이 증가된 안정화층의 도포에 의해 크게 방지된다.

이러한 타깃이 PVD 장치에 사용될 때에는 > 10 W/cm²의 높은 출력 밀도의 도입에 의해 야기되는 고온 및/또는 고온 구배가 빈번히 일어난다. 이러한 방법으로 생성된 온도 또는 온도 구배는 타깃(또는 타깃들)으로부터 냉각판으로 전도되어야 하고 냉각판에 높은 열 반복 하중을 가해야 한다. 본 발명의 구현예들에 있어서, 상기 안정화층은 방열판으로서 작용하는바, 즉 PVD 공정에서 기판(전면)에 대면하는 타깃의 측면에 발생하는 열은 타깃 플레이트에 비해 증가된 열전도도를 가진 안정화 재료의 용사에 의해 타깃을 통해 좀 더 쉽게 제거될 수 있다.

이에 따라 고-운동-에너지 용사 공정에 의해 도포되는 안정화층은 다음과 같은 효과들 중 적어도 하나를 통해 본 발명에 따른 타깃의 수명과 기능에 긍정적인 효과를 갖는다:

- 강도 증가

- 강성 증가

- 열전도도 증가.

또한 안정화층의 도포는 절단법에 의해 가공이 어려운 타깃 재료의 경우에 코팅 장치에서 타깃 체결을 위한 요건을 충족할 목적으로 타깃 후면의 기계 가공을 보조할 수 있다.

상기 용사 공정은 한편으로 타깃 플레이트와 안정화층 사이에 극히 안정한 결합을 생성하고 다른 한편으로 극히 높은 밀도의 안정화층을 생성할 수 있게 한다. 본 발명에 따른 방법에 의해 > 98%의 상대 밀도를 가진 안정화층을 제조할 수 있다. 도포되는 안정화층의 상대 밀도는 부력법에 의해 밀도를 측정함으로써 간단한 방법으로 결정할 수 있다.

상기 용사 공정은 (출발 분말 내 함량에 비해) 안정화층 내 원소 H, N, O의 함량을 증가 또는 변화시키지 않거나 크게 증가 또는 변화시키지 않는다. 이들 원소의 함량은 화학 분석을 통해 결정할 수 있다.

본 발명에 따른 방법은 기술적으로 결정된 제조 경로 또는 기술적 경계 조건으로 인해 사용된 타깃 플레이트가 안정화층용으로 사용되는 재료에 가까스로 접합될 수 있을 때 특히 유리하다. 이는 특히 한편으로 대상 플레이트와 다른 한편으로 안정화층을 이루는 재료의 융점 또는 변형성 간 차이가 큰 경우에 적용된다.

본 발명에 따른 방법은 알루미늄계 재료, 크롬계 재료, 티탄계 재료 또는 세라믹으로 구성된 타깃 플레이트에 대해 특히 적합하다.

본 목적을 위한 알루미늄계 재료는 적어도 50 at%의 알루미늄을 함유하는, 예를 들면 AlTi 75/25, AlTi 67/33, AlTi 50/50 또는 AlCr 70/30의 조성(단위 at%)을 가진 알루미늄 합금과 알루미늄 복합재이다.

본 목적을 위한 크롬계 재료는 순수 크롬, 적어도 50 at%의 크롬을 함유하는, 예를 들면 CrB 90/10, CrSi 90/10, CrV 80/20, CrTi 80/20 또는 CrW 95/5의 조성(단위 at%)을 가진 크롬 합금과 크롬 복합재이다.

본 목적을 위한 티탄계 재료는 순수 티탄, 적어도 50 at%의 티탄을 함유하는, 예를 들면 TiB 90/10, TiSi 80/20, TiNb 70/30, TiMo 50/50 또는 TiW 50/50의 조성(단위 at%)를 가진 티탄 합금과 티탄 복합재이다.

본 목적을 위한 복합재는 서로 용해되지 않거나 일부만 용해되는 복수 개의 성분 또는 원소로 구성된 재료이다. 이에 따라 예를 들면 크롬 입자를 내포하고 있는 알루미늄 입자의 치밀화된 혼합물이 알루미늄-크롬 복합재로서 언급된다.

본 발명에 따른 타깃에서 타깃 플레이트용으로 사용되는 세라믹은 붕소화물, 탄화물, 질화물, 규화물과 산화물, 예를 들면 TiB2, WC, SiC, TiN, CrSi2, MoO3이다.

본 발명에 따른 타깃에서 안정화층으로서 사용하기에 적합한 재료의 예로는 구리, 황동과 청동을 포함한 구리 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금, 티탄, 티탄 합금 및 강이 있다.

타깃 플레이트로서 알루미늄 복합재와 안정화층으로서 구리 또는 구리 합금의 조합이 바람직하다. 타깃 플레이트의 안정화(탄성 및/또는 소성 변형 감소) 이외에, 구리로 구성된 안정화층은 높은 열전도도를 가져 예를 들면 타깃의 후면에 대한 수냉에 의해 효과적인 냉각을 가능하게 한다. 용사된 구리층의 열전도도는 벌크 구리의 열전도도와 비슷하다.

또 다른 바람직한 구현예는 크롬 복합재로 구성된 타깃 플레이트 상에 강으로 구성된 안정화층을 갖는다. 더 높은 탄성률로 인한 강성 증가 외에도, 강으로 구성되는 안정화층은 취성 파괴에 의한 타깃의 파손에 대응하는 연성을 갖는다.

또한 본 발명의 다른 구현예들에 있어서, 상술한 안정화층은 제1층과 상이한 강성, 항복점 또는 열전도도를 갖는 재료로 구성된 하나 이상의 추가 층으로 코팅될 수 있다. 상기 하나의 층 또는 복수 개의 추가 층도 마찬가지로 고-운동-에너지 용사 공정에 의해 도포하는 것이 유리한바, 즉 이러한 구현예에서는 전체 다층 안정화층이 이러한 공정에 의해 타깃 플레이트에 용사된다.

이에 따라 예를 들면 구리 또는 구리 합금의 제1층에는 일 구현예에 있어서 강을 포함하는 추가 층이 보충될 수 있다. 상기 2개의 재료(구리와 강)는 2가지 서로 다른 효과를 갖고 있다: 구리는 우수한 열전도성을 제공하여 열을 신속히 제거하고 이에 따라 타깃 재료가 열적으로 과도한 응력을 받지 않게 하는 한편 강은 구리보다 항복점이 다소 높고 또한 더 높은 탄성률로 인해 타깃 재료가 장치 내 압력을 견디게 할 것이고 이에 따라 탄성 또는 소성 변형으로부터 타깃을 추가로 보호할 수 있게 한다. 예를 들어, 상기 타깃은 몇몇 장치에서 냉각수의 수압에 의해 고정되는데; 이때 냉각수의 압력은 진공 챔버로부터 물 흐름을 분리하는 가요성 멤브레인을 통해 타깃의 후면에 가해진다. 이에 따라 상기 재료는 동시에 고정 및 냉각되는바, 즉 기계적 및 열적 응력을 받는다.

또 다른 바람직한 구현예에 있어서, 상기 안정화층의 조성은 타깃 플레이트로부터의 거리가 증가함에 따라 수직방향으로 변한다. 또 다른 바람직한 구현예에 있어서, 상기 안정화층의 조성은 타깃 플레이트에 평행하게, 즉 예를 들면 디스크형 타깃의 경우에 반경 방향으로 변한다.

예를 들면 상기 안정화 재료의 조성은 타깃 플레이트 상에 용사하는 중에 안정화층의 조성에 대한 구배를 제공하도록 변경된다. 이때 안정화 재료를 바꾸거나 예를 들면 합금화에 의해 안정화 재료를 점차 변경할 수 있다. 이러한 방법으로 설정된 구배는 강성, 강도 또는 열전도도에 관한 구배와 연관이 있을 수 있다. 구배는 불연속/계단형 또는 연속형일 수 있고 안정화층의 일부분만 또는 다층 안정화층의 경우에는 개개의 부분층에 구배가 제공될 수 있다.

이에 따라 예를 들면 일 구현예에 있어서, 상기 안정화층의 강성과 강도를 증가시키기 위해서 순수 구리를 먼저 안정화 재료로서 용사하고 상기 구리에 하나 이상의 추가 성분을 점차적으로 첨가할 수 있다. 예로는 Al, Ni, Fe, Mn, Zn, Sn, Cr, Si, Zr와 같은 합금화 원소를 가진 구리 합금, 예를 들면 CuAl 또는 CuCrZr이다.

동일한 방법으로, 티탄 및 티탄 합금, 예를 들면 바나듐과의 티탄 합금을 본 발명의 구현예를 위해 사용할 수 있음은 물론이다.

동일한 방법으로, 알루미늄 및 알루미늄 합금, 예를 들면 규소와의 알루미늄 합금을 본 발명의 구현예를 위해 사용할 있음은 물론이다.

동일한 방법으로, 점진적으로 변하는 조성을 가진 강을 본 발명의 구현예를 위해 사용할 수 있음은 물론이다.

본 발명에 따른 타깃은 예를 들어 둥근 형상을 가질 수 있고 예를 들어 50 mm 내지 400 mm 범위의 직경과 5 mm 내지 40 mm 범위의 두께를 가질 수 있다. 이와 달리 본 발명의 타깃은 타깃의 폭이 바람직하게는 50 mm 내지 250 mm의 범위이고 타깃의 길이가 바람직하게는 200 mm 내지 2000 mm 범위에 있는 직사각형 형상을 가질 수 있다.

상기 타깃 표면에 수직인 크기 비 또는 안정화층의 두께 대 타깃 플레이트의 두께 비는 바람직하게는 1/1 내지 1/5의 범위에 있고, 특히 바람직하게 상기 비는 1/2 내지 1/4이다. 예를 들면 상기 안정화층은 1 mm 내지 10 mm, 바람직하게는 2 mm 내지 5 mm 범위의 두께를 가지며 예를 들면 상기 타깃 플레이트는 8 mm의 두께를 갖고 상기 안정화층은 4 mm의 두께를 갖는다.

상기 안정화층의 적어도 일부는 타깃 플레이트의 에지보다 측면으로 돌출해 있는 것이 바람직하다. 상기 안정화층은 특히 바람직하게는 둘러싸는 형태의 플랜지를 형성하는바, 즉 타깃은 타깃 재료가 피복되지 않고 용사된 안정화층에 의해 PVD 장치에서 간단한 방식, 예를 들면 클램핑 장치에 의해 고정될 수 있다. 이와 달리 상기 안정화층과 타깃 플레이트는 측면에서 동일 평면을 이룰 수 있다.

상기 타깃 플레이트의 후면은 바람직하게는 적어도 하나의 오목부, 예를 들어 나선형 채널(들), 홈(들) 및/또는 노치(들) 중 하나(또는 그 이상)를 가져 안정화층을 도포하기 전에 복수 개의 오목부 또는 융기 영역을 가진 형상화된(profiled) 표면이 제공되도록 한다. 상기 타깃 플레이트는 오목부(융기 영역)에 의해 더 큰 표면적을 얻게 되므로 타깃 플레이트와 안정화층 간 접합이 더 강해지고 타깃의 강성이 증가한다. 이러한 구현예는 안정화 재료가 타깃 재료와 상이한 열팽창계수를 가질 때 특히 유리하다. 또한 상기 오목부 또는 융기 영역에 의해 제공되는 타깃 플레이트의 후면의 더 큰 표면적은 열 제거가 향상되도록 한다.

바람직한 구현예에 있어서, 상기 타깃은 타깃 플레이트와 안정화층 사이에 배치되어 결합을 도와주는 확산 촉진층을 갖는다. 이러한 결합층의 일례는 전기화학적으로 도포되는 니켈이다.

구현예들에 있어서, 본 발명에 따른 타깃의 후면은 예를 들어 자석을 수용하기 위한 나사부 또는 절개부를 가질 수 있다.

청구범위 제7항에 따른 본 발명에 따른 타깃, 특히 상술한 바와 같은 타깃을 제조하기 위한 방법은 먼저 타깃 플레이트를 제공한다. 이어서, 고-운동-에너지 용사 공정에 의해 안정화 재료를 상기 타깃 플레이트의 후면에 용사하여 타깃 플레이트의 후면에 안정화층을 제조 또는 생성한다. 본 발명에 따른 방법에 대해 설정할 파라미터, 예를 들어 공정 가스의 선택, 공정 가스 압력, 공정 온도, 타깃 플레이트로부터의 거리, 용사 각도는 최적화 과정에서 간단한 방법으로 결정할 수 있다. 마찬가지로 본 발명에 따른 방법을 위해 사용할 수 있는 분말 또는 분말 혼합물은 조성, 입도, 입자 형상과 입도 분포에 대한 최적화 과정 중에 결정할 수 있다. 입도 및 입도 분포의 결정은 Malvern Mastersizer 2000을 이용한 건식 측정법에 의해 간단하게 수행된다.

상기 타깃 플레이트 상에 안정화 재료를 용사하기 전에 적어도 하나의 오목부를 타깃 플레이트의 후면에 생성 또는 제조하는 것, 즉 상기 타깃 플레이트의 후면을 예를 들면 서로 가까이 위치해 있는 복수 개의 오목부, 예를 들면 둥근형 또는 각형의 홀 또는 채널에 의해 형상화하는 것이 특히 바람직하다.

상기 안정화층을 도포하기 전에 타깃 플레이트와 안정화층 사이의 결합을 더욱 향상시키기 위해 결합을 도와주는 확산 촉진층을 타깃 플레이트에 도포할 수 있다. 이러한 층은 예를 들면 전기화학적으로 도포할 수 있지만, 다른 증착법, 예를 들면 PVD 또는 현탁 코팅 또한 가능하다.

상기 안정화 재료의 용사 후 경우에 따라 타깃 플레이트와 안정화층에 생성되어 남아있는 임의의 잔류 응력을 소산시킬 수 있는 열처리를 수행할 수 있다. 타깃 플레이트와 안정화층 또는 다층 안정화층의 경우에는 부분층들 사이의 계면에서의 확산 공정은 이러한 선택적 열처리에 의해 유도될 수 있고 이에 따라 접착이 더욱 향상될 수 있다.

상기 안정화층의 도포 후 바람직하게는 접합된 타깃 플레이트와 안정화층의 최종 기계가공을 수행한다. 상기 타깃이 원하는 최종 치수를 가질 때까지 예를 들면 선반가공, 밀링 및/또는 연삭에 의해 타깃을 기계 가공한다. 이러한 기계가공에 의해 예를 들어 본 발명에 따른 타깃의 후면에 나사부를 절단에 의해 형성할 수도 있고 예를 들어 자석을 수용하기 위한 홈을 제공할 수 있다.

위와 아래에 기재되어 있는 타깃과 타깃을 제조하기 위한 방법의 구현예들의 개별 특징들은 임의의 방법으로 서로 조합할 수 있다.

표 1: 본 발명에 따른 타깃의 치수의 예

디스크형 타깃의 직경과 두께	직사각형 타깃의 폭, 길이와 두께
φ 63 mm x 32 mm	400 mm x 88 mm x 10 mm
φ 105 mm x 16 mm	500 mm x 88 mm x 10 mm
φ 105 mm x 15 mm	200 mm x 88 mm x 10 mm
φ 160 mm x 12 mm	14 mm x 176 mm x 911 mm
φ 150 mm x 6 mm	14 mm x 132 mm x 609 mm
φ 148 mm x 12 mm	12 mm x 170 mm x 1000 mm
	12 mm x 170 mm x 830 mm
	12 mm x 125 mm x 150 mm
	12 mm x 125 mm x 600 mm

표 2: 본 발명에 따른 타깃에서 사용할 수 있는 재료들에 대한 재료 데이터

재료	탄성률[GPa]	상온 항복점[MPa]	열전도도[W/(m*K)]
알루미늄	70	40	220
크롬	190	취성 때문에 수치 없음	70
티탄	105	220	20
WC	710	취성 때문에 수치 없음	120
TiB2	365	취성 때문에 수치 없음	100
구리	125	160	390
강 1.4404	195	350	20

표 1에 주어진 치수와 표 2에 주어진 수치들은 모두 표준값으로 받아들여져야 한다. 물론 다른 치수와 다른 재료들을 생성하거나 사용할 수도 있다.

표 2의 재료 데이터는 특히 항복점이 미소구조, 합금 원소 또는 불순물의 함량과 또한 열처리 상태에 따라 크게 영향을 받기 때문에 표준값이다.

도면을 참조하여 본 발명의 구현예들을 설명하기로 한다. 도면에서:
도 1은 고-운동-에너지 용사 공정용 용사 장치의 일부 개략도이고,
도 2a-b는 타깃의 2가지 구현예를 도시하고 있는 2개의 측면 개략도이고,
도 3은 구리 벌크 재료의 에칭된 연마 단면도이고,
도 4는 고-운동-에너지 용사 공정(저온 가스 용사)에 의해 도포한 구리층의 에칭된 연마 단면도이고,
도 5는 AlCr 70/30 at%로 구성된 타깃 플레이트와 Cu로 구성된 용사된 안정화층 간 경계 영역의 에칭된 연마 단면도이고,
도 6은 Cr로 구성된 타깃 플레이트와 강으로 구성된 용사된 안정화층 간 경계 영역의 에칭된 연마 단면도이다.

도 1은 원리를 설명하기 위해 고-운동-에너지 용사 공정용 용사 장치(1)의 일부를 개략적으로 도시하고 있다. 용사 건 하우징(4)은 공정 가스 라인(8)을 통해 공급되는 공정 가스(T)를 초음속까지 가속하기 위한 수렴/발산 노즐(10)을 갖고 있다. 용사 재료(S), 즉 복수 개의 입자를 용사 재료 라인(6)을 통해 가속된 공정 가스 흐름(T)에 유입시켜 공정 가스 흐름(T)에 의해 타깃 플레이트(14)의 후면(20) 방향으로 가속된다. 상기 용사 재료는 타깃 플레이트에 충돌하여 타깃 플레이트(14)의 후면에 부착하게 된다. 타깃 플레이트(14)의 전면(18)은 PVD 공정에서 코팅할 기판에 대면하는 측면에 해당한다.

상기 용사 결과, 용사 재료(S)의 층은 타깃 플레이트(14)의 후면(20)에 형성된다. 도 2a-b에 도시된 바와 같이, 안정화층(16a-b)이 형성될 때까지 용사 공정을 수행한다. 용사 재료(S)는 용사에 의해 타깃 플레이트(14a-b) 또는 타깃 재료에 매우 강하게 부착된다. 이는 기술적으로 결정된 제조 경로 또는 기술적 경계 조건으로 인해 사용된 타깃 플레이트를 안정화층용으로 사용되는 재료에 접합하기 어려울 때 특히 유리하다.

일 구현예에 있어서, 상기 안정화 재료의 조성은 용사 중에 변화되어 안정화층(16a-b)에서 구배가 얻어진다. 이때, 제조되는 안정화층(16a-b)의 강도와 강성이 증가하도록 조성을 변화시킨다. 예를 들어 용사를 시작할 때는 순수 구리를 사용하고 구리에 하나 이상의 원소를 점차적으로 첨가하여 강도와 강성이 증가된 안정화층을 얻는다. 이와 다르게 전체 안정화층을 하나의 구리 합금 또는 하나의 구리 복합재로 균질하게 제조할 수 있다.

도 2a에서 알 수 있는 바와 같이, 안정화층(16a)은 타깃 플레이트(14a) 보다 측면으로 돌출해 있고 PVD 장치에서 타깃(2a)을 고정할 수 있는 (연속형 또는 불연속형) 플랜지를 형성한다.

도 2b에서 알 수 있는 바와 같이, 이와 다르게 타깃 플레이트(14b)와 안정화층(16b)은 PVD 장치에 존재하는 고정 장치의 유형에 따라 측면에서 동일 평면을 이룰 수 있다.

도 2b는 타깃 플레이트(14b)의 후면이 고-운동-에너지 용사 공정에 의해 제조 중에 안정화 재료가 용사되는 복수 개의 오목부 또는 융기 영역을 갖는바, 즉 상기 형상화에 의해 타깃 플레이트(14b)의 표면적이 증가하고 그 결과 타깃 플레이트(14b)과 안정화층(16b) 간 결합의 안정성이 증가하고 또한 타깃(2b)의 강성이 기하학적 형상화에 의해 증가하는 타깃(2b)의 또 다른 구현예를 도시하고 있다. 증가된 표면적에 의해 또한 열 제거가 향상된다.

도 3은 구리 벌크 재료의 에칭된 연마 단면을 도시하고 있다. 비교를 위해, 도 4는 저온 가스 용사에 의해 도포한 구리층의 에칭된 연마 단면을 도시하고 있는 것으로, 미소구조를 더 명확하게 볼 수 있도록 입자 경계가 에칭되어 있다. 사용한 구리 분말의 평균 입도는 45 ㎛ 미만이지만, 다른 입도, 예를 들어 100 ㎛ 범위의 입도(수십 ㎛ 내지 약 150 ㎛의 입도)를 갖는 구리 분말을 사용할 수도 있다. 구체적으로 도 4에 나타낸 구리층에 대해서는 31.0 ㎛의 평균 입도, 11.2 ㎛의 D10, 28.9 ㎛의 D50, 53.8 ㎛의 D90을 가진 분말을 사용하였다.

도 3과 도 4를 비교하면 변형된 미소구조가 용사 공정에 의해 형성됨을 명확하게 알 수 있다. 따라서 이 예에서는 2보다 큰 평균 종횡비를 가진 Cu 입자가 길게 연장되어 있다.

실시예 1:

도 5는 타깃 플레이트와 순수 구리로 구성된 저온 가스 용사된 안정화층 간 경계 영역의 에칭된 연마 단면을 도시하고 있다. AlCr 70/30 at%로 구성된 타깃 플레이트의 미소구조는 크롬 입자가 내포된 알루미늄 입자, 즉 알루미늄-크롬 복합재의 치밀화된 혼합물로 이루어져 있다. 여기에 구리의 안정화층을 저온 가스 용사에 의해 도포하였다. 저온 가스 용사는 상기 2개의 재료인 구리와 알루미늄-크롬 복합재 사이에 매우 강한 결합을 생성한다. 특히 구리는 저온 가스 용사시 높은 가속에 의해 타깃 플레이트에 "발사(shot)"되어 상기 2개의 재료가 경계 영역에서 서로 섞여 결합된다. 이 경우 안정화 재료로서의 저온 가스 용사된 구리의 달성 상대 밀도는 99.3%로 나타나고; 용사 공정으로 야기된 층 내 추가 가스 흡수는 관찰할 수 없었다. 본 실시예에서 구리로 구성된 안정화층의 평균 입도는 타깃의 두께 방향으로 < 45 ㎛이다. 안정화층은 질소를 사용하여 32 bar의 압력과 500℃의 온도에서 열을 이뤄 용사하였고 용사 각도는 90°이었으며 타깃 플레이트로부터의 거리는 30 mm이었다.

실시예 2:

도 6은 크롬으로 구성된 타깃 플레이트와 스팀 인가 공정에 의해 제조한 강으로 구성된 안정화층 간 경계 영역의 에칭된 연마 단면을 도시하고 있다. 특히 항복점 또는 강성이 더 증가된 후판을 제조하고자 할 때에는 강층을 단일의 안정화층과 추가로 구리 합금 또는 구리로 구성된 층에 대한 보조층으로서 사용할 수 있다. 이 경우, 상기 2개의 재료(구리와 강)는 서로 다른 2개의 기능을 갖는데: 구리는 열을 타깃 플레이트로부터 효율적으로 전도되도록 하므로 타깃 재료가 열적으로 과부하되지 않게 하는 반면에 강은 더 높은 항복점과 더 높은 강성으로 인해 타깃 재료가 장치에 의해 결정된 압력을 견디게 하고 이에 따라 재료가 변형 또는 파괴되지 않도록 보호한다.

도 6에 나타낸 강으로 구성된 안정화층을 크롬으로 구성된 타깃 플레이트에 직접 도포하였다. 이때 평균 입도가 < 63 ㎛인 1.4404 강 분말을 사용하였다. 구체적으로 도 6에 나타낸 강층에 대해서 55.9 ㎛의 평균 입도, 26.9 ㎛의 D10, 53.8 ㎛의 D50과 88.1 ㎛의 D90을 가진 분말을 사용하였다. 이 경우 안정화 재료로서 스팀을 인가한 강의 달성 상대 밀도는 98%로 나타나고; 용사 공정으로 야기된 층 내 추가 가스 흡수는 발견되지 않았다. 강으로 구성된 안정화층은 스팀을 사용하여 400℃의 온도에서 기판에 복수 개의 열과 복수 개의 연속 층으로 용사하였고, 용사 각도는 90°이었으며 타깃 플레이트로부터의 거리는 65 mm이었다.

1 고-운동-에너지 용사 공정용 용사 장치
2a-b 타깃
4 용사 건 하우징
6 용사 재료 라인
8 공정 가스 라인
10 수렴/발산 노즐
12 용사 재료 공급 + 운반 가스 공급
14, 14a-b 타깃 플레이트
16a-b 후판/안정화층
18 타깃 플레이트 전면
20 타깃 플레이트 후면
S 용사 재료 흐름 + 운반 가스 흐름
T 공정 가스 흐름

Claims (8)

1. 타깃 플레이트(14a-b)와 타깃 플레이트(14a-b)의 후면에 접합되어 있는 안정화층(16a-b)을 가진 타깃(2a-b)으로서, 안정화층(16a-b)이 안정화 재료의 고-운동-에너지 용사에 의해 타깃 플레이트(14a-b)에 도포된 것을 특징으로 하는 타깃.
2. 제1항에 있어서, 타깃 플레이트(14a-b)가 (알루미늄계 재료, 크롬계 재료, 티탄계 재료와 세라믹)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 타깃.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 안정화층(16a-b)이 (구리, 황동과 청동을 포함한 구리 합금, 알루미늄, 알루미늄 합금, 티탄, 티탄 합금 및 강)으로 이루어진 군으로부터 선택되는 하나 이상의 재료로 제조되는 것을 특징으로 하는 타깃.
4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 안정화층(16a-b)의 조성이 구배를 가진 것을 특징으로 하는 타깃.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 안정화층(16a-b)의 두께 대 타깃 플레이트(14a-b)의 두께 비가 1/1 내지 1/5, 바람직하게는 1/2 내지 1/4 범위에 있는 것을 특징으로 하는 타깃.
6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 있어서, 타깃 플레이트(14b)의 후면이 적어도 하나의 오목부를 갖는 것을 특징으로 하는 타깃.
7. 타깃, 특히 제1항 내지 제6항 중 어느 한 항에 따른 타깃(2a-b)을 제조하기 위한 방법으로서, 상기 방법이 다음 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:
   - 타깃 플레이트(14a-b)를 제공하는 단계
   - 고-운동-에너지 용사 공정에 의해 타깃 플레이트(14a-b)에 안정화 재료를 용사하여 타깃 플레이트(14a-b)의 후면에 안정화층(16a-b)을 제조하는 단계.
8. 제7항에 있어서, 상기 방법이 다음 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 방법:
   - 결합을 도와주는 확산-촉진층을 도포하는 단계.

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