KR20050102106A - 스퍼터링 타겟의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 스퍼터링 타겟의 제조방법에 관한 것이다. 당해 방법은 열팽창계수를 갖는 타겟 홀더를 제공하는 단계, 열팽창계수를 갖는 타겟 재료를 제공하는 단계, 및 타겟 재료를 타겟 홀더에 결합시키는 단계를 포함한다. 당해 타겟 재료는 적어도 제1 화합물 및 제2 화합물을 포함한다. 제1 화합물은 제1 열팽창계수를 갖는 한편, 제2 화합물은 제2 열팽창 계수를 갖는다. 제2 열팽창계수는 제1 열팽창계수보다 높고 제2 열팽창계수는 타겟 홀더의 열팽창계수보다 높다. 본 발명은 또한 당해 방법에 의해 수득된 스퍼터링 타겟에 관한 것이다.

Description

스퍼터링 타겟의 제조방법{A METHOD OF MANUFACTURING A SPUTTER TARGET}

본 발명은 스퍼터링 타겟(sputter target)의 제조방법 및 이에 의해 제조된 스퍼터링 타겟에 관한 것이다. 타겟 재료의 열팽창계수는 타겟 홀더(target holder)의 열팽창계수와 유사하다.

세라믹 스퍼터링 타겟과 같은 스퍼터링 타겟은 당해 기술분야에 일반적으로 알려져 있다. 이들은 타겟 홀더에 결합된 타겟 재료를 포함한다. 편평한 세라믹 스퍼터링 타겟을 제조하는 바람직한 방법은 열간정수압소결법(Hot Isostatic Pressing: HIP)에 의한 것이다. 기본적으로, 타겟 제조공정은:

a) 세라믹 분말의 열간정수압소결 단계(특정 분말의 경우, 냉간정수압소결(Cold Isostatic Pressing: CIP)이 바람직함);

b) 타겟 재료를 결합에 용이한 형태로 기계가공하는 단계;

c) 타겟 재료를 타겟 홀더(지지판)에 결합시키는 단계를 포함한다.

세라믹 분말의 열간정수압소결의 경우, 세라믹 분말을 캔에 충전시킨다. 분말로 충전된 캔을 진공 탈기시켜 잔류 가스를 제거한다. 그 다음, 캔을 기밀 용접하여 HIP 오븐에 넣는다. 압력(통상적으로 500 내지 2000bar) 및 열(통상적으로 250 내지 1500℃)을 가한다. 이런 식으로 치밀화된 세라믹 재료를 얻는다. 캔 재료를 제거한 후, 치밀화된 세라믹 재료를 추가로 기계가공할 수 있다. 이어서, 세라믹 재료(예를 들면, 세라믹 재료의 평판형 구조물)를, 예를 들면, 인듐 땜납과 같은 결합물질을 이용하여 타겟 홀더(예: 구리판과 같은 평판)에 결합시킨다.

당해 공정은 편평한 세라믹 스퍼터링 타겟을 제조하는 데 적합하다. 한편, 회전형 타겟(관형 타겟 홀더 포함)의 경우, 제조 공정은 매우 복잡해진다.

편평한 스퍼터링 타겟이든 회전형 스퍼터링 타겟이든간에 타겟 재료를 타겟 홀더에 직접 열간정수압소결시키는 것이 매우 바람직한데, 이런 식으로 하나의 공정 단계(열간정수압소결과 결합이 하나의 작업으로 이루어진다)로 타겟을 생성시킨다. 그러나, 이렇게 함으로써 치밀화된 세라믹 타겟 재료와 타겟 홀더간의 열팽창계수의 차이로 인해 타겟 재료와 타겟 홀더 사이 계면에 허용 불가능한 높은 응력이 발생한다. 이는 타겟 재료와 타겟 홀더간의 불량한 접착(탈착)을 초래할 수 있고 타겟 재료는 균열로 가득할 것이다.

탈착 및 균열은 타겟 홀더와 타겟 재료간의 열팽창계수가 큰 타겟의 경우에 매우 두드러진다.

예를 들면, 타겟 재료는 세라믹 재료를 포함하는 한편 타겟 홀더는 금속으로 제조된 경우에 열팽창계수는 크게 상이해진다.

본 발명의 목적은 타겟 재료와 타겟 홀더 사이의 계면에서의 응력이 낮은 스퍼터링 타겟을 제조하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 타겟 재료를 열간정수압소결법에 의해 타겟 홀더에 직접 결합시킴으로써 스퍼터링 타겟을 제조하는 방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 또 다른 목적은 타겟 재료와 타겟 홀더간의 열팽창계수가 거의 대등한 스퍼터링 타겟을 제공하는 것이다.

본 발명의 한 양태에 있어서, 스퍼터링 타겟의 제조방법이 제공된다.

당해 방법은:

- 열팽창계수를 갖는 타겟 홀더를 제공하는 단계;

- 열팽창계수를 갖는 타겟 재료를 제공하는 단계를 포함한다.

당해 타겟 재료는 적어도 제1 화합물 및 제2 화합물을 포함한다. 제1 화합물은 제1 열팽창계수를 갖는 한편, 제2 화합물은 제2 열팽창 계수를 갖는다.

제2 열팽창계수는 제1 열팽창계수보다 높고 제2 열팽창계수는 타겟 홀더의 열팽창계수보다 높다;

- 상기 타겟 재료를 상기 타겟 홀더에 결합시키는 단계를 포함한다.

제2 화합물의 농도를 증가시킴으로써 타겟 재료의 열팽창계수를 높일 수 있다. 본 발명에 따르면, 제1 화합물과 제2 화합물의 농도 비는 타겟 재료의 열팽창계수와 타겟 홀더의 열팽창계수가 거의 대등하도록 선택된다.

바람직하게는, 타겟 재료와 타겟 홀더간의 열팽창계수 차는 20% 미만이다. 보다 바람직하게는, 타겟 재료와 타겟 홀더간의 열팽창계수 차는 10% 미만, 예를 들면, 5% 미만이다.

제1 화합물은 바람직하게는 세라믹 분말과 같은 세라믹 재료를 포함하다. 적합한 세라믹 분말은 아연 산화물(예: ZnO), 인듐 산화물(예: In₂O₃), 구리 산화물(예: Cu₂O, CuO), 갈륨 산화물(예:Ga₂O₃), 주석 산화물(예: SnO, SnO₂), 티탄 산화물(예: TiO, TiO₂), 알루미늄 산화물(예: Al₂O₃), 인듐 주석 산화물, 주석과 합금화된 인듐 산화물 및 이들 산화물 하나 이상의 혼합물을 포함한다.

제2 화합물은 세라믹 분말 또는 금속 분말과 같은 세라믹 재료 또는 금속 재료를 포함한다. 바람직하게는, 제2 화합물은 금속 재료, 예를 들면, 금속 분말 입자와 같은 금속 입자를 포함한다. 금속 재료는 바람직하게는 아연, 인듐, 구리, 갈륨, 주석, 티탄, 알루미늄 또는 이들 금속 중 하나 이상의 혼합물을 포함한다.

대부분의 금속이 높은 열팽창계수를 가지므로, 타겟 재료 중의 금속 재료의 양을 증가시킴으로써 타겟 재료의 열팽창계수를 높일 수 있을 것이다. 타겟 재료 중의 금속 재료의 농도를 최적화함으로써 타겟 재료와 타겟 홀더간의 열팽창 계수가 대등하도록 할 수 있다.

또한, 타겟 재료에 금속 재료가 존재함으로써 다음과 같은 추가 이점이 있다. 대부분의 경우, 타겟 재료에 금속 재료가 존재함으로써 타겟 홀더에 대한 금속 재료의 결합을 향상시킨다. 또한, 타겟 재료에 금속 재료가 존재함으로써 비교적 낮은 HIP 온도(1000℃ 미만)에서 우수한 치밀화된 고형 타겟 구조물을 얻을 수 있다. HIP 온도를 감소시킴으로써 탈착 및 균열 발생 위험을 또한 줄일 수 있다.

바람직한 양태에 있어서, 제1 화합물은 세라믹 재료를 포함하고 제2 화합물은 상기 세라믹 재료의 금속으로 이루어진 금속 재료를 포함한다. 일례로서, 제1 화합물로서 세라믹 분말을 포함하고 제2 화합물로서 상기 세라믹 분말의 금속으로 이루어진 금속 분말을 포함하는 타겟 재료가 고려될 수 있다.

몇가지 통상적인 예를 아래에 기재한다.

	제1 화합물	제2 화합물
예 1	아연 산화물	아연
예 2	인듐 산화물	인듐
예 3	구리 산화물	구리
예 4	갈륨 산화물	갈륨
예 5	주석 산화물	주석
예 6	티탄 산화물	티탄
예 7	알루미늄 산화물	알루미늄
예 8	인듐 주석 산화물	인듐
예 9	주석과 합금화된 인듐 산화물	인듐

타겟 재료는 제1 화합물의 분말 입자와 같은 입자와 제2 화합물의 분말입자와 같은 입자를 혼합함으로써 제공될 수 있다. 입자들의 혼합은 당해 기술분야에 알려져 있는 어떠한 기술에 의해서도 수행될 수 있다. 바람직한 입자 혼합방법은 기계적인 합금화에 의한 것이다.

용어 "기계적인 합금화(mechanical alloying)"란 밀폐된 용기에 상이한 재료 분말의 혼합물을 파쇄 또는 분쇄 매체로서의 경질 볼 또는 로드(rod)와 함께 충전시키고 성분들이 극미세 혼합 또는 합금 상태로 될 때까지 충전물을 텀블링시키거나 기계적으로 교반시킴을 포함하는 공정을 의미한다.

타겟 홀더에 대한 타겟 재료의 결합은 당해 기술분야에 공지되어 있는 어떠한 기술에 의해서도 달성될 수 있다. 결합은, 예를 들면, 인듐 땜납과 같은 땜납을 사용하여 달성될 수 있다. 예를 들면, 열간정수압소결된 타겟 재료를 인듐 땜납과 같은 땜납을 이용하여 타겟 홀더에 결합시킬 수 있다.

본 발명에 따르는 방법은 타겟 재료가 하나의 공정 단계로 타겟 홀더에 직접 열간정수압소결되는 타겟을 제조하는 데 특히 적합하다. 위에서 기재한 바와 같이, HIP 공정동안 스퍼터링 타겟(타겟 재료와 타겟 홀더)을 고온(통상적으로 250 내지 1500℃) 및 압력(통상적으로 500 내지 2000bar)에 노출시킨다. 이는 타겟 재료의 탈착 및 균열을 초래할 수 있다. 본 발명의 방법은 타겟 재료의 열팽창계수와 타겟 홀더의 열팽창계수가 대등하거나 단지 약간 상이하기 때문에 상기 결점을 예방할 수 있다.

본 발명의 방법은 평면 또는 회전형 타겟을 제조하는 사용될 수 있다. 당해 방법은 회전형 타겟을 제조하는 데 특히 적합하다.

본 발명에 따르는 방법은 세라믹 스퍼터링 타겟을 제조하는 데 매우 유용하다. 세라믹 스퍼터링 타겟은 몇가지 매우 두드러진 특성을 보인다. 스퍼터링 동안 산소의 부가는 제한되고 조절하기 용이하고 타겟 재료의 스퍼터링 거동이 안정적이다.

한편, 금속 타겟을 이용한 세라믹 층의 스퍼터링은 우수한 층 조성을 이루기 위해서 산소 유동이 매우 신중하게 제어되어야 하기 때문에 훨씬 더 복잡하다. 이러한 산소 유동 제어가 적합하게 수행되지 않는 경우, 타겟은 '피독 모드(poisoning mode)'에 접어들 것이고 이는 매우 낮은 스퍼터링 속도 및 불량한 피막 특성을 초래한다.

특정량의 금속을 세라믹 스퍼터링 타겟에 가하더라도 순수한 세라믹 스퍼터링 타겟의 스퍼터링 상태에 비해 안정한 스퍼터링 상태를 변화시키지 않는다. 더구나, 소량의 금속 재료가 존재함으로써 타겟 재료의 열 및 전기 전도성이 향상되고 스퍼터링 타겟의 전력 밀도(power density)가 증가될 수 있다. 이는 스퍼터링 속도를 증가시킬 수 있다. 본 발명에 따르는 스퍼터링 타겟의 경우, 타겟 재료가 금속 스퍼터링 타겟과 같이 거동하는 것을 방지하기 위해서 금속 재료의 함량은 너무 높지 않은 것이 바람직하다(당해 함량은 세라믹 재료에 좌우된다).

또한, 금속 재료가 세라믹 타겟 재료에 존재함으로써 스퍼터링시 가열로 인해 스퍼터링 타겟의 취급 및 사용 동안 타겟 재료에 균열이 발생될 위험성이 감소된다. 긴 관형 스퍼터링 타겟 및, 특히 컨틸레버(cantilever)형 스퍼터링 타겟의 경우, 굴곡으로 인해 응력이 발생한다. 응력은 균열을 야기할 수 있다. 본 발명에 따르는 방법은 타겟 재료의 연성이 증가되기 때문에 긴 관형 스퍼터링 타겟 및 컨틸레버형 스퍼터링 타겟을 제조할 수 있다.

본 발명의 또 다른 양태에 있어서, 상기 방법에 의해 수득될 수 있는 스퍼터링 타겟이 제공된다.

당해 스퍼터링 타겟은 타겟 홀더에 결합된 타겟 재료를 포함하고, 타겟 재료와 타겟 홀더 간의 열팽창계수에 있어서의 차는 20% 미만, 보다 바람직하게는 10% 미만, 예를 들면, 5% 미만이다.

스퍼터링 타겟은 평면 타겟 또는 회전형 타겟을 포함할 수 있다.

본 발명은 또한 스퍼터링 공정에서의 타겟의 용도에 관한 것이다.

본 발명에 따르는 스퍼터링 타겟의 제1 예는 인듐 주석 산화물(ITO) 스퍼터링 타겟을 포함한다. 당해 스퍼터링 타겟은 다음과 같이 제조된다. 먼저, 지지 튜브(타겟 홀더)와 외부 캔으로 이루어진 캔에 ISOT-분말(인듐 세스퀴 산화물 주석)을 채운다. ISOT 분말은 In₂O₃와 Sn 입자를 볼-밀에서 기계적으로 합금화함으로 합성할 수 있다. 진공 탈기 후, 캔을 기밀 용접하여 HIP 오븐에 넣는다. 압력(통상적으로 500 내지 2000bar, 예를 들면 1000bar) 및 열(통상적으로 250 내지 1500℃, 예를 들면, 1000℃)을 가함으로써 ISOT 분말을 치밀화한다. 치밀화된 ISOT 분말의 열팽창계수는 약 6㎛/mK이고 이는 대부분의 금속 타겟 홀더의 열팽창계수보다 훨씬 낮은 값이다. 열팽창계수에 있어서의 이러한 차이로 인해 HIP 작업의 냉각 순환공정 동안 균열이 형성된다. 외부 캔을 제거한 후, 타겟 홀더에 접착되지 않은 채 균열이 가득한 타겟 재료가 얻어진다. 이런 식으로 얻어진 스퍼터링 타겟은 스퍼터링용으로 사용될 수 없다.

ISOT 분말을 높은 열팽창계수(33㎛/mK)를 보이는 인듐 입자와 적절히 혼합함으로써 HIP 후 치밀화된 ISOT/In 분말의 열팽창계수는 타겟 홀더와 대등해질 수 있다. 이런 식으로, 치밀화된 ISOT 재료와 타겟 홀더 사이의 계면에서 발생된 응력은 제한될 수 있다. 이는 균열없는 치밀한 ISOT 구조물을 제공한다.

표 1에는 상이한 조성의 타겟 재료가 제시되어 있다. ISOT와 인듐 입자의 함량은 상이한 유형의 타겟 홀더와 대등하도록 변화시킨다. 주석과 합금화된 인듐 주석 산화물(ISOT)의 함량과 인듐의 함량은 용량%로 나타낸다. 타겟 재료의 열팽창계수는 세번째 칸에 기재한다.

[표 1]

ISOT 함량용량%	인듐 함량용량%	CTE[㎛/Km]	대등한 타겟 홀더
100	0	6
90	10	8.6	티탄
70	30	13.8	Ni80Cr20
60	40	16.4	SS AISI 304

표 1로부터 인듐의 양이 증가함에 따라 열팽창계수가 상승함을 알 수 있다. ISOT 분말에 인듐을 10용량% 가하는 경우, 타겟 재료와 티탄 타겟 홀더간에 열팽창계수가 대등해진다. 인듐을 30용량% 가하는 경우, 바람직한 타겟 홀더는 Ni80Cr20 합금을 포함하는 반면, 인듐 40용량%를 가하는 경우, 바람직한 타겟 홀더는 스테인레스 강 SS AlSl 304를 포함한다. 당해 기술분야의 숙련가는 동일한 원리가 인듐과 혼합된 순수한 세라믹 ITO 분말에 대해 적용될 수 있음을 알 것이다.

본 발명에 따르는 스퍼터링 타겟의 또 다른 예는 ZnO 회전형 타겟을 포함한다. ZnO는 매우 낮은 열팽창계수(3㎛/mK)를 보인다. 위의 예와 유사하게, ZnO를 금속 타겟 홀더(지지 튜브)에 직접 열간정수압소결하는 것은 불가능하다. 그러나, ZnO를 열팽창계수가 높은 금속과 혼합함으로써 타겟 재료와 통상적인 타겟 홀더간의 열팽창계수를 대등하게 할 수 있다. 적합한 금속은 Zn을 포함한다. Zn은 열팽창계수가 30㎛/mK이다. 동일한 원리가 ZnO:Al 또는 ZnO:Ga와 같은 불순물 도핑된 ZnO 회전형 타겟을 제조하는 데 적용될 수 있다. ZnO:Al 또는 ZnO:Ga를 적당량의 Zn 금속 입자와 혼합함으로써 타겟 재료와 타겟 홀더간에 대등한 열팽창계수를 얻을 수 있다. 압력(통상적으로 500 내지 2000bar) 및 열(통상적으로 250 내지 1500℃)을 가함으로써 분말은 치밀한 구조로 치밀화된다. 타겟 홀더와 대등해지면, 타겟 재료를 균열없이 타겟 홀더에 잘 결합시킬 수 있다.

위의 예들에서는 회전형 타겟이 투명한 전도성 산화물 층의 스퍼터링에 사용될 수 있는 재료로 이루어질 수 있는 방법에 대해 기재하였다. 타겟 재료가 순수한 세라믹 재료로 이루어진 것처럼 상기 타겟은 피독없이 안정한 스퍼터링 거동을 보인다.

Claims (20)

1. 열팽창계수를 갖는 타겟 홀더를 제공하는 단계,

   열팽창계수를 갖는 타겟 재료를 제공하는 단계 및

   타겟 재료를 타겟 홀더에 결합시키는 단계를 포함하는 스퍼터링 타겟의 제조방법으로서,

   당해 타겟 재료가 적어도 제1 화합물 및 제2 화합물을 포함하고, 제1 화합물은 제1 열팽창계수를 갖는 한편, 제2 화합물은 제2 열팽창계수를 갖고, 제2 열팽창계수가 제1 열팽창계수보다 높고 제2 열팽창계수는 타겟 홀더의 열팽창계수보다 높은 방법.
2. 제1항에 있어서, 타겟 제료의 타겟 홀더에 대한 결합이 타겟 재료를 타겟 홀더에 직접 열간정수압소결법으로써 이루어지는 방법.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 타겟 재료의 열팽창계수와 타겟 홀더의 열팽창계수간의 차이가 10% 미만인 방법.
4. 제1항 내지 제3항 중의 어느 한 항에 있어서, 제1 화합물이 세라믹 재료를 포함하는 방법.
5. 제4항에 있어서, 세라믹 재료가 세라믹 분말을 포함하는 방법.
6. 제5항에 있어서, 세라믹 분말이 아연 산화물, 인듐 산화물, 구리 산화물, 갈륨 산화물, 주석 산화물, 티탄 산화물, 알루미늄 산화물, 인듐 주석 산화물, 주석과 합금화된 인듐 산화물 및 이들 산화물 중 하나 이상의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속 산화물을 포함하는 방법.
7. 제1항 내지 제6항 중의 어느 한 항에 있어서, 제2 화합물이 세라믹 재료 또는 금속 재료를 포함하는 방법.
8. 제7항에 있어서, 세라믹 재료가 세라믹 분말을 포함하는 방법.
9. 제7항에 있어서, 금속 재료가 금속 분말 입자와 같은 금속 입자를 포함하는 방법.
10. 제7항 또는 제9항에 있어서, 금속 재료가 아연, 인듐, 구리, 갈륨, 주석, 티탄, 알루미늄 및 이들 금속 중 하나 이상의 혼합물로 이루어진 그룹으로부터 선택된 금속을 포함하는 방법.
11. 제4항에 있어서, 제2 화합물이 제1 화합물의 세라믹 재료의 금속으로 이루어진 금속 재료를 포함하는 방법.
12. 제1항 내지 제11항 중의 어느 한 항에 있어서, 타겟 재료가 제1 화합물의 입자와 제2 화합물의 입자를 혼합함으로써 제공되는 방법.
13. 제12항에 있어서, 혼합이 기계적인 합금화를 포함하는 방법.
14. 제1항 내지 제13항 중의 어느 한 항에 있어서, 스퍼터링 타겟이 평면 타겟을 포함하는 방법.
15. 제1항 내지 제14항 중의 어느 한 항에 있어서, 스퍼터링 타겟이 회전형 타겟을 포함하는 방법.
16. 제1항 내지 제15항 중의 어느 한 항에 따르는 방법에 의해 수득 가능한, 타겟 홀더에 결합된 타겟 재료를 포함하는 스퍼터링 타겟.
17. 제16항에 있어서, 타겟 재료와 타겟 홀더간의 열팽창계수의 차이가 10% 미만인 스퍼터링 타겟.
18. 제16항 또는 제17항에 있어서, 평면 타겟을 포함하는 스퍼터링 타겟.
19. 제16항 또는 제17항에 있어서, 회전형 타겟을 포함하는 스퍼터링 타겟.
20. 스퍼터링 공정에 있어서의 제16항 내지 제19항 중의 어느 한 항에 따르는 스퍼터링 타겟의 용도.