스퍼터링 타겟은 주로 두 가지 뚜렷한 방법으로 제조됩니다. 주조와 분말 야금입니다. 이들 중 선택은 재료의 녹는점 및 조성과 같은 특성에 따라 결정됩니다. 많은 표준 합금의 경우, 이 공정은 고순도 원료를 진공 상태에서 녹인 다음 잉곳으로 주조하고, 최종적으로 요구되는 치수로 가공하는 과정을 포함합니다.
제조 방법은 단순한 제작 단계가 아닙니다. 이는 타겟의 미세 구조, 순도 및 밀도를 결정하는 가장 중요한 요소입니다. 이러한 특성은 다시 스퍼터링 공정의 안정성과 증착된 박막의 품질을 직접적으로 제어합니다.
기본적인 방법: 주조 대 분말 야금
타겟이 어떻게 만들어지는지 이해하는 것은 박막 불일치 문제를 해결하고 새로운 공정에 적합한 재료를 선택하는 데 필수적입니다. 각 방법은 근본적으로 다른 내부 구조를 가진 타겟을 만듭니다.
방법 1: 주조(용융 및 응고)
주조는 전통적인 금속 가공을 모방하는 직관적인 접근 방식입니다. 이 공정은 고순도 원료를 엄격하게 제어되는 환경에서 녹이는 것부터 시작됩니다.
이 용융된 금속은 몰드에 부어 냉각시켜 잉곳(ingot)이라고 불리는 거친 모양으로 응고시킵니다.
중요한 점은 이 전체 공정이 일반적으로 진공로(vacuum furnace)에서 수행된다는 것입니다. 진공은 용융된 금속이 공기 중의 산소나 질소와 반응하여 최종 타겟에 오염 물질을 유입시키는 것을 방지합니다.
냉각되면 잉곳은 광범위한 가공(machining)을 거칩니다. 이 최종 단계는 스퍼터링 음극에 필요한 정확한 치수로 타겟을 절단하고 필요한 표면 마감을 만듭니다.
방법 2: 분말 야금(소결)
분말 야금(PM)은 주조하기 어렵거나 불가능한 재료에 사용되는 보다 진보된 기술입니다. 여기에는 녹는점이 극도로 높거나 용융될 때 성분들이 잘 섞이지 않는 합금과 같은 재료가 포함됩니다.
이 공정은 구성 재료의 매우 미세하고 고순도인 분말에서 시작됩니다. 이 분말들은 정확하게 측정되고 혼합되어 완벽하게 균질한 혼합물을 보장합니다.
이 분말 혼합물은 엄청난 압력과 고온에서 압축됩니다. 일반적인 기술은 열간 등방압 프레스(Hot Isostatic Pressing, HIP)으로, 재료를 모든 방향에서 높은 압력에 노출시키면서 녹는점보다 훨씬 낮은 온도로 가열합니다.
열과 압력의 조합은 분말 입자들이 결합하고 융합되도록 하여 녹지 않고 단단하고 고밀도의 블록을 생성합니다. 이 단단한 블록은 주조된 잉곳과 마찬가지로 최종 모양으로 가공됩니다.
제조 방법이 중요한 이유
주조와 PM 중 선택은 타겟의 물리적 특성에 직접적인 영향을 미치며, 이는 스퍼터링 성능에 상당한 영향을 미칩니다.
순도 및 오염에 미치는 영향
두 방법 모두 고순도를 목표로 하지만 오염의 출처가 다릅니다. 주조에서는 주요 위험이 잔류 공기로부터의 산소와 같은 용해된 가스입니다. 진공 공정은 이를 최소화하는 데 필수적입니다.
PM에서는 위험이 초기 분말의 넓은 표면적에서 발생하며, 이는 수분이나 기타 오염 물질을 흡착할 수 있습니다. 신중한 분말 취급이 중요합니다.
밀도에 미치는 영향
고밀도 타겟은 안정적인 공정에 매우 중요합니다. 타겟 내부의 기공률(빈 공간)은 가스를 가둘 수 있으며, 이는 스퍼터링 중에 격렬하게 "탈가스"되어 기판에 아크 발생 및 입자 비산을 일으킬 수 있습니다.
주조는 밀도가 높은 타겟을 생성하지만, 분말 야금의 HIP과 같은 기술은 이론적 최대치의 99.5%를 초과하는 밀도를 달성하여 탁월하게 안정적인 재료를 만드는 것으로 유명합니다.
결정립 구조에 미치는 영향
이것이 가장 큰 차이점입니다. 주조는 액체에서 느리게 냉각되는 과정을 포함하므로 종종 크고 불균일한 결정립으로 이어집니다.
반면에 분말 야금은 고체 상태에서 작은 입자들을 융합하여 매우 미세하고 고도로 균일한 결정립 구조를 가진 타겟을 생성합니다. 균일한 결정립 구조는 전체 타겟 표면에 걸쳐 보다 일관된 스퍼터링 속도를 가져와 증착된 박막의 균일성을 향상시킵니다.
상충 관계 이해하기
어떤 방법도 보편적으로 우수하지 않습니다. 이상적인 선택은 처리되는 재료와 원하는 결과에 전적으로 달려 있습니다.
주조의 경우
주조는 알루미늄, 구리 또는 티타늄과 같은 일반적인 금속 및 합금에 대해 종종 더 비용 효율적이고 간단합니다. 단일하고 합리적인 녹는점을 가진 재료에 적합합니다.
그러나 주조는 극심한 녹는점으로 인해 내화 금속(예: 텅스텐)에는 어려움을 겪습니다. 또한 냉각 중 분리(분리)될 수 있는 녹는점이 크게 다른 합금에도 적합하지 않습니다.
분말 야금의 경우
분말 야금은 주조가 실패하는 곳에서 뛰어납니다. 내화 금속 타겟, 세라믹 타겟(예: 산화인듐주석, ITO), 복합 합금을 생산하는 선호되는, 종종 유일한 방법입니다.
주요 이점은 우수한 미세 구조 제어로, 타의 추종을 불허하는 스퍼터링 균일성을 제공합니다. 주된 단점은 일반적으로 더 복잡하고 비용이 많이 드는 공정이라는 것입니다.
재료에 대한 올바른 선택하기
제조 방법은 타겟을 조달할 때 고려해야 할 핵심 사양입니다.
- 재료가 단순한 금속 또는 표준 합금인 경우: 주조는 종종 훌륭한 결과를 제공하는 가장 경제적이고 효과적인 방법입니다.
- 재료가 복합 합금, 내화 금속 또는 세라믹인 경우: 재료 무결성과 성능을 보장하기 위해 분말 야금이 거의 항상 더 우수하거나 유일하게 실행 가능한 선택입니다.
- 주요 목표가 최대 필름 균일성과 공정 안정성인 경우: 미세하고 균질한 결정립 구조를 위해 분말 야금(특히 HIP)으로 만든 타겟을 우선시하십시오.
타겟의 제조 여정을 이해하는 것은 최종 박막의 품질과 일관성을 제어하기 위한 첫 번째 단계입니다.
요약 표:
| 방법 | 최적 재료 | 핵심 공정 | 핵심 장점 |
|---|---|---|---|
| 주조 | 단순 금속, 표준 합금(Al, Cu, Ti) | 진공 용융 및 응고 | 일반 재료에 대한 비용 효율성 |
| 분말 야금 | 내화 금속, 세라믹, 복합 합금 | 열간 등방압 프레스(HIP) | 우수한 미세 구조 제어 및 균일성 |
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