KR100445669B1 - 석영 표면의 세라믹 코팅방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 석영의 표면에 세라믹을 코팅하는 방법에 관한 것으로, 반도체 제조공정이나 각종 가열장치에 사용되는 석영관을 비롯하여 각종 석영판의 표면에 세라믹을 코팅함으로서 외부로 방출되는 에너지를 효율적으로 차단하여 열효율을 극대화시킬 수 있도록 하는데 그 목적이 있으며, 상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 석영의 표면을 수소(H₂)와 산소(O₂)를 혼합하여 형성된 혼합불꽃으로 가열하여 표면이 용융되는 시점에서 세라믹분말을 분사하여 세라믹 코팅층을 형성하는 석영 표면의 세라믹 코팅방법에 있어서, 상기 혼합불꽃에 세라믹 분말이 함께 분출될 수 있도록 하여 석영의 표면이 용융된 시점에서 세라믹 분말을 분사하여 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 하는 석영 표면의 세라믹 코팅방법을 제공한다.

Description

석영 표면의 세라믹 코팅방법{The ceramic coating method of quartz surface}

본 발명은 석영의 표면에 세라믹을 코팅하는 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 반도체 제조공정이나 각종 가열장치에 사용되는 석영관을 비롯하여 각종 석영판의 표면에 세라믹을 코팅함으로서 외부로 방출되는 에너지를 효율적으로 차단하여 열효율을 극대화시킬 수 있도록 한 석영 표면의 세라믹 코팅방법에 관한 것이다.

일반적으로 석영은 열팽창이나 열수축율이 적어 고열에서도 파손될 위험이 적다는 특징을 가지고 있어 종래로 부터 고열을 필요로 하는 반도체 제조공정이나 각종 가열장치에 적용되어 왔다.

특히, 반도체 제조공정에서는 석영관 외주에 코일을 환설하고 그 내부가 고온으로 유지되도록 하여 실리콘 웨이퍼를 투입하는 처리공정을 시행하여 왔다. 상기 실리콘 웨이퍼 처리공정은 반도체 제조공정 중 가장 중요한 공정으로서 실리콘 웨이퍼에 불순물을 주입시키기 위하여 석영관 내부에 실리콘웨이퍼를 넣고 석영관을 확산용 전기로에 위치시킨 뒤 소정의 고온으로 가열하면서 석영관 내부에 기체, 액체 또는 고체의 불순물(예컨대, POCl3)을 주입시키는 확산공정이다.

그러나 상기 공정에서 사용되는 석영관의 경우 열손실이 매우 크다는 단점이 있다. 즉, 웨이퍼 처리공정 중 공급되는 에너지의 다량이 가시광선의 형태로 외부로 유출됨과 동시에 열선인 적외선의 투과로 인하여 에너지 효율이 크게 저하되게 된다. 따라서 석영관 내부를 고온으로 유지시키기 위하여 많은 전력을 소비하게 되고, 특히 일정한 온도조절이 용이하지 않아 웨이퍼마다 처리온도의 편차가 발생하여 불량율이 높다는 단점이 있다. 또한 외부로 방출되는 열손실로 인하여 작업실의 온도가 상승하게 되고, 그에 따라 작업환경의 열악화되는 문제점이 있다.

상기한 석영관의 문제점으로 인하여 열손실을 최소화시키기 위한 많은 연구가 진행되었으며, 많은 방법들이 공지되었다.

특히, 석영관에 세라믹 코팅층을 형성함으로서 외부로 방출되는 가시광선을 줄임과 동시에 세라믹의 적외선 장파장의 흡수성을 이용하여 방사율을 증가시켜 그에 따른 에너지의 증가로 히타의 열효율을 증가시킬 수 있도록 한 기술이 공지되어 있다.

상기 공지기술의 일환으로 대한민국 실용신안 출원번호 제88-10897호의 "원적외선 세라믹 도료 도포층이 형성된 히타용 석영관"에서는 석영관의 외부 둘레에 원적외선 세라믹 도료를 적당량 도포하여 적절한 시간과 온도로 가열 경화 도포층을 형성시켜 사용시에 적외선 장파장의 흡수성을 이용하여 방사율을 증가시켜 그에 따른 에너지의 증가로 히타의 열효율을 증가시킬 수 있도록 한 기술을 공지하고 있다.

그러나 상기의 경우 세라믹 도료를 석영관에 도포 후 열처리하는 과정에서 고온으로 인하여 도료성분의 탄화와 더불어 석영관의 표면이 산화됨에 따라 석영관에 도포된 도료가 떨어져 나가 세라믹 코팅층으로서의 제기능을 하지 못한다는 문제점이 있다.

이에 본 발명은 상기한 종래의 문제점을 해결하기 위한 것으로, 석영의 표면과의 융착성이 우수하면서 외부로 방출되는 에너지를 최대한 억제하여 에너지 효율을 극대화시킬 수 있도록 한 석영 표면의 세라믹 코팅방법을 제공하는 데 그 목적이 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예로서 석영관의 표면에 세라믹 코팅층을 형성하는 과정을 개략적으로 나타낸 도면.

도 2는 수소와 산소의 혼합비율을 1:3.5kg/㎠로 하였을 때의 세라믹 코팅층 형성 상태를 나타낸 사진.

도 3은 수소와 산소의 혼합비율을 1:1.5kg/㎠로 하였을 때의 세라믹 코팅층 형성 상태를 나타낸 사진.

도 4는 수소와 산소의 혼합비율을 1:5kg/㎠로 하였을 때의 세라믹 코팅층 형성 상태를 나타낸 사진.

<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>

10 : 가열장치 본체

11 : 수소기체 공급관 12 : 산소기체 공급관

13 : 수소기체 조절밸브 14 : 산소기체 조절밸브

15 : 고정대 16 : 토치

20 : 세라믹 분말 공급통

21 : 세라믹 분말 공급밸브

30 : 석영관

상기한 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 석영의 표면을 수소(H₂)와 산소(O₂)를 혼합하여 형성된 혼합불꽃으로 가열하여 표면이 용융되는 시점에서 세라믹분말을 분사하여 세라믹 코팅층을 형성하는 석영 표면의 세라믹 코팅방법에 있어서, 상기 혼합불꽃에 세라믹 분말이 함께 분출될 수 있도록 하여 석영의 표면이 용융된 시점에서 세라믹 분말을 분사하여 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 하는 석영 표면의 세라믹 코팅방법을 제공한다.

본 발명에 의한 석영의 표면에 세라믹 코팅층을 형성하는 방법은 석영의 표면을 가열하여 표면이 용융되는 시점에서 세라믹분말을 분사하여 코팅층을 형성하게 된다.

상기에서 석영의 표면을 가열하게 되면 점차 표면이 적홍색으로 변화되게 되는데 이후 좀더 석영의 표면을 가열하게 되면 표면은 연홍색으로 변화되면서 석영의 표면이 용융되기 시작한다. 이때 세라믹분말을 분사하게 되면 코팅층을 형성할 수 있게 된다. 이때 석영의 표면을 가열하여 표면이 용융되는 시점 이전에 세라믹분말을 분사하여 코팅층을 형성할 경우 세라믹분말이 석영의 표면에 융착되지 못하여 세라믹 코팅 분말이 석영 표면에서 분리되는 현상이 발생하게 된다.

상기에서 석영의 표면을 가열하기 위한 수단으로는 석영의 표면을 용융시킬수 있는 다양한 방법을 적용할 수 있으나 본 발명에서는 수소(H₂)와 산소(O₂)를 혼합하여 형성된 혼합불꽃을 사용하였다. 이때 상기 불꽃은 수소와 산소의 혼합 비율이 토출압을 기준으로 1:3.0 내지 1:4.0kg/㎠이 되도록 혼합하여 형성된 것으로 1:3.0 미만이거나 1:4.0을 초과하도록 혼합할 경우 가열시 석영표면이 용융되는 온도에 도달하지 못하게 되어 코팅층이 형성되지 않는다는 문제점이 있다.

또, 산소와 프로판가스를 혼합하여 형성된 불꽃이나 산소와 에틸렌 가스를 혼합하여 형성된 불꽃은 석영의 표면을 용융시킬 만한 충분한 온도까지 올라가지 못함에 따라 세라믹 코팅층 형성시 불완전한 코팅층이 형성된다. 따라서 세라믹분말이 석영의 표면에 융착되지 못하여 세라믹 코팅 분말이 석영 표면에서 분리되는 현상이 발생하게 된다.

상기 산소와 수소 혼합불꽃을 형성하는 장치로는 현재 일반적으로 사용되는 장치를 이용할 수 있으며, 이때 상기 혼합불꽃 형성시 가열장치에 내부로 세라믹분말을 투입하여 혼합불꽃 속에 세라믹 분말이 함께 분출될 수 있도록 하는 것이 바람직하다. 즉, 산소와 수소 혼합불꽃으로 석영 표면을 가열하여 석영 표면이 용융되는 시점에서 상기 혼합불꽃 속에 세라믹 분말이 분출되도록 함으로서 용이하게 세라믹 코팅층을 형성할 수 있게 된다.

이하 본 발명에 따른 석영표면에 세라믹 코팅층을 형성하는 과정에 대하여 첨부한 도면을 참조하여 보다 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 본 발명의 일실시예로서 석영관의 표면에 세라믹 코팅층을 형성하는과정을 개략적으로 나타낸 도면으로, 먼저 가열장치는 도시된 바와 같이 수소기체 공급관(11)과 산소기체 공급관(12)이 형성되고, 상기 수소기체 공급관(11)을 통해 공급된 수소기체와 상기 산소기체 공급관(12)을 통해 공급된 산소기체가 혼합되는 가열장치 본체(10)가 형성되고, 상기 가열장치 본체(10)에서 혼합된 혼합가스가 외부로 배출되어 불꽃을 형성하는 토치(16)로 이루어지는 통상의 수소산소 가열장치의 구조를 갖는다. 상기에서 산소기체와 수소기체의 혼합량은 각각의 조절밸브(13,14)를 통해 제어할 수 있다. 이때 본 발명에서는 상기 가열장치 본체(10) 내부에 세라믹 분말의 투입이 세라믹 분말 공급밸브(21)에 의해 제어가 가능하도록 별도의 세라믹 분말 공급통(20)을 설치하여 수소와 산소기체 혼합시 세라믹 분말이 함께 혼합되어 토치(16)로 이송되도록 하였다. 상기 세라믹 분말은 상기 세라믹 분말 공급밸브(21)에 의해 필요시에만 분출되게 된다.

다음은 상기와 같은 구조를 갖는 가열장치를 이용하여 석영의 표면에 세라믹 코팅층을 형성하는 방법을 설명하기로 한다.

일단 세라믹 코팅을 하고자 하는 일직선형태의 가공되지 않은 석영관(30)을 선반의 척에 재치한 상태에서 360°회전시킨다. 이후 가열장치의 토치(16)부분을 가열하고자 하는 석영관(30)의 부위에 위치시킨 뒤 수소와 산소를 공급하여 혼합불꽃이 토치(16)에 형성되도록 한다. 이 토치(16)를 이용하여 석영관(30)의 표면을 가열하면 온도가 높아짐에 따라 그 표면은 점차 적홍색으로 변화된 이후 연홍색으로 변화되면서 용융되기 시작한다. 바로 이때 세라믹 분말 공급밸브(21)를 이용하여 혼합불꽃 속에 세라믹 분말이 분출되도록 하여 세라믹 코팅층을 형성한다.

이때 사용하는 세라믹 분말은 일정온도에서 소성한 것을 사용하게 되는데, 이때 소성하지 않은 세라믹 원료를 사용하여 코팅층을 형성할 경우 혼합불꽃속에서 분출되는 세라믹 원료가 높은 온도로 인하여 용융되고 그에 따라 상기 석영관(30) 표면에 유리질층이 형성된다. 형성된 유리질 층은 높은 온도에서 열팽창이 심화되어 석영관(30)의 파손을 유발시키는 문제점이 있을 뿐만 아니라 균일한 두께의 세라믹 코팅층을 형성할 수 없다는 문제점이 발생하므로 일정한 온도에서 소성한 세라믹분말을 사용하는 것이 바람직하다. 본 발명에서는 상기 세라믹 분말로 다양한 종류의 세라믹 소지를 1200℃ 내지 1800℃의 고온에서 소성한 것을 사용하였다.

이때 사용되는 세라믹 분말의 입도는 작업시의 여건에 따라 적당히 조절가능하나 20㎛ 내지 100㎛의 입도를 선택하여 사용하는 것이 바람직하다. 이것은 토치관을 통과하여 외부로 배출될 수 있는 최대한의 입도와 코팅층의 두께를 함께 고려하여 결정한 것이다.

또한 상기 세라믹 분말을 이용하여 코팅한 코팅층의 두께는 100㎛ 내지 300㎛를 갖도록 하는 것이 바람직하다. 이때 상기 세라믹 코팅층의 두께가 300㎛를 초과할 경우 오히려 에너지 효율이 저하되는 단점이 있을 뿐만 아니라 외부의 충격에 의해 석영관(30)이 쉽게 파손되는 단점이 있으며, 세라믹 코팅층의 두께가 100㎛ 미만일 경우 에너지 효율이 저하되는 단점이 있으므로 상기한 범위내에서 두께를 갖도록 하는 것이 바람직하다.

상기한 방법으로 석영관(30)의 외부에 세라믹 코팅층을 형성한 경우 세라믹 분말로 미리 열처리하여 소성한 분말을 사용함으로서 열에 의한 팽창을 줄임과 동시에 세라믹 분말에서 발생하는 원적외선에 의하여 에너지 효율을 극대화 극대화시킬 수 있다는 이점이 있다. 특히, 세라믹코팅층에 의해 외부로 방출되는 에너지를 효율적으로 차단함에 따라 에너지 손실을 줄이고, 그에 따른 전력낭비를 막을 수 있다는 이점이 있다.

이하 본 발명을 하기한 실시예를 통하여 보다 상세하게 설명하기로 하나 이는 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니다.

<실시예 1>

일직선형태의 가공되지 않은 석영관(30)을 선반의 척에 재치한 상태에서 360°회전시키면서 도1에 도시된 가열장치의 토치(16)부분을 가열하고자 하는 석영관(30)의 부위에 위치시킨 뒤 수소와 산소를 토출압을 1:3.5kg/㎠의 비율로 공급하여 혼합불꽃을 형성시킨 다음 석영관(30) 표면을 가열하였다. 가열시간이 길어짐에 따라 점차 석영관(30) 표면이 적홍색에서 연홍색으로 변화 되고, 이때 상기 가열장치 본체 내부에 형성된 세라믹 분말 공급밸브(21)를 이용하여 혼합불꽃속에 세라믹 분말이 분출되도록 하면서 두께 200±10㎛의 세라믹 코팅층을 형성시켰다.

이렇게 제조된 세라믹 코팅층의 형성상태 사진을 도 2에 나타내었으며, 상기 도2에서 보는 바와 같이 세라믹 코팅층이 양호한 것을 알 수 있다.

<실시예 2>

일직선형태의 가공되지 않은 석영관(30)을 선반의 척에 재치한 상태에서 360°회전시키면서 도1에 도시된 가열장치의 토치부분을 가열하고자 하는 석영관(30)의 부위에 위치시킨 뒤 수소와 산소를 토출압을 1:1.5kg/㎠의 비율로 공급하여 혼합불꽃을 형성시킨 다음 석영관(30) 표면을 가열하였다. 가열시간이 길어짐에 따라 점차 석영관(30) 표면이 적홍색에 도달하였으나 더이상 색상의 변화가 없어 바로 가열장치 본체 내부에 형성된 세라믹 분말 공급밸브(21)를 이용하여 혼합불꽃속에 세라믹 분말이 분출되도록 하면서 두께 200±10㎛의 세라믹 코팅층을 형성시켰다.

이렇게 제조된 세라믹 코팅층의 형성상태 사진을 도 3에 나타내었으며, 상기 도 3에서 보는 바와 같이 세라믹 코팅층이 석영관의 표면에서 분리되는 것을 확인할 수 있다.

<실시예 3>

일직선형태의 가공되지 않은 석영관(30)을 선반의 척에 재치한 상태에서 360°회전시키면서 도1에 도시된 가열장치의 토치부분을 가열하고자 하는 석영관(30)의 부위에 위치시킨 뒤 수소와 산소를 토출압을 1:5kg/㎠의 비율로 공급하여 혼합불꽃을 형성시킨 다음 석영관(30) 표면을 가열하였다. 가열시간이 길어짐에 따라 점차 석영관(30) 표면이 적홍색에 도달하였으나 더이상 색상의 변화가 없어 바로 가열장치 본체 내부에 형성된 세라믹 분말 공급밸브(21)를 이용하여 혼합불꽃속에 세라믹 분말이 분출되도록 하면서 두께 200±10㎛의 세라믹 코팅층을 형성시켰다.

이렇게 제조된 세라믹 코팅층의 형성상태 사진을 도 4에 나타내었으며, 상기 도 4에서 보는 바와 같이 세라믹 코팅층이 석영관의 표면에서 분리되는 것을 확인할 수 있다.

상기 실시예 1내지 3을 토대로 하여 볼 때 수소와 산소비율이 본 발명의 범위 미만이거나 초과로 혼합되었을 때에는 석영관 표면이 용융되는 시점에 도달하지 못하게 됨에 따라 석영관 표면에 형성된 세라믹 코팅층이 불완전하여 석영관 표면에서 분리되는 현상이 발생하는 것을 알 수 있으나, 본 발명의 범위내로 수소와 산소비율을 혼합할 경우 세라믹 코팅층의 형성이 가능함을 알 수 있다.

<실시예 4 내지 7>

두께가 각각 50±10㎛, 100±10㎛, 300±10㎛, 400±10㎛의 세라믹 코팅층을 형성시킨 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 실시하였다.

<실험예 1>

상기 실시예 1과 실시예 4 내지 6에서 제조한 세라믹 코팅층이 형성된 석영관과 세라믹 코팅을 하지 않은 석영관의 열효율을 확인하기 위하여 석영관 내부에 열선을 각각 동일조건으로 형성시켜 가열하였다. 이렇게 가열된 석영관을 적외선 온도측정장치(TVS-620: 일본 AVIO사 제품)로 최대온도를 측정하여 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

구분	코팅층의 두께	최대온도(℃)
실시예 1	200±10㎛	688
실시예 4	50±10㎛	589
실시예 5	100±10㎛	667
실시예 6	300±10㎛	654
실시예 7	400±10㎛	547
무코팅 석영관	-	512

상기 표1에서 보는 바와 같이 본 발명의 범위내로 코팅층의 두께를 형성한 실시예 1 및 실시예 5와 6의 경우 온도가 무코팅 석영관에 비해 100℃ 이상 더 높은 것을 알 수 있다. 또 본 발명의 범위 미만으로 크팅층의 두께를 형성한 실시예4 및 본 발명의 범위를 초과하도록 코팅층의 두께를 형성한 실시예 7의 경우 온도가 무코팅석영관에 비해 높으나 본 발명의 범위내에서 코팅층을 형성한 실시예1 및 실시예 5와 6에 비해 온도가 낮음을 알 수 있다.

상기 실시예의 경우 석영표면에 코팅층을 형성하는 예로 석영관을 예를 들어 설명하였으나 평면형태의 석영 표면을 비롯하여 다양한 형태의 구조를 가지는 석영 표면에 코팅이 가능하다.

상기에서 설명한 바와 같이 본 발명은 석영의 표면에 세라믹을 코팅함으로서 외부로 방출되는 에너지를 효율적으로 차단하여 열효율을 극대화시킬 수 있도록 한 석영 표면의 세라믹 코팅방법을 제공하는 유용한 발명이다.

Claims (11)

1. 삭제
2. 삭제
3. 석영의 표면을 수소(H₂)와 산소(O₂)를 혼합하여 형성된 혼합불꽃으로 가열하여 표면이 용융되는 시점에서 세라믹분말을 분사하여 세라믹 코팅층을 형성하는 석영 표면의 세라믹 코팅방법에 있어서,

   상기 혼합불꽃에 세라믹 분말이 함께 분출될 수 있도록 하여 석영의 표면이 용융된 시점에서 세라믹 분말을 분사하여 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 하는 석영 표면의 세라믹 코팅방법.
4. 제 3항에 있어서, 불꽃은 수소와 산소의 혼합 비율이 토출압을 기준으로 1:3.0 내지 1:4.0kg/㎠이 되도록 혼합하여 형성된 것임을 특징으로 하는 석영 표면의 세라믹 코팅방법.
5. 제 3항에 있어서, 세라믹 분말의 입도가 20㎛ 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는 석영 표면의 세라믹 코팅방법.
6. 제 4항에 있어서, 세라믹 분말의 입도가 20㎛ 내지 100㎛인 것을 특징으로 하는 석영 표면의 세라믹 코팅방법.
7. 제 5항에 있어서, 상기 세라믹 분말로 다양한 세라믹 소지를 1200℃ 내지 1800℃의 고온에서 소성한 것임을 특징으로 하는 석영 표면의 세라믹 코팅방법.
8. 제 6항에 있어서, 상기 세라믹 분말로 다양한 세라믹 소지를 1200℃ 내지 1800℃의 고온에서 소성한 것임을 특징으로 하는 석영 표면의 세라믹 코팅방법.
9. 제 5항에 있어서, 세라믹 코팅층의 두께가 100㎛ 내지 300㎛가 를 갖도록 함을 특징으로 하는 석영 표면의 세라믹 코팅방법.
10. 제 6항에 있어서, 세라믹 코팅층의 두께가 100㎛ 내지 300㎛가 를 갖도록 함을 특징으로 하는 석영 표면의 세라믹 코팅방법.
11. 제 8항에 있어서, 세라믹 코팅층의 두께가 100㎛ 내지 300㎛가 를 갖도록 함을 특징으로 하는 석영 표면의 세라믹 코팅방법.