KR101221925B1 - 플라즈마 저항성 세라믹 피막 및 그 제조 방법 - Google Patents

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Abstract

플라즈마 환경에서 내구성이 우수하며, 피코팅물과의 접착력이 우수한 플라즈마 저항성 세라믹 피막 및 그 제조 방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 플라즈마 저항성 세라믹 피막 제조 방법은 (a) 고분자 기판이나 박판형 금속 기판과 같은 플렉서블(flexible) 기판을 마련하는 단계; (b) 전자빔 증착, 스퍼터링, 이온플레이팅, CVD, 저압식 에어로졸 증착 등과 같은 진공 증착공정을 이용하여 상기 플렉서블 기판 상에 세라믹 막을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 형성된 세라믹 막을 정전 척, 히터, 챔버 라이너, 샤워헤드, CVD용 보트, 포커스링, 월 라이너 등과 같은 피코팅물 표면에 코팅하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

플라즈마 저항성 세라믹 피막 및 그 제조 방법 {PLASMA RESISTANT CERAMIC COAT AND METHOD OF MANUFACTURING THE CERAMIC COAT}
본 발명은 반도체나 디스플레이 제조용 공정 챔버의 내부 부품에 필수적으로 요구되는 세라믹 피막에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마 환경에 노출되는 샤워헤드, 정전 척, 히터 등을 플라즈마로부터 보호할 수 있는 플라즈마 저항성 세라믹 피막 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
세라믹 소재는 융점이 높고, 열적 혹은 화학적 내구성이 우수하여 고밀도 플라즈마 환경의 반도체 소자 및 디스플레이 제조용 공정 챔버(process chamber)의 내부 부품으로 많이 사용되고 있다. 이러한, 세라믹 소재는 주로 정전 척(electro static chuck), 히터, 챔버 라이너(chamber liner), 샤워헤드, CVD용 보트(boat), 포커스링(focus ring), 월 라이너(wall liner) 등에 적용되고 있다.
상기 정전 척, 히터 등에 이용되는 세라믹 소재는 실리콘(Si), 쿼츠(quartz), 알루미나(Al2O3) 등이 주로 이용된다. 그러나, 이러한 소재는 플라즈마 환경 하에서 플라즈마에 의한 데미지가 크며, 입자 탈락에 의한 반도체 소자 등의 제조 공정 불량을 유발할 수 있다.
따라서, 이러한 점들을 방지하기 위하여 실리콘, 쿼츠, 알루미나 등을 단독으로 사용하기 보다는 세라믹 소재의 표면에 이트륨 산화물 등과 같은 플라즈마에 대한 저항성이 높은 세라믹 피막을 별도로 형성하여 사용하고 있다.
그러나 세라믹 피막을 쿼츠 재질의 튜브 등과 같은 피코팅물에 직접적으로 코팅하는 경우, 튜브 등과 같이 난형상의 피코팅물에 대한 적용이 용이하지 않으며, 정기적인 유지/보수 작업시 재코팅 공정과 함께 피코팅물 자체에 대한 열화가 필연적으로 동반되는 경우가 나타나고 있다.
본 발명의 목적은 플라즈마에 대한 내구성 및 피코팅물에 대한 부착력이 우수한 플라즈마 저항성 세라믹 피막을 제공하는 것이다
본 발명의 다른 목적은 난형상의 피코팅물에도 쉽게 세라믹 피막을 형성할 수 있는 플라즈마 저항성 세라믹 피막 제조 방법을 제공하는 것이다.
상기 하나의 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 저항성 세라믹 피막 제조 방법은 (a) 플렉서블 기판(flexible)을 마련하는 단계; (b) 진공 증착공정을 이용하여 상기 플렉서블 기판 상에 세라믹 막을 형성하는 단계; 및 (c) 상기 형성된 세라믹 막을 피코팅물 표면에 코팅하는 단계;를 포함하고, 상기 (c) 단계는 상기 플렉서블 기판을 제거한 후, 잔류하는 상기 세라믹 막에 접착층을 형성하고, 상기 접착층이 상기 피코팅물에 접착되도록 코팅하는 것을 특징으로 한다.
상기 다른 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 저항성 세라믹 피막은 상기 제시된 방법으로 제조되어, 플라즈마 환경에 노출되는 정전 척, 히터, 챔버 라이너, 샤워헤드, CVD용 보트, 포커스링 및 월 라이너 중에서 어느 하나에 코팅되는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 플라즈마 저항성 세라믹 피막 제조 방법은 플렉서블 기판을 이용하여 세라믹 막을 미리 형성한 후, 피코팅물에 부착함으로써 정전 척, 히터 등의 표면에 쉽고 간단하게 플라즈마 저항성 세라믹 피막을 형성할 수 있는 장점이 있다.
또한, 본 발명에 따른 플라즈마 저항성 세라믹 피막 제조 방법은 튜브 등의 난형상의 피코팅물에도 쉽게 적용할 수 있다.
또한 본 발명에 따른 제조 방법으로 제조된 플라즈마 저항성 세라믹 피막은 플라즈마에 대한 높은 내구성을 가질 수 있으며, 장기적 혹은 단기적 필요에 따라서 쉽게 탈부착이 가능한 장점이 있다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 저항성 세라믹 피막 제조 방법의 예를 나타낸 것이다.
도 2는 플렉서블 기판 상에 세라믹 막이 형성된 예를 나타낸 것이다.
도 3은 플렉서블 기판이 제거된 상태에서 세라믹 막이 피코팅물에 부착된 예를 나타낸 것이다.
도 4는 접착층이 형성된 상태에서 세라믹 막이 피코팅물에 부착된 예를 나타낸 것이다.
본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다. 명세서 전체에 걸쳐 동일 참조 부호는 동일 구성요소를 지칭한다.
이하 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 플라즈마 저항성 세라믹 피막 및 그 제조 방법에 관하여 상세히 설명하면 다음과 같다.
도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 플라즈마 저항성 세라믹 피막 제조 방법의 예를 나타낸 것이다.
도 1을 참조하면, 도시된 플라즈마 저항성 세라믹 피막 제조 방법은 플렉서블 기판 마련 단계(S110), 세라믹 막 형성 단계(S120) 및 세라믹 피막 코팅 단계(S130)를 포함한다.
플렉서블 기판 마련
우선, 플렉서블 기판 마련 단계(S110)에서는 유연성을 갖는 플렉서블 기판(flexible)을 마련한다.
플렉서블 기판은 고분자 기판 혹은 박판형 금속 기판을 이용할 수 있다.
고분자 기판의 경우 저온 증착에 의한 세라믹 막 형성에 이용되는 것이 바람직하고, 금속 기판의 경우 고온 증착에 의한 세라믹 막 형성에 이용되는 것이 바람직하다.
또한, 고분자 기판의 경우 열처리 혹은 화학처리 등의 방법으로 제거가 용이하므로 플렉서블 기판 제거 후 잔류하는 세라믹 막을 피코팅물에 코팅하기에 용이한 특성이 있다. 반면, 금속 기판의 경우 세라믹 막 형성 후 금속 기판 자체를 피코팅물에 밀착시킬 수 있어, 추가적인 후가공 혹은 후처리 없이도 세라믹 피막의 형성이 가능한 특성이 있다.
플렉서블 기판으로 고분자 기판을 이용할 경우, 고분자 기판은 200℃까지 변형을 발생시키지 않는 고분자로 형성된 것을 이용하는 것이 바람직하다. 이러한 200℃까지 변형을 발생시키지 않는 고분자는 실리콘계 무기고분자, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌(PE), 폴리비닐알콜(PVA), 폴리프로필렌(PP) 등이 될 수 있다.
진공 증착을 이용한 세라믹 물질의 증착은 저온에서 이루어진다고 하더라도 통상 100 ~ 200 ℃ 정도의 온도범위에서 이루어진다. 따라서, 고분자 기판이 200℃ 이하의 온도에서 변형이 발생하게 되면, 진공 증착에 의하여 형성되는 세라믹 막의 여러 가지 물성을 저해할 수 있다.
물론, 200℃를 초과하는 온도에서 변형을 발생시키지 않는 고분자 기판이 이용될 수도 있으나, 이러한 고분자 기판은 매우 고가인 관계로 바람직하지 못하다. 따라서, 고분자 기판을 플렉서블 기판으로 이용할 경우, 고분자 기판은 200℃까지 변형을 발생시키지 않는 고분자로 형성된 것이 바람직하다.
한편, 플렉서블 기판으로, 박판형 금속 기판을 이용하는 경우, 박판형 금속 기판은 600℃까지 변형을 발생시키지 않는 것을 이용하는 것이 바람직하다. 상기의 온도범위까지 변형을 일으키지 않는 박판형 금속 기판을 이용할 경우, 안정된 진공 증착에 의한 세라믹 막의 형성이 이루어질 수 있다.
이러한, 박판형 금속 기판은 알루미늄, 마그네슘, 구리, 니켈, 아연 등의 재질로 형성될 수 있다.
진공 증착에 의한 세라믹 막 형성
다음으로, 세라믹 막 형성 단계(S120)에서는 진공 증착공정을 이용하여 플렉서블 기판 상에 세라믹 막을 형성한다.
본 단계에서 이용되는 진공 증착공정은 전자빔 증착(Electron Beam evaporation), 스퍼터링, 이온플레이팅, CVD(Chemical Vapor Deposition), 저압식 에어로졸 증착 등이 이용될 수 있다.
이때, 세라믹 막 형성을 위한 진공 증착공정은 플렉서블 기판의 융점보다 낮은 온도에서 실시되는 것이 바람직하다. 진공 증착공정이 플렉서블 기판의 융점 이상의 온도에서 이루어질 경우 진공 증착공정 중 플렉서블 기판이 용융되어 형성되는 세라믹 막에 오염원으로 작용할 수 있기 때문이다.
본 단계에 의하여 형성되는 세라믹 막은 이트륨 산화물, 알루미늄 산화물, 지르코늄 산화물, 티타늄 산화물 등 플라즈마에 대한 저항성이 우수한 물질로 형성될 수 있으며, 이 외에도 이트륨(Y), 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr), 티타늄(Ti) 등을 포함하는 합금의 산화물이 될 수 있다.
한편, 본 단계에서 세라믹 막은 0.5 ㎛ ~ 100 ㎛ 두께로 형성되는 것이 바람직하다.
세라믹 막을 0.5 ㎛ 미만의 두께로 형성할 경우, 그 두께가 지나치게 얇아, 플라즈마 환경에서 내플라즈마성을 확보하기 어려운 문제점이 있다.
반대로, 세라믹 막을 100 ㎛를 초과하는 두께로 형성할 경우, 세라믹 막 혹은 피코팅물 표면에의 세라믹 피막 형성에 소요되는 비용이 과다하며, 응력집중에 의해 세라믹 피막 붕괴의 우려가 있을 수 있다. 또한, 이 경우 피코팅물 자체의 내열성, 내구성 등의 고유 물성을 저하시킬 수 있다.
도 2는 플렉서블 기판 상에 세라믹 막이 형성된 예를 나타낸 것이다.
도 2를 참조하면, 플렉서블 기판(210) 상에는 세라믹 막(220)이 형성된다. 이때, 세라믹 막(220)은 증착 초기에 형성된 부분(221), 나중에 증착되는 부분(222)으로 구분될 수 있다. 증착 초기에 형성되는 부분(221)은 입자 크기가 작고 조밀(dense)하게 형성되는 특징이 있으며, 나중에 증착되는 부분은 상대적으로 입자 크기가 크고 거칠게(coarse) 형성되는 특징이 있다.
세라믹 막이 조밀하게 형성되어 있을 때 플라즈마에 대한 저항성을 높일 수 있으므로, 진공 증착에 의하여 형성되는 세라믹 막(220) 중에서 증착 초기에 형성되는 부분(221)이 플라즈마에 직접적으로 노출되도록, 세라믹 피막으로 코팅될 때 최표면에 위치하도록 하는 것이 바람직하다. 이는 플렉서블 기판의 제거에 의하여 가능하다.
피코팅물 표면에 세라믹 피막 형성
세라믹 피막 코팅 단계(S130)에서는 세라믹 막 형성 단계(S120)에 의하여 형성된 세라믹 막을 피코팅물 표면에 코팅한다. 본 발명에서는 도 4에 도시된 예와 같이 접착층을 이용하여 세라믹 막을 피코팅물 표면에 코팅한다.
이때, 피코팅물은 플라즈마 환경에 노출되는 부품일 수 있으며, 쿼츠(quartz)나 알루미나(Al2O3)와 같은 세라믹 재질로 이루어져 있을 수 있다.
이러한 부품은 반도체 또는 디스플레이 제조용 공정 챔버 내부에 적용되는 부품일 수 있으며, 정전 척(electro static chuck), 히터(heater), 챔버 라이너(chamber liner), 샤워헤드(showerhead), CVD용 보트(boat), 포커스링(focus ring), 월 라이너(wall liner) 등이 될 수 있다.
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세라믹 막 코팅은 도 3에 도시된 예와 같이 플렉서블 기판을 제거한 후 잔류하는 세라믹 막을 피코팅물의 표면에 부착함으로써 이루어질 수 있다. 이때, 도 3에는 도시하지 않았으나, 부착력 향상을 위하여 도 4에 도시된 예와 같이, 세라믹 막 표면에 접착층을 형성한 후 피코팅물의 표면에 코팅하는 것이 바람직하다.
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플렉서블 기판을 제거한 후 세라믹 막을 피코팅물에 코팅할 경우, 세라믹 소재의 피코팅물과 열팽창계수(thermal expansion coefficient) 차이를 줄일 수 있어서, 응력 집중을 방지할 수 있다. 따라서, 플라즈마 환경 하에서 세라믹 피막의 박리 문제를 해결할 수 있어 내구성을 향상시킬 수 있다.
플렉서블 기판의 제거는 열처리 방법 또는 화학처리 방법에 의하여 실시될 수 있다. 열처리 방법의 예로 고분자 기판에 대하여 산화 또는 불활성 분위기로 400℃ 이상의 온도에서 열처리 하여 융점이 높은 코팅층만 남기고 연성기판은 제거하는 경우를 제시할 수 있다. 또한 화학적 처리 방법의 예로, 고분자를 부식시킬 수 있는 산(acid)으로 고분자 기판을 부식 처리하여 화학적 안정성이 높은 코팅층만을 남기고 고분자 기판은 분해시키는 경우를 제시할 수 있다.
플렉서블 기판을 제거한 후 잔류하는 세라믹 막을 부착할 때, 플렉서블 기판의 제거에 의하여 노출되는 면이 최표면이 되도록 코팅하는 것이 바림직하다.
이는 플렉서블 기판에 제거에 의하여 노출되는 면은 증착 초기에 형성되는 부분으로서, 나중에 증착되는 부분보다 입자 크기가 작고 밀도가 높다. 따라서, 플렉서블 기판의 제거에 의하여 노출되는 면이 피코팅물의 최표면이 될 경우 플라즈마에 대한 저항성을 최대한 높일 수 있는 장점이 있다.
한편, 플렉서블 기판을 제거한 후 잔류하는 세라믹 막을 부착할 때, 피코팅물에의 부착력을 향상시키기 위하여, 플렉서블 기판의 제거에 의하여 노출되는 면의 반대면에 접착력을 갖는 필름 등의 접착층을 형성한 후, 상기 접착층이 상기 피코팅물에 접착되도록 피코팅물에 코팅할 수 있다.
도 4는 접착층이 형성된 상태에서 세라믹 막이 피코팅물에 부착된 예를 나타낸 것이다.
도 4를 참조하면, 플렉서블 기판은 제거되며, 플렉서블 기판의 제거에 의하여 노출되는 부분, 즉 증착 초기에 형성되는 부분(221)이 세라믹 피막의 최표면에 위치할 수 있다.
또한, 세라믹 막(220) 중 플렉서블 기판의 제거에 의하여 노출되는 면의 반대 부분은 표면 평탄화 등을 수행한 후 접착층(510)이 형성된다. 이에 따라 플렉서블 기판이 제거된 세라믹 막(220)은 접착층(510)에 의해 피코팅물(301)에 접착이 이루어진다.
이 경우 플렉서블 기판의 제거에 의하여 노출되는 면이 피코팅물의 최표면이 되어 플라즈마에 대한 저항성을 향상시킬 수 있음과 더불어 접착층을 이용함으로써 피코팅물에의 부착력을 향상시킬 수 있다.
상기와 같은 과정으로 제조된 본 발명에 따른 플라즈마 저항성 세라믹 피막은 플라즈마 저항성이 우수한 이트륨 산화물 등으로 형성됨으로써 플라즈마에 대한 높은 내구성을 가질 수 있다.
또한, 본 발명에 따른 플라즈마 저항성 세라믹 피막은 저가의 공정 비용으로 제조할 수 있으며, 장기적 혹은 단기적 필요에 따라서 쉽게 탈부착이 가능하다. 또한, 플렉서블 기판을 이용하여 형성된 세라믹 막으로 형성됨으로 인하여 난형상의 경우에도 쉽게 적용할 수 있는 장점이 있다.
이상 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예들을 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예들에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명의 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.
그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.
S110 : 플렉서블 기판 마련 단계
S120 : 세라믹 막 형성 단계
S130 : 세라믹 피막 코팅 단계
210 : 플렉서블 기판
220 : 세라믹 막
301 : 피코팅물
510 : 접착층

Claims (27)

  1. (a) 플렉서블 기판(flexible)을 마련하는 단계;
    (b) 진공 증착공정을 이용하여 상기 플렉서블 기판 상에 세라믹 막을 형성하는 단계; 및
    (c) 상기 형성된 세라믹 막을 피코팅물 표면에 코팅하는 단계;를 포함하고,
    상기 (c) 단계는 상기 플렉서블 기판을 제거한 후, 잔류하는 상기 세라믹 막에 접착층을 형성하고, 상기 접착층이 상기 피코팅물에 접착되도록 코팅하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 저항성 세라믹 피막 제조 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 피코팅물은 플라즈마 환경에 노출되는 부품인 것을 특징으로 하는 플라즈마 저항성 세라믹 피막 제조 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 부품은 반도체 또는 디스플레이 제조용 공정 챔버 내부 부품인 것을 특징으로 하는 플라즈마 저항성 세라믹 피막 제조 방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 부품은 정전 척(electro static chuck), 히터(heater), 챔버 라이너(chamber liner), 샤워헤드(showerhead), CVD용 보트(boat), 포커스링(focus ring) 및 월 라이너(wall liner) 중에서 어느 하나인 것을 특징으로 하는 플라즈마 저항성 세라믹 피막 제조 방법.
  5. 삭제
  6. 삭제
  7. 제1항에 있어서,
    상기 플렉서블 기판의 제거는 열처리 방법 또는 화학처리 방법에 의하여 실시되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 저항성 세라믹 피막 제조 방법.
  8. 삭제
  9. 제1항에 있어서,
    상기 (c) 단계는 상기 플렉서블 기판의 제거에 의하여 노출되는 면의 반대면에 접착층을 형성한 후 상기 접착층이 상기 피코팅물에 접착되도록 코팅하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 저항성 세라믹 피막 제조 방법.
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  12. 제1항에 있어서,
    상기 진공 증착공정은 전자빔 증착, 스퍼터링, 이온플레이팅, CVD 및 저압식 에어로졸 증착 중에서 선택되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 저항성 세라믹 피막 제조 방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계는 상기 플렉서블 기판의 융점보다 낮은 온도에서 실시되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 저항성 세라믹 피막 제조 방법.
  14. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 형성되는 세라믹 막은 이트륨 산화물, 알루미늄 산화물, 지르코늄 산화물 및 티타늄 산화물 중에서 하나 이상인 것을 특징으로 하는 플라즈마 저항성 세라믹 피막 제조 방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 형성되는 세라믹 막은 이트륨(Y), 알루미늄(Al), 지르코늄(Zr) 및 티타늄(Ti) 중에서 하나 이상을 포함하는 합금의 산화물인 것을 특징으로 하는 플라즈마 저항성 세라믹 피막 제조 방법.
  16. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서, 상기 세라믹 막은 0.5 ㎛ ~ 100 ㎛ 두께로 형성되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 저항성 세라믹 피막 제조 방법.
  17. 제1항에 있어서,
    상기 플렉서블 기판은 고분자 기판을 이용하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 저항성 세라믹 피막 제조 방법.
  18. 제17항에 있어서,
    상기 고분자 기판은 200℃까지 변형을 발생시키지 않는 것을 이용하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 저항성 세라믹 피막 제조 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 고분자 기판은 실리콘계 무기고분자, 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE), 폴리카보네이트(PC), 폴리에틸렌(PE), 폴리비닐아세테이트(PVA) 및 폴리프로필렌(PP) 중에서 선택되는 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 저항성 세라믹 피막 제조 방법.
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  24. 제1항에 있어서,
    상기 플렉서블 기판은 박판형 금속 기판을 이용하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 저항성 세라믹 피막 제조 방법.
  25. 제24항에 있어서,
    상기 박판형 금속 기판은 600℃까지 변형을 발생시키지 않는 것을 이용하는 것을 특징으로 하는 플라즈마 저항성 세라믹 피막 제조 방법.
  26. 제25항에 있어서,
    상기 박판형 금속 기판은 알루미늄, 마그네슘, 구리, 니켈 및 아연 중에서 선택되는 재질로 형성된 것을 특징으로 하는 플라즈마 저항성 세라믹 피막 제조 방법.
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