KR101846940B1

KR101846940B1 - 알루미늄을 포함하는 물품의 보호 피막 형성 방법

Info

Publication number: KR101846940B1
Application number: KR1020170093468A
Authority: KR
Inventors: 김종학; 김선진
Original assignee: (주)에스피텍
Priority date: 2017-07-24
Filing date: 2017-07-24
Publication date: 2018-04-09

Abstract

본 발명은 알루미늄을 포함하는 물품의 보호 피막 형성 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플라스마 전해 산화법을 이용한 알루미늄을 포함하는 물품의 보호 피막 형성 방법에 관한 것이다. 본 발명은 알루미늄을 포함하는 물품을 전처리하는 단계와, 물 1리터당 수산화칼륨(KOH) 13 ~ 17g, 불화 칼륨(KF) 2 ~ 10g, 규산나트륨(Na₂SiO₃) 19 ~ 25g으로 이루어진, pH가 12 ~ 13인 전해액에 전처리된 알루미늄을 포함하는 물품을 침지하는 단계와, 20 ~ 30mA/㎠의 전류밀도가 형성되도록, 전처리된 알루미늄을 포함하는 물품과 상대 전극 사이에 전압을 인가하여, 전처리된 알루미늄을 포함하는 물품의 표면에 산화 피막을 형성하는 단계를 포함하는 알루미늄을 포함하는 물품의 보호 피막 형성 방법을 제공한다. 본 발명에 따른 알루미늄을 포함하는 물품의 보호 피막 형성 방법에 의하면 미세한 입자의 발생, 무기 가스의 발생이 최소화된 보호 피막 층을 형성할 수 있다. 따라서 반도체 공정용 장치의 내면이나 부품의 코팅용으로 사용될 수 있다.

Description

알루미늄을 포함하는 물품의 보호 피막 형성 방법{Forming method of protective coating for aluminum containing article}

본 발명은 알루미늄을 포함하는 물품의 보호 피막 형성 방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 플라스마 전해 산화법을 이용한 알루미늄을 포함하는 물품의 보호 피막 형성 방법에 관한 것이다.

알루미늄 및 그 합금은 가볍고, 열전도도가 높으며, 비교적 저가이기 때문에 기계 및 그 부품의 소재로 많이 사용된다. 그러나 알루미늄과 그 합금들은 상대적으로 마모 및 마멸에 약한 면이 있다. 또한, 보호 피막이 없을 시에는 화학적 분위기에서 부식이 잘 일어나며 심한 경우에는 수분과 반응하기도 한다. 이를 해결하기 위하여 니켈 크롬 도금, 양극 산화법, 용사 코팅 등 다양한 보호 피막 형성기술들이 개발되었다.

한편, 현재 반도체 제조공정 중에 사용되는 증착 장치, 식각 장치, 애셔(Asher) 장치의 내벽 혹은 장치의 부품들은 주로 양극 산화법(Anodizing)에 의해 코팅을 하고 있다. 즉, 수산화나트륨(NaOH) 등의 알칼리 처리 욕에서 수십 초 처리한 후, 황산 수용액 중에서 양극 산화를 행하고, 필요한 경우에는 흑색 염색, 봉공 처리함으로써 표면에 산화 피막을 형성하였다.

그러나 양극 산화법에 의해서 형성된 산화 피막은 무수히 많은 기공이 포함된 비정질의 피막으로서 기계적 성질에 한계가 있어서, 자주 재코팅을 하지 않으면, 반도체 제조 공정에서 불량을 일으킬 수 있는 미세한 입자를 발생시킨다는 문제가 있다. 또한, 양극 산화법에 의해서 형성된 산화 피막의 기공 내에 존재하는 물질들이 반도체 제조 공정에서 발생하는 열에 의해서 무기 가스 형태로 방출될 수 있다는 문제 있다.

이와 같은 문제점을 해결하기 위한 방법으로서, 등록특허 제10-0730776호, 등록특허 제10-0485831호, 등록특허 제10-1709602호, 등록특허 제10-1214400호 등에는 플라스마 전해 산화법에 의해 산화 피막을 형성하는 방법이 개시되어 있다.

플라스마 전해 산화법은 알칼리 전해질 용액 내에 장입한 금속(양극)과 스테인리스 전극(음극) 사이에 수백 볼트의 고전압을 인가하여 금속의 표면에서 플라스마 반응을 일으켜 금속의 표면에 산화 피막을 형성하는 표면처리 기술이다. 플라스마 전해 산화법은 기존 아노다이징과 달리 무연, 무취, 무독으로 공정 중 유독 물질을 발생시키지 않아 자연 친화적인 기술로 평가받고 있다. 플라스마 전해 산화법은 1000℃ 이상의 고온 플라스마에 의하여 산화 피막이 형성되기 때문에 무기 가스의 발생을 억제할 수 있다.

등록특허 제10-0730776호 등록특허 제10-0485831호 등록특허 제10-1709602호 등록특허 제10-1214400호

본 발명은 미세한 입자의 발생, 무기 가스의 발생이 최소화되어 반도체 공정용 장치의 내면이나 부품의 코팅용으로 사용될 수 있는 알루미늄을 포함하는 물품의 보호 피막 형성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다. 또한, 두께가 얇으며, 미소 경도가 높은 보호 피막을 제조할 수 있는 알루미늄을 포함하는 물품의 보호 피막 형성 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

상술한 목적을 달성하기 위해서, 본 발명은 알루미늄을 포함하는 물품을 전처리하는 단계와, 물 1리터당 수산화칼륨(KOH) 13 ~ 17g, 불화 칼륨(KF) 2 ~ 10g, 규산나트륨(Na₂SiO₃) 19 ~ 25g으로 이루어진, pH가 12 ~ 13인 전해액에 전처리된 알루미늄을 포함하는 물품을 침지하는 단계와, 20 ~ 30mA/㎠의 전류밀도가 형성되도록, 전처리된 알루미늄을 포함하는 물품과 상대 전극 사이에 전압을 인가하여, 전처리된 알루미늄을 포함하는 물품의 표면에 산화 피막을 형성하는 단계를 포함하는 알루미늄을 포함하는 물품의 보호 피막 형성 방법을 제공한다.

상술한 알루미늄을 포함하는 물품의 보호 피막 형성 방법에서, 산화 피막의 두께는 5 ~ 30㎛이며, 산화 피막의 미소 경도(Microhardness)는 1100 ~ 1300 Hv 인 것이 바람직하다.

또한, 산화 피막이 형성된 알루미늄을 포함하는 물품의 표면을 70℃ 이상의 초순수를 이용하여 세정하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 초순수를 이용하여 세정된 알루미늄을 포함하는 물품의 표면을 100 ~ 120℃의 열풍으로 건조하는 단계를 더 포함하는 것이 바람직하다.

또한, 상대 전극은 니켈 전극인 것이 바람직하다.

본 발명에 따른 알루미늄을 포함하는 물품의 보호 피막 형성 방법에 의하면 미세한 입자의 발생, 무기 가스의 발생이 최소화된 보호 피막 층을 형성할 수 있다. 따라서 반도체 공정용 장치의 내면이나 부품의 코팅용으로 사용될 수 있다. 또한, 본 발명에 따르면, 두께가 얇으며, 미소 경도가 높은 보호 피막을 제조할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 알루미늄을 포함하는 물품의 보호 피막 형성 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 2는 도 1의 전처리 단계를 개략적으로 나타낸 흐름도이다.
도 3은 도 1의 후처리 단계를 개략적으로 나타낸 흐름도이다.

이하, 본 발명에 따른 알루미늄을 포함하는 물품의 보호 피막 형성 방법의 일실시예에 대해서 상세하게 설명한다. 다음에 소개되는 실시예는 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 설명되는 실시예에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있다.

도 1은 본 발명에 따른 알루미늄을 포함하는 물품의 보호 피막 형성 방법을 개략적으로 나타낸 흐름도이다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 알루미늄을 포함하는 물품의 보호 피막 형성 방법의 일실시예는 알루미늄을 포함하는 물품을 전처리하는 단계 단계(S1)와, 알루미늄을 포함하는 물품의 표면 위에 산화 피막을 형성하는 단계(S2)와, 산화 피막이 형성된 알루미늄을 포함하는 물품을 후처리하는 단계(S3)를 포함한다. 본 발명에서 알루미늄을 포함하는 물품은 그 표면 전체 또는 대부분이 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 물품을 의미한다.

우선, 알루미늄을 포함하는 물품을 전처리하는 단계에 대해서 간략하게 설명한다. 도 2는 도 1의 전처리 단계를 개략적으로 나타낸 흐름도이다.

도 2에 도시된 바와 같이, 전처리 단계(S1)는 샌딩(Sanding) 전 에칭 단계(S11), 샌딩 단계(S12), 샌딩 후 에칭 단계(S13)를 포함한다.

샌딩 전 에칭 단계(S11)는 알루미늄을 포함하는 물품을 수산화나트륨 수용액에 담지하여, 알루미늄을 포함하는 물품의 표면의 기름을 제거하는 탈지 단계, 수세 단계, 탈지 과정에서 발생한 스멋(Smut)을 질산을 이용해서 제거하는 디스멋(Desmut) 단계, 수세 단계, 건조 단계 등을 거치게 된다.

샌딩 단계(S12)는 미세한 연마재를 알루미늄을 포함하는 물품의 표면에 고압으로 분사하여 알루미늄을 포함하는 물품의 표면을 매끄럽게 하기 위한 단계이다.

샌딩 후 에칭 단계(S13)는 알루미늄을 포함하는 물품을 수산화나트륨 수용액에 담지하는 단계, 수세 단계, 질산 용액에 담지하는 단계, 초음파 수세 단계, 고온의 초순수(Deionized water) 세정 단계, 탈수 및 건조 단계 등을 거치게 된다.

다음, 알루미늄을 포함하는 물품의 표면 위에 산화 피막을 형성하는 단계에 대해서 설명한다. 산화 피막은 플라스마 전해 산화법에 의해 형성한다.

플라스마 전해 산화법은 알칼리성 전해질 용액에 산화 피막이 형성될 금속 물품을 투입하고, 금속 물품과 반대 전극 사이에 고전압을 인가하여 금속 물품의 표면에서 플라스마 방전을 일으켜 금속 물품의 표면에 산화 피막을 형성하는 표면처리 기술이다.

플라스마 전해 산화법은 아노다이징과 유사하나, 고전압을 사용하여 방전을 일으킨다는 점에서 차이가 있다. 방전에 의한 플라스마는 산화 피막의 구조를 비정질 알루미나에서 결정질 알루미나로 변경시킨다. 결정질 알루미나는 비정질 알루미나에 비해서 강도가 훨씬 크다는 장점이 있다.

플라스마 전해 산화법에 사용되는 전해액은 초순수에 수산화칼륨(KOH), 불화 칼륨(KF), 규산나트륨(Na₂SiO₃)을 첨가하여 용해함으로써 제조할 수 있다. 초순수 1리터당 수산화칼륨(KOH) 13 ~ 17g, 불화 칼륨(KF) 2 ~ 10g, 규산나트륨(Na₂SiO₃) 19 ~ 25g을 포함하는 것이 바람직하다. 그리고 전해액의 pH는 12 ~ 13인 것이 바람직하다.

필요한 경우에는 산화 피막의 색상을 조절하기 위한 전이 금속 원소의 금속 산화물 염을 전해질 용액에 첨가할 수 있다. 전이 금속이 포함되지 않을 경우 산화 피막은 흰색 또는 회색에 가까운 색을 띠게 되며, 전이 금속이 포함되면, 알루미나의 밴드 갭에 새로운 에너지 준위를 형성시켜 흑색 계열 등 다른 색상을 가지게 된다.

본 발명에 따른 알루미늄을 포함하는 물품의 보호 피막 형성 방법은 산화 피막을 형성하는 단계에서 황산, 질산, 유기산 등의 산성 전해질을 사용하지 않기 때문에 SOx 또는 NOx 이온에 기인하는 헤이즈 현상을 최소화할 수 있다.

산화 피막을 형성하기 위해서 알루미늄을 포함하는 물품과 반대 전극 사이에 교류 전압이 인가된다. 산화 피막 형성과정의 전류밀도는 20 ~ 30mA/㎠이며, 코팅시간은 25 ~ 30분인 것이 바람직하다. 알루미늄을 포함하는 물품이 어노드로서의 역할을 하며, 반대 전극이 캐소드로서의 역할을 한다. 전해액이 담겨있는 용기가 반대 전극으로 작용할 수 있다.

상대 전극으로는 일반적으로 스테인리스 강을 사용하나, 니켈 금속을 사용하는 것이 바람직하다. 전압이 교류 형태로 인가되므로 상대 전극의 부식을 고려하여야 하기 때문이다. 부식에 비교적 강한 스테인리스 강을 사용하더라도, 상대 전극에 +극성의 전기가 지속적으로 인가되기 때문에 상대 전극의 부식으로 인한 오염을 피할 수 없다. 니켈 금속을 상대 전극으로 사용하면, 부식 현상이 현저히 줄어들 뿐만 아니라, 부식에 의한 생성물이 니켈 금속 전극 표면에 부착되어 떨어지지 않는 장점이 있다.

완성된 산화 피막의 두께는 5 ~ 30㎛이며, 산화 피막의 미소 경도(Microhardness)는 1100 ~ 1300 Hv 인 것이 바람직하다.

다음으로, 산화 피막이 형성된 알루미늄을 포함하는 물품을 후처리하는 단계를 설명한다. 도 3은 도 1의 후처리 단계를 개략적으로 나타낸 흐름도이다.

도 3에 도시된 바와 같이, 후처리 단계(S3)는 세척 단계(S31), 건조 단계(S32), 검사 단계(S33), 세척 단계(S34), 고온의 초순수를 이용한 표면처리 단계(S35) 및 열풍 건조 단계(S36)를 포함한다.

산화 피막이 형성되면, 알루미늄을 포함하는 물품의 표면에 잔류하는 전해질 용액을 제거하기 초순수를 이용해서 세척을 한다(S31). 세척 단계(S31)는 초순수를 분사하여 세척하는 단계, 초순수가 저장된 용기에 물품을 담그는 단계 등을 포함할 수 있다. 그리고 열풍으로 5분 정도 건조를 한다(S32). 건조가 끝나면 검사, 측정 등을 한 후(S33), 다시 세척을 하고(S34), 70℃ 이상의 고온의 초순수를 이용하여 표면처리(S35)를 하고 100 ~ 120℃의 열풍으로 1시간가량 건조한다(S36). 건조가 끝나면 포장을 한다. 고온의 초순수를 이용한 표면처리 단계(S35)와 열풍 건조 단계(S36)는 산화 피막의 기공 속에 혹시 남아 있을지 모르는 NH₄를 제거하기 위한 단계이다.

이상에서 설명된 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고, 본 발명의 권리범위는 설명된 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 특허청구범위 내에서 이 분야의 당업자에 의하여 다양한 변경, 변형 또는 치환이 가능할 것이며, 그와 같은 실시예들은 본 발명의 범위에 속하는 것으로 이해되어야 한다.

Claims

알루미늄을 포함하는 물품을 전처리하는 단계와,
물 1리터당 수산화칼륨(KOH) 13 ~ 17g, 불화 칼륨(KF) 2 ~ 10g, 규산나트륨(Na₂SiO₃) 19 ~ 25g으로 이루어진, pH가 12 ~ 13인 전해액에 전처리된 알루미늄을 포함하는 물품을 침지하는 단계와,
20 ~ 30mA/㎠의 전류밀도가 형성되도록, 전처리된 알루미늄을 포함하는 물품과 상대 전극 사이에 전압을 인가하여, 전처리된 알루미늄을 포함하는 물품의 표면에 산화 피막을 형성하는 단계를 포함하며,
산화 피막의 두께는 5 ~ 30㎛이며, 산화 피막의 미소 경도(Microhardness)는 1100 ~ 1300 Hv 인 알루미늄을 포함하는 물품의 보호 피막 형성 방법.
삭제
제1항에 있어서,
산화 피막이 형성된 알루미늄을 포함하는 물품의 표면을 70℃ 이상의 초순수를 이용하여 세정하는 단계를 더 포함하는 알루미늄을 포함하는 물품의 보호 피막 형성 방법.
제3항에 있어서,
초순수를 이용하여 세정된 알루미늄을 포함하는 물품의 표면을 100 ~ 120℃의 열풍으로 건조하는 단계를 더 포함하는 알루미늄을 포함하는 물품의 보호 피막 형성 방법.
제1항에 있어서,
상대 전극은 니켈 전극인 알루미늄을 포함하는 물품의 보호 피막 형성 방법.