KR102237027B1 - 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치용 코팅방법 및 이에 의한 코팅층을 갖는 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치 - Google Patents

반도체 제조공정의 스퍼터링 장치용 코팅방법 및 이에 의한 코팅층을 갖는 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치 Download PDF

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Abstract

본 발명은 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치용 코팅방법 및 이에 의한 코팅층을 갖는 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치에 관한 것으로서, 서로 다른 2종의 금속와이어를 사용하여 스퍼터링 장치용 챔버의 내벽 쪽에 금속간 복합 코팅에 의한 코팅층을 형성하는 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치용 코팅방법에 있어서, (A) 서로 다른 2종의 제1금속와이어와 제2금속와이어를 공급하는 단계; (B) 제1금속와이어와 제2금속와이어의 팁 부분을 상호 접촉시켜 아크 방전을 유도함에 의해 제1금속와이어와 제2금속와이어를 용융시켜 합금 처리하는 단계; (C) 제1금속와이어와 제2금속와이어를 용융 합금시킨 상태에 가스를 일정 압력으로 공급하여 챔버의 내벽 쪽으로 스프레이 분사함으로써 2종 금속간 복합 코팅에 의한 합금코팅층을 형성하는 단계;를 포함하며, 제1금속와이어는 알루미늄(Al) 소재이고, 제2금속와이어는 티타늄(Ti) 소재이며; 제1금속와이어와 제2금속와이어는 (+)전극과 (-)전극으로 사용하되 상호간에 역극성으로 사용하는 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치용 코팅방법 및 이에 의해 적용된 코팅층을 갖는 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치를 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 반도체 제조공정용 스퍼터링 장치의 챔버 측 내벽에 스퍼터링 입자들의 부착율을 높여 쉽게 박리되는 것을 방지 및 스퍼터링 효율을 높일 수 있도록 지원하며, 종래에 비해 접착강도와 경도 및 기공율에 있어 보다 우수한 기계적 특성 및 물성을 갖게 하는 등 양질의 코팅층을 형성할 수 있으며, 스퍼터링시 증착효율을 향상시킬 수 있는 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치를 제공할 수 있다.

Description

반도체 제조공정의 스퍼터링 장치용 코팅방법 및 이에 의한 코팅층을 갖는 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치{COATING METHOD FOR SPUTTERING APPARATUS OF SEMICONDUCTOR MANUFACTURING PROCESS AND SPUTTERING APPARATUS HAVING COATING BY THIS METHOD}
본 발명은 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치용 코팅방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반도체 제조공정용 스퍼터링 장치의 챔버 측 내벽에 스퍼터링 작업시 챔버 상에 방출되는 스퍼터링 입자들의 부착율을 높여 쉽게 박리되는 것을 방지 및 스퍼터링 효율을 높일 수 있도록 지원하는 양질의 코팅층을 형성하되 서로 다른 2종의 금속 소재를 사용하여 이들의 합금에 의한 기능성을 높일 수 있도록 한 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치용 코팅방법에 관한 것이다.
또한, 이러한 코팅방법에 의한 코팅층을 갖는 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 제조를 위한 증착 공정은 기판 표면에 드레인 전극, 게이트 전극과 같은 소정의 박막들을 형성하는 작업으로서, 대부분 스퍼터링(sputtering) 방식으로 진행된다.
이러한 스퍼터링 방식에 의한 증착 작업은 진공 상태의 챔버 내부에 아르곤 등의 공정가스를 공급한 상태에서 RF전압 또는 DC전압을 인가하여 챔버 내에 플라즈마 방전을 발생시키고, 플라즈마 방전에 의해 공정가스의 이온화된 입자가 타겟과 충돌하면서 충돌에너지에 의해 상기 타겟으로부터 박막 형성을 위한 스퍼터링 입자(박막물질이라고도 함)들이 방출되고, 이 스퍼터링 입자들이 상기 챔버 내부에 배치된 기판 쪽으로 확산되면서 기판 일면에 증착되는 상태로 박막이 형성되게 하는 것이다.
이와 같은 스퍼터링 방식에 의한 증착 작업에는 스퍼터링 장치(때론 스퍼터라 함)가 사용되며, 이 스퍼터링 장치는 챔버 내에서 스퍼터링 수행에 의한 성막 작업이 진행될 수 있도록 형성된다.
상기 스퍼터링 장치는 보통 타겟 및 백플레이트가 설치되는 챔버와, 상기 챔버의 내벽에 타겟에서 방출되어 챔버 상에 분산되는 스퍼터링 입자를 잡아주어 기판 측에 증착되는 박막의 정밀성을 높이는 등 스퍼터링 효율을 향상시키기 위한 실드(shield)를 포함하도록 구성된다.
이때, 상기 실드는 챔버의 내벽으로 분산되는 스퍼터링 입자(박막물질)의 증착력을 높여서 이들이 비(非)정상적으로 박리(剝離)되는 것을 억제할 수 있는 표면 구조를 갖도록 형성하는 것이 매우 중요하며, 이를 통해 스퍼터링시 기판의 일면에 증착되어 형성되는 박막 측 오염 및 불량을 방지할 수 있도록 한다.
이를 위해, 종래에는 실드의 표면 또는 실드를 구비하지 않는 경우 챔버의 내벽에 코팅층을 갖도록 형성함으로써 스퍼터링 효율을 높이면서 증착 박막 측 오염을 방지하여 양질의 반도체 제품을 생산할 수 있도록 처리하고 있다.
부연하여, 상기 코팅층은 반도체 제조공정의 스퍼터링 작업을 위한 챔버의 내벽에 코팅 형성하는 것으로서, 그 작업효율성을 위해 주로 아크용사 코팅방식을 사용하고 있다.
이러한 아크용사 코팅방식은 금속와이어를 공급하되 아크 방전을 통해 용융 처리한 후 이를 스프레이 분사함에 의해 챔버의 내벽에 부착시켜 코팅하는 방식인데, 종래에는 용사재료인 금속와이어로 알루미늄(Al) 와이어를 주로 사용하고 있으며, 아크 방전에 의한 용융이 가능하도록 2개의 알루미늄(Al) 와이어를 공급하고 있다.
하지만, 상기 스퍼터링 장치의 챔버 측 내벽 쪽에 알루미늄(Al) 와이어의 동일한 소재를 2개 사용하여 코팅층을 형성하는 종래의 방식은 스퍼터링 장치의 기술 발전에 따라 디바이스와 가스 등의 상태 및 조건이 변화되는 추세이고, 이러한 기술 발전에 따라 변화되는 챔버 내 상태 및 조건은 코팅층의 품질 관리에 매우 중요한 변수로 작용되는데, 종래 동질의 알루미늄(Al) 와이어가 이와 같은 디바이스와 가스 등의 상태 및 조건 변화에 대응하지 못하고 아크 변동 및 비대칭 용융 등이 발생되므로 스퍼터링 작업시 챔버 내 악조건을 형성할 수밖에 없는 문제점 및 한계가 발생되고 있으며, 이로 인해 챔버의 내벽으로 분산되는 스퍼터링 입자(박막물질)을 잡아주는 부착력이 저하되므로 쉽게 박리(剝離)되는 문제점 및 기판 일면에 증착되는 박막 측 오염 및 불량을 초래하는 문제점이 가중되고 있으며, 결국에는 스퍼터링 효율을 저하시키는 문제점을 야기하고 있다.
또한, 아크용사 코팅방식은 용융되는 입자의 산화나 질화 또는 용융 입자상태는 물론 용융 입자간 상호 작용 등을 포함하는 아주 다양한 요인에 따라 코팅효율에 영향을 미치는데, 종래 알루미늄(Al) 와이어를 사용하여 스퍼터링 장치용 챔버의 내벽에 형성시킨 코팅층은 치밀한 조직의 코팅을 형성하는데 어려움 및 한계가 발생되고 있어 챔버의 내벽 측에 코팅시 접착강도를 유지하지 못하는 등 내구성이 떨어지는 문제점이 있었다.
대한민국 등록특허공보 제10-1406297호 대한민국 공개특허공보 제10-2013-0080342호
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해소 및 이를 감안하여 안출된 것으로서, 반도체 제조공정용 스퍼터링 장치의 챔버 측 내벽에 스퍼터링 작업시 챔버 상에 방출되는 스퍼터링 입자들의 부착율을 높여 쉽게 박리되는 것을 방지 및 스퍼터링 효율을 높일 수 있도록 지원하는 양질의 코팅층을 형성하되 서로 다른 2종의 금속 소재를 사용하여 이들의 합금에 의한 기능성을 높일 수 있도록 한 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치용 코팅방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 스퍼터링 장치의 디바이스와 가스 등 스퍼터링 작업을 위한 챔버 내 상태 및 조건의 변화에도 용이하게 대응함은 물론 이에 견딜 수 있도록 하여 스퍼터링 작업시 챔버 내 악조건이 형성됨을 차단할 수 있도록 하며, 서로 다른 2종의 금속 소재 적용에 따른 아크 변동 및 비대칭 용융 등을 파라미터(parameter) 조절을 통해 방지하여 서로 다른 재질의 2종 합금 코팅을 수행하면서도 양질의 코팅층을 형성할 수 있도록 한 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치용 코팅방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 서로 다른 2종의 금속 소재 사용에 의한 각각의 물성 특성을 활용하고 전극 조건과 제어 조건 등 전반적인 코팅 조건을 개선하여 금속간 복합 코팅을 실시할 수 있도록 하며, 금속간 복합 코팅 수행시 불안정한 전극 변동에 의해 코팅장비의 가동이 비정상적으로 중단되는 현상을 없앨 수 있도록 한 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치용 코팅방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 서로 다른 2종의 금속 소재를 사용하여 금속간 복합 코팅을 스퍼터링 장치용 챔버의 내벽에 실시하여 형성하되 종래 방식에 비해 접착성과 강도 및 내구성을 향상시킨 코팅층을 형성할 수 있도록 한 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치용 코팅방법을 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 상술한 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치용 코팅방법에 의해 형성시킨 코팅층을 통해 스퍼터링 증착시 증착효율을 향상시킬 수 있는 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치용 코팅방법은, 서로 다른 2종의 금속와이어를 사용하여 스퍼터링 장치용 챔버의 내벽 쪽에 금속간 복합 코팅에 의한 코팅층을 형성하는 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치용 코팅방법에 있어서, (A) 서로 다른 2종의 제1금속와이어와 제2금속와이어를 공급하는 단계; (B) 제1금속와이어와 제2금속와이어의 팁 부분을 상호 접촉시켜 아크 방전을 유도함에 의해 제1금속와이어와 제2금속와이어를 용융시켜 합금 처리하는 단계; (C) 제1금속와이어와 제2금속와이어를 용융 합금시킨 상태에 가스를 일정 압력으로 공급하여 챔버의 내벽 쪽으로 스프레이 분사함으로써 2종 금속간 복합 코팅에 의한 합금코팅층을 형성하는 단계;를 포함하며, 제1금속와이어는 알루미늄(Al) 소재이고, 제2금속와이어는 티타늄(Ti) 소재이며; 제1금속와이어와 제2금속와이어는 (+)전극과 (-)전극으로 사용하되 상호간에 역극성으로 사용하는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 제1금속와이어와 제2금속와이어는 각각 1.8~2.0g/s 용량으로 용융되도록 공급하며; 아크 방전을 위한 아크 전압은 24~35V이고, 아크 전류는 100~200A이며; 가스는 압축공기를 사용하되 1~5kgf/㎠의 압력조건으로 공급하며; 2종 금속간 용융 합금의 분사거리는 150~200mm를 유지하도록 처리할 수 있다.
여기에서, 합금코팅층은 200~300㎛ 두께로 형성할 수 있다.
여기에서, 제1금속와이어는 지름 1.6mm 규격을 갖는 것으로서, 중량%로 규소(Si) 0.20 이하, 철(Fe) 0.25 이하, 구리(Cu) 0.03 이하, 망간(Mn) 0.03 이하, 마그네슘 0.03 이하, 아연(Zn) 0.07 이하, 티타늄 0.03 이하, 나머지가 알루미늄(Al) 성분이고, 인장강도 18~20Kg/㎟ 및 연신율 1.3~1.5%인 물성을 갖는 알루미늄계 와이어를 사용하며; 제2금속와이어는 지름 1.6mm 규격을 갖는 것으로서, 중량%로 철(Fe) 0.3 이하, 탄소(C) 0.08 이하, 질소(N) 0.03 이하, 산소(O) 0.25 이하, 수소(H) 0.015 이하, 나머지가 티타늄(Ti) 성분이고, 인장강도 70~75Kg/㎟ 및 연신율 1.5~1.7%인 물성을 갖는 티타늄계 와이어를 사용할 수 있다.
여기에서, (A)단계 이전에는 스퍼터링 장치용 챔버의 내벽 쪽을 전처리하는 단계를 실시하되, (a) 챔버의 내벽에 대해 알루미나입자(Al2O3)를 5~10kgf/㎠의 압력조건을 갖는 압축공기로 분사하되 30~60초간 블라스팅 처리함으로써 표면 거칠기를 형성시키는 단계; (b) 챔버의 내벽에 압축공기를 분사하여 블라스팅 처리에 의해 발생된 이물질을 제거하는 단계;를 포함하는 형태로 전처리를 수행할 수 있다.
여기에서, (C)단계 이후에는 합금코팅층에 대한 접착강도를 향상시키기 위해 열처리하는 단계를 더 실시하되, 승온속도 10℃/min로 가열하고 450~550℃에서 30~60분 동안 열처리한 후 강온속도 5~10℃/min로 냉각시킴으로써 2종 금속간 용융합금 내에 존재하는 제1금속과 제2금속의 고온 열처리에 의한 입자간 확산을 유도하여 소결압축을 통해 기공율을 감소시키면서 입자간 결합력은 증대시키고 접착강도를 향상시킬 수 있도록 후처리할 수 있다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치는 상술한 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치용 코팅방법에 의해 형성시킨 코팅층을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 알루미늄과 티타늄 소재를 사용한 2종 금속에 의한 용융 합금 코팅을 실시함으로써 반도체 제조공정용 스퍼터링 장치의 챔버 측 내벽에 스퍼터링 입자들의 부착율을 높여 쉽게 박리되는 것을 방지 및 스퍼터링 효율을 높일 수 있도록 지원함은 물론 종래에 비해 접착강도와 경도 및 기공율에 있어 보다 우수한 기계적 특성 및 물성을 갖게 하는 등 양질의 코팅층을 형성시킬 수 있는 유용함을 달성할 수 있다.
본 발명은 스퍼터링 장치의 디바이스와 가스 등 스퍼터링 작업을 위한 챔버 내 상태 및 조건의 변화에도 용이하게 대응함은 물론 이에 견딜 수 있도록 있고 스퍼터링 작업시 챔버 내 악조건이 형성됨을 차단할 수 있으며, 최적의 조건으로 파라미터(parameter)를 조절함으로써 2종 금속간 복합 코팅을 실시함에도 불구하고 양질의 코팅층을 형성할 수 있으며, 2종 금속간 복합 코팅 수행시 불안정한 전극 변동을 방지 및 코팅장비의 비정상적인 가동 중단을 방지할 수 있는 유용함을 달성할 수 있다.
본 발명은 알루미늄과 티타늄의 서로 다른 2종의 금속 소재를 사용한 용융 합금 코팅으로 향상된 내구성을 갖는 코팅층을 형성시키는 유용함을 달성할 수 있다.
본 발명은 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치용 코팅방법에 의해 형성시킨 코팅층을 통해 스퍼터링 증착시 증착효율을 향상시킬 수 있는 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치용 코팅방법을 나타낸 공정도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치용 코팅방법을 수행하기 위한 코팅장비를 나타낸 개략적 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치용 코팅방법에 있어 표면처리층과 기초코팅층 및 합금코팅층을 포함하는 구조를 나타낸 개략적 예시도이다.
도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치용 코팅방법에 있어 테스트 결과를 나타낸 데이터이다.
본 발명에 대해 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같으며, 이와 같은 상세한 설명을 통해서 본 발명의 목적과 구성 및 그에 따른 특징들을 보다 잘 이해할 수 있게 될 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치용 코팅방법은 도 1 내지 도 3에 나타낸 바와 같이, 서로 다른 2종의 금속와이어를 사용하여 스퍼터링 장치용 챔버(10)의 내벽 측 피코팅면에 금속간 복합 코팅에 의한 코팅층(100)을 형성하기 위한 것으로서, 도 2에 나타낸 바와 같은 코팅장비(20)를 사용하여 형성할 수 있다.
구체적으로, 본 발명의 실시예에 따른 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치용 코팅방법은 도 1에 나타낸 바와 같이, 전처리단계(S10), 금속와이어 공급단계(S20), 용융 합금단계(S30), 스프레이 분사단계(S40), 및 후처리단계(S50)를 포함하는 구성으로 이루어질 수 있다.
상기 전처리단계(S10)는 스퍼터링 장치용 챔버(10)의 내벽 측 피코팅면을 전처리하여 코팅층(100)의 형성에 따른 접착강도를 향상시킴으로써 챔버 내 더욱 우수한 양질의 코팅층을 형성시킬 수 있도록 하는 단계이다.
이를 위해, 상기 전처리단계(S10)는 표면처리단계, 이물질 제거단계, 및 기초코팅층 형성단계로 나누어 전처리할 수 있다.
상기 표면처리단계는 스퍼터링 장치용 챔버(10)의 내벽 측 피코팅면에 대해 알루미나(Al2O3) 입자를 5~10kgf/㎠의 압력조건을 갖는 압축공기로 분사하되 30~60초간 블라스팅(blasting) 처리함으로써 표면 거칠기를 갖게 하는 단계이다.
상기 이물질 제거단계는 스퍼터링 장치용 챔버(10)의 내벽 측 피코팅면에 압축공기를 분사하여 블라스팅 처리에 의해 발생된 먼지 및 분진 등을 포함하는 이물질을 제거하는 단계이다.
상기 기초코팅층 형성단계는 스퍼터링 장치용 챔버(10)의 내벽 측 피코팅면, 표면처리층(11) 위에 60~90중량%의 니켈(Ni)이 함유된 니켈(Ni)-알루미늄(Al) 합금을 사용하여 기초코팅층(110)을 형성하는 단계이다.
이때, 상기 기초코팅층(110)은 아크용사 코팅방식으로 형성할 수 있다.
즉, 60~90중량%의 니켈(Ni)이 함유된 니켈(Ni)-알루미늄(Al) 합금 와이어를 2개 구비하여 (+)전극과 (-)전극으로 사용하고, 이들을 아크 방전으로 용융시킨 상태에 가스를 공급함으로써 스프레이 분사하는 형태로 형성할 수 있다.
여기에서, 상기 기초코팅층(110)은 60~90중량%의 니켈(Ni)이 함유된 니켈(Ni)-알루미늄(Al) 합금에 의한 용융층으로 형성되는 것으로서, 챔버 측과 금속결합을 통해 형성되므로 열충격에 매우 강하고 마모, 고온 내산화성 및 코팅 밀도가 우수한 특성을 발휘되게 할 수 있다.
특히, 상기 기초코팅층(110)에서는 니켈 성분이 자가 본딩 기능으로 우수한 접착성과 알루미늄보다 높은 경도를 가지므로 우수한 접착강도를 형성할 수 있고, 고온 산화와 부식에 대한 저항성을 갖게 하며, 고온에서의 용융 입자들의 확산으로 우수한 코팅 밀도를 갖게 할 수 있다.
여기에서, 상기 기초코팅층(110)을 형성하기 위해서는 60~90중량%의 니켈(Ni)이 함유된 니켈(Ni)-알루미늄(Al) 합금에 대해 1.5~1.8g/s 용량으로 용융되도록 공급함이 바람직하며, 아크 방전을 위한 아크 전압은 30~36V로 하고 아크 전류는 100~150A가 바람직하며, 가스는 압축공기를 사용하되 1~5kgf/㎠의 압력조건으로 공급하며, 분사거리는 150~180mm를 유지하도록 처리함이 바람직하다.
여기에서, 상기 기초코팅층(110)은 챔버(10) 측 피코팅면과 이후에 설명되는 합금코팅층(120) 간에 접착강도를 높이기 위한 매개기능을 충분하게 발휘하도록 150㎛ 이상의 두께로 형성할 수 있으며, 더욱 상세하게는 150~200㎛의 두께가 바람직하다.
상기 금속와이어 공급단계(S20)는 상기 기초코팅층(110) 위에 최종적으로 실드(shield) 기능을 발휘하는 합금코팅층(120)을 더 형성하기 위한 첫번째 단계로서, 스퍼터링 장치용 챔버(10)의 내벽 측 피코팅면에 스퍼터링 작업시 챔버 상에 방출되는 스퍼터링 입자들의 부착율을 높여 쉽게 박리되는 것을 방지 및 스퍼터링 효율을 높일 수 있도록 지원하도록 하며, 접착강도 및 내구성을 높일 수 있도록 서로 다른 2종의 금속 소재를 사용하도록 한다.
즉, 상기 금속와이어 공급단계(S20)는 서로 다른 2종이 갖는 화학적 성분 및 물성 특성을 활용하여 상술한 목적을 해결할 수 있도록 하기 위한 첫번째 단계로서, 도 2에 나타낸 바와 같이, 서로 다른 2종의 제1금속와이어(21)와 제2금속와이어(22)를 공급하는 단계이다.
이때, 상기 제1금속와이어(21)와 제2금속와이어(22)는 각각 상하 배치되는 한쌍의 압착이송롤러를 통해 전방을 향해 일정 속도로 이송 공급한다.
여기에서, 상기 제1금속와이어(21)는 알루미늄(Al) 소재를 사용하고, 상기 제2금속와이어(22)는 티타늄(Ti) 소재를 사용하여 코팅층(100)을 형성시 트윈 와이어를 아크 형성 및 합금 코팅을 통해 접착강도와 내구성을 향상시키는 등 기존에 비해 더욱 우수한 특성을 발휘하는 합금코팅층(120)으로 코팅할 수 있도록 한다.
여기에서, 상기 제1금속와이어(21)와 제2금속와이어(22)는 아크 방전에 의한 용융을 유도하기 위해 (+)전극과 (-)전극으로 사용하되 상호간에 역극성을 갖는 형태로 사용할 수 있다.
즉, 상기 제1금속와이어(21)를 (+)전극으로 사용하면 상기 제2금속와이어(22)를 (-)전극으로 사용하고, 상기 제1금속와이어(21)를 (-)전극으로 사용하면 상기 제2금속와이어(22)를 (+)전극으로 사용할 수 있는데, 본 발명에서는 알루미늄(Al) 소재의 제1금속와이어(21)를 (+)전극으로 하고 티타늄(Ti) 소재의 제2금속와이어(22)를 (-)전극으로 사용할 때 보다 우수한 물성을 갖는 합금코팅층(120)을 형성할 수 있었다.
여기에서, 상기 제1금속와이어와 제2금속와이어는 서로 다른 2종의 금속 소재 적용에 따른 합금 코팅을 수행시 아크 변동 및 비대칭 용융 등을 방지하면서 접착강도 및 경도 등은 높여 내구성 있는 합금코팅층(120)을 형성할 수 있도록 하기 위해 와이어의 일정 규격 대비하여 아래와 같은 화학적 성분 및 물성을 갖도록 함이 바람직하다.
이를 위해, 상기 제1금속와이어는 지름 1.6mm 규격을 갖는 것으로서, 중량%로 규소(Si) 0.20 이하, 철(Fe) 0.25 이하, 구리(Cu) 0.03 이하, 망간(Mn) 0.03 이하, 마그네슘 0.03 이하, 아연(Zn) 0.07 이하, 티타늄 0.03 이하, 나머지가 알루미늄(Al) 성분이며, 이때 인장강도 18~20Kg/㎟ 및 연신율 1.3~1.5%인 물성을 갖는 알루미늄계 와이어를 사용한다.
상기 제2금속와이어는 지름 1.6mm 규격을 갖는 것으로서, 중량%로 철(Fe) 0.3 이하, 탄소(C) 0.08 이하, 질소(N) 0.03 이하, 산소(O) 0.25 이하, 수소(H) 0.015 이하, 나머지가 티타늄(Ti) 성분이며, 인장강도 70~75Kg/㎟ 및 연신율 1.5~1.7%인 물성을 갖는 티타늄계 와이어를 사용한다.
상기 용융 합금단계(S30)는 서로 다른 2종 소재이고 상호간에 역극성을 갖는 제1금속와이어와 제2금속와이어의 팁 부분을 상호 접촉시켜 아크 방전을 유도함에 의해 제1금속와이어와 제2금속와이어를 용융시켜 합금 처리하는 단계이다.
이때, 상기 제1금속와이어(21)와 제2금속와이어(22)는 각각 컨택노즐(23)을 통해 팁 부분이 상호 접촉되게 유도하도록 구비된다.
여기에서, 상기 제1금속와이어와 제2금속와이어는 각각 아크 방전시 발생되는 아크열에 의해 용융 합금되는데, 서로 다른 2종 소재의 적용에 따른 아크 변동 및 비대칭 용융됨을 방지하여 코팅효율을 향상시킬 수 있도록 하기 위해 공급속도와 아크 전압 및 아크 전류 등의 파라미터를 결정하는 것이 바람직한데, 본 발명에서는 상기 제1금속와이어와 제2금속와이어 각각에 대해 1.8~2.0g/s 용량으로 용융되도록 공급하며, 아크 방전을 위한 아크 전압은 24~35V으로 제어하고 아크 전류는 100~200A로 제어함이 바람직하다.
또한, 상기 제1금속와이어와 제2금속와이어는 서로 다른 2종 소재를 적용하는 것으로서, 각 소재가 갖는 성분 및 물성 특성에 의해 전극 제어에 따른 어려움이 존재하는데, 상기와 같이 파라미터 조건을 제어함으로써 코팅장비 측 전극 변동 및 아크 불안정 등에 의해 가동이 멈추는 현상을 없앨 수 있으며 2종 소재에 대한 균일한 용융 합금을 유도할 수 있다.
상기 스프레이 분사단계(S40)는 상기 역극성에 의한 아크 방전을 통해 제1금속와이어와 제2금속와이어를 용융 합금시킨 상태에 가스를 일정 압력으로 공급하여 챔버의 내벽 측 피코팅면을 향해 스프레이 분사함으로써 2종 금속간 복합 코팅에 의한 합금코팅층(120)을 기초코팅층(110) 위에 형성하는 단계이다.
이때, 가스공급노즐(24)은 한쌍의 컨택노즐(23) 측 내부 중심에 배치되고 전방을 향해 가스를 공급할 수 있도록 구비된다.
본 발명에서는 알루미늄(Al) 산화물 생성에 의한 취성이 저하됨을 방지하기 위해 압축공기를 사용하되 1~5kgf/㎠의 압력조건으로 공급하며, 2종 금속간 용융 합금의 분사거리는 챔버의 내벽 측 피코팅면과 150~200mm를 유지하도록 처리함이 바람직하다.
여기에서, 압축공기의 분사를 제어함에 있어 1kgf/㎠ 미만으로 공급하는 경우에는 합성코팅층의 접착강도가 좋지 않고 분사되는 용융 입자의 크기가 커서 많은 기공이 형성되므로 내구성이 저하되는 문제점을 갖게 되며, 5kgf/㎠를 초과하는 경우에는 용융 입자의 충돌에너지가 증가하므로 용융 입자가 파괴되어 접착상태가 좋지 못하고 합성코팅층 내에 미소균열이 발생되는 문제점을 갖게 된다.
여기에서, 서로 다른 소재의 2종 금속와이어에 의한 용융 합금의 분사거리를 제어함에 있어 150mm 미만으로 하는 경우에는 용융 입자의 표면을 과열 및 산화시킴은 물론 용융 입자의 충돌에너지가 증가하므로 용융 입자가 파괴되어 접착상태가 좋지 못하고 많은 기공이 형성되므로 취성 등 전반적인 내구성을 저하시키는 문제점을 갖게 되며, 200mm를 초과하는 경우에는 용융 입자들의 표면온도와 분사속도가 감소되므로 접촉각이 커져 퍼짐성이 좋지 않고 치밀한 조직을 갖게 하는데 어려움이 존재하며 대기중에 과다 노출되므로 역시 합금코팅층 내 많은 기공과 산화물이 생성되는 문제점을 갖게 된다.
여기에서, 합금코팅층은 2반도체 제조공정용 스퍼터링 장치의 챔버 측 내벽에 스퍼터링 작업시 챔버 상에 방출되는 스퍼터링 입자들의 부착율을 높여 쉽게 박리되는 것을 방지하는 기능을 충분하게 발휘할 수 있도록 200~300㎛의 두께로 형성함이 바람직하다.
여기에서, 합금코팅층(120)은 기초코팅층(110)을 매개로 기초코팅층(110) 및 스퍼터링 장치용 챔버의 내벽 측 피코팅면과 금속 결합을 이루게 되므로 부착력을 크게 높일 수 있다.
한편, 본 발명에서는 상기와 같은 합금코팅층(120)을 형성함에 있어 전처리단계(S10)의 실시에 의한 기초코팅층(110)을 형성하지 않고, 스퍼터링 장치용 챔버(10)의 내벽 측 피코팅면 또는 스퍼터링 장치용 챔버(10)의 내벽에 형성될 수 있는 실드층(shield layer) 위에 형성할 수도 있다.
상기 후처리단계(S50)는 상기 스프레이 분사단계(S40)의 실시에 의해 형성시킨 합금코팅층(120)에 대한 접착강도를 더욱 향상시킴과 더불어 기공을 없애 치밀한 조직을 갖게 하고 코팅밀도를 높이며 합금코팅층에 대한 취성 저하 등을 방지할 수 있도록 하기 위해 열처리하는 단계이다.
이때, 상기 후처리단계(S50)는 전기로 등 노 속에서 실시한다 할 수 있는데, 승온속도 10℃/min로 가열하고 450~550℃에서 30~60분 동안 열처리한 후 강온속도 5~10℃/min로 냉각 처리한다.
여기에서, 상기 후처리단계(S50)를 통해서는 합금코팅층(120)에 대해 2종 금속간 용융합금 내에 존재하는 제1금속(Al)과 제2금속(Ti)의 고온 열처리에 의한 입자간 확산을 유도하므로 조직 내 소결압축을 통해 기공율을 감소시키면서 입자간 결합력은 증대시키는 작용을 하며, 이를 통해 접착강도를 더욱 향상시킬 수 있고 코팅밀도를 더욱 높여줄 수 있다.
한편, 이하에서는 상술한 바와 같은 구성으로 이루어지는 본 발명에 따른 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치용 코팅방법에 있어 개략적인 테스트를 실시하였고, 그 상태와 조건 및 그에 따른 결과를 아래 표 1에 나타내었다.
상기 테스트에서는 스퍼터링 장치용 챔버의 대체용으로 알루미늄 소재의 기판을 구비한 상태에 아크 용사 코팅방식으로 코팅층을 형성하되, 아래 표 1에 나타낸 조건으로 합금코팅층을 형성한 후, 표면거칠기, 접착강도, 경도, 기공율을 측정하였다.
이때, 비교군으로 알루미늄(Al) 와이어 2개를 (+)전극과 (-)전극으로 사용하여 형성한 코팅층에 대해서도 표면거칠기, 접착강도, 경도, 기공율을 측정하였다.
여기에서, 공통적으로 와이어는 1.6mm 규격을 사용하여 1.8g/s 용량으로 용융되도록 공급하고, 압축공기는 3kgf/㎠(300KPa)의 압력조건으로 공급하며, 분사거리는 150mm를 유지하였다.
구분 본 발명 비교군
Al(+)/Ti(-) Al(-)/Ti(+) Al 2개
26V/200A 30V/200A 26V/200A 30V/200A 30V/200A
표면거칠기
(㎛/inch)		 645 643 673 623 850
접착강도
(MPa)		 10.38 10.56 10.42 10.64 9.45
경도
(Hv)		 1572 1568 1556 1524 43.90
기공율
(%)		 8.08 6.63 7.98 7.45 10.37
상기 표 1에서 보여주는 바와 같이, 알루미늄과 티타늄을 사용하여 용융 합금에 의해 형성시킨 합금코팅층을 갖는 본 발명이 알루미늄만을 사용하여 용융 형성시킨 코팅층을 갖는 비교군에 비해 전반적으로 보다 우수한 기계적 특성을 나타냄을 확인할 수 있다.
또한, 상기한 표 1의 결과를 갖는 테스트의 본 발명은 후처리단계를 수행하지 않은 것으로서, 후처리를 통해 기공율을 더 감소시킬 수 있는 등 더욱 향상된 기계적 특성을 갖게 할 수 있음을 나타내고 있다.
한편, 도 4 내지 도 6은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치용 코팅방법에 있어 상기한 형태로 테스트한 결과를 나타낸 데이터이다.
상세하게, 도 4는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치용 코팅방법을 이용하여 합금코팅층을 형성한 후 이미지를 보여주는 데이터로서, (a)는 알루미늄 와이어를 (+)전극으로 하고 티타늄 와이어를 (-)전극으로 하되 26V 및 200A의 조건으로 테스트한 상태이며, (b)는 알루미늄 와이어를 (-)전극으로 하고 티타늄 와이어를 (+)전극으로 하되 26V 및 200A의 조건으로 테스트한 상태를 나타낸 이미지이다.
도 5는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치용 코팅방법을 이용하여 합금코팅층을 형성한 후 이미지를 보여주는 데이터로서, (a)는 알루미늄 와이어를 (+)전극으로 하고 티타늄 와이어를 (-)전극으로 하되 36V 및 200A의 조건으로 테스트한 상태이며, (b)는 알루미늄 와이어를 (-)전극으로 하고 티타늄 와이어를 (+)전극으로 하되 36V 및 200A의 조건으로 테스트한 상태를 나타낸 이미지이다.
여기에서, 도 4 및 도 5에서는 합금코팅층의 표면에 대해 양호하면서도 우수하게 형성됨을 보여주고 있다.
도 6은 코팅층 형성 후 SEM(주사전자현미경) 장비를 이용하여 200배율로 코팅부분을 측정한 사진으로서, (a)는 본 발명에 따른 코팅방법을 이용하여 합금코팅층을 형성한 상태에 SEM 측정한 데이터이고, (b)는 비교군에 해당하는 알루미늄 코팅층을 형성한 상태에 SEM 측정한 데이터이다.
여기에서, 본 발명인 (a)는 비교군인 (b)에 비해 용융 입자간 확산이 더 진행되어 있고 보다 치밀한 조직을 형성하고 있으며 기공이 많이 형성되지 않음을 확인할 수 있다.
이에 따라, 본 발명을 통해서는 반도체 제조공정용 스퍼터링 장치의 챔버 측 내벽에 스퍼터링 입자들의 부착율을 높여 쉽게 박리되는 것을 방지 및 스퍼터링 효율을 높일 수 있도록 지원하며, 종래에 비해 접착강도와 경도 및 기공율 등에 있어 보다 우수한 기계적 특성 및 물성을 갖게 할 수 있는 양질의 코팅층을 형성할 수 있는 장점을 제공할 수 있다.
또한, 본 발명을 통해서는 상술한 공정으로 수행되는 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치용 코팅방법에 의해 챔버 내에 코팅층을 형성함으로써 스퍼터링 증착시 증착효율을 향상시킬 수 있는 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치를 제공할 수 있다.
이상에서 설명한 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고 이러한 실시예에 극히 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 청구범위 내에서 이 기술분야의 당해업자에 의하여 다양한 수정과 변형 또는 단계의 치환 등이 이루어질 수 있다 할 것이며, 이는 본 발명의 기술적 범위에 속한다 할 것이다.
S10: 전처리단계
S20: 금속와이어 공급단계
S30: 용융 합금단계
S40: 스프레이 분사단계
S50: 후처리단계

Claims (7)

  1. 서로 다른 2종의 금속와이어를 사용하여 스퍼터링 장치용 챔버의 내벽 쪽에 금속간 복합 코팅에 의한 코팅층을 형성하는 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치용 코팅방법에 있어서,
    (A) 서로 다른 2종의 제1금속와이어와 제2금속와이어를 공급하는 단계;
    (B) 제1금속와이어와 제2금속와이어의 팁 부분을 상호 접촉시켜 아크 방전을 유도함에 의해 제1금속와이어와 제2금속와이어를 용융시켜 합금 처리하는 단계;
    (C) 제1금속와이어와 제2금속와이어를 용융 합금시킨 상태에 가스를 일정 압력으로 공급하여 챔버의 내벽 쪽으로 스프레이 분사함으로써 2종 금속간 복합 코팅에 의한 합금코팅층을 형성하는 단계; 를 포함하며,
    제1금속와이어는 알루미늄(Al) 소재이고, 제2금속와이어는 티타늄(Ti) 소재이며;
    제1금속와이어와 제2금속와이어는 (+)전극과 (-)전극으로 사용하되, 상호간에 역극성으로 사용하며;
    제1금속와이어와 제2금속와이어는 각각 1.8~2.0g/s 용량으로 용융되도록 공급하며;
    아크 방전을 위한 아크 전압은 24~35V이고, 아크 전류는 100~200A이며;
    가스는 압축공기를 사용하되 1~5kgf/㎠의 압력조건으로 공급하며;
    2종 금속간 용융 합금의 분사거리는 150~200mm를 유지하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치용 코팅방법.
  2. 삭제
  3. 제 1항에 있어서,
    합금코팅층은 200~300㎛ 두께로 형성하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치용 코팅방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    제1금속와이어는 지름 1.6mm 규격을 갖는 것으로서, 중량%로 규소(Si) 0.20 이하, 철(Fe) 0.25 이하, 구리(Cu) 0.03 이하, 망간(Mn) 0.03 이하, 마그네슘 0.03 이하, 아연(Zn) 0.07 이하, 티타늄 0.03 이하, 나머지가 알루미늄(Al) 성분이고, 인장강도 18~20Kg/㎟ 및 연신율 1.3~1.5%인 물성을 갖는 알루미늄계 와이어를 사용하며;
    제2금속와이어는 지름 1.6mm 규격을 갖는 것으로서, 중량%로 철(Fe) 0.3 이하, 탄소(C) 0.08 이하, 질소(N) 0.03 이하, 산소(O) 0.25 이하, 수소(H) 0.015 이하, 나머지가 티타늄(Ti) 성분이고, 인장강도 70~75Kg/㎟ 및 연신율 1.5~1.7%인 물성을 갖는 티타늄계 와이어를 사용하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치용 코팅방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    (A)단계 이전에는 스퍼터링 장치용 챔버의 내벽 쪽을 전처리하는 단계를 실시하되,
    (a) 챔버의 내벽에 대해 광물질인 알루미나(Al2O3) 입자를 5~10kgf/㎠의 압력조건을 갖는 압축공기로 분사하되 30~60초간 블라스팅 처리함으로써 표면 거칠기를 형성하는 단계;
    (b) 챔버의 내벽에 압축공기를 분사하여 블라스팅 처리에 의해 발생된 이물질을 제거하는 단계; 를 포함하는 전처리를 수행하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치용 코팅방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    (C)단계 이후에는 합금코팅층에 대한 접착강도를 향상시키기 위해 열처리하는 단계를 더 실시하되,
    승온속도 10℃/min로 가열하고 450~550℃에서 30~60분 동안 열처리한 후 강온속도 5~10℃/min로 냉각시킴으로써 2종 금속간 용융합금 내에 존재하는 제1금속과 제2금속의 고온 열처리에 의한 입자간 확산을 유도하여 소결압축을 통해 기공율을 감소시키면서 입자간 결합력은 증대시키고 접착강도를 향상시킬 수 있도록 후처리하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치용 코팅방법.
  7. 청구항 1, 청구항 3 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 의한 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치용 코팅방법에 의해 적용된 코팅층을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 제조공정의 스퍼터링 장치.
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