KR102259919B1 - 챔버 코팅재 및 그 제조 방법 - Google Patents

Abstract

챔버의 내면에 형성되는 코팅재의 제조 방법을 제공한다. 코팅재의 제조 방법은 i) SiC, SiO₂ 및 Al₂O₃로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 모재를 제공하는 단계, ii) 모재 위에 SiO_x (0.1≤x≤2) 또는 AlO_y (0.1≤y≤1.5)를 포함하는 제1 코팅층부를 제공하는 단계, iii) 제1 코팅층부 위에 YO_z (0.1≤z≤1.5)를 포함하는 제2 코팅층부를 제공하는 단계, iv) 제1 코팅층부와 제2 코팅층부를 반복하여 적층한 적층체를 제공하는 단계, 및 v) 적층체를 열처리하여 제1 코팅층부와 제2 코팅층부 상호간의 고상 반응에 의해 결정질의 단일층으로 된 코팅층을 제공하는 단계를 포함한다.

Description

챔버 코팅재 및 그 제조 방법 {COATING MEMBER OF A CHAMBER AND METHOD FOR MANUFACTURING THE SAME}

본 발명은 챔버 코팅재 및 그 제조 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 플라스마 또는 강한 부식성 분위기하에서도 내식성을 가지는 챔버 코팅재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

최근 들어 모바일 산업의 급속한 발달로 인하여 반도체 등의 소형화 및 고집적화가 더욱 절실하게 요구되고 있다. 따라서 반도체를 고집적화하기 위해 3D 형태로 적층하는 신기술이 개발되고 있으며, 이 경우 기존의 반도체 공정과는 다른 공정이 필요하다. 즉, 소자를 세운 상태로 형성해야 하므로 단시간에 특정 부위를 빠르게 식각해 제거할 필요가 있으므로, 강한 부식성을 가지는 에칭 가스 또는 에칭액이 필요하다.

이와 같이 강한 산성을 가지는 에칭액을 사용함에 따라 소자 제조용 챔버내의 윈도우 또는 내벽이 부식된다. 즉, 챔버 내면이 반응성 할로겐 가스가 주입된 플라스마 또는 강한 산성 에칭 분위기와 접촉해 부식되면서 이로 인한 응집물이 떨어져 제조중인 소자를 오염시킨다. 따라서 반응성 할로겐 가스가 주입된 플라스마 또는 강한 산성 분위기에서도 내식성을 유지할 수 있는 코팅재를 제조할 필요가 있다.

한국등록특허 제1,961,411호

플라스마 또는 강한 부식성 분위기에 대해서도 내식성을 가진 챔버의 코팅재를 제공하고자 한다. 또한, 전술한 코팅재의 제조 방법을 제공하고자 한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 챔버의 코팅재의 제조 방법은, i) SiC, SiO₂ 및 Al₂O₃로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 모재를 제공하는 단계, ii) 모재 위에 SiO_x (0.1≤x≤2) 또는 AlO_y (0.1≤y≤1.5)를 포함하는 제1 코팅층부를 제공하는 단계, iii) 제1 코팅층부 위에 YO_z (0.1≤z≤1.5)를 포함하는 제2 코팅층부를 제공하는 단계, iv) 제1 코팅층부와 제2 코팅층부를 반복하여 적층한 적층체를 제공하는 단계, 및 v) 적층체를 열처리하여 제1 코팅층부와 제2 코팅층부 상호간의 고상 반응에 의해 결정질의 단일층으로 된 코팅층을 제공하는 단계를 포함한다. 코팅재는 챔버의 내면에 형성된다.

모재를 제공하는 단계에서, 모재는 SiC를 포함하고, 제1 코팅층부를 제공하는 단계에서, 제1 코팅층부는 SiO_x (0.1≤x≤2)를 포함하며, 코팅층을 제공하는 단계에서, 적층체를 1000℃ 내지 1500℃ 에서 가열하고, 코팅층이 Y₂SiO₅ 및 Y₂Si₂O₇로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함할 수 있다. 적층체를 제공하는 단계에서, 적층체가 Y₂SiO₅를 포함하는 경우, 제1 코팅층부의 두께에 대한 제2 코팅층부의 두께의 비는 1.7 내지 2일 수 있다.

적층체를 제공하는 단계에서, 적층체가 Y₂Si₂O₇를 포함하는 경우, 제1 코팅층부의 두께에 대한 제2 코팅층부의 두께의 비는 0.8 내지 1.25일 수 있다. 제1 코팅층부를 제공하는 단계에서, x는 0.1 내지 1이고, 제2 코팅층부를 제공하는 단계에서, z는 0.1 내지 1일 수 있다.

모재를 제공하는 단계에서, 모재는 Al₂O₃를 포함하고, 제1 코팅층부를 제공하는 단계에서, 제1 코팅층부는 AlO_y (0.1≤y≤1.5)를 포함하며, 코팅층을 제공하는 단계에서, 적층체를 1000℃ 내지 1500℃ 에서 가열하고, 코팅층은 Y_αAl_βO_γ (2.5≤α≤3.5, 4.5≤β≤5.5, 11.5≤γ≤12.5)를 포함할 수 있다.

모재를 제공하는 단계에서, 모재는 Al₂O₃를 포함하고, 제1 코팅층부를 제공하는 단계에서, 제1 코팅층부는 AlO_y (0.1≤y≤1.5)를 포함하며, 코팅층을 제공하는 단계에서, 적층체를 1000℃ 내지 1500℃ 에서 가열하고, 코팅층은 Y₃Al₅O₁₂, YAlO₄ 및 Y₄Al₂O₉로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물을 포함할 수 있다. 코팅층이 Y₃Al₅O₁₂를 포함하는 경우, 적층체를 제공하는 단계에서 제1 코팅층부의 두께에 대한 제2 코팅층부의 두께의 비는 0.8 내지 1.2일 수 있다. 코팅층이 YAlO₄를 포함하는 경우, 적층체를 제공하는 단계에서 제1 코팅층부의 두께에 대한 제2 코팅층부의 두께의 비는 1.3 내지 1.8일 수 있다. 코팅층이 Y₄Al₂O₉를 포함하는 경우, 적층체를 제공하는 단계에서 제1 코팅층부의 두께에 대한 제2 코팅층부의 두께의 비는 1.6 내지 2.5일 수 있다.

제1 코팅층부를 제공하는 단계에서, y는 0.1 내지 1이고, 제2 코팅층부를 제공하는 단계에서, z는 0.1 내지 1일 수 있다. 코팅층을 제공하는 단계에서, 적층체를 800℃ 내지 1300℃로 가열하고, 코팅층의 두께는 적층체의 두께보다 작고, 코팅층의 두께에 대한 적층체의 두께의 비는 1.25 내지 1.6일 수 있다. 적층체를 제공하는 단계에서, 제1 코팅층부와 제2 코팅층부를 2회 내지 10회 반복하여 적층할 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 코팅재의 제조 방법은 모재를 제공하는 단계와 제1 코팅층부를 제공하는 단계의 사이에 모재의 표면을 표면 처리하는 단계를 더 포함할 수 있다. 표면 처리는 플라스마 또는 이온빔으로 이루어지며, 표면 처리에 의한 모재의 표면 조도(Ra)는 0.1㎛ 내지 0.3㎛일 수 있다. 표면 처리가 이온빔에 의해 이루어지는 경우, 이온빔 파워는 0.5KW 내지 3KW일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 코팅재는 전술한 방법들로 제조될 수 있다.

플라스마 또는 강한 부식성 분위기에 대해서도 내식성을 가진 Y₂SiO₅ 또는 YAG를 포함하는 챔버용 코팅재를 제조할 수 있다. 따라서 챔버 내벽의 부식에 따른 이물질 낙하로 인한 소자의 오염을 방지할 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 소자 제조용 챔버의 코팅재의 제조 방법의 개략적인 순서도이다.
도 2는 도 1의 모재 표면을 플라스마 또는 이온빔으로 처리하는 상태를 나타내는 개략적인 도면이다.
도 3은 이온빔에 의해 모재의 표면을 표면 처리하는 경우의 그래프이다.
도 4 내지 도 7은 소자 제조용 챔버의 코팅재의 제조 방법의 각 단계들에서 형성되는 소자들의 개략적인 단면도들이다.
도 8은 도 1의 코팅재의 제조 방법으로 제조한 코팅층의 결정 구조 및 화학식 단위를 개략적으로 나타낸다.
도 9는 본 발명의 제1 실험예에 따라 제조한 코팅재 단면의 가열전 및 가열후의 주사전자현미경 사진이다.
도 10은 본 발명의 제1 실험예에 따라 제조한 코팅재의 XRD 그래프이다.
도 11은 본 발명의 제2 실험예에 따라 제조한 코팅재 단면의 가열전의 각 코팅층부의 XRD 그래프이다.
도 12는 본 발명의 제2 실험예에 따른 코팅재 단면의 가열전 및 가열후의 주사전자현미경 사진이다.
도 13은 본 발명의 제2 실험예에서 온도 증가에 따라 각 코팅층부가 단일층의 코팅재로 형성되는 과정을 나타낸 개략적인 그래프이다.
도 14는 본 발명의 제2 실험예에 따라 제조한 코팅재의 XRD 그래프이다.
도 15는 비교예 1 내지 비교예 3, 실험예 1 및 실험예 2에 따른 에칭 실험 결과를 나타낸 그래프이다.

여기서 사용되는 전문용어는 단지 특정 실시예를 언급하기 위한 것이며, 본 발명을 한정하는 것을 의도하지 않는다. 여기서 사용되는 단수 형태들은 문구들이 이와 명백히 반대의 의미를 나타내지 않는 한 복수 형태들도 포함한다. 명세서에서 사용되는 "포함하는"의 의미는 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소 및/또는 성분을 구체화하며, 다른 특정 특성, 영역, 정수, 단계, 동작, 요소, 성분 및/또는 군의 존재나 부가를 제외시키는 것은 아니다.

다르게 정의하지는 않았지만, 여기에 사용되는 기술용어 및 과학용어를 포함하는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 일반적으로 이해하는 의미와 동일한 의미를 가진다. 보통 사용되는 사전에 정의된 용어들은 관련기술문헌과 현재 개시된 내용에 부합하는 의미를 가지는 것으로 추가 해석되고, 정의되지 않는 한 이상적이거나 매우 공식적인 의미로 해석되지 않는다.

좀더 구체적으로, 이하에서 사용되는 “소자”라는 용어는 “전기 기기 또는 전자 기기에 포함되는 부품”을 의미한다. 이러한 부품은 OLED 패널이나 반도체 등이 될 수도 있으나 이에 한정하지 않고 다른 객체가 될 수도 있다.

이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예에 대하여 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 소자 제조용 챔버의 코팅재의 제조 방법의 순서도를 개략적으로 나타낸다. 도 1의 코팅재의 제조 방법은 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 소자 제조용 챔버의 코팅재의 제조 방법을 다른 형태로도 변형할 수 있다.

도 1에 도시한 바와 같이, 소자 제조용 챔버의 코팅재의 제조 방법은, 모재 표면을 플라스마 또는 이온빔으로 처리하는 단계(S10), 모재 위에 SiO_x 또는 AlO_y를 포함하는 제1 코팅층부를 제공하는 단계(S20), 제1 코팅층부 위에 YO_z를 포함하는 제2 코팅층부를 제공하는 단계(S30), 제1 코팅층부와 제2 코팅층부를 반복하여 적층한 적층체를 제공하는 단계(S40), 그리고 적층체를 열처리하여 제1 코팅층부와 제2 코팅층부 상호간의 고상 반응에 의해 결정질의 단일층으로 된 코팅층을 제공하는 단계(S50)를 포함한다. 이외에, 코팅재의 제조 방법은 필요에 따라 다른 단계들을 더 포함할 수 있다.

도 2와 도 4 내지 도 7은 이러한 도 1의 각 단계들의 단면 구조를 개략적으로 나타낸다. 도 2와 도 4 내지 도 7의 단면 구조는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 도 2와 도 4 내지 도 7의 단면 구조를 다른 형태로도 변형할 수 있다. 이하에서는 도 1 내지 도 7을 참조하여 코팅재의 제조 방법을 설명한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 단계(S10)에서는 모재(10)(도 2, 이하 동일)를 제공하고, 그 표면을 플라스마 또는 이온빔으로 처리한다. 모재(10)는 소자 제조를 위한 챔버의 내벽이 될 수 있다. 소자는 반도체 또는 디스플레이가 될 수 있다. 소자 제조 공정시 모재(10)가 챔버내의 부식성 분위기, 특히 플라스마와 직접 접촉하여 부식될 수 있다. 따라서 내식성을 가진 코팅재로 모재(10)의 표면을 커버하여 모재(10)가 부식성 분위기와 직접 접촉하지 않도록 막는다. 모재의 소재로는 SiC, SiO₂ 또는 Al₂O₃를 사용할 수 있다. 이외에, AlN, 또는 Al₂O₃-Y₂O₃ 등을 사용할 수도 있다.

도 2에 도시한 바와 같이, 모재(10)의 표면(101)은 후속 공정에서 그 위에 부착될 코팅층의 부착력을 높이기 위해 표면 처리한다. 표면 처리는 이온빔 또는 플라스마로 가능하다. 특히, 후속 공정에서 모재(10) 위에 다수의 층들이 적층된다. 따라서 모재(10)와 그 위에 적층될 층들의 부착력을 향상시킬 필요가 있다. 따라서 모재(10)의 표면(101)을 표면 처리한다.

도 3은 이온빔에 의해 모재(10)의 표면(101)을 표면 처리하는 경우의 그래프를 나타낸다. 도 3의 그래프는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며, 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다. 따라서 도 3의 이온빔 처리 과정을 다른 형태로도 변형할 수 있다.

도 3에 도시한 바와 같이, 표면(101)을 이온빔 처리한다. 이온빔 파워를 점차 높여서 표면(101)의 표면 조도를 점차 낮출 수 있다. 즉, 이온빔 처리에 의해 표면(101)을 평탄화하여 그 표면 조도를 낮춘다. 또한, 표면(101)의 클리닝 및 활성화를 통해 후속 공정에서 표면(101)에 부착될 코팅층들과 표면(101)과의 부착력을 향상시킬 수 있다. 바람직하게는, 이온빔 파워는 0.5KW 내지 3KW일 수 있다. 이온빔 파워가 너무 낮은 경우, 원하는 표면 조도를 얻을 수 없다. 또한, 이온빔 파워가 너무 높은 경우, 에너지 소비량이 증가하여 공정 비용이 증가한다. 따라서 전술한 범위로 이온빔 파워를 조절한다. 이를 위해 이온빔을 표면(101)에 5분 내지 60분 동안 조사할 수 있다. 그 결과, 표면(101)의 표면 조도(Ra)는 0.1㎛ 내지 0.3㎛일 수 있다. 표면 조도가 너무 큰 경우, 표면(101)이 잘 평탄화되지 않으므로, 후속 공정에서 복수의 코팅층들의 적층이 어려울 수 있다. 또한, 표면 조도가 너무 낮은 경우, 이온빔 처리 시간이 길어져 공정 비용이 증가하는 문제점이 있다. 따라서 표면(101)의 표면 조도를 전술한 범위로 유지하는 것이 바람직하다.

한편, 표면(101)을 플라스마 처리할 수도 있다. 즉, 플라스마가 모재(10)의 표면(101)에 충돌하면서 표면(101)을 플라스마 처리한다. 플라스마는 이온화된 가스로서, 광자, 이온, 전자, 분해된 가스, 라디컬 등으로 이루어진다. 따라서 표면(101)은 플라스마와 물리적 및 화학적으로 반응하여 개질된다. 즉, 표면(101)은 균일화되고 후속 공정에서 코팅층을 형성하는 경우 그 부착력이 향상된다.

다시 도 1로 되돌아가면, 도 1의 단계(S20)에서는 모재(10) 위에 제1 코팅층부(20)를 제공한다. (도 4에 도시, 이하 동일) 제1 코팅층부(20)는 SiO_x 또는 AlO_y를 포함한다. 여기서, 몰비로 x는 0.1 내지 2일 수 있다. 좀더 바람직하게는, x는 0.1 내지 1일 수 있다. 그리고 몰비로 y는 0.1 내지 1.5일 수 있다. 좀더 바람직하게는, y는 0.1 내지 1일 수 있다. x 또는 y의 값이 너무 큰 경우, 산소가 많이 혼입되어 후속 공정에서 제조되는 코팅층이 잘 깨질 수 있다. 또한, x 또는 y의 값이 너무 작은 경우, 실리콘 또는 알루미늄이 안정한 산화물로 형성되기 어렵다. 따라서 몰비를 전술한 범위로 유지하는 것이 바람직하다. 제1 코팅층부(20)는 물리 기상 증착법에 의해 모재(10) 위에 형성할 수 있다. 따라서 인시츄 공정에 의해 제1 코팅층부(20)를 형성할 수 있으므로 공정 제어가 용이하다. 이와는 달리, 열용사법을 이용하는 경우 공정 제어가 어렵다.

제1 코팅층부(20)의 두께(t20)(도 5에 도시)는 0.4㎛ 내지 1㎛일 수 있다. 두께(t20)가 너무 작은 경우, 후속 공정에서 제공되는 제2 코팅층부(30)와의 상호 확산이 잘 이루어지지 않는다. 또한, 두께(t20)가 너무 큰 경우, 소재비가 많이 들고 공정 시간이 길어진다. 따라서 두께(t20)를 전술한 범위로 유지하는 것이 바람직하다.

한편, 모재(10)가 SiC를 포함하는 경우, 제1 코팅층부(20)는 전술한 SiO_x를 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우, 모재(10)와 제1 코팅층부(20)가 모두 Si를 포함하므로, 제1 코팅층부(20)가 모재(10) 위에 잘 부착된다. 그 결과, 후속 공정에서 제조된 코팅재를 실제 사용시 열응력에 의해 제1 코팅층부(20)가 모재(10)로부터 박리되지 않는다.

그리고 모재(10)가 Al₂O₃를 포함하는 경우, 제1 코팅층부(20)는 전술한 AlO_y를 포함하는 것이 바람직하다. 이 경우, 모재(10)와 제1 코팅층부(20)가 모두 Al을 포함하므로, 제1 코팅층부(20)가 모재(10) 위에 잘 부착된다. 그 결과, 후속 공정에서 제조된 코팅재를 실제 사용시 열응력에 의해 제1 코팅층부(20)가 모재(10)로부터 박리되지 않는다.

다음으로, 단계(S30)에서는 제1 코팅층부(20) 위에 제2 코팅층부(30)를 제공한다. (도 6에 도시) 제2 코팅층부(30)는 YO_z를 포함한다. 여기서, z는 0.1 내지 1.5일 수 있다. 좀더 바람직하게는, z는 0.1 내지 1일 수 있다. z의 값이 너무 큰 경우, 산소의 다량 혼입으로 코팅층이 경해질 수 있다. 또한, z의 값이 너무 작은 경우, 이트륨이 안정한 산화물로 형성되기 어려운 문제점이 있다. 따라서 z를 전술한 범위로 유지하는 것이 바람직하다. 제2 코팅층부(30)는 제1 코팅층부(20)와 동일한 방법으로 형성할 수 있다. 예를 들면, 이트리아 산화물을 물리 기상 증착법에 의해 증발시켜 제1 코팅층부(20) 위에 제2 코팅층부(30)를 부착한다. 이트리아는 우수한 내화학성과 내부식성을 가진다. 특히, 이트리아는 플라스마 내식성이 우수하다. 따라서 챔버내에서 발생하는 플라스마로부터 모재를 보호하기에 적합하다.

한편, 제2 코팅층부(30)의 두께(t30)는 0.5㎛ 내지 2.5㎛일 수 있다. 두께(t30)가 너무 작은 경우, 제1 코팅층부(20)와의 상호 확산이 잘 이루어지지 않는다. 또한, 두께(t30)가 너무 큰 경우, 소재비가 많이 들고 공정 시간이 길어진다. 따라서 두께(t30)를 전술한 범위로 유지하는 것이 바람직하다.

다음으로, 도 1의 단계(S40)에서는 제1 코팅층부(20)와 제2 코팅층부(30)를 반복하여 적층된 적층체(40)를 제공한다. 도 6은 그 예시로서, 모재(10) 위에 제1 코팅층부(20)와 제2 코팅층부(30)가 4회 반복되어 적층된 상태를 나타낸다. 제1 코팅층부(20)와 제2 코팅층부(30)를 2회 내지 10회 반복하여 적층할 수 있다. 반복 적층에 의해 모재와 적층체(40)의 열팽창 계수 차이를 줄일 수 있다.

제1 코팅층부(20)와 제2 코팅층부(30)의 적층이 반복되지 않는 경우, 후속 공정에서 가열시 제1 코팅층부(20)와 제2 코팅층부(30)간에 확산이 잘 일어나지 않아 균일한 상태의 코팅층을 제조하기 어렵다. 나아가 적층이 아닌 제1 코팅층부(20)의 소재와 제2 코팅층부(30)의 소재가 혼재된 단일층이 형성되는 경우, 그 두께가 너무 얇아 플라스마 등에 대한 내식성이 저하될 수 있으며, 양 소재를 균일하게 혼합할 수 없어 그 특성이 저하될 수 있다. 따라서 제1 코팅층부(20)와 제2 코팅층부(30)를 2회 이상 반복 적층하는 것이 바람직하다. 또한, 제1 코팅층부(20)와 제2 코팅층부(30)의 적층 회수가 너무 많은 경우, 코팅재의 제조 공정 시간이 길어지고 소재를 다량 사용하여 그 단가가 높아진다. 따라서 제1 코팅층부(20)와 제2 코팅층부(30)를 전술한 회수내에서 적층하는 것이 바람직하다.

그리고 도 1의 단계(S50)에서는 적층체(40)를 열처리하여 코팅층(50)을 제공한다. (도 7에 도시) 먼저, 제1 코팅층부(20)이 전술한 SiO_x를 포함하는 경우, 코팅층(50)은 SiO_x와 YO_z의 반응에 의해 Y₂SiO₅ 또는 Y₂Si₂O₇을 포함하도록 형성된다. 이는 도 4에서의 제1 코팅층부(20)의 두께(t20)와 제2 코팅층부(30)의 두께(t30)를 조절하여 Y-Si-O계 화합물의 몰비를 제어할 수 있다. 예를 들면, 적층체(40)가 Y₂SiO₅를 포함하는 경우, 제1 코팅층부(20)의 두께(t20)에 대한 제2 코팅층부(30)의 두께(t30)의 비는 1.7 내지 2일 수 있다. 비가 이보다 작거나 큰 경우, Y₂SiO₅가 형성되지 않으므로, 비를 전술한 범위로 조절한다. 한편, 적층체(40)가 Y₂Si₂O₇을 포함하는 경우, 제1 코팅층부(20)의 두께(t20)에 대한 제2 코팅층부(30)의 두께(t30)의 비는 1:1.3 내지 1:0.8일 수 있다. 비가 이보다 작거나 큰 경우, Y₂Si₂O₇이 형성되지 않으므로, 비를 전술한 범위로 조절한다.

또한, 제1 코팅층부(20)이 전술한 AlO_y를 포함하는 경우, 코팅층(50)은 AlO_y와 YO_z의 반응에 의해 Y₃Al₅O₁₂, YAlO₄ 또는 Y₄Al₂O₉를 포함하도록 형성된다. 이는 도 5에서의 제1 코팅층부(20)의 두께(t20)와 제2 코팅층부(30)의 두께(t30)를 조절하여 Y-Al-O계 화합물의 몰비를 제어할 수 있다. 열처리에 의해 제1 코팅층부(20)와 제2 코팅층부(30) 사이의 계면에서의 접착력을 개선할 수 있다.

도 8은 이러한 방법으로 제조한 Y-Al-O계 코팅층의 결정 구조 및 화학 단위를 나타낸다. 도 5에 도시한 제1 코팅층부(20)의 두께(t20)와 제2 코팅층부(30)의 두께(t30)를 조절하여 YAG, YAP 또는 YAM 등의 다양한 Y-Al-O계 코팅층을 제조할 수 있다. YAG는 Y₃Al₅O₁₂의 화학식을 가진 입방정계이고, YAP는 YAlO₄의 화학식을 가진 육방정계 또는 사방정계이며, YAM은 Y₄Al₂O₉의 화학식을 가진 단사정계이다. YAP과 YAM은 공정 조건에 따라 형성될 수 있다.

만약, 제1 코팅층부(20)의 두께(t20)에 대한 제2 코팅층부(30)의 두께(t30)의 비가 0.8 내지 1.2인 경우, Y₃Al₅O₁₂를 포함하는 코팅층(50)을 제조할 수 있다. 비가 이보다 작거나 큰 경우, Y₃Al₅O₁₂가 형성되지 않으므로, 비를 전술한 범위로 조절한다. 또한, 제1 코팅층부(20)의 두께(t20)에 대한 제2 코팅층부(30)의 두께(t30)의 비가 1.3 내지 1.8인 경우, YAlO₄를 포함하는 코팅층(50)을 제조할 수 있다. 비가 이보다 작거나 큰 경우, YAlO₄가 형성되지 않으므로, 비를 전술한 범위로 조절한다. 그리고 제1 코팅층부(20)의 두께(t20)에 대한 제2 코팅층부(30)의 두께(t30)의 비가 1.6 내지 2.5인 경우, Y₄Al₂O₉를 포함하는 코팅층(50)을 제조할 수 있다. 비가 이보다 작거나 큰 경우, Y₄Al₂O₉가 형성되지 않으므로, 비를 전술한 범위로 조절한다.

단일층으로 된 코팅층(50)을 형성하기 위해 적층체(40)(도 5에 도시, 이하 동일)를 800℃ 내지 1500℃로 30분 내지 5시간 동안 가열할 수 있다. 이 경우, 단일층은 결정질로 형성된다. 온도 범위 및 온도 시간을 감안시 부식에 취약할 수 있는 비정질은 형성되지 않는다. 적층체(40)의 가열 온도가 너무 높은 경우, 적층체(40)가 과열될 수 있다. 또한, 적층체(40)의 가열 온도가 너무 낮은 경우, 제1 코팅층부(20)와 제2 코팅층부(30)가 상호 화합되어 화합물이 형성되기 어렵다. 따라서 전술한 온도 범위로 적층체(40)를 가열하는 것이 바람직하다. 가열 시간이 너무 짧은 경우, 코팅층(50)이 형성되기에 부족하다. 또한, 가열 시간이 너무 긴 경우, 코팅층(50)이 열화될 수 있다. 따라서 가열 시간은 전술한 범위로 조절하는 것이 바람직하다.

다시 도 7로 돌아가면, 전술한 방법을 통해 적층체(40)를 열처리하는 경우, 코팅층(50)의 두께(t50)는 적층체(40)의 두께(t40)보다 작다. 즉, 적층체(40)를 전술한 온도 범위로 가열하는 경우, 적층체(40)가 어느 정도 수축되어 그 두께가 줄어든 코팅층(50)이 형성된다. 이 경우, 적층체(40)의 두께(t40)에 대한 코팅층(50)의 두께(t50)의 비는 1.1:1 내지 1.6:1 일 수 있다. 이 비가 너무 작은 경우, 열처리 시간이 부족하여 적층체(40)에 포함된 성분이 고르게 혼합되지 않고 코팅층(50)이 단일층으로 형성되지 않는다. 또한, 이 비가 너무 큰 경우, 적층체(40)가 과열되어 균열이 발생할 수 있다. 따라서 비를 전술한 범위로 유지하는 것이 바람직하다. 여기서, 코팅층(50)의 두께(t50)는 0.5㎛ 내지 3㎛일 수 있다.

이러한 본 발명의 일 실시예와는 달리 코팅층(50)을 단일층으로 형성하지 않고 복수층으로 형성하는 경우, 공정이 복잡할 뿐만 아니라 코팅재를 사용시 소재가 상이한 각 층간에 열응력이 발생하여 균열이 발생할 수 있다. 이는 복수층을 형성하고 충분한 열처리를 하지 않아 코팅재가 단일층이 아닌 여전히 복수층을 가지는 경우에도 동일하다. 이와는 달리, 본 발명의 일 실시예에서는 최종적으로 단일층으로 된 코팅층(50)을 제조하므로 공정이 간단할 뿐만 아니라 우수한 플라스마 내식성을 가진다. 즉, 복수의 코팅층부들(20, 30)을 적층한 후 열처리에 의해 이들간의 상호 확산 반응을 유도해 그 특성이 우수한 코팅층(50)을 제조할 수 있다.

이하에서는 실험예를 통하여 본 발명을 좀더 상세하게 설명한다. 이러한 실험예는 단지 본 발명을 예시하기 위한 것이며. 본 발명이 여기에 한정되는 것은 아니다.

실험예 1

도 1의 방법을 이용하여 SiC로 된 모재 위에 코팅층을 형성하였다. 먼저, 모재의 표면을 5KW power 조건으로 플라스마 처리하였다. 그리고 모재 위에 실리콘 소스를 3.0Å/sec의 코팅률과 산소 플로우 10sccm, 이트륨 소스를 1.5Å/sec의 코팅률과 산소 플로우 5sccm의 조건으로 교번하는 물리적 기상 증착을 통해 SiO₂ 층과 Y₂O₃ 층을 반복 적층한 적층체를 제조하였다. 여기서, SiO₂ 층과 Y₂O₃ 층을 4회 반복하여 총 8층으로 된 적층체를 제조하였다. 그리고 산소 분위기하에서 800℃ 내지 1300℃의 온도로 180분 동안 적층체를 가열하여 코팅재를 제조하였다. 제조한 코팅재를 그 사용 환경에 맞게 시험하기 위해 CF₄:O₂의 부피비를 95:5로 하여 에칭 실험을 실시하였다.

실험예 2

도 1의 방법을 이용하여 Al₂O₃로 된 모재 위에 코팅층을 형성하였다. 먼저, 모재의 표면을 5KW power 조건으로 플라스마 처리하였다. 그리고 모재 위에 알루미늄 소스를 3.0Å/sec의 코팅률과 산소 플로우 10sccm로 하고, 이트륨 소스를 1.5Å/sec의 코팅률과 산소 플로우 5sccm로 교번하는 물리적 기상 증착을 통하여 Al₂O₃ 층과 Y₂O₃ 층을 반복 적층한 적층체를 제조하였다. 여기서, Al₂O₃ 층과 Y₂O₃ 층을 2회씩 교번하여 총 4층으로 된 적층체를 제조하였다. 그리고 산소 분위기하에서 1000℃ 내지 1400℃ 로 300분 동안 적층체를 가열하여 코팅재를 제조하였다. 그리고 제조한 코팅재를 그 사용 환경에 맞게 시험하기 위해 CF₄:O₂의 부피비를 95:5로 하여 에칭 실험을 실시하였다.

비교예 1

기판으로 주로 사용되는 Al₂O₃ 벌크재를 준비하였다. Al₂O₃ 벌크재에 CF₄:O₂의 부피비를 95:5로 하여 에칭 실험을 실시하였다.

비교예 2

알루미나로 된 기판 위에 APS(atmospheric plasma spray, 대기 플라스마 용사) 공정을 사용하여 Y₂O₃ 코팅재를 형성하였다. APS 공정을 제외한 나머지 공정들은 전술한 실험예 1과 동일하거나 일반적인 APS 실험 조건을 따랐다. Y₂O₃ 코팅재에 CF₄:O₂의 부피비를 95:5로 하여 에칭 실험을 실시하였다.

비교예 3

알루미나로 된 기판 위에 물리적 기상 증착을 통하여 Y₂O₃ 코팅재를 형성하였다. 나머지 공정들은 전술한 실험예 1와 동일하였다. Y₂O₃ 코팅재에 CF₄:O₂의 부피비를 95:5로 하여 에칭 실험을 실시하였다.

실험 결과

코팅재 조직 관찰

제1 실험예의 실험 결과

도 9는 본 발명의 제1 실험예에 따라 제조한 코팅재 단면의 가열전 및 가열후의 주사전자현미경 사진을 나타낸다. 즉, 도 9의 좌측에는 코팅재 단면의 가열전 주사전자현미경 사진을 나타내고, 도 9의 우측에는 코팅재 단면의 가열후 주사전자현미경 사진을 나타낸다.

도 9의 좌측 사진에 나타난 바와 같이, 물리적 기상 증착법에 의해 적층체를 제조하는 경우, 총 8층의 SiO₂ 층과 Y₂O₃ 층이 반복 형성된 것을 확인할 수 있다. 그리고 이 적층체를 가열한 결과, 도 9의 우측 사진에 나타난 바와 같이, SiO₂ 층과 Y₂O₃ 층의 상호 확산에 의해 핵생성 및 재결정이 이루어져 Y₂SiO₅ (YSO)로 된 단일층이 형성된 것을 확인할 수 있었다.

도 10은 본 발명의 제1 실험예에 따라 제조한 코팅재의 XRD 그래프를 나타낸다. 도 10에 도시한 바와 같이, XRD 실험 결과, 코팅재에서 Y₂SiO₅ 및 SiC가 검출되었다. 여기서, SiC는 모재의 성분이고, Y₂SiO₅는 코팅층의 성분인 것을 확인할 수 있었다. 따라서 전술한 방법들을 통하여 Y₂SiO₅로 된 코팅층이 잘 형성된다는 것을 알 수 있었다.

제2 실험예의 실험 결과

도 11은 제2 실험예에 따라 제조한 코팅재 단면의 가열전의 각 코팅층부의 XRD 그래프를 나타낸다. 여기서, A는 AlO_y 코팅층부를 의미하고, Y는 Y₂O_z 코팅층부를 의미한다.

도 11에 도시한 바와 같이, A1 → Y1 → A2 → Y2의 차례로 코팅층부가 적층된다. 여기서, AlO_y 코팅층부의 Al 및 O의 at%, YO_z 코팅층부의 Y 및 O의 at%를 표로 나타낸다. Al 및 Y의 O에 대한 비는 전술한 범위 이내이다. 실험 상태에 따라 Al과 O 상호간의 분율 및 Y와 O 상호간의 분율은 다소 변화될 수 있다.

도 12는 본 발명의 제2 실험예에 따라 제조한 코팅재 단면의 가열전 및 가열후의 주사전자현미경 사진을 나타낸다. 즉, 도 12의 좌측에는 코팅재 단면의 가열전 주사전자현미경 사진을 나타내고, 도 12의 우측에는 코팅재 단면의 가열후 주사전자현미경 사진을 나타낸다.

도 12의 좌측 사진에 나타난 바와 같이, 물리적 기상 증착법에 의해 적층체를 제조하는 경우, 총 4층의 Al₂O₃ 층과 Y₂O₃ 층이 반복 형성된 것을 확인할 수 있다. 그리고 이 적층체를 가열한 결과, 도 12의 우측 사진에 나타난 바와 같이, Al₂O₃ 층과 Y₂O₃ 층의 상호 확산에 의해 핵생성 및 재결정이 이루어져 Y₃Al₅O₁₂ (YAG)로 된 단일층이 형성된 것을 확인할 수 있었다.

도 13은 본 발명의 제2 실험예에서 온도 증가에 따라 적층체를 형성하는 각 코팅층부가 단일층의 코팅재로 형성되는 과정을 개략적으로 나타낸 그래프이다.

도 13에 도시한 바와 같이, 온도 증가에 따라 상호 적층된 YO_z 코팅층부 및 AlO_y 코팅층부간에 상호 확산이 일어나면서 Y_αAl_βO_γ (2.5≤α≤3.5, 4.5≤β≤5.5, 11.5≤γ≤12.5)로 된 단일층이 형성된다. 즉, YO_z 코팅층부 및 AlO_y 코팅층부는 그 열처리 온도가 증가함에 따라 균일한 하나의 물질로 형성된다.

도 14는 본 발명의 제2 실험예에 따라 제조한 코팅재의 XRD 그래프를 나타낸다. 도 14에 도시한 바와 같이, XRD 실험 결과, 코팅재에서 Y₃Al₅O₁₂ 및 Al₂O₃가 검출되었다. 여기서, Al₂O₃는 모재의 성분이고, Y₃Al₅O₁₂는 코팅층의 성분인 것을 확인할 수 있었다. 따라서 전술한 방법들을 통하여 Y₃Al₅O₁₂로 된 코팅층이 잘 형성된다는 것을 알 수 있었다.

에칭 실험 결과

도 15는 비교예 1 내지 비교예 3, 실험예 1 및 실험예 2에 따른 에칭 실험 결과의 그래프를 나타낸다.

도 15에 도시한 바와 같이, 에칭 실험을 실시한 결과, 본 발명의 실험예 1 및 실험예 2에서는 코팅재의 에칭율이 2.5nm/min에 불과한 것으로 확인되었다. 이와는 대조적으로, 비교예 1 내지 비교예 3의 경우, 그 에칭율이 전술한 실험예 1 및 실험예 2에 비해 훨씬 크게 나타났다. 예를 들면, 비교예 1의 경우 61.2nm/min, 비교예 2의 경우 26.5nm/min, 비교예 3의 경우 4.2nm/min으로 나타났다. 따라서 전술한 본 발명의 실험예 1 및 실험예 2를 통해 제조한 코팅재는 우수한 에칭율을 가져서 플라스마 부식 환경에 사용하기 적합한 것을 알 수 있었다.

본 발명을 앞서 기재한 바에 따라 설명하였지만, 다음에 기재하는 특허청구범위의 개념과 범위를 벗어나지 않는 한, 다양한 수정 및 변형이 가능하다는 것을 본 발명이 속하는 기술 분야에서 종사하는 자들은 쉽게 이해할 것이다.

10. 모재
101. 표면
20. 제1 코팅층부
30. 제2 코팅층부
40. 적층체
50. 코팅층
100, 200. 코팅재

Claims (16)

1. 챔버 내벽의 부식에 따른 이물질 낙하로 인한 소자의 오염 방지용으로 상기 챔버 내벽에 형성되는 코팅재의 제조 방법으로서,
   SiO₂ 및 Al₂O₃로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 물질을 포함하는 모재를 제공하는 단계,
   상기 모재 위에 AlO_y (0.1≤y≤1)를 포함하는 제1 코팅층부를 제공하는 단계,
   상기 제1 코팅층부 위에 YO_z (0.1≤z≤1)를 포함하는 제2 코팅층부를 제공하는 단계,
   상기 제1 코팅층부와 상기 제2 코팅층부를 반복하여 적층한 적층체를 제공하는 단계, 및
   상기 적층체를 열처리하여 상기 제1 코팅층부와 상기 제2 코팅층부 상호간의 고상 반응에 의해 결정질의 단일층으로 된 코팅층을 제공하는 단계
   를 포함하는 코팅재의 제조 방법.
2. 삭제
3. 삭제
4. 삭제
5. 삭제
6. 제1항에서,
   상기 모재를 제공하는 단계에서, 상기 모재는 상기 Al₂O₃를 포함하고,
   상기 코팅층을 제공하는 단계에서, 상기 적층체를 1000℃ 내지 1500℃ 에서 가열하고, 상기 코팅층은 Y_αAl_βO_γ (2.5≤α≤3.5, 4.5≤β≤5.5, 11.5≤γ≤12.5)를 포함하는 코팅재의 제조 방법.
7. 제1항에서,
   상기 모재를 제공하는 단계에서, 상기 모재는 상기 Al₂O₃를 포함하고,
   상기 코팅층을 제공하는 단계에서, 상기 적층체를 1000℃ 내지 1500℃ 에서 가열하고, 상기 코팅층은 Y₃Al₅O₁₂, YAlO₄ 및 Y₄Al₂O₉로 이루어진 군에서 선택된 하나 이상의 화합물을 포함하는 코팅재의 제조 방법.
8. 제7항에서,
   상기 코팅층이 Y₃Al₅O₁₂를 포함하는 경우, 상기 적층체를 제공하는 단계에서 상기 제1 코팅층부의 두께에 대한 상기 제2 코팅층부의 두께의 비는 0.8 내지 1.2인 코팅재의 제조 방법.
9. 제7항에서,
   상기 코팅층이 YAlO₄를 포함하는 경우, 상기 적층체를 제공하는 단계에서 상기 제1 코팅층부의 두께에 대한 상기 제2 코팅층부의 두께의 비는 1.3 내지 1.8인 코팅재의 제조 방법.
10. 제7항에서,
    상기 코팅층이 Y₄Al₂O₉를 포함하는 경우, 상기 적층체를 제공하는 단계에서 상기 제1 코팅층부의 두께에 대한 상기 제2 코팅층부의 두께의 비는 1.6 내지 2.5인 코팅재의 제조 방법.
11. 삭제
12. 제1항에서,
    상기 코팅층을 제공하는 단계에서, 상기 적층체를 800℃ 내지 1300℃로 가열하고, 상기 코팅층의 두께는 상기 적층체의 두께보다 작고, 상기 코팅층의 두께에 대한 상기 적층체의 두께의 비는 1.25 내지 1.6인 코팅재의 제조 방법.
13. 제1항에서,
    상기 적층체를 제공하는 단계에서, 상기 제1 코팅층부와 상기 제2 코팅층부를 2회 내지 10회 반복하여 적층하는 코팅재의 제조 방법.
14. 제1항에서,
    상기 모재를 제공하는 단계와 상기 제1 코팅층부를 제공하는 단계의 사이에 상기 모재의 표면을 표면 처리하는 단계를 더 포함하고,
    상기 표면 처리는 플라스마 또는 이온빔으로 이루어지며, 상기 표면 처리에 의한 상기 모재의 표면 조도(Ra)는 0.1㎛ 내지 0.3㎛인 코팅재의 제조 방법.
15. 제14항에 있어서,
    상기 표면 처리가 상기 이온빔에 의해 이루어지는 경우, 상기 이온빔 파워는 0.5KW 내지 3KW인 코팅재의 제조 방법.
16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항에 따른 방법으로 제조된 코팅재.

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