KR102345222B1 - 금속모재의 열차폐 코팅방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 웨이퍼 증착용 확산 노 내부의 부품으로 사용되는 금속모재의 표면에 열차폐를 위한 세라믹소재를 코팅하는 방법에 관한 것으로서, 상기 금속모재의 표면에 잔존하는 산화막을 제거하고, 표면에 요철이 형성되도록 하는 에칭단계 및 산화막이 제거된 상기 금속모재의 표면에 상기 금속모재의 열팽창계수와 상기 세라믹소재의 열팽창계수의 중간값을 갖는 중간금속소재를 코팅하는 본드코팅층 형성단계 및 상기 본드코팅층 표면에 상기 세라믹소재를 코팅하는 세라믹코팅층 형성단계를 포함하여 이루어진다.
상기와 같은 본 발명에 의하면, 고온에서 장시간 사용하더라도 금속모재와 본드코팅층 사이에 TGO(Thermally Grown Oxide, 열성장 산화물)의 생성이 최소화되어 본드코팅층이 금속모재로부터 박리되는 것을 방지할 수 있으므로 열차폐 코팅층 및 부품의 수명이 현저하게 향상된다.
또한, 열적 또는 기계적 응력의 집중으로 세라믹코팅층에 국부적인 균열이 발생되더라도 이의 진행을 억제할 수 있는 기능을 제공함에 따라 열차폐 코팅층 및 부품의 수명이 현저하게 향상된다.

Description

금속모재의 열차폐 코팅방법{Method for thermal barrier coating of metallic material}

본 발명은 금속모재의 열차폐 코팅방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 에 고온에서 장시간 사용하더라도 금속모재와 본드코팅층 사이에 TGO(Thermally Grown Oxide, 열성장 산화물)의 생성을 최소화할 수 있고, 열적 또는 기계적 응력의 집중으로 세라믹코팅층에 국부적인 균열이 발생되더라도 이의 진행을 억제할 수 있는 기능을 제공하는 금속모재의 열차폐 코팅방법에 관한 것이다.

일반적으로 반도체 소자의 제조과정에는 웨이퍼 상에 산화실리콘막, 질화실리콘막 및 금속막 등의 다양한 재질의 박막을 순차적으로 증착하는 성막(成膜) 공정을 포함한다.

위와 같은 성막 공정은 내부에 증착가스가 유입되는 공간이 형성된 본체와, 본베 내부에 설치되고 상하 방향을 따라 웨이퍼가 안착되는 다수의 슬롯이 형성된 보트를 포함하는 확산 노(diffusion furnace) 내에서 이루어진다.

한편, 성막 공정 과정에서는 확산 노 내부의 온도를 800~1000℃의 고온으로 유지하게 된다. 이에 따라 확산 노 내부에 구성되는 부품들은 장시간 고온의 환경에 노출됨에 따라 통상적으로 내열성이 우수한 스테인리스 또는 하스텔로이를 포함하는 니켈(Ni)기 초내열합금이 사용된다.

그러나, 위와 같은 스테인리스 또는 초내열합금도 고온의 환경에 장시간 노출되는 경우, 내식성이 저하됨에 따라 내구성이 현저하게 감소되는 문제점이 있다.

이러한 이유로 종래에는 확산 노 내부에 구성되는 부품들에 사용되는 금속모재의 표면에 세라믹 소재의 열차폐 코팅층을 형성하여 금속모재로 전달되는 열을 차단함으로써 이를 해결하고 있으나, 이러한 세라믹코팅층은 고온과 저온이 반복되는 운전환경에서는 금속모재와의 열팽창계수의 차이로 금속모재로부터 쉽게 박리되는 문제가 발생한다.

이러한 이유로 최근에는 열차폐 코팅층을 도 1에 도시된 바와 같이, 최외각에서 직접적으로 금속모재(S)로 전달되는 열을 차폐하는 세라믹코팅층(100)과 금속모재(S) 사이에 중간 열팽창계수를 갖는 금속성분으로 이루어진 본드코팅층(200)을 개재함으로써, 세라믹코팅층(100)이 금속모재(S)로부터 쉽게 박리되는 문제를 해결하고 있다.

그러나, 상기한 열차폐 코팅층도 고온의 환경에 장시간 노출되는 경우, 열적 또는 기계적 응력의 집중으로 세라믹코팅층(100)에 국부적인 균열이 발생될 수 있으며, 이러한 균열을 통해 외부로부터 유입되는 산소 또는 본드코팅층(200) 내부에 잔존하는 산소가 확산되면서 금속모재(S)와 반응하여 금속모재(S)와 본드코팅층(200) 사이에 TGO(Thermally Grown Oxide, 열성장 산화물)층이 생성된다.

이러한 TGO 층은 금속모재(S)와 본드코팅층(200) 간의 박리현상을 유발하는 요인으로 작용하게 된다.

따라서, 고온에서 장시간 사용하더라도 금속모재(S)와 본드코팅층(200) 사이에 TGO 층이 생성되는 것을 최소화할 수 있는 열차폐 코팅방법이 요구되고 있는 실정이다.

본 발명은 상기와 같은 문제점을 해결하기 위해 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 고온에서 장시간 사용하더라도 금속모재와 본드코팅층 사이에 TGO(Thermally Grown Oxide, 열성장 산화물)의 생성을 최소화할 수 있도록 한 금속모재의 열차폐 코팅방법을 제공함에 있다.

또한, 열적 또는 기계적 응력의 집중으로 세라믹코팅층에 국부적인 균열이 발생되더라도 이를 메워 균열의 진행을 억제하고, 외부로부터 산화물질이 침투되는 것을 방지할 수 있는 기능을 제공하는 금속모재의 열차폐 코팅방법을 제공함에 있다.

상기 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따르면, 웨이퍼 증착용 확산 노 내부의 부품으로 사용되는 금속모재의 표면에 열차폐를 위한 세라믹소재를 코팅하는 방법에 있어서, 상기 금속모재의 표면에 잔존하는 산화막을 제거하고, 표면에 요철이 형성되도록 하는 에칭단계 및 산화막이 제거된 상기 금속모재의 표면에 상기 금속모재의 열팽창계수와 상기 세라믹소재의 열팽창계수의 중간값을 갖는 중간금속소재를 코팅하는 본드코팅층 형성단계 및 상기 본드코팅층 표면에 상기 세라믹소재를 코팅하는 세라믹코팅층 형성단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 금속모재의 열차폐 코팅방법이 제공된다.

여기서, 상기 에칭단계는 상기 금속모재를 10 ~ 300초 동안 에칭 용액에 침지시켜 표면에 잔존하는 산화막을 1차적으로 제거하고, 표면에 요철이 형성되도록 하는 습식 에칭단계 및 습식 에칭이 완료된 금속모재를 500 ~ 1000℃에서 플라즈마화된 에칭가스와 반응시켜 표면에 잔존하는 산화막을 2차적으로 제거하는 건식 에칭단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

그리고, 상기 본드코팅층 형성단계는 400~500℃ 온도와 3~7kg/cm2 의 압력을 갖는 압축가스를 상기 중간금속소재 분말과 함께 상기 금속모재의 표면에 분사하는 콜드 스프레이 방법에 의해 이루어지는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 세라믹코팅층 형성단계는 400~500℃ 온도와 3~7kg/cm2 의 압력을 갖는 압축가스를 상기 세라믹소재 분말과 함께 상기 금속모재의 표면에 분사하는 콜드 스프레이 방법에 의해 이루어지는 것을 특징으로 한다.

아울러, 상기 세라믹코팅층 형성단계는 상기 본드코팅층 표면에 상기 세라믹소재 분말을 1차적으로 코팅하는 제 1 세라믹코팅층 형성단계 및 상기 제 1 세라믹코팅층 표면에 SiO2, Ni, Gd, Cr, Al 중 선택된 적어도 둘 이상을 포함하는 혼합분말을 코팅하는 균열보수층 형성단계 및 상기 균열보수층 표면에 상기 세라믹소재 분말을 2차적으로 코팅하는 제 2 세라믹코팅층 형성단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기와 같은 본 발명에 의하면, 고온에서 장시간 사용하더라도 금속모재와 본드코팅층 사이에 TGO(Thermally Grown Oxide, 열성장 산화물)의 생성이 최소화되어 본드코팅층이 금속모재로부터 박리되는 것을 방지할 수 있으므로 열차폐 코팅층 및 부품의 수명이 현저하게 향상된다.

또한, 열적 또는 기계적 응력의 집중으로 세라믹코팅층에 국부적인 균열이 발생되더라도 이를 메워 균열의 진행을 억제하고, 외부로부터 산화물질이 침투되는 것을 방지할 수 있는 기능을 제공함에 따라 열차폐 코팅층 및 부품의 수명이 현저하게 향상된다.

도 1은 종래 열차폐 코팅층의 문제점을 설명하기 위한 도면.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속모재의 열차폐 코팅방법의 순서를 도시한 것.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에칭 단계를 세부적으로 도시한 것.
도 4는 콜드 스프레이 분사장치를 개략적으로 도시한 것.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹코팅층 형성단계를 세부적으로 도시한 것.

이하에서는 도면을 참조하여 본 발명을 보다 상세하게 설명한다. 도면들 중 동일한 구성요소들은 가능한 어느 곳에서든지 동일한 부호들로 나타내고 있음에 유의해야 한다. 또한 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지기능 및 구성에 대한 상세한 설명은 생략한다.

도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 금속모재의 열차폐 코팅방법의 순서를 도시한 것이고, 도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 에칭 단계를 세부적으로 도시한 것이고, 도 4는 콜드 스프레이 분사장치를 개략적으로 도시한 것이고, 도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹코팅층 형성단계를 세부적으로 도시한 것이다.

도 2를 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 금속모재의 열차폐 코팅방법은 웨이퍼 증착용 확산 노 내부의 부품으로 사용되는 금속모재의 표면에 열차폐를 위한 세라믹소재를 코팅하는 방법에 관한 것으로서, 에칭단계(S1), 본드코팅층 형성단계(S2) 및 세라믹코팅층 형성단계(S3)를 포함한다.

여기서, 금속모재는 내열성이 우수한 스테인리스 또는 하스텔로이를 포함하는 니켈(Ni)기 초내열합금 중 선택된 어느 하나가 될 수 있다.

에칭단계는 금속모재의 표면에 잔존하는 산화막을 제거하고, 표면에 요철이 형성되도록 하는 단계로 도 3에 도시된 바와 같이, 습식 에칭단계 및 건식 에칭단계를 포함한다.

습식 에칭단계에서는 금속모재를 10~300초 동안 에칭 용액에 침지시켜 금속모재의 표면에 잔존하는 산화막을 1차적으로 제거하고, 표면에 요철이 형성되도록 한다.

여기서, 사용되는 에칭 용액으로는 불산(HF), 불화암모늄(NH4F), 아세트산(CH3COOH) 중 선택된 어느 하나가 사용될 수 있다.

건식 에칭단계에서는 500~1000℃로 유지되는 기존 건식 식각 장비 내부에 습식 에칭이 완료된 금속모재를 투입하고, 플라즈마화된 에칭 가스를 공급하여 반응시켜 금속모재의 표면에 잔존하는 산화막을 2차적으로 제거한다.

여기서, 사용되는 에칭 가스로는 플루오르폼(CHF3), 사불화탄소(CF4), 아르콘(Ar), 수소(H2) 중 선택된 어느 하나가 사용될 수 있다.(S1)

위와 같이, 본 발명은 2번의 에칭단계를 통해 금속모재의 표면에 잔존하는 산화물이 보다 확실하게 제거됨에 따라 금속모재와 본드코팅층 간의 밀착력이 향상될 뿐 아니라, 고온에서 장시간 사용하더라도 금속모재의 표면과 후술하는 본드코팅층 사이에 열성장 산화물(Thermally Grown Oxide, TGO)이 생성되는 것을 최소화할 수 있다.

또한, 금속모재의 표면에 형성되는 요철을 통해 본드코팅층이 접촉되는 표면적이 증가하게 된다.

이에 따라 금속모재와 본드코팅층 사이의 밀착력 및 결합력이 크게 향상되므로 본드코팅층이 금속모재로부터 박리되는 것을 보다 확실하게 방지할 수 있다.(S1)

본드코팅층 형성단계는 산화막이 제거된 금속모재의 표면에 금속모재의 열팽창계수와 세라믹소재의 열팽창계수의 중간값을 갖는 중간금속소재를 콜드 스프레이 방법으로 분사하여 금속모재의 표면에 본드코팅층을 형성하는 단계이다.

한편, 콜드 스프레이 방법은 도 4에 도시된 콜드 스프레이 장치(1)를 통해 수행되며, 콜드 스프레이 장치(1)는 후단부에 압축가스가 주입되는 주입구(11)가 형성되고 선단에 분사노즐(12)이 형성되며 선단부 일측에 코팅대상분말이 투입되는 투입구(13)가 형성된 본체(10), 본체(10) 내부에 설치되어 압축가스를 가열하는 히터(20)를 포함하여 이루어진다.

위와 같은 콜드 스프레이 장치(1)의 동작을 간단하게 살펴보면, 일정 온도로 미리 가열된 압축가스가 주입구(11)를 통해 본체(10) 내부로 유입되면, 본체(10) 내부로 유입된 압축가스는 히터(20)에 의해 가열되어 운동에너지가 증가되고, 운동에너지의 증가로 300~1200m/s로 가속된 압축가스는 투입구(13)를 통해 투입되는 코팅대상분말과 함께 분사노즐(12)을 통해 금속모재(S)의 표면에 분사되어 금속모재(S)의 표면에 코팅대상분말의 코팅이 이루어진다.

여기서, 본 발명에 사용되는 중간금속소재는 직경 0.05~5㎛ 의 엠크라리(MCrAlY) 분말이 사용될 수 있으며, 압축가스는 분사속도 및 경제성을 고려하여 헬륨, 질소, 공기 중 선택된 어느 하나가 사용될 수 있다.

특히, 본 발명은 콜드 스프레이 장치(1)를 통해 분사되는 압축가스의 온도가 너무 낮으면 중간금속소재 분말이 제대로 용융되지 않아 코팅이 제대로 이루어지지 않고, 온도가 너무 높으면 중간금속소재 분말에 의해 형성되는 본드코팅층과 금속모재(S)간의 열팽창계수 차이로 코팅과정에서 본드코팅층이 금속모재(S)로부터 박리되는 문제가 발생될 수 있으므로 압축가스의 온도는 400~500℃로 유지하는 것이 바람직하다.

또한, 압축가스의 압력이 너무 낮으면 중간금속소재 분말이 금속모재(S)의 표면에 도달하지 않아 균일한 코팅이 이루어지지 않고, 너무 높으면 중간금속소재 분말이 금속모재(S)의 표면에 강하게 분사되어 균일한 코팅이 이루어지지 않으므로 고, 압축가스의 압력은 3~7kg/cm₂로 유지하는 것이 바람직하다.

아울러, 코팅과정에서 금속모재(S)와 분사노즐(12) 간의 이격거리가 너무 작으면 중간금속소재 분말이 금속모재(S)의 표면에 강하게 분사되어 균일한 코팅이 이루어지지 않고, 너무 크면 중간금속소재 분말이 금속모재(S)의 표면에 도달하지 않아 균일한 코팅이 이루어지지 않으므로 금속모재(S)와 분사노즐(12) 간의 이격거리는 5~60mm을 유지하는 것이 바람직하다.

그리고, 최종적으로 코팅되는 본드코팅층의 두께가 너무 얇으면 금속모재(S)와 세라믹코팅층의 열팽창계수 차이로 인한 내부응력을 이완할 수 있는 효과가 적어 열충격에 의한 세라믹코팅층의 박리가 발생될 수 있고, 너무 두꺼우면 제조비용이 크게 증가될 수 있으므로, 본드코팅층의 두께는 100~400㎛로 형성하는 것이 바람직하다.(S2)

세라믹코팅층 형성단계는 본드코팅층의 표면에 열차폐를 위한 세라믹소재 분말을 콜드 스프레이 방법으로 분사하여 본드코팅층의 표면에 세라믹코팅층을 형성하는 단계이다.

한편, 세라믹코팅층을 형성하기 위한 콜드 스프레이 방법은 앞서 설명한 본드코팅층에 사용되는 방법과 동일하므로 이에 대한 상세한 설명은 생략하기로 한다.

여기서, 세라믹소재는 질화알루미늄(AlN), 알루미나(Al2O3), 이트리아(Y2O3), 야그(YAG), 지르코니아(ZrO2), 세륨옥사이드(CeO2), 탄화규소(SiO), 질화규소(Si3N4), 탄화붕소(BC), 이산화티타늄(TiO2) 중 선택된 어느 하나가 사용될 수 있으나, 지르코니아(ZrO2)계 세라믹스인 이트리아(Y2O3)를 포함하는 이트리아 안정화 지르코니아(YSZ)를 사용하는 것이 바람직하다.

그리고, 세라믹코팅층의 두께가 너무 얇으면 열 차폐기능이 미비하고, 너무 두꺼우면 열팽창계수의 차이에 따른 크랙 발생의 원인이 되므로, 세라믹코팅층의 두께는 20~1500㎛로 형성하는 것이 바람직하다.

특히, 본 발명은 세라믹코팅층 형성단계가 도 5에 도시된 바와 같이, 제 1 세라믹코팅층 형성단계, 균열보수층 형성단계 및 제 2 세라믹코팅층 형성단계를 포함한다.

제 1 세라믹코팅층 형성단계에서는 본드코팅층의 표면에 세라믹소재 분말을 콜드 스프레이 방법으로 분사하여 본드코팅층의 표면에 제 1 세라믹코팅층을 형성하는 단계이며, 이러한 제 1 세라믹코팅층은 열차폐 기능을 수행한다.(S11)

균열보수층 형성단계에서는 제 1 세라믹코팅층 표면에 이산화규소(SiO2), 니켈(Ni), 가돌리늄(Gd), 크롬(Cr), 알루미늄(Al) 중 선택된 적어도 둘 이상을 포함하는 혼합분말을 콜드 스프레이 방법으로 분사하여 제 1 세라믹코팅층의 표면에 균열보수층을 형성하는 단계이며, 이러한 균열보수층은 제 1 및 제 2 세라믹코팅층에 균열이 발생되는 경우 용융되어 균열을 메움으로써 균열의 진행을 억제하는 기능을 수행한다.(S12)

제 2 세라믹코팅층 형성단계에서는 균열보수층의 표면에 세라믹소재 분말을 콜드 스프레이 방법으로 분사하여 균열보수층의 표면에 제 2 세라믹코팅층을 형성하는 단계이며, 이러한 제 2 세라믹코팅층은 열차폐 기능을 수행한다.(S13)

위와 같이, 본 발명의 세라믹코팅층은 제 1 및 제 2 세라믹코팅층 사이에 균열보수층이 형성됨에 따라 열적 또는 기계적 응력의 집중으로 최외각에 배치된 제 2 세라믹코팅층에 국부적인 균열이 발생되더라도 균열보수층이 이러한 균열을 메워 균열의 진행을 억제하고, 외부로부터 산화물질이 침투되는 것을 방지함에 따라 세라믹코팅층의 내구성이 크게 향상된다.(S3)

본 발명은 세라믹코팅층 형성단계 이후에 100~150℃에서 열처리하여 산화물이 세라믹코팅층에 침투되는 것을 방지하는 큐어링 단계를 더 포함할 수 있다.

전술한 바와 같이, 본 발명은 고온에서 장시간 사용하더라도 금속모재와 본드코팅층 사이에 TGO(Thermally Grown Oxide, 열성장 산화물)의 생성이 최소화되어 본드코팅층이 금속모재로부터 박리되는 방지할 수 있으므로 열차폐 코팅층 및 부품의 수명이 현저하게 향상된다.

또한, 열적 또는 기계적 응력의 집중으로 세라믹코팅층에 국부적인 균열이 발생되더라도 균열보수층이 균열을 메워 이의 진행을 억제하고, 외부로부터 산소가 침투되는 것을 방지할 수 있으므로 열차폐 코팅층 및 부품의 수명이 현저하게 향상된다.

비록 본 발명이 상기 바람직한 실시 예들과 관련하여 설명되어졌지만, 발명의 요지와 범위로부터 벗어남이 없이 다양한 수정이나 변형을 하는 것이 가능하다. 따라서, 첨부된 특허 청구범위는 본 발명의 요지에 속하는 이러한 수정이나 변형을 포함할 것이다.

1 : 콜드 스프레이 장치 10 : 본체
11 : 주입구 12 : 분사노즐
13 : 투입구 20 : 히터
S : 금속모재

Claims (5)

1. 웨이퍼 증착용 확산 노 내부의 부품으로 사용되는 금속모재의 표면에 열차폐를 위한 세라믹소재를 코팅하는 방법에 있어서,
   상기 금속모재의 표면에 잔존하는 산화막을 제거하고, 표면에 요철이 형성되도록 하는 에칭단계와;
   산화막이 제거된 상기 금속모재의 표면에 상기 금속모재의 열팽창계수와 상기 세라믹소재의 열팽창계수의 중간값을 갖는 중간금속소재를 코팅하는 본드코팅층 형성단계와;
   상기 본드코팅층 표면에 상기 세라믹소재를 콜드 스프레이 방식으로 코팅하는 세라믹코팅층 형성단계를 포함하고,
   상기 에칭단계는,
   상기 금속모재를 10 ~ 300초 동안 에칭 용액에 침지시켜 표면에 잔존하는 산화막을 1차적으로 제거하고, 표면에 요철이 형성되도록 하는 습식 에칭단계와,
   습식 에칭이 완료된 금속모재를 500 ~ 1000℃에서 플라즈마화된 에칭가스와 반응시켜 표면에 잔존하는 산화막을 2차적으로 제거하는 건식 에칭단계를 포함하고,
   상기 에칭 용액과 상기 에칭 가스는 서로 다른 물질이며,
   상기 본드코팅층 형성단계는,
   400~500℃ 온도와 3~7kg/cm2 의 압력을 갖는 압축가스를 상기 중간금속소재 분말과 함께 상기 금속모재의 표면에 분사노즐을 이용하여 분사하는 콜드 스프레이 방법에 의해 이루어지며,
   상기 분사 노즐과 상기 금속모재 사이의 이격 거리는 5~60mm이며,
   상기 세라믹코팅층 형성단계는,
   상기 본드코팅층 표면에 상기 세라믹소재 분말을 1차적으로 코팅하는 제 1 세라믹코팅층 형성단계와,
   상기 제 1 세라믹코팅층 표면에 SiO2, Ni, Gd, Cr, Al 중 선택된 적어도 둘 이상을 포함하는 혼합분말을 코팅하는 균열보수층 형성단계와,
   상기 균열보수층 표면에 상기 세라믹소재 분말을 2차적으로 코팅하는 제 2 세라믹코팅층 형성단계를 포함하는 것을 특징으로 하며,
   상기 금속 모재는 스테인리스 또는 하스텔로이를 포함하는 니켈(Ni)기 초내열합금 중 선택된 어느 하나로 구성되며,
   상기 중간금속소재는 직경 0.05~5㎛ 의 엠크라리(MCrAlY) 분말인 것을 특징으로 하는 금속모재의 열차폐 코팅방법.
   
2. 삭제
3. 삭제
4. 제 1 항에 있어서,
   상기 세라믹코팅층 형성단계에서의 콜드 스프레이 방식은,
   400~500℃ 온도와 3~7kg/cm2 의 압력을 갖는 압축가스를 상기 세라믹소재 분말과 함께 상기 금속모재의 표면에 분사하는 것을 특징으로 하는 금속모재의 열차폐 코팅방법.
5. 삭제

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