KR102348171B1

KR102348171B1 - 플라즈마 스프레이용 산화이트륨 분말의 제조방법

Info

Publication number: KR102348171B1
Application number: KR1020210106734A
Authority: KR
Inventors: 최진식
Original assignee: 최진식
Priority date: 2021-08-12
Filing date: 2021-08-12
Publication date: 2022-01-06

Abstract

본 발명은 플라즈마 스프레이용 산화이트륨 분말의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 산화이트륨 분말에 용매, 바인더 및 분산제를 혼합하는 원료혼합단계, 상기 원료혼합단계를 통해 제조된 혼합물을 교반 및 볼밀하여 슬러리로 제조하는 분산분쇄단계, 상기 분산분쇄단계를 통해 슬러리로 제조된 혼합물을 회전판에 드롭핑하고 건조하여 분말화하는 분말화단계, 상기 분말화단계를 통해 제조된 분말을 소성하는 소성단계 및 상기 소성단계를 통해 소성된 분말을 채거름하는 채거름단계로 이루어진다.
상기의 과정을 통해 제조되는 플라즈마 스프레이용 산화이트륨 분말은 높은순도를 나타낼 뿐만 아니라, 플라즈마 스프레이 장치에 적합하도록 입자크기가 조절된다.

Description

플라즈마 스프레이용 산화이트륨 분말의 제조방법 {MANUFACTURING METHOD OF YTTRIUM OXIDE POWDER FOR PLASMA SPRAY}

본 발명은 플라즈마 스프레이용 산화이트륨 분말의 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 높은순도를 나타낼 뿐만 아니라, 플라즈마 스프레이 장치에 적합하도록 입자크기가 조절된 산화이트륨 분말을 제공하는 플라즈마 스프레이용 산화이트륨 분말의 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 제조용 공정에서는 식각 및 증착을 위해 대부분 플라즈마(Plasma)를 사용하고 있는데, 이때 사용되는 공정 부품들의 대부분은 유전체 표면을 가진 부품으로 특히 소결에 의한 알루미나 부품이 주종을 이룬다.

반도체 제조 공정 중 플라즈마에 노출되는 유전체 표면을 가진 부품들이 플라즈마 조건에 따라 Radical에 의한 화학적 공격(Chemical Attack)과 플라즈마의 플로팅 포텐셜(Floating Potential)에 의한 이온 포격(Ion Bombardment) 효과에 의한 물리적 공격(Physical Attack) 등으로 침식(Erosion)과 같은 모재에 손상이 발생하고, 이러한 손상된 모재 및 침식 발생시 이물질에 의해 반도체 웨이퍼상에 입자성 오염이 발생하여 반도체 제조 수율에 악영향을 미치고 있다.

구체적으로 살펴보면, 공정챔버 내부의 부재는 증착공정에서 질화불소(NF₃) 등의 불소계 가스 플라즈마 분위기 및 높은 온도에 노출되어 있기 때문에 내플라즈마성 및 내식성이 필요하고, 에칭공정에서는 에칭가스로서 염소계 가스(예를 들면, 염화붕소(BCl) 등) 또는 불소계 가스(예를들면, 불화탄소(CF4) 등)와 같이 부식성가스를 사용하기 때문에 내식성, 내플라즈마성 및 내파티클성이 더 요구된다.

또한, 오염된 부재를 세정하기 위하여 공정을 중단하고 상기 부재를 공정챔버 외부로 반출하거나, 공정을 멈추지 않고 공정챔버가 개방되지 않은 상태에서 습식 또는 건식방법으로 원위치 세정(in-situ cleaning)을 할 때에는 부재 표면 코팅층 또는 소결체의 기공(pore)과 균열(crack)에 잔류하고 있는 가스 및 불순물과 누설 전류(leakage current)로 인해 아킹(arcing)이 발생하지 않도록 하는 것이 요구된다. 따라서, 이와 같은 처리공정에서 부재는 우수한 내부식성, 내플라즈마성, 내파티클성, 내아킹성이 요구되는데, 이에 부합하는 내플라즈마성이 우수한 소재로는 산화이트륨(Y₂O₃, 이트리아; yttria)이 알려져 있다.

또한, 산화이트륨은 분말 형태로 아르곤과 함께 플라즈마 스프레이 공정에서 사용되는데, 산화이트륨 원료는 5㎛ 내외의 입자크기를 나타내며, 입도가 작기 때문에, 용사피막 형성과정에서 입자간 뭉침현상이 발생하여 균일하고 요철이 없이 평탄한 이트륨계 용사 피막을 얻기가 어려운 문제점이 있었다.

한국특허등록 제10-0727672호(2007.06.05) 한국특허등록 제10-2209860호(2021.01.25)

본 발명의 목적은 높은순도를 나타낼 뿐만 아니라, 플라즈마 스프레이 장치에 적합하도록 입자크기가 조절된 산화이트륨 분말을 제공하는 플라즈마 스프레이용 산화이트륨 분말의 제조방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 목적은 산화이트륨 분말에 용매, 바인더 및 분산제를 혼합하는 원료혼합단계, 상기 원료혼합단계를 통해 제조된 혼합물을 교반 및 볼밀하여 슬러리로 제조하는 분산분쇄단계, 상기 분산분쇄단계를 통해 슬러리로 제조된 혼합물을 회전판에 드롭핑하고 건조하여 분말화하는 분말화단계, 상기 분말화단계를 통해 제조된 분말을 소성하는 소성단계 및 상기 소성단계를 통해 소성된 분말을 채거름하는 채거름단계로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 스프레이용 산화이트륨 분말의 제조방법을 제공함에 의해 달성된다.

본 발명의 바람직한 특징에 따르면, 상기 원료혼합단계는 산화이트륨 분말 100 중량부에 용매 85 내지 95 중량부, 바인더 0.01 내지 0.03 중량부 및 분산제 0.2 내지 0.4 중량부를 혼합하여 이루어지는 것으로 한다.

본 발명의 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 플라즈마 스프레이용 산화이트륨 분말은 20 내지 50㎛의 입자크기를 나타내는 것으로 한다.

본 발명의 더욱 바람직한 특징에 따르면, 상기 용매는 초순수 또는 질량농도가 99.5 내지 99.9%인 에탄올로 이루어지는 것으로 한다.

본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 바인더는 폴리비닐부티랄로 이루어지는 것으로 한다.

본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 분산분쇄단계는 상기 원료혼합단계를 통해 제조된 혼합물을 250 내지 350rpm의 속도로 5 내지 14시간 동안 교반하고, 볼밀로 분쇄하여 이루어지는 것으로 한다.

본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 분말화단계는 상기 분산분쇄단계를 통해 슬러리로 제조된 혼합물을 12000 내지 14000rpm의 속도를 나타내는 회전판에 드롭핑한 후에, 95 내지 105℃의 열풍을 가하여 분말화하는 과정으로 이루어지는 것으로 한다.

본 발명의 더욱 더 바람직한 특징에 따르면, 상기 소성단계는 350 내지 450℃에서 90 내지 150분 동안 진행된 후에, 1250 내지 1350℃의 온도에서 8 내지 12시간 동안 진행되는 것으로 한다.

본 발명에 따른 플라즈마 스프레이용 산화이트륨 분말의 제조방법은 높은순도를 나타낼 뿐만 아니라, 플라즈마 스프레이 장치에 적합하도록 입자크기가 조절된 산화이트륨 분말을 제공하는 탁월한 효과를 나타낸다.

도 1은 본 발명에 따른 플라즈마 스프레이용 산화이트륨 분말의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명의 실시예 1을 통해 제조된 플라즈마 스프레이용 산화이트륨 분말을 주사전자현미경을 촬영하여 나타낸 사진이다.

이하에는, 본 발명의 바람직한 실시예와 각 성분의 물성을 상세하게 설명하되, 이는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 발명을 용이하게 실시할 수 있을 정도로 상세하게 설명하기 위한 것이지, 이로 인해 본 발명의 기술적인 사상 및 범주가 한정되는 것을 의미하지는 않는다.

본 발명에 따른 플라즈마 스프레이용 산화이트륨 분말의 제조방법은 산화이트륨(Y₂O₃) 분말에 용매, 바인더 및 분산제를 혼합하는 원료혼합단계(S101), 상기 원료혼합단계(S101)를 통해 제조된 혼합물을 교반 및 볼밀하여 슬러리로 제조하는 분산분쇄단계(S103), 상기 분산분쇄단계(S103)를 통해 슬러리로 제조된 혼합물을 회전판에 드롭핑하고 건조하여 분말화하는 분말화단계(S105), 상기 분말화단계(S105)를 통해 제조된 분말을 소성하는 소성단계(S107) 및 상기 소성단계(S107)를 통해 소성된 분말을 채거름하는 채거름단계(S109)로 이루어진다.

상기 원료혼합단계(S101)는 산화이트륨 분말에 용매, 바인더 및 분산제를 혼합하는 단계로, 입자크기가 4 내지 6㎛인 산화이트륨 분말 100 중량부에 용매 85 내지 95 중량부, 바인더 0.01 내지 0.03 중량부 및 분산제 0.2 내지 0.4 중량부를 혼합하여 이루어진다.

상기 용매는 85 내지 95 중량부가 함유되며, 초순수 또는 질량농도가 99.5 내지 99.9%인 에탄올로 이루어지는 것이 바람직한데, 상기 산화이트륨 분말과 상기 바인더가 고르게 혼합될 수 있도록 하는 역할을 한다.

또한, 상기 바인더는 0.01 내지 0.03 중량부가 함유되며, 폴리비닐부티랄(Polyvinyl Butyral, PVB)로 이루어지는 것이 바람직하다. 또한, 상기 산화이트륨 분말을 결속시키는 역할을 하는데, 상기 바인더의 함량이 0.01 중량부 미만이면 산화이트륨 분말을 결속시키는 효과가 미미하여 산화이트륨 분말의 입자크기를 증가시키는 효과가 미미하며, 상기 바인더의 함량이 0.03 중량부를 초과하게 되면 상기의 효과는 크게 향상되지 않으면서 지나치게 많은 양을 사용하게 되는 것으로 바람직하지 못하다.

또한, 상기 분산제는 0.2 내지 0.4 중량부가 함유되며, 상기 산화이트륨과 상기 바인더 상분이 상기 용매에 고르게 분산되어 균질한 물성을 나타내는 혼합물이 제공될 수 있도록 하는 역할을 하는데, 카르복실계, 에스테르계 및 아마이드계로 이루어진 그룹에서 선택된 하나 이상으로 이루어지는 것이 바람직하며, pH가 약 10 내지 12인 것을 사용하는 것이 더욱 바람직하다.

상기와 같은 pH를 나타내는 분산제에서 상기 산화이트륨은 (-) 표면 전하를 갖게 되는데, 상기 분산제의 함량이 0.2 중량부 미만이면 분산효과가 미미하며, 상기 분산제의 함량이 0.4 중량부를 초과하게 되면, 산화이트륨 분말을 구형으로 형성할 수 없게 된다.

이에 대해 더욱 상세하게 설명하면, 혼합물 내에 존재하는 분산제의 함량이 지나치게 높으면 국부적으로 용매가 증발되는 정도의 차이가 발생하여 순간적으로 용매가 터져 나와 증발될 수 있기 때문에, 산화이트륨 분말이 구형으로 형성되지 못하고, 비구형으로 형성되는 것이다.

상기 분산분쇄단계(S103)는 상기 원료혼합단계(S101)를 통해 제조된 혼합물을 교반 및 볼밀하여 슬러리로 제조하는 단계로, 상기 원료혼합단계(S101)를 통해 제조된 혼합물을 250 내지 350rpm의 속도로 5 내지 14시간 동안 교반하고, 볼밀로 1 내지 2시간 동안 볼밀링하여 분쇄하는 과정으로 이루어지는데. 상기 볼밀의 볼은 지르코이나로 이루어지며, 상기 원료혼합단계(S101)를 통해 제조된 혼합물 100 중량부 대비 60 내지 80 중량부의 지르코니아 볼을 함유시켜 볼밀링을 진행하는 것이 바람직하다.

상기 분말화단계(S105)는 상기 분산분쇄단계(S103)를 통해 슬러리로 제조된 혼합물을 회전판에 드롭핑(Dropping)하고 건조하여 분말화하는 단계로, 상기 분산분쇄단계(S103)를 통해 슬러리의 형태로 제조된 혼합물을 12000 내지 14000rpm의 속도로 회전하고 있는 회전판에 드롭핑한 후에, 95 내지 105℃의 열풍을 가하여 슬러리에 함유된 용매나 수분을 제거하여 분말화하는 과정으로 이루어진다.

상기의 과정을 통해 슬러리에 함유된 용매 성분이 제거되고, 열풍을 통해 수분을 제거하는 건조하는 과정이 진행되어 산화이트륨과 바인더가 주성분인 분말이 제공된다.

상기 소성단계(S107)는 상기 분말화단계(S105)를 통해 제조된 분말을 소성하는 단계로, 상기 분말화단계(S105)를 통해 제조된 분말을 350 내지 450℃에서 90 내지 150분 동안 가열한 후에, 1250 내지 1350℃의 온도에서 8 내지 12시간 동안 가열하는 과정으로 이루어진다.

상기와 같이 상기 분말화단계(S107)를 통해 제조된 분말을 350 내지 450℃에서 90 내지 150분 동안 가열하는 과정을 통해 상기 분말화단계(S105)를 통해 제조된 분말에 함유된 바인더 성분인 폴리비닐부티랄이 탄화되어 제거되며, 상기 1250 내지 1350℃의 온도에서 8 내지 12시간 동안 가열하는 과정으로 진행되는 소성과정을 통해 바인더 성분이 제거된 산화이트륨 성분들이 결속하여 순도가 높고 형태안정성이 향상된 산화이트륨 분말로 제공된다.

상기 채거름단계(S109)는 상기 소성단계(S107)를 통해 소성된 분말을 채거름하는 단계로, 상기 소성단계(S107)를 통해 소성된 분말을 70 내지 80 메시의 진동채를 이용하여 채거름하는 과정으로 이루어진다.

상기의 과정으로 이루어지는 채거름단계(S109)를 거치게 되면, 뭉침현상으로 인해 서로 달라붙어있던 구 형태의 산화이트륨 분말이 서로 떨어지면서 20 내지 50㎛의 입자크기를 나타내는 구 형태의 플라즈마 스프레이용 산화이트륨 분말의 제조가 완료된다.

이하에서는, 본 발명에 따른 플라즈마 스프레이용 산화이트륨 분말의 제조방법 및 그 제조방법으로 제조된 산화이트륨 분말의 물성을 실시예를 들어 설명하기로 한다.

<실시예 1>

산화이트름 분말(평균 입자크기 5㎛) 3.8kg, 용매(99.5% 에탄올) 3.4kg, 바인더(폴리비닐부티랄) 8g 및 분산제(카르복실계 분산제)를 교반장치가 구비된 볼밀분쇄기에 투입하고, 300rpm의 속도로 12시간 동안 회전하여 혼합물을 교반한 후에, 지르코니아 볼을 상기 혼합물 100 중량부 대비 65 중량부 혼합하고 90분 동안 볼밀링을 진행하여 슬러리화하고, 슬러리화된 혼합물을 13000rpm의 속도로 회전하는 회전판에 드롭핑하고 100℃의 열풍을 가하여 분말화하고, 제조된 분말을 400℃의 온도로 2시간 동안 가열한 후에 1300℃의 온도로 10시간 동안 소성하고, 구멍이 75㎛인 진동채로 채거름 하여 플라즈마 스프레이용 산화이트륨 분말을 제조하였다.

상기 실시예 1을 통해 제조된 플라즈마 스프레이용 산화이트륨 분말의 모습을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영하여 아래 도 2에 나타내었다.

아래 도 2에 나타낸 것처럼, 본 발명 실시예 1의 제조방법을 거치면 20 내지 50㎛의 입자크기를 나타내는 구 형상의 산화이트륨 분말을 제조할 수 있는 것을 알 수 있다.

따라서, 본 발명에 따른 플라즈마 스프레이용 산화이트륨 분말의 제조방법은 높은순도를 나타낼 뿐만 아니라, 플라즈마 스프레이 장치에 적합하도록 입자크기가 조절된 산화이트륨 분말을 제공한다.

S101 ; 원료혼합단계
S103 ; 분산분쇄단계
S105 ; 분말화단계
S107 ; 소성단계
S109 ; 채거름단계

Claims

산화이트륨 분말에 용매, 바인더 및 분산제를 혼합하는 원료혼합단계;
상기 원료혼합단계를 통해 제조된 혼합물을 교반 및 볼밀하여 슬러리로 제조하는 분산분쇄단계;
상기 분산분쇄단계를 통해 슬러리로 제조된 혼합물을 회전판에 드롭핑하고 건조하여 분말화하는 분말화단계;
상기 분말화단계를 통해 제조된 분말을 소성하는 소성단계; 및
상기 소성단계를 통해 소성된 분말을 채거름하는 채거름단계;로 이루어지며,
상기 원료혼합단계는 산화이트륨 분말 100 중량부에 용매 85 내지 95 중량부, 바인더 0.01 내지 0.03 중량부 및 분산제 0.2 내지 0.4 중량부를 혼합하여 이루어지고,
상기 용매는 질량농도가 99.5 내지 99.9%인 에탄올로 이루어지며,
상기 분산분쇄단계는 상기 원료혼합단계를 통해 제조된 혼합물을 250 내지 350rpm의 속도로 5 내지 14시간 동안 교반하고, 볼밀로 분쇄하여 이루어지고,
상기 분말화단계는 상기 분산분쇄단계를 통해 슬러리로 제조된 혼합물을 12000 내지 14000rpm의 속도를 나타내는 회전판에 드롭핑한 후에, 95 내지 105℃의 열풍을 가하여 분말화하는 과정으로 이루어지며,
상기 소성단계는 350 내지 450℃에서 90 내지 150분 동안 진행된 후에, 1250 내지 1350℃의 온도에서 8 내지 12시간 동안 진행되는 것을 특징으로 하는 플라즈마 스프레이용 산화이트륨 분말의 제조방법.
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청구항 1에 있어서,
상기 플라즈마 스프레이용 산화이트륨 분말은 20 내지 50㎛의 입자크기를 나타내는 것을 특징으로 하는 플라즈마 스프레이용 산화이트륨 분말의 제조방법.
삭제
청구항 1에 있어서,
상기 바인더는 폴리비닐부티랄로 이루어지는 것을 특징으로 하는 플라즈마 스프레이용 산화이트륨 분말의 제조방법.
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