KR102416127B1 - 구상의 yof계 분말의 제조방법, 이를 통해 제조된 구상의 yof계 분말 및 yof계 코팅층 - Google Patents
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Abstract
본 발명은 구상의 YOF계 분말의 제조방법에 관한 것으로서, 상세하게는 플라즈마 제트 내에 투입하여 용융시킨 YOF계 분말을 액적 상태로 냉매에 분사 및 급냉함으로써, 입자 구상화를 통해 치밀도를 향상시키고 성분비를 조절하는, 구상의 YOF계 분말의 제조방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은 구상의 YOF계 분말의 제조방법에 관한 것으로서, YOF계 분말의 구상화를 통해 입자의 치밀도 및 성분비를 조절하여 이를 사용하여 제조한 코팅막의 향상된 밀도, 경도 및 플라즈마 저항성을 갖도록 하는 구상의 YOF 계 분말의 제조방법에 관한 것이다.
최근 반도체 공정의 고집적화 및 선폭 초미세화이 기술은 고밀도 플라즈마, 고청정도, 과도한 전기적 충격등의 초극한 환경 하에서의 플라즈마 식각 공정을 요구하고 있다. 특히 화학적 반응성이 강한 F, Cl 또는 Br 등의 할로겐 원소를 포함하는 반응가스를 이용하는 플라즈마 식각공정은 웨이퍼 표면의 다양한 증착재료를 식각시킴과 동시에 챔버 내부의 금속 또는 세라믹 부품들과의 화학적 및 물리적 반응을 통하여 부품 표면의 손상과 함께 비휘발성 오염입자의 발생을 초래한다.
따라서 최근에는 금속 도는 세라믹 부품의 표면에 우수한 내플라즈마 저항성을 나타내는 세라믹 소재의 코팅에 대한 관심이 크게 증가하고 있으며, 대표적으로 산화이트륨(Y2O3) 코팅이 널리 적용되고 있다.
산화이트륨(Y2O3)은 높은 용융점(2,450 ℃), 화학적 안정성 및 2300 ℃까지의 결정학적 안정성을 나타내며, 특히 Y2O3는 F 라디칼에 대한 우수한 화학적 안정성, 이트륨의 높은 원자질량에 따른 높은 이온 충돌 저항성 및 반응생성물인 YF3의 우수한 기계적 특성 등에 의해 우수한 내플라즈마 저항성을 나타낸다.
그러나, 상기 Y2O3 코팅층의 상부면에서 에칭 공정 프로세스 초기에 SF6, CF4, CHF3, HF 등의 플라자마 가스와 반응 시 챔버 내 불소계 가스농도의 변화가 발생하여 에칭 공정의 Seasoning Time이 증가하고, Y2O3의 표면과 상기 플라즈마 가스가 반응하여 플루오르를 포함한 오염입자가 형성되고, 이 Y2O3가 열사이클을 받는 경우 오염입자와 Y2O3 사이의 열팽창 계수 차이로 인하여 응력이 발생하며 오염입자가 탈락되는 문제점이 있다.
이를 해결하기 위해 내식성이 뛰어난 YF3가 도입되었다. 그러나, 상기 YF3는 대기 플라즈마 용사(Atmospheric Plasma Spraying, APS) 과정 중 초고온 플라즈마에 용융되며 불화물이 일부가 산화되어 부분적으로 불화물과 산화물이 혼합된 코팅층이 형성되는 문제점을 갖고 있으며, 또한, Y2O3 용사 코팅층과 비교하였을 때 코팅층내 균열과 에칭 챔버내에서 파티클의 발생이 많은 문제를 유발할 수 있다.
이러한 Y2O3 및 YF3의 문제들을 해결하기 위하여, Y2O3 및 YF3의 중간성질을 갖는 Y-O-F 코팅층이 도입되었다.
일 예로 한국 공개특허 제10-2019-0017333호(공개일:2019.02.20.)에서는 산화이트륨(Y2O3) 분말과 YF3 분말을 1:2 내지 2:1의 중량비로 혼합한 후 열처리하여 오염입자 발생이 적고 내플라즈마성이 우수하여 반도체 장비 코팅에 적용 가능한 YOF계 분말을 제조방법을 개시하고 있다. 그러나, 상기 선행문헌의 경우 YOF의 입자크기를 감소시킬 뿐 형태 및 기공도 개선에 대해서는 전혀 개시하고 있지 않다. 따라서, 이러한 상기 YOF 계 분말로 제조된 코팅층의 경우 기공률이 3% 이상으로 높게 형성되게 되어 치밀도가 감소하고 이로 인해 기계적 강도 또한 감소된다.
따라서, 이러한 YOF 계 분말의 문제점을 개선하기 위하여, YOF 계 분말의 기공률 및 성분비율을 개선하여 이를 이용한 코팅층의 물리적 강도 및 화학적 안정성을 개선하기 위한 연구가 이루어지고 있다.
일 예로 한국 공개특허 제10-2019-0082119호(공개일: 2019.07.09)에서는 Y, O 및 F를 포함하는 혼합분말을 이용하여 기재에 YOF 코팅막을 형성하되, 상기 Y:O:F의 XPS에 의한 성분를 1:1:1로 하여, 기공율을 0.01 내지 1.0%로 감소시키고 경도를 6 내지 12 GPa로 향상시켜 부식성 가스 및 고속 충돌 이온 입자에 대한 높은 에칭 저항성을 갖고 우수한 플라즈마 저항성을 갖는 코팅막을 제공할 수 있음을 개시하고 있다. 그러나, 상기 선행문헌의 경우, Y, O 및 F의 성분비가 1:1:1로 F의 함량이 여전히 높아 이를 이용한 코팅막의 경우 일부 식각공정 도중 F- 이온 가스가 반도체 공정에 혼입되어 식각 속도를 증가시키는 등의 문제점을 발생시킬 수 있다.
따라서, YOF 계 분말의 기공률과 함께 F의 함량비를 조절하여 이를 코팅막으로 적용할 경우 산소 라디칼과 불소계 플라즈마 가스를 동시에 사용하는 공정에 있어서도 우수한 화학적 안정성 및 플라즈마 저항성을 가지며 강도 또한 향상되는 YOF계 분말에 대한 계발이 요구된다.
본 발명은 종래 YOF계 분말의 높은 플라즈마 저항성을 유지하면서 이들 입자를 치밀화하고 F 성분 함량을 조절하여 산소 라디칼과 불소계 플라즈마 가스를 동시에 사용하는 공정에 있어서 화학적 안정성과 함께 플라즈마 저항성을 가짐은 물론이고 향상된 경도에 의해 YOF계 분말 코팅층을 안정화하는 구상의 YOF계 분말의 제조방법을 제공하는 것을 첫 번째 해결과제로 한다.
또한, 본 발명은 상기 구상의 YOF계 분말의 제조방법에 의해 제조된 구상의 YOF계 분말을 제공하는 것을 두 번째 해결과제로 한다.
또한, 본 발명은 상기 YOF계 분말을 APS 코팅하여 제조한 YOF계 코팅층을 제공하는 것을 세 번째 해결과제로 한다.
상기 문제를 해결하기 위하여, (a) 플라즈마 제트(plasma jet) 내에 YOF계 분말을 투입하여 용융하는 단계; (b) 상기 용융된 YOF계 액적을 냉매에 분사하여 구상의 YOF계 분말을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 (b) 단계 후 냉매를 제거하고 구상의 YOF계 분말을 건조하는 단계;를 포함는 것을 특징으로 하는 구상의 YOF계 분말의 제조방법을 제공한다.
일 실시예로, 상기 (b) 단계는 용융된 YOF계 액적 분사 시 분사토출구로부터 냉매체 표면까지의 이격거리가 400 내지 600 ㎜일 수 있고, 상기 냉매체는 물, N2 및 Ar 중 선택되는 어느 하나 이상일 수 있다.
일 실시예로, 상기 YOF계 분말은 YxOyFz의 화학식(여기서, x 및 z는 y보다 크거나 같은 수)을 갖는 분말일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 구상의 YOF계 분말의 제조방법에 의해 제조된 구상의 YOF계 분말을 제공한다.
일 실시예로, 상기 구상의 YOF계 분말의 입자 크기는 10 내지 60 ㎛일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 구상의 YOF계 분말을 대기 플라즈마 용사(Atmospheric Plasma Spraying, APS)방법으로 기재에 코팅하여 제조하는 것을 특징으로 하는 YOF계 코팅층을 제공한다.
일 실시예로, 상기 YOF계 코팅층의 F 함량은 20 내지 40 at%일 수 있고, 기공률이 2 % 미만일 수 있다.
본 발명의 경우, 간단한 공정에 의해 YOF계 분말을 구상화함으로써, 구조를 치밀화하여 고밀도의 이트륨 화합물 분말을 제조할 수 있다.
또한, 이러한 구상의 치밀화된 YOF계 분말의 경우 APS 코팅법에 의해 기재에 코팅될 경우, 기공률이 감소되어 치밀하고 안정적인 코팅막을 형성할 수 있고, 특히, 구상의 YOF계 분말에 의해 형성된 코팅층의 경우 종래 비 구상화된 YOF계 분말 대비 경도 향상 효과를 나타낸다. 이러한 기계적 강도의 향상은 건식 식각 공정에서 발생하는 이온 충격(Ion Bombardment)에 대한 내성이 증가함을 의미한다.
또한, 상기 코팅층의 이트륨 화합물 분말의 F의 함량이 적절하게 조절되어 산소 라디칼과 불소계 플라즈마 가스를 동시에 사용하는 공정에 있어서도 우수한 화학적 안정성 및 플라즈마 저항성을 가질 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 구상의 YOF계 분말의 제조방법에 대한 모식도를 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 구상의 YOF계 분말의 제조방법에 대한 흐름도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 구상화 전/후의 YOF 분말의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 구상화 및 비 구상화된 YOF 분말의 결정구조를 나타낸 XRD 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 구상화 전/후의 YOF coating cross-section SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 구상의 YOF계 분말의 제조방법에 대한 흐름도를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 구상화 전/후의 YOF 분말의 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 구상화 및 비 구상화된 YOF 분말의 결정구조를 나타낸 XRD 그래프이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 구상화 전/후의 YOF coating cross-section SEM 사진을 나타낸 것이다.
다른 식으로 정의되지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.
본 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.
또한, 본 명세서 전체에서 "비 구상화"라는 것은 본 발명에 기재되어 있는 구상화 공정을 거치지 않은 상태를 의미한다.
본 발명은 일 측면으로, (a) 플라즈마 제트(plasma jet) 내에 YOF계 분말을 투입하여 용융하는 단계; (b) 상기 용융된 YOF계 액적을 냉매에 분사하여 구상의 YOF계 분말을 제조하는 단계; 및 (c) 상기 (b) 단계 후 냉매를 제거하고 구상의 YOF계 분말을 건조하는 단계;를 포함는 것을 특징으로 하는 구상의 YOF계 분말의 제조방법을 제공한다.
도 1 및 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 구상의 YOF계 분말의 제조방법에 대한 모식도 및 흐름도를 나타낸 것이다. 이를 참고하여 하기에서 상세하게 설명한다.
본 발명에 있어서, (a) 단계는 플라즈마 제트(plasma jet) 내에 YOF계 분말을 투입하여 용융하는 단계이다.
플라즈마 장치에서 열 플라즈마를 발생시킬 때에는 대량의 가스를 흘리면서 음극과 양극사이에 아크 방전을 시켜 제트 상태로 플라즈마가 뿜어져 나오게 한다. 이것을 플라즈마 제트(plasma jet) 또는 플라즈마 토치(plasma torch)라 하며, 상기 (a) 단계에서는 이러한 플라즈마 제트 내에 YOF계 분말을 투입하여 짧은 시간 내에 상기 YOF계 분말을 용융하며, 이때 상기 YOF계 분말은 YxOyFz의 화학식을 갖는 분말로서 특정 물질로 한정되지 않으나, 상기 YOF계 분말은 YxOyFz의 화학식을 갖되 여기서, x 및 z는 y보다 크거나 같을 수 있으며, YOF, Y5O4F7, Y6O5F8, Y7O6F9 등 일 수 있고, 상기 플라즈마 장치는 상기 YOF계 분말을 용융하는데 충분한 온도를 나타내며, 바람직하게는 대기 플라즈마 용사(Atmospheric Plasma Spraying, APS)장치일 수 있다.
다음으로, (b) 단계는 상기 용융된 YOF계 액적을 냉매에 분사하여 구상의 YOF계 분말을 제조하는 단계로, 상기 용융된 YOF계 액적의 분사는 분사토출구로부터 냉매 표면까지의 이격거리를 400 내지 600 ㎜로 하고 냉매를 물, N2 및 Ar 중 선택되는 어느 하나 이상으로 하여 상기 용융된 YOF계 액적을 급속으로 냉매에 분사하여 구상의 YOF계 분말을 제조한다.
구체적으로 상기 이격거리는 플라즈마 스프레이 건(plasma spray gun)의 분사토출구로부터 냉매 표면까지의 거리를 의미하는 것으로서, 용융된 YOF계 액적을 손실 없이 냉매로 분사하여 수율을 향상시키면서 급냉 효과를 나타낼 수 있도록 400 내지 600 ㎜로 한다. 상기 이격거리가 400 ㎜미만인 경우 분사압력에 의한 용매 및 분말 손실이 상당하며, 600 ㎜ 초과할 경우 분사각도에 의한 수율 저하와 용융된 분말의 충분한 급냉 효과를 거두기 어렵기 때문이며, 바람직하게는 400 내지 500 ㎜로 한다.
또한, 상기 냉매는 분사된 용융된 이트륨 화합물 액적을 급냉하여 구형 및 고밀도화 되도록 하는 것으로, 구체적으로 상기 냉매로 급속으로 분사된 용융된 YOF계 액적을 급냉에 의해 담금질(quenching)하는 과정을 거치며, 상기 YOF계 액적이 표면 에너지 최소화를 위해 구형으로 형성됨과 동시에 고밀도화 되도록 하며, 이에 따라 경도가 향상되도록 한다. 이때, 상기 냉매는 물, N2 및 Ar 중 선택되는 어느 하나 이상일 수 있고, 상기 냉매에 따라 제조되는 구상의 YOF계의 성분비를 조절할 수 있다. 일 예로 용융된 YOF계 액적을 증류수(H2O)로 급속 분사하여 급냉에 의해 담금질하는 경우 YOF계 이트륨 화합물의 F 성분은 증류수의 H성분과 반응하여 불화수소를 형성하게 되어 F 함량이 감소하게 되나, N2를 냉매로 한 경우에는 YOF계 이트륨 화합물과 반응이 이루어지지 않고 급냉되어 F 함량 감소를 유발하지 않는다. 이와 같이, 상기 냉매를 조절함으로써, 제조되는 YOF계의 조성비를 조절할 수 있으며, 일반적으로는 상기 냉매는 상온의 증류수이다.
다음으로 (c) 단계는 상기 (b) 단계 후 냉매를 제거하고 구상의 YOF계 분말을 건조하는 단계로서, 상기 냉매 제거 및 상기 구상의 YOF계 분말의 건조는 통상적인 방법에 의해 이루어질 수 있어 상세하게 기재하지 않는다.
또한, 본 발명의 구상의 YOF계 분말의 제조방법에 있어서, YOF계 분말은 F성분을 포함할 수 있어, 구상화 처리시 발생할 수 있는 HF에 대한 내식성 확보를 위해 사용 용기는 50 ㎛ 이상의 테프론 코팅이 적용되거나 또는 세라믹 재질인 것으로 한다.
이와 같은 상기 방법에 의해 제조된 구상의 YOF계 분말은 입자크기가 10 내지 60 ㎛인 구상이다. 일반적으로 YOF계 입자의 직경이 작을수록 치밀한 코팅층 성막 형성이 가능하나 상기 입자의 직경이 10 ㎛ 미만으로 형성될 경우, 오히려 가까워진 입자간 거리에 의해 응집력이 발생하여 feeding이 되지 않는 기술적 문제가 발생한다. 따라서, 본 발명의 구상의 YOF계 분말은 입자 크기를 10 내지 60 ㎛로 하여 밀도를 치밀화하면서도 코팅 시 응집되지 않고 고밀도의 성막을 형성할 수 있으며, 바람직하게는 25 내지 45 ㎛로 한다.
또한, 상기 제조된 구상의 YOF계 분말은 비 구상의 YOF계 분말과 구조적 차이를 갖는다. 예를 들면, 비 구상화된 YOF를 구상화 처리할 시 orthorhombic 구조인 YF3의 비중은 감소하고, orthorhombic 구조의 YOF 비중은 증가하게 된다.
또한, 본 발명은 상기 제조된 구상의 YOF계 분말을 대기 플라즈마 용사(Atmospheric Plasma Spraying, APS)방법으로 기재에 코팅하여 제조한 YOF계 코팅층을 제공한다.
APS 대기 플라즈마 용사는 분말 혹은 선형재료를 고온 열원으로부터 용융액적으로 변화시켜 고속으로 기재에 충돌시켜 급냉응고되어 적층피막을 형성하는 용사(Thermal Spray)기술의 하나로, 구체적으로는 Ar, He, N2 등의 가스를 아크로 플라즈마화하고, 이것을 노즐로 부터 배출시켜 초고온, 고속의 플라즈마 제트를 열원으로 하는 피막형성 기술로, 용사재료가 고속으로 피처리물에 충돌하고 이로인해 고밀착강도, 고믹도의 피막 제조가 가능한 장점을 갖는 반면, 대기압의 분위기에서 작업이 이루어지므로 주변 공기가 플라즈마 제트 불꽃 내에 혼입되어 결과적으로 기공도가 높고 피막재에 따라 산화물 또는 불순물이 섞인 코팅을 제조할 수 있다.
이러한 APS 방법으로 상기 제조된 구상의 이트륨 화합물 분말을 기재에 코팅하여 제조한 YOF계 코팅층은 기공률이 2 % 미만으로 치밀화되고 경도가 550 Hv 이상으로 비 구상화 YOF계 코팅층과 비교하여 기계적 물성이 현저히 향상되어 건식 식각 공정에서 발생하는 Ion Bombardment에 대한 내성이 증가된다.
구체적으로 상기 Ion Bombardment에 대한 내성 증가는 결정 구조 변화에 따른 것으로, 상기 코팅층을 형성하는 feeding재인 구상의 YOF계 분말을 제조하는 구상화 과정에서 발생되는 산화와, 상기 APS에 의한 코팅시 발생되는 추가적인 산화로 인해 YOF계 분말의 결정 구조가 Y2O3에 가까운 결정 구조를 가지면서도 F 함량을 가지는 코팅층이 형성되기 때문이다. 즉, 본 발명에 따른 YOF 코팅층은 결정구조는 Y2O3의 결정 구조와 가까우면서도 F가 O 자리 일부에 치환된 것처럼 존재하여 일종의 고용체(Solid solution) 형태로 코팅되어 물리적인 특성은 Y2O3에 가까우면서도 화학적인 특성은 YOF에 가깝기 때문이다.
또한, 상기 YOF 코팅층의 F 함량은 20 내지 40 at%이고, 상기 F 함량에 따라 산소 함량은 변화될 수 있고, 바람직하게는 상기 산소 함량은 30 내지 50 at%일 수 있다.
상기 YOF 코팅층 형성시 고온의 플라즈마에 의해 구상의 이트륨 화합물 YOF 분말이 용융되면서 산화가 발생되므로 상기 분말의 조성 보다는 산소함량이 증가되고 F 함량이 감소되는 경향이 있으나, 산소함량 증가 및 F 함량 감소를 조절하여 F를 20 내지 40 at%로 포함하도록 한다.
이는, F 함량이 20 at% 미만인 경우 CF4 가스에 대한 코팅층의 내식성이 감소하고, F 함량이 40 at%를 초과할 경우에는 에칭공정에서 웨이퍼의 식각속도가 증가되어 추가적인 고객사 공정조건의 변경을 초래함과 동시에 코팅층의 경도가 저하되어 물리적 식각에 대한 저항성이 감소할 수 있기 때문이며, 이때 상기 구상의 YOF계 분말의 O의 함량은 F 함량에 따라 변화되는 값으로 30 내지 50 at%일 수 있다.
이하, 본 발명을 실시예로서 더욱 상세하게 설명하나, 본 발명이 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
<실시예>
1. YOF 분말의 구상화
제조예 1: YOF의 구상화
도 1의 모식도 및 도 2의 공정흐름도에 따라 시판되는 YOF 분말에 대하여 구상화 처리를 실시하였다.
도 1 및 도 2에 따라, 먼저 플라즈마 장치 내에 플라즈마를 형성한 다음 상기 플라즈마 흐름 내에 YOF 분말을 주입하여 균일하게 가열하였다. 이때, 플라즈마 형성 조건, 분말 주입 각도 등의 조건은 하기 표 1에 따라 실시되었다.
이 후, 상기 가열된 YOF 분말을 용융된 액적 상태로 냉각매체 물을 향하여 이격거리 200 내지 800 ㎜에서 분사하였다. 상기 YOF 액적은 물과 접촉하여 담금질(quenching)되었으며, 상기 공정에 의해 YOF는 치밀화된 구상으로 제조되었다.
마지막으로, 상기 치밀화(densificaton)된 구상의 YOF를 물과 분리한 후, 건조하였다. 상기 공정을 통해 치밀화된 구상의 YOF분말을 제조하였으며, 이들은 상기 이격거리에 따라 제조예 1 내지 제조예 7로 제조되었다.
| 전압 (V) |
전류 (A) |
전력 (kW) |
주입가스 1 |
주입가스1 주입량 (NLPM) |
주입가스 2 |
주입가스 2 주입량 (NLPM) |
분말 주입방식 |
분말 주입각도 |
| 75~78 | 600~610 | 44~48 | Ar | 40~44 | H2 | 9~13 | Single/Double | 90~105 |
대조군 1: 비 구상화된 YOF
상기 제조예 1에서 사용한 시판되는 YOF를 대조군 1로 하였다.
대조군 2: 비 구상화된 혼합방식 YOF(YF
3
+Y
2
O
3
)
시판되는 YF3 분말과 시판되는 Y2O3 분말을 1:1의 비율로 혼합한 YOF를 대조군 2로 하였다.
하기 표 2는 상기 제조예 1 내지 7의 수득률, 구상화도 및 제조시의 이격거리와 대조군 1 및 2의 구상화도를 나타낸 것이다.
| 이트륨 화합물 | 이격거리(mm) | 수득률(%) | 구상화 | |
| 제조예 1 | YOF | 200 | 측정불가 | × |
| 제조예 2 | 300 | 70 | ○ | |
| 제조예 3 | 400 | 84 | ○ | |
| 제조예 4 | 500 | 90 | ○ | |
| 제조예 5 | 600 | 87 | ○ | |
| 제조예 6 | 700 | 80 | ○ | |
| 제조예 7 | 800 | 75 | ○ | |
| 대조군 1 | YOF | - | - | × |
| 대조군 2 | 혼합 방식 YOF (YF3+Y2O3=1:1) |
- | - | × |
2. YOF 코팅층 형성
실시예 1: 치밀화된 구상의 YOF에 의한 코팅층 형성
상기 제조된 치밀화된 구상의 YOF 분말(제조예 4)을 사용하여, 하기 표 3의 조건으로 APS에 의해 YOF 코팅층을 형성하였다.
| 전압 (V) |
전류 (A) |
전력 (kW) |
가스1 | 주입량 (NLPM) |
가스2 | 주입량 (NLPM) |
회전속도 (%) |
이송압력 (NLPM) |
이격거리 (mm) |
| 75~78 | 600 | 44~48 | Ar | 40~44 | H2 | 11~13 | 25~30 | 3.5~4.0 | 110~130 |
비교예 1: 비구상화 YOF 코팅층 형성
상기 비 구상화된 YOF 분말(대조군 1)을 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법에 의해 YOF 코팅층을 형성하였다.
비교예 2: 비구상화 혼합방식 YOF(YF
3
+Y
2
O
3
) 코팅층 형성
상기 비 구상화된 혼합방식 YOF 분말(대조군 2)을 사용한 것을 제외하고 상기 실시예 1과 동일한 방법에 의해 YOF 코팅층을 형성하였다.
3. YOF 분말 분석
(1) YOF 분말의 구상도 및 물성 분석
도 3은 상기 제조된 구상화된 YOF(제조예 4) 및 비 구상화된 YOF(대조군 1)에 대한 SEM 사진을 나타낸 것이다.
도 3에서 구상화된 YOF 분말은 D 50이 26.8 ㎛인 반면, 비 구상화된 YOF 분말은 D 50이 28.8 ㎛로 확인되며, 직경이 감소하여 부피가 줄어들고 밀도가 증가하였으므로, YOF 분말은 구상화에 의해 치밀화된 것을 확인할 수 있다.
(3) YOF 분말의 구조 분석
도 4는 상기 제조된 구상화된 YOF(제조예 4)와 비 구상화된 YOF(대조군 1)의 XRD 분석 그래프이다.
도 4에서, 구상화 처리 전의 비 구상화 YOF는 orthorhombic 구조의 YF3와 Y5O4F7이 각각 51%, 30%를 갖고 있으나, 구상화 처리에 의해서, orthorhombic 구조의 YF3와 Y5O4F7이 각각 39%, 60%로 구조가 변화된 것을 볼 수 있다.
이를 통해, YOF는 구상화 처리에 의해 구조가 바뀌는 것을 알 수 있다.
4. YOF 코팅층 분석
(1) 구상화 전/후에 따른 코팅층 물성 분석
도 5는 구상화된 YOF(제조예 4) 및 비 구상화된 YOF(대조군 1)를 사용하여 APS로 코팅층을 형성한 실시예 1 및 비교예 1의 coating cross-section SEM 사진을 나타낸 것이고, 하기 표 4는 이들의 물성을 비교하여 나타낸 것이다.
| 실시예 1 | 비교예 1 | |
| 경도 (Hv) | > 550 | < 400 |
| 기공도 (%) | < 2 | > 5 |
| 거칠기 (㎛) | 3 ~ 4 | 4 ~ 5 |
도 5 및 상기 표 4를 통해 구상화된 YOF 분말을 사용하여 APS 방법으로 형성한 YOF 코팅층(실시예 1)은 표면 거칠기가 3 ~ 4 ㎛이고 기공도가 2 % 미만으로 균일하고 고밀도화된 코팅층으로 형성됨은 물론이고, 코팅층이 고밀도화됨에 따라 경도가 550 Hv 초과하여 향상됨을 확인할 수 있다.
반면에 비 구상화된 YOF 분말을 사용하여 APS 방법으로 형성한 YOF 코팅층(비교예 1)은 표면 거칠기가 4 ~ 5 ㎛이고 기공도가 5 %를 초과한 불균일하고 치밀하지 않은 코팅층이 형성되어 경도 또한 400 Hv 미만으로 낮아짐을 확인할 수 있다.
상기 결과로 부터, 구상화된 YOF 분말을 사용하여 APS로 YOF 코팅층을 형성하는 경우에는 표면 거칠기 및 기공도가 감소되어 비교적 균일하고 치밀화된 고밀도의 코팅층을 형성할 수 있으며, 고밀도화에 의해 코팅층의 경도 또한 향상시킬 수 있음을 알 수 있다.
(2) 구상화 전/후에 따른 성분 분석
하기 표 5는 상기 구상화 또는 비구상화된 이트륨 화합물을 APS로 코팅한 이트륨 코팅층(실시예 1, 비교예 1 및 2)에 대한 XPS 분석 결과를 나타낸 것이다.
| 이트륨 화합물 | 구상화 | O (at.%) | F(at.%) | Y(at.%) | |
| 실시예 1 | YOF | ○ | 45 | 20 | 35 |
| 비교예 1 | YOF | × | 30 | 40 | 30 |
| 비교예 2 | 혼합 방식 YOF (YF3+Y2O3=1:1) |
× | 15 | 55 | 30 |
상기 표 5에서, 구상화된 YOF 및 비 구상화 YOF를 사용하여 APS로 코팅한 YOF 코팅층인 실시예 1 및 비교예 1 모두는 20 at% 및 40 at%의 적절한 F 함량을 포함하고 있어, 할로겐 에칭가스에 대한 충분한 내식성을 갖는다. 그러나, 상기 구상화된 YOF를 사용하여 APS로 코팅한 YOF 코팅층(실시예 1)이 균일하고 고밀도의 코팅층으로 형성되어 물성이 향상되는 반면, 비 구상화 YOF를 사용하여 APS로 코팅한 YOF 코팅층(비교예 1)의 경우에는 상기 표 5에서 확인할 수 있는 바와 같이 불균일하고 치밀하지 않은 코팅층으로 형성되어 물성이 낮다.
한편, 비 구상화 혼합방식 YOF를 사용하여 APS로 코팅한 YOF 코팅층(비교예 3)은 F를 55 at%로 과도하게 포함하고 있어 오히려 웨이퍼의 식각속도를 증가시켜 웨이퍼 식각공정 조건이 틀어지고 코팅층의 경도가 저하되어 물리적 식각에 대한 저항성이 감소된다.
Claims (10)
- (a) 플라즈마 제트(plasma jet) 내에 YOF계 분말을 투입하여 용융하는 단계;
(b) 상기 용융된 YOF계 액적을 냉매에 분사하여 구상의 YOF계 분말을 제조하는 단계; 및
(c) 상기 (b) 단계 후 냉매를 제거하고 구상의 YOF계 분말을 건조하는 단계;를 포함하고,
상기 (b) 단계는 용융된 YOF계 액적 분사 시 분사토출구로부터 냉매체 표면까지의 이격거리가 400 내지 600 ㎜인 것을 특징으로 하는 구상의 YOF계 분말의 제조방법.
- 삭제
- 제 1 항에 있어서,
상기 냉매체는 물, N2 및 Ar 중 선택되는 어느 하나 이상인 것을 특징으로 하는 구상의 YOF계 분말의 제조방법.
- 제 1 항에 있어서,
상기 YOF계 분말은 YxOyFz의 화학식(여기서, x 및 z는 y보다 크거나 같은 수)을 갖는 분말인 것을 특징으로 하는 구상의 YOF계 분말의 제조방법.
- 제1항, 제3항 및 제4항 중 선택되는 어느 한 항의 방법에 의해 제조된 구상의 YOF계 분말.
- 제 5 항에 있어서,
상기 구상의 YOF계 분말의 입자 크기는 10 내지 60 ㎛인 것을 특징으로 하는 구상의 YOF계 분말.
- 제5항의 구상의 YOF계 분말을 대기 플라즈마 용사(Atmospheric Plasma Spraying, APS)방법으로 기재에 코팅하여 제조하는 것을 특징으로 하는 YOF계 코팅층.
- 제6항의 구상의 YOF계 분말을 대기 플라즈마 용사(Atmospheric Plasma Spraying, APS)방법으로 코팅하여 제조하는 것을 특징으로 하는 YOF계 코팅층.
- 제 7 항에 있어서,
상기 YOF계 코팅층의 F 함량은 20 내지 40 at%인 것을 특징으로 하는 YOF계 코팅층.
- 제 7 항에 있어서,
상기 YOF계 코팅층은 기공률이 2 % 미만인 것을 특징으로 하는 YOF계 코팅층.
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