KR102487220B1 - 균일 도핑 내플라즈마성 소재 및 그의 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명에 따른 내플라즈마성 엣지링 제조방법에 의하면, 프리프레스 과정을 통해 균일성이 확보된 다수의 사전성형 시편을 이용하여 엣지링을 제조할 수 있게 되므로, 열간가압 소결 가공 시 시료 분말을 바로 사용하는 경우 대비 몰드 내 30 내지 60%의 추가 공간 확보가 가능하여 1회 공정 당 최소 2배수 이상의 엣지링을 제조할 수 있게 되며, 불순물 이입을 방지할 수 있고, 또한, 소결 가공 후 와이어 컷팅 등 별도의 후가공 과정이 최소화되는 효과가 있다. 또한, 프리프레스 과정에 의해 사전성형된 시편에 대해 냉간 등방압 가압 처리를 수행함으로써, 시편의 이물을 제거하고, 시편의 밀도 편차를 최소화하여 열간가압 소결 가공 시 시편의 뒤틀림을 효과적으로 방지할 수 있으며, 이에 따라 열간가압 소결 가공을 통해 제조된 엣지링의 소결 밀도가 이론값 대비 95 내지 99.9%에 해당하게 되는 효과가 있다.

Description

균일 도핑 내플라즈마성 소재 및 그의 제조방법{UNIFORMLY DOPED PLASMA RESISTANT MATERIAL AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}

본 발명은 세라믹 수지 복합체로 구성되는 플라즈마 저항성 소재 및 그의 제조방법에 관한 것이다.

반도체 웨이퍼 제조공정은 기술의 반전을 거듭하여 선폭의 미세화와 적층 수의 증가를 통해 지속적으로 발전하고 있다. 한편, 반도체 제조 챔버 내의 플라즈마 환경이 점차 가혹해짐에 따라, 챔버 내에서 사용되는 반도체 제조용 세라믹 부품은 높은 플라즈마 저항성을 지닐 필요가 있다.

일례로 플라즈마 에칭이 실시되는 플라즈마 장치(챔버)는 상부 전극과 하부에 전극을 포함하는 정전 척, 그리고 플라즈마 공정 챔버 내에서 발생하는 플라즈마로부터 정전 척을 보호하도록 정전 척을 둘러싸는 커버링 어셈블리로 구성되며, 반도체 웨이퍼 혹은 유리 기판 등과 같은 기판은 정전 척의 상부 표면에 지지된다. 이러한 구성에 의해 상부 전극과 하부의 정전 척 사이에 전원이 인가됨에 따라 전계효과에 의해 플라즈마 공정 챔버 내에 플라즈마(P)가 발생하여 이온들이 정전 척을 향하는 방향으로 입사되며, 플라즈마 이온의 화학 반응 및 운동에너지를 이용하여 기판 상에 에칭이 실시되게 된다.

한편, 정전 척을 둘러싸는 커버링 어셈블리는 엣지링 하부면에 결합홈을 형성하고 여기에 전극링이 결합되도록 하는 구성을 가질 수 있으며, 상기 엣지링은 정전 척의 상부 표면에 지지되는 기판의 측면을 둘러싸는 구성으로, 정전 척에 의해 지지되는 기판과 동일한 높이를 유지할 수 있는 규격 및 환경의 입체적인 형상으로 제작되는 반도체 제조용 세라믹 부품이다.

한편, 기존의 엣지링은 단결정 실리콘(Silicon)이나 쿼츠(Quartz)로 제작되어 사용되고 있었으나, 이러한 조성은 가혹한 플라즈마 조건 하에서 과다하게 식각됨으로써, 짧은 시간 사용 후 유지보수 하여야 하거나 신규 부품으로 교체가 필요한 문제점이 있었다.

따라서 오늘날에는 탄화규소, 탄화붕소, 질화규소 등 비산화물계 구조 재료를 이용한 소결체를 이용하여 엣지링을 제조하고 있는 상황이며, 특히 열간가압 소결법은 세라믹 소재를 특정 분위기 속에서 가압하여 소결체를 제작하는 방법으로 소결체의 특성이 우수한 방법 중 하나로서, 반도체 제조용 세라믹 부품인 엣지링 제조 과정에 응용되고 있다.

일반적으로, 상술한 소결체는 핫 프레스(Hot Press) 공법에 의해 성형된다. 구체적으로, 핫 프레스 공법을 수행할 경우, 서브 마이크로(sub-micro) 수준의 크기를 갖는 입자가 사용되고, 이러한 크기의 입자를 갖는 시료가 카본 몰드에 충진된 후 고온 및 고압에 의해 소결체로 성형되는 것이다.

그러나, 위와 같은 공법에 의하면, 압력 구배의 차이가 불가피하므로, 시편의 미세구조에서 불균일성이 발생할 수 있는 문제점이 있다. 시편이 불균일하게 성형되면, 소결체의 물리적 강도가 감소할 뿐만 아니라, 소결체의 미세구조마다 전기적 특성이 불균일한 단점이 있다. 더 나아가, 시편을 충진시키기 위해 사용되는 몰드가 파손되는 문제점도 발생할 수 있다.

본 발명의 기술적 과제는 플라즈마 저항성소재의 저항 조절 세라믹 복합체 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.

또한, 본 발명의 목적은 반도체 제조에 사용되는 세라믹 복합체의 균일성을 향상시키기 위하여, 미립자를 첨가한 플라즈마 저항성 소재 및 그의 제조방법을 제공하는 것이다.

이러한 문제점을 해결하기 위하여, 본 발명에서는, 반소결을 수행하고, 반소결된 시편에 첨가물을 함침함으로써, 반소결된 미세구조 사이에 첨가물을 충진하여, 반소결된 시편의 상대밀도를 올림에 따라 재소결시 열처리 올도를 낮추고 소결 밀도를 증가 시키는 것이다.

본 발명에 따르면 소결체의 균일성이 확보되어, 강도가 향상되는 장점이 있다.

또한, 본 발명에 따른 소결체는 반소결 과정을 통해, 상대밀도가 낮은 상태에서 공정이 진행되므로, 가공의 편의성이 향상되는 장점도 있다.

도 1은 본 발명의 일실시예에 따른 프리프레스 공정을 간략히 나타낸 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일실시예에 따른 프리프레스 공정을 통해 사전성형된 다수의 시편을 적층한 형상을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 일실시예에 따라 열간가압 소결이 수행되는 다층 적층 구조의 몰드 형상을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 4는 본 발명의 또 다른 일실시예에 따라 열간가압 소결이 수행되는 다층 적층 구조의 몰드 형상을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 5는 본 발명의 또 다른 일실시예에 따라 열간가압 소결 시 적층된 시편 사이에 카본시트가 구비된 것을 나타내는 단면도이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 복합체 제조 방법을 나타내는 흐름도이다.

발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있는 바, 특정 실시예들을 예시하고 하기에서 상세하게 설명하고자 한다. 그러나, 이는 발명을 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

이하, 본 발명의 구체적인 실시예에 따른 세라믹 복합체 제조 방법 및 이에 의해 제조되는 세라믹 복합체에 대해서 설명한다.

먼저 상술한 바와 같이, 오늘날 엣지링은 탄화규소, 탄화붕소, 질화규소 등의 비산화물계 구조 재료를 열간가압 소결하여 얻은 소결체를 이용하여 제조하는데, 열간가압 소결법에 의하면 가압하는 면적이 커짐에 따라 시편의 밀도편차가 커지게 되는 문제점이 있고, 소결 시편의 불균형 발생으로 인한 몰드 파손 우려가 있다.

또한, 위 방법에 의하면 시편의 미세구조에서 불균일성이 발생할 수 있는 문제점이 있다. 시편이 불균일하게 성형되면, 소결체의 물리적 강도가 감소할 뿐만 아니라, 소결체의 미세구조마다 전기적 특성이 불균일한 단점이 있다. 더 나아가, 시편을 충진시키기 위해 사용되는 몰드가 파손되는 문제점도 발생할 수 있다.

본 발명자들은, 상기와 같은 문제점에 착안하여, 시편을 완전히 소결시키기 전에, 시편과 상이한 조성물을 함침시키고, 함침이 수행된 후 재소결을 수행함으로써, 시편의 균일성을 향상시켰다.

구체적으로, 본 발명의 일실시예에 따른 세라믹 복합체 제조방법은, a) 탄화규소(SiC), 탄화붕소(B4C) 및 질화규소(Si3N4)로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 시료를 전처리 하여 과립화 분말을 제조하는 단계; b) 프리프레스(PrePress)를 통해 상기 과립화 분말을 사전성형하여 세라믹 시편으로 제조하는 단계; c) 상기 시편을 몰드 내에 적층하는 단계; d) 적층된 상기 시편 중 적어도 일부에 대해 소성을 수행하여 반소결시키는 단계; e) 상기 시편 중 적어도 일부가 소결된 상태에서, 상기 시편에 소정의 첨가물을 함침시키는 단계; 및 f) 상기 첨가물이 함침된 시편을 열간가압하여 재소결시키는 단계;를 포함할 수 있다.

먼저, 탄화규소(SiC), 탄화붕소(B₄C) 및 질화규소(Si₃N₄)로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 시료를 전처리 하여 과립화 분말을 제조한다(단계 a).

탄화규소(SiC), 탄화붕소(B₄C) 및 질화규소(Si₃N₄)는 비산화물계 구조재료로서, 고강도, 고경도 및 내마모성 등의 기계적 특성과 함께 내산화성, 내부식성, 낮은 열전도성 및 열팽창계수에 의한 높은 내열충격성, 고온강도 등의 열적특성을 갖는 세라믹스의 주요 소재이다. 특히, 상기 비산화물계 구조재료는 재료 특성상 강한 공유결합을 이루고 있고, 입계의 에너지가 클 뿐만 아니라 입계의 확산속도가 낮아 소결을 통한 성형에 상당한 어려움이 있다.

한편, 본 발명의 일실시예에 따르면, 상기 비산화물계 구조재료로서 탄화규소(SiC), 탄화붕소(B₄C) 및 질화규소(Si3N₄)로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 시료를 전처리 하여 과립화 분말로 제조한다. 특히, 상기 시료를 과립화 분말로 제조하는 것은 과립화 형태는 분말 형태의 흐름성을 높일 수 있고 그로 인하여 프리프레스 공정 진행시 원활한 공정 진행을 하기 위함이며, 과립화 분말로 제조하기 위해 시료에 소포제, 이형제 및 바인더를 첨가하여 제조함으로써 약 10 내지 100㎛ 입경을 가지는 과립화 분말로 제조할 수 있다.

다음으로, 프리프레스(PrePress)를 통해 상기 과립화 분말을 사전성형하여 세라믹 시편으로 제조한다(단계 b).

상기 단계의 프리프레스는 균일성이 확보된 다수의 사전성형 시편을 제조하기 위해 수행되는 과정으로서, 상기 과정을 통해 사전성형된 시편을 이용하여 후술할 열간가압 소결 가공하는 경우, 종래의 시료 분말을 바로 사용하는 방법 대비 몰드 내 30 내지 60%의 추가 공간 확보가 가능하여 1회 공정 당 최소 2수 이상의 엣지링을 제조할 수 있게 되며, 열간가압 소결 가공 시 불순물 이입을 효과적으로 방지할 수 있고, 또한 소결 가공 후 와이어 커팅 등 별도의 후가공 공정을 최소화할 수 있게 되는 효과가 있다.

한편, 본 단계의 프리프레스는 먼저 프리프레스용 몰드를 준비하고, 상기 a 단계에서 제조된 시료의 과립화 분말을 상기 몰드 내에 충진하고 레벨링(leveling) 한 후, 일축 가압하여 수행될 수 있다(도 1 참조).

구체적으로, 상기 과정은 몰드 내에 과립화 분말을 충진한 다음 상단면의 평탄화를 통하여 균일한 시료를 충진하되, 부분적인 가압이나 덜어냄 없이 분말의 자체 중량만으로 충진한 후, 불필요한 상단 부분을 밀어내는 방식으로 수행될 수 있다.

다음으로, 상기 충진된 과립화 분말에 대하여 일축 가압함으로써 사전성형된 시편을 제조하며, 상기 가압 조건은 50 내지 150 kg/cm² 범위 내로 가압하여 수행되는 것일 수 있다.

다음으로, 상기 세라믹 시편을 몰드 내에 적층하고(단계 c), 적층된 상기 시편 중 적어도 일부에 대해 소성을 수행하여 반소결시킬 수 있다(단계 d).

또한, 반소결된 상태, 즉, 상기 시편 중 적어도 일부가 소결된 상태에서, 상기 시편에 소정의 첨가물을 함침시킬 수 있다(단계 e) 및

아울러, 본 발명에 따른 세라믹 복합체 제조방법에 따르면, 첨가물이 함침된 시편을 열간가압하여 재소결시킬 수 있다(단계 f)

한편, 상술한 몰드는 소결체 제조를 위한 구성으로서, 일례로 그라파이트(graphite) 재질인 것이 사용될 수 있고, 복수개의 시편을 동시에 소결할 수 있는 다층 적층 구조의 몰드 내에서 수행될 수 있다.

보다 상세하게 설명하면, 본 발명의 일실시예에 따른 몰드는 최외곽 외주면에 구비되는 몰드다이, 상기 몰드다이 내측에 구비되는 외부슬리브, 상기 외부슬리브 내측에 외부슬리브와 소정간격 이격되어 배치되는 내부슬리브, 상기 내부슬리브 내에 배치되는 코어, 상기 외부슬리브와 내부슬리브 사이의 이격된 공간의 상단에 형성되는 상부 펀치, 및 상기 이격된 공간의 하단에 형성되는 하부 펀치를 포함하는 하나 이상의 몰드 유닛(unit)과, 상기 하나 이상의 몰드 유닛의 상부 및 하부에 각각 형성되는 베이스를 포함할 수 있다.

구체적으로, 도 3에서 도시된 바와 같이, 본 발명의 일실시예에 따른 다층 적층 구조의 몰드는 상부베이스 및 하부베이스 사이에 2개의 몰드 유닛이 구비되고, 상기 2개의 몰드 유닛 사이에는 결합베이스가 구비되며, 상기 결합베이스를 경계로 각각의 몰드 유닛(unit)이 배치된다. 한편, 본 발명의 또 다른 일실시예에 따른 몰드는 2개 이상의 몰드 유닛(unit)을 포함할 수 있으며, 이 경우 상기 몰드 유닛은 상술한 바와 마찬가지로 결합베이스를 경계로 적층되어 배치될 수 있고, 결합베이스는 각 몰드 유닛 사이마다 구비되는 것일 수 있다.

한편, 상기 슬리브는 사다리꼴의 단면 형상을 가지는 것으로서 소결체의 탈형을 용이하게 하기 위해 구비되는 것이며 분할된 구조일 수 있고, 다이와 소결체를 직접적으로 접촉하지 않도록 하며, 분리가 용이하고 교체가 가능한 특징이 있다. 한편, 코어는 내부슬리브를 고정하기 위해 구비되는 것으로서, 소결체 냉각에 따른 열팽창 차이에서 오는 결함을 감소시키는 특징을 가지며, 본 발명의 일실시예에 따른 코어는 4분할 또는 6분할 구조를 가지는 것일 수 있고, 이 경우 내부 코어 탈형이 용이해지므로 탈형 시 소결체의 파손을 효과적으로 방지할 수 있게 된다.

한편, 펀치는 소결체 제조시 목적하는 형태에 따라 상부 펀치와 하부 펀치 간 간격 조절을 통해 소결체를 원하는 형태로 형성하게 하는 역할을 수행한다.

한편, 상기 코어 내부에는 홀(hole)이 형성될 수 있으며, 코어 내부에 홀이 형성되는 경우 소결체 소결 후 냉각 시 수축스트레스를 감소시켜 소결체의 결함을 최소화시킨다.

한편, 상기 몰드의 구성요소에는 카본 시트(미도시)를 추가로 구비할 수 있으며, 상기 카본 시트는 탈형을 쉽게 하고, 오염을 방지하며, 열팽창을 맞추기 위해 구비되는 것으로서, 구체적으로 0.5mm 내지 5mm 두께 범위의 카본 시트가 사용될 수 있다.

내플라즈마성 엣지링

한편, 본 발명의 일실시예에 따른 내플라즈마성 엣지링 제조방법에 따라 제조되는 내플라즈마성 엣지링의 소결 밀도는 이론값 대비 95내지 99.9%일 수 있고, 이러한 특성에 의해, 내플라즈마성이 및 내식각성이 이 매우 우수한 효과가 있다.

도 6에서는, 본 발명에서 제안하는 세라믹 복합체 제조방법이 도시된다.

도 6을 참조하면, 본 발명에 따른 세라믹 복합체 제조방법의 일 실시예는, 과립화 분말을 제조하는 단계(S601)와, 세라믹 시편을 제조하는 단계(S602), 시편을 몰드에 적층하는 단계(S603), 반소결 단계(S604), 함침단계(S605), 재소결 단계(S606)로 구성될 수 있다.

구체적으로, 과립화 분말을 제조하는 단계(S601)에서는, 탄화규소(SiC), 탄화붕소(B₄C) 및 질화규소(Si₃N₄)로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 시료를 전처리할 수 있다.

과립화 분말이 제조되면, 프리프레스(PrePress)를 통해 상기 과립화 분말을 사전성형하여 세라믹 시편으로 제조하는 단계(S602)가 수행될 수 있다. 이와 같이 제조된 세라믹 시편은 몰드 내에 적층될 수 있다(S603).

본 발명에 따른 세라믹 복합체 제조방법에서는, 적층된 시편 중 적어도 일부에 대해 소성을 수행하여 반소결시키는 단계(S604)를 수행할 수 있다.

즉, 시편이 적층된 후 완전 소결을 수행하는 것이 아니라, 시편의 50% 내지 90%가 소결되도록 시편을 소성할 수 있다.

반소결 단계에서 열간가압을 할 경우, 다공체가 충분히 형성되지 않고, 반소결 대상체의 표면만 소결밀도가 증가되는 문제점이 발생할 수 있다. 따라서, 반소결 단계 이후 함침의 성공률을 증가시키기 위해서는, 소성을 수행하는 것이 적절하다.

일 예에서, 반소결 단계는, 시편의 50% 내지 90%가 소결되도록 시편을 소성함으로써 수행될 수 있다.

한편, 시편 중 적어도 일부가 소결된 상태에서, 시편에 소정의 첨가물을 함침시키는 단계(S605)가 수행될 수 있다.

마지막으로, 첨가물이 함침된 시편을 열간가압하여 재소결시키는 단계(S606)가 수행될 수 있다. 이때, 재소결은, 완전 소결이 수행되는 온도보다 낮은 온도에서 수행되는 것이 바람직하다.

일 예에서, 함침되는 첨가물은, 시편과 동일한 재질로 구성될 수 있다. 보다 바람직하게는, 상기 첨가물은, 반소결된 시편의 미립자를 포함하여 구성될 수 있다.

다른 실시예에서, 반소결 단계는, 소결체 표면으로부터 소정의 보론산화물을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다.

이상으로 설명한 본 발명의 내플라즈마성 엣지링 제조방법에 의하면, 프리프레스 과정을 통해 균일성이 확보된 다수의 사전성형 시편을 이용하여 엣지링을 제조할 수 있게 되므로, 열간가압 소결 가공 시 시료 분말을 바로 사용하는 경우 대비 몰드 내 30 내지 60%의 추가 공간 확보가 가능하여 1회 공정 당 최소2배수 이상의 엣지링을 제조할 수 있게 되며, 불순물 이입을 방지할 수 있고, 또한, 소결 가공 후 와이어 컷팅 등 별도의 후가공 과정이 최소화되는 효과가 있다.

또한, 본 발명의 내플라즈마성 엣지링 제조방법에 의하면, 프리프레스 과정에 의해 사전성형된 시편에 대해 냉간 등방압 가압 처리를 수행함으로써, 시편의 이물을 제거하고, 시편의 밀도 편차를 최소화하여 열간가압 소결 가공 시 시편의 뒤틀림을 효과적으로 방지할 수 있으며, 이에 따라 열간가압 소결 가공을 통해 제조된 엣지링의 소결 밀도가 이론값 대비 95 내지 99.9%에 해당하여 편차가 최소화되는 효과가 있다.

이하 발명의 구체적인 실시예를 통해 발명의 작용, 효과를 보다 구체적으로 설명하기로 한다. 다만, 이는 발명의 예시로서 제시된 것으로 이에 의해 발명의 권리범위가 어떠한 의미로든 한정되는 것은 아니다.

실시예 1

탄화붕소 분말 1000 g을 준비하고, 여기에 소포제로서 CONTRASPUM 를 2 g, 이형제로서 에틸렌글리콜를 10 g, 바인더로서 폴리비닐알코올 를 30g 혼합한 다음 액상볼밀 혼합 후 스프레이 드라이하여 전처리 함으로써 과립화된 탄화붕소 분말을 얻었다.

다음으로, 상기 과립화된 탄화붕소 분말을 준비된 프리프레스용 몰드에 충진하고 레벨링을 수행한 후, 80 kg/cm2으로 일축가압하여 탄화붕소 시편을 제작하고 이를 3층으로 적층하여 준비하였다.

다음으로, 상기 단계를 통해 얻은 시편을 열간가압을 위한 몰드 내에 장입하고, 2100℃온도 및 186 kgf/cm2 압력 조건으로 1축 가압하여 소결체를 형성하였다. 상기 소결체는 별도의 후가공 과정 없이 플라즈마 장치 내의 커버링 어셈블리를 구성하는 엣지링 제품으로 사용할 수 있다.

비교예 1

실시예 1과 동일한 방법으로 내플라즈마성 엣지링용 소결체로 제조하되,

실시예 1에서 제작된 과립화 분말로 mold 내부에 충진 후 열간가압을 위한 몰드 내에 장입하고, 2100℃온도 및 186 kgf/cm2 압력 조건으로 1축 가압하여 소결체를 형성하였다.

	실시예1	비교예1
두께편차	0.1	0.5
밀도편차	0.2%	0.5%

a0: 과립화된 시료 분말 m: 프리프레스용 몰드
a: 사전성형된 시편 r: 평탄화수단
b: 카본시트
110: 몰드다이 120: 외부슬리브
130: 내부슬리브 140: 코어
150: 상부펀치 160: 하부펀치
20: 결합베이스 30: 상부베이스
40: 하부베이스

Claims (6)

1. a) 탄화규소(SiC), 탄화붕소(B4C) 및 질화규소(Si3N4)로 이루어지는 군에서 선택되는 1종 이상의 시료를 전처리 하여 과립화 분말을 제조하는 단계;
   b) 프리프레스(PrePress)를 통해 상기 과립화 분말을 사전성형하여 세라믹 시편으로 제조하는 단계;
   c) 상기 시편을 몰드 내에 적층하는 단계;
   d) 적층된 상기 시편 중 적어도 일부에 대해 소성을 수행하여 반소결시키는 단계;
   e) 상기 시편 중 적어도 일부가 소결된 상태에서, 상기 시편에 소정의 첨가물을 함침시키는 단계; 및
   f) 상기 첨가물이 함침된 시편을 열간가압하여 재소결시키는 단계;를 포함하고,
   상기 프리프레스 단계(b)는,
   프리프레스용 몰드 내에 상기 과립화 분말을 충진한 다음, 상단면의 평탄화를 수행하되, 가압이나 덜어냄 없이 상기 과립화 분말의 자체 중량만으로 충진하는 방식으로 수행되고,
   상기 d 단계의 반소결은, 상기 시편의 소결밀도가 50% 내지 90%가 되도록 상기 시편을 소성함으로써 수행되고,
   상기 함침되는 첨가물은 반소결된 시편의 미립자를 포함하여 구성되는 세라믹 복합체 제조방법.
   
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