KR102877458B1 - 다중 타겟을 이용한 코팅 방법 및 그에 따른 코팅재 - Google Patents

Abstract

본 발명의 목적은 고온에서 장시간 사용이 가능한 히터 로드의 개선을 위하여 히터 로드에 적합한 기능성 코팅재 및 코팅 방법을 제공하는 것이다.
본 발명은 Mo 소재의 표면에 CrN 코팅의 특성인 우수한 밀착력, 내산화성, 고경도, 고온 및 고압의 가혹 조건에서의 뛰어난 성질을 부여하고 더불어 AlCrN 코팅의 향상된 내산화성 및 고온경도 유지 특성을 결합시켜 두 가지 특성을 동시에 갖는 코팅재를 제공한다.

Description

다중 타겟을 이용한 코팅 방법 및 그에 따른 코팅재{Coating method using multiple targets and coating materials thereby}

본 발명은 다중 타겟을 이용한 코팅 방법 및 코팅재에 관한 것으로, 좀 더 상세하게는 반도체 제조 장비용 히터로드에 대한 기능성 코팅기술에 관한 것이다.

반도체 제조라인의 핵심 공정에 적용되는 코팅 장비의 고성능화로 내구성이 우수한 히터 및 관련 부품의 수요가 증가하고 있는 추세이다. 하지만, 코팅장비 고성능화에 따른 공정 온도 및 속도 등의 사용 환경이 가혹해 짐에 따라 해당 장비에 장착되어 사용 중인 금속계 히터 로드의 수명이 저하되는 문제가 발생하여 고온 환경에서 사용이 가능한 금속계 히터로드의 수요 또한 증가 되고 있다. 이러한 금속계 히터로드의 수명 증가를 위하여 종래에 사용 중이던 Ni계 소재의 경우 공정온도 증가로 인한 지속 고온 노출로 인해 유착, 산화, 멜팅, 크랙 등 로드의 손상 문제가 발생하여 수명이 약 3개월 이하로 잦은 교체가 필요하다.

세라믹 히터의 성능 향상을 위해 브레이징을 실시하기도 하며, 등록특허 10-1378823호는 그에 대해 기재한다.

본 발명의 목적은 고온에서 장시간 사용이 가능한 히터 로드의 개선을 위하여 히터 로드에 적합한 기능성 코팅재 및 코팅 방법을 제공하는 것이다.

상기 목적에 따라 본 발명은 Mo 소재의 표면에 CrN 코팅의 특성인 우수한 밀착력, 내산화성, 고경도, 고온 및 고압의 가혹 조건에서의 뛰어난 성질을 부여하고 더불어 AlCrN 코팅의 향상된 내산화성 및 고온경도 유지 특성을 결합시켜 두 가지 특성을 동시에 갖는 코팅재를 제공한다.

즉, 본 발명은,

히터 로드의 고온내구성을 향상시키기 위해,

히터 로드로서의 모재를 Mo으로 하고,

상기 모재 표면에 AlCrN과 CrN을 동시에 코팅하여 복합 코팅재를 형성하는 것을 특징으로 하는 히터 로드에 대한 코팅 방법을 제공한다.

상기에 있어서, AlCrN 코팅층의 형성을 위해, AlCr 합금 타겟을 사용하고, CrN 코팅을 위해 Cr₁₀₀ 단일 타겟을 사용하며, 모재가 장입된 챔버에 N₂와 Ar을 포함한 비활성 가스를 공급하고, 타겟 표면에 아크 방전을 일으켜 모재에 AlCrN과 CrN을 동시에 코팅하는 것을 특징으로 하는 히터 로드에 대한 코팅 방법을 제공한다.

상기에 있어서, AlCrN 코팅층의 형성을 위해, Al₇₀Cr₃₀ 합금 타겟을 사용하는 것을 특징으로 하는 히터 로드에 대한 코팅 방법을 제공한다.

상기에 있어서, 코팅은 아크이온플레이팅(AIP:Arc Ion Plating) 장비에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는 히터 로드에 대한 코팅 방법을 제공한다.

상기 코팅 방법에 의해 제조된 AlCrN과 CrN의 복합 코팅재는 30 내지 31GPa의 소성경도와 1111 내지 1112GPa의 탄성계수를 갖는 것을 특징으로 하는 AlCrN과 CrN의 복합 코팅재를 제공한다.

상기에 있어서, AlCrN과 CrN의 복합 코팅재는 16.7 내지 40.5N의 힘에 대해 밀착력을 나타내는 것을 특징으로 하는 AlCrN과 CrN의 복합 코팅재를 제공한다.

상기의 코팅 방법에 의해 AlCrN과 CrN의 복합 코팅재를 갖는 히터 로드로서, 680℃ 내지 720℃의 고온에 대해 내구성을 나타내는 것을 특징으로 하는 히터 로드를 제공한다.

본 발명에 따르면 히터 로드의 모재를 Mo로 하고, 여기에 CrN과 AlCrN이 동시에 코팅된 복합 코팅막을 형성하여, CrN 코팅의 특성인 우수한 밀착력, 내산화성, 고경도, 고온 및 고압의 가혹 조건에서의 뛰어난 성질과 AlCrN 코팅의 향상된 내산화성 및 고온경도 유지 특성을 동시에 갖도록 할 수 있다.

또한, 본 발명은 CrN 코팅을 위해 Cr 단일 타겟과 AlCrN 코팅을 위한 AlCr 합금 타겟을 동시에 적용하는 다중 타겟 구조로 코팅을 진행하여, 2계 성분 합금 타겟 사용으로 인해 장비가 복잡하고 고가화될 필요 없이 간소화되게 하였고, 코팅 균일도와 신뢰도를 높였다.

또한, 본 발명은 AIP(Arc Ion Plating) 장비를 적용하여 코팅을 실시하였으며, 그에 따라 타겟 표면에서 방전된 아크 이온을 이용하여 강력한 밀착력을 갖는 코팅층을 형성할 수 있다.

본 발명에 따라 제작된 코팅층은 대기압 분위기 700℃의 환경에서 10시간 동안 유지 후 냉각 반복하여 내열테스트를 진행하여도 품질을 유지한다.

따라서 본 발명에서 제공한 코팅재를 포함한 히터로드는 고온에서 장기간 사용할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따라 히터로드에 대해 고온 내구성을 갖는 코팅재를 형성하는 일련의 과정을 설명하는 순서도로서, AlCrN 및 CrN 코팅재를 설계하고, 합금을 제조하고, 분말화하여 소결로 타겟을 제작한 후, 코팅을 형성하고 분석하는 과정을 보여준다.
도 2는 멀티 타겟과 단일 합금 타겟을 사용할 경우를 대비하여 장단점을 대비한 설명도이다.
도 3은 본 발명에서 사용한 아크이온플레이팅 장비의 사진이다.
도 4는 본 발명에서 사용한 ArCr 타겟과 Cr 타겟 그리고 코팅에 의해 코팅재를 포함한 Mo 히터로드를 보여주는 사진이다.
도 5는 본 발명의 코팅재를 포함한 샘플에 대한 나노인텐더에 의한 표면경도 분석 결과를 보여준다.
도 6은 본 발명의 코팅재를 포함한 샘플에 대한 스크래치 테스트 결과를 보여준다.
도 7은 본 발명의 코팅재를 포함한 샘플에 대한 SEM 표면분석 결과를 보여준다.
도 8은 본 발명의 코팅재를 포함한 샘플에 대한 EDS 표면분석 결과를 보여준다.
도 9는 본 발명의 코팅재를 포함한 샘플에 대한 SEM 단면분석 결과를 보여준다.
도 10은 본 발명의 코팅재를 포함한 샘플에 대한 내열 특성 테스트 결과를 보여준다.

이하, 첨부도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 설명한다.

고온에서 장시간 사용이 가능한 히터로드의 개선을 위해 고온 사용이 가능한 Mo, 및 Mo 합금을 히터 로드에 적용하여 사용하는 것에 대한 연구가 진행 중이다. Mo 소재의 경우 고온에서의 내열성은 우수하지만 고온에서 산화반응을 일으켜 MoO₃를 형성하는 문제를 발생시키기 때문에 산화 방지의 목적과 내열성의 향상 및 기계적, 화학적 물성향상을 목적으로 추가적인 표면처리를 시행하여 내구성을 향상시켜 제품의 사용 기간을 증가 시킬 수 있는 방안에 대한 연구 또한 진행 중이다.

한편, PVD(Physical Vapor Deposition) 코팅은 열·표면처리 방법 중의 한가지로서 진공상태 물리적 기상 증착법으로 단일 또는 다원계 합금 타겟을 사용하여 타겟 표면을 이온화 시켜 제품의 표면에 증착 시켜 박막을 생성시키고 추가적인 물성을 얻을 수 있다. PVD 코팅의 장점으로는 타겟의 원소에 따라 원하는 방향으로 다양한 물성을 향상시킬 수 있다는 점이다.

본 발명은 히터 로드에 대해 기능성 코팅을 실시하기 위해, AlCr 합금 타겟과 Cr 단일 원소 타겟을 사용하여 Ar 및 N₂ 가스 분위기 내에서 공정을 진행한다. 기존 산업현장에서는 내열 내산화 등의 특성을 향상시키기 위한 열·표면처리를 통한 성능개선이 활발히 연구중이며 그러한 방법 중 TiN, CrN, TiAlN 등의 질화 코팅 적용 시에는 약 600℃ 이상의 온도에서 히터로드에 손상이 발생하였다.

이러한 문제점을 해결하기 위해, 본 발명은 Mo를 모재로 하고 AlCrN 및 CrN을 동시에 코팅한다.

코팅용 타겟의 제작은 원소재 측량부터 시작하여 VPM(Vacuum Plasma Melting) 이용한 소재의 합금화, 제작된 모합금을 사용하여 가스 아토마이저(Gas Atomizer)를 통해 합금 분말을 생성하고 분말을 고온·고압 분위기로 소결시켜 장비에 장착할 수 있는 타겟 형태로 제작하여 사용한다.

도 1은 본 발명에 따라 히터로드에 대해 고온 내구성을 갖는 코팅재를 형성하는 일련의 과정을 설명하는 순서도이다.

AlCrN 및 CrN 코팅재를 설계하고, Al₇₀Cr₃₀ 합금 타겟과 Cr 타겟을 동시 사용하기로 하여, 그에 따라 AlCr 합금을 제조하고, 분말화하여 소결로 타겟을 제작한 후, 코팅을 형성하고 분석하는 과정을 개략적으로 보여준다.

AlCr 타겟의 조성,즉, Al:Cr 조성비는 7~5:3~5일 수 있다. 산업현장에서 상용중인 AlCr 타겟은 7:3, 6:4, 5:5 등 다양한 범위의 조성비로 제작사용 중이며 조성에 따른 물성에 대한 다양한 연구가 진행되고 있다. 이중 7:3 조성을 사용한 타겟의 사용이 금형 및 절삭 공구 등 고온 및 고압의 극한환경에서 사용되는 경우에 낮은 열 전도율, 마찰계수 등 타 조성 및/또는 다른 원소를 사용하는 타겟에 비하여 고온안정성 및 고온경도를 나타낸다. 또한, 코팅층을 이루는 AlCrN에서 Al:Cr은 7:3 조성에서 밀착력 및 고온내성을 나타낸다.

AlCr의 조성비 7:3 타겟으로 생성되는 AlCrN 화합물의 격자구조(Crystal Strucure)는 FCC(Face-Centered-Cubic)구조의 상(Phase)과 HCP(Hexagonal-Close-Packed)구조의 상이 존재하며 서로 다른 구조의 상이 혼합(Mixing) 되고 Cr 타겟에서 생성된 CrN의 경우 FCC 단일 구조가 나타난다.

밀착력, 경도, 고온내성 등 코팅층의 외부요인 변화에 대한 저항은 내부에 형성된 전위(Dislocation)의 이동을 억제하는 것에서 주로 발생되며 서로 다른 상 구조의 Mixing과 다른 격자상수 크기를 가지는 AlCrN-FCC / CrN-FCC의 FCC 구조의 상들의 혼합 나노복합 코팅층을 형성하여 이로 인한 높은 압축 잔류응력을 가지게 된다. 그에 따라 일반적으로 진행되는 AlCrN, CrN 각각의 단일 코팅보다 물성이 우수한 코팅층을 얻을 수 있다.

도 2는 멀티 타겟과 단일 합금 타겟 사용시 장단점을 대비하여 설명한다.

본 발명은 AlCr을 합금 타겟으로 제조하고 Cr은 단일 타겟으로 하여 두 개의 멀티 타겟을 사용하는 것으로 코팅 공정을 설계한다. 이러한 코팅 시스템은 3성분 이상의 코팅재를 형성하면서도 지나치게 장비나 공정 조건을 복잡화하지 않으며, 코팅재의 균일도와 품질 신뢰도를 높일 수 있다.

도 3은 본 발명에서 사용한 아크이온플레이팅 장비의 사진이다.

코팅 박막의 제조는 PVD 방식중의 하나인 AIP(Arc Ion Plating) 장비로 타겟 표면에 대해 아크 방전을 적용하여 타겟 원소를 분해하고, 플라즈마 상태로 이온화 된 원소가 모재 표면에 증착하여 이루어진다. 본 발명에서는 AIP 장비를 이용하여 모재에 AlCrN과 CrN 두 물질을 동시에 증착하여 개선된 특성을 구현하였다.

도 4는 본 발명에서 사용한 ArCr 타겟과 Cr 타겟 그리고 코팅에 의해 코팅재를 포함한 Mo 히터로드를 보여주는 사진이다.

본 발명에 따르면, 히터로드로서 Mo를 모재로 하고, 모재의 표면에 CrN 코팅을 실시하여 그 특성인 우수한 밀착력, 내산화성, 고경도, 고온 및 고압의 가혹 조건에서의 뛰어난 내구성을 구현하고, 동시에 AlCrN 코팅을 실시하여 더욱 향상된 내산화성 및 고온 경도 유지 특성을 모두 구현하는 코팅막을 생성한다.

또한, AlCrN과 CrN 동시 증착을 통해서 얻은 샘플에 대한 분석을 진행하여 개선방안을 도출한다.

즉, 본 발명은 PVD 방식 중 하나인 AIP(Arc Ion Plating) 장비를 이용하여 공정을 진행하며, 반응성 가스인 N₂ 및 Ar을 이용하여 표면의 질화물 박막 층을 생성하여 물성을 향상시킨 샘플에 대해 경도, SEM, 밀착력 등의 증착막에 대한 분석을 진행하였다.

공정 조건은 다음과 같다.

챔버 내 공정 돌입 전 초기 압력은 최소 8.0 × 10^-5 Torr 이하(1× 10^-5 Torr~8.0 × 10^-5 Torr)의 고진공 분위기에서 시작하게 되며, 공정 온도의 경우 히터(Heater)의 세팅 온도 500℃로 설정할 경우 챔버 스테이지(Chamber Stage) 측의 온도는 약 380℃까지 상승하며, 챔버 내부의 균일한 열 분포를 위하여 1시간 이상 유지된 상태에서 공정 준비가 완료되게 된다. 즉, 1× 10^-5 Torr~8.0 × 10^-5 Torr 진공압력, 350 내지 400 ℃ 온도를 초기 공정 상태로 형성한다.

우선, 증착 물질 및 사용되는 타겟의 표면에 존재하는 이물질, 산화물 등의 제거로 증착막의 형성에 방해가 되는 물질을 제거하여 표면 세정을 위한 예비스퍼터링(Pre-Sputtering) 공정이 선행 된다. Pre-Sputtering 공정에서는 Ar 가스를 사용하여 250 내지 350sccm, 바람직하게는, 300sccm의 유량으로 Flow 시킨 후 25 내지 35mTorr, 바람직하게는, 30 mTorr의 압력 분위기에서 진행되며 Bias Power를 이용하며, -650 내지 -750V, 바람직하게는, -700V를 시편(모재)이 장착된 스테이지에 인가하여 10분 간 유지 시킨다.

이후, 코팅 공정으로 돌입되며 N₂는 250 내지 350sccm, 바람직하게는, 300sccm 의 유량으로 챔버에 흘려준 후, 20 내지 30mTorr, 바람직하게는, 25 mTorr의 압력 분위기에서 코팅을 진행하며, 코팅 공정에서는 Bias Power를 통해 -80 내지 -120V, 바람직하게는 -100V 를 스테이지에 인가하고, 아크 파워(Arc Power)를 사용하여 AlCr 합금타겟과 Cr 타겟 측에 전류를 75 내지 85, 바람직하게는 80A 인가하고, 코팅단계의 공정시간은 50 내지 70분, 바람직하게는, 1시간 동안 유지 되어 적절한 코팅 두께를 만든다. 코팅 공정에서는 타겟 표면의 아크 발생에 의한 이온화로 금속 원소의 이온과 N⁺ 가스 플라즈마 분위기의 반응에 의해 금속타겟의 원소 물질과 N+의 화합물이 피증착물의 표면에 흡착되어 코팅층이 생성된다.

상기 공정 및 AIP 장비 사용에 의하여 일반 Sputtering PVD 코팅에 비해 단시간 내 높은 증착률을 나타내 후막을 생성할 수 있는 장점을 나타낼 수 있다.

AIP(Arc Ion Plating)는 PVD(Physical Vapor Deposition) 표면처리 방식 중 하나이며 금속 타겟의 표면에 국부적인 아크 방전을 일으켜 해당원소의 이온화를 통해 샘플의 표면에 증착을 진행 할 수 있는 장비이다.

공정을 통해 생성된 AlCrN + CrN 증착 막의 표면 경도를 나노인덴터를 사용하여 분석을 시행하였다.

도 5는 본 발명의 코팅재를 포함한 샘플에 대한 나노인텐더에 의한 표면경도 분석 결과를 보여준다.

최대, 최소 및 측정 불량 값을 제거한 평균값을 측정 한 결과 소성경도(HIT) 30.5GPa, 탄성계수(EIT) 1111.2GPa 로 고경도의 증착막이 생성되었음을 알 수 있다. 즉, 본 발명에 따른 코팅재는 30 내지 31GPa의 소성경도와 1111 내지 1112GPa의 탄성계수를 갖는 고경도 막이다.

도 6은 본 발명의 코팅재를 포함한 샘플에 대한 스크래치 테스트 결과를 보여준다. 16.7 내지 40.5N의 힘에 대해 밀착력을 보인다.

도 7은 본 발명의 코팅재를 포함한 샘플에 대한 SEM 표면분석 결과를 보여준다.

공정을 통해 생성된 AlCrN + CrN 증착 막을 SEM 장비를 이용하여 분석을 진행하였다. 전체적으로 Al,Cr의 도포 및 질화물이 생성 된 것을 알 수 있다.

도 8은 본 발명의 코팅재를 포함한 샘플에 대한 EDS 표면분석 결과를 보여준다.

도 9는 본 발명의 코팅재를 포함한 샘플에 대한 SEM 단면분석 결과를 보여준다.

도 10은 본 발명의 코팅재를 포함한 샘플에 대한 내열 특성 테스트 결과를 보여준다.

공정을 통해 생성된 AlCrN + CrN 증착 막의 고온분위기 내열 및 내산화 특성을 확인하기위하여 열처리용 Heat oven을 이용 대기압 분위기 700℃의 환경에서 10시간 동안 유지 후 냉각 반복하여 내열테스트를 진행하였다.

즉, 상온에서 10℃를 단위로 하여 온도를 올리는 속도로 1시간 10분간 승온 실시하여 700℃에서 10h 유지 후 히터 가동을 정지하고, 이후에 로냉(Furnace Cooling)실시 하여 상온까지 냉각 완료 후 재시험을 실시하는 방법으로 반복 내열테스트가 진행되었다.

내열테스트 진행 결과 5차 진행까지 표면 박리, 코팅재에 대한 천공(Pore)발생 등은 나타나지 않았다.

즉, 본 발명에 따라 코팅된 히터 로드는 680℃ 내지 720℃의 고온에 대해 내구성을 보이며, 상기 온도 대역에서 상온에 이르는 냉각 환경에 반복 노출되어도 코팅재가 박리되거나 균열 또는 포어가 생기지 않는 내열성을 나타낸다.

이와 같이 하여 2개의 타겟을 이용한 고온 내구성을 지닌 AlCrN 및 CrN 코팅재를 제공한다.

상술된 사항에서 별도의 정의가 없는 경우, 본 명세서에서 사용된 모든 기술 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 또한, 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 용어들은 명백하게 특별히 정의되어 있지 않은 한 이상적으로 또는 과도하게 해석되지 않는다. 명세서 전체에서 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함"한다 또는 "가지다"라고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다. 또한, 단수형은 문맥에 의해 복수형을 포함할 수 있다.

본 발명의 권리는 위에서 설명된 실시 예에 한정되지 않고 청구범위에 기재된 바에 의해 정의되며, 본 발명의 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 청구범위에 기재된 권리범위 내에서 다양한 변형과 개작을 할 수 있다는 것은 자명하다.

도면부호 없음.

Claims (7)

1. 히터 로드의 고온내구성을 향상시키기 위해,
   히터 로드로서의 모재를 Mo으로 하고,
   상기 모재 표면에 AlCrN과 CrN을 동시에 코팅하여 서로 다른 상 구조의 믹싱이 이루어지고 서로 다른 격자상수 크기를 가지는 AlCrN-FCC와 CrN-FCC의 FCC 구조의 상들이 혼합 된 나노 복합 코팅재를 형성하는 것을 특징으로 하는 히터 로드에 대한 코팅 방법.
2. 제1항에 있어서, AlCrN 코팅층의 형성을 위해, AlCr 합금 타겟을 사용하고, CrN 코팅을 위해 Cr₁₀₀ 단일 타겟을 사용하며, 모재가 장입된 챔버에 N₂와 Ar을 포함한 비활성 가스를 공급하고, 타겟 표면에 아크 방전을 일으켜 모재에 AlCrN과 CrN을 동시에 코팅하는 것을 특징으로 하는 히터 로드에 대한 코팅 방법.
3. 제2항에 있어서, AlCrN 코팅층의 형성을 위해, Al₇₀Cr₃₀ 합금 타겟을 사용하는 것을 특징으로 하는 히터 로드에 대한 코팅 방법.
4. 제2항에 있어서, 코팅은 아크이온플레이팅(AIP:Arc Ion Plating) 장비에 의해 실시되는 것을 특징으로 하는 히터 로드에 대한 코팅 방법.
5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 코팅 방법에 의해 제조된 AlCrN과 CrN의 복합 코팅재는 30 내지 31GPa의 소성경도와 1111 내지 1112GPa의 탄성계수를 갖는 것을 특징으로 하는 AlCrN과 CrN의 복합 코팅재.
6. 삭제
7. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항의 코팅 방법에 의해 AlCrN과 CrN의 복합 코팅재를 갖는 히터 로드.