KR20060031136A - Coating layer by thermal spray for vacuum plasma chamber and fabrication method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 반도체/LCD 제조 시 사용되는 진공 플라즈마 챔버 및 그 내부 부품의 보호막으로서 열용사에 의한 금속 및 세라믹 혼합 코팅막을 제공한다. 상기 혼합층은 열용사에 의해 형성되는 코팅막의 균열발생, 기공 발생, 코팅막의 박리 현상 등이 방지되어 진공 플라즈마 챔버 및 그 내부 부품의 내식성을 향상시키고, 수명을 연장시켜 제품 신뢰성을 더욱 확보할 수 있게 한다. The present invention provides a metal and ceramic mixed coating film by thermal spraying as a protective film for a vacuum plasma chamber and its internal parts used in semiconductor / LCD manufacturing. The mixed layer prevents cracking, pore generation, and peeling of the coating film formed by thermal spraying, thereby improving corrosion resistance of the vacuum plasma chamber and its internal parts, and extending the service life to further secure product reliability. do.

열용사, 혼합 코팅층, 균열, 박리Thermal spraying, mixed coating layer, cracking, peeling

Description

진공 플라즈마 챔버용 열용사 코팅막 및 그 제조방법{COATING LAYER BY THERMAL SPRAY FOR VACUUM PLASMA CHAMBER AND FABRICATION METHOD THEREOF}Thermal spray coating film for vacuum plasma chamber and manufacturing method thereof {COATING LAYER BY THERMAL SPRAY FOR VACUUM PLASMA CHAMBER AND FABRICATION METHOD THEREOF}

도 1은 반도체/LCD 제조 장비의 하나인 플라즈마 식각 장비의 챔버 및 그 내부의 수직 단면도이다. 1 is a vertical cross-sectional view of a chamber and an interior of a plasma etching equipment, which is one of semiconductor / LCD manufacturing equipment.

도 2는 플라즈마 용사 장비의 플라즈마 건 부분을 도시한 것이다.2 shows a plasma gun portion of the plasma spray equipment.

도 3a 및 3b는 열용사 기술에 의해 형성된 산화물 코팅막의 균열 사진이다. 3A and 3B are crack photographs of oxide coating films formed by a thermal spraying technique.

도 4는 열용사 기술에 의해 코팅된 불완전 충진 산화물 코팅막의 표면 관찰 사진이다.Figure 4 is a photograph of the surface observation of the incompletely filled oxide coating film coated by a thermal spraying technique.

도 5는 금속과 세라믹을 혼합하여 열용사 코팅한 금속/세라믹 혼합 코팅막의 단면 사진이다. FIG. 5 is a cross-sectional photograph of a metal / ceramic mixed coating film thermally coated by mixing a metal and a ceramic. FIG.

도 6은 열용사 코팅 중 금속 분말과 세라믹 코팅 분말의 주입 속도를 점진전으로 변화시켜 제조한 금속/세라믹 혼합코팅(경사 코팅) 층의 단면 사진이다. FIG. 6 is a cross-sectional photograph of a metal / ceramic mixed coating (tilt coating) layer prepared by gradually changing an injection rate of a metal powder and a ceramic coating powder in a thermal spray coating.

도 7은 금속과 세라믹을 혼합하여 열용사 코팅할 때 모재의 굽힘 정도를 측정한 결과이다. Figure 7 is a result of measuring the degree of bending of the base material when the thermal spray coating by mixing a metal and ceramic.

도 8은 금속분말과 세라믹 분말의 주입 속도를 점차로 변화시키면서 열용사 코팅(경사코팅)할 때 모재의 굽힘 정도를 측정한 결과이다. 8 is a result of measuring the degree of bending of the base material when the thermal spray coating (tilt coating) while gradually changing the injection speed of the metal powder and ceramic powder.

도 9는 금속 모재에 세라믹 분말을 열용사 코팅했을 때 모재의 굽힘 정도를 측정한 결과이다.9 is a result of measuring the degree of bending of the base material when the thermal spray coating of the ceramic powder on the metal base material.

도 10은 금속 분말 주입구와 세라믹 분말 주입구가 각각 설치되고 분말 주입 위치가 서로 다른 플라즈마 건 및 분말 주입 시스템을 도시한 것이다. FIG. 10 illustrates a plasma gun and a powder injection system in which metal powder injection holes and ceramic powder injection holes are respectively provided and powder injection positions are different from each other.

도 11은 세라믹 분말 주입구가 플라즈마 건 내부에 설치되고 이와 별도로 금속 분말 주입구가 설치된 플라즈마 건 및 분말 주입 시스템을 도시한 것이다. 11 illustrates a plasma gun and a powder injection system in which a ceramic powder inlet is installed inside a plasma gun and a metal powder inlet is separately installed.

도 12는 내측면을 코팅해야 하는 진공 플라즈마 부품의 일례를 도시한 것이다. FIG. 12 shows an example of a vacuum plasma component to which the inner side should be coated.

본 발명은 진공 플라즈마 챔버용 열용사 코팅막 및 그 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a thermal spray coating film for a vacuum plasma chamber and a method of manufacturing the same.

반도체/LCD 제조 또는 기타 초미세 형상 구현을 위한 공정 분야에서 진공 플라즈마 챔버들이 사용되고 있다. 그 예로서 기판 위에 플라즈마를 이용한 화학적 증착법으로 증착막을 형성하는 PECVD(plasma enhanced chemical vapour deposition) 장비, 물리적인 방법으로 증착막을 형성하는 스퍼터링 장비 그리고 기판 또는 기판 위의 코팅된 물질을 원하는 패턴으로 식각하기 위한 건식 식각 장비 등에 진공 플라즈마 챔버 등이 있다. Vacuum plasma chambers are used in the field of processing for semiconductor / LCD manufacturing or other ultrafine shapes. For example, plasma enhanced chemical vapor deposition (PECVD) equipment for forming a deposited film by a chemical vapor deposition method on a substrate, sputtering equipment for forming a deposited film by a physical method, and etching a substrate or a coated material on the substrate in a desired pattern. And a vacuum plasma chamber for dry etching equipment.

진공 플라즈마 챔버 내에서는 고온의 플라즈마가 발생하여 챔버 및 그 내부 부품의 수명이 단축될 뿐만 아니라, 챔버 및 그 부품의 표면으로부터 특정 원소 및 오염 입자가 발생하여 챔버를 오염시킬 소지가 높다. 특히, 플라즈마 식각 장비의 경우 플라즈마 분위기에 F, Cl를 포함하는 반응성 가스를 주입하므로 챔버 내벽 및 그 내부 부품은 매우 심각한 부식성 환경에 놓이게 된다. 이러한 부식은 챔버 및 그 내부 부품의 수명 단축, 오염 물질 및 입자 발생에 의한 최종 제품의 불량률 증가에 의한 제품의 품질 저하, 부품 교체/세정을 위한 조업 중단에 따른 생산단가 상승 등의 심각한 문제를 야기한다.In the vacuum plasma chamber, high temperature plasma is generated to shorten the lifespan of the chamber and its internal components, as well as to generate specific elements and contaminating particles from the surface of the chamber and its components, which is likely to contaminate the chamber. In particular, since the plasma etching equipment injects reactive gases including F and Cl into the plasma atmosphere, the chamber inner wall and its internal parts are placed in a very corrosive environment. This corrosion causes serious problems such as shortening the life of the chamber and its internal parts, degrading the product quality by increasing the defective rate of the final product due to the generation of contaminants and particles, and increasing the production cost due to the interruption of operation for parts replacement / cleaning. do.

도 1에 도시한 플라즈마 건식 식각 장비를 예로 들어 진공 플라즈마 챔버의 부식 문제에 대하여 구체적으로 설명한다. The problem of corrosion of the vacuum plasma chamber will be described in detail using the plasma dry etching apparatus illustrated in FIG. 1 as an example.

플라즈마 건식 식각 장비는 예를 들어 반도체 웨이퍼 또는 LCD용 유리 등의 기판 또는 그 기판 위해 형성된 박막의 특정 위치를 식각하여 기판위에 원하는 회로 또는 형상을 구현하는데 사용된다. Plasma dry etching equipment is used to etch a specific location of a substrate such as a semiconductor wafer or glass for LCD or a thin film formed for the substrate to implement a desired circuit or shape on the substrate.

상기 장비의 구성 부품 및 그 운용 원리를 살펴보면 다음과 같다. 식각 가스는 가스 분산판(13)에 설치된 구멍(14)을 통해 챔버 내부로 유입된다. 상부 전극(2)과 하부 전극(9)에 RF 전류를 가하여 플라즈마를 발생시켜 유입된 식각 가스의 반응성을 증가시킨 후, 이를 기판 지지대(8) 위에 놓인 기판(15)에 충돌 시켜 기판 또는 그 위에 입혀진 막의 일부를 식각하게 된다. 상기 식각 가스의 예로는 C4F8, C5H8, CH2F2, CF, CF2, CF3, CF4 , SF6, NF3, F2, CH2F2, CHF3, C2F6 등 F를 포함하는 가스와 Cl2, BCl3, SiCl4, HCl 등 Cl를 포함하는 가스, HBr, Br2, CF3Br 등 Br를 포함하는 가스 및 기타 SiN4, O2, Ar, H2 등의 가스 중 하나 또는 그 이상을 혼합한 가 스 등이 있다.Looking at the components and the operating principle of the equipment as follows. The etching gas is introduced into the chamber through the hole 14 installed in the gas distribution plate 13. RF current is applied to the upper electrode 2 and the lower electrode 9 to generate a plasma to increase the reactivity of the introduced etching gas, and then collide with the substrate 15 placed on the substrate support 8 to thereby A portion of the coated membrane is etched. Examples of the etching gas include C4F 8 , C 5 H 8 , CH 2 F 2 , CF, CF 2 , CF 3 , CF 4 , SF 6 , NF 3 , F 2 , CH 2 F 2 , CHF 3 , C 2 F Gas containing F such as 6 and gas containing Cl such as Cl 2 , BCl 3 , SiCl 4 , HCl, gas containing Br such as HBr, Br 2 , CF 3 Br and other SiN 4 , O 2 , Ar, H And a gas in which one or more of two gases is mixed.

상기 상부 전극(2)은 평판 또는 코일 형태를 취할 수 있으며, 절연창(3) 윗면에 설치되는 것이 바람직하지만 진공 챔버 내부에 설치될 수도 있다. 상기 가스 분산판(13)은 식각 가스를 챔버 내로 고루 분산시키기 위해 가스 노즐, 가스 링 등이 일체형으로 형성되거나 이종 몸체로 부가될 수 있으며, 경우에 따라서는 기판 지지대(8)에 구비될 수도 있다. The upper electrode 2 may take the form of a flat plate or a coil and may be installed on the upper surface of the insulating window 3, but may be installed inside the vacuum chamber. The gas distribution plate 13 may be integrally formed with a gas nozzle, a gas ring, or the like, or may be added as a heterogeneous body to evenly distribute the etching gas into the chamber. In some cases, the gas dispersion plate 13 may be provided in the substrate support 8. .

또한, 챔버 벽체(1)가 식각 가스 및 플라즈마 분위기에 직접 노출되는 것을 방지하기 위하여 원통형 또는 일정한 각도로 기울어진 원뿔형 등의 라이너(11)를 구비할 수 있다. 또한 상기 라이너(11)는 상부 챔버와 하부 챔버를 각각 보호하기 위해 별도의 2개 부품으로 나누어져 제작될 수 있다. 상기 라이너의 표면 온도를 상온 이상의 온도(바람직하게는 상온에서 300℃ 사이)로 일정하게 유지하기 위해 라이너 가열 장치(12)를 구비하여 라이너(11)를 가열함으로써 식각 시 발생한 오염물질이 라이너에 부착되지 않고 가스 상태로 챔버 하부의 연결 포터(7) 또는 챔버 하부에 별도로 제공된 통로(도면에 미 도시)를 통해 진공 펌프로 제거되도록 할 수 있다. 상기 챔버에는 상기 라이너(11)를 고정 시키기 위해 별도의 내부 지지대(5)와 외부 지지대(6)가 설치될 수 있다. In addition, the chamber wall 1 may be provided with a liner 11 such as a cylindrical or conical inclined at an angle to prevent the chamber wall 1 from being directly exposed to the etching gas and the plasma atmosphere. In addition, the liner 11 may be manufactured in two separate parts to protect the upper chamber and the lower chamber, respectively. In order to maintain the surface temperature of the liner at a temperature above room temperature (preferably between room temperature and 300 ° C.), a liner heating device 12 is provided to heat the liner 11 to attach contaminants generated during etching to the liner. Instead, it can be removed in a gaseous state with a vacuum pump through a connection porter 7 at the bottom of the chamber or through a passage (not shown) provided separately under the chamber. In the chamber, a separate inner supporter 5 and an outer supporter 6 may be installed to fix the liner 11.

상기 라이너(11)와 기판 지지대(8) 사이의 빈 공간을 통해 플라즈마가 유출되는 것을 막기 위해 플라즈마 스크린(10)이 구비될 수 있다. 상기 스크린(10)에는 식각 가스 및 에칭 반응물 등이 진공 펌프 쪽으로 이동할 수 있도록 다수의 구멍이 설치될 수 있다. The plasma screen 10 may be provided to prevent the plasma from flowing out through the empty space between the liner 11 and the substrate support 8. The screen 10 may be provided with a plurality of holes so that the etching gas and the etching reactant can move toward the vacuum pump.

반도체 웨이퍼 및 LCD용 유리 기판 등 식각 대상물인 기판(15)을 챔버 내부로 이송하기 위한 기판 이송 통로(도면 미 도시)가 챔버 벽체(1), 내외부 지지대(5,6) 및 라이너(11) 중 하나 또는 그 이상의 측면을 관통하여 설치되어 기판(15)의 투입 및 제거에 소요되는 시간을 줄일 수 있다. A substrate transfer passage (not shown) for transferring the substrate 15, which is an object to be etched, such as a semiconductor wafer and a glass substrate for LCD into the chamber is provided in the chamber wall 1, the inner and outer supports 5, 6, and the liner 11. Installed through one or more side surfaces, it is possible to reduce the time required to insert and remove the substrate 15.

상기 기판(15)은 고정척(16)에 의해 기판 지지대에 고정되는데, 최근에는 정전기력을 이용한 고정척이 널리 이용되고 있다. 상기 기판(15)을 둘러싸고 있는 포커스 링(17)은 챔버 내부에서 발생한 플라즈마가 기판(15) 전체에 걸쳐 균일하게 조사되도록 하는 역할을 한다. The substrate 15 is fixed to the substrate support by the fixing chuck 16. Recently, the fixing chuck using an electrostatic force is widely used. The focus ring 17 surrounding the substrate 15 serves to uniformly irradiate the plasma generated inside the chamber over the entire substrate 15.

이상의 플라즈마 식각 장치의 운용 원리 및 그 구성부에 대한 설명은 일례일 뿐이며, 상기 장비의 구조 및 그 구성 부품은 다양하게 변형될 수 있을 뿐만 아니라 그 종류도 상기한 부품에 한정되지 않는다는 것은 주지의 사실이다. 실례로 도 1에는 도시되지 않았으나 진공 플라즈마 챔버 내에 구비되는 부품으로 기판 전송 모듈, 리프트 시스템, 로드락, 도어 시스템, 로봇 아암, 패스너 등이 있다. The above description of the operation principle of the plasma etching apparatus and the components thereof is merely an example, and it is well known that the structure of the equipment and its components may be variously modified, and the types thereof are not limited to the above components. to be. For example, although not shown in FIG. 1, components included in a vacuum plasma chamber include a substrate transfer module, a lift system, a load lock, a door system, a robot arm, and a fastener.

상기 식각 장비의 챔버 및 그 내부 부품은 반도체/LCD 제조 공정 중 챔버 내부의 극한적인 분위기에 의해 화학적/물리적 손상을 입게 된다. 기판의 일부 또는 전면에 식각 공정에 의하여 물리-화학적 충격을 가하여 손상을 입힌 후 손상된 부분을 제거되는 것과 마찬가지로 챔버 내부 벽면 및 내부 부품도 동일한 과정에 의해 손상을 입게 된다. 즉, 챔버 및 내부 부품은 플라즈마에 의해 활성화된 반응 가스에 의해 화학적 공격(chemical attack)을 받게 된다. 동시에 이온화된 가스 입자가 RF 전자기장에 의해 가속되어 부품의 표면을 폭격(Ion bombardment)하는 물리적 공격(phyical attack)에 의해 손상된다. The chamber of the etching equipment and its internal components are subjected to chemical / physical damage by the extreme atmosphere inside the chamber during the semiconductor / LCD manufacturing process. The chamber inner wall and the inner parts are damaged by the same process as the damaged part is removed after the physical-chemical impact by the etching process on the part or the front surface of the substrate to damage. That is, the chamber and the internal parts are subjected to chemical attack by the reaction gas activated by the plasma. At the same time, ionized gas particles are accelerated by RF electromagnetic fields and damaged by physical attacks that bomb the surface of the part.

이와 같이, 챔버 및 내부 부품이 상기한 과정에 의해 손상될 경우 일차적으로 식각 장비의 일부를 교체 또는 세정/보수하여야 하므로 추가 비용이 소요되며, 추가적으로 교체 또는 세정/보수를 위해 공정 라인을 정지하여야 하므로 제품의 공정 시간이 증가하게 된다. 뿐만 아니라 손상된 챔버 및 내부 부품의 표면에서 발생한 오염 물질이 식각하고자 하는 웨이퍼 또는 LCD 유리 기판을 오염시킬 경우 반도체 및 LCD의 불량률이 증가하게 된다. As such, when the chamber and the internal parts are damaged by the above process, some of the etching equipment must be replaced or cleaned / repaired first, so additional costs are required, and additionally, the process line must be stopped for replacement or cleaning / repair. The processing time of the product is increased. In addition, when the contaminants generated on the damaged chamber and the surface of the internal parts contaminate the wafer or the LCD glass substrate to be etched, the defect rate of the semiconductor and the LCD increases.

종래의 진공 플라즈마 챔버 및 그 내부 부품의 부식을 막기 위한 대표적인 방법에 대하여 설명하면 다음과 같다. A typical method for preventing corrosion of a conventional vacuum plasma chamber and its internal components will be described below.

진공 플라즈마 챔버 및 내부 부품은 내식성, 가공성, 제작 용이성, 가격, 절연성 등 많은 특성을 고려하여 선택되며, 일반적으로 챔버 소재로는 스텐레스 합금이나 알루미늄 합금이 사용된다. 챔버는 주조 등에 의해 일체형으로 제작한 후 내부를 가공하여 일체형으로 제작하는 것이 바람직하나 생산성 및 제조 단가를 고려하여 여러 개의 부분으로 가공된 후 조립될 수 있다. 챔버용 소재인 금속은 일반적으로 내식성이 낮으므로 플라즈마 및 화학성 가스에 대해 내구성을 갖도록 하기 위하여 용사(Thermal spray)에 의해 세라믹(예를 들어, Al2O3, Y2O3 , Al2O3/Y2O3, ZrO2, AlC, TiN, AlN, TiC, MgO, CaO, CeO2, TiO2, BxCy, BN, SiO2, SiC 등) 코팅 막을 형성하는 경우가 있다. The vacuum plasma chamber and internal components are selected in consideration of many characteristics such as corrosion resistance, processability, fabrication ease, price, and insulation, and generally, stainless steel or aluminum alloy is used as the chamber material. Although the chamber is preferably manufactured integrally by casting or the like, the chamber may be fabricated integrally, but may be assembled after being processed into several parts in consideration of productivity and manufacturing cost. Metals used for chambers generally have low corrosion resistance, so that they may be resistant to plasma and chemical gases by thermal spraying ceramics (eg Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , Al 2 O 3). / Y 2 O 3 , ZrO 2 , AlC, TiN, AlN, TiC, MgO, CaO, CeO 2 , TiO 2 , BxCy, BN, SiO 2 , SiC, etc.) may be a coating film.

도 2는 열용사 코팅 장비의 핵심부인 플라즈마 건의 개략도이다. 플라즈마 건(20)의 운용 원리를 설명하면 다음과 같다. 가스 주입구(21)를 통해 유입된 플라즈마 가스(Ar, N2, H2, He 등)는 고전압 직류 고전력(통상적으로 30-100KV, 400-1000A)이 인가된 음극(22)과 양극(24) 사이의 간극을 통과하면서 주입 가스의 일부가 해리되어 5,000 ~ 15,000 ℃의 고온 플라즈마 불꽃(flame)(25)을 형성한다. 음극(22)은 플라즈마 발생부인 음극 끝부분의 침식을 방지하기 위하여 통상적으로 텅스턴 또는 텅스텐 강화된 금속재료를 사용하며, 양극(24)은 구리 또는 구리합금으로 제작되며 그 내부에 냉각통로(23)를 구비하여 고온의 플라즈마에 의해 양극의 수명이 단축되는 것을 방지한다. 2 is a schematic diagram of a plasma gun that is the core of a thermal spray coating equipment. The operating principle of the plasma gun 20 is as follows. Plasma gases (Ar, N 2 , H 2 , He, etc.) introduced through the gas inlet 21 are the cathode 22 and the anode 24 to which a high voltage DC high power (typically 30-100KV, 400-1000A) is applied. A portion of the injection gas dissociates through the gaps between them to form a high temperature plasma flame 25 of 5,000-15,000 ° C. The cathode 22 is typically made of tungsten or tungsten-reinforced metal material to prevent erosion of the cathode end, which is the plasma generator, and the anode 24 is made of copper or copper alloy and has a cooling passage 23 therein. ) To prevent the life of the anode from being shortened by high temperature plasma.

플라즈마 열용사법에 의해 금속, 세라믹 등 다양한 소재의 표면에 동종 또는 이종 소재를 코팅할 수 있으며, 코팅재료로는 분말(powder) 또는 선(wire)으로 제조된 금속 또는 세라믹을 사용한다. 일반적으로는 코팅하고자 하는 재료를 분말 형태로 제조한 후 분말 주입구(27)를 통해 고온의 플라즈마 불꽃(25) 속으로 주입한다. 분말 주입구(27)는 지지대(26)에 의해 플라즈마 건에 고정된다. 분말 주입구(27)를 통해 주입된 분말은 고온의 플라즈마 불꽃에 의해 완전 용융되거나 일부 용융된 상태로 고속(200 ~ 700m/s)으로 코팅 대상물(30) 방향으로 비행하여 코팅막(29)을 형성하게 된다. It is possible to coat homogeneous or heterogeneous materials on the surface of various materials such as metals and ceramics by plasma thermal spraying, and the coating material may be a metal or ceramic made of powder or wire. In general, the material to be coated is prepared in powder form and then injected into the hot plasma flame 25 through the powder injection hole 27. The powder inlet 27 is fixed to the plasma gun by the support 26. The powder injected through the powder inlet 27 is completely melted or partially melted by a high temperature plasma flame to fly toward the coating object 30 at a high speed (200 to 700 m / s) to form the coating film 29. do.

산화물 세라믹 소재를 플라즈마 열용사 코팅할 경우 대기 중에서 작업하여도 무방하나 고온에서 산화반응을 일으키거나 쉽게 분해되는 금속소재 또는 카바이드, 나이트라이드 등의 소재는 진공/저압 챔버 내에서 플라즈마 열용사 코팅을 수행하 는 것이 권장된다. Plasma thermal spray coating of oxide ceramic materials may be performed in the air, but metal materials such as oxidized reactions or easily decomposed at high temperatures, carbides, nitrides, etc. are subjected to plasma thermal spray coating in a vacuum / low pressure chamber. Is recommended.

그런데, 상기 열용사에 의한 코팅막은 실제 반도체/LCD 제조 공정에서 발생하는 문제들을 해결하기에 미흡하다. 도 3a 및 3b는 열용사에 의한 Al2O3 코팅 막의 표면을 확대한 사진으로, 미세한 균열이 형성되어 있는 것을 볼 수 있다. 열용사에 의한 Al2O3 코팅막에서 미세 균열은 반응가스의 확산 통로로 제공될 수 있으며, 외부의 물리적/화학적 충격으로부터 모재를 보호하지 못하는 결함으로 작용할 수 있다. However, the coating film by the thermal spraying is insufficient to solve the problems occurring in the actual semiconductor / LCD manufacturing process. 3A and 3B are enlarged photographs showing the surface of the Al 2 O 3 coated film due to thermal spraying, and it can be seen that fine cracks are formed. In the Al 2 O 3 coating layer by thermal spraying, micro cracks may be provided as diffusion paths of the reaction gas, and may act as defects that do not protect the base material from external physical / chemical shocks.

도 4는 비정상적인 조건에서 코팅된 열용사에 의한 Al2O3 막의 확대 사진으로서, 열용사 코팅 시 플라즈마 Flame에 주입된 분말이 충분히 가열되지 못하거나 또는 이들 입자가 충분한 비행 속도에 도달하지 못한 상태에서 모재의 표면에 적층되었을 때 나타나는 현상을 보여주고 있다. 충분한 밀도를 갖지 못하는 열용사 코팅막에서는 충분히 밀착되지 못한 분말과 분말의 경계면을 통해 반응 가스가 쉽게 내부로 이동하게 되며, 또한 반도체 공정 또는 세정 시 가해지는 물리적/화학적 충격에 의해 코팅막이 쉽게 손상되게 된다. Figure 4 is an enlarged image of the Al 2 O 3 film by the thermal spraying coating under abnormal conditions, the powder injected into the plasma flame during the thermal spraying coating is not heated enough or these particles do not reach the sufficient flight speed It shows what happens when laminated to the surface of the base material. In the thermal spray coating film that does not have sufficient density, the reaction gas easily moves inside through the interface between the powder and the powder that is not sufficiently adhered, and the coating film is easily damaged by the physical / chemical impact applied during the semiconductor process or cleaning. .

따라서, 본 발명의 목적은 내식성이 향상되고 부품의 수명을 연장시킬 수 있는 진공 플라즈마 챔버 및 그 내부 부품용 코팅막을 제공하는데 있다. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a vacuum plasma chamber and a coating film for internal components thereof, which can improve corrosion resistance and extend the life of components.

특히, 본 발명은 열용사 코팅에서 불가피하게 발생되는 코팅층의 균열 및 기공 형성, 모재와의 접착력 저하 등을 해결할 수 있는 새로운 방법 및 이에 따른 코 팅막을 제공하는데 목적이 있다. In particular, it is an object of the present invention to provide a new method and a coating film according to this, which can solve the crack and pore formation of the coating layer inevitably generated in the thermal spray coating, and a decrease in adhesion to the base material.

상기 목적을 달성하기 위하여 본 발명은 진공 플라즈마 챔버 또는 그 내부 부품으로 사용되는 소재를 모재로 하고, 상기 모재 표면에 열용사에 의하여 형성된 금속분말과 세라믹 분말 혼합 코팅층을 포함하여 구성되는 진공 플라즈마 챔버용 열용사 코팅막을 제공한다.In order to achieve the above object, the present invention uses a material used as a vacuum plasma chamber or its internal components as a base material, and includes a metal powder and ceramic powder mixed coating layer formed by thermal spraying on the surface of the base material. It provides a thermal spray coating film.

또한, 본 발명은 진공 플라즈마 챔버 또는 그 내부 부품으로 사용되는 소재를 코팅 대상인 모재로 하고, 플라즈마 건에 금속 분말 및 세라믹 분말을 주입하여 상기 모재 표면에 열용사에 의하여 금속과 세라믹의 혼합 코팅층을 형성하는 것을 포함하여 구성되는 진공 플라즈마 챔버용 열용사 코팅막 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention is a material to be used as a vacuum plasma chamber or its internal components as a base material to be coated, and metal powder and ceramic powder are injected into the plasma gun to form a mixed coating layer of metal and ceramic by thermal spraying on the surface of the base material. It provides a method for producing a thermal spray coating film for a vacuum plasma chamber comprising a.

본 발명은 열용사 코팅층의 내부 균열 및 기공 형성을 효과적으로 방지하고, 모재와의 접착강도를 증가시키며, 작업 속도를 향상시키기 위한 기술로서, 금속(대표적으로 Al, Fe 및 그 합금) 모재 표면에 산화물 코팅막이 형성된 소재로 제조된 챔버 및 그 내부 부품 제조에 적용될 수 있다.The present invention is a technique for effectively preventing the internal cracks and pore formation of the thermal spray coating layer, increase the adhesive strength with the base material, and improve the working speed, an oxide on the surface of the metal (typically Al, Fe and its alloys) base material It can be applied to the production of a chamber made of a material having a coating film and its internal parts.

열용사 코팅은 일반적으로 고온의 플라즈마 불꽃에 금속 또는 세라믹 분말을 주입하여 가열한 후 완전 용융 또는 반용융된 상태에서 모재의 표면에 적층하여 피막을 형성하는 기술이다. 이 때 사용되는 분말은 10 ~ 100 마이크로미터 크기의 단일체 분말이거나 수십 나노미터 ~ 수 마이크로미터의 1차 미세분말을 상기 크기로 응집시킨 응집 분말일 수 있다. 상기 단일체 분말 및 응집 분말은 고온 플라즈마 불꽃에 의해 가열되어 비산하여 모재 표면에 적층된 다음 급격히 냉각된다. Thermal spray coating is a technique of forming a film by injecting a metal or ceramic powder into a hot plasma flame and heating it, and then laminating it on the surface of the base material in a completely molten or semi-melted state. In this case, the powder used may be a monolithic powder having a size of 10 to 100 micrometers or an agglomerated powder in which primary micropowders of several tens of nanometers to several micrometers are aggregated to the size. The monolithic powder and the agglomerated powder are heated by hot plasma flame, scattered, laminated to the base material surface, and then rapidly cooled.

이러한 공정상의 특성으로 인하여 세라믹 재료는 적층 후의 빠른 냉각속도 또는 열팽창 계수가 서로 다른 이종 소재에 적층된 후 냉각될 때 형성되는 잔류 응력으로 인해 도 3a 또는 3b에 도시된 바와 같은 내부 균열이 형성된다. 또한 이와 같이 형성된 잔류 응력은 모재와 피막층의 박리를 초래하기도 한다. 뿐만 아니라, 단일 분말 또는 응집 분말이 플라즈마 불꽃에 의해 충분히 가열되지 못하거나 비행 속도가 충분치 못할 경우 세라믹 보호 코팅막에는 분말의 불완전 충진에 의해 코팅막내부에는 다수의 기공이 형성되거나 적층된 분말과 분말 사이의 계면에 불완전 접촉에 의한 결함(응집 분말일 경우 1차 미세 분말사이에도 형성될 수 있음.)이 형성되어 피막의 내구성을 저하시키고 반응가스 또는 피막 하부층으로부터 유래된 금속 원자의 확산 통로를 제공하여 F, Cl 반응 가스 이온과 금속 원소의 화합물 형성을 유발하는 등의 문제점이 발생할 수 있다.Due to this process characteristic, the ceramic material has an internal crack as shown in FIG. 3A or 3B due to the rapid cooling rate after lamination or the residual stress formed when it is cooled after being laminated to different materials having different thermal expansion coefficients. In addition, the residual stress thus formed may cause peeling of the base material and the coating layer. In addition, when a single powder or agglomerated powder is not sufficiently heated by the plasma flame or the flying speed is insufficient, a large number of pores are formed or laminated between the powder and the powder due to incomplete filling of the powder in the ceramic protective coating film. Defects due to incomplete contact at the interface (coagulation may also be formed between the primary fine powders) are formed to reduce the durability of the coating and provide a diffusion path of metal atoms derived from the reaction gas or the film underlayer. Problems may occur such as the formation of compounds of Cl reactant gas ions and metal elements.

본 발명에서는 세라믹 코팅막과 금속 모재 사이에 금속과 세라믹이 혼합된 중간 코팅층을 형성하는 것에 의해 상기 문제 즉, 코팅층의 균열 및 기공 발생, 코팅막의 박리 등을 해결할 수 있다. In the present invention, by forming an intermediate coating layer in which a metal and a ceramic are mixed between the ceramic coating film and the metal base material, the above problems, that is, cracking and pore generation of the coating layer and peeling of the coating film can be solved.

최외곽 세라믹 코팅막으로는 Al2O3, Y2O3, Al2O 3/Y2O3, ZrO2, AlC, TiN, AlN, TiC, MgO, CaO, CeO2, TiO2, BxCy, BN, SiO2, SiC, YAG, Mullite 등이 사용될 수 있다. 혼합 코팅층의 금속 소재로는 Al, Ni, Cr, Fe, Cu 등의 순금속 또는 이들을 주 구성원소로 하면서 다른 금속이나 반금속 원소를 일부 포함하는 합금일 수 있으며, 혼합 코팅층의 세라믹 소재로는 상기 열거한 세라믹 코팅 소재중 하나 또는 이들의 혼합체 일 수 있다. The outermost ceramic coatings include Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , Al 2 O 3 / Y 2 O 3 , ZrO 2 , AlC, TiN, AlN, TiC, MgO, CaO, CeO 2 , TiO 2 , BxCy, BN , SiO 2 , SiC, YAG, Mullite and the like can be used. The metal material of the mixed coating layer may be a pure metal such as Al, Ni, Cr, Fe, Cu, or an alloy containing some other metals or semimetal elements with these as main components, and the ceramic material of the mixed coating layer may be It may be one or a mixture of ceramic coating materials.

도 5는 본 발명에 따라 모재와 세라믹 코팅막 사이에 중간에 형성한 혼합 코팅층(금속+세라믹층)의 수직 단면을 관찰한 것으로, 흰 부분은 Ni-20Cr 금속이며, 짙은 회색은 Al2O3 세라믹이다. 5 is a vertical cross section of the mixed coating layer (metal + ceramic layer) formed in the middle between the base material and the ceramic coating film according to the present invention, the white part is Ni-20Cr metal, the dark gray is Al 2 O 3 ceramic to be.

일반적으로 세라믹은 내부 또는 외부에서 힘이 가해질 때 변형되지 않고 파괴되는 성향이 강하다. 한편 대부분의 금속은 내부/외부에서 가해진 힘에 의해 소성 변형을 일으켜 내/외부로부터 가해진 힘(응력)을 해소하게 된다. 본 발명에서와 같이 세라믹과 금속 분말을 혼합하여 열용사 하게 되면 세라믹과 금속에 형성된 잔류응력이 금속 부분의 소성 변형에 의해 해소되어 세라믹 부분의 내부 균열 형성이 억제될 뿐만 아니라 세라믹에 비해 상대적으로 융점이 낮은 금속이 충분히 용해되어 세라믹 분말의 불완전 적층 부분을 채워 고밀도의 코팅층을 형성할 수 있게 된다. In general, ceramics tend to be undeformed and destroyed when a force is applied inside or outside. On the other hand, most metals cause plastic deformation by the forces applied inside / outside to solve the forces (stress) applied from inside / outside. When the thermal spraying by mixing the ceramic and metal powder as in the present invention, the residual stress formed in the ceramic and the metal is solved by the plastic deformation of the metal portion, not only suppressing the internal crack formation of the ceramic portion, but also relatively melting point compared to the ceramic This low metal is sufficiently dissolved to fill the incompletely laminated portion of the ceramic powder to form a high density coating layer.

보다 바람직하게는 금속 모재와 접하는 측에는 금속이 주로 포함되고 세라믹 피막과 접하는 외곽 측은 세라믹 소재가 주를 이루는 혼합 피막층을 형성하는 것이며, 가장 바람직하게는 100%인 금속 소재로 수 마이크로에서 수십 마이크로 두께로 코팅 한 후 점차 세라믹의 함량을 증가시켜 최종적으로는 100% 세라믹 소재로 연속적으로 변화시켜 혼합 코팅층을 형성하는 것으로, 일실시예에 따라 이와 같이 형성된 혼합층을 도 6에 나타내었다. 도 6에서 흰 부분은 Ni-20Cr 금속이며, 짙은 회색은 Al2O3 세라믹이다. More preferably, the metal contacting material is mainly composed of metal, and the outer contacting surface of the ceramic film forms a mixed coating layer composed mainly of ceramic material. Most preferably, the metal material is 100% and has a thickness of several micros to several tens of micrometers. After coating gradually increasing the content of the ceramic to finally change to 100% ceramic material continuously to form a mixed coating layer, the mixed layer formed as described above is shown in Figure 6 according to one embodiment. In FIG. 6, the white part is Ni-20Cr metal, and the dark gray is Al 2 O 3 ceramic.

도 6에서 보는 바와 같이 금속과 세라믹의 중간 경계층을 확인할 수 없는 코팅 막이 형성되는데, 이러한 열용사 코팅 방법을 경사코팅(gradient coating)이라 칭한다. 이와 같은 경사 코팅법에 의해 형성된 혼합 코팅에서는 상대적으로 기공 및 균열 형성이 적은 금속 코팅이 혼합 코팅 막의 하부에 형성됨으로써 Cl, F 등 반응가스 이온이 모재 또는 혼합 코팅층의 하부 코팅막으로 유입되는 것을 차단하고, 모재 또는 하부 코팅막으로부터 Cl, F 이온과 반응성이 높은 Al 등의 원소가 상부 코팅막으로 확산되는 것을 방지하는 효과를 추가로 얻을 수 있다. As shown in FIG. 6, a coating film is formed in which an intermediate boundary layer between the metal and the ceramic cannot be identified. Such a thermal spray coating method is called a gradient coating. In the mixed coating formed by the gradient coating method, a metal coating having a relatively small amount of pores and cracks is formed at the bottom of the mixed coating film, thereby preventing the reaction gas ions such as Cl and F from entering the lower coating film of the base material or the mixed coating layer. In addition, the effect of preventing the diffusion of elements such as Al, which are highly reactive with Cl and F ions, from the base material or the lower coating film to the upper coating film can be obtained.

도 5와 같이 금속과 세라믹이 혼합된 중간층을 형성하거나 도 6과 같이 모재 측에는 금속 함량이 많고, 세라믹 코팅 측에는 세라믹 함량이 많은 혼합 코팅을 실행함으로써 열팽창 계수가 다른 이종 소재(특히 금속과 세라믹)의 접촉에 따른 계면 박리 현상을 억제할 수 있다. 코팅 막의 박리는 열용사 코팅과 코팅 작업 후 냉각되는 동안 모재와 코팅막에 형성된 잔류 응력에 기인한다. As shown in FIG. 5, a heterogeneous material (especially metal and ceramic) having different thermal expansion coefficients is formed by forming an intermediate layer in which a metal and a ceramic are mixed, or performing a mixed coating having a large metal content on the base material side and a ceramic content on the ceramic coating side as shown in FIG. 6. The interfacial peeling phenomenon due to contact can be suppressed. Peeling of the coating film is caused by residual stress formed on the base material and the coating film during the thermal spray coating and cooling after the coating operation.

코팅되는 동안 및 코팅 후 냉각되는 동안, 모재와 코팅층의 잔류 응력을 측정하기 위하여 길이 20cm, 폭 1cm 인 알루미늄 모재위에 플라즈마 건을 모재의 길이방향으로 왕복하여 이동시키는 방법으로 열용사 코팅을 수행하면서 모재의 휨(curvature) 정도를 in-situ로 측정하였다. 도 7은 도 5의 혼합 코팅막을 형성할 때, 그리고 도 8은 도 6의 혼합 코팅막(경사코팅막)을 형성할 때 Al 모재의 휨(curvature) 정도를 측정한 것이다. (+) 방향의 굴곡은 코팅막 측으로 휘는 것이며 반대로 (-) 방향 굴곡은 모재 방향으로 휘는 것을 나타낸다. 열용사 과정 중 모재가 (-) 방향으로 휘는 것은 고온의 플라즈마 불꽃과 고온으로 가열된 분말에 의해 모재의 표면 온도가 급격히 상승할 때이며, (+) 방향으로 휘는 것은 플라즈마 건이 통과한 후 모재 표면이 냉각되고 동시에 표면에 코팅된 고온의 세라믹이 냉각-수축하기 때문이다. 열용사 코팅이 반복적으로 진행되는 동안 (+) 방향 휨 정도가 점점 증가하는 것은 모재가 충분히 가열되어 표면 가열에 의한 모재 표면의 팽창률이 감소하는 반면 세라믹 코팅막의 두께는 점점 두꺼워지면서 고온의 세라믹 코팅 층의 부피수축에 따른 인장응력이 증가하기 때문이다. 열용사 코팅이 종료된 후 모재가 냉각되는 동안 모재의 휨 정도는 거의 0 에 도달하는 것을 알 수 있다. 모재의 휨 정도가 0 에 가까운 것은 코팅된 소재가 거의 곧게 펴짐을 의미하며 모재와 코팅막 사이에 잔류하는 응력이 0에 가깝다는 것을 의미한다. 이러한 경우 잔류응력에 의한 코팅막의 박리 현상이 일어날 확률이 매우 낮다. During the coating and during the cooling after coating, the thermal spray coating is carried out by moving the plasma gun reciprocally in the longitudinal direction of the substrate to measure the residual stress of the substrate and the coating layer. The degree of curvature of was measured in-situ. FIG. 7 shows the degree of curvature of the Al base material when forming the mixed coating film of FIG. 5 and FIG. 8 when forming the mixed coating film (tilt coating film) of FIG. 6. The positive direction bends toward the coating film side and the negative direction bends toward the base material direction. During the thermal spraying process, the base material bends in the negative direction when the surface temperature of the base material rapidly rises due to the hot plasma flame and the powder heated to the high temperature, and the base material bends in the positive direction after the plasma gun passes. This is because the hot ceramic, which is cooled and simultaneously coated on the surface, cools and shrinks. Increasing the degree of deflection in the positive direction during repeated thermal spray coatings indicates that the base material is sufficiently heated to decrease the expansion rate of the surface of the base material by surface heating, while the thickness of the ceramic coating film becomes thicker, resulting in a high temperature ceramic coating layer. This is because the tensile stress due to volume shrinkage increases. It can be seen that the curvature of the base material reaches almost zero while the base material is cooled after the thermal spray coating is finished. The degree of warpage of the base material being close to zero means that the coated material is almost straightened and the stress remaining between the base material and the coating film is close to zero. In this case, the probability of peeling of the coating film due to residual stress is very low.

비교를 위하여, 도 9에 알루미늄 금속 모재에 세라믹을 직접 열용사 코팅할 때의 휨 정도를 측정한 결과를 도시하였는데, 코팅 종료 후 완전히 냉각되었을 때 모재는 (-) 방향 휨 상태를 유지하고 있는 것을 알 수 있다. 이 때 모재는 인장 응력을 받고, 코팅 막은 압축응력을 받게 되어 외부로부터 충격이 가해질 때 쉽게 코팅막이 박리될 수 있다. For comparison, Fig. 9 shows the result of measuring the degree of warping when the thermal spray coating of ceramics directly on the aluminum metal base material. When the base material is completely cooled after the end of the coating, the base material maintains the negative warpage state. Able to know. At this time, the base material is subjected to tensile stress, and the coating film is subjected to compressive stress so that the coating film can be easily peeled off when an impact is applied from the outside.

본 발명에 따른 상기 혼합 코팅막을 형성하기 위해 바람직한 열용사 코팅장비 및 코팅 방법을 다음과 같이 제안한다. In order to form the mixed coating film according to the present invention, a preferable thermal spray coating equipment and coating method are proposed as follows.

일반적으로 진공 플라즈마 부품에 널리 적용되는 금속은 융점이 낮은 반면 (예; Fe는 1530℃, Ni은 1450℃, Cr은 1860℃, Al은 660℃ 등이며 그 합금은 일반적 으로 순금속보다 융점이 더 낮다.) 세라믹은 융점이 높다(예, Al2O3는 약 2000℃, Y2O3는 약 2400℃, ZrO2는 2680℃ 등). 따라서 저전력을 인가하여 내부 결함이 적은 코팅막을 얻기 위해서는 세라믹 분말은 플라즈마 불꽃의 고온부에 주입하고, 금속 분말은 플라즈마 불꽃의 저온부에 주입하는 것이 바람직하다. 이를 위해 금속 및 세라믹 분말 주입구를 플라즈마 건의 끝에서 일정한 간격을 두고 각각 설치하는 것이 바람직하다.In general, metals widely used in vacuum plasma components have low melting points (e.g., Fe is 1530 ° C, Ni is 1450 ° C, Cr is 1860 ° C, Al is 660 ° C, etc.) and alloys generally have lower melting points than pure metals. Ceramics have a high melting point (eg Al 2 O 3 is about 2000 ° C, Y 2 O 3 is about 2400 ° C, ZrO 2 is 2680 ° C, etc.). Therefore, in order to obtain a coating film having low internal defects by applying low power, it is preferable to inject the ceramic powder into the high temperature portion of the plasma flame and the metal powder into the low temperature portion of the plasma flame. For this purpose, it is preferable to install metal and ceramic powder inlets at regular intervals at the ends of the plasma gun.

도 10은 바람직한 플라즈마 건과 분말 주입구의 위치를 도시한 것으로, 융점이 높은 세라믹 분말의 주입구(50)는 플라즈마 건의 끝으로부터의 이격거리(52)를 0 내지 30 mm 이내로 하고, 융점이 낮은 금속 분말의 주입구(51)는 세라믹 분말 주입구(50)로부터의 이격거리(53)를 0 내지 40mm로 하여 설치하는 것이 바람직하다. 각각의 분말 주입구에 금속과 세라믹 분말을 주입하기 위해서는 두개의 분말 주입 장치를 구비하는 것이 좋다. Fig. 10 shows the positions of the preferred plasma gun and the powder inlet. The inlet 50 of the high melting point ceramic powder has a separation distance 52 from the end of the plasma gun within 0 to 30 mm, and the metal powder has a low melting point. It is preferable that the injection hole 51 of is provided with the distance 53 from the ceramic powder injection hole 50 being 0-40 mm. In order to inject metal and ceramic powder into each powder inlet, it is preferable to have two powder injectors.

한편, 플라즈마 건은 여러 가지 형태로 변형되어 사용될 수 있는데, 도 11에 도시한 바와 같이 플라즈마 건의 양극(24)으로 연장되어 있는 지점에 세라믹 분말 주입구(50)를 위치할 수 있다. 또한 플라즈마 건의 끝 부분을 연장하여 차폐부(shield)(54)를 형성하고 Ar, N2 등의 가스를 사용하여 상기 차폐부(54) 내부 분위기를 제어하는 방법에 의해 고온산화성 분위기에서 산화되거나 분해되기 쉬운 금속 소재 및 세라믹 소재를 코팅할 수도 있다. 세라믹 분말 주입구(50)가 플라즈마 건 내부에 설치될 경우 플라즈마의 고온 열원에 의해 효과적으로 세라믹 분말이 가열 될 수 있어 보다 낮은 전력을 사용하여 고밀도의 코팅 층을 제공할 수 있다. 이 때 바람직한 플라즈마 건 및 분말 주입구의 구조로는 세라믹 분말 주입구(50)를 플라즈마 건의 끝으로부터 내부로 0 내지 40mm 사이 범위의 간격(55)을 두고 설치하며, 금속 분말 주입구(51)는 플라즈마 건의 끝에서 바깥으로 이격거리(56)를 0 내지 40mm 사이의 범위에서 설치하는 것이 좋다.Meanwhile, the plasma gun may be modified and used in various forms. As illustrated in FIG. 11, the ceramic powder injection hole 50 may be positioned at a point extending to the anode 24 of the plasma gun. In addition, an end portion of the plasma gun is formed to form a shield 54 and is oxidized or decomposed in a high temperature oxidizing atmosphere by controlling the atmosphere inside the shield 54 using a gas such as Ar or N 2 . It is also possible to coat metal and ceramic materials which are likely to be used. When the ceramic powder inlet 50 is installed inside the plasma gun, the ceramic powder may be efficiently heated by the high temperature heat source of the plasma, thereby providing a high density coating layer using lower power. At this time, the preferred structure of the plasma gun and the powder inlet is provided with a ceramic powder inlet 50 with an interval 55 in the range of 0 to 40 mm from the end of the plasma gun to the inside, the metal powder inlet 51 is the end of the plasma gun It is recommended to install the separation distance 56 from 0 to 40mm out of the range.

다른 방안으로, 금속 분말과 세라믹 분말을 사전에 혼합하여 공급하거나, 또는 각각의 분말 저장 챔버(호퍼)로부터 분말 이송관을 통과하는 동안 서로 혼합되도록 하여 하나의 분말 공급부를 통해 플라즈마 불꽃에 주입할 수도 있다. 또한, 두 개의 플라즈마 건을 사용하여 금속 분말과 세라믹 분말을 동시에 열용사하는 방안도 사용될 수 있다.Alternatively, the metal powder and the ceramic powder may be premixed and supplied, or may be mixed with each other while passing through the powder conveying tube from each powder storage chamber (hopper) and injected into the plasma flame through one powder supply. have. In addition, a method of simultaneously thermally spraying a metal powder and a ceramic powder using two plasma guns may be used.

한편, 본 발명에서는 모재/혼합 코팅층(경사 코팅층 포함)/세라믹 코팅층 구조로 이루어진 진공 플라즈마 챔버 또는 그 내부 부품을 제안하고 있으나, 변형된 코팅 구조로서 모재/금속 코팅층/혼합코팅층(경사 코팅층 포함)/세라믹 코팅층, 모재/금속 코팅층/혼합코팅층(경사 코팅층 포함), 모재/혼합코팅층(경사 코팅층 포함) 등으로 구성하는 것도 가능하다. On the other hand, the present invention proposes a vacuum plasma chamber consisting of a base material / mixed coating layer (including a gradient coating layer) / ceramic coating layer structure or its internal components, but as a modified coating structure, a base material / metal coating layer / mixed coating layer (including a slope coating layer) / It is also possible to comprise a ceramic coating layer, a base material / metal coating layer / mixed coating layer (including a sloped coating layer), a base material / mixed coating layer (including a sloped coating layer).

본 발명에서 제안한 금속 코팅층 또는 혼합 코팅층에 사용되는 금속 분말은 모재와 동일한 소재이거나 또는 Al, Ni, Cr, Fe, Cu, Zr, Mo, W 및 그 합금일 수 있으며, 세라믹 코팅층 및 혼합 코팅층에 사용되는 세라믹 분말은 Al2O3, Y2O 3, Al2O3/Y2O3, ZrO2, AlC, TiN, AlN, TiC, MgO, CaO, CeO2, TiO2, BxCy, BN, SiO2, SiC, YAG, Mullite, AlF3 또는 이들의 혼합체일 수 있다. The metal powder used in the metal coating layer or the mixed coating layer proposed in the present invention may be the same material as the base material or Al, Ni, Cr, Fe, Cu, Zr, Mo, W and alloys thereof, and may be used in the ceramic coating layer and the mixed coating layer. The ceramic powder is Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , Al 2 O 3 / Y 2 O 3 , ZrO 2 , AlC, TiN, AlN, TiC, MgO, CaO, CeO 2 , TiO 2 , BxCy, BN, SiO 2 , SiC, YAG, Mullite, AlF 3 or a mixture thereof.

혼합 코팅 또는 금속 코팅에 모재와 동일한 소재를 적용하는 것은 접착강도 향상에 유리하며, Ni, Cr 및 그 합금 등과 같이 반응가스 이온(Cl, F 이온 등)과의 반응성이 낮은 소재를 사용할 경우 금속 염화물 또는 금속 불화물 형성을 방지할 수 있는 장점이 있다.Applying the same material as the base material to the mixed coating or the metal coating is advantageous for improving the adhesive strength, and metal chloride when using a material with low reactivity with reactive gas ions (Cl, F ions, etc.) such as Ni, Cr, and alloys thereof. Or there is an advantage that can prevent the formation of metal fluoride.

열팽창 계수가 매우 낮은 W, Mo 및 그 합금을 사용하여 원통형 부품의 내부 코팅을 할 경우 온도가 상승하여도 최외곽 세라믹 코팅층에 압축응력이 작용하여 모재로부터 피막이 박리되는 현상을 줄이는데 도움이 된다. 예를 들어, 원통형(또는 원뿔형, 다각형 등) 부품의 내면에 W, Mo등 금속 코팅층을 형성하고, 그 위에 혼합 코팅층 및 세라믹 코팅층을 형성하면 진공 챔버의 내부 온도가 상승할 때 금속 코팅층이 내측의 혼합코팅막 또는 세라믹 코팅막의 팽창을 억제하여 세라믹 코팅막의 국부적 박리 및 이를 통한 오염 입자 형성을 방지할 수 있다. Inner coating of cylindrical parts using W, Mo and its alloys with very low coefficient of thermal expansion helps to reduce the peeling of the film from the base material due to the compressive stress acting on the outermost ceramic coating layer even when the temperature rises. For example, if a metal coating layer such as W, Mo, etc. is formed on the inner surface of a cylindrical (or conical, polygonal, etc.) component, and a mixed coating layer and a ceramic coating layer are formed thereon, the metal coating layer may be formed when the internal temperature of the vacuum chamber rises. By suppressing the expansion of the mixed coating film or the ceramic coating film it is possible to prevent the local peeling of the ceramic coating film and the formation of contaminated particles through it.

혼합 코팅층 형성에 사용되는 금속 분말은 금속 코팅층에 사용되는 금속 분말과 다른 종류일 수 있고, 혼합 코팅층 형성에 사용되는 세라믹 분말은 최외곽 세라믹 코팅층을 구성하는 세라믹과 다른 종류일 수 있으며, 이는 기능적 측면과 경제적 측면을 고려하여 선택될 수 있다. 이와 같이 혼합 코팅층에 사용되는 금속 분말 및 세라믹 분말의 종류가 금속 코팅층 및 최외곽 세라믹 코팅층의 소재와 다를 경우 추가로 분말 공급 장치를 구비할 수도 있다. The metal powder used for forming the mixed coating layer may be different from the metal powder used for the metal coating layer, and the ceramic powder used for forming the mixed coating layer may be different from the ceramic constituting the outermost ceramic coating layer, which is a functional aspect. And may be selected in consideration of economic aspects. Thus, if the type of the metal powder and ceramic powder used in the mixed coating layer is different from the material of the metal coating layer and the outermost ceramic coating layer may be further provided with a powder supply device.

이상에서 언급한 금속 코팅 층, 금속/세라믹 혼합코팅 층, 세라믹 코팅 층은 코팅에 소요되는 비용과 사용 조건에 따라 다르지만 각각의 두께를 20 마이크로미터 내지 400 마이크로미터 범위에서 제어하는 것이 바람직하다.The metal coating layer, metal / ceramic mixed coating layer, and ceramic coating layer mentioned above depend on the cost and usage conditions for coating, but it is preferable to control the thickness of each in the range of 20 micrometers to 400 micrometers.

한편, 용사 코팅에서는 코팅용 분말이 고온 플라즈마를 통과하면서 가열되고 가속되어 모재 표면에 적층되는 과정을 거치게 되는데, 주입된 분말이 일정한 온도와 속도로 가열 및 가속되기 위해서는 어느 정도(약 10cm 이상)의 분무거리가 필요하다. 그러나 원통형(원뿔형, 다각형 포함) 부품의 경우 그 내면을 코팅하고자 할 때 충분한 분무거리를 확보하기 곤란한 부품이 있다. 만약 충분한 분무거리를 확보하지 못한 상태에서 열용사 코팅을 수행할 경우에는 도 4에서와 같이 분말의 불완전 충진에 의한 결함이 형성된다. Meanwhile, in the thermal spray coating, the coating powder is heated and accelerated while passing through a high temperature plasma, and is laminated on the surface of the base material. In order for the injected powder to be heated and accelerated at a constant temperature and speed, a certain amount (about 10 cm or more) is applied. Spray distance required. However, in the case of cylindrical (conical, polygonal) parts, there is a part that is difficult to secure a sufficient spray distance when trying to coat the inner surface. If the thermal spray coating is performed in a state in which a sufficient spray distance is not secured, defects due to incomplete filling of the powder are formed as shown in FIG. 4.

본 발명에서는 도 12에 도시한 바와 같이, 충분한 분무거리를 확보하기 곤란한 내측 코팅면(61)을 갖는 부품(60)을 2개 이상의 부분으로 나누어 제작한 후 이를 결합하여 사용하는 방법을 제안한다. 즉, 코팅할 내측면(61)을 갖는 부품을 2개 이상의 부분으로 절단하면 코팅면(61)이 외부로 노출되어 충분한 분무거리를 확보할 수 있게 되므로 용이하게 고밀도의 코팅면을 형성할 수 있게 된다. 한편, 이와 같이 2개 이상으로 나누어 제작된 부품은 연결을 용이하게 하기 위해 이음매 부분(63)에 서로 부합하는 단차를 주거나, 홈을 파거나, 키홀을 설치하거나 또는 플라즈마 및 반응가스와 접하는 내측면에 제3의 보조물(세라믹 또는 표면 처리된 금속 소재로 제작될 수 있음)을 구비하여 반응가스 및 플라즈마에 의해 발생 가능한 이음매 부분의 손상을 방지할 수 있다. In the present invention, as shown in Figure 12, by dividing the parts 60 having the inner coating surface 61, which is difficult to secure a sufficient spraying distance into two or more parts to propose a method of using them in combination. That is, when the part having the inner surface 61 to be coated is cut into two or more parts, the coating surface 61 is exposed to the outside to secure a sufficient spray distance, thereby easily forming a high-density coating surface. do. On the other hand, the parts manufactured by dividing the two or more in this way to facilitate the connection of the joint portion 63 to match each other step, groove, install a keyhole or the inner surface in contact with the plasma and the reaction gas A third auxiliary (which can be made of a ceramic or surface treated metal material) can be provided in the to prevent damage to the seam portion caused by the reaction gas and the plasma.

금속 코팅 소재로 세라믹에 비해 열팽창 계수가 작은 W, Mo 소재로 중간층을 형성하는 것과 내면 코팅이 곤란한 부품을 2개 이상의 부품으로 나누어 코팅하는 것은 금속과 세라믹의 혼합 코팅막을 구비하지 않는 종래의 일반 열용사 코팅에 적용될 수도 있다. Forming an intermediate layer with W and Mo materials with a low thermal expansion coefficient as a metal coating material and coating a component having a difficult internal coating into two or more parts is conventional conventional heat without a mixed coating film of metal and ceramic. It may also be applied to a thermal spray coating.

한편, 본 발명에서 개시한 기술에 의해 형성된 모재의 코팅층에 필연적으로 존재하게 되는 피막 내부의 기공을 완전히 제거하기 위해 상기한 내부의 기공을 이종의 물질(예를 들면, 불화금속염, 유기산염, Si, SiO2, 폴리머 등)을 이용하여 충진 할 수도 있다. 만약, 코팅층이 한개 이상의 다층으로 구성되었을 경우 최외곽 코팅막을 봉공처리하는 것이 바람직하며, 필요하다면 각 층에 대해 구별 없이 봉공 처리하는 것도 가능하다. 바람직하게는 Si 또는 SiO2로 코팅막 기공을 충진하는 것이 좋으며, 이는 Si 또는 SiO2가 반응가스에 의해 SiF2, SiF4, SiCl2 , SiCl4 등의 휘발성 생성물을 형성하여 쉽게 챔버 내부로부터 쉽게 제거될 수 있기 때문이다. On the other hand, in order to completely remove the pores inside the film which is inevitably present in the coating layer of the base material formed by the technology disclosed in the present invention, the above-mentioned internal pores are heterogeneous materials (for example, metal fluoride salts, organic acid salts, Si , SiO 2 , polymers, etc.). If the coating layer is formed of one or more multilayers, it is preferable to seal the outermost coating film, and if necessary, sealing can be performed without distinguishing each layer. Preferably Si or it is recommended to fill the coating pores by SiO 2, which Si or SiO 2 is by the reaction gas SiF 2, SiF 4, SiCl 2 , to form a volatile product of SiCl such as 4 easily easily removed from the chamber Because it can be.

한편, 본 발명에서 제안한 코팅막 형성 방법은 신규로 제작하는 진공 플라즈마 챔버 및 그 내부 부품 뿐만 아니라 사용 중 손상 받았거나 주기적 세정 후 부품의 신뢰성 확보 차원에서 실행되는 재생 과정에도 동일하게 적용 될 수 있다. On the other hand, the coating film formation method proposed in the present invention can be equally applicable to the newly produced vacuum plasma chamber and its internal parts as well as the regeneration process performed in order to secure the reliability of the parts damaged or periodically cleaned during use.

이상에서 구체적인 실시예를 중심으로 본 발명을 설명하였으나, 본 발명은 여기에 한정되지 않으며, 후술하는 특허청구범위를 벗어나지 않는 범위안에서 당업자에게 다양한 변형 및 개량이 가능할 것이다. Although the present invention has been described above with reference to specific embodiments, the present invention is not limited thereto, and various modifications and improvements may be made by those skilled in the art without departing from the scope of the following claims.

본 발명에 따르면, 열용사 코팅층에서 피할 수 없는 코팅층의 균열 및 기공 형성, 모재와의 접착력 저하 등을 금속과 세라믹의 혼합 코팅층 구비하는 고접착강도/고밀도의 용사코팅층을 형성함으로써, 챔버 및 내부 부품의 보호피막이 내/외부의 기계적/열적/화학적 충격에 의해 박리되거나 표면 손상에 의해 형성된 입자가 방출되어 챔버를 오염시키는 현상을 방지하고, F, Cl 이온 등이 모재 또는 하부 코팅 막으로 확산되거나 반대로 모재 또는 하부 코팅의 금속 원자가 상부 코팅측으로 확산하는 것을 방지하여 금속 염화물이나 불화물의 형성을 방지할 수 있으며, 이를 통해 최종적으로는 진공 플라즈마 부품의 교체 주기 및 세정 주기를 연장하고, 내부 오염원의 발생률을 감소시켜 반도체/LCD 등의 품질과 신뢰성을 향상시키고 제조 단가를 절감할 수 있는 효과를 기대할 수 있다.According to the present invention, the chamber and the internal parts are formed by forming a high adhesion strength / high density spray coating layer having a mixed coating layer of a metal and a ceramic, which inevitably cracks and forms pores of the coating layer, and decreases adhesion to the base material. Protective film is peeled off by internal / external mechanical / thermal / chemical impact or particles formed by surface damage are released to prevent the contamination of the chamber, and F, Cl ions, etc. are diffused to the base material or lower coating film or vice versa. By preventing the diffusion of metal atoms of the base material or the bottom coating to the top coating side, it is possible to prevent the formation of metal chlorides or fluoride, thereby prolonging the replacement cycle and cleaning cycle of the vacuum plasma component, thereby increasing the incidence of internal pollutants It can reduce the quality and reliability of semiconductor / LCD and reduce manufacturing cost. You can expect the effect.

Claims (13)

진공 플라즈마 챔버 또는 그 내부 부품으로 사용되는 소재를 모재로 하고,The base material is used as a vacuum plasma chamber or its internal components, 상기 모재 표면에 열용사에 의하여 형성된 금속분말과 세라믹 분말 혼합 코팅층을 포함하여 구성되는 Consists of a metal powder and a ceramic powder mixed coating layer formed by thermal spraying on the surface of the base material 진공 플라즈마 챔버용 열용사 코팅막.Thermal spray coating film for vacuum plasma chamber. 제1항에 있어서, 상기 혼합 코팅층은 모재 측에 가까울 수록 금속 함량이 많고 모재와 멀어질 수록 세라믹의 함량이 많게 경사코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 진공 플라즈마 챔버용 열용사 코팅막.The thermal spray coating film of claim 1, wherein the mixed coating layer is inclinedly coated with a metal content as the metal is closer to the base metal side, and the ceramic content as the material is far from the base metal. 제2항에 있어서, 상기 혼합 코팅층은 모재 측으로는 금속 함량이 100%, 모재와 먼쪽으로는 세라믹 함량이 100%가 되도록 연속적인 함량 변화율로 금속과 세라믹이 코팅되어 있는 것을 특징으로 하는 진공 플라즈마 챔버용 열용사 코팅막.The vacuum plasma chamber of claim 2, wherein the mixed coating layer is coated with metal and ceramic at a continuous content change rate such that the metal content is 100% on the base material side and the ceramic content is 100% on the far side of the base material. Thermal spray coating film. 제1항에 있어서, 상기 모재와 혼합 코팅층 사이에는 금속층이 포함되어 있는 진공 플라즈마 챔버용 열용사 코팅막.The thermal spray coating film of claim 1, wherein a metal layer is included between the base material and the mixed coating layer. 제1항에 있어서, 상기 혼합 코팅층에 추가로 세라믹층이 더 형성되어 있는 진공 플라즈마 챔버용 열용사 코팅막.The thermal spray coating film of claim 1, wherein a ceramic layer is further formed on the mixed coating layer. 제1항에 있어서, 상기 혼합 코팅층의 금속 성분은 상기 모재와 동일한 소재이거나, 또는 Al, Ni, Cr, Fe, Cu, Zr, Mo, W 및 그 합금 중에서 선택되는 진공 플라즈마 챔버용 열용사 코팅막. The thermal spray coating film of claim 1, wherein the metal component of the mixed coating layer is made of the same material as the base material or selected from Al, Ni, Cr, Fe, Cu, Zr, Mo, W, and alloys thereof. 제1항에 있어서, 상기 혼합 코팅층의 세라믹 성분은 Al2O3, Y2O3 , Al2O3/Y2O3, ZrO2, AlC, TiN, AlN, TiC, MgO, CaO, CeO2, TiO2, BxCy, BN, SiO2 , SiC, YAG, Mullite, AlF3 또는 이들의 혼합체 중에서 선택되는 진공 플라즈마 챔버용 열용사 코팅막.The ceramic component of claim 1, wherein the ceramic component of the mixed coating layer is Al 2 O 3 , Y 2 O 3 , Al 2 O 3 / Y 2 O 3 , ZrO 2 , AlC, TiN, AlN, TiC, MgO, CaO, CeO 2 , TiO 2 , BxCy, BN, SiO 2 , SiC, YAG, Mullite, AlF 3 or a thermal spray coating film for a vacuum plasma chamber selected from a mixture thereof. 진공 플라즈마 챔버 또는 그 내부 부품으로 사용되는 소재를 코팅 대상인 모재로 하고,The material to be used as the vacuum plasma chamber or its internal components is used as the base material to be coated, 플라즈마 건에 금속 분말 및 세라믹 분말을 주입하여 상기 모재 표면에 열용사에 의하여 금속과 세라믹의 혼합 코팅층을 형성하는 것을 포함하여 구성되는 Injecting the metal powder and ceramic powder into the plasma gun to form a mixed coating layer of the metal and ceramic by thermal spraying on the surface of the base material 진공 플라즈마 챔버용 열용사 코팅막 제조방법.Method of manufacturing a thermal spray coating film for a vacuum plasma chamber. 제8항에 있어서, 상기 혼합 코팅층은 금속과 세라믹의 각 함량이 점진적으로 변하도록 경사 코팅으로 형성하는 것을 특징으로 하는 진공 플라즈마 챔버용 열용사 코팅막 제조방법.The method of claim 8, wherein the mixed coating layer is formed of a gradient coating such that respective contents of the metal and the ceramic are gradually changed. 제8항에 있어서, 상기 모재가 대면적인 경우, 둘 이상의 부분으로 나누어 각각에 혼합 코팅층을 형성한 후, 각 부분을 결합하는 것을 특징으로 하는 진공 플라즈마 챔버용 열용사 코팅막 제조방법.The method of claim 8, wherein when the base material is large, the mixture is divided into two or more parts to form a mixed coating layer on each of them, and then the respective parts are bonded to each other. 제10항에 있어서, 상기 각 부분은 코팅층 형성 후 체결이 용이하도록 결합부에 단차, 홈, key hole을 구비하거나 이음매 부분에 제3의 보호물을 구비하는 것을 특징으로 하는 진공 플라즈마 챔버용 열용사 코팅막 제조방법.11. The thermal sprayed thermal spraying chamber as claimed in claim 10, wherein each of the portions has a stepped portion, a groove, a key hole in the coupling portion, or a third protective material at the joint portion to facilitate fastening after forming the coating layer. Coating film production method. 제8항에 있어서, 상기 금속 분말과 세라믹 분말은 플라즈마 건의 불꽃부에 주입될 때, 세라믹 분말이 고온부에 금속 분말은 저온부에 주입되도록 각각의 주입 위치를 달리하는 것을 특징으로 하는 진공 플라즈마 챔버용 열용사 코팅막 제조방법.The heat of the vacuum plasma chamber according to claim 8, wherein when the metal powder and the ceramic powder are injected into the flame portion of the plasma gun, the injection position of the ceramic powder is changed so that the metal powder is injected into the low temperature portion. Spray coating film production method. 제8항에 있어서, 코팅막 형성 후, 코팅막 내부의 기공을 불화금속염, 유기산염, Si, SiO2, 폴리머 등의 이종 물질로 충진하는 단계를 추가로 포함하는 진공 플라즈마 챔버용 열용사 코팅막 제조방법.The method of claim 8, further comprising filling the pores in the coating film with a dissimilar material such as metal fluoride salt, organic acid salt, Si, SiO 2 , and polymer after forming the coating film.
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