KR20100011576A - Plasma-resistant ceramic coated substrate - Google Patents
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Abstract
Description
본 발명은 세라믹 코팅체에 관한 것으로서 보다 상세하게는 1% 이하의 기공을 갖는 세라믹 코팅막을 포함하는 내 플라즈마성 세라믹 코팅체에 관한 것이다.The present invention relates to a ceramic coating, and more particularly, to a plasma resistant ceramic coating including a ceramic coating film having pores of 1% or less.
일반적으로 반도체 제조공정에서 이용되는 플라즈마 처리장치는 플루오르화물, 염화물, 브롬화물 등의 가스가 플라즈마 처리장치의 챔버 내부에서 플라즈마화되고, 플라즈마화된 상기 가스를 이용하여 피처리 대상물을 가공할 수 있다. 이러한 플라즈마 처리장치의 내부에서는 상기 피처리 대상물의 가공뿐만 아니라, 플라즈마 처리장치의 챔버 내부면 또는 내부부품 소재는 상기 가스들에 의해 부식될 수 있다.In general, in a plasma processing apparatus used in a semiconductor manufacturing process, a gas such as fluoride, chloride, or bromide may be converted into a plasma inside a chamber of the plasma processing apparatus, and the object to be processed may be processed using the plasma-formed gas. In such a plasma processing apparatus, as well as the processing of the object to be processed, the inner surface of the chamber or the internal component material of the plasma processing apparatus may be corroded by the gases.
상기와 같은 챔버의 내부면 또는 내부부품 소재의 부식을 방지하기 위해, 산화이트륨(Y2O3) 또는 산화알루미늄(Al2O3) 등의 산화물을 포함하는 세라믹 코팅막을 챔버의 내부면 또는 내부부품 소재의 표면에 용사코팅방법으로 형성할 수 있다. 그러나 상기 용사코팅방법으로 형성되는 세라믹 코팅막은 고융점의 세라믹 원료의 특성상 용융이 완전하지 않거나 용융시간의 차이로 인한 불균일한 코팅 때문에 5% 이상의 높은 기공을 포함한다. 이러한 기공은 반도체 제조공정에 적용되는 플라즈마 또는 각종 반응성 가스가 코팅막과 접촉할 때 쉽게 부식이 일어나도록 만들뿐만 아니라, 이렇게 부식에 의해 손상된 세라믹 코팅막은 장치 내부에서 오염물 발생원으로 작용하게 되므로 결과적으로 웨이퍼의 오염까지 초래하는 원인이 된다. In order to prevent corrosion of the inner surface of the chamber or the material of the internal parts, a ceramic coating film containing an oxide such as yttrium oxide (Y 2 O 3) or aluminum oxide (Al 2 O 3) may be sprayed on the inner surface of the chamber or the surface of the internal material. It can be formed by a coating method. However, the ceramic coating film formed by the thermal spray coating method contains high pores of 5% or more due to the non-uniform coating due to the difference in melting time or incomplete melting due to the characteristics of the ceramic material of high melting point. These pores not only make the corrosion easily occur when the plasma or various reactive gases applied to the semiconductor manufacturing process come into contact with the coating film, but also the ceramic coating film damaged by the corrosion acts as a source of contaminants inside the device, resulting in wafer It may cause contamination.
이에 따라, 세라믹 코팅막의 기공율을 줄여서 코팅막을 밀도를 높이고 이를 통해 내 플라즈마성을 향상시키려는 몇몇 방법들이 제시된바있다. 예를 들어, 고융점 세라믹의 용융을 쉽게 하고 균일한 코팅막을 얻기 위해 종래의 수십 ㎛ 크기의 분말 대신에 수십~ 수백 나노미터 크기의 세라믹 분말을 용사 코팅하는 방법과, 용사코팅 후 유기용매처리 또는 열처리를 통해 미 용융 입자를 제거하고 기공을 감소시키는 방법들이 제시되었다. 그러나, 이와 같은 방법은 용사코팅 자체를 대체하는 것이 아니고, 사용분말 또는 코팅막 후처리 공정 개선 등에 불과한 것이어서, 기공율 1% 이하로 줄일 수 없었으며 종래의 용사코팅 공정에 추가적인 공정이 더 요구되기 때문에 제조비용이 증가되는 문제점을 갖는다.Accordingly, some methods have been proposed to reduce the porosity of the ceramic coating film to increase the density of the coating film and thereby improve plasma resistance. For example, in order to easily melt a high melting point ceramic and obtain a uniform coating film, a method of spray coating a ceramic powder of several tens to hundreds of nanometers instead of a conventional tens of micrometers powder, and an organic solvent treatment or a thermal spray coating Methods have been proposed to remove unmelted particles and reduce pores through heat treatment. However, such a method is not a replacement of the spray coating itself, but only for the improvement of the use powder or the post-treatment process of the coating film. The problem is that the cost is increased.
이에, 본 발명의 목적은 이러한 문제점을 해결하기 위해서 착안된 것으로 용사코팅 방법을 적용하지 않고도 기공이 1% 이하를 갖으면서 내 플라즈마 특성이 우수한 세라믹 코팅막을 포함하는 세라믹 코팅체를 제공하는데 있다. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a ceramic coating including a ceramic coating film having excellent porosity characteristics while having pores of 1% or less without applying a spray coating method.
상기한 본 발명의 목적을 실현하기 위한 세라믹 코팅체는 플라즈마 장치에 적용되는 피 코팅체 및 상기 피 코팅체 표면에 형성되며 800W 파워에서 형성된 플라즈마에 대하여 13 내지 25nm/min의 식각율을 갖고, 기공의 함유율이 0.1 내지 1%인 세라믹 코팅막을 포함하는 구성을 갖는다. 이러한 구성을 갖는 내 플라즈마성 세라믹 코팅체는 종래의 용사코팅 방법에 의해 얻을 수 있는 세라믹 코팅체와 비교하여 상대적으로 낮은 표면조도, 높은 부착력 및 1% 이하의 기공을 포함하고 있어 플라즈마에 장시간 노출되어도 그 표면의 손상이 최소화 될 수 있다.The ceramic coating for realizing the above object of the present invention has an etching rate of 13 to 25nm / min with respect to the plasma to be coated on the surface of the coating and the coating to be applied to the plasma apparatus and formed at 800W power, the pores It has a structure containing the ceramic coating film whose content rate is 0.1 to 1%. Plasma-resistant ceramic coatings having such a structure include relatively low surface roughness, high adhesion, and less than 1% of pores compared to ceramic coatings obtained by conventional thermal spray coating methods, and thus are exposed to plasma for a long time. Damage to that surface can be minimized.
일 예로서, 상기 세라믹 코팅막은 하기 (A) 내지 (D) 단계를 수행하여 형성될 수 있다. 상기 (A) 단계는 세라믹 분말을 0.1 내지 1.0um의 입도를 갖는 세라믹 분말로 분쇄, 파쇄 및 분산시키는 단계이다. 상기 (B) 단계는 분산된 세라믹 분말을 250 내지 400m/s의 속도로 피 코팅체 표면으로 분출시켜 충돌/파쇄시키는 단계이다. 상기 (C) 단계는 파쇄된 세라믹 입자를 피 코팅체 표면에 일부 흡착시키는 단계이다. 상기 (D) 단계는 상기 단계 (A) 내지 단계 (C)를 적어도 2회 반복 수행하여 상기 피 코팅체 표면에 파쇄된 세라믹 입자를 누적 고착시킴으로서 세라믹 코 팅막을 형성하는 단계이다. 상기한 세라믹 코팅막의 예로서는 산화이트륨막, 산화알루미늄막 또는 이들의 혼합막 등을 들 수 있다. 또한, 상기 세라믹 분말은 파쇄 공정 처리되어 그 표면이 굴곡 또는 홈을 포함하는 다각형 형상을 갖는다. 상기 파쇄된 세라믹 입자는 80 내지 200nm의 입경을 갖는다. As an example, the ceramic coating layer may be formed by performing the following steps (A) to (D). Step (A) is a step of crushing, crushing and dispersing the ceramic powder into a ceramic powder having a particle size of 0.1 to 1.0um. In the step (B), the dispersed ceramic powder is jetted to the surface of the coated object at a speed of 250 to 400 m / s to impinge on and crush. Step (C) is a step of adsorbing the crushed ceramic particles to the surface of the coating. Step (D) is a step of forming a ceramic coating film by repeatedly performing the steps (A) to (C) at least twice to accumulate and fix the crushed ceramic particles on the surface of the coating. As an example of said ceramic coating film, a yttrium oxide film, an aluminum oxide film, or these mixed films etc. are mentioned. In addition, the ceramic powder is subjected to a crushing process to have a polygonal shape whose surface includes curvature or grooves. The crushed ceramic particles have a particle size of 80 to 200nm.
상기 플라즈마 장치의 피 코팅체는 알루미늄, 스테인리스, 석영 또는 세라믹 물질을 포함한다. 또한, 상기 피 코팅체의 예로서는 가스 분배판, 정적척, 샤워헤드, 챔버의 내벽, 실린더, 포커스 링 등을 들 수 있다.The coated object of the plasma apparatus includes aluminum, stainless steel, quartz or ceramic material. In addition, examples of the coating target include gas distribution plates, static chucks, shower heads, inner walls of chambers, cylinders, focus rings, and the like.
상술한 바와 같은 특성을 갖는 세라믹 코팅체는 기존의 용사코팅 공정을 수행하여 형성된 세라믹 코팅막에 비해 수 내지 수십 배 이하의 기공을 갖는 세라믹 코팅막을 포함한다. 이 때문에 상기 세라믹 코팅체는 플라즈마에 장시간 노출될 경우에도 그 손상이 최소화되는 내 플라즈마성 및 내 화학적 특성을 갖는다. 이에 따라, 상기 내 플라즈마 성을 갖는 세라믹 코팅체가 플라즈마 장치의 부품으로 적용될 경우 상기 플라즈마 처리장치의 유지 보수비용을 현저히 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 파티클 등 오염물 발생 및 세라믹 코팅막의 오염물 흡착으로 인한 웨이퍼의 오염을 최소화 할 수 있다. The ceramic coating having the characteristics described above includes a ceramic coating film having pores of several to several tens of times or less than the ceramic coating film formed by performing a conventional spray coating process. For this reason, the ceramic coating has plasma resistance and chemical resistance characteristics that minimize damage even when exposed to plasma for a long time. Accordingly, when the plasma coating ceramic coating is applied as a component of the plasma apparatus, not only can significantly reduce the maintenance cost of the plasma processing apparatus but also contaminate the wafer due to the generation of contaminants such as particles and the adsorption of contaminants on the ceramic coating layer. Can be minimized.
이하, 본 발명의 다양한 관점들에 따른 세라믹 코팅체에 대해서 첨부된 도면을 참조하여 설명하기로 한다. 본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현 은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서 상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다. 다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다. 그러나 본 발명이 하기의 실시예들에 한정되는 것은 아니며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 본 발명의 기술적 사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양한 다른 형태로 구현할 수 있을 것이다. Hereinafter, a ceramic coating according to various aspects of the present disclosure will be described with reference to the accompanying drawings. The terminology used herein is for the purpose of describing particular example embodiments only and is not intended to be limiting of the present invention. Singular expressions include plural expressions unless the context clearly indicates otherwise. In this application, the terms "comprise" or "have" are intended to indicate that there is a feature, number, step, action, component, part, or combination thereof described on the specification, and one or more other features. It is to be understood that the present invention does not exclude the possibility of the presence or the addition of numbers, steps, operations, components, parts, or combinations thereof. Unless defined otherwise, all terms used herein, including technical or scientific terms, have the same meaning as commonly understood by one of ordinary skill in the art. Terms such as those defined in the commonly used dictionaries should be construed as having meanings consistent with the meanings in the context of the related art and shall not be construed in ideal or excessively formal meanings unless expressly defined in this application. Do not. However, the present invention is not limited to the following embodiments, and those skilled in the art may implement the present invention in various other forms without departing from the technical spirit of the present invention.
세라믹 ceramic 코팅체Coating
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 내 플라즈마성을 갖는 세라믹 코팅체를 나타내는 단면도이고, 도 2는 도 1에 도시된 세라믹 코팅체에 포함된 세라믹 코팅막의 단면을 나타내는 전자현미경 사진이다.1 is a cross-sectional view showing a ceramic coating having a plasma resistance according to an embodiment of the present invention, Figure 2 is an electron micrograph showing a cross section of the ceramic coating film contained in the ceramic coating shown in FIG.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 실시예의 세라믹 코팅체(30)는 플라즈마 장치에 적용되는 피 코팅체(10) 및 피 코팅체 상에 증착된 세라믹 코팅막(20)을 포함한 다. 구체적으로 상기 피 코팅체(10) 알루미늄, 석영, 알루미늄산화물 또는 아노다이징 물질들을 포함하며, 플라즈마 장치 내부에 적용되는 부품이다. 상기 피 코팅체(10)의 예로서는 가스 분배판, 정전척, 샤워헤드, 챔버의 내벽, 실린더, 포커스 링 등을 들 수 있다.Referring to FIGS. 1 and 2, the
상기 세라믹 코팅막(20)은 피 코팅체(10) 상에 상온 미립자 증착방법에 의해 소정의 두께로 형성되고, 상기 피 코팅체(10)와 75 내지 95Mpa의 부착성을 갖고, 약 0.1 내지 3um의 표면 조도를 갖으며, 기공의 함유율이 0.1 내지 1%인 내 플라즈마 특성을 갖는 금속산화물막이다. 상기 금속산화물막의 예로서는 산화 이트륨(Y2O3), 산화 알루미늄(Al2O3) 등을 들 수 있다. 또한, 상기 세라믹 코팅막은 800W 파워에 형성된 플라즈마에 노출된 경우 약 13 내지 25nm/min의 식각율을 갖는 것이 바람직하다. 이는, 상기 세라믹 코팅막의 식각율이 25nm/min을 초과될 경우 플라즈마 장치의 유지보수 비용이 증가되는 문제점이 발생되기 때문이다. The
상기 세라믹 코팅막(20)에 포함된 기공의 함유율이 1%를 초과하면, 기공이 1% 함유하는 세라믹 코팅막에 비해 표면의 손상이 크게 발생하는 문제점이 발생된다. 여기서, 상기 세라믹 코팅막(20)의 표면의 손상 부위는 웨이퍼를 오염시키는 파티클 발생의 원인으로 작용된다. 따라서 본 발명의 세라믹 코팅막(20)은 1%이하의 기공을 함유하는 것이 바람직하다. When the content of pores contained in the
또한, 상기 세라믹 코팅막(20)의 표면 조도가 0.1 미만이면 내 플라즈마 특성이 다소 향상되나 챔버 내에서 가스에 의한 부산물이 그 표면에 부착되는 것이 작아서 웨이퍼의 오염이 증가되는 문제점이 발생된다. 반면에 표면 조도가 3um을 초과할 경우 공정 부산물이 상기 세라믹 코팅막 표면에서 부착이 용이하지만 상기 세라믹 코팅막이 부식이 빠르게 이루어지는 문제점이 발생된다. 따라서 상기 세라믹 코팅막은 0.1 내지 3um 범위의 표면 조도를 갖고 바람직하게는 0.5 내지 1um 범위의 표면 조도를 갖는다. 또한, In addition, when the surface roughness of the
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 코팅체를 형성하는 방법을 나타내는 공정흐름도이다. Figure 3 is a process flow diagram showing a method of forming a ceramic coating according to an embodiment of the present invention.
도 3을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 코팅체를 형성하기 위해서는 먼저 상기 세라믹 코팅장치의 세라믹 분말 공급부에 수용되는 세라믹 분말을 마련한다(단계 S110).Referring to FIG. 3, in order to form the ceramic coating body according to the exemplary embodiment of the present invention, first, the ceramic powder accommodated in the ceramic powder supply unit of the ceramic coating apparatus is prepared (step S110).
상기 세라믹 분말은 기존의 용사코팅 공정에 적용되는 세라믹 분말로서 산화이트륨(Y2O3)분말, 산화알루미늄(Al2O3)분말 또는 이들의 혼합물 분말 등을 포함하며, 약 0.1 내지 1.0um의 입자 크기를 갖는다. 상기 세라믹 코팅막 형성공정에 적용되는 세라믹 분말의 입자의 크기가 0.1um 미만일 경우 세라믹 분말 간 응집력이 높아져 분말 공급이 제대로 이루어지지 않는다. 반면에 상기 입자의 크기가 1.0um을 초과할 경우 코팅시 세라믹 분말 자체 무게 증가에 따른 가속력이 증가되기 때문에 파쇄 후 세라믹 코팅체의 피 코팅체의 표면으로부터 입자가 튕겨나가는 문제점이 발생된다. 따라서 본 실시예에서는 세라믹 분말은 0.1 내지 1.0um의 입자 크기를 갖질 수 있고, 바람직하게는 0.4 내지 0.8um 의 입자 크기를 가질 수 있다.The ceramic powder is a ceramic powder applied to a conventional spray coating process, and includes yttrium oxide (Y 2 O 3 ) powder, aluminum oxide (Al 2 O 3 ) powder, or a mixture thereof, and the like, and has a thickness of about 0.1 to 1.0 μm. Has a particle size. When the particle size of the ceramic powder applied to the ceramic coating film forming process is less than 0.1um, the cohesion between the ceramic powders increases, so that the powder supply is not properly performed. On the other hand, if the particle size exceeds 1.0 μm, the acceleration force is increased due to the increase in the weight of the ceramic powder itself during coating, which causes a problem that the particles bounce off the surface of the coated body of the ceramic coating after fracture. Therefore, in the present embodiment, the ceramic powder may have a particle size of 0.1 to 1.0 μm, and preferably may have a particle size of 0.4 to 0.8 μm.
일 예로서, 상기 세라믹 분말은 2 내지 10um의 입경을 갖는 예비 세라믹 입자를 볼밀 공정을 수행함으로서 형성될 수 있다. 다른 예로서, 상기 세라믹 분말은 플라즈마 냉각 분쇄 법을 수행하여 형성될 수 있다. 상기 플라즈마 냉각 분쇄 법은 약 2 내지 10um의 입경을 갖는 예비 세라믹 입자를 플라즈마 용융시킨 이후에 질소가스 하에서 냉각 분쇄시키는 단계를 포함한다. As one example, the ceramic powder may be formed by performing a ball mill process on preliminary ceramic particles having a particle diameter of 2 to 10um. As another example, the ceramic powder may be formed by performing a plasma cooling grinding method. The plasma cooling pulverization method includes the step of cold pulverization under nitrogen gas after plasma melting of the pre-ceramic particles having a particle diameter of about 2 to 10um.
특히, 본 실시예에서는 상기 세라믹 분말을 구형이 아닌 그 표면이 굴곡 또는 홈을 포함하는 다각형 형상을 갖도록 기존의 세라믹 분말을 기계적 파쇄 공정에 의해 제작되는 바람직하다. 상기 기계적 파쇄 공정은 볼 밀 공정 및 플라즈마 저온 파쇄공정 등을 포함할 수 있으며 본 발명을 한정하지 않는다. 이러한 다각형 형상을 갖는 세라믹 분말은 상기 피 코팅체(10) 표면에 충돌하여 파쇄될 경우 보다 용이하면서도 보다 작은 크기의 입자 상태를 갖도록 파쇄될 수 있기 때문이다. 상기 피 코팅체는 알루미늄, 석영, 알루미늄산화물 또는 아노다이징 물질들을 포함하며, 플라즈마 장치 내부에 적용되는 부품이다. 상기 피 코팅체는 상기 코팅 장치의 챔버 내부에 안착된다. In particular, in the present embodiment, it is preferable that the existing ceramic powder is manufactured by a mechanical crushing process so that the surface of the ceramic powder is not spherical but has a polygonal shape including a bend or a groove. The mechanical crushing process may include a ball mill process and a plasma low temperature crushing process, and the like, and do not limit the present invention. This is because the ceramic powder having such a polygonal shape may be crushed to have a particle size of easier and smaller size when collided and crushed on the surface of the
이어서, 응집된 상태를 갖는 세라믹 분말을 0.1 내지 1.0um의 입도를 갖는 세라믹 분말로 분산시킨다(단계 S120).Subsequently, the ceramic powder having the aggregated state is dispersed into the ceramic powder having a particle size of 0.1 to 1.0 um (step S120).
상기 응집된 세라믹 분말은 실질적으로 약 2 내지 10um의 입자의 크기를 갖기 때문에 세라믹 분말은 다시 0.1 내지 1.0um의 입자의 크기를 갖도록 각각 분산시켜야 한다. 일 예로서, 상기 세라믹 분말의 분산은 세라믹 분말 공급부에서 제공되는 응집된 세라믹 분말이 캐리어 가스와 함께 상기 코팅막 형성 장치에 포함된 분산유닛 내부로 고속으로 유입된 후 상기 그 내부에서 충돌/분쇄 반응이 연속적으로 발생함으로서 이루어질 수 있다. 상기 캐리어 가스의 예로서는 산소가스, 아르곤가스(Ar), 질소가스(N2), 수소가스(H2), 헬륨가스(He)등을 들 수 있다. 이들은 단독 또는 둘 이상을 혼합하여 사용할 수 있다. Since the aggregated ceramic powder has a particle size of about 2 to 10um substantially, the ceramic powder must be dispersed to have a particle size of 0.1 to 1.0um again. For example, the dispersion of the ceramic powder may be caused by a collision / crushing reaction in the aggregated ceramic powder provided from the ceramic powder supply unit at a high speed into the dispersion unit included in the coating film forming apparatus together with the carrier gas. It can be done by generating continuously. Examples of the carrier gas include oxygen gas, argon gas (Ar), nitrogen gas (N 2 ), hydrogen gas (H 2 ), helium gas (He), and the like. These can be used individually or in mixture of 2 or more.
이어서, 상기 분산된 세라믹 분말을 피 코팅체의 표면으로 고속 분출시켜 충돌/파쇄시킨다(단계 S130).Subsequently, the dispersed ceramic powder is jetted at high speed to the surface of the coated object to crash / crush (step S130).
상기 캐리어 가스에 분산된 세라믹 분말은 분출유닛에 의해 피 코팅체 표면으로 고속으로 분출된다. 상기 분산된 세라믹 분말은 캐리어 가스와 함께 약 250 내지 400m/s의 속도로 분출된다. 구체적으로 상기 세라믹 분말의 분출 속도는 캐리어 가스를 제공하는 가스 제공부의 내부 압력과 세라믹 코팅막이 형성되는 챔버 내부의 압력에 의해 달라질 수 있다. 본 실시예에서는 챔버 내부는 진공 상태 약(10-2torr)이며, 상기 분산 유닛 및 챔버 내부의 압력은 진공상태를 유지하여야 하며, 이렇게 형성된 챔버의 내부 압력과 유속을 지닌 가스를 공급하여 상기 분출 유닛을 통과시킴으로서 분사 속도는 아음속 또는 초음속(약250 내지 400m/s)영역까지 가속될 수 있다.The ceramic powder dispersed in the carrier gas is ejected at high speed to the surface to be coated by the ejecting unit. The dispersed ceramic powder is ejected together with the carrier gas at a speed of about 250 to 400 m / s. Specifically, the ejection rate of the ceramic powder may vary depending on the pressure inside the gas providing unit providing the carrier gas and the pressure inside the chamber in which the ceramic coating film is formed. In this embodiment, the inside of the chamber is about vacuum (10 -2 torr), and the pressure inside the dispersion unit and the chamber must be maintained in a vacuum state, and the ejection is performed by supplying a gas having an internal pressure and a flow rate of the chamber thus formed. By passing through the unit, the injection speed can be accelerated to subsonic or supersonic (about 250 to 400 m / s) regions.
특히, 상기 피 코팅체의 표면으로 분출되는 분산된 세라믹 분말의 속도가 250m/s 미만일 경우 상기 분산된 세라믹 분말의 파쇄가 용이하지 않을 뿐만 아니라 세라믹 코팅막의 형성속도가 감소되는 문제점이 발생된다. 분출 속도가 400m/s를 초과할 경우 상기 분산된 세라믹 분말의 파쇄가 용이하나 파쇄 후 높은 운동에너지 를 가짐으로 인해 상기 피 코팅체에 흡착되지 못하고 튕겨져 나오거나 피 코팅층 또는 코팅층이 뜯겨나가는 문제점이 초래된다. 따라서 상기 분산된 세라믹 분말은 약 250 내지 400m/s의 속도로 분출하는 것이 바람직하고, 약 300 내지 350m/s의 속도로 분출시키는 것이 보다 바람직하다.In particular, when the speed of the dispersed ceramic powder sprayed to the surface of the coating is less than 250m / s, not only the fracture of the dispersed ceramic powder is easy, but also the problem that the formation rate of the ceramic coating film is reduced. When the spraying speed exceeds 400 m / s, the dispersed ceramic powder is easily broken, but has a high kinetic energy after the shredding, so that it is not adsorbed to the coated body and is thrown out, or the coating layer or the coating layer is torn off. do. Therefore, the dispersed ceramic powder is preferably ejected at a speed of about 250 to 400 m / s, more preferably at a speed of about 300 to 350 m / s.
상술한 바와 같은 조건에서 분출되는 분산된 세라믹 분말은 상기 피 코팅체 표면과 충돌함으로 인해 파쇄(분열)되어 나노 입자 크기를 갖는 파쇄된 세라믹 입자로 형성된다. 상기 파쇄된 세라믹 입자의 크기가 80nm 미만일 경우 상기 세라믹 입자의 한계 질량 이하가 되어 충분한 충격력이 발생되지 않아 피 코팅체 표면에 흡착(증착)되는 파쇄된 세라믹 입자의 누적속도가 현저하게 감소되는 문제점이 발생된다. 반면에 상기 파쇄된 세라믹 입자의 크기가 200nm를 초과할 경우 상기 피 코팅체 표면에 흡착되는 파쇄된 세라믹 입자의 누적속도는 80nm 미만의 입자를 사용할 경우 보다 증가하나 세라믹 코팅막의 형성 시 미 흡착되는 입자의 양이 증가하여 코팅층 형성을 방해하고 또한 기공 함량이 증가되는 문제점이 발생된다. 따라서 상기 파쇄된 세라믹 입자는 약 80 내지 200nm의 크기를 갖는 것이 바람직하고, 약 100 내지 150nm의 크기를 갖는 것이 바람직하다.The dispersed ceramic powders ejected under the conditions described above are crushed (split) by colliding with the surface of the coating to be formed into crushed ceramic particles having a nanoparticle size. When the size of the crushed ceramic particles is less than 80nm, it becomes less than the limit mass of the ceramic particles, so that sufficient impact force is not generated, so that the cumulative speed of the crushed ceramic particles adsorbed (deposited) on the surface of the coated body is significantly reduced. Is generated. On the other hand, when the size of the crushed ceramic particles exceeds 200nm, the cumulative rate of the crushed ceramic particles adsorbed on the surface of the coating is increased than when using particles smaller than 80nm, but the particles are not adsorbed when the ceramic coating film is formed. An increase in the amount of hinders the formation of the coating layer, and also increases the pore content. Therefore, the crushed ceramic particles preferably have a size of about 80 to 200 nm, preferably a size of about 100 to 150 nm.
일반적으로, 상기 피 코팅체의 표면은 20um 이하의 조도를 갖는 것이 바람직하다. 상기 코팅층 형성을 위해 약 80 내지 200nm의 크기를 갖는 입자를 적용하여 코팅층을 형성할 경우 상기 피 코팅체의 조도가 20um 이하의 경우 피코팅체의 홈을 대부분 매워 코팅층 표면을 0.1 내지 3um의 조도로 형성할 수 있으나, 상기 피 코팅체의 조도가 20um 이상일 경우 피 코팅체 표면 홈을 메우며 코팅층 형성의 한계 성을 나타내어 피 코팅층의 표면 조도를 따라 코팅층이 형성되는 문제점이 초래된다. In general, the surface of the coated object preferably has a roughness of 20 μm or less. When the coating layer is formed by applying particles having a size of about 80 to 200 nm to form the coating layer, when the roughness of the coated body is 20 μm or less, most of the grooves of the coated body are filled to make the surface of the coating layer with an roughness of 0.1 to 3 μm. Although it may be formed, when the roughness of the coated object is more than 20um, the surface of the coated surface is filled and there is a limitation in forming the coating layer, thereby causing a problem in that the coating layer is formed along the surface roughness of the coated layer.
그러나, 본 실시예의 세라믹 코팅막 형성 방법은 용사코팅 방법보다 피 코팅층의 표면 조도에 영향을 적게 받기 때문에 피 코팅층의 표면을 매끄러운 표면을 갖도록 하기 위한 별도의 공정이 요구되지 않는다. However, since the ceramic coating film forming method of the present embodiment is less affected by the surface roughness of the coating layer than the thermal spray coating method, a separate process for making the surface of the coating layer have a smooth surface is not required.
일 예로서, 본 발명의 세라믹 코팅막인 산화이트륨막을 형성할 경우 상기 스프레이건으로부터 산화이트륨 분말을 약 300 내지 350m/s의 속도로 분출시키고, 상기 스프레이건이 피 코팅체 상에서 약 40 내지 60m/min 속도로 이송시키고, 상기 스프레이건과 상기 피 코팅체의 표면 사이의 약 100 내지 130mm 거리로 이격하고, 상기 스프레이건이 상기 피 코팅체의 표면에 상기 코팅물질을 분사 각을 약 80 내지 90도로 하는 것이 바람직하다. As an example, in the case of forming a yttrium oxide film, which is a ceramic coating film of the present invention, the yttrium oxide powder is ejected from the spray gun at a speed of about 300 to 350 m / s, and the spray gun is about 40 to 60 m / min on the coating body. Preferably at a distance of about 100 to 130 mm between the spray gun and the surface of the coated object, the spray gun spraying the coating material on the surface of the coated object at an angle of about 80 to 90 degrees. Do.
상기 파쇄된 세라믹 입자를 상기 피 코팅체 표면에 흡착(증착)시킨다(단계 S140).The crushed ceramic particles are adsorbed (deposited) on the surface to be coated (step S140).
상기 단계 S140에서 파쇄되어 형성된 세라믹 입자의 흡착은 상기 피 코팅체 표면에 충돌되어 형성된 세라믹 입자가 갖는 운동에너지에 의해 이루어진다. 즉, 상기 세라믹 입자는 피 코팅체 표면에 충돌하여 여러 조각으로 파쇄되어 형성되는 동시에 지속적인 운동에너지를 갖기 때문에 상기 피 코팅체 표면에 삽입됨(박힘)으로 인해 흡착이 이루어진다. 이때, 분출된 세라믹 입자는 파쇄되어 피 코팅에 일부가 삽입되어 얇은 코팅층을 형성하게 되고, 피 코팅층 위에 형성된 세라믹 코팅층 위로 다시 분출된 세라믹 입자에 의해 코팅층에 세라믹 분말의 일부가 삽입되어 코 팅층을 형성한다. 본 실시예의 세라믹 코팅체 형성방법에서 상기 세라믹 코팅막 형성은 분출된 세라믹 분말이 피 코팅층 또는 코팅된 코팅층 위에 입자가 파쇄되어 일부 삽입되는 연속적 과정을 통해 이루어진다. Adsorption of the ceramic particles crushed in the step S140 is made by the kinetic energy of the ceramic particles formed by colliding with the surface of the coating. That is, since the ceramic particles collide with the surface of the coating to be broken and formed into pieces, and have a constant kinetic energy at the same time, the ceramic particles are inserted (embedded) into the surface of the coating to be adsorbed. At this time, the ejected ceramic particles are crushed to insert a part into the coating to form a thin coating layer, and a part of the ceramic powder is inserted into the coating layer by the ceramic particles ejected onto the ceramic coating layer formed on the coating layer to form a coating layer. do. In the method of forming a ceramic coating according to the present embodiment, the ceramic coating film is formed through a continuous process in which the ejected ceramic powder is partially inserted by crushing particles on the coating layer or the coated coating layer.
이어서, 상기 피 코팅체 표면에 파쇄된 세라믹 입자를 누적 흡착시켜 기공의 함유율이 1%이하인 세라믹 코팅막을 포함하는 세라믹 코팅체를 형성한다(단계 S150). Subsequently, cumulative adsorption of the crushed ceramic particles on the surface of the coating body forms a ceramic coating including a ceramic coating film having a porosity of 1% or less (step S150).
구체적으로, 분산된 세라믹 분말을 피 코팅체의 표면으로 고속 분출시켜 충돌/파쇄시키는 S130 단계와 파쇄되어 형성된 세라믹 입자를 피 코팅체 표면에 흡착시키는 S140 단계를 적어도 2회 반복 수행한다. 이에 따라 상기 피 코팅체 표면에는 파쇄되어 형성된 세라믹 입자가 누적 흡착되어 기공의 함유율이 1% 이하인 세라믹 코팅막을 포함하는 세라믹 코팅체가 형성된다. 여기서, 상기 S130 단계와 상기 S140 단계의 반복 수행은 세라믹 분말이 캐리어 가스와 함께 약 250 내지 400m/s의 속도로 분출시키는 분출유닛이 상기 피 코팅체 직경보다 큰 폭으로 왕복 운동을 수행함으로 인해 이루어질 수 있다. 여기서, 상기 분출 유닛이 코팅체의 직경 보다 큰 폭으로 왕복운동을 하는 것은 피 코팅체의 외주부와 내주부에 코팅층을 균일하게 형성하기 위해서이다. 또한, 상기 왕복 운동은 그 횟수에 상기 세라믹 코팅체에 포함된 세라믹 코팅막의 그 두께를 조절할 수 있다. Specifically, the dispersed ceramic powder is spun at high speed on the surface of the coating to be collided / crushed, and the step S140 of adsorbing the fractured ceramic particles on the surface of the coating is repeated at least twice. Accordingly, the ceramic particles formed by crushing ceramic particles are accumulated and adsorbed on the surface of the coating to include a ceramic coating film having a pore content of 1% or less. Here, the repeating of the steps S130 and S140 is performed by the ejection unit for ejecting the ceramic powder with the carrier gas at a speed of about 250 to 400m / s performs a reciprocating motion in a width larger than the diameter of the coating body Can be. Here, the ejection unit reciprocates in a width larger than the diameter of the coating body in order to uniformly form the coating layer on the outer peripheral portion and the inner peripheral portion of the coating body. In addition, the reciprocating motion can adjust the thickness of the ceramic coating film contained in the ceramic coating body at the number of times.
상술한 상온 미립자 증착방법으로 형성되는 상기 세라믹 코팅체는 용사코팅 방법으로 형성된 세라믹 코팅막과 달리 기공함유율이 1% 이하인 세라믹 코팅막을 포함하기 때문에 내 플라즈마 특성이 우수하여 800W 파워에서 형성된 플라즈마에 대하여 약 13 내지 25nm/min의 식각율을 갖는다. 또한, 형성되는 세라믹 코팅체의 표면은 약 0.1 내지 3um의 조도를 갖는다. Since the ceramic coating formed by the above-mentioned room temperature fine particle deposition method includes a ceramic coating film having a pore content of 1% or less, unlike the ceramic coating film formed by the spray coating method, the plasma coating has excellent plasma resistance and is about 13 to about plasma formed at 800W power. To an etching rate of from 25 nm / min. In addition, the surface of the ceramic coating formed has a roughness of about 0.1 to 3um.
상기 세라믹 코팅체의 표면의 조도가 0.1 미만이면 내 플라즈마 특성이 다소 향상되나 챔버 내에서 가스에 의한 부산물이 코팅표면에 부착되는 것이 작아서 웨이퍼의 오염이 증가되는 문제점이 발생된다. 반면에 표면 조도가 3um을 초과하면, 공정 부산물이 상기 세라믹 코팅체 표면에 부착이 용이하지만 상기 세라믹 코팅체이 부식이 빠르게 이루어지는 문제점이 발생된다. 따라서 상기 세라믹 코팅체는 0.1 내지 3um 범위의 표면 조도를 갖도록 형성하고 바람직하게는 0.5 내지 1um 범위의 표면 조도를 갖도록 형성한다.When the surface roughness of the ceramic coating is less than 0.1, the plasma resistance is slightly improved, but the by-products caused by the gas in the chamber are less likely to adhere to the coating surface, resulting in increased contamination of the wafer. On the other hand, when the surface roughness exceeds 3um, the process by-products are easily attached to the surface of the ceramic coating, but the ceramic coating is quickly corroded. Therefore, the ceramic coating is formed to have a surface roughness in the range of 0.1 to 3um and preferably to have a surface roughness in the range of 0.5 to 1um.
세라믹 ceramic 코팅체Coating 특성 평가 1 Attribute evaluation 1
하기 표 1에 개시된 코팅 방법과 코팅조건에 따라 형성된 세라믹 코팅체의 세라믹 코팅막들의 그 두께를 측정하였다. 여기서, 비교예의 코팅방법은 널리 알려진 상압 플라즈마 용사(APS)코팅 방법이고, 실시들의 코팅방법은 상기 S110 내지 150 단계를 포함하는 상온미립자 증착방법이다. 특히, 본 실시예들의 코팅방법의 조건은 스프레이건으로부터 산화이트륨 분말을 약 330m/s의 속도로 분출시키고, 상기 스프레이건은 피 코팅체를 가로질러 약 1mm/sec 속도로 이송시키고, 상기 스프레이건과 상기 피 코팅체(10)의 표면 사이의 약 110mm 거리로 이격하고, 상기 스프레이건이 상기 피 코팅체의 표면에 상기 코팅물질을 분사 각을 약 90도로 설정하였다. 상기 피 코팅에는 가스 분배판이고, 세라믹 코팅체는 산화이트륨막이 형성된 가스 분배판이고, 상기 입자의 크기는 스프레이건에서 분출될 때의 입자의 크기를 나타낸다. The thickness of the ceramic coating films of the ceramic coating body formed according to the coating method and coating conditions disclosed in Table 1 was measured. Here, the coating method of the comparative example is a well-known atmospheric plasma spray (APS) coating method, the coating method of the implementation is a room temperature particulate deposition method comprising the step S110 to 150. In particular, the conditions of the coating methods of the present embodiments eject the yttrium powder from the spray gun at a speed of about 330 m / s, the spray gun is transported across the coating at a speed of about 1 mm / sec, and the spray gun And a distance of about 110 mm between the surface of the
<표 1>TABLE 1
상기 표 1에 개시된 바와 실시예 1 내지 7에서 입자크기가 700 내지 800nm일 경우 형성되는 산화이트륨막의 코팅두께가 최적의 두께를 보이는 것을 확인할 수 있었다. 또한, 상기 입자의 크기가 서로 비슷할 경우 산화이트륨 입자의 형상이 도 4에 개시된 바와 같이 구형의 형상을 가질 때 보다 도 5에 개시된 바와 같이 다각형 형상을 가질 경우 코팅두께가 증가하는 것이 확인되었다. 이에 따라, 피 코팅체 표면에 산화이트륨막이 형성된 세라믹 코팅체를 형성할 경우 다각형의 700 내지 800nm의 입자 크기를 갖는 세라믹 분말을 사용하는 것이 가장 바람직하다. As described in Table 1, in Examples 1 to 7, it was confirmed that the coating thickness of the yttrium oxide film formed when the particle size was 700 to 800 nm showed the optimal thickness. In addition, it was confirmed that when the sizes of the particles are similar to each other, the coating thickness is increased when the yttrium particles have a polygonal shape as shown in FIG. 5 rather than a spherical shape as shown in FIG. 4. Accordingly, when forming a ceramic coating having a yttrium oxide film formed on the surface of the coating, it is most preferable to use a ceramic powder having a polygonal particle size of 700 to 800 nm.
세라믹 ceramic 코팅체Coating 특성 평가 2 Characteristic evaluation 2
상기 평가 1에서 개시된 코팅 방법과 코팅조건에 따라 세라믹 코팅체를 형성한 후 세라믹 코팅체의 기공 함량과 내 플라즈마 특성을 평가하였다. 그 결과가 하 기 표 2에 개시되어 있다. 여기서, 상기 플라즈마 특성 평가는 AMAT P-500 플라즈마 챔버에서, 탄화불소가스(CF4) 50sccm, 산소가스 10sccm, 챔버 압력 0.05torr, 플라즈마 파워 800W, 플라즈마 노출시간 60분으로 설정하여 수행하였다. 상기 피 코팅에는 가스 분배판이고, 세라믹 코팅체는 산화이트륨막이 형성된 가스 분배판이다. After forming the ceramic coating body according to the coating method and coating conditions disclosed in Evaluation 1, the pore content and plasma resistance of the ceramic coating body were evaluated. The results are shown in Table 2 below. Here, the plasma characteristic evaluation was performed in an AMAT P-500 plasma chamber by setting fluorocarbon gas (CF4) 50 sccm,
<표 2>TABLE 2
표 2를 참조하면, 실시예의 방법으로 형성된 세라믹 코팅체의 산화이트륨막은 1% 이하의 기공함량을 가짐으로서 비교적 높은 내 플라즈마 특성을 갖다. 반면에 비교예 1의 방법으로 형성된 세라믹 코팅체의 산화이트륨막은 기공 함량이 5% 이상으로 내 플라즈마 특성이 상대적으로 매우 낮아 부식이 빠르게 일어나는 것을 확인할 수 있다. Referring to Table 2, the yttrium oxide film of the ceramic coating formed by the method of Example has a relatively high plasma resistance by having a pore content of 1% or less. On the other hand, the yttrium oxide film of the ceramic coating formed by the method of Comparative Example 1 has a pore content of 5% or more, so that the plasma characteristics are relatively very low, so that the corrosion occurs quickly.
구체적으로 도 6에 개시된 세라믹 코팅체의 산화이트륨막(실시예 1)은 도 7에 개시된 세라믹 코팅체의 산화이트륨막(비교예 1)에 비해 기공함량이 현저하게 작음이 확인되었다. 또한, 도 8의 플라즈마에 노출된 코팅체의 산화이트륨막(실시 예 1)은 도 9의 플라즈마에 노출된 세라믹 코팅체의 산화이트륨막(비교예 1)에 비해 플라즈마에 의한 표면손실이 상대적으로 매우 작은 것이 확인되었다.Specifically, it was confirmed that the yttrium oxide film (Example 1) of the ceramic coating disclosed in FIG. 6 was significantly smaller in pore content than the yttrium oxide film (comparative example 1) of the ceramic coating disclosed in FIG. 7. In addition, the yttrium oxide film (Example 1) of the coating body exposed to the plasma of FIG. 8 has a relatively high surface loss due to plasma compared to the yttrium oxide film (Comparative Example 1) of the ceramic coating body exposed to the plasma of FIG. 9. Very small was confirmed.
상술한 바와 같은 특성을 갖는 세라믹 코팅체는 기존의 용사코팅 공정을 수행하여 형성된 세라믹 코팅막에 비해 수 내지 수십 배 이하의 기공을 갖는 세라믹 코팅막을 포함한다. 이 때문에 상기 세라믹 코팅체는 플라즈마에 장시간 노출될 경우에도 그 손상이 최소화되는 내 플라즈마성 및 내 화학적 특성을 갖는다. 이에 따라, 상기 내 플라즈마 성을 갖는 세라믹 코팅체가 플라즈마 장치의 부품으로 적용될 경우 상기 플라즈마 처리장치의 유지 보수비용을 현저히 감소시킬 수 있을 뿐만 아니라 파티클 발생으로 인한 웨이퍼의 오염을 최소화될 수 있다. The ceramic coating having the characteristics described above includes a ceramic coating film having pores of several to several tens of times or less than the ceramic coating film formed by performing a conventional spray coating process. For this reason, the ceramic coating has plasma resistance and chemical resistance characteristics that minimize damage even when exposed to plasma for a long time. Accordingly, when the ceramic coating having plasma resistance is applied as a component of the plasma apparatus, the maintenance cost of the plasma processing apparatus may be significantly reduced, and the contamination of the wafer due to particle generation may be minimized.
도 1은 본 발명에 일 실시예에 따른 내 플라즈마성을 갖는 세라믹 코팅체를 나타내는 단면도이다.1 is a cross-sectional view showing a ceramic coating having plasma resistance according to an embodiment of the present invention.
도 2는 도 1에 도시된 세라믹 코팅체에 포함된 세라믹 코팅막의 단면을 나타내는 전자현미경 사진이다.FIG. 2 is an electron micrograph showing a cross section of a ceramic coating film included in the ceramic coating shown in FIG. 1.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 세라믹 코팅체를 형성하는 방법을 나타내는 공정흐름도이다. Figure 3 is a process flow diagram showing a method of forming a ceramic coating according to an embodiment of the present invention.
도 4는 실시예 2의 세라믹 코팅체 형성시 적용된 세라믹 입자를 나타내는 사진이다.Figure 4 is a photograph showing the ceramic particles applied when the ceramic coating body of Example 2 formed.
도 5는 실시예 5의 세라믹 코팅체 형성시 적용된 세라믹 입자를 나타내는 사진이다.5 is a photograph showing ceramic particles applied when the ceramic coating body of Example 5 was formed.
도 6은 실시예 1의 세라믹 코팅체의 단면을 나타내는 사진이다.6 is a photograph showing a cross section of the ceramic coating body of Example 1. FIG.
도 7은 비교예 1의 세라믹 코팅체의 단면을 나타내는 사진이다.7 is a photograph showing a cross section of the ceramic coating body of Comparative Example 1. FIG.
도 8은 플라즈마에 노출된 실시예 1의 세라믹 코팅체의 표면을 나타내는 사진이다.8 is a photograph showing the surface of the ceramic coating of Example 1 exposed to plasma.
도 9는 플라즈마에 노출된 비교예 1의 세라믹 코팅체의 표면을 나타내는 사진이다.9 is a photograph showing the surface of the ceramic coating of Comparative Example 1 exposed to plasma.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명><Explanation of symbols for the main parts of the drawings>
10 : 피 코팅체 20 : 세라믹 코팅막10: coating object 20: ceramic coating film
30 : 세라믹 코팅체30: ceramic coating
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