KR20100101721A - 이온 임플란트 장치용 부품과 그 제조방법 및 상기 부품을 사용한 이온 임플란트 장치 - Google Patents
이온 임플란트 장치용 부품과 그 제조방법 및 상기 부품을 사용한 이온 임플란트 장치 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은, 소스 헤드 어셈블리와 매니퓰레이터 어셈블리를 포함하는 이온 임플란트 장치에서, 아크 챔버의 챔버 몸체를 구성하면서 이온 빔 생성 공간을 형성하는 바닥부재, 측면부재 또는 상면부재를 이루거나 상기 매니퓰레이터 어셈블리의 서프레션 전극을 이루는 부품으로서, 스테인레스 스틸로 이루어진 기재와, 상기 기재의 표면 상에 형성되고 1~100㎛의 두께를 갖는 세라믹 버퍼층 및 상기 세라믹 버퍼층 상에 형성된 100~500㎛ 두께의 텅스텐 코팅층을 포함하며, 상기 세라믹 버퍼층은 금속산화물, 금속탄화물 및 금속질화물 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 세라믹으로 이루어진 이온 임플란트 장치용 부품과 그 제조방법 및 상기 부품을 사용한 이온 임플란트 장치에 관한 것이다. 본 발명에 의한 이온 임플란트 장치용 부품은, 저가인 스테인레스 스틸을 기재로 사용하고, 그 위에 열충격 저항성을 높이기 위하여 세라믹 버퍼층이 형성되며, 이온 주입 공정에서의 높은 에너지에 견딜 수 있도록 텅스텐이 코팅됨으로써, 부품의 형상에 따른 가공성이 우수하면서도 경제적이고 열충격에 강하며 내구성이 우수하다.
이온 임플란트 장치, 아크 챔버, 텅스텐, 세라믹 버퍼층, 스테인레스 스틸
Description
본 발명은 이온 임플란트 장치에 사용되는 부품 및 그 제조방법에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 저가인 스테인레스 스틸을 기재로 사용하고, 그 위에 열충격 저항성을 높이기 위하여 세라믹 버퍼층이 형성되며, 이온 주입 공정에서의 높은 에너지에 견딜 수 있도록 텅스텐이 코팅됨으로써, 부품의 형상에 따른 가공성이 우수하면서도 경제적이고 열충격에 강하며 내구성이 우수한 이온 임플란트 장치용 부품과 그 제조방법 및 상기 부품을 사용한 이온 임플란트 장치에 관한 것이다.
이온 임플란트 장치는 알려진 바와 같이 아크 챔버(Arc chamber) 내부에서 이온 플라즈마를 생성한 후, 이 플라즈마를 전기적 위치 에너지의 차이에 의해 아크 챔버로부터 추출(extraction) 및 방출하여 웨이퍼(이온 임플란트 하려는 대상)에 주입하는 장치이다. 이온 임플란트 장치는 웨이퍼에 균일한 이온주입을 위한 목 적으로, 수평방향으로는 빔의 형태를 웨이퍼 크기인 300㎜ 보다 크게 와이드빔(wide beam)(또는 리본빔(ribbon beam)으로 불림)으로 생성하고, 수직방향으로는 웨이퍼를 스캔하는 시스템을 채택하고 있다.
반도체 소자 제조를 위한 공정에서 이온 임플란트(ion implantation) 공정은 순수한 실리콘(Si) 웨이퍼 기판에 붕소(B), 알루미늄(Al), 인듐(In)과 같은 p형 불순물과 안티몬(Sb), 인(P), 비소(As)와 같은 n형 불순물등을 플라즈마 이온빔 상태로 만든뒤 반도체 결정속에 침투시켜 필요한 전도형 및 비저항의 소자를 얻는 공정으로, 기판에 주입되는 불순물의 농도를 용이하게 조절할 수 있고, 원하는 이온의 종류, 원하는 이온의 양 및 원하는 이온의 깊이만큼 표면에 이온을 주입할 수 있다는 장점이 있다.
이온 주입 공정을 수행하는 이온 임플란트 장치는 이온 빔을 생성하는 소스 헤드 어셈블리(Source head assembly)와, 이온 빔을 추출하여 뽑아 내주는 역할을 하는 매니퓰레이터 어셈블리(Manipulator assembly)를 포함하는데, 상기 소스 헤드 어셈블리에서 이온 빔이 만들어지는 공간을 아크 챔버(Arc chamber)라 한다. 이러한 아크 챔버에서는 반응가스를 필라멘트(Filament)에서 방출되는 열전자와 강제 충돌시켜, 중성상태의 반응가스에서 전자를 떼어내어 양이온을 생성시킨다. 즉, 이온 임플란트 장치를 이용해 반도체 기판에 이온 영역을 형성함에 있어서, 이온 주입 장치의 소스 헤드의 아크 챔버 내에 주입되는 반응가스와 필라멘트에서 방사되는 열전자의 충돌로 생긴 이온화된 가스를 반도체 기판에 주입하여 이온 영역을 형성하는 것이다.
도 1은 대한민국 등록특허공보 제10-0853404호에 도시된 이온 임플란트 장치의 아크 챔버를 도시한 도면이다.
도 1을 참조하면, 이러한 아크 챔버(100)는 주요 구성요소로 일면에 가스유입구가 마련된 중공의 챔버 몸체(100), 챔버 몸체의 내부에 설치되며 열전자를 방출하는 필라멘트가 내장된 캐소드(20), 상기 캐소드(20)에 대향되게 설치되어 필라멘트에서 캐소드의 엔드캡을 통해 방출된 열전자를 반사시키는 리펠러(Repeller)(30)를 포함한다. 가스유입구를 통해 챔버 몸체(10)의 내부로 반응가스가 주입되면, 주입된 반응가스는 캐소드(20)의 필라멘트에서 방출되어 리펠러(30) 방향으로 빠르게 이동하는 열전자 및 리펠러(30)에 의해 반사되는 열전자와 충돌되어 이온화되고, 이온화된 후에는 빔 형태로 되어 외부로 토출된다. 아크 챔버(100)에서 챔버 몸체(10)는 바닥부재(Bottom plate)(12), 측면부재(Side plate End plate)(11), 슬릿(15)이 형성된 상면부재(Top plate)(13)를 포함하여 구성되며, 이들 부재가 이온 빔이 발생하는 공간을 형성하게 된다. 한편, 대한민국 등록특허공보 제10-0853404호의 도 3에서 매니퓰레이터(200)의 구성을 나타낸 분해 사시도를 도시하고 있으며, 서프레션 전극(210)을 보여주고 있다.
한편, 이온 임플란트 장치에서 이온화 시에 함유되는 금속(Metal) 성분 등은 기판 패턴의 쇼트(Short) 및 여러 공정사고를 유발할 수 있기에, 통상 이온 주입 장치에는 온도, 오염원이 없는 안정된 원자 구조 등을 고려하여 텅스텐을 소재로 하여 만든 텅스텐 가공 부품들이 많이 사용되고 있다.
이러한 아크 챔버의 열전자 방출 부재인 필라멘트에서 열전자를 발생시켜 챔 버 몸체의 내부로 주입하고, 이때 챔버 몸체의 내부에서 열전자와 반응가스가 반응하여 플라즈마가 생성된다. 즉, 챔버 몸체의 내부로 방출된 열전자가 반응가스의 분자를 때려 이온 플라즈마를 발생시키며, 이온 플라즈마 내의 이온이 이온 빔을 형성하여 슬릿(15)을 통해 외측으로 빠져나간다.
이와 같은 아크 챔버의 주요 구성부품들은 주로 텅스텐을 소재로 하여 제작되는데, 특히 고전압을 사용하여 고온의 열이 발생하는 등의 악조건 하에 공정을 수행하는 챔버 몸체가 그러하며, 이온화가 이루어질 때 아크 챔버내의 온도가 900℃ 이상으로 상승하기 때문에, 이를 견딜 수 있는 소재 및 이온화가 이루어질 때 불필요하게 이온화되지 않는 소재로 텅스텐을 널리 사용한다. 텅스텐은 이온화 분위기를 활성화하는데 최적의 재질로 알려져 있으며, 챔버 내에 필요로 하는 고온 환경을 조성할 수 있고, 또한 주변 부품 소재의 이온화로 불필요한 이온이 발생하는 문제와 그에 수반되는 공정상의 여러 문제를 방지할 수 있게 된다.
그러나, 텅스텐 소재는 소재의 가격이 고가이며 가공이 까다로운 이유로 제작비가 상승하며, 무게가 상승하고, 사용수명이 짧으며, 여러번 사용한 후 재생하여 다시 사용하기가 어렵다는 단점을 가지고 있다. 또한 아크 챔버의 이온화가 발생하는 부위에서 텅스텐의 마모가 발생할 수밖에 없는데, 이온 빔들이 텅스텐 재질로 된 챔버 몸체의 내벽을 때려 손상시키므로 주기적인 점검 및 교환이 필요하다. 이와 같이 제한된 사용수명 및 주기적인 교체 작업으로 인해 유지 비용을 감당하기가 어렵고, 다양한 형상의 가공을 위해서 비용 상승이 발생하고, 원하는 형상으로 부품을 제작하는 것에 있어서도 어려움이 많다.
대한민국 등록특허공보 제10-0553716호에서는, 이온 임플란트 장치의 전면 플레이트는 제작단가가 높은 텅스텐으로 제작되기 때문에, 양호한 빔의 균일도를 얻기 위한 전면 플레이트의 잦은 교체는 설비의 유지보수비용을 증가시키는 원인이 되므로, 이러한 문제점을 해결하기 위한 것으로, 양호한 빔 균일도를 얻을 수 있는 새로운 형태의 이온 주입 설비의 이온 소스부(ion source section)를 제시하고 있다.
텅스텐을 소재로 사용하여 챔버 몸체를 제작할 때 발생하는 비용 등의 여러 문제점을 해결하기 위해, 텅스텐 소재로 부품 전체를 제작하는 대신에, 상대적으로 가공이 쉬운 특정의 금속 모재로 원하는 부품 형상을 제작한 뒤 챔버 몸체의 내측 면이 되는 금속 모재 표면에 텅스텐을 박막 증착하여 코팅하는 기술이 사용되어지고 있다.
그러나, 챔버 몸체의 내부 온도가 900℃ 이상으로 상승하고 이온들이 챔버 몸체의 내벽을 계속해서 때리는 상태에서, 금속 모재를 사용한 챔버 몸체의 경우 열을 방출하는데 매우 불리하고, 금속 모재가 도전성이므로 불순물이 쉽게 박히면서 챔버 몸체의 내벽이 오염되거나 파이는 현상이 발생한다. 특히, 온도 과열시에는 내부 물질들이 버텨내는 한계점에 도달하므로 부품의 손상을 초래하게 된다.
또한, 텅스텐을 소재로 사용하여 챔버 몸체를 제작할 때 발생하는 비용 등의 여러 가지 문제점을 해결하면서 텅스텐 증착 박막의 얇아서 발생하는 내구성 감소를 해결하기 위한 다른 방법으로, 상대적으로 무게가 가벼운 그라파이트(Graphite)등의 탄소 소재를 모재로 하여 가공하고, 이 위에 텅스텐을 코팅하는 방법이 제시 되고 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-0853404호에 따르면, 그라파이트(Graphite) 등의 탄소소재 위에 텅스텐을 코팅한 부품을 사용하는 것을 특징으로 하는 이온 주입장치에 대하여 기술하고 있다. 이 발명에 의하면, 탄소소재위에 100~1000㎛의 두께로 텅스텐을 코팅하여 사용하는데, 이러한 후막의 코팅 방법으로는 플라즈마 용사 코팅을 제시하고 있다.
플라즈마 용사 코팅은 세라믹 분말을 플라즈마를 형성하는 가스와 함께 피코팅물의 표면에 분사하여 코팅층을 형성하는 것이다. 이때 플라즈마 가스의 온도는 20,000℃에 이르는 고온이 되어 순간적으로 세라믹 분말을 녹인다. 이렇게 녹은 입자들이 피코팅물에 부착되면, 응고 과정을 거쳐 코팅층이 형성된다.
그러나, 이러한 고온 과정에서 피코팅물도 고온에 노출되며, 냉각 후에 코팅층과 피코팅물의 계면에 큰 잔류 응력이 존재하게 되며, 이로 인하여 미세 균열이 발생하여 고에너지에서 견디는 내구성을 요구하는 경우, 이로 인해 내구성이 저하될 수 있으며, 또한 코팅을 위한 고가의 장비와 고가의 원료 분말을 사용해야 한다는 단점이 있다.
더구나, 이온 임플란트 장치의 경우 이온 빔이 슬릿을 통해 방출되는데, 탄소 소재와 텅스텐 소재의 열팽창계수의 차이로 인하여, 고온의 공정에서 사용시에 하중과 함께 열로 인한 변형이 발생하여 이온 방출 위치가 틀어지고, 장비 전체의 틀어짐 발생으로 정밀한 이온 주입 공정이 불가능해질 뿐만 아니라, 탄소층과 텅스텐 코팅층과의 계면에서 박리가 일어나서 이물질 파티클이 발생하고, 따라서 반도 체 생산시 불량 위험이 있으며, 반도체 장비의 내구성 저하 우려가 있다.
대한민국 등록특허공보 제10-0801913호에서 일본의 하라다 요시오 등은 내플라즈마 부식성이 우수한 용사 피막 피복 부재와 그 제조방법에 대하여 기술하고 있다. 이에 의하면, 할로겐화합물을 포함한 부식환경에서 손상이 적게 하기 위하여, Al2O3, Y2O3 등으로 이루어지는 용사 피막의 표면의 최표층부를 피막 표면 높이 방향의 조도 곡선의 중심부보다 상부에 위치하는 바늘 형상 볼록부만이 전자빔 조사에 수반하는 용융-응고에 의해, 사다리꼴 형상 볼록부로 변화한 전자빔 조사층으로 하여, 파티클 등의 부착, 퇴적 특성이 우수하고, 그 재비산을 유효하게 방지할 수 있고, 내플라즈마 특성이 우수한 부재를 만들 수 있다고 한다. 그러나, 50~2000㎛ 정도의 플라즈마 용사층 위에 이의 단점을 극복하기 위하여 다시 전자빔에 의한 코팅층을 형성함으로써, 장비의 비용이 더욱 상승하며, 공정이 더욱 복잡해지는 단점이 있다.
미국 특허등록공보 US7,276,193 B2에 의하면, 일본의 아케도 등은 에어로졸 증착법(Aerosol deposition)을 제시하고 있다. 그러나, 에어로졸 증착법을 이용하여 텅스텐 코팅층을 형성할 경우 기존의 플라즈마 용사법에 비하여 성막 속도가 느려서 후막을 이루는데 많은 시간이 소요되고, 또한 기재 위에 텅스텐을 직접 후막 코팅할 경우, 열팽창계수의 차이로 인하여 크랙이 발생하기 쉽고, 특히 반도체 공정 중의 온도에서 사용시 크랙이 발생하면 이로 인한 부식성 가스의 침식으로 인해 이물질 파티클이 발생하고, 따라서 반도체 생산시 불량 위험이 있으며, 반도체 장 비의 내구성 저하 우려가 있다.
본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 저가인 스테인레스 스틸을 기재로 하고, 그 위에 열충격 저항성을 높이기 위하여 세라믹 버퍼층이 형성되며, 이온 주입 공정에서의 높은 에너지에 견딜 수 있도록 텅스텐이 코팅됨으로써, 부품의 형상에 따른 가공성이 우수하면서도 경제적이고 열충격에 강하며 내구성이 우수한 이온 임플란트 장치용 부품과 그 제조방법 및 상기 부품을 사용한 이온 임플란트 장치를 제공함에 있다.
본 발명은, 소스 헤드 어셈블리와 매니퓰레이터 어셈블리를 포함하는 이온 임플란트 장치에서, 아크 챔버의 챔버 몸체를 구성하면서 이온 빔 생성 공간을 형성하는 바닥부재, 측면부재 또는 상면부재를 이루거나 상기 매니퓰레이터 어셈블리의 서프레션 전극을 이루는 부품으로서, 스테인레스 스틸로 이루어진 기재; 상기 기재의 표면 상에 형성되고 1~100㎛의 두께를 갖는 세라믹 버퍼층; 및 상기 세라믹 버퍼층 상에 형성된 100~500㎛ 두께의 텅스텐 코팅층을 포함하며, 상기 세라믹 버퍼층은 금속산화물, 금속탄화물 및 금속질화물 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 세라믹으로 이루어진 이온 임플란트 장치용 부품을 제공한다.
상기 세라믹 버퍼층 은 치밀도가 90%보다 높거나 같고, 상기 금속산화물은 Al2O3, ZrO2 또는 Y2O3이고, 상기 금속탄화물은 TiC 또는 SiC이고, 상기 금속질화물은 AlN 또는 Si3N4일 수 있다.
또한, 본 발명은, 소스 헤드 어셈블리와 매니퓰레이터 어셈블리를 포함하는 이온 임플란트 장치에서, 아크 챔버의 챔버 몸체를 구성하면서 이온 빔 생성 공간을 형성하는 바닥부재, 측면부재 또는 상면부재를 이루거나 상기 매니퓰레이터 어셈블리의 서프레션 전극을 이루는 부품을 제조함에 있어서, 스테인레스 스틸로 이루어진 기재를 준비하는 단계와, 상기 기재의 표면에 있는 유지 성분 또는 불순물을 제거하기 위하여 탈지 처리하는 단계와, 상기 기재 상에 아크 플라즈마 아노다이징법 또는 에어로졸 성막법을 이용하여 1~100㎛의 두께를 갖는 세라믹 버퍼층을 형성하는 단계와, 상기 세라믹 버퍼층 상에 100~500㎛ 두께의 텅스텐 코팅층을 형성하는 단계를 포함하며, 상기 세라믹 버퍼층은 금속산화물, 금속탄화물 및 금속질화물 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 세라믹으로 형성하는 이온 임플란트 장치용 부품의 제조방법을 제공한다.
상기 이온 임플란트 장치용 부품의 제조방법에서, 상기 금속산화물은 Al2O3, ZrO2 또는 Y2O3이고, 상기 금속탄화물은 TiC 또는 SiC이고, 상기 금속질화물은 AlN 또는 Si3N4일 수 있다.
또한, 본 발명은 상기 이온 임플란트 장치용 부품을 사용한 이온 임플란트 장치를 제공한다.
본 발명에 따라 스테인레스 스틸로 이루어진 기재 상에 중간층인 세라믹 버퍼층을 형성하고 그 위에 텅스텐을 코팅하여 이온 임플란트 장치용 부품을 제조하면, 정밀하게 제어된 중간층의 형성으로 인하여 반도체 공정 중의 온도영역에서 열충격에 대한 저항성이 크고, 또한 치밀한 세라믹 버퍼층이 형성됨으로 인해 열팽창계수의 차이에 의한 균열이나 박리도 감소하므로 이온 임플란트 장치의 부품으로서 매우 유용하다.
이온 빔을 생성시켜 주기 위한 소스 헤드 어셈블리와 매니퓰레이터 어셈블리를 포함하는 이온 임플란트 장치에서, 상기 소스 헤드 어셈블리에서 이온 빔이 생성되는 아크 챔버의 챔버 몸체를 구성하면서 이온 빔 생성 공간을 형성하는 바닥부재, 측면부재 또는 상면부재를 이루거나 상기 매니퓰레이터 어셈블리의 서프레션 전극을 이루는 부품으로 본 발명에 의하여 제조한 이온 임플란트 장치용 부품을 사용함으로써, 여러 가지 형상으로 용이하게 가공할 수 있고, 제작 단가를 절감할 수 있으므로 경제적으로도 매우 유용하다.
본 발명의 이온 임플란트 장치용 부품은 높은 에너지가 존재하고 있는 이온 주입 공정에서도 내플라즈마 저항성이 뛰어날 뿐만 아니라 열충격에 강하여 크랙(crack) 발생을 최소화할 수 있으므로 이온 임플란트 장치의 수명을 증가시키며, 이온 임플란트 장치의 보수로 인한 시간과 비용을 절감할 수 있어 경제성이 있다. 본 발명의 이온 임플란트 장치용 부품을 사용하게 되면, 이온 임플란트 장치의 내 구성이 증가할 뿐만 아니라, 이온 임플란트 장치의 보수와 유지에 소요되는 시간이 짧아지고 횟수도 줄어들어 제조 단가를 낮출 수 있는 장점이 있다.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명하기로 한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. 도면상에서 동일 부호는 동일한 요소를 지칭한다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온 임플란트 장치용 부품을 설명하기 위하여 도시한 단면도이다.
본 발명의 이온 임플란트 장치용 부품은 아크 챔버의 챔버 몸체에서 이온 빔이 발생하는 공간을 형성하는 바닥부재, 측면부재 또는 슬릿이 형성된 상면부재를 이루는 부품이거나, 매니퓰레이터 어셈블리의 서프레션 전극을 이루는 부품일 수 있다.
도 2를 참조하면, 본 발명의 이온 임플란트 장치용 부품은 스테인레스 스틸로 이루어진 기재(110) 위에 아크 플라즈마 아노다이징(Arc Plasma Anodizing; APA)법 또는 에어로졸 성막법(aerosol deposition method) 등의 방법으로 성막한 세라믹 버퍼층(120)을 포함한다. 이러한 세라믹 버퍼층(120)은 열충격성이 강하면 서도 이온 플라즈마 내성을 향상시키기 위하여 Al2O3, ZrO2, Y2O3 등의 금속산화물, TiC, SiC 등의 금속탄화물 및 AlN, Si3N4 등의 금속질화물 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질로 이루어질 수 있다. 상기 세라믹 버퍼층(120)은 치밀도가 적어도 90%이고 두께가 1~100㎛ 범위인 것이 바람직하다. 상기 세라믹 버퍼층(120) 상에는 텅스텐 코팅층(130)이 형성된다. 텅스텐 코팅층(130)은 100~500㎛ 정도의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
스테인레스 스틸 기재(110)와의 접착성이 우수한 세라믹 버퍼층(120)을 형성한 다음 텅스텐 코팅층(130)을 형성하게 되면, 기재(110) 상에 바로 텅스텐 코팅층(130)을 형성한 경우에 비하여 기재(110)와 세라믹 버퍼층(120) 간의 접착력이 증가되며, 세라믹 버퍼층(120)과 텅스텐 코팅층(130)은 정합성이 우수하고 열팽창 계수가 비슷하여 계면에 잔류 응력이 거의 발생하지 않아 미세 균열 또는 박리가 발생하는 종래의 문제를 해결할 수 있을 뿐만 아니라 내구성이 우수하게 되는 장점이 있다.
이하에서, 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온 임플란트 장치용 부품의 제조방법을 더욱 구체적으로 설명한다.
스테인레스 스틸로 이루어진 기재(110)를 이소프로필알콜과 같은 물질로 탈지(grease removing)한 후, 건조한다. 기재(110)의 표면에 유지(grease) 성분 또는 불순물들이 잔류할 경우, 균일한 두께의 세라믹 버퍼층(120)이 형성될 수 없고 기재(110)와 세라믹 버퍼층(120) 간의 접착력을 떨어뜨리는 원인이 되므로 이를 제거 하기 위한 탈지 공정을 수행한다.
탈지된 기재(110) 표면 상에 아크 플라즈마 아노다이징(Arc Plasma Anodizing; APA)법 또는 에어로졸 성막법을 이용하여 세라믹 버퍼층(120)을 형성한다. 세라믹 버퍼층(120)은 기재(110)와 텅스텐 코팅층(130) 사이를 버퍼링하는 역할과 함께 텅스텐 코팅층(130)과 정합되어 코팅이 잘 되게 하는 역할을 한다. 세라믹 버퍼층(120)은 열충격성이 강하면서도 이온 플라즈마 내성을 향상시키기 위하여 Al2O3, ZrO2, Y2O3 등의 금속산화물, TiC, SiC 등의 금속탄화물 및 AlN, Si3N4 등의 금속질화물 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질로 형성한다. 세라믹 버퍼층(120)은 텅스텐 코팅층(130)과의 접착성, 내부식성, 내열충격성 등을 고려하여 1~100㎛ 정도의 두께로 형성하는 것이 바람직하다.
이하에서, 아크 플라즈마 아노다이징법을 이용하여 세라믹 버퍼층(120)을 형성하는 방법을 설명한다. 도 3은 아크 플라즈마 아노다이징 장비를 개략적으로 도시한 도면이다.
도 3을 참조하면, 아크 플라즈마 아노다이징 장비는, 전해조(electrochemical bath)(210)와, 양전압이 인가되고 세라믹 버퍼층(120)이 형성되는 전극(230)과, 전해조(210) 내에 담겨지는 전해액(220)과, 전해액(220)에 전압을 공급하기 위한 전원 공급수단(power supply)(240)과, 전극(230)에 교류 전원을 인가하기 위한 교류전원 공급수단(250)과, 전해조(210) 하부에 설치되고 전해액(220)에 기포를 발생하기 위한 기포발생장치(260)를 포함한다. 또한, 전해 조(210) 내의 온도를 일정하게 유지하기 위한 핫플레이트(Hot Plate)와 같은 온도 조절 수단(270)이 설치되어 있을 수도 있다.
전극(230)으로는 스테인레스 스틸로 이루어진 기재(110)를 사용한다. 전극(230)은 전해액(220) 속에 잠길 수 있도록 설치된다. 전해액(220)으로는 과산화수소, 인산나트륨, 규산나트륨, 수산화칼륨 또는 이들의 혼합액을 사용할 수 있다. 상기 전해액(220)은 10~50℃의 온도를 유지하는 것이 바람직하다.
상기와 같이 구성된 전해액(220) 속에 기재(110)를 담근 후, 기재(110)로 이루어진 전극(230)에 50~200Hz 정도의 교류 전원을 인가하면서 전해액(220)에 100~1000V의 전압과 30~200A의 전류를 인가한다. 이때 기포발생장치(260)를 작동시켜 전해액(220) 속에 기포를 발생시킨다. 교류 전원에 의한 플라즈마 아크 발생에 의해 상기 기포는 전극(230)과 산화 반응하여 전극(230)의 표면에는 세라믹 버퍼층(120)이 형성된다.
이하에서, 에어로졸 성막법을 이용하여 세라믹 버퍼층(120)을 형성하는 방법을 설명한다.
세라믹 버퍼층(120)으로 사용하기 위한 세라믹 분말은 평균 입경이 500㎚보다 작은 결정질 입자들 또는 결정질 입자와 비정질 입자가 뭉쳐진 입자들로 구성되고, 평균 입경이 500㎚보다 작은 결정질 입자들 또는 상기 결정질 입자와 비정질 입자가 뭉쳐진 입자들의 평균 입도가 0.5~5㎛인 것을 기재(110)에 기계적 충격을 가하면서 분사하여, 치밀도가 적어도 90%이고 두께가 1~100㎛ 범위의 세라믹 버퍼층(120)을 형성한다. 상기 세라믹 분말로는 기재(110)인 스테인레스 스틸과 표면층 인 텅스텐 코팅층(130)과의 정합성이 우수한 Al2O3, ZrO2, Y2O3 등의 금속산화물, TiC, SiC 등의 금속탄화물 및 AlN, Si3N4 등의 금속질화물 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 물질을 사용할 수 있다.
에어로졸 성막법을 이용하여 세라믹 버퍼층(120)을 형성하는 방법을 더욱 구체적으로 설명하면, 상기의 세라믹 분말 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 분말을 볼밀링기 등을 이용하여 미세 크기의 입자로 분쇄한 후, 에어로졸 분사용 챔버에 장입한다.
에어로졸 분사용 챔버에 연결된 가스주입구를 통해 질량유량계(mass flow controller; MFC)를 사용하여 헬륨(He)과 같은 분사 가스를 주입하여 에어로졸을 형성하고, 진공 챔버 안에 장입된 기재(110)를 향하여 노즐을 통해 분사를 하여 세라믹 버퍼층(120)을 형성한다.
노즐을 통해 기재에 분사된 에어로졸은 충격에 의하여 고화되면서 성막되어 세라믹 버퍼층(120)을 형성하게 된다. 노즐과 기재 사이의 거리는 5∼30㎜ 정도인 것이 바람직하다.
에어로졸을 분사하는 노즐은 고정되어 있으므로 일정한 방향으로 에어로졸이 분사되게 되므로 세라믹 버퍼층(120)을 형성하고자 하는 면적(또는 기재의 크기)에 따라 기재를 좌우 또는 상하로 이동하면서 스캐닝(scanning) 되게 하여 성막 동안에 전체 면적에 걸쳐 균일한 두께로 성막이 이루어지게 할 수 있다. 기재(110)의 스캔 속도는 균일한 두께의 성막을 유도하기 위하여 0.5∼30㎝/min 정도인 것이 바 람직하다.
성막 속도는 균일한 두께의 성막을 유도하고 원하는 두께의 세라믹 버퍼층(120)를 형성하기 위하여 0.5∼10㎛/min 정도인 것이 바람직하며, 성막은 비교적 낮은 온도 영역(예컨대, 10∼400℃)에서 실시할 수 있다.
분사에 의한 충격에 의해 형성된 세라믹 버퍼층(120)은 치밀화가 우수하여 치밀도가 90% 이상을 이룬다.
상술한 방법을 이용하여 형성된 세라믹 버퍼층(120) 상에 내열충격성, 내구성 또는 내이온 플라즈마 특성이 있는 텅스텐 소재를 코팅하여 텅스텐 코팅층(130)을 형성한다. 이때의 텅스텐을 코팅하는 방법으로는 플라즈마 용사법이나 에어로졸 성막법 등과 같이 일반적으로 잘 알려진 방법을 사용하여 형성할 수 있다.
플라즈마 용사 코팅은 텅스텐 분말을 플라즈마를 형성하는 가스와 함께 세라믹 버퍼층(120)의 표면에 분사하여 코팅층을 형성하는 것이다. 이때 플라즈마 가스의 온도는 15,000∼25,000℃에 이르는 고온이 되어 순간적으로 텅스텐 분말을 녹인다. 이렇게 녹은 입자들이 세라믹 버퍼층(120)에 부착되면, 응고 과정을 거쳐 텅스텐 코팅층(130)이 형성된다.
에어로졸 성막법을 이용하여 텅스텐 코팅층(130)을 형성하는 방법은 세라믹 버퍼층(120)을 형성하는 경우에 유사하므로 이에 대한 자세한 설명은 생략한다.
본 발명은 하기의 실시예를 참고로 더욱 상세히 설명되며, 이 실시예가 본 발명을 제한하는 것은 아니다.
<실시예>
스테인레스 스틸(30㎜×30㎜×30㎜)을 기재로 하고, 이소프로필알콜로 탈지(grease removing)한 후, 진공건조기 안에 넣어 약 60℃의 온도로 3시간 동안 충분히 건조하였다. 상기 스테인레스 스틸 기재는 포스코(POSCO) 특수강의 STS 316L(18% Cr, 15% Ni, 3% Mo, 0.03% C) 제품을 사용하였다.
평균 입경 5㎛의 AlN 분말을 지르코니아 볼과 함께 볼밀링기(ball milling machine)에 넣고 24시간 동안 분쇄 및 분산시킨 다음, 진공건조기에서 12시간 건조하였고, 이때의 입경은 0.3㎛ 이었다.
이렇게 하여 준비된 AlN 분말을 에어로졸 분사용 챔버에 넣었다. 상기 챔버에 연결된 가스주입구를 통해 질량유량계(mass flow controller; MFC)를 사용하여 6ℓ/min의 유량으로 헬륨(He) 가스를 주입하여 에어로졸을 형성하고, 진공 챔버 안에 장입된 기재를 향하여 노즐을 통해 에어로졸을 분사하여 성막을 행하였다. 이때 진공도는 약 5torr 였고, 노즐과 기판 사이의 거리는 10㎜ 였다. 약 10분 동안 성막을 실시한 후 형성된 코팅 두께를 측정한 결과, 두께는 약 9㎛이었고, 치밀도는 95%인 치밀한 AlN 세라믹 버퍼층을 얻을 수 있었다.
상기의 세라믹이 코팅된 시편을 플라즈마 용사 챔버에 장입하여, 텅스텐 분말을 사용하여 약 15,000℃의 온도로 플라즈마 용사 코팅을 행하였다. 이때의 텅스텐 코팅층은 약 300㎛ 이었다.
열충격 테스트를 위하여 전기로에서 500℃ 까지 10℃/min의 속도로 승온한 후, 급냉하는 방법을 5회 실시한 다음, 광학현미경으로 표면 관찰한 결과 균열이 없는 치밀한 막이 형성된 것을 확인할 수 있었다.
<비교예>
실시예에서 사용한 것과 같은 스테인레스 스틸 대신에 그라파이트를 기재로 하고, 이소프로필알콜로 탈지를 한 후, 진공건조기 안에 넣어 약 60℃의 온도로 3시간 동안 충분히 건조하였다.
실시예에서 행한 세라믹 버퍼층의 도입이 없이 바로 플라즈마 용사 챔버에 넣고 15,000℃의 온도로 텅스텐을 300㎛의 두께로 코팅하였다.
상기 실시예에서와 동일하게 열충격 테스트를 실시한 후, 광학현미경으로 표면을 관찰하였는데, 표면에 균열이 생긴 것이 관찰되었다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.
도 1은 이온 임플란트 장치의 아크 챔버를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 이온 임플란트 장치용 부품을 설명하기 위하여 도시한 단면도이다.
도 3은 아크 플라즈마 아노다이징 장비를 개략적으로 도시한 도면이다.
<도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명>
110: 스테인레스 스틸로 이루어진 기재
120: 세라믹 버퍼층 130: 텅스텐 코팅층
210: 전해조 220: 전해액
230: 전극 240: 교류전원 공급수단
250: 전원 공급수단 260: 기포발생장치
270: 온도 조절 수단
Claims (5)
- 소스 헤드 어셈블리와 매니퓰레이터 어셈블리를 포함하는 이온 임플란트 장치에서, 아크 챔버의 챔버 몸체를 구성하면서 이온 빔 생성 공간을 형성하는 바닥부재, 측면부재 또는 상면부재를 이루거나 상기 매니퓰레이터 어셈블리의 서프레션 전극을 이루는 부품으로서,스테인레스 스틸로 이루어진 기재;상기 기재의 표면 상에 형성되고 1~100㎛의 두께를 갖는 세라믹 버퍼층; 및상기 세라믹 버퍼층 상에 형성된 100~500㎛ 두께의 텅스텐 코팅층을 포함하며,상기 세라믹 버퍼층은 금속산화물, 금속탄화물 및 금속질화물 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 세라믹으로 이루어진 것을 특징으로 하는 이온 임플란트 장치용 부품.
- 제1항에 있어서, 상기 금속산화물은 Al2O3, ZrO2 또는 Y2O3이고, 상기 금속탄화물은 TiC 또는 SiC이고, 상기 금속질화물은 AlN 또는 Si3N4인 것을 특징으로 하는 이온 임플란트 장치용 부품.
- 소스 헤드 어셈블리와 매니퓰레이터 어셈블리를 포함하는 이온 임플란트 장치에서, 아크 챔버의 챔버 몸체를 구성하면서 이온 빔 생성 공간을 형성하는 바닥부재, 측면부재 또는 상면부재를 이루거나 상기 매니퓰레이터 어셈블리의 서프레션 전극을 이루는 부품을 제조함에 있어서,스테인레스 스틸로 이루어진 기재를 준비하는 단계;상기 기재의 표면에 있는 유지 성분 또는 불순물을 제거하기 위하여 탈지 처리하는 단계;상기 기재 상에 아크 플라즈마 아노다이징법 또는 에어로졸 성막법을 이용하여 1~100㎛의 두께를 갖는 세라믹 버퍼층을 형성하는 단계;상기 세라믹 버퍼층 상에 100~500㎛ 두께의 텅스텐 코팅층을 형성하는 단계를 포함하며,상기 세라믹 버퍼층은 금속산화물, 금속탄화물 및 금속질화물 중에서 선택된 적어도 하나 이상의 세라믹으로 형성하는 것을 특징으로 하는 이온 임플란트 장치용 부품의 제조방법.
- 제3항에 있어서, 상기 금속산화물은 Al2O3, ZrO2 또는 Y2O3이고, 상기 금속탄화물은 TiC 또는 SiC이고, 상기 금속질화물은 AlN 또는 Si3N4인 것을 특징으로 하는 이온 임플란트 장치용 부품의 제조방법.
- 제1항 또는 제2항에 기재된 이온 임플란트 장치용 부품을 사용한 이온 임플란트 장치.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020090020041A KR20100101721A (ko) | 2009-03-10 | 2009-03-10 | 이온 임플란트 장치용 부품과 그 제조방법 및 상기 부품을 사용한 이온 임플란트 장치 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| KR1020090020041A KR20100101721A (ko) | 2009-03-10 | 2009-03-10 | 이온 임플란트 장치용 부품과 그 제조방법 및 상기 부품을 사용한 이온 임플란트 장치 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| KR20100101721A true KR20100101721A (ko) | 2010-09-20 |
Family
ID=43007064
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| KR1020090020041A KR20100101721A (ko) | 2009-03-10 | 2009-03-10 | 이온 임플란트 장치용 부품과 그 제조방법 및 상기 부품을 사용한 이온 임플란트 장치 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| KR (1) | KR20100101721A (ko) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101132720B1 (ko) * | 2010-12-27 | 2012-04-19 | 주식회사성심 | 텅스텐 코팅 라이너 및 이를 이용한 이온주입장치의 아크 챔버 |
-
2009
- 2009-03-10 KR KR1020090020041A patent/KR20100101721A/ko not_active Application Discontinuation
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101132720B1 (ko) * | 2010-12-27 | 2012-04-19 | 주식회사성심 | 텅스텐 코팅 라이너 및 이를 이용한 이온주입장치의 아크 챔버 |
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