KR20180101670A - 에어로졸 증착 장치 및 에어로졸 증착 방법 - Google Patents

에어로졸 증착 장치 및 에어로졸 증착 방법 Download PDF

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Abstract

에어로졸 증착 장치가 개시된다. 에어로졸 증착 장치는 기재가 놓이는 지지 유닛, 외부로부터 공급된 에어로졸 형태의 증착 물질을 상기 기재를 향해 분사하는 분사 노즐 및 상기 분사 노즐의 일 측에 배치되어 상기 기재를 향해 에너지를 공급하는 에너지 공급 유닛을 포함한다.

Description

에어로졸 증착 장치 및 에어로졸 증착 방법{AEROSOL DEPOSITION APPARATUS AND AEROSOL DEPOSITION METHOD}
본 발명은 기재에 막을 증착하는 장치 및 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 에어로졸 형태로 기재 상에 증착 물질을 분사하여 코팅막을 증착하는 증착 장치 및 방법에 관한 것이다.
에어로졸 증착(aerosol deposition)은 미립자, 초미립자 원료를 가스와 혼합하여 에어로졸화한 후 노즐을 통하여 기판에 분사시켜 피막을 성형시키는 기술에 해당한다.
에어로졸 증착 과정에서, 운송가스(carrier gas)에 의해 가속된 원료입자의 운동에너지는 기판에 충돌하여 국소적으로 열에너지로 변환되어 기판입자 간 또는 입자끼리의 결합을 만들어준다.
최근에는 세라믹 원료 분말의 입자 크기와 기계적 특성을 조정하여 에어로졸 증착에 필요한 피막의 성형조건을 적절하게 선정함으로써 밀도가 높고 투명한 세라믹 피막을 상온에서 고속 성형하는 상온충격고화현상(Room Temperature Impact Consolidation) 기술이 개발되었다. 에어로졸 증착법을 이용하여 상온충격고화로 성형시킨 세라믹 피막의 미세구조를 보면, 실온에서 10~20㎚ 이하의 무배향 미세결정으로 구성된 치밀한 피막층을 나타내며 결정립자 사이에 비정질층 등은 거의 보이지 않는다. 10㎚ 이하의 미세결정 내에서도 격자상이 명확하게 확인되며 피막계 면에서 피막표면까지의 내부조직도 균일한 구조를 갖는다.
특히, 에어로졸 증착은 종래의 박막공정과 비교하여, 실온에서 점결제를 사용하지 않고도 치밀하게 피막을 성형할 수 있고, 종래의 피막의 성형속도(0.01~0.05㎛/min)에 비해 빠른 성형속도(5~50㎛/min)를 나타내며, 증기압이 크게 다른 복잡한 조성계에 대하여 사용분말과 동일한 조성과 결정구조를 갖는 피막을 성형할 수 있다. 또한, 에어로졸 증착은 0.5㎛~1㎜ 범위의 광범위한 피막 두께를 얻을 수 있고, 피막의 에칭가공을 하지 않고도 직접 묘화, 마스크법 등에 의해 미세 패턴을 얻을 수 있으며, 저진공(수백Pa~대기압)에서 피막을 성형할 수 있다.
종래의 에어로졸 증착 방법은 초음속으로 에어로졸을 분사하여 기재에 균일하게 에어로졸을 증착할 수 있었다. 그러나 종래의 에어로졸 증착 방법은 기재에 증착된 에어로졸의 두께가 약 10μm로 제한되는 문제가 있었다.
본 발명의 목적은 에너지를 공급하여 에어로졸 코팅막의 두께를 증가시키고 기재에 대한 에어로졸 코팅막의 증착력을 향상시킬 수 있는 에어로졸 증착 장치 및 에어로졸 증착 방법을 제공함에 있다.
이상과 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 에어로졸 증착 장치는, 기재(substrate)가 놓이는 지지 유닛, 외부로부터 공급된 에어로졸(Aerosol) 형태의 증착 물질을 상기 기재를 향해 분사하는 분사 노즐 및 상기 분사 노즐의 일 측에 배치되어 상기 기재를 향해 열 에너지를 공급하는 에너지 공급 유닛을 포함한다.
여기서, 에어로졸 증착 장치는, 상기 지지 유닛과 상기 분사 노즐 및 상기 에너지 공급 유닛의 상대 위치가 변경되도록 상기 지지 유닛 또는 상기 분사 노즐 및 상기 에너지 공급 유닛을 이동시키는 이동 유닛 및 상기 기재에서 상기 증착 물질 및 상기 열 에너지가 공급되는 영역이 변경되도록 상기 이동 유닛을 제어하는 제어기를 더 포함할 수 있다.
여기서, 상기 에너지 공급 유닛은, 상기 기재를 향해 레이저를 조사하는 레이저 유닛일 수 있다.
여기서, 상기 제어기는, 상기 기재에서 상기 열 에너지가 공급된 영역에 상기 에어로졸 형태의 증착 물질이 분사되도록 상기 이동 유닛을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어기는, 상기 기재에서 상기 에어로졸 형태의 증착 물질이 분사된 영역에 상기 열 에너지가 공급되도록 상기 이동 유닛을 제어할 수 있다.
또한, 상기 제어기는, 상기 기재에서 동일한 영역으로 상기 열 에너지 및 상기 에어로졸 형태의 증착 물질이 동시에 제공되도록 상기 이동 유닛을 제어할 수 있다.
또한, 상기 레이저 유닛은, 상기 레이저가 상기 기재의 표면에 대하여 경사지게 조사되도록 배치될 수 있다.
또한, 상기 제어기는, 상기 기재의 표면에 레이저를 먼저 조사하고, 이후에 상기 기재에 상기 에어로졸 형태의 증착 물질을 분사할 수 있다.
여기서, 상기 제어기는, 상기 제어기는, 상기 기재의 표면에 상기 레이저를 먼저 조사하고, 이후에 상기 기재에 상기 에어로졸 형태의 증착 물질을 분사하고, 이후에 상기 증착 물질이 증착된 기재의 표면에 상기 레이저를 조사하고, 이후에 상기 기재의 표면에 상기 에어로졸 형태의 증착 물질을 반복해서 분사할 수 있다.
또한, 상기 레이저 유닛은, 그린 레이저를 조사하는 레이저일 수 있다.
또한, 에어로졸 증착 장치는, 상기 분사 노즐 및 상기 에너지 공급 유닛을 지지하는 지지 암, 상기 지지 암을 이동시키는 이동 유닛 및 상기 기재에서 상기 증착 물질 및 상기 에너지가 공급되는 영역이 변경되도록 상기 이동 유닛을 제어하는 제어기를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 에너지 공급 유닛은, 상기 기재를 향해 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 유닛, 열을 발생시키는 열 생성 유닛 및 전자빔(e-beam)을 조사하는 전자빔 유닛 중 적어도 하나를 포함할 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어로졸 증착 방법은, 기재 상에 에어로졸 형태의 증착 물질을 분사하는 단계 및 상기 기재 상에 열 에너지를 공급하는 단계를 포함한다.
여기서, 공급하는 단계는, 상기 기재 상에 레이저를 조사하여 상기 열 에너지를 공급할 수 있다.
여기서, 상기 분사하는 단계는, 상기 기재 상에서 상기 레이저가 조사된 영역에 상기 에어로졸 형태의 증착 물질을 분사할 수 있다.
또한, 상기 공급하는 단계는, 상기 기재 상에서 상기 에어로졸 형태의 증착 물질이 분사된 영역에 상기 레이저를 조사할 수 있다.
또한, 상기 분사하는 단계 및 상기 조사하는 단계는, 상기 기재 상에서 동일한 영역으로 상기 레이저 및 상기 에어로졸 형태의 증착 물질이 동시에 제공되도록 할 수 있다.
또한, 상기 기재는, 플라즈마 처리 장치 내에서 플라즈마에 노출되는 부품일 수 있다.
여기서, 상기 기재는, 유전판, 샤워헤드, 정전척, 배기플레이트, 챔버 내벽 및 라이너 중 적어도 하나일 수 있다.
또한, 상기 기재는, 세라믹 재질이고, 상기 에어로졸 형태의 증착 물질은, 산화 알루미늄(Al2O3), 산화 이트륨(Y2O3), 산화 에르븀(Er2O3), 산화 가돌리늄(Gd2O3), 산화 란타넘(La2O3), 산화 네오디뮴(Nd2O3), 산화 플루오르 이트륨(YOF) 및 플루오르 화이트륨(YF3) 중 적어도 하나를 포함하는 세라믹 물질일 수 있다.
여기서, 상기 기재는, 알루미늄(Al), 양극산화 알루미늄(Anodized Al) 및 산화 알루미늄(Al2O3) 중 적어도 하나를 포함하는 재질일 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 기재 상에 코팅막을 증착하는 방법은, 상기 기재 상에 증착 물질이 분사되는 영역을 이동시키면서 상기 기재에 에어로졸 형태의 증착 물질을 분사하여, 상기 기재에 코팅막을 형성하는 코팅 단계를 복수 회 반복하여 수행하되, 인접하는 상기 코팅 단계 사이에 상기 기재 상에 증착된 상기 증착 물질에 열 에너지를 인가하여 상기 증착 물질에 잔류하는 응력을 제거하는 단계를 포함한다.
여기서, 본 에어로졸 증착 방법은, 상기 복수의 코팅 단계들 중 최초의 코팅 단계 전에 상기 기재의 표면에 열 에너지를 인가하여 상기 기재의 표면의 성질을 변경하는 개질 단계를 더 포함할 수 있다.
또한, 상기 열 에너지는, 레이저일 수 있다.
또한, 상기 열 에너지는, 플라즈마, 열 및 전자빔 중 어느 하나일 수 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 레이저를 포함하는 에어로졸 증착 장치를 이용하여 기재상의 에어로졸 코팅막의 두께를 증가시키고 기재에 대한 에어로졸 코팅막의 증착력을 향상시킬 수 있다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어로졸 증착 시스템을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어로졸 증착 장치를 나타내는 도면이다.
도 3 내지 도 10은 본 발명의 다양한 실시 예에 따른 에어로졸 증착 방법을 설명하기 위한 도면이다.
본 발명의 다른 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술 되는 실시 예를 참조하면 명확해질 것이다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 수 있으며, 단지 본 실시 예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하고, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이며, 본 발명은 청구항의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
만일 정의되지 않더라도, 여기서 사용되는 모든 용어들(기술 혹은 과학 용어들을 포함)은 이 발명이 속한 종래 기술에서 보편적 기술에 의해 일반적으로 수용되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적인 사전들에 의해 정의된 용어들은 관련된 기술 그리고/혹은 본 출원의 본문에 의미하는 것과 동일한 의미를 갖는 것으로 해석될 수 있고, 그리고 여기서 명확하게 정의된 표현이 아니더라도 개념화되거나 혹은 과도하게 형식적으로 해석되지 않을 것이다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시 예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다' 및/또는 이 동사의 다양한 활용형들 예를 들어, '포함', '포함하는', '포함하고', '포함하며' 등은 언급된 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자는 하나 이상의 다른 조성, 성분, 구성요소, 단계, 동작 및/또는 소자의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어로졸 증착 시스템을 나타내는 도면이다.
도 1을 참조하면, 에어로졸 증착 시스템(100)은 가스 공급원(110), 에어로졸 생성 장치(120), 에어로졸 증착 장치(130) 및 펌프(140)를 포함한다. 여기서, 원가스 공급(110), 에어로졸 생성장치(120), 에어로졸 증착 장치(130) 및 펌프(140)는 수송관에 의해 연결될 수 있으며, 수송관은 수송 기체(carrier gas)가 이동하는 가스 라인(gas line)과 에어로졸이 이동하는 에어로졸 라인(aerosol line)을 포함할 수 있다.
가스 공급원(110)은 수송 기체를 저장하고 가스 라인을 통해 수송 기체를 에어로졸 생성 장치(120)에 제공한다.
에어로졸 생성장치(120)는 가스 공급원(110)에서 공급된 고압의 수송 기체를 에어로졸 생성장치(120)의 챔버 내에 분사하여 증착 물질을 에어로졸화하고 에어로졸 형태의 증착 물질을 에어로졸 라인을 통해 에어로졸 증착 장치(130)에 공급한다. 또한, 에어로졸 생성장치(120)는 에어로졸 챔버의 질량 변화를 감지하여 에어로졸 챔버로 유입되는 수송 가스의 유량을 제어할 수 있다.
에어로졸 증착 장치(130)는 에어로졸 생성 장치에서 생성된 에어로졸을 에어로졸 생성장치(120)와 저진공 상태의 증착 챔버(131) 간의 압력 차이를 이용하여 증착 챔버(131)로 고속으로 가속하여 분사하고, 증착 챔버(131)의 상부에 위치한 분사 노즐(133)에 의하여 기재 상에 에어로졸 형태의 증착 물질을 분사하여 에어로졸 코팅막을 형성할 수 있다.
에어로졸 증착 장치(130)는 증착 챔버(131) 내부로 연결된 에어로졸 라인과 분사 노즐(133)을 이용하여 에어로졸의 분사 속도를 조절할 수 있다. 여기서, 에어로졸이 기재(132)에 증착되기 위하여, 분사 속도는 적어도 150m/s인 것이 바람직하다. 또한, 에어로졸 증착 장치(130)는 에너지 공급 유닛(134)를 포함할 수 있다. 에너지 공급 유닛(134)은 분사 노즐(133)의 일 측에 배치되어 기재(132)를 향해 에너지를 공급한다.
펌프(140)는 필터, 부스터 펌프(booster pump) 및 로터리 펌프(rotary pump)를 포함하고, 에어로졸 증착 장치(130)와 배기관을 통해 연결될 수 있다. 펌프(140)는 에어로졸 증착 장치(130) 내에서 에어로졸 형태의 증착 물질을 기재에 증착시키고 남은 가스를 배기관을 통해 배출시킬 수 있다.
도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어로졸 증착 장치를 나타내는 도면이다.
도 2를 참조하면, 에어로졸 증착 장치(130)는 증착 챔버(131), 지지 유닛(132), 분사 노즐(133), 에너지 공급 유닛(134) 및 이동 유닛(135)을 포함한다.
증착 챔버(131)의 하측에는 지지 유닛(132)이 위치하며, 지지 유닛(132)은 이동 유닛(135)에 연결되어 이동할 수 있다. 또한, 증착 챔버(131)의 상측에는 분사 노즐(133)이 위치하며, 분사 노즐(133)은 기재의 표면에 수직한 방향으로 에어로졸 형태의 증착 물질을 분사하도록 배치될 수 있다. 에너지 공급 유닛(134)은 분사 노즐(133)의 일 측에 배치되어 기재의 표면에 수직한 방향으로 에너지를 공급하도록 배치될 수 있다. 여기서, 에너지 공급 유닛(134)은 레이저를 조사하는 레이저 유닛, 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 유닛, 열을 발생시키는 열 생성 유닛 및 전자빔(e-beam)을 조사하는 전자빔 유닛 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 일 예로, 에너지 공급 유닛(134)은 건(gun) 형태의 플라즈마 토치(plasma torch)로 구현될 수 있다.
에너지 공급 유닛(134)이 레이저 유닛으로 구현되는 경우, 원하는 영역에 집중적으로 에너지를 공급할 수 있어서 에어로졸 코팅막을 효과적으로 투과할 수 있으므로, 플라즈마 유닛, 열 생성 유닛 및 전자빔 유닛보다 효과적으로 에어로졸 코팅막의 두께를 증가시킬 수 있으며, 레이저 유닛은 기재의 표면에 수직한 방향으로 레이저를 조사하도록 배치될 수 있다. 여기서, 레이저 유닛은 파장이 520nm 내지 530nm인 그린 레이저를 조사하는 레이저 유닛으로 구현될 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니며, 다양한 파장의 레이저를 조사하는 레이저 유닛으로 구현될 수 있다.
이동 유닛(135)은 지지 유닛(132)에 연결되어 지지유닛(132)을 이동시키며, 제어기(미도시)는 기재에서 증착 물질 및 에너지가 공급되는 영역이 변경되도록 이동 유닛(135)을 제어할 수 있다. 이동 유닛(135)은 지지 유닛(132)을 좌우 방향으로 이동시키거나 지그재그 방향으로 이동시켜서 기재의 모든 영역에 증착 물질 및 에너지가 공급되도록 하여 기재에 코팅막이 형성되도록 할 수 있다. 또한, 이동 유닛(135)은 지지 유닛(132)을 회전시켜서 기재에 코팅막이 형성되도록 할 수도 있다.
이동 유닛(135)은 분사 노즐(133) 및 에너지 공급 유닛(134)을 이동시킬 수도 있다. 구체적으로, 분사 노즐(133) 및 에너지 공급 유닛(134)은 지지 암(미도시)에 의하여 지지될 수 있으며, 이동 유닛(135)은 지지 암에 연결되어 지지 암을 이동시킬 수 있다. 이동 유닛(135)은 분사 노즐(133) 및 에너지 공급 유닛(134)이 지지되는 지지 암을 이동시킴으로써, 분사 노즐(133) 및 에너지 공급 유닛(134)을 이동시킬 수 있다.
제어기(미도시)는 분사 노즐(133) 및 에너지 공급 유닛(134)의 위치에 따라 이동 유닛(135)을 제어하여, 기재의 모든 영역에 에어로졸 형태의 증착 물질 및 레이저가 공급되도록 할 수 있다. 구체적인 제어기(미도시)의 이동 유닛(135) 제어 방법에 대해 이하 상세히 설명한다.
설명의 편의를 위하여, 이하 에너지 공급 유닛(134)이 레이저 유닛인 경우로 한정하여 설명한다. 다만, 본 발명에 따른 에너지 공급 유닛(134)이 레이저 유닛으로 한정되는 것은 아니며, 플라즈마 유닛, 열 생성 유닛 및 전자빔 유닛 등 기재에 에너지를 공급할 수 있는 다양한 기기로 구현될 수 있다.
일 예로, 도 2와 같이, 분사 노즐(133)이 증착 챔버(131)의 상측에 위치하여 기재의 표면에 수직으로 에어로졸 형태의 증착 물질을 분사하도록 배치되고, 레이저 유닛(134)은 분사 노즐(133)의 우측에 위치하여 기재의 표면에 수직으로 레이저를 조사하도록 배치될 수 있다. 이 경우, 제어기(미도시)는 이동 유닛(135)을 제어하여, 기재를 우측에서 좌측으로 이동시키면서, 기재에서 레이저가 먼저 조사된 영역에 에어로졸 형태의 증착 물질이 분사되도록 할 수 있다. 즉, 기재의 표면에는 에어로졸 형태의 증착 물질이 분사되기 전에 레이저가 조사되어, 기재의 표면 상태를 변화시킬 수 있다. 따라서, 표면 상태가 변화된 기재의 표면에 에어로졸 형태의 증착 물질을 분사하여, 기재 표면과 증착 물질 사이의 반응이 보다 쉽게 진행될 수 있으므로, 에어로졸 코팅막의 형성 효율을 향상시킬 수 있고, 결과적으로 기재 표면의 에어로졸 코팅의 두께를 증가시킬 수 있다.
또한, 도 3과 같이, 제어기(미도시)는 이동 유닛(135)을 제어하여, 기재를 좌측에서 우측으로 이동시키면서, 기재에서 에어로졸 형태의 증착 물질이 분사된 영역에 레이저가 다시 조사되도록 할 수 있다. 이 경우, 기재에 에어로졸 형태의 증착 물질이 분사되어 에어로졸 코팅막이 형성된 후 레이저가 코팅막의 표면에 조사되므로, 레이저에 의해 코팅막의 상태가 변화되어, 코팅막의 잔류 응력이 제거되고 코팅막의 잔류 기공이 제거될 수 있다. 이에 따라, 기재의 표면에 형성된 에어로졸 코팅막의 부착력이 향상될 수 있으며, 에어로졸 코팅막의 두께가 증가할 수 있다.
제어기(미도시)는 이동 유닛(135)을 제어하여, 기재를 좌측 또는 우측으로 번갈아가면서 이동시켜, 기재에 에어로졸 코팅막이 형성되도록 할 수 있다. 또한, 제어기(미도시)는 기재에 기설정된 두께의 에어로졸 코팅막이 형성되면 이동 유닛(135)의 이동을 종료시킬 수 있다.
또한, 도 4와 같이, 레이저 유닛(134)은 분사 노즐(133)의 일 측에 위치하여, 레이저가 기재의 표면에 대하여 경사지게 조사되도록 기울어져 배치될 수 있다. 레이저 유닛(134)은 기재에서 동일한 영역으로 에어로졸 형태의 증착 물질과 레이저가 동시에 제공되도록 배치될 수 있으며, 제어기는 기재의 모든 영역에서 에어로졸 형태의 증착 물질 및 레이저가 제공되도록 이동 유닛(135)을 제어하여 기재를 좌측 또는 우측으로 이동시킬 수 있다. 이 경우, 레이저는 에어로졸 형태의 증착 물질에 직접 조사되므로, 에어로졸 형태의 증착 물질이 용융되어 기재 표면에 대한 증착력이 향상될 수 있으며, 결과적으로 에어로졸 코팅막의 두께가 증가할 수 있다. 제어기는 기재에 기설정된 두께의 에어로졸 코팅막이 형성될 때까지 기재를 좌측 또는 우측으로 이동시키도록 이동 유닛(135)을 제어할 수 있다.
다른 실시 예로, 분사 노즐(133) 및 레이저 유닛(134)은 지지 암에 의해 지지되어, 제어기에 의해 조절될 수 있도록 배치될 수 있다. 이 경우, 제어기는 분사 노즐(133) 및 레이저 유닛(134)의 위치 또는 배치 방향을 조절하여, 기재에서 증착 물질 및 레이저가 공급되는 영역을 변경시킬 수 있다. 따라서, 제어기는 이동 유닛(135)의 움직임을 제어하고, 분사 노즐(133) 및 레이저 유닛(134)의 위치 또는 배치 방향을 조절하여, 기재에서 증착 물질이 공급된 후 레이저가 공급되거나 레이저가 공급된 후 증착 물질이 공급되거나 또는 증착 물질과 레이저가 기재에 동시에 공급되도록 지지 암을 제어할 수 있다.
도 5 내지 도 10은 기재(132)에 기설정된 두께의 코팅막이 형성될 때까지 기재(132)를 좌측 또는 우측으로 이동시키면서, 기재(132)에 코팅막을 형성하는 코팅 단계가 복수 회 반복해서 수행되고, 인접하는 코팅 단계 사이에 증착 물질에 레이저를 조사하여 증착 물질의 응력을 제거하는 과정을 설명하기 위한 도면이다.
우선, 도 5와 같이, 기재(132)가 우측에서 좌측으로 이동하면서 레이저 유닛(134)에서 조사되는 레이저에 의해 기재(132) 표면의 성질이 변화될 수 있다. 이후, 도 6과 같이, 레이저에 의해 성질이 변화된 기재의 표면(132-1)에 에어로졸 형태의 증착 물질이 분사되어, 성질이 변화된 기재 표면(132-1)에 코팅막(600)이 형성될 수 있다. 이 경우, 성질이 변화된 기재 표면(132-1)은 에어로졸 형태로 분사된 증착 물질과 반응이 보다 더 원활히 진행되어, 증착 물질의 증착력이 향상될 수 있다. 기재(132)가 우측에서 좌측 끝까지 이동되면, 도 7과 같이, 모든 기재(132)의 표면에는 코팅막(600)이 형성될 수 있으며, 기재(132)는 다시 좌측에서 우측 끝으로 이동될 수 있다.
이어서, 도 8과 같이, 기재(132)는 다시 우측에서 좌측으로 이동하면서, 레이저 유닛(132)에서 조사되는 레이저에 의해 기재(132)에 형성된 코팅막(600)의 잔류 응력을 제거할 수 있다. 이후, 도 9와 같이, 잔류 응력이 제거된 코팅막(600-1)의 표면에 다시 에어로졸 형태의 증착 물질이 분사되어, 잔류 응력이 제거된 코팅막(600-1)의 표면에 두번째 코팅막(610)이 형성될 수 있다. 이 경우, 잔류 응력이 제거된 코팅막(600-1)은 에어로졸 형태로 분사된 증착 물질과 반응이 원활히 진행될 수 있으므로, 증착 물질의 증착력이 향상되어 코팅막의 두께를 향상시킬 수 있다. 기재(132)가 우측에서 좌측 끝까지 이동되면, 도 10과 같이, 모든 기재(132)의 표면에는 잔류 응력이 제거된 코팅막(600-1)과 두번째 코팅막(610)이 형성될 수 있다. 이후, 기재(132)는 좌측에서 우측 끝까지 이동한 후, 다시 우측에서 좌측으로 이동하면서 레이저가 조사되고, 에어로졸 형태의 증착 물질이 분사되는 과정이 반복하여 수행될 수 있다. 또한, 상기 과정은 기재(132)의 표면에 형성되는 코팅막의 두께가 기설정된 두께가 될 때까지 반복하여 수행될 수 있다.
한편, 도 1 내지 도 10에서는 분사 노즐(133)이 증착 챔버(131)의 상측에 위치하고, 레이저 유닛(134)이 분사 노즐(133)의 우측에 위치하는 것으로 도시되어 있으나, 레이저 유닛(134)은 분사 노즐(133)의 좌측에 위치할 수 있으며, 이에 한정되지 않고, 증착 챔버(131) 내에서 기재에 에어로졸 형태의 증착 물질 및 레이저를 조사할 수 있는 다양한 위치에 배치될 수 있다.
또한, 도 5 내지 10에서는 기재(132)가 우측에서 좌측으로 이동하면서, 기재(132)에 레이저가 조사되고 에어로졸 형태의 증착 물질이 분사되는 것으로 설명하였으나, 이에 한정되지 않고, 기재(132)가 좌측에서 우측으로 이동하면서 레이저가 조사되고 에어로졸 형태의 증착 물질이 분사될 수 있다. 또한, 레이저는 기재(132) 또는 코팅막(600, 610)에 열 에너지를 가할 수 있는 플라즈마, 열 또는 전자빔 등으로 구현될 수도 있다.
이상 설명한 바와 같이 본 발명의 다양한 실시 예에 따르면, 레이저를 포함하는 에어로졸 증착 장치를 이용하여 기재상의 에어로졸 코팅막의 두께를 증가시키고 기재에 대한 에어로졸 코팅막의 증착력을 향상시킬 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어로졸 증착 방법은, 기재 상에 에어로졸 형태의 증착 물질을 분사하는 단계 및 기재 상에 레이저를 조사하는 단계를 포함할 수 있다. 여기서, 기재는 플라즈마 처리 장치 내에서 플라즈마에 노출되는 부품일 수 있다. 예를 들어, 기재는 플라즈마에 노출되는 유전판, 샤워헤드, 정전척, 배기플레이트, 챔버 내벽 및 라이너 중 적어도 하나일 수 있다. 또한, 기재는 세라믹 재질일 수 있다. 예를 들어, 기재는 알루미늄(Al), 양극산화 알루미늄(Anodized Al) 및 산화 알루미늄(Al2O3) 중 적어도 하나를 포함하는 재질일 수 있다. 기재 상에 분사되는 에어로졸 형태의 증착 물질은 산화 알루미늄(Al2O3), 산화 이트륨(Y2O3), 산화 에르븀(Er2O3), 산화 가돌리늄(Gd2O3), 산화 란타넘(La2O3), 산화 네오디뮴(Nd2O3), 산화 플루오르 이트륨(YOF) 및 플루오르 화이트륨(YF3) 중 적어도 하나를 포함하는 세라믹 물질일 수 있다.
구체적으로, 기재 상에 레이저가 먼저 조사된 후 에어로졸 형태의 증착 물질을 분사하여, 레이저에 의해 표면 상태가 변화된 기재의 표면에 에어로졸 형태의 증착 물질이 반응하도록 하여, 증착 물질과 기재 표면의 반응이 보다 쉽게 진행되도록 할 수 있다. 이후, 증착 물질이 코팅된 기재에 레이저를 조사하여, 레이저에 의해 코팅막의 상태를 변화시켜서 코팅막의 잔류 응력 및 잔류 기공을 제거하여, 코팅막의 부착력을 향상시킬 수 있으며, 결과적으로 코팅막의 두께가 증가할 수 있다. 또한, 코팅막의 두께가 기설정된 두께가 될 때까지, 기재 상에 에어로졸 형태의 증착 물질을 분사하고, 레이저를 조사하는 일련의 과정을 반복하여 수행할 수 있다.
또한, 먼저 기재 상에 에어로졸 형태의 증착 물질을 분사한 후 레이저를 조사하여, 레이저에 의해 코팅막의 상태를 변화시켜서 코팅막의 잔류 응력 및 잔류 기공을 제거하여, 코팅막의 부착력을 향상시킬 수 있다. 이 경우에도, 코팅막의 두께가 기설정된 두께가 될 때까지, 기재 상에 에어로졸 형태의 증착 물질을 분사하고, 레이저를 조사하는 과정을 반복하여 수행할 수 있다.
또한, 기재 상에서 동일한 영역으로 레이저 및 에어로졸 형태의 증착 물질을 동시에 공급하여, 에어로졸 형태의 증착 물질을 용융시켜 코팅막의 부착력을 향상시킬 수 있다. 마찬가지로, 코팅막의 두께가 기설정된 두께가 될 때까지, 기재 상에 에어로졸 형태의 증착 물질 및 레이저를 동시에 공급할 수 있다. 이에 따라, 기재 표면에 대한 에어로졸 형태의 증착 물질의 코팅막 형성 효율이 향상되어, 최종 코팅막 두께를 증가시킬 수 있다.
또한, 기재 상에 증착 물질이 분사되는 영역을 이동시키면서 기재에 에어로졸 형태의 증착 물질을 분사하여, 기재에 코팅막을 형성하는 코팅 단계를 복수 회 반복하여 수행하고, 인접하는 코팅 단계 사이에 기재 상에 증착된 증착 물질에 열 에너지를 인가하여 증착 물질에 잔류하는 응력을 제거할 수 있다. 이에 따라, 잔류 응력이 제거된 코팅막의 표면에 증착 물질을 분사하여, 코팅막의 증착력을 향상시킬 수 있다. 이 경우, 복수의 코팅 단계들 중 최초의 코팅 단계 전에 기재의 표면에 열 에너지를 인가하여 기재의 표면의 성질을 변경하여, 기재의 표면과 기재 표면에 분사되는 증착 물질 사이의 반응이 보다 더 원활히 진행되게 할 수 있으므로, 기재 표면에 대한 코팅막의 증착력을 향상시킬 수 있다. 또한, 기재 또는 코팅막에 인가되는 열 에너지는 레이저, 플라즈마, 열 및 전자빔 중 적어도 하나로 제공될 수 있다.
한편, 본 발명의 일 실시 예에 따른 에어로졸 증착 방법을 순차적으로 수행하는 프로그램이 저장된 비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체(non-transitory computer readable medium)가 제공될 수 있다.
비일시적 컴퓨터 판독 가능 매체란 레지스터, 캐쉬, 메모리 등과 같이 짧은 순간 동안 데이터를 저장하는 매체가 아니라 반영구적으로 데이터를 저장하며, 컴퓨터에 의해 판독(reading)이 가능한 매체를 의미한다. 구체적으로는, 상술한 다양한 어플리케이션 또는 프로그램들은 CD, DVD, 하드 디스크, 블루레이 디스크, USB, 메모리카드, ROM 등과 같은 비일시적 판독 가능 매체에 저장되어 제공될 수 있다.
이상의 실시 예들은 본 발명의 이해를 돕기 위하여 제시된 것으로, 본 발명의 범위를 제한하지 않으며, 이로부터 다양한 변형 가능한 실시 예들도 본 발명의 범위에 속할 수 있음을 이해하여야 한다. 예를 들어, 본 발명의 실시 예에 도시된 각 구성 요소는 분산되어 실시될 수도 있으며, 반대로 여러 개로 분산된 구성 요소들은 결합되어 실시될 수 있다. 따라서, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 기술적 사상에 의해 정해져야 할 것이며, 본 발명의 기술적 보호범위는 특허청구범위의 문언적 기재 그 자체로 한정되는 것이 아니라 실질적으로는 기술적 가치가 균등한 범주의 발명에 대하여까지 미치는 것임을 이해하여야 한다.
100: 에어로졸 증착 시스템 110: 가스 공급원
120: 에어로졸 생성 장치 130: 에어로졸 증착 장치
140: 펌프

Claims (25)

  1. 기재(substrate)가 놓이는 지지 유닛;
    외부로부터 공급된 에어로졸(Aerosol) 형태의 증착 물질을 상기 기재를 향해 분사하는 분사 노즐; 및
    상기 분사 노즐의 일 측에 배치되어 상기 기재를 향해 열 에너지를 공급하는 에너지 공급 유닛;을 포함하는 에어로졸 증착 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 지지 유닛과 상기 분사 노즐 및 상기 에너지 공급 유닛의 상대 위치가 변경되도록 상기 지지 유닛 또는 상기 분사 노즐 및 상기 에너지 공급 유닛을 이동시키는 이동 유닛; 및
    상기 기재에서 상기 증착 물질 및 상기 열 에너지가 공급되는 영역이 변경되도록 상기 이동 유닛을 제어하는 제어기;를 더 포함하는 에어로졸 증착 장치.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 에너지 공급 유닛은, 상기 기재를 향해 레이저를 조사하는 레이저 유닛인 에어로졸 증착 장치.
  4. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 기재에서 상기 열 에너지가 공급된 영역에 상기 에어로졸 형태의 증착 물질이 분사되도록 상기 이동 유닛을 제어하는 에어로졸 증착 장치.
  5. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 기재에서 상기 에어로졸 형태의 증착 물질이 분사된 영역에 상기 열 에너지가 공급되도록 상기 이동 유닛을 제어하는 에어로졸 증착 장치.
  6. 제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 기재에서 동일한 영역으로 상기 열 에너지 및 상기 에어로졸 형태의 증착 물질이 동시에 제공되도록 상기 이동 유닛을 제어하는 에어로졸 증착 장치.
  7. 제3항에 있어서,
    상기 레이저 유닛은, 상기 레이저가 상기 기재의 표면에 대하여 경사지게 조사되도록 배치되는 에어로졸 증착 장치.
  8. 제3항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 기재의 표면에 레이저를 먼저 조사하고, 이후에 상기 기재에 상기 에어로졸 형태의 증착 물질을 분사하는 에어로졸 증착 장치.
  9. 제8항에 있어서,
    상기 제어기는,
    상기 기재의 표면에 상기 레이저를 먼저 조사하고, 이후에 상기 기재에 상기 에어로졸 형태의 증착 물질을 분사하고, 이후에 상기 증착 물질이 증착된 기재의 표면에 상기 레이저를 조사하고, 이후에 상기 기재의 표면에 상기 에어로졸 형태의 증착 물질을 반복해서 분사하는 에어로졸 증착 장치.
  10. 제3항에 있어서,
    상기 레이저 유닛은, 그린 레이저를 조사하는 레이저인 에어로졸 증착 장치.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 분사 노즐 및 상기 에너지 공급 유닛을 지지하는 지지 암;
    상기 지지 암을 이동시키는 이동 유닛; 및
    상기 기재에서 상기 증착 물질 및 상기 에너지가 공급되는 영역이 변경되도록 상기 이동 유닛을 제어하는 제어기;를 더 포함하는 에어로졸 증착 장치.
  12. 제1항에 있어서,
    상기 에너지 공급 유닛은,
    상기 기재를 향해 플라즈마를 발생시키는 플라즈마 유닛, 열을 발생시키는 열 생성 유닛 및 전자빔(e-beam)을 조사하는 전자빔 유닛 중 적어도 하나를 포함하는 에어로졸 증착 장치.
  13. 기재 상에 에어로졸 형태의 증착 물질을 분사하는 단계; 및
    상기 기재 상에 열 에너지를 공급하는 단계;를 포함하는 에어로졸 증착 방법.
  14. 제13항에 있어서,
    상기 공급하는 단계는,
    상기 기재 상에 레이저를 조사하여 상기 열 에너지를 공급하는 에어로졸 증착 방법.
  15. 제14항에 있어서,
    상기 분사하는 단계는,
    상기 기재 상에서 상기 레이저가 조사된 영역에 상기 에어로졸 형태의 증착 물질을 분사하는 에어로졸 증착 방법.
  16. 제14항에 있어서,
    상기 공급하는 단계는,
    상기 기재 상에서 상기 에어로졸 형태의 증착 물질이 분사된 영역에 상기 레이저를 조사하는 에어로졸 증착 방법.
  17. 제14항에 있어서,
    상기 분사하는 단계 및 상기 공급하는 단계는,
    상기 기재 상에서 동일한 영역으로 상기 레이저 및 상기 에어로졸 형태의 증착 물질이 동시에 제공되도록 하는 에어로졸 증착 방법.
  18. 제13항에 있어서,
    상기 기재는, 플라즈마 처리 장치 내에서 플라즈마에 노출되는 부품인 에어로졸 증착 방법.
  19. 제18항에 있어서,
    상기 기재는, 유전판, 샤워헤드, 정전척, 배기플레이트, 챔버 내벽 및 라이너 중 적어도 하나인 에어로졸 증착 방법.
  20. 제13항에 있어서,
    상기 기재는, 세라믹 재질이고,
    상기 에어로졸 형태의 증착 물질은, 산화 알루미늄(Al2O3), 산화 이트륨(Y2O3), 산화 에르븀(Er2O3), 산화 가돌리늄(Gd2O3), 산화 란타넘(La2O3), 산화 네오디뮴(Nd2O3), 산화 플루오르 이트륨(YOF) 및 플루오르 화이트륨(YF3) 중 적어도 하나를 포함하는 세라믹 물질인 에어로졸 증착 방법.
  21. 제20항에 있어서,
    상기 기재는, 알루미늄(Al), 양극산화 알루미늄(Anodized Al) 및 산화 알루미늄(Al2O3) 중 적어도 하나를 포함하는 재질인 에어로졸 증착 방법.
  22. 기재 상에 코팅막을 증착하는 방법에 있어서,
    상기 기재 상에 증착 물질이 분사되는 영역을 이동시키면서 상기 기재에 에어로졸 형태의 증착 물질을 분사하여, 상기 기재에 코팅막을 형성하는 코팅 단계;를 복수 회 반복하여 수행하되,
    인접하는 상기 코팅 단계 사이에 상기 기재 상에 증착된 상기 증착 물질에 열 에너지를 인가하여 상기 증착 물질에 잔류하는 응력을 제거하는 단계;를 포함하는 에어로졸 증착 방법.
  23. 제22항에 있어서,
    상기 복수의 코팅 단계들 중 최초의 코팅 단계 전에 상기 기재의 표면에 열 에너지를 인가하여 상기 기재의 표면의 성질을 변경하는 개질 단계;를 더 포함하는 에어로졸 증착 방법.
  24. 제22항 또는 제23항에 있어서,
    상기 열 에너지는, 레이저인 에어로졸 증착 방법.
  25. 제22항 또는 제23항에 있어서,
    상기 열 에너지는, 플라즈마, 열 및 전자빔 중 어느 하나인 에어로졸 증착 방법.

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