KR20190073790A

KR20190073790A - 용사 재료 및 그 용사 재료로 제조된 용사 피막

Info

Publication number: KR20190073790A
Application number: KR1020170174942A
Authority: KR
Inventors: 이성환; 김여울; 정채종; 고현철
Original assignee: (주)코미코
Priority date: 2017-12-19
Filing date: 2017-12-19
Publication date: 2019-06-27
Also published as: WO2019124660A1; KR102395660B1; TWI779071B; TW201927724A

Abstract

본 발명은 알루미늄 옥시불화이트륨 용사 재료에 관한 것으로, 보다 상세하게는 불화이트륨(YF₃)의 비중이 30 내지 70% 질량과 잔분이 알루미나(Al₂O₃), 이트륨알루미늄가넷(YAG)을 혼합, 조립, 소성하여 제조한 내플라즈마성이 우수한 용사 재료 및 용사 피막에 관한 것이다.

Description

용사 재료 및 그 용사 재료로 제조된 용사 피막{POWDER FOR THERMAL SPRAY AND THERMAL SPRAY COATING USING THE SAME}

본 발명은 용사 재료 및 용사 피막을 제조하는 방법에 관한 것이다.

반도체 제조 공정에서 실리콘 웨이퍼 등의 기판 회로의 고집적화를 위한 미세 가공을 하기 위해 플라즈마 건식 식각 공정의 중요성은 갈수록 중요해지는 추세이다.

이러한 환경에서 사용되기 위해 플라즈마 저항성이 우수한 소재들이 챔버 부재로 이용되거나 부재의 표면을 내플라즈마성이 우수한 물질로 피막을 형성하여 부재의 수명을 높이는 방안들이 제안되었다.

이 중 기재의 표면을 각종 재료로 피복함으로써 새로운 기능성을 부여하는 기술은, 종래부터 여러 분야에서 이용되고 있다. 이 표면 피복 기술의 하나로서, 예를 들어, 기재의 표면에 세라믹스 등의 재료로 이루어지는 용사 입자를, 연소 또는 전기 에너지에 의해 연화 또는 용융 상태로 분사함으로써 이루어지는 용사 피막을 형성하는 용사법이 알려져 있다.

일반적으로, 용사 코팅은 미세한 분말들을 가열하여 용융시키고, 용융된 분말들을 모재의 피코팅면을 향해 분사 시킴으로서 수행된다. 상기 분사된 용융 분말이 급냉되어 용융 분말이 응고되어 주로 기계적 결합력으로 상기 코팅 대상면에 적층된다.

상기 용사 코팅 중 고온의 플라즈마 불꽃을 이용하여 상기 분말들을 용융하는 플라즈마 용사 코팅은 고용융점의 텅스텐이나 몰리브덴과 같은 금속과 세라믹의 코팅에는 필수적으로 사용된다. 상기 용사 코팅은 모재의 재질적 특성을 살려 내마모, 내부식, 내열 및 열장벽, 초경, 내산화, 절연, 마찰특성, 방열, 생체기능 내방사성의 특성을 나타내는 고기능성 소재를 생산하는데 유리할 뿐 만 아니라, 화학기상증착이나 물리기상증착 등의 다른 코팅 방법에 비해 넓은 면적의 대상물을 빠른 시간 내에 코팅할 수 있다.

그리고 반도체 디바이스 등의 제조 분야에 있어서는, 일반적으로, 불소, 염소, 브롬 등의 할로겐계 가스의 플라즈마를 사용한 건식 에처에 의해 반도체 기판의 표면에 미세 가공을 실시하는 것이 행하여지고 있다. 또한, 건식 에처 후에는 반도체 기판을 취출한 챔버(진공 용기)의 내부를 산소 가스 플라즈마를 사용하여 클리닝하고 있다. 이때, 챔버 내에 있어서는 반응성이 높은 산소 가스 플라즈마나 할로겐 가스 플라즈마에 노출되는 부재가 부식될 가능성이 있다. 그리고 당해 부재로부터 부식(침식) 부분이 입자상으로 탈락하면, 이러한 입자는 반도체 기판에 부착되어서 회로에 결함을 초래하는 이물(이하, 당해 이물을 파티클이라고 한다)이 될 수 있다.

따라서, 종래부터 반도체 디바이스 제조 장치에 있어서는 파티클의 발생을 저감시킬 목적으로 산소 가스나 할로겐 가스 등의 플라즈마에 노출되는 부재에 내플라즈마 침식성을 구비하는 세라믹의 용사 피막을 설치하는 것이 행하여지고 있다.

이 파티클 발생 요인으로서는 진공 챔버 내에 부착된 반응 생성물의 박리 이외에 할로겐 가스 플라즈마나 산소 가스 플라즈마를 사용하는 것에 의한 챔버의 열화를 들 수 있다. 또한, 본 발명자들의 검토에 의하면, 건식 에처 환경 하에서 용사 피막으로부터 발생하는 파티클의 수나 크기는 용사 피막의 조성에 크게 영향받는 것이 확인되어 있다.

구체적으로 에처 장치의 할로겐계 가스 플라즈마에 접촉하는 부품은 금속 알루미늄 또는 산화 알루미늄 세라믹스에 내부식성이 우수한 산화 이트륨 또는 산화 불화 이트륨을 피막으로 채용한다. 하지만, 산화 이트륨은 프로세스 초기 최상단 표면에서 불소계 가스와 반응하여 장치 내 플라즈마 농도를 변화시켜 에처 공정 조건이 불안해지는 문제점이 있다(프로세스 시프트). 또한, 불화 이트륨 용사 피막은 불소계 가스와 반응성은 적지만, 표면 균열이 많고 산화 이트륨에 비해 경도가 낮기 때문에 식각 속도가 빨라 부재의 교체 주기가 짧아진다.

따라서, 최근에는 산화 이트륨과 불화 이트륨를 혼합하여 제조한 이트륨 옥시불화물 입자를 용사용 재료로 사용함으로써 플라즈마에 대한 내식성이 높은 용사 피막을 형성할 수 있는 기술들에 대해 개시되어 있다. (특허문헌 1 내지 5)

먼저, 한국공개특허 제10-2017-0078842호(2017.07.07.)는 희토류 원소의 옥시불화물(Ln-O-F)을 함유하는 성막용 분말에 관한 것으로서, 분말의 평균 입자경(D50)이 0.1 ㎛ 이상 10 ㎛ 이하이고, 수은 압입법에 의해 측정한 직경 10 ㎛ 이하의 세공의 용적이 0.1 ㎤/g 이상 0.5 ㎤/g 이하이고, 염소계 플라즈마에 대한 내식성이 높은 용사용 재료에 대하여 기재되어 있다. 또한, 한국공개특허 제10-2016-0131916호(2016.11.16.)는 구성 원소로서 희토류 원소(RE), 산소(O) 및 할로겐 원소(X)를 포함하고, 희토류 원소 옥시할로겐화물(RE-O-X)이 77 질량％ 이상의 비율로 포함되어 있는 용사용 재료에 대하여 기재되어 있다.

또한, 한국공개특허 제10-2016-0131917호(2016.11.16.)는, 용사용 재료의 X선 회절 패턴에 있어서, 희토류 원소 옥시할로겐화물의 메인 피크의 피크 강도 I_A에 대한, 희토류 원소 산화물의 메인 피크의 피크 강도 I_B와 희토류 원소 할로겐화물의 메인 피크의 피크 강도 I_C의 합계의 강도비[(I_B+I_C)/I_A]가 0.02 미만인 희토류 원소 옥시할로겐화물 용사용 재료에 관한 것이다.

상기 특허문헌 2,3은 비정질 특성으로 인하여 파티클을 발생시키는 희토류 원소 산화물과 용사에 의해 희토류 원소 산화물로 변질될 수 있는 희토류 원소 불화물의 양을 감소시키고, 보다 향상된 내플라즈마성을 가지는 희토류 원소 옥시할로겐화물의 양을 증가시킴으로써 용사 재료의 물성을 개선하였다.

또한, 한국공개특허 제10-2016-0131918호(2016.11.16.)에 개시된 용사용 재료는 구성 원소로서 희토류 원소(RE), 산소(O) 및 할로겐 원소(X)를 포함하는 희토류 원소 옥시할로겐화물(RE-O-X)을 포함하며, 희토류 원소에 대한 할로겐 원소의 몰비(X/RE)가 1.1 이상이고, 이로 인해 내플라즈마성이 향상되고 기공률이나 경도 등의 특성이 우수하다.

또한, 한국공개특허 제10-2017-0015236호(2017.02.08.)는 내산화이트륨, 불화이트륨 및 옥시불화이트륨의 1종 또는 2종 이상을 포함하는 두께 10 내지 500 ㎛의 이트륨계 용사 피막에 관한 것이며, 특정 용매로 해당 피막 표면을 세척함으로써 표면에 존재하는 입경 300㎚ 이하의 입자의 수가 1㎟당 5개 이하로 줄어들어 파티클 탈리 현상을 방지할 수 있는 이트륨계 용사 피막 제조 기술에 대해 기재되어 있다.

상기에 기술된 바와 같이, 종래에 이르기까지 산화 이트륨 또는 불화 이트륨 용사 재료의 물성 한계를 극복하기 위해, 산화 이트륨 및 불화 이트륨를 혼합, 제조하여 플라즈마 침식성, 기공률, 경도 등의 물성을 향상시킨 이트륨 옥시불화물 용사재료를 제조하는 기술들이 제안되었다.

하지만, 이트륨의 옥시불화물 용사 피막을 제조함에 있어서 고온 반응 조건에 의해 용사 피막의 불소 성분이 일부 감소하고 산소로 치환되어 용사 피막의 조성의 차이가 발생해 균일한 조성의 용사 피막을 성막하기 어려운 문제점 등이 여전히 존재하며, 상기 선행문헌들에서 기재된 이트륨 옥시불화물 용사 피막의 내플라즈마 특성 향상에 대한 요구가 산업적인 측면에서 지속적으로 요구되고 있는 실정이다.

한국공개특허 제10-2017-0078842호 한국공개특허 제10-2016-0131916호 한국공개특허 제10-2016-0131917호 한국공개특허 제10-2016-0131918호 한국공개특허 제10-2017-0015236호

본 발명의 목적은 이트륨 옥시불화물 용사 재료 및 용사 피막의 내플라즈마 특성을 개선하는 방법을 제공하는데에 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 구현예는, 불화이트륨(YF₃)의 비중이 30 내지 70% 질량과 잔분이 알루미나(Al₂O₃), 이트륨알루미늄가넷(YAG)을 혼합, 조립, 소성하여 Y-O-F-Al 다성분계 용사 재료를 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 불화이트륨(YF₃), 알루미나(Al₂O₃) 및 이트륨알루미늄가넷(YAG) 입자들의 평균 입자 직경이 0.01 ㎛ 이상 7 ㎛ 이하일 수 있다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 소성하는 온도가 500 내지 1100 ℃일 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예는, 상기 Y-O-F-Al 다성분계 용사 재료의 제조 방법으로 제조되며, 평균 입자 직경이 5 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하인 Y-O-F-Al 다성분계 용사 재료를 제공한다.

본 발명의 또 다른 구현예는, 상기 Y-O-F-Al 다성분계 용사 재료를 용사하여, 기재 상에 피막을 형성하는 Y-O-F-Al 다성분계 용사 피막을 제조하는 방법을 제공한다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 용사가 플라즈마 용사일 수 있다.

본 발명의 또 다른 구현예는, 상기 Y-O-F-Al 다성분계 용사 피막의 제조하는 방법으로 형성되며, 두께가 50 내지 400 μm인 Y-O-F-Al 다성분계 용사 피막을 제공한다.

본 발명의 또 다른 구현예는, 구성 원소로서 이트륨(Y), 산소(O), 불소(F) 및 알루미늄(Al)을 포함하며, 상기 이트륨과 불소에 대한 알루미늄 원소의 무게비(Al/Y+F)가 0.025 내지 0.25인 것을 특징으로 하는 Y-O-F-Al 다성분계 용사 피막을 제공한다.

본 발명의 바람직한 일 구현예에서, 상기 이트륨에 대한 불소에 대한 알루미늄 원소의 무게비(F/Y)는 0.7 내지 1.3일 수 있다.

본 발명에 따른 Y-O-F-Al 다성분계 용사 재료는 용사 제조 공정시 용사 피막에 포함되는 산소 성분 및 불소 성분의 조성 변화가 발생하지 않으며, 종래의 코팅층내 발생되었던 크랙과 기공의 형성을 억제해 주었기 때문에 종래의 코팅층보다 치밀한 용사 피막을 형성 시킬수 있다.

이로 인하며, 본 발명의 Y-O-F-Al 다성분계 용사 피막은 종래의 불화이트륨 및 산화이트륨에 비해 경도가 증가하며 낮은 기공률을 가지고 있으며, 내플라즈마 특성이 향상되어 Y-O-F-Al 다성분계 용사 피막 부재의 교체 주기를 연장할 수 있다.

도 1은 본 발명에 따른 비교예(비교예7, 8, 9) 및 실시예(실시예1)에 따른 용사 피막의 측면의 전자주사현미경(SEM) 사진이다.
도 2는 본 발명에 따른 비교예(비교예7, 8) 및 실시예(실시예1)에 따른 용사 피막의 표면의 전자주사현미경(SEM) 사진이다.

다른 식으로 정의하지 않는 한, 본 명세서에서 사용된 모든 기술적 및 과학적 용어들은 본 발명이 속하는 기술분야에서 숙련된 전문가에 의해서 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가진다. 일반적으로, 본 명세서에서 사용된 명명법은 본 기술분야에서 잘 알려져 있고 통상적으로 사용되는 것이다.

본원 명세서 전체에서, 어떤 부분이 어떤 구성 요소를 “포함”한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한 다른 구성 요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

반도체의 제조 공정에서는 게이트 에처 장치, 절연막 에처 장치, 레지스트막 에처 장치, 스퍼터링 장치, CVD 장치 등이 이용되고 있다. 한편, 액정의 제조 공정에서는 박막 트랜지스터를 형성하기 위한 에처 장치 등이 이용되고 있다. 또한, 이들 제조 장치에서는 미세 가공에 의한 고집적화 등을 목적으로 플라즈마 발생 기구를 구비한 구성을 취하고 있다.

이들 제조 공정에서 처리 가스로서는 불소계, 염소계 등의 할로겐계 부식 가스가 이들의 높은 반응성으로 인해 상술한 장치에 이용되고 있다. 불소계 가스로서는 SF₆, CF₄, CHF₃, ClF₃, HF, NF₃ 등을, 염소계 가스로서는 Cl₂, BCl₃, HCl, CCl₄, SiCl₄ 등을 들 수 있으며, 이들 가스가 도입된 분위기에 마이크로파나 고주파 등을 도입하면 이들 가스는 플라즈마화된다. 이들 할로겐계 가스 또는 그의 플라즈마에 노출되는 장치 부재에는 표면에 재료 성분 이외의 금속이 매우 적고, 또한 높은 내식성을 가질 것이 요구됨에 따라서, 본 발명은 플라즈마 에처 장치용 부재를 피막하는 내 플라즈마성이 우수한 Y-O-F-Al 다성분계 용사 재료 및 용사 피막의 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

하기에서 Y-O-F-Al 다성분계 용사 재료를 제조하는 방법에 대하여 하기에 자세히 설명하도록 한다.

본 발명의 일 관점에서, 불화이트륨(YF₃)의 비중이 30 내지 70% 질량과 잔분이 알루미나(Al₂O₃), 이트륨알루미늄가넷(YAG)을 혼합, 조립, 소성하여 Y-O-F-Al 다성분계 용사 재료를 제조하는 방법을 제공한다.

1차 재료인 상기 불화이트륨(YF₃), 알루미나(Al₂O₃) 및 이트륨알루미늄가넷(YAG) 재료들는 조립되지 않은 분말로의 사용이나, 조립되지 않은 분말을 포함하는 슬러리로의 사용도 검토되고 있지만, 재료의 흐름성이 용사에 필요한 수준에 미치지 못하여 구형의 형태로 제조하는 혼합, 조립 및 소성 공정을 거쳐 조립 입자를 구성하는 것이 바람직하다.

조립한 분말인 용사 재료가 내부까지 충전되어 있는 것이 바람직하며, 이는 분말을 취급하는데 있어서 깨지거나 하지 않고 안정되어 있으며, 공극부가 존재하면 그 공극부에 바람직하지 않은 가스 성분을 함유하기 쉬우므로 그것을 회피할 수 있다는 점에서 필요한 것이다.

상기 혼합 및 조립 공정에 있어서, 상기 불화이트륨(YF₃), 알루미나(Al₂O₃), 이트륨알루미늄가넷(YAG)에 소결조제 및 분산매를 첨가하여 분쇄·혼합한 후 탈수와 건조 과정을 거친다. 필요에 따라 추가로 결합제와 함께 혼합하여 슬러리 액적을 제조한 후, 조립, 소성함으로써 조립 입자를 제조할 수 있다. 결합제로서는 유기화합물이 바람직하고, 탄소, 수소 및 산소, 또는 탄소, 수소, 산소 및 질소로 구성되는 유기 화합물, 예를 들어 카르복시메틸셀룰로오스(CMC), 폴리비닐알코올(PVA), 폴리비닐피롤리돈(PVP) 등을 들 수 있다.

상기 불화이트륨(YF₃), 알루미나(Al₂O₃), 이트륨알루미늄가넷(YAG) 입자들은 조립 과정을 거치게 된다. 조립 장치로서는, 예컨대 분무 건조(spray drying) 장치를 이용할 수 있다. 분무 건조 장치에서는 분쇄된 복수의 입자를 포함하는 슬러리의 액적이 열풍 중에 적하되고, 이에 의해 액적이 고체화되어 복수의 입자를 포함하는 중간 입자가 조립된다.

조립 공정의 측면에서 상기 불화이트륨(YF₃), 알루미나(Al₂O₃) 및 이트륨알루미늄가넷(YAG) 입자들은 평균 입자 직경이 0.01 ㎛ 이상 7 ㎛ 이하인 것이 바람직하다. 상기 입자들의 지름이 약 0.01 ㎛ 미만일 경우에는 상기 산화이트륨 입자들을 포함하는 조립 구조를 갖는 용사 코팅용 분말의 평균 지름이 작아질 수 있으며, 상기 입자들의 제어가 어려워 구형의 조립 입자를 형성하기 어렵다. 상기 입자들의 지름이 약 7 ㎛를 초과할 경우, 상기 입자들이 뭉쳐 형성된 조립 입자들의 평균 지름이 너무 커져 균일한 용사 피막의 형성이 어려울 수 있다.

이후, 상기 조립 입자들은 소성 단계를 거치게 되는데, 소성하는 온도가 500 내지 1100 ℃인 것이 바람직하다. 이 온도 범위에서 소성함으로써 옥시 불화이트륨과 알루미늄 화합물이 충분히 반응한다. 소성 온도가 500 ℃ 미만일 경우 혼합 반응이 불충분하여 불화이트륨(YF₃), 알루미나(Al₂O₃) 및 이트륨알루미늄가넷(YAG)의 일부가 잔류할 가능성이 있다. 더욱 바람직하게는, 상기 소성하는 온도가 800 내지 1000 ℃인 것이 다성분계 용사 피막의 내플라즈마성을 향상시키는 측면에서 효과적이다. 구체적으로, 상기 소성온도가 800 ℃ 미만일 때, 용사피막의 경도가 충분하지 않으며, 이로 인하여 용사 재료의 내플라즈마성이 저하된다.

소성 시간은 소성 온도가 상기 범위인 조건으로, 2 시간 이상 8 시간 이하가 바람직하다. 이 범위이면, Y-O-F-Al 다성분계 화합물이 충분히 생성되고, 에너지 소비도 최소화된다.

소성 분위기는 대기 분위기 등의 산소 함유 분위기를 사용할 수 있지만, 아르곤 가스 등의 불활성 가스 분위기 또는 진공 분위기가 바람직하다.

혼합, 조립, 소성하여 제조된 용사 재료의 평균 입자 직경이 5 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하인 것이 용사 피막의 품질을 높이는 측면에서 바람직하다. 평균 입자 직경이 5 ㎛ 미만이면 용사 코팅시 분말의 흐름성이 낮아서 균일한 막을 구현할 수 없고, 프레임에 분말이 전달되기 전에 산화 되거나 프레임 중심에 전달되지 않아 치밀한 막을 형성 하기 위한 액적 비상 속도 및 열량을 충족시키기 어려워 기공이 높거나 경도가 낮은 막을 형성하게 된다. 평균 입자 직경이 100 ㎛ 초과이면 분말이 플라즈마 내로 주입될 때 완전 용융이 되지 않아 코팅 막질 내 미용융 부분이 발생 되어 본 발명에서 요구하는 용사 피막의 품질을 만족시키기 어렵다.

본 발명의 용사 재료 분말의 애스펙트비(aspect ratio)는 입자의 긴 직경과 짧은 직경의 비로 표시되며, 1.0 이상 5.0 이하인 것이 치밀하고 균일한 막을 형성하는 관점에서 바람직하며, 이 관점에서 애스펙트비는 1.0 이상 4.0 이하인 것이 보다 바람직하고, 1.0 이상 1.5 이하인 것이 특히 바람직하다.

용사 재료 분말은 흐름성이 용사 막의 품질의 중요한 요소로 구형으로 제작이 되는 것이 가장 바람직하며, 그렇지 않을 경우 용사 피막 제조시 프레임에 일정한 양의 분말이 전달되지 않아 우리가 요구하는 수준의 막을 형성할 수 없다.

또한, 상기 Y-O-F-Al 다성분계 용사 재료를 플라즈마 용사하여, 기재 상에 알루미늄 옥시불화이트륨 성막을 형성하는 Y-O-F-Al 다성분계 용사 피막의 제조 방법을 하기에 설명하도록 한다.

상기 플라즈마 용사법은 이 플라즈마 제트에 용사용 재료를 투입하고, 가열, 가속해서 기재에 퇴적시킴으로써 용사 피막을 얻는 코팅 방법 일반을 포함한다. 또한, 플라즈마 용사법은, 대기 중에서 행하는 대기 플라즈마 용사(APS: atmospheric plasma spraying)나, 대기압보다도 낮은 기압에서 용사를 행하는 감압 플라즈마 용사(LPS: low pressure plasma spraying), 대기압보다 높은 가압 용기 내에서 플라즈마 용사를 행하는 가압 플라즈마 용사(high pressure plasma spraying) 등의 형태일 수 있다. 이러한 플라즈마 용사에 의하면, 예를 들어 일례로서, 용사 재료를 10000 K 내지 15000 K 정도의 플라즈마 제트에 의해 용융 및 가속시킴으로써, 용사 입자를 300 m/s 내지 1000 m/s 정도의 속도로 기재에 충돌시켜서 퇴적시킬 수 있다.

본 발명의 기재에의 용사는 대기압 플라즈마 용사에 의해 행할 수 있다. 이 경우, 플라즈마 가스로서는, 특별히 한정되는 것이 아니고 적절히 선택할 수 있고, 예를 들어 질소/수소, 아르곤/수소, 아르곤/헬륨, 아르곤/질소 등을 사용 할 수 있으며, 본 발명에는 아르곤/수소가 용사되는 것이 바람직하다.

용사의 구체예로서, 아르곤/수소 플라즈마 용사의 경우, 대기 분위기에서 아르곤과 수소의 혼합가스를 사용한 대기압 플라즈마 용사를 들 수 있다. 용사 거리나 전류값, 전압값, 아르곤 가스 공급량, 수소가스 공급량 등의 용사 조건은, 용사 부재의 용도 등에 따라 조건 설정을 행한다. 분말 공급 장치에 용사 재료를 소정량 충전하고 파우더 호스를 사용하여, 캐리어 가스(아르곤)에 의하여 플라즈마 용사건 선단부까지 파우더를 공급한다. 플라즈마 불꽃 중에 파우더를 연속 공급함으로써 용사 재료가 용융되어 액화되고, 플라즈마 제트의 힘으로 액상 프레임화된다. 기판 상에 액상 프레임이 닿음으로써, 용융된 파우더가 부착, 고화되고 퇴적된다. 이 원리로 프레임을 좌우, 상하로 움직이면서 기판 상의 소정의 코팅 범위 내에 Y-O-F-Al 다성분계 용사 피막을 형성함으로써, Y-O-F-Al 다성분계 성막 부품(용사 부재)을 제조할 수 있다.

본 말명에 있어서 용사 피막을 피복하는 기재는 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어, 이러한 용사용 재료의 용사에 제공하여 원하는 내성을 구비할 수 있는 재료를 포함하는 기재라면, 그 재질이나 형상 등은 특별히 제한되지 않는다. 이러한 용사되는 기재를 구성하는 재료로서는, 예를 들어, 반도체 제조 장치용 부재 등을 구성하는 알루미늄, 니켈, 크롬, 아연 및 이들의 합금, 알루미나, 질화 알루미늄, 질화 규소, 탄화 규소 및 석영 유리 중에서 적어도 한가지 이상의 조합에서 선택하는 것이 바람직하다.

이러한 기재는, 예를 들어, 반도체 디바이스 제조 장치를 구성하는 부재이며, 반응성이 높은 산소 가스 플라즈마나 할로겐 가스 플라즈마에 노출되는 부재여도 된다.

상기 기재 표면은 플라즈마 용사 전에, JIS H 9302 에 규정되어 있는 세라믹스 용사 작업 표준에 준거하여 처리하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 그 기재 표면의 녹이나 유지류 등을 제거한 후, Al₂O₃, SiC 등의 연삭 입자를 분사하여 조면화하고, 불화물 용사 입자가 부착되기 쉬운 상태로 전처리한다.

또한, 상기 용사 피막의 제조 방법은 플라즈마 용사 이외에, 여기에 개시되는 용사 재료를 공지된 용사 방법에 기초하는 용사 장치에 제공함으로써 형성할 수 있다. 이 용사용 재료를 적절하게 용사하는 용사 방법은 고속 프레임 용사법, 프레임 용사법, 폭발 용사법 등의 용사 방법을 채용하는 것이 예시된다.

용사 피막의 특성은 용사 방법 및 그 용사 조건에 어느 정도 의존하는 경우가 있을 수 있다. 그러나, 어느 용사 방법 및 용사 조건을 채용한 경우에도 여기에 개시되는 용사용 재료를 사용함으로써 기타의 용사 재료를 사용한 경우와 비교하여 내플라즈마 침식성이 우수한 용사 피막을 형성하는 것이 가능해진다.

상기 Y-O-F-Al 다성분계 용사 피막은 50~400 ㎛의 두께로 형성하는 것이 바람직하다. 이 경우, 두께가 50 ㎛ 미만이면 충분한 내부식성을 얻지 못하는 경우가 있고, 또한 세정 조작에 의해 부분적으로 기재 표면이 노출되어 버릴 가능성도 있다. 한편 400 ㎛를 초과해서 두껍게 하더라도, 특히 내부식성의 향상 효과는 기대할 수 없고 단지 고비용을 초래하게 된다.

종래의 YF₃, YOF 용사 막은 결정질의 막으로 분말이 용융 응고시 비정질에서 결정질로 바뀌면서 코팅층 내 크랙(Crack) 및 기공을 형성하게 된다. 본 발명에서는 분말 내 일부 Al₂O₃ 성분이 첨가되었으며 해당 물질은 용사 막을 형성 시 비정질의 특성을 가진다. 이런 특성을 가진 물질을 포함한 분말은 플라즈마에 의해 용융 응고시 대부분의 비정질에서 결정질로 바뀌지만 일부 Al₂O₃ 물질이 비정질로 남아 있어 종래의 코팅층내 발생되었던 크랙과 기공의 형성을 억제해 주는 것으로 예측된다. 결과적으로, 결정립 경계(grain boundary) 내에 발생하는 크랙(crack) 및 이로 인해 발생하는 파티클(particle)의 수가 현저하게 감소하는 효과가 나타났다.

상기 다성분계 용사 피막은 이트륨(Y), 산소(O), 불소(F) 및 알루미늄(Al)으로 구성되며, 상기 이트륨과 불소에 대한 알루미늄 원소의 무게비[Al/(Y+F)]가 0.025 내지 0.25 인 것이 바람직하다. 용사 피막 내에서, 이트륨과 불소에 대한 알루미늄 원소의 무게비[Al/(Y+F)]가 0.025 미만인 경우, Al₂O₃ 비정질 부분이 충분하지 않아, 용사 피막의 경도가 낮으며, 내플라즈마성 향상의 효과를 달성할 수 없다.

상기 용사 피막의 구성 성분 중, 이트륨에 대한 불소의 무게비(F/Y)가 0.7 내지 1.3인 것이 바람직하다. 상기 이트륨에 대한 불소의 무게비(F/Y)가 1.3 초과인 경우에는, 높은 불소 농도로 인하여 용사 피막의 경도 떨어지고, 에칭속도의 증가가 초래된다.

따라서, 대기 플라즈마에 의해 생성된 Y-O-F-Al 다성분계 용사 막은 기존 불화물이트륨 및 옥시불화물이트륨 용사 피막 대비 경도 및 기공률 수준이 우수하며 기존 에처 공정에 사용되는 반도체 챔버에 적용 되고 있는 이트륨옥사이드 용사 피막 보다 우수한 수준을 가진다.

또한, 상기 혼합, 조립, 소성된 용사 재료에서 확인된 Y-O-F-Al 성분이 대기 플라즈마 방식에 의해 생성된 용사 피막에도 동일하게 검출되는 점을 이용하여 조성에 따른 용사 피막의 물성을 제어하는데 용이하다.

이하, 본 발명을 실시예를 통해 더욱 상세히 설명하고자 한다. 그러나 하기 실시예는 본 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명이 하기 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.

<실시예>

불화이트륨(YF₃), 알루미나(Al₂O₃) 및 이트륨알루미늄가넷(YAG)를 적절히 혼합, 조립, 소성하여, 분말 상태 용사 재료를 얻었다. YF₃ 30내지 70 질량 %, (Al₂O₃+YAG) 잔분으로 이루어진 1차 재료의 성분비를 변경하여 용사 재료를 제조하였다.

<실시예 1>

(1) 용사 재료의 제조 과정

불화이트륨(YF₃), 알루미나(Al₂O₃) 및 이트륨알루미늄가넷(YAG) 분말에 바인더를 혼합한 후 스프레이 드라이어에 의하여 조립 분말을 얻었다. 상기 조립 분말을 탈지한 후 소결하여 소결 분말을 얻었다.

(2) 용사 피막의 제조 과정

(1) 단계에서 마련한 용사 재료 및 플라즈마 건을 이용하여 열원 가스로 아르곤과 수소 가스를 흘려 용사건을 이동시키면서 40~50 kW의 파워에서 플라즈마를 생성하여 생성된 플라즈마를 이용하여 원료 분말을 용융시켜 모재에 코팅막을 형성했다. 상기 코팅막의 두께는 150~200 ㎛로 가지도록 형성하였으며, 수득된 용사 피막의 성분 비율은 하기 표1에서 기재한 바와 같다.

<실시예 2내지 6 및 비교예 1 내지 6>

1차 재료의 배합 비율이 하기 표 1에 기재된 성분비율을 가진 용사 피막이 제조 되도록 원재료를 배합하여 용사 재료를 조립하였으며, 조립된 용사 재료의 열처리 온도는 하기 표 1에서 기재한 바와 같다. 이 후, 수득된 용사 재료를 이용하여 실시예 1과 동일한 조건에서 용사 피막의 형성을 실시하였다.

실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 6에 의해 제조된 용사 피막을 분석해 보니 표 1과 같이 각 원소의 성분비를 나타내는 실험 데이터를 얻었다. 각각 실시예의 용사 피막의 물성을 측정하기 위해서 하기와 같은 실험을 진행하였고, 이로부터 얻어진 물성치를 하기 표 1에 요약하여 나타내었다. 또한, 참고를 위해서, 종래에 사용되어진 용사 피막의 물성을 비교예 7 내지 9에 아울러 나타냈다. Y-O-F-Al 다성분계 용사 피막은 전자주사현미경(SEM)으로 x-선분광분석법(EDS) 분석 진행 시 Y, O, F, Al 성분이 검출되며 x-선회절분석법(XRD) 분석시 결정질 특성을 갖는다.

<실험예1 - 용사 피막의 성분 농도 측정>

상기 실시예 1 내지 실시예 6과 비교예 1 내지 실시예 9에서 제조된 용사 피막내 Y, O, F 및 Al 성분 함량 변화를 분석하기 위하여, EDS 분석을 실시하고 그 결과를 표 1에 나타내었다.

성분 함량 분석은 용사 피막을 기재의 표면에 직교하는 면으로 절단하고, 얻어진 단면을 수지 매립 연마한 후, 전자 현미경(JEOL, JS-6010)을 사용하여 그 단면 화상을 EDS 측정 진행 하였다, EDS 측정시 CPS 수치가 1min 동안 100,000 Count 이상 확인된 수치의 표본으로 성분 확인 하였다.

<실험예2 - 용사 피막의 관찰>

도 1은 본 발명에 따른 비교예(비교예7, 8, 9) 및 실시예(실시예1)에 따른 용사 피막의 측면의 전자주사현미경(SEM) 사진이며, 도 1의 용사 피막 측면의 전자주사현미경(SEM) 사진을 통해서 실시예 1에 의해 제조된 다성분계 용사 피막의 기공의 면적이 비교예7, 8, 9에 의해서 제조된 용사 피막에 비하여 작다는 것을 확인하였다.

또한, 비교예(비교예7, 8, 9) 및 실시예(실시예1)에서 제조된 용사 피막의 단면에 나타난 기공의 면적을 통해 얻은 기공률(porosity)를 표 1 중에 나타내었다. 기공률의 측정은 이하와 같이 하여 행하였다. 즉, 용사 피막을 기재의 표면에 직교하는 면으로 절단하고, 얻어진 단면을 수지 매립 연마한 후, 전자 현미경(JEOL, JS-6010)을 사용하여 그 단면 화상을 촬영하였다(도 1). 이 화상을 화상 해석 소프트(MEDIA CYBERNETICS, Image Pro)를 사용하여 해석함으로써, 단면 화상 중의 기공 부분의 면적을 특정하고, 이러한 기공 부분의 면적이 전단면에 차지하는 비율을 산출함으로써 구하였다.

비교예 8 및 비교예 9에서 제조된 용사 피막의 기공률(prosity)은 3 내지 4%의 값을 나타내었으며, 비교예 7에 의해 형성된 불화이트륨(YF₃) 용사 피막의 기공률은 2 내지 3%를 나타내었다. 그러나, 실시예 1, 2는 기공률 1 내지 2%의 값을 보여주어 본 발명에 의한 다성분계 용사 피막의 치밀도가 종래에 이용된 조성의 용사 피막에 비하여 증가하였다는 것을 나타낸다.

도 2는 본 발명에 따른 비교예(비교예 7, 8) 및 실시예(실시예1)에 따른 용사 피막의 표면의 전자주사현미경(SEM) 사진이다. 도 2의 용사 피막 표면의 전자주사현미경(SEM) 사진을 통해서 비교예 7, 8에 의해서 제조된 용사 피막 표면에 나타나는 크랙의 수가 실시예 1에 의해 제조된 다성분계 용사 피막 표면에서 현저히 줄어드는 것을 관찰하였다.

<실험예3 - 경도 측정>

표 1 중의 「Hardness」의 란은, 각 용사 피막의 비커스 경도의 측정 결과를 나타내고 있다. 비커스 경도의 측정은, 미소 경도 측정기(회사명, 모델명)를 사용하고, 대면각 136 °의 다이아몬드 압자에 의해 시험력 294.2 mN을 부하했을 때에 구해지는 비커스 경도(Hv0.2)이다.

표 1에서 나타난 바와 같이, 비교예 7 내지 9의 이트륨계 용사 피막은 300 내지 400 Hv 경도를 나타내지만, 실시예 1, 2에서 Y-O-F-Al 다성분계 용사 피막은 450 내지 500 Hv 경도를 나타냄으로써 본발명은 종래의 이트륨 용사 피막보다 향상된 기계적 물성을 가진다.

<실험예4 - 식각 속도 측정>

표 1 중의 「Plasma Etch Rate」의 란은, 이하의 조건으로 각 용사 피막을 플라즈마에 노출시켰을 때에 식각 속도를 평가한 결과를 나타내고 있다. 즉, 먼저, 비교예 7 내지 9와 실시예 1, 2의 용사 피막이 부착된 부재를, 평행 평판형의 반도체 디바이스 제조 장치의 챔버 내의 상부 전극에 접하는 부재에 설치하였다. 그리고, 챔버 내의 스테이지에 실리콘 웨이퍼를 설치하고, 플라즈마 건식 에처를 실시하는 더미 런을 2시간 실시하였다. 에처 처리에 있어서의 플라즈마는, 챔버 내의 압력을 0.1 torr로 유지하고, 사불화탄소를 포함하는 에처 가스를 공급하면서, 2시간 동안 상부에서 700 W, 하부에서 250 W의 고주파 전력을 인가함으로써 발생시켰다.

상기 플라즈마 에처 공정 이후 반도체 디바이스 제조 장치의 챔버 내에 설치되었던 부재를 3차원 분석(KEYENCE, VK-X150K 3D analysis)함으로써 용사 피막의 에처 속도를 얻었다.

표 1에서 나타난 바와 같이, 비교예 7 내지 9는 3.12 ~ 3.99 μm/h 범위의 에처 속도(etch rate) 나타낸 반면, 실시예 1, 2는 2.88 ~ 3.01 μm/h 범위의 에처 속도는 나타내어 본 발명의 플라즈마 식각도가 감소하였다는 것을 나타낸다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는 바, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서, 본 발명의 실질적은 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims

불화이트륨(YF₃)의 비중이 30 내지 70% 질량과 잔분이 알루미나(Al₂O₃), 이트륨알루미늄가넷(YAG)을 혼합, 조립, 소성하여 Y-O-F-Al 다성분계 용사 재료를 제조하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 불화이트륨(YF₃), 알루미나(Al₂O₃) 및 이트륨알루미늄가넷(YAG) 입자들의 평균 입자 직경이 0.01 ㎛ 이상 7 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 Y-O-F-Al 다성분계 용사 재료를 제조하는 방법.
제1항에 있어서,
상기 소성하는 온도가 500 내지 1100 ℃인 것을 특징으로 하는 Y-O-F-Al 다성분계 용사 재료를 제조하는 방법.
제1항 내지 제3항 중 어느 하나의 방법으로 제조되며, 평균 입자 직경이 5 ㎛ 이상 100 ㎛ 이하인 Y-O-F-Al 다성분계 용사 재료.
제4항의 Y-O-F-Al 다성분계 용사 재료를 용사하여, 기재 상에 피막을 형성하는 Y-O-F-Al 다성분계 용사 피막을 제조하는 방법.
제5항에 있어서,
상기 용사가 플라즈마 용사인 것을 특징으로 하는 Y-O-F-Al 다성분계 용사 피막을 제조하는 방법.
제5항의 Y-O-F-Al 다성분계 용사 피막의 제조하는 방법으로 형성되며, 두께가 50 내지 400 μm인 Y-O-F-Al 다성분계 용사 피막.
제6항의 Y-O-F-Al 다성분계 용사 피막의 제조하는 방법으로 형성되며, 두께가 50 내지 400 μm인 Y-O-F-Al 다성분계 용사 피막.
다성분계 용사 피막에 있어서,
구성 원소로서 이트륨(Y), 산소(O), 불소(F) 및 알루미늄(Al)을 포함하며, 상기 이트륨과 불소에 대한 알루미늄 원소의 무게비(Al/Y+F)가 0.025 내지 0.25인 것을 특징으로 하는 Y-O-F-Al 다성분계 용사 피막.
제9항에 있어서,
상기 이트륨에 대한 불소의 무게비(F/Y)가 0.7 내지 1.3인 것을 특징으로 하는 Y-O-F-Al 다성분계 용사 피막.