KR20210106216A - 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법 및 이에 의한 코팅층을 갖는 반도체 증착공정용 반도체 장비 - Google Patents

금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법 및 이에 의한 코팅층을 갖는 반도체 증착공정용 반도체 장비 Download PDF

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Abstract

본 발명은 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법 및 이에 의한 코팅층을 갖는 반도체 증착공정용 반도체 장비에 관한 것으로서, 반도체 장비를 구성하는 피대상물의 일면에 코팅층을 형성하기 위한 반도체 장비용 코팅방법에 있어서, (A) 단일 또는 서로 다른 2종 이상의 금속분말을 코팅재료로 구비하는 단계; (B) 상기 금속분말에 의한 코팅재료를 고온의 열원으로 금속분말을 용융시키면서 피대상물을 향해 스프레이 처리함으로써 피대상물 상에 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 코팅재료가 되는 금속분말은 Al, Ti, TiN, Mo, Ga, W, Cr, Fe, Cu, V, Pt, Au, In, Sn, Ta 중에서 적어도 하나 이상이 사용되는 것을 특징으로 하며, 이러한 코팅방법에 의해 형성되는 코팅층을 갖는 반도체 증착공정용 반도체 장비를 생산할 수 있다.
본 발명에 따르면, 금속분말을 사용하고 이와 더불어 반도체 적용 코팅장비를 접목한 고온의 열을 이용함으로써 기존의 아크용사 코팅방식에 비해 밀도 높은 코팅층을 형성할 수 있고 기공률을 현저히 감소시킨 코팅층을 형성할 수 있으며, 이러한 코팅층을 갖는 반도체 장비를 반도체 증착공정에 활용시 증착효율을 높일 수 있고 양질의 반도체 제품을 생산하는데 기여할 수 있다.

Description

금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법 및 이에 의한 코팅층을 갖는 반도체 증착공정용 반도체 장비{COATING METHOD FOR SEMICONDUCTOR EQUIPMENT AND SEMICONDUCTOR EQUIPMENT FOR SEMICONDUCTOR DEPOSITION PROCESSING HAVING COATING LAYER BY THIS METHOD}
본 발명은 반도체 제조공정을 위한 반도체 장비용 코팅방법 및 이에 의한 코팅층을 갖는 반도체 증착공정용 반도체 장비에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 단일 원소 또는 서로 다른 2종 이상의 원소를 피대상물 측 코팅층 형성을 위한 코팅 소재로 사용하되 금속분말의 형태로 사용함과 더불어 반도체 적용 코팅장비를 접목하여 코팅작업을 수행할 수 있도록 하며, 이를 통해 기존의 아크용사 코팅방식에 비해 밀도 높은 코팅층 형성을 가능하게 하고 기공률을 크게 감소시킬 수 있도록 한 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법 및 이러한 코팅방법에 의해 밀도 높은 코팅층을 갖는 반도체 증착공정용 반도체 장비에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 제조를 위한 증착 공정은 기판 표면에 드레인 전극, 게이트 전극과 같은 소정의 박막들을 형성하는 작업으로서, 대부분 스퍼터링(sputtering) 방식으로 진행된다.
이러한 스퍼터링 방식에 의한 증착 작업은 진공 상태의 챔버 내부에 아르곤 등의 공정가스를 공급한 상태에서 RF전압 또는 DC전압을 인가하여 챔버 내에 플라즈마 방전을 발생시키고, 플라즈마 방전에 의해 공정가스의 이온화된 입자가 타겟과 충돌하면서 충돌에너지에 의해 상기 타겟으로부터 박막 형성을 위한 스퍼터링 입자(박막물질이라고도 함)들이 방출되고, 이 스퍼터링 입자들이 상기 챔버 내부에 배치된 기판 쪽으로 확산되면서 기판 일면에 증착되는 상태로 박막이 형성되게 하는 것이다.
이와 같은 스퍼터링 방식에 의한 증착 작업에는 스퍼터링 장치(때론 스퍼터라 함)가 사용되며, 이 스퍼터링 장치는 챔버 내에서 스퍼터링 수행에 의한 성막 작업이 진행될 수 있도록 형성된다.
상기 스퍼터링 장치는 보통 타겟 및 백플레이트가 설치되는 챔버와, 상기 챔버의 내벽에 타겟에서 방출되어 챔버 상에 분산되는 스퍼터링 입자를 잡아주어 기판 측에 증착되는 박막의 정밀성을 높이는 등 스퍼터링 효율을 향상시키기 위한 실드(shield)를 포함하도록 구성된다.
이때, 상기 실드는 챔버의 내벽으로 분산되는 스퍼터링 입자(박막물질)의 증착력을 높여서 이들이 비(非)정상적으로 박리(剝離)되는 것을 억제할 수 있는 표면 구조를 갖도록 형성하는 것이 매우 중요하며, 이를 통해 스퍼터링시 기판의 일면에 증착되어 형성되는 박막 측 오염 및 불량을 방지할 수 있도록 한다.
이를 위해, 종래에는 실드의 표면 또는 실드를 구비하지 않는 경우 챔버의 내벽에 코팅층을 갖도록 형성함으로써 스퍼터링 효율을 높이면서 증착 박막 측 오염을 방지하여 양질의 반도체 제품을 생산할 수 있도록 처리하고 있다.
부연하여, 상기 코팅층은 반도체 제조공정의 스퍼터링 작업을 위한 챔버의 내벽에 코팅 형성하는 것으로서, 그 작업효율성을 위해 주로 아크용사 코팅방식을 사용하고 있다.
또한, 반도체 제조를 위한 공정 중 PVD(Physical Vapor Deposition) 공정에서도 아크용사 코팅방식을 주로 사용하고 있다.
상기 아크용사 코팅방식은 금속와이어를 공급하되 아크 방전을 통해 용융 처리한 후 이를 스프레이 분사함에 의해 챔버 등 피대상물의 표면에 부착시켜 코팅하는 방식인데, 종래에는 용사재료인 금속와이어로 알루미늄(Al) 와이어를 주로 사용하고 있으며, 아크 방전에 의한 용융이 가능하도록 2개의 알루미늄(Al) 와이어 또는 이종의 금속 와이어를 공급하고 있다.
하지만, 동일한 소재 또는 서로 다른 소재에 의한 2개의 와이어를 사용하여 피대상물의 표면에 코팅층을 형성하는 종래의 방식은 스퍼터링 또는 PVD 등의 반도체 장비에 대한 기술 발전에 따라 디바이스와 가스 등의 상태 및 조건이 변화되는 추세에 있고, 이러한 기술 발전에 따라 변화되는 반응챔버 내 상태 및 조건은 코팅층의 품질 관리에 매우 중요한 변수로 작용되는데, 종래 금속 와이어를 사용하는 아크용사 방식은 이와 같은 디바이스와 가스 등의 상태 및 조건 변화에 대응하지 못하고 아크 변동 및 비대칭 용융 등이 발생되므로 스퍼터링 또는 PVD 공정시 반응챔버 내 악조건을 형성할 수밖에 없는 문제점 및 한계가 발생되고 있으며, 이로 인해 반응챔버의 내벽으로 분산되는 스퍼터링 또는 증착 입자(박막물질)을 잡아주는 부착력이 저하되므로 쉽게 박리(剝離)되는 문제점 및 일면에 증착되는 박막 측 오염 및 불량을 초래하는 문제점이 가중되고 있으며, 결국에는 스퍼터링 또는 PVD 공정 처리시 그 효율을 저하시키는 문제점을 야기하고 있다.
특히, 종래의 아크용사 코팅방식은 코팅에 의해 형성되는 코팅층 내에 높은 기공률(porosity)이 존재하는 단점을 갖는 것으로서, 이러한 기공률은 공정중에 아웃개싱(outgassing)의 문제를 유발하고 이로 인해 백업 타임이 길어지는 문제점이 있었으며, 형성되는 코팅층의 표면 특성상 파티클 소스(source)가 많아 전반적인 공정수율을 저하시키는 문제점이 있었다.
대한민국 공개특허공보 제10-2008-0082283호 대한민국 공개특허공보 제10-2018-0018964호
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해소 및 이를 감안하여 안출된 것으로서, 단일 원소 또는 서로 다른 2종 이상의 원소를 피대상물 측 코팅층 형성을 위한 코팅 소재로 사용하되 금속분말의 형태로 사용함과 아울러 반도체 적용 코팅장비를 접목하여 양질의 코팅작업을 수행할 수 있도록 하며, 이를 통해 기존의 아크용사 코팅방식에 비해 밀도 높은 코팅층의 형성을 가능하게 하는 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법 및 이러한 코팅방법에 의해 밀도 높은 코팅층을 갖는 반도체 증착공정용 반도체 장비를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 코팅에 따른 밀도를 높일 수 있도록 하고 피대상물 측 피코팅면에 형성되는 코팅층 내 기공률을 감소시킬 수 있도록 하며, 이를 통해 공정중에 발생할 수 있는 아웃개싱의 문제점을 감소시킴으로써 백업 타임을 감소시킬 수 있도록 한 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법 및 이러한 코팅방법에 의해 코팅층을 갖는 반도체 증착공정용 반도체 장비를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 피대상물에 형성되는 코팅층의 표면에 대해 파티클 소스(source) 자체를 감소시킬 수 있도록 하여 파티클 발생을 제거하거나 최소화할 수 있도록 하고, 코팅작업에 따른 공정수율을 향상시킬 수 있도록 하며, 반도체 제조를 위한 스퍼터링 또는 PVD 등의 공정에 반도체 장비를 활용시 증착효율을 향상시킬 수 있도록 한 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법 및 이러한 코팅방법에 의해 코팅층을 갖는 반도체 증착공정용 반도체 장비를 제공하는데 그 목적이 있다.
상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법은, 반도체 장비를 구성하는 피대상물의 일면에 코팅층을 형성하기 위한 반도체 장비용 코팅방법에 있어서, (A) 단일 또는 서로 다른 2종 이상의 금속분말을 코팅재료로 구비하는 단계; (B) 상기 금속분말에 의한 코팅재료를 고온의 열원으로 금속분말을 용융시키면서 피대상물을 향해 스프레이 처리함으로써 피대상물 상에 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하며, 상기 코팅재료가 되는 금속분말은 Al, Ti, TiN, Mo, Ga, W, Cr, Fe, Cu, V, Pt, Au, In, Sn, Ta 중에서 적어도 하나 이상이 사용되는 것을 특징으로 한다.
여기에서, 상기 피대상물 상에 형성시킨 코팅층 내 기공률을 2% 이하로 처리함이 바람직하다.
여기에서, 상기 금속분말은 0.1㎛ 내지 100㎛의 입자 크기를 사용함이 바람직하다.
여기에서, 상기 금속분말인 코팅재료에 대해 2가지의 금속분말을 선택 사용시, 총 100중량% 기준 제1금속분말 20~80중량%와 제2금속분말 20~80중량%의 범위 내에서 조성하여 혼합 사용함이 바람직하다.
여기에서, 상기 금속분말인 코팅재료에 대해 Al-Ti계열 합금류를 사용하는 경우, 총 100중량% 기준 Al 20~80중량%와 Ti 20~80중량%로 조성하여 혼합 사용함이 바람직하다.
여기에서, 상기 금속분말인 코팅재료에 대해 Al-Ti계열 합금류를 사용하는 경우, Al-Ti 이원계 합금, Al-Ti 삼원계 합금, Al-Ti 사원계 합금 중에서 적어도 하나 이상을 사용할 수 있다.
여기에서, 상기 고온의 열원은, 플라즈마 스프레이장비, PVD 장비, ALD 장비, HVOF 장비, Cold JET 장비, VPS 장비, Aerosol deposition 장비, Laser plating 장비 중에서 선택된 어느 하나의 장비로부터 제공할 수 있다.
여기에서, 상기 플라즈마 스프레이장비를 사용하는 경우, 플라즈마건을 포함하되, 상기 플라즈마건은 인터날 타입 건(internal type gun) 또는 익스터널 타입 건(external type gun)을 사용하되, 가스인젝터와 캐소드 및 애노드가 내재되며; 상기 애노드는 선단부에 내부 중공과 연통되는 1개 이상의 금속분말피딩홀을 갖는 포워드 타입(forward type)을 사용할 수 있다.
여기에서, 상기 플라즈마 스프레이장비를 사용하는 경우 운전조건은, 플라즈마 형성을 위한 전력은 33V 600A 내지 40V 995A이고, 플라즈마 형성을 위한 가스는 메인 공급가스로 Ar, 보조 공급가스로 He을 사용하고, 캐리어 가스로 Ar을 사용 및 압력조건 12~80psi로 공급하며, 금속분말의 주입을 위한 피딩속도는 0.5~1.2rpm로 처리함이 바람직하다.
여기에서, 상기 코팅층 형성시 용융시킨 금속분말의 스프레이 거리는 50mm 내지 300mm를 유지함이 바람직하다.
여기에서, 상기 코팅층은 10MPa 이상의 부착성 및 1700Hv 이상의 경도를 형성함이 바람직하다.
여기에서, 상기 코팅 적용 가능한 반도체 장비는 One piece shield, Cove ring, Shutter Disk, Depo Ring, Combined Shield, Upper Shield, Lower shield, Inner Shield, Earth shield, Platen Ring, Insulator, Plate Tag Shield URP, Plate Tag Shield LOW, SHIELD MASK, SHIELD MASK BASE, SHIELD CHAMBER UPPER, SHIELD SHUTTER UPPER, SHIELD SHUTTER LOWER 중에서 선택된 어느 1군일 수 있다.
또한, 상기의 목적을 달성하기 위한 본 발명에 따른 반도체 증착공정용 반도체 장비는 상술한 기술 구성을 갖는 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법에 의해 형성시킨 코팅층을 갖는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따르면, 단일 또는 2종 이상의 금속분말을 사용하고 이와 더불어 플라즈마 스프레이 장비 등 반도체 적용 코팅장비를 접목하는 코팅방법을 수행함으로써 기존의 아크용사 코팅방식에 비해 피대상물 측 피코팅면에 밀도 높은 코팅층을 형성할 수 있고 기공률을 현저히 감소시킨 코팅층을 형성할 수 있으며, 이를 통해 공정중에 발생할 수 있는 종래 아웃개싱의 문제점을 감소시킴은 물론 백업 타임을 감소시킬 수 있는 유용한 효과를 달성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 반도체 장비 측 피코팅면에 형성되는 코팅층의 표면에 대해 파티클 소스(source) 자체를 감소시킬 수 있어 파티클 발생을 제거하거나 최소화할 수 있고, 기존에 비해 코팅작업에 따른 공정수율을 향상시킬 수 있는 유용한 효과를 달성할 수 있다.
본 발명에 따르면, 반도체 제조를 위한 스퍼터링 또는 PVD 등의 증착공정에 반도체 장비를 활용시 증착효율을 향상시킬 수 있으며, 양질의 제품을 생산하는데 기여할 수 있는 반도체 증착공정용 반도체 장비를 제공할 수 있다.
본 발명은 반도체 증착공정에 사용되는 모든 반도체 장비에 적용할 수 있으며, 즉 반도체 장비를 구성하는 모든 부품에 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장비용 코팅방법을 설명하기 위해 나타낸 개략적 공정도이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장비용 코팅방법에 있어 코팅단계에 사용되는 플라즈마 스프레이장비를 나타낸 개략적 블록 구성도이다.
도 3은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장비용 코팅방법에 있어 코팅단계를 설명하기 위해 나타낸 개념도이다.
도 4 내지 도 8은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장비용 코팅방법에 의해 형성시킨 코팅층에 대한 물성 특성 및 평가를 실시한 데이터이다.
도 9는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장비용 코팅방법에 사용 가능한 코팅재료 중에서 Ti 금속분말의 배율별 이미지를 보여주는 데이터이다.
도 10은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장비용 코팅방법에 사용 가능한 코팅재료 중에서 Al 금속분말의 배율별 이미지를 보여주는 데이터이다.
본 발명에 대해 첨부한 도면을 참조하여 바람직한 실시예를 설명하면 다음과 같으며, 이와 같은 상세한 설명을 통해서 본 발명의 목적과 구성 및 그에 따른 특징들을 보다 잘 이해할 수 있게 될 것이다.
본 발명의 실시예에 따른 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법은 단일 또는 서로 다른 2종 이상의 금속분말을 코팅재료로 사용하여 반도체 제조에 사용되는 반도체 장비를 구성하는 피대상물의 일면(피코팅면)에 코팅층을 형성하기 위한 것으로서, 플라즈마 열원을 이용한 플라즈마 스프레이 장비 등 반도체 적용 코팅장비를 활용한 코팅방식을 접목하여 코팅작업을 수행할 수 있도록 한 것이다.
이때, 반도체 적용 코팅장비는 플라즈마 스프레이 장비, PVD 장비, ALD 장비, HVOF 장비, Cold JET 장비, VPS 장비, Aerosol deposition 장비, Laser plating 장비 중에서 어느 하나를 선택하여 사용할 수 있다.
이하, 본 발명에서는 금속분말을 사용함과 더불어 플라즈마 열원을 이용하는 플라즈마 스프레이 코팅방식을 위주로 설명하면서 기존 아크용사 코팅방식에 비해 밀도를 높인 코팅층을 형성시키면서 기공률은 크게 감소시킬 수 있는 코팅방법을 제안하고자 한다.
이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법은 도 1에 나타낸 바와 같이, 코팅재료 구비단계(S100)와 코팅단계(S200)로 이루어질 수 있다.
상기 코팅재료 구비단계(S100)는 금속분말을 코팅재료로 구비하는 단계이다.
이때, 상기 코팅재료는 단일 금속원소 또는 서로 다른 2종 이상의 금속원소를 사용할 수 있으며, 일정 크기를 갖는 파우더형 금속분말을 사용함이 바람직하다.
상기 코팅재료는 Al, Ti, TiN, Mo, Ga, W, Cr, Fe, Cu, V, Pt, Au, In, Sn, Ta의 금속원소 중에서 적어도 하나 이상이 사용될 수 있으며, 파우더형 금속분말로 구비된다.
상기 코팅재료로 구비되는 파우더형 금속분말은 0.1㎛ 내지 100㎛ 입자 크기의 것을 사용함이 바람직하다.
여기에서, 상기 금속분말에 대해 0.1㎛ 미만의 입자를 사용하는 경우에는 피딩에 의한 공급시 원활한 피딩 처리가 어렵고 뭉침현상이 발생되며, 특히 스프레이 처리되는 플라즈마 측 고온의 열원에 표면적이 작아 쉽게 타버리는 문제점 및 이로 인해 코팅층 상에 블랙 스폿 생성을 야기하는 등 양질의 코팅층 형성을 저해한다.
상기 금속분말에 대해 100㎛ 입자를 초과하는 경우에는 표면적이 넓어 우수한 용융 특성을 발휘되게 할 수 있으나, 피코팅면에 형성되는 코팅층 측 기공률(porosity)이 커지므로 높은 밀도를 갖는 코팅층 형성이 어렵고 공정중에 아웃개싱(outgassing)이 발생될 우려가 높으며, 공정중에 발생할 수 있는 아웃개싱의 문제를 전혀 개선할 수 없게 된다.
상기 코팅재료는 상술한 입자 크기를 갖는 파우더형 금속분말을 사용하도록 하되, 상기에서 나열한 금속분말 중에서 챔버나 샤워헤드 등의 부품별 또는 증착이나 식각 등의 제조공정별로 그 사용 목적 및 특성에 맞게 단일 코팅 또는 합금 코팅을 수행할 수 있다.
여기에서, 상기 코팅재료에 대해 서로 다른 2종 이상의 금속분말을 사용하는 경우에는 사용 목적 및 특성에 따라 각각의 금속분말에 대해 동일한 중량비로 조성하여 혼합 사용하거나 조성하는 비율을 조절하여 혼합 사용할 수 있다 할 것이다.
예를 들어, Ti 스퍼터링 공정을 수행시에는 Ti, TiN, Al-Ti, Al-TiN 등의 형태로 코팅재료를 사용할 수 있다.
즉, 상기 코팅재료를 구비함에 있어서는 Al-Ti, Al-TiN, Al-W, Ti-Cu 등 상술하게 나열한 금속원소 중에서 다양한 조합으로 혼합 사용할 수 있으며, 이와 같이 2가지의 금속분말을 선택 조합하는 경우 총 100중량% 기준하여 제1금속분말 20~80중량%와 제2금속분말 20~80중량%의 범위 내에서 혼합 사용할 수 있다.
상세하게, 상기 코팅재료를 구비함에 있어 코팅단계(S200)를 수행시, 코팅효율은 물론 기공률과 부착력 및 강도 등 물성이 우수한 코팅층 형성을 위해 Al-Ti계열 합금류를 사용할 수 있다 할 것인데, 이러한 경우 총 100중량% 기준 Al(금속분말) 20~80중량%와 Ti(금속분말) 20~80중량%로 조성하여 혼합 사용할 수 있다.
또한, 상기 코팅재료를 구비함에 있어 Al-Ti계열 합금류를 사용하는 경우에는 Al-Ti 이원계 합금, Al-Ti 삼원계 합금, Al-Ti 사원계 합금 중에서 적어도 하나 이상을 사용할 수도 있다.
상기 코팅단계(S200)는 고온의 열원을 이용하여 금속분말을 용융시키면서 이와 동시에 피대상물 측 피코팅면을 향해 스프레이 처리함으로써 피대상물(10) 측 피코팅면으로 용융된 금속분말에 의한 코팅층(1)을 형성하는 단계이다.
이때, 상기 코팅단계(S200)에서는 금속분말의 사용과 더불어 이를 용융 처리하기 위한 고온의 열원을 제공하는 것으로서, 플라즈마 스프레이장비를 비롯하여 PVD 장비, ALD 장비, HVOF 장비, Cold JET 장비, VPS 장비, Aerosol deposition 장비, Laser plating 장비 중에서 선택된 어느 1군의 장비를 사용할 수 있다.
여기에서, 상기 코팅단계(S200)는 플라즈마 스프레이장비를 사용하여 코팅 처리하는 방식을 위주로 설명하기로 한다.
상기 플라즈마 스프레이장비(100)는 도 2 및 도 3에 나타낸 바와 같이, 플라즈마건(110), 파우더 피더(120), 로봇(130), 로봇파워(140), 칠러(150), 파워서플라이(160), 하이 프리퀀시(170), 메인콘솔(180)을 포함한다.
상기 플라즈마건(110)은 내부에서 플라즈마를 생성 및 생성된 플라즈마 열원을 전방을 향해 스프레이 분사하는 기능을 한다.
상기 플라즈마건(110)은 코팅재료인 금속분말을 내부로 주입하는 인터날 타입 건(internal type gun) 또는 코팅재료인 금속분말을 외부로 주입하는 익스터널 건(external type gun)을 사용할 수 있으며, 2가지 타입 모두 동일하게 본체(111)가 구비되고, 상기 본체(111)의 내부에 가스인젝터(112)와 캐소드(113) 및 애노드(114)가 내재되어 장착된다.
상기 가스인젝터(112)는 가스주입구가 형성되어 있고, 플라즈마 형성을 위한 Ar 및 He을 공급하는 기능을 한다.
상기 애노드(114)는 코팅재료인 금속분말을 스프레이 분사하는 노즐에 해당하는 것으로서, 선단부에 노즐기능을 위한 내부 중공과 연통되는 1개 이상의 금속분말피딩홀(114a)이 형성된다.
이때, 상기 애노드(114)는 포워드 타입(forward type)을 사용함이 바람직하다.
상기 애노드(114) 측 금속분말피딩홀(114a)에는 금속분말 피딩호스(115)의 일단부가 연결되고 파우더 피더에 타단부가 연결되며, 이를 통해 코팅재료인 금속분말을 플라즈마건(110)의 내부로 용이하면서도 원활하게 주입하도록 구비된다.
상기 파우더 피더(120)는 가스의 압력을 이용하여 코팅재료인 금속분말을 피딩하여 플라즈마건(110)으로 공급하는 기능을 한다.
상기 로봇(130)은 상기 플라즈마건(110)과 결합되는 것으로서, 플라즈마건 측 스프레이 거리를 유지 및 조절하는 기능을 하며, 프로그램에 의해 동작하도록 구비된다.
상기 로봇파워(140)는 상기 로봇(130) 측 움직임을 위한 메인 전원 및 필요 전력을 공급하는 기능을 하고, 프로그램 메모리가 저장되어 구비된다.
상기 칠러(150)는 상기 플라즈마건(110)의 내부에 고압 방전에 의한 고온의 플라즈마 생성시 플라즈마건(110)을 냉각시키는 기능을 한다.
상기 파워서플라이(160)는 플라즈마 생성에 필요한 전력을 공급하는 기능을 한다.
상기 하이 프리퀀시(170)는 상기 파워서플라이(160)에서 발생한 전압에 대해 이를 증폭하여주는 기능을 한다.
상기 메인 콘솔(180)은 전압이나 전류 및 가스 등에 대한 설정치를 조절할 수 있는 구성요소이다.
즉, 상기 코팅단계(S200)에서는 도 3에서 보여주는 바와 같이, 상술한 금속분말로 구비되는 코팅재료를 플라즈마 스프레이장비(100) 측 플라즈마건(110)으로 주입함에 의해 플라즈마가 갖는 고온의 열원으로 금속분말을 용융시키면서 이와 동시에 피대상물 측 피코팅면을 향해 스프레이 처리함으로써 피대상물(10) 측 피코팅면에 용융된 금속분말에 의한 코팅층(1)을 형성되게 할 수 있다.
상기 코팅단계(S200)에서는 상술한 금속분말로 구비되는 코팅재료를 사용하되, 이와 더불어 플라즈마 스프레이장비(100) 측 운전조건을 제어함으로써 피대상물(10)의 피코팅면으로 형성되는 코팅층(1) 내 기공률을 2% 이하로 처리할 수 있다.
또한, 상기 코팅층(1)은 10MPa 이상의 부착성과 1700Hv 이상의 경도를 만족하도록 처리할 수 있다.
이를 위해, 상기 플라즈마 스프레이장비(100) 측 운전조건에 있어서는, 플라즈마 형성을 위한 전력에 대해 33V 600A 내지 40V 995A로 공급하고, 플라즈마 형성을 위한 가스에 대해 메인 공급가스로 Ar과 보조 공급가스로 He을 공급하고, 캐리어 가스로 Ar을 사용하되 압력조건 12~80 psi 범위로 공급하며, 코팅재료인 금속분말의 플라즈마건 측 주입을 위한 피딩속도에 대해 0.5~1.2rpm로 처리함이 바람직하다.
이때, 상기 코팅단계(S200)에서는 용융되는 금속분말의 스프레이 거리에 대해 플라즈마건(110)의 단부와 피대상물(10) 측 피코팅면간을 기준으로 50mm 내지 300mm를 유지함이 바람직하며, 이를 통해 우수한 물성을 확보함과 더불어 파티클 생성을 감소시킬 수 있는 등 전반적으로 코팅효율을 높일 수 있다.
상기 코팅단계(S200)에서는 금속분말인 코팅재료를 사용하여 피대상물(10) 측 피코팅면에 형성시키는 코팅층(1)에 대해 반도체 장비 및 부품에 따라 다양한 두께로 형성할 수 있으며, 형성두께를 조절할 수 있다.
여기에서, 본 발명에 따른 금속분말을 이용한 코팅방법은 One piece shield, Cove ring, Shutter Disk, Depo Ring, Combined Shield, Upper Shield, Lower shield, Inner Shield, Earth shield, Platen Ring, Insulator, Plate Tag Shield URP, Plate Tag Shield LOW, SHIELD MASK, SHIELD MASK BASE, SHIELD CHAMBER UPPER, SHIELD SHUTTER UPPER, SHIELD SHUTTER LOWER 등 이를 포함하는 반도체 장비를 비롯하여 반도체 증착공정용 모든 반도체 장비에 적용할 수 있다.
여기에서, 상기 반도체 장비는 알루미늄(Al), 스테인리스(SUS), 티타늄(Ti), 세라믹, 인코넬(inconel) 등의 재질로 이루어진 것일 수 있다.
한편, 이하에서는 상술한 단계의 구성으로 이루어지는 본 발명에 따른 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법에 있어, 이러한 코팅방법에 의해 형성시킨 코팅층에 대한 물성 특성 및 평가를 위한 테스트를 실시하였으며, 그 결과는 도 4 내지 도 8에 나타내었다.
본 발명에 있어 테스트를 위한 코팅재료로는 Al 금속분말과 Ti 금속분말을 사용하되, Al : Ti = 1(50중량%) : 1(50중량%)의 중량비로 조성하여 혼합한 Al-Ti계열 합금분말을 사용하였다.
또한, 코팅재료를 용융 및 스프레이 처리하기 위한 반도체 적용 장비로서, 플라즈마 스프레이장비를 사용하되, 운전조건에 대해서는 36V 600A의 전력, Ar과 He 혼합가스, 0.7rpm의 피딩속도, 캐리어 가스로서 Ar을 사용 및 15psi 압력조건을 적용하였으며, 스프레이 거리는 200mm로 적용하였다.
비교군으로서, 종래와 종래 1은 아크용사 코팅방식에 의한 코팅층을 사용하였으며, 종래는 Al 금속와이어 2개를 사용한 아크용사 코팅방식을 적용한 것이고, 종래 1은 Al 금속와이어와 Ti 금속와이어 2개를 사용한 아크용사 코팅방식을 적용한 것이다.
도 4는 비교군으로서 종래 1과 본 발명에 따른 코팅층에 대한 특징을 비교한 데이터로서, 본 발명에서의 코팅층이 갖는 기공률(porosity)이 1.5%를 나타내고 있고, 종래 1의 비교군이 갖는 기공률이 10%를 나타내고 있다.
즉, 본 발명이 종래 1에 비해 기공률에 있어 현저하게 감소된 상태임을 확인할 수 있으며, 기공률 이미지(빨간색 부분이 기공을 형성하는 부분임)에서도 코팅층 측 기공률에 대한 차이를 시각적으로 확인할 수 있다.
또한, 본 발명이 종래 1에 비해 경도에서도 더욱 우수한 물성을 나타냄을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 코팅층과 더불어 종래 및 종래 1이 갖는 비교군과의 물성을 비교한 데이터로서, 비교군들에 비해 본 발명에서의 기공률이 현저하게 감소되었음을 수치 결과 및 이미지 상에서 확인할 수 있으며, 본 발명이 경도에서도 종래 및 종래 1에 비해 우수한 물성을 나타내고 있음을 확인할 수 있다.
즉, 본 발명에서는 코팅층 내 기공률에 대해 2% 이하의 기공률로 처리할 수 있음을 보여주고 있으며, 종래 및 종래 1에 비해 기공률을 85% 정도 대폭 감소시킬 수 있음을 보여주고 있다.
도 6은 본 발명에 따른 코팅방법에 의한 코팅층 형성시, 거리별에 따른 물성 평가를 실시한 데이터로서, 스프레이 거리에 대해 300mm를 초과하는 경우 코팅층 내 기공률이 증가하거나 측정이 불가한 상태임을 보여주고 있다.
도 7은 본 발명에 따른 코팅방법에 의한 코팅층 형성시, 거리별에 따른 파티클 평가를 실시한 데이터이다.
이때, 거리별 파티클 평가는 샘플에 대해 고압수를 스프레이한 후 CDA 블로윙을 통해 세정하고, 샘플 측 테이핑을 수행한 후 무게추를 얹은 상태에서 1cm × 1cm 이내의 발생하는 파티클 수를 현미경으로 관찰하였다.
여기에서는 스프레이 거리가 감소할수록 파티클 수가 감소하는 경향을 나타냄을 보여주고 있으며, 300mm를 초과할수록 부착력이 저하됨을 확인할 수 있다.
도 8은 본 발명에서의 코팅방법이 종래 및 종래 1의 비교군에 비해 파티클 생성이 감소되는 원리를 개략적으로 도시 및 코팅층을 촬영한 상태를 나타낸 데이터이다.
도 8에서 보여주는 바와 같이, 종래 및 종래 1의 아크용사 코팅방식은 아크 코팅시 형성되는 코팅층의 표면에 있어 표면이 날카로운 톱니형 구조를 형성하므로 파티클을 쉽게 생성할 수 있는 파티클 소스가 자리를 잡고 있으며, 코팅층 내 기공률이 상대적으로 많은 아웃 가스(out gas) 배출이 발생될 수 있음을 보여주고 있다.
이에 반하여, 본 발명에서는 금속분말과 플라즈마 등 고온의 열원을 이용하므로 용융률 및 코팅률이 우수하여 코팅시 표면의 날카로운 톱니 부분을 코팅막으로 덮고, 이를 통해 비교적 평탄층을 갖는 형태로 코팅층을 형성하므로 파티클 소스 자체가 감소되는 특성을 보여주고 있으며, 코팅층 내 기공률이 낮아 상대적으로 적은 아웃 가스(out gas) 배출이 발생될 수 있음을 보여주고 있다.
이와 더불어, 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장비용 코팅방법에 사용 가능한 코팅재료 중에서 Ti 금속분말의 배율별 이미지를 보여주고 있으며, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장비용 코팅방법에 사용 가능한 코팅재료 중에서 Al 금속분말의 배율별 이미지를 보여주고 있다.
이에 따라, 본 발명을 통해서는 반도체 증착공정용 반도체 장비를 피대상물로 하여 코팅 작업시, 금속분말을 사용하고 이와 더불어 고온의 열원을 제공하는 반도체 적용 장비를 접목함으로써 금속분말과 고온의 열원을 이용하므로 기존의 아크용사 코팅방식에 비해 밀도 높은 코팅층을 형성할 수 있고 기공률을 현저히 감소시킨 코팅층을 형성할 수 있으며, 공정중에 발생할 수 있는 아웃개싱의 문제점을 감소시킴은 물론 백업 타임을 감소시킬 수 있는 장점을 제공할 수 있다.
이상에서 설명한 실시예는 본 발명의 바람직한 실시예를 설명한 것에 불과하고 이러한 실시예에 극히 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상과 청구범위 내에서 이 기술분야의 당해업자에 의하여 다양한 수정과 변형 또는 단계의 치환 등이 이루어질 수 있다 할 것이며, 이는 본 발명의 기술적 범위에 속한다 할 것이다.
S100: 코팅재료 구비단계
S200: 코팅단계

Claims (13)

  1. 반도체 장비를 구성하는 피대상물의 피코팅면에 코팅층을 형성하기 위한 반도체 장비용 코팅방법에 있어서,
    (A) 단일 또는 서로 다른 2종 이상의 금속분말을 코팅재료로 구비하는 단계;
    (B) 상기 금속분말에 의한 코팅재료를 고온의 열원으로 금속분말을 용융시키면서 피대상물을 향해 스프레이 처리함으로써 피대상물 상에 코팅층을 형성하는 단계; 를 포함하며,
    상기 코팅재료가 되는 금속분말은 Al, Ti, TiN, Mo, Ga, W, Cr, Fe, Cu, V, Pt, Au, In, Sn, Ta 중에서 적어도 하나 이상이 사용되는 것을 특징으로 하는 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기 피대상물 상에 형성시킨 코팅층 내 기공률을 2% 이하로 처리하는 것을 특징으로 하는 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 금속분말은 0.1㎛ 내지 100㎛의 입자 크기인 것을 특징으로 하는 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 금속분말인 코팅재료에 대해 2가지의 금속분말을 선택 사용시, 총 100중량% 기준 제1금속분말 20~80중량%와 제2금속분말 20~80중량%의 범위 내에서 조성하여 혼합 사용하는 것을 특징으로 하는 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법.
  5. 제 1항에 있어서,
    상기 금속분말인 코팅재료에 대해 Al-Ti계열 합금류를 사용하는 경우, 총 100중량% 기준 Al 20~80중량%와 Ti 20~80중량%로 조성하여 혼합 사용하는 것을 특징으로 하는 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법.
  6. 제 1항에 있어서,
    상기 금속분말인 코팅재료에 대해 Al-Ti계열 합금류를 사용하는 경우, Al-Ti 이원계 합금, Al-Ti 삼원계 합금, Al-Ti 사원계 합금 중에서 적어도 하나 이상을 사용하는 것을 특징으로 하는 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법.
  7. 제 1항에 있어서,
    상기 고온의 열원은,
    플라즈마 스프레이장비, PVD 장비, ALD 장비, HVOF 장비, Cold JET 장비, VPS 장비, Aerosol deposition 장비, Laser plating 장비 중에서 선택된 어느 하나의 장비로부터 제공하는 것을 특징으로 하는 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법.
  8. 제 7항에 있어서,
    상기 플라즈마 스프레이장비를 사용하는 경우, 플라즈마건을 포함하되,
    상기 플라즈마건은 인터날 타입 건(internal type gun) 또는 익스터널 타입 건(external type gun)을 사용하되, 가스인젝터와 캐소드 및 애노드가 내재되며;
    상기 애노드는 선단부에 내부 중공과 연통되는 1개 이상의 금속분말피딩홀을 갖는 포워드 타입(forward type)인 것을 특징으로 하는 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법.
  9. 제 7항에 있어서,
    상기 플라즈마 스프레이장비를 사용하는 경우 운전조건은,
    플라즈마 형성을 위한 전력은 33V 600A 내지 40V 995A이고,
    플라즈마 형성을 위한 가스는 메인 공급가스로 Ar, 보조 공급가스로 He을 사용하고,
    캐리어 가스로 Ar을 사용하되 압력조건 12~80 psi로 공급하며,
    금속분말의 주입을 위한 피딩속도는 0.5~1.2rpm로 처리하는 것을 특징으로 하는 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법.
  10. 제 1항에 있어서,
    상기 코팅층 형성시 용융시킨 금속분말의 스프레이 거리는 50mm 내지 300mm를 유지되게 하는 것을 특징으로 하는 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법.
  11. 제 1항에 있어서,
    상기 코팅층은 10MPa 이상의 부착성 및 1700Hv 이상의 경도를 만족하는 것을 특징으로 하는 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법.
  12. 제 1항에 있어서,
    상기 코팅 적용 가능한 반도체 장비는 One piece shield, Cove ring, Shutter Disk, Depo Ring, Combined Shield, Upper Shield, Lower shield, Inner Shield, Earth shield, Platen Ring, Insulator, Plate Tag Shield URP, Plate Tag Shield LOW, SHIELD MASK, SHIELD MASK BASE, SHIELD CHAMBER UPPER, SHIELD SHUTTER UPPER, SHIELD SHUTTER LOWER 중에서 선택된 어느 1군인 것을 특징으로 하는 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법.
  13. 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 의한 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법을 사용하여 형성시킨 코팅층을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 증착공정용 반도체 장비.
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