KR20220035628A - 레이저빔 및 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법 및 이에 의한 코팅층을 갖는 반도체 증착공정용 반도체 장비 - Google Patents
레이저빔 및 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법 및 이에 의한 코팅층을 갖는 반도체 증착공정용 반도체 장비 Download PDFInfo
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Abstract
본 발명은 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법 및 이에 의한 코팅층을 갖는 반도체 증착공정용 반도체 장비에 관한 것으로, 상기 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법은 기존의 아크용사 코팅방식, 플라즈마 스프레이 코팅방식에 비해 기재 상의 피코팅면에 밀도 높은 코팅층을 형성할 수 있고 기공률을 현저히 감소시킨 코팅층을 형성할 수 있으며, 다양한 표면거칠기를 갖는 코팅층을 형성할 수 있고, 이를 통해 공정 중에 발생할 수 있는 종래 아웃개싱의 문제점을 감소시킴은 물론 코팅층의 부착성을 향상시킬 수 있고 다양한 형태의 코팅층을 형성할 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 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.
Description
본 발명은 반도체 제조공정을 위한 반도체 장비용 코팅방법 및 이에 의한 코팅층을 갖는 반도체 증착공정용 반도체 장비에 관한 것으로서, 구체적으로는 단일 원소 또는 서로 다른 2종 이상의 원소를 기재 상에 코팅층 형성을 위한 코팅 소재로 사용하되 금속분말의 형태로 사용함과 더불어 레이저빔이 출사되는 3D 코팅장비를 접목하여 코팅작업을 수행할 수 있도록 하며, 이를 통해 기존에 적용하던 코팅방식에 비해 밀도 높은 코팅층 형성을 가능하게 하고 기공률을 크게 감소시킬 뿐만 아니라 다양한 형상의 코팅을 가능하도록 한 레이저빔 및 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.
이에, 업계에서는 파티클 소스를 줄이고 기공률을 저감할 수 있으며, 이를 통해 공정수율을 높이면서 코팅품질을 향상시킬 수 있는 기술개발을 요구하는 실정에 있다.
이러한 업계에서의 요구에 부응함과 더불어 종래의 아크용사 코팅방식을 개선하기 위해 본원출원인은 다양한 연구 및 개발을 수행하고 있으며, 1차적으로 금속와이어와 플라즈마를 접목하여 파티클 소스를 줄이는 코팅기술을 개발 및 출원한 바 있다.
또한, 본원출원인은 계속적인 연구개발을 통해 금속와이어 대신 금속분말을 사용하는 방식의 코팅기술을 획득하여 이를 출원한 바 있으며, 본원출원인 제안한 기술들을 통해 피대상물 측 피코팅면에 밀도 높은 코팅층을 형성하고 기공률을 감소시킨 코팅층을 형성할 수 있음을 제시하였다.
이에 더하여, 본원출원인은 기존에 출원한 코팅기술들에 비해 더욱 향상되고 우수한 코팅품질을 제공할 수 있는 코팅기술을 이하에 제안하려고 하며, 특히 밀도 및 기공률을 향상시킬 수 있고 기재 측 부착력을 높일 수 있으며 표면 거칠기를 다양하게 조절할 수 있는 새로운 형태의 코팅방법을 제안하려고 한다.
본 발명은 상술한 종래의 문제점을 해소 및 이를 감안하여 안출된 것으로서, 단일 원소 또는 서로 다른 2종 이상의 원소를 기재 측 코팅층 형성을 위한 코팅 소재로 사용하되 금속분말의 형태로 사용함과 아울러 레이저빔이 출사되는 3D 프린팅 장비를 접목하여 양질의 코팅작업을 수행할 수 있도록 하며, 이를 통해 기존의 아크용사 코팅방식 또는 플라즈마 코팅방식에 비해 밀도 높은 코팅층의 형성을 가능하게 하는 레이저빔 및 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 기재 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 레이저빔 및 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법 및 이러한 코팅방법에 의해 코팅층을 갖는 반도체 증착공정용 반도체 장비를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 기재에 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, 다양한 표면 형태의 코팅층을 형성할 수 있는 레이저빔 및 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법 및 이러한 코팅방법에 의해 코팅층을 갖는 반도체 증착공정용 반도체 장비를 제공하는데 그 목적이 있다.
본 발명은 반도체 장비를 구성하는 기재의 피코팅면에 코팅층을 형성하기 위한 반도체 장비용 코팅방법에 있어서,
(A) 단일 또는 서로 다른 2종 이상의 금속분말을 코팅재료로 구비하는 단계;
(B) 상기 금속분말에 의한 코팅재료를 103 내지 109 W/cm2 세기의 레이저빔을 이용하여 금속분말을 용융시키면서 기재 표면에 용융풀을 형성하여 기재 일면에 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 레이저빔 및 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법을 제공한다.
또한, 상기 서술한 레이저빔 및 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법을 사용하여 형성시킨 코팅층을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 증착공정용 반도체 장비를 제공한다.
본 발명에 따르면, 단일 또는 2종 이상의 금속분말을 사용하고 이와 더불어 레이저빔이 출사되는 3D 코팅장비 등 반도체 적용 코팅장비를 접목하는 코팅방법을 수행함으로써 기존의 아크용사 코팅방식, 플라즈마 스프레이 코팅방식에 비해 기재 상의 피코팅면에 밀도 높은 코팅층을 형성할 수 있고 기공률을 현저히 감소시킨 코팅층을 형성할 수 있으며, 다양한 표면거칠기를 갖는 코팅층을 형성할 수 있고, 이를 통해 공정중에 발생할 수 있는 종래 아웃개싱의 문제점을 감소시킴은 물론 코팅층의 부착성을 향상시킬 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 3D 프린팅 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 코팅단계를 설명하기 위해 나타낸 개념도이다.
도 3 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장비용 코팅방법에 의해 형성시킨 코팅층에 대한 물성 특성 및 평가를 실시한 데이터이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장비용 코팅방법에 의해 형성시킨 코팅층의 다양한 코팅층 형태를 촬영한 이미지이다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장비용 코팅방법에 있어 코팅단계를 설명하기 위해 나타낸 개념도이다.
도 3 내지 도 9는 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장비용 코팅방법에 의해 형성시킨 코팅층에 대한 물성 특성 및 평가를 실시한 데이터이다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장비용 코팅방법에 의해 형성시킨 코팅층의 다양한 코팅층 형태를 촬영한 이미지이다.
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 레이저빔 및 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법은 단일 또는 서로 다른 2종 이상의 금속분말을 코팅재료로 사용하여 반도체 제조에 사용되는 반도체 장비를 구성하는 기재의 일면(피코팅면)에 코팅층을 형성하기 위한 것으로서, 레이저빔을 이용한 3D 프린팅 장비 등 반도체 적용 코팅장비를 활용한 코팅방식을 접목하여 코팅작업을 수행할 수 있도록 한 것이다.
이때, 반도체 적용 코팅장비는 3D 프린팅 장비 중에서 DED(Directed energy deposition) 및 DMD(Directed metal deposition) 중 어느 하나의 방식을 선택하여 사용할 수 있다.
이하, 본 발명에서는 금속분말을 사용함과 더불어 레이저빔을 이용하는 3D 프린팅 방식을 위주로 설명하면서 기존 아크용사 코팅방식 또는 플라즈마 스프레이 코팅방식에 비해 밀도를 높인 코팅층을 형성시키면서 기공률은 크게 감소시킬 수 있고, 다양한 코팅 형태를 표현할 수 있는 방법을 제안하고자 한다.
이를 위해, 본 발명의 실시예에 따른 레이저빔 및 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 40㎛ 내지 180㎛ 또는 44㎛ 내지 150㎛ 입자 크기의 것을 사용함이 바람직하다.
여기에서, 상기 금속분말에 대해 40㎛ 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 180㎛ 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.
또한, 상기 금속분말의 입자 크기가 상기 범위를 만족하지 않은 경우 분말 전달(powder delivery)이 감소되어 증착률이 저하된다.
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 증착 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 10~90중량%와 제2금속분말 10~90중량%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) 10~90중량%와 Ti(금속분말) 10~90중량%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 레이저빔을 이용하여 금속분말을 용융시키면서 이와 동시에 기재의 피코팅면에 용융풀을 형성함으로써 기재(10) 상의 피코팅면으로 용융된 금속분말에 의한 코팅층(1)을 형성하는 단계이다.
이때, 상기 코팅단계(S200)에서는 금속분말의 사용과 더불어 이를 용융 처리하기 위한 레이저빔을 제공하는 것으로서, 3D 프린팅 장비를 이용하여 DED(Directed energy deposition) 및 DMD(Directed metal deposition) 중 어느 하나의 방식을 이용할 수 있다.
여기에서, 상기 코팅단계(S200)는 3D 프린팅 장비를 사용하여 코팅 처리하는 방식을 위주로 설명하기로 한다.
상기 3D 프린팅 장비(100)는 도 2에 나타낸 바와 같이, 레이저 장치(110), 초점렌즈(120), 분말 주입 노즐(130) 및 쉴딩(shielding) 가스 주입구(140)를 포함한다.
상기 레이저 장치(110)는 내부에서 레이저빔(111)을 생성 및 생성된 레이저빔을 전방을 향해 조사하는 기능을 한다.
상기 레이저 장치(110)는 CO2 레이저, Nd:YAG(Rod/Disk) 레이저, 다이오드(diode) 레이저 및 파이버(fiber) 레이저 중에서 선택된 어느 하나를 구비한다.
상기 초점렌즈(120)는 레이저 장치로부터 출력하는 레이저빔을 주입(carrier) 가스를 이용하여 코팅재료인 금속분말을 주입하여 기재(10)의 피코팅면으로 공급하는 기능을 한다.
분말 주입 노즐(130)은 이송(carrier) 가스 및 금속 분말을 분말 주입구(131)에 주입하여 기재(10)의 피코팅면으로 공급하는 기능을 한다.
상기 쉴딩 가스 주입구(140)는 쉴딩 가스를 주입하여 기재(10)의 피코팅면으로 공급하고, 금속 분말이 역류하는 것을 방지하는 기능을 한다.
즉, 상기 코팅단계(S200)에서는 도 2에서 보여주는 바와 같이, 상술한 금속분말로 구비되는 코팅재료를 3D 프린팅 장비(100)를 이용하여 금속 흐름(3)에 따라 기재(10) 상의 피코팅면에 주입함에 의해 레이저빔이 금속분말을 용융시키면서 이와 동시에 기재의 피코팅면에 용융풀(2)을 형성함으로써 기재(10) 상의 피코팅면에 용융된 금속분말에 의한 코팅층(1)을 형성되게 할 수 있다. 또한, 레이저빔을 이용하여 금속분말을 단시간 내에 용융시켜 원하는 형상을 형성할 수 있고, 코팅층을 2층 이상의 복수의 층으로 형성할 수 있다.
구체적으로, 코팅단계(S200)에서는 기재 상의 피코팅면에 용융풀을 형성하되, 초기 하층부에는 기재와 금속분말의 합금을 형성할 수 있다. 이에, 코팅층과 기재의 경계면에는 기재와 금속분말의 합금이 형성되고, 코팅층 상부는 금속분말의 금속만을 포함할 수 있다.
상기 코팅단계(S200)에서는 상술한 금속분말로 구비되는 코팅재료를 사용하되, 이와 더불어 3D 프린팅 장비(100)의 운전조건을 제어함으로써 기재(10)의 피코팅면으로 형성되는 코팅층(1) 내 기공률을 1% 이하 또는 0.1% 이하로 처리할 수 있다.
또한, 상기 코팅층(1)은 20MPa 이상의 부착성, 200Hv 이상의 경도 및 1000 내지 7000 μinch 또는 1500 내지 6000 μinch의 표면거칠기를 만족하도록 처리할 수 있다. 이때, 상기 코팅층의 경도의 경우 금속분말의 불순물 함량에 따라 더욱 증가할 수 있다.
이를 위해, 상기 3D 프린팅 장비(100) 측 운전조건에 있어서는, 레이저빔을 조사하기 위한 전력에 대해 10kW 내지 500kW로 공급하고, 103 내지 109 W/cm2, 103 내지 108 W/cm2 또는 105 내지 108 W/cm2 세기의 레이저빔을 10-5 내지 100초 동안 방출하고, 이송 가스로 아르곤 및 질소 중 어느 하나 이상을 사용한다.
이때, 상기 코팅단계(S200)에서는 용융되는 금속분말의 거리에 대해 3D 프린팅 장비(110)의 단부와 기재(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 기재(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 레이저빔 및 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법에 있어, 이러한 코팅방법에 의해 형성시킨 코팅층에 대한 물성 특성 및 평가를 위한 테스트를 실시하였으며, 그 결과는 도 3 내지 도 11에 나타내었다.
본 발명에 있어 테스트를 위한 실시예의 코팅재료로는 100 중량%의 Ti 금속분말을 사용하였다.
비교군으로서, 비교예 1 및 비교예 2는 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 것이고, 비교예 3은 코팅재료로는 Al 금속분말과 Ti 금속분말을 사용하되, Al : Ti = 1(50중량%) : 1(50중량%)의 중량비로 조성하여 혼합한 Al-Ti계열 합금분말을 사용하였고, 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.
도 3 및 도 4는 비교군으로서 비교예 1 내지 비교예 3과 본 발명의 실시예에 따른 코팅층에 대한 특징을 비교한 데이터로서, 본 발명에서의 코팅층이 갖는 기공률(porosity)이 0.002%를 나타내고 있고, 비교예 1 내지 비교예 3의 비교군이 갖는 기공률은 각각 12.3%, 10.43% 및 1.56%를 나타내고 있다.
즉, 본 발명이 비교군에 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 비교군에 비해 부착력에서도 더욱 우수한 물성을 나타냄을 확인할 수 있다. 구체적으로, 실시예의 코팅층의 부착력이 20.68MPa을 나타내고 있고, 비교예 1 내지 비교예 3의 코팅층의 부착력은 각각 9.8, 13.4 및 13.74MPa을 나타내고 있다.
또한, 본 발명이 비교예 2 및 비교예 3에 비해 경도는 차이가 있으나, 비교예 1과 비해서는 2배 이상의 경도 차이를 나타냄을 확인할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 코팅층과 더불어 비교예 1 내지 비교예 3이 갖는 비교군과의 코팅층 단면을 비교한 데이터로서, 비교군들에 비해 본 발명에서의 기공률이 현저하게 감소되었음을 이미지 상에서 확인할 수 있다.
즉, 본 발명에서는 코팅층 내 기공률에 대해 0.1% 이하의 기공률로 처리할 수 있음을 보여주고 있으며, 비교예 1 내지 비교예 3에 비해 기공률을 대폭 감소시킬 수 있음을 보여주고 있다.
도 6 및 도 7은 본 발명에 따른 코팅방법에 의한 코팅층의 횡단면 및 평면의 이미지를 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 이미지와 이를 에너지 분산 X선 분광(EDX)으로 분석한 결과 데이터이다.
이때, 코팅층의 횡단면 EDX 분석은 기재와 코팅층의 경계면과 코팅층 상단의 나누어 분석하였고, 코팅층의 평면 EDX 분석은 코팅층의 상부의 서로 다른 위치 2군데를 나누어 분석하였다.
도 6을 살펴보면, 본 발명에 따른 코팅방법으로 제조한 코팅층의 이미지로 코팅 형상의 자유롭게 제작할 수 있음을 알 수 있다. 또한, 도 7을 살펴보면, 본 발명에 따른 코팅방법으로 제조한 코팅층의 EDX 분석 그래프로, 경계면에서 기재(모재)와 코팅층의 합금이 형성도어 기재와 코팅층 간의 결합강도를 향상시켜 기재와의 접착성이 우수한 것을 알 수 있다.
구체적으로, 횡단면의 경우 기재와 코팅층의 경계면을 분석한 결과 티타늄이 90wt% 이상을 포함하되, 티타늄 이외에도 철, 크롬 및 니켈을 포함하는 것을 확인할 수 있다. 반면, 횡단면의 경우에도 코팅층 상부는 티타늄 100wt%으로 이루어져 있고, 평면의 경우는 모두 티타늄 100wt%으로 이루어진 것을 확인할 수 있다.
이를 통해, 레이저빔을 조사하여 금속분말을 기재 상에 코팅하는 경우 초기에 기재와 금속분말의 합금이 형성되는 것을 알 수 있다.
도 8은 본 발명에서의 코팅층과 비교예 2의 비교군의 코팅층을 후방산란전자 주사전자현미경 맵핑(BSE SEM Mapping)으로 촬영한 이미지이다. 구체적으로, 비교예 2의 코팅층은 티타늄 외에도 알루미늄, 산소 및 질소 불순물이 50% 가까이 다량 포함하고 있는 반면, 실시예의 코팅층은 90% 이상 티타늄으로 이루어지고 철, 크롬 및 니켈의 소량의 불순물을 포함하는 것을 확인할 수 있다.
이를 통해, 비교예 2의 코팅층은 티타늄 외에 불순물이 다량 포함하고 있어 경도가 높고 실시예의 코팅층은 불순물의 첨가량이 매우 적어 경도가 상대적으로 낮음을 알 수 있다.
도 9는 본 발명에 따른 코팅층과 더불어 비교예 1 내지 비교예 3이 갖는 비교군과의 코팅층에 따른 파티클 평가를 실시한 데이터이다.
이때, 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 본 발명에 따른 코팅방법으로 형성한 코팅층이 비교군의 코팅층 보다 파티클의 수가 현저하게 감소하는 경향을 나타냄을 보여주고 있으며, 이에 따라 실시예의 코팅층은 부착력이 향상됨을 확인할 수 있다.
구체적으로, 본 발명에서는 금속분말과 레이저빔을 이용하여 용융풀을 형성하여 코팅함으로써 용융률 및 코팅률이 우수하여 코팅시 코팅의 밀도가 높아 파티클 소스 자체가 감소되는 특성을 보여주고 있으며, 코팅층 내 기공률이 낮아 상대적으로 적은 아웃 가스(out gas) 배출이 발생될 수 있음을 보여주고 있다. 또한, 표면 특성상 파티클 소스가 적어 공정 수율을 향상시킬 수 있다.
도 10 및 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장비용 코팅방법을 통해 형성한 코팅층의 표면을 주사전자현미경(SEM)으로 촬영한 이미지를 보여주고 있으며, 도 10은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장비용 코팅방법에 의해 형성한 코팅층의 형태의 다양성을 확인할 수 있고, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장비용 코팅방법에 의해 형성한 코팅층의 표면거칠기 및 피치(pitch) 거리별 코팅층의 형태 및 표면 이미지를 확인할 수 있다.
구체적으로, 도 10은 본 발명의 실시예에 따라 금속분말 용융풀을 다양한 형태로 코팅층을 형성한 것으로, 이미지 내에 스케일바는 50mm이고, 그 중에 하나를 배율을 달리하여 주사전자현미경으로 촬영한 이미지와 이의 피치 간격을 나타낸 그래프를 보여주고 있다.
또한, 도 11은 본 발명의 실시예에 따른 반도체 장비용 코팅방법을 통해 다양한 형태의 코팅층을 형성하여 코팅층의 표면거칠기가 1619 내지 6350μinch로 다양한 표면거칠기를 표현할 수 있고, 표면거칠기를 크게 개선할 수도 있다.
이에 따라, 본 발명을 통해서는 반도체 증착공정용 반도체 장비를 기재로 하여 코팅 작업시, 금속분말을 사용하고 이와 더불어 레이저빔을 제공하는 반도체 적용 장비를 접목함으로써 금속분말과 레이저빔을 이용하므로 기존의 아크용사 코팅방식 또는 플라즈마 코팅방식에 비해 밀도 높은 코팅층을 형성할 수 있고 기공률을 현저히 감소시킨 코팅층을 형성할 수 있고, 공정중에 발생할 수 있는 아웃개싱의 문제점을 감소시킴은 물론 백업 타임을 감소시킬 수 있으며, 다양한 형태의 코팅층을 형성할 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
S200: 코팅단계
Claims (10)
- 반도체 장비를 구성하는 기재의 피코팅면에 코팅층을 형성하기 위한 반도체 장비용 코팅방법에 있어서,
(A) 단일 또는 서로 다른 2종 이상의 금속분말을 코팅재료로 구비하는 단계;
(B) 상기 금속분말에 의한 코팅재료를 103 내지 109 W/cm2 세기의 레이저빔을 이용하여 금속분말을 용융시키면서 기재 표면에 용융풀을 형성하여 기재 일면에 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 레이저빔 및 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법. - 제1항에 있어서,
상기 (B) 단계에서, 초기에 기재와 금속분말의 합금을 형성하는 것을 특징으로 하는 레이저빔 및 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법. - 제1항에 있어서,
상기 기재 상에 형성시킨 코팅층 내 기공률을 1% 이하로 처리하는 것을 특징으로 하는 레이저빔 및 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법. - 제 1항에 있어서,
상기 금속분말은 40㎛ 내지 180㎛의 입자 크기인 것을 특징으로 하는 레이저빔 및 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법. - 제1항에 있어서,
상기 금속분말인 코팅재료에 대해 2가지의 금속분말을 선택 사용시, 총 100중량% 기준 제1금속분말 10~90중량%와 제2금속분말 10~90중량%의 범위 내에서 조성하여 혼합 사용하는 것을 특징으로 하는 레이저빔 및 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법. - 제1항에 있어서,
상기 레이저빔은,
CO2 레이저, Nd:YAG(Rod/Disk) 레이저, 다이오드(diode) 레이저 및 파이버(fiber) 레이저 중에서 선택된 어느 하나로부터 제공하는 것을 특징으로 하는 레이저빔 및 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법. - 제6항에 있어서,
상기 레이저빔은 3D 프린팅 장비를 이용하여 DED(Directed energy deposition) 및 DMD(Directed metal deposition) 중 어느 하나의 방식으로 제공되는 것을 특징으로 하는 레이저빔 및 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법. - 제1항에 있어서,
상기 코팅층은 20MPa 이상의 부착성, 200Hv 이상의 경도 및 1000 내지 7000 μinch의 표면거칠기를 만족하는 것을 특징으로 하는 레이저빔 및 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법. - 제1항에 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 레이저빔 및 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법. - 제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 의한 레이저빔 및 금속분말을 이용한 반도체 장비용 코팅방법을 사용하여 형성시킨 코팅층을 갖는 것을 특징으로 하는 반도체 증착공정용 반도체 장비.
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