KR20220130648A

KR20220130648A - 내 플라즈마 코팅을 위한 에어로졸 증착 코팅방법

Info

Publication number: KR20220130648A
Application number: KR1020220116516A
Authority: KR
Inventors: 장대훈; 고현철; 김동주; 박상규; 박진수
Original assignee: (주)코미코
Priority date: 2017-05-25
Filing date: 2022-09-15
Publication date: 2022-09-27
Also published as: KR20180129156A

Abstract

본 발명은 내 플라즈마 코팅을 위한 에어로졸 증착 코팅방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 플라즈마 식각 공정 중 플라즈마로부터 장비 내부를 보호할 수 있고, 금속 모재 코팅층의 거칠기를 낮춤으로써 파티클 발생을 줄이며, 또한 코팅층과 금속 모재의 결합력을 향상시킬 수 있는 내 플라즈마 코팅을 위한 에어로졸 증착 코팅방법에 관한 것이다.

Description

내 플라즈마 코팅을 위한 에어로졸 증착 코팅방법{Method of Aerosol Deposition Coating for Plasma Resistant Coating}

반도체 소자, 디스플레이 소자 등과 같은 집적회로 소자의 제조에서는 고밀도 플라즈마 환경에서 식각 공정이나 화학적 기상 증착법(Chemical Vapour Deposition, CVD) 등을 수행한다. 이에, 고밀도 플라즈마 환경의 식각 공정은 내 플라즈마성 부품을 구비하는 식각 장치를 사용하여 수행된다.

상기와 같은 고밀도 플라즈마 환경의 식각 공정 중에서는 희토류산화물, 질화알루미늄, 실리콘산화물과 같이 세라믹 재료 및 아노다이징 코팅된 금속 재료를 내 플라즈마 부품으로 적용하고 있다.

그러나 약 20 nm이하의 선폭을 갖는 최근의 집적회로 소자의 제조에서는 보다 높은 고밀도 플라즈마 환경에서 식각 공정 등을 수행하기 때문에 언급한 단일의 용사코팅막 또는 아노다이징 코팅된 반도체 장비의 부품보다 보다 내 플라즈마성과 전기 절연성이 우수한 내 플라즈마성 부품이 요구되고 있다.

상기와 같은 문제를 해결하기 위해, 한국공개특허공보 제10-2013-0123821호(2013.11.13.)에서는 용사 코팅하여 형성된 비정질의 제1 코팅막 및 에어로졸 증착 방법으로 코팅된 제2 코팅막을 포함하는 내 플라즈마성 부품에 관한 기술이 기재되어 있다.

그러나 상기와 같은 내 플라즈마성 부품을 개발하기 위한 노력에도 불구하고 반도체 제조공정에 있어서 부식성 가스나 플라즈마를 이용하는 공정에서 코팅층과 모재의 결합력 저하, 모재의 부식에 의한 파티클 발생 등의 문제가 있어 이를 해결하기 위한 기술 개발의 필요성이 지속적으로 요구되고 있는 실정이다.

한국공개특허공보 제10-2013-0123821호(2013.11.13.)

본 발명의 주된 목적은 플라즈마 식각 공정 중에 발생되는 플라즈마로부터 장비 내부를 보호하고, 금속 모재 코팅층의 거칠기를 낮춤으로써 파티클 발생을 줄이며, 또한 코팅층과 금속 모재의 결합력을 향상시킬 수 있는 내 플라즈마 코팅을 위한 에어로졸 증착 코팅방법을 제공하는데 있다.

상기와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명은 (a) 금속 모재의 불순물을 제거한 후 상기 금속 모재의 표면 거칠기 Ra 값이 10 ㎛ 미만이 되도록 금속 모재의 표면을 경면 가공하는 단계; (b) 상기 금속 모재를 코팅 노즐에 대향하여 고정하는 단계; 및 (c) 코팅 노즐을 이용하여 수송가스와 코팅 분말을 상기 금속 모재의 상부면으로 분사하여 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하는 내 플라즈마 코팅을 위한 에어로졸 증착 코팅방법을 제공한다.

또한, 본 발명에서 상기 금속 모재는 알루미늄(Al), 스테인레스(SUS) 중에서 선택되는 1종 이상 일 수 있으며, 상기 (a) 단계에서 표면이 경면 가공된 금속 모재를 세척하는 단계가 추가적으로 포함될 수 있고, 상기 (b) 단계는 상기 에어로졸 증착 코팅 장비의 챔버 내부를 진공 상태로 세팅하는 것을 추가적으로 포함할 수 있다.

한편, 본 발명에서 상기 코팅 분말은 산화물, 불소화합물, 질화물, 이트륨 산화물(Y2O3), 알루미늄 산화물(Al2O3)로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있으며, 상기 (c) 단계에서 형성된 코팅층의 두께는 0.1 내지 200 ㎛일 수 있고, 상기 (c) 단계는 코팅된 금속 모재의 표면을 세척하는 단계가 포함될 수도 있다.

본 발명의 다른 일례는, 상기 기재된 방법으로 형성된 내 플라즈마 코팅층을 제공하는 것이다.

본 발명에 따른 내 플라즈마 코팅을 위한 에어로졸 증착 코팅방법은 내플라즈마성 재료가 금속 모재 위에 코팅층이 형성되어 있어 플라즈마 식각 공정 중 발생되는 플라즈마로부터 장비 내부를 보호할 수 있으며, 금속 모재 위 코팅층의 거칠기를 낮춤으로써 파티클 발생을 줄일 수 있는 효과가 있다. 또한, 열 손상으로 인한 코팅층과 금속 모재의 결합력을 향상시킬 수 있는 효과가 있다.

도 1은 에어로졸 증착 코팅을 개략적으로 나타낸 것이다.
도 2는 실시예 1 및 비교예 1 내지 비교예 4의 코칭층의 접착력을 나타낸 이미지이다.
도 3은 알루미늄 모재의 거칠기 정도에 따른 코팅층의 SEM 사진이다.
도 4는 실시예 1 및 비교예 1의 열 손상 측정 조건을 나타낸 그래프이다.
도 5는 실시예 1 및 비교예 1의 열 손상 측정 결과를 나타낸 이미지이다.

다른 식으로 정의되지 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 명명법 은 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 구성요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 발명은 본 발명은 (a) 금속 모재의 불순물을 제거한 후 상기 금속 모재의 표면 거칠기 Ra 값이 10 ㎛ 미만이 되도록 금속 모재의 표면을 경면 가공하는 단계; (b) 상기 금속 모재를 코팅 노즐에 대향하여 고정하는 단계; 및 (c) 코팅 노즐을 이용하여 수송가스와 코팅 분말을 상기 금속 모재의 상부면으로 분사하여 코팅층을 형성하는 단계;를 포함하는 내 플라즈마 코팅을 위한 에어로졸 증착 코팅방법에 관한 것이다.

이하 본 발명을 도 1을 통해 단계별로 상세히 설명한다. 도 1은 에어로졸 증착 코팅을 개략적으로 나타낸 것이다.

본 발명에 따른 내 플라즈마 코팅을 위한 에어로졸 증착 코팅방법에 있어서, (a) 금속 모재를 불순물을 제거한 후 상기 금속 모재(10)의 표면 거칠기 Ra 값이 10 ㎛ 미만이 되도록 금속 모재의 표면(20)을 경면 가공하는 단계이다.

또한 상기 금속 모재(10)는 알루미늄(Al), 스테인레스(SUS) 중에서 선택되는 1종 이상을 사용할 수 있으며, 이에 제한되지 않는다.

여기서, 금속이 아닌 비금속을 모재로 사용하는 경우에는 코팅 가능한 코팅층 두께의 한계 발생으로 인해 코팅층의 형성이 어렵고, 코팅층과 모재와의 접착력이 저하되며, 열 손상으로 인한 코팅층과 모재의 분리현상이 나타날 수 있다.

또한, 금속 모재 표면의 거칠기가 높은 상태에서 에어로졸 증착 코팅층 형성 시 형성된 코팅층(30) 표면의 거칠기도 높아지게 되며, 플라즈마 식각 공정 중에 파티클(particle)이 생성되는 문제가 발생하기 때문에, 금속 모재(10)의 표면은 상기 경면 가공하는 것이 바람직하다.

이때, 상기 표면(20)은 표면 거칠기 값 중 하나인 Ra 값이 10 ㎛ 미만인 것이 바람직하다.

Ra 값이 10 ㎛ 이상이면, 에어로졸 증착 코팅된 표면의 거칠기(Ra)가 커지게 되고, 이에 따라 접착력이 상대적으로 낮아지게 된다. 즉, 불균일한 두께의 코팅층 형성으로 인하여, 코팅층 두께 편차에 따른 박리 발생을 야기시키며, 그 결과, 부식성 가스나 플라즈마를 이용하는 공정 중에 박리현상이 발생하게 되어 제품 손상 혹은 장비의 수명이 단축되는 문제점이 발생한다.

또한, 상기 경면 가공은 금속 모재(10)의 표면(20)을 매끄럽게 하기 위한 것으로, 경면 가공 방법으로 래핑(lapping), 폴리싱(polishing), 화학적 기계적 연마(chemical mechanical polishing, CMP), 연삭, 연마, 절삭, 기계가공 등을 들 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

또한, 상기 (a) 단계에서 표면이 경면 가공된 금속 모재를 세척 하는 단계가 추가적으로 더 포함될 수 있으며, 상기 세척은 공기, 물, 용매 등을 이용하여 상기 금속 모재에 있는 오염물, 불순물, 먼지 등을 제거하기 위한 것으로, 통상의 방법을 사용하여 세척한다.

이어서, 상기 (b) 단계는 금속 모재를 에어로졸 증착 코팅 장비의 코팅 노즐(50)에 대향하여 고정하는 단계로, 상기 경면 가공된 표면(20)이 상기 코팅 노즐(50)로 향하도록 고정하여, 에어로졸 증착이 용이하게 일어날 수 있도록 고정한다.

또한, 상기한 바와 같이, 금속 모재를 에어로졸 증착 코팅 장비에 고정 시키고, 상기 에어로졸 증착 코팅 장비의 챔버 내부를 진공 상태로 세팅을 할 수도 있다. 이는 에어로졸 챔버와 증착 챔버 간의 압력차를 발생하기 위한 것이며, 이때 챔버 내부의 온도는 상온일 수 있다.

금속 모재에 대한 에어로졸 증착을 위한 준비가 완료되면, 상기 에어로졸 챔버 내에 수송가스와 코팅 분말을 주입한다. 상기 수송가스는 불활성 가스를 사용할 수 있으며, He, Ne, Ar 및 N₂로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상을 예로 들 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

또한, 상기 코팅 분말은 산화물, 불소화합물, 질화물, 이트륨 산화물(Y2O3), 알루미늄 산화물(Al2O3)로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상일 수 있으나, 이에 제한되지 않는다.

또한, 상기 (c) 단계는, 코팅 노즐(50)을 이용하여 상기 수송가스와 코팅 분말(40)을 상기 금속 모재의 상부면으로 분사하여 코팅층(30)을 형성하는 단계이다.

이 때, 상기 코팅층(30)의 두께는 1 내지 200 ㎛일 수 있으며, 상기 코팅층의 두께가 1 ㎛ 미만인 경우에는 플라즈마로부터 장비 내부를 보호하는 효과가 떨어지게 되며, 상기 코팅층의 두께가 200 ㎛ 이상인 경우에는 경제성이 떨어질 수 있다. 또한 상기 코팅층(30)의 두께는 더욱 바람직하게는 1 내지 100 ㎛인 것이 바람직하다.

또한, (c) 단계의 이후에 코팅된 금속 모재를 세척하는 단계를 추가할 수 있으며, 세척 방법은 (a) 단계에서 경면 가공 후에 실시할 수 있는 세척 방법과 동일한 방법을 사용할 수 있다.

따라서, 본 발명의 내 플라즈마 코팅을 위한 에어로졸 증착 코팅방법에 따라 금속 모재(10) 상부에 형성된 코팅층(30)은 그 표면의 거칠기가 낮게 형성되기 때문에 플라즈마에 의한 파티클의 발생을 낮출 수 있어 장비 내부를 보호할 수 있다.

한편, 본 발명은 상기 기재된 방법으로 형성된 내 플라즈마 코팅층을 제공한다.

이하, 본 발명을 실시예에 의해 더욱 상세히 설명한다. 단, 하기의 실시예는 발명을 예시하는 것일 뿐, 본 발명의 내용이 하기 실시예에 의해 제한되는 것은 아니다.

<실시예 1>

먼저, 상온 진공 분위기의 에어로졸 증착 코팅 장비의 챔버 내에서 약 30㎛의 평균 입도를 갖는 산화 이트륨을 분말진동 바이브레터를 이용하여 에어로졸화 시킨다. 이후 에어로졸 챔버와 증착 챔버간의 압력차를 이용하여 에어로졸화된 산화 이트륨 분말을 수송가스(N2)와 함께 약 300 내지 350 m/s 속도로 표면 거칠기(Ra)가 10 ㎛ 미만이 되도록 경면 가공한, 알루미늄 모재 상에 물리적 충돌시킴으로써, 고밀도 이트륨 산화물 코팅층을 형성하였다.

<비교예 1 내지 4>

모재를 각각 비교예 1에서는 산화 알루미늄(Al2O3), 비교예 2에서는 실리콘 웨이퍼(Si wafer), 비교예 3에서는 알루미늄 어노다이징 레이어(anodizing layer), 비교예 4에서는 석영(quartz)을 사용한 것을 제외하고는 동일한 방법으로 코팅층을 형성하였다.

<실험예 1> 코팅층의 두께, 코팅 증착량, 거칠기, 균일성 측정

실시예 1 내지 4와 비교예 1에서 형성된 코팅층의 두께는 Mitutoyo사의 조도(Ra)측정기(“”series)를 이용하여 단차를 측정하였고, 코팅 증착량, 코팅 균일성, 거칠기(Ra)는 접촉식 & 비접촉식 측정기(mitutoyo 조도측정기)를 사용하여 측정하였으며, 경도(Hardness)는 경도기(비커스 경도계)를 이용하여 측정하였고, 상기 시험은 5회 이상 반복하였으며, 그 결과를 하기 표 1에 나타내었다.

구분	형성 가능한 코팅층 두께(㎛)	코팅 증착량 (㎛/pass)	코팅 균일성 (%)	거칠기 (㎛)	경도 (Hv)
실시예 1	> 100	0.5~1	10	< 10	> 300
비교예 1	< 13~15	0.1~1	10	< 10	> 300
비교예 2	< 10~15	0.1~1	10	< 10	> 300
비교예 3	< 15~30	0.1~1	10	< 10	> 300
비교예 4	< 15~20	0.1~1	10	< 10	> 300

상기 표 1에서 형성 가능한 코팅층은 에어로졸 증착 코팅을 모재에 누적해서 수차례 행하여, 코팅 중에 박리현상이 발생하게 되는 코팅층의 두께이며, 코팅 균일성은 코팅 후, 코팅 면의 위치에 따른 두께의 편차를 지칭한다. 상기 표 1에 나타낸 바와 같이, 알루미늄을 모재로 사용한 실시예 1은 에어로졸 코팅의 1회(pass) 코팅 시 코팅 증착량은 최소 0.5 ㎛에서 최대 1 ㎛의 두께로 층착되며, 에어로졸 코팅을 누적 반복하여 진행한 결과, 형성 가능한 코팅층의 두께가 100 ㎛ 이상으로 나타났다.

반면에. 비금속 모재를 사용한 비교예 1 내지 비교예 4는, 에어로졸 코팅의 1회(pass) 코팅 시 코팅 증착량은 최소 0.1 ㎛에서 최대 1 ㎛의 두께로 층착되며, 에어로졸 코팅을 누적 반복하여 진행한 결과, 형성 가능한 코팅층은 약 10 내지 30 ㎛ 미만의 두께로서, 코팅층의 실시예 1 보다 현저하게 형성이 어려운 것을 보여준다.

이로부터, 에어로졸 증착 코팅은 물리적 증착으로, 비금속류 모재에서는 코팅층의 박리가 일어나기 때문에 코팅층이 형성되기 어렵다는 것을 알 수 있다. 특히 세라믹류 처럼 모재의 경도나 강도가 높을수록 모재에 코팅 powder가 상대적으로 코팅층을 형성하기 어렵다.

한편, 코팅층 표면의 거칠기는 모재 표면의 거칠기와 동일하게 모두 10 ㎛미만으로 나타났으며, 코팅층의 경도 또한 모재의 종류와 관계없이 300 Hv 초과로 나타났고, 코팅 균일성 역시 코팅 표면의 위치에 따른 두께 편차가 90~110% 이내로 일정한 것을 확인하였다.

또한, 상기 실시예 1 및 비교예 1 내지 비교예 4에 대한, 접착성에 대한 이미지는 도 2에 나타내었다.

도 2는 1㎛/pass 정도의 성막률로 10~20㎛ 두께 형성된 실시예 1 및 비교예 1 내지 비교예 4의 시편의 이미지를 나타낸 것으로, 도 2에 제시된 바와 같이, 금속 모재상에 에어로졸 증착 코팅을 한 경우에 접착력이 우수한 것으로 나타났으며, 그 외의 비금속 모재의 경우에는 코팅층과 모재 사이의 박리가 일어난 것을 확인할 수 있다.

<실험예 2> 실시예 1의 Ra 별 코팅층 두께 변화 측정

알루미늄 모재의 거칠기를 하기 표 2와 같이 다르게 하여 에어로졸 코팅을 실시하였으며, 각 Ra별 형성된 코팅층의 두께는 상기 실험예 1과 동일한 방법을 이용하여 측정하였으며, 그 결과를 하기 표 2 및 도 3에 나타내었다.

거칠기(㎛)	Ra < 0.1	0.1 Ra < 1	1 Ra < 10	10 Ra < 11	11 < Ra
코팅층 두께	>100 ㎛	>100 ㎛	>100 ㎛	-	-
코팅층 형성 가능성	코팅층 형성 가능	코팅층 형성 가능	코팅층 형성 가능	코팅층 누적 적층 시 박리 발생	코팅층 누적 적층 시 박리 발생

상기 표 2에 제시된 바와 같이, 금속 모재의 거칠기가 10 ㎛미만인 경우에는 형성 가능한 코팅층의 두께가 100 ㎛이상이고, 또한 코팅이 균일하게 형성되는 것으로 나타났으며, 금속 모재의 거칠기가 10 ㎛이상이 되면, 코팅층의 박리가 발생 하고 불완전 코팅층 형성에 따라 정확한 코팅층의 두께가 파악되지 않는 것으로 나타났다. 여기서, 상기 박리 발생은 코팅 초기부터 불균일 분포된 코팅 층이 형성되기도하고, 코팅을 누적해서 실시하는 중에 박리가 발생할 수도 있다.또한, 도 3에 제시된 바와 같이, 거칠기가 10 ㎛미만으로 낮은 경우에는 코팅 두께가 20 ㎛ 정도로 코팅하였을 때 코팅층이 균일하게 형성되는 것을 확인할 수 있었으며, 거칠기가 10 ㎛이상으로 높은 경우에는 모재 표면이 매끄럽지 않아 코팅 초기부터 불균일 코팅층이 형성되는 것을 확인할 수 있었다.

<실험예 3> 열 손상 측정

실시예 1 및 비교예 1에 대하여 코팅층의 두께를 20 ㎛이하로 형성한 후, 열 손상(thermal shock)을 측정하기 위해 도 4에 나타낸 바와 같이, 0℃에서 200℃ 또는 300℃까지 온도를 올린 후, 각각 해당온도에서 1시간 전후를 유지시킨 후 급랭(quenching)시켰으며, 열 손상 측정 결과를 도 5에 도시하였다.

도 5는 실시예 1(metal, Al) 및 비교예 3(non-metal, Anodizing layer)의 열 손상 측정 결과를 나타낸 이미지이다. 도 5에 도시된 바와 같이, 실시예 1의 경우에는 열 손상 측정 사이클을 54회 진행한 경우에도 코팅층의 박리가 일어나지 않았지만, 비교예 3의 경우에는 열 손상 측정 사이클을 2회 진행할 때부터 코팅층의 박리가 부분적으로 발생하였고, 사이클을 8회 진행한 경우에 전체적으로 코팅층의 박리가 발생한 것을 확인하였다.

이상으로 본 발명 내용의 특정한 부분을 상세히 기술하였는바, 도면에 예시된 것에 한정되는 것은 아니며, 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 있어서 이러한 구체적 기술은 단지 바람직한 실시 양태일 뿐이며, 이에 의해 본 발명의 범위가 제한되는 것이 아닌 점은 명백할 것이다. 따라서 본 발명의 실질적인 범위는 첨부된 청구항들과 그것들의 등가물에 의하여 정의된다고 할 것이다.

Claims

(a) 금속 모재의 불순물을 제거한 후, 상기 금속 모재의 표면 거칠기 Ra 값이 10 ㎛ 미만이 되도록 금속 모재의 표면을 경면 가공하는 단계;
(b) 상기 금속 모재를 코팅 노즐에 대향하여 고정하는 단계;
(c) 코팅 노즐을 이용하여 수송가스와 코팅 분말을 상기 금속 모재의 상부면으로 분사하여 코팅층을 형성하는 단계; 를 포함하는 내 플라즈마 코팅을 위한 에어로졸 증착 코팅방법.
제1항에 있어서,
상기 금속 모재는 알루미늄(Al), 스테인레스(SUS) 중에서 선택되는 1종 이상인 것을 특징으로 하는 내 플라즈마 코팅을 위한 에어로졸 증착 코팅방법.
제1항에 있어서,
상기 (a) 단계에서 표면이 경면 가공된 금속 모재를 세척하는 단계를 추가적으로 포함하는 내 플라즈마 코팅을 위한 에어로졸 증착 코팅방법.
제1항에 있어서,
상기 (b) 단계는 상기 에어로졸 증착 코팅 장비의 챔버 내부를 진공 상태로 세팅하는 것을 추가적으로 포함하는 내 플라즈마 코팅을 위한 에어로졸 증착 코팅방법.
제1항에 있어서,
상기 코팅 분말은 산화물, 불소화합물, 질화물, 이트륨 산화물(Y2O3), 알루미늄 산화물(Al2O3)로 구성된 군에서 선택되는 1종 이상인 내 플라즈마 코팅을 위한 에어로졸 증착 코팅방법.
제1항에 있어서,
상기 (c) 단계에서 형성된 코팅층의 두께는 0.1 내지 200 ㎛인 내 플라즈마 코팅을 위한 에어로졸 증착 코팅방법.
제1항에 있어서,
상기 (c) 단계는 코팅된 금속모재의 표면을 세척하는 단계를 포함하는 내 플라즈마 코팅을 위한 에어로졸 증착 코팅방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 방법으로 형성된 내 플라즈마 코팅층.