KR20240012676A - 적층 구조를 갖는 내플라즈마성 부재 및 그 제조 방법 - Google Patents

적층 구조를 갖는 내플라즈마성 부재 및 그 제조 방법 Download PDF

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Abstract

개시된 내플라즈마성 부재는, 기재 위에 배치되며 산화이트륨을 포함하는 하부층, 상기 하부층 위에 배치되는 버퍼층 및 상기 버퍼층 위에 배치되며 산불화이트륨 또는 불소풍부화 산화이트륨을 포함하는 상부층을 포함할 수 있다. 상기 버퍼층은 상기 상부층의 열팽창계수와 상기 하부층의 열팽창계수 사이의 열팽창계수를 가질 수 있다.

Description

적층 구조를 갖는 내플라즈마성 부재 및 그 제조 방법{PLASMA-RESISTANT MEMBER HAVING STACKED STRUCTURE AND METHOD FOR FABRICATING THE SAME}
본 발명은 내플라즈마성 부재에 관한 것이다. 보다 상세하게 본 발명은 적층 구조를 갖는 내플라즈마성 부재 및 그 제조 방법에 관한 것이다.
반도체 소자 등과 같은 전자 소자를 제조함에 있어서, 플라즈마를 이용한 식각, 플라즈마를 이용한 증착 등과 같이 플라즈마를 이용하는 공정이 널리 사용되고 있다.
플라즈마를 이용하는 공정에서는 화학적으로 활성도가 높은 라디칼 및 해리 이온이 생성되며, 이에 의해 플라즈마에 노출되는 부품들이 물리적/화학적으로 손상될 수 있다. 이에 따라, 플라즈마 용사 등의 방법으로 부품의 표면에 세라믹 코팅층을 형성하는 방법이 사용되고 있다.
본 발명의 과제는 오염 입자의 생성 및 표면 크랙을 억제할 수 있는 적층 구조를 갖는 내플라즈마성 부재를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 다른 과제는 상기 내플라즈마성 부재의 제조 방법을 제공하는 것에 있다.
상기 본 발명의 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 내플라즈마성 부재는, 기재 위에 배치되며 산화이트륨을 포함하는 하부층, 상기 하부층 위에 배치되는 버퍼층 및 상기 버퍼층 위에 배치되며 산불화이트륨 또는 불소풍부화 산화이트륨을 포함하는 상부층을 포함할 수 있다. 상기 버퍼층은 상기 상부층의 열팽창계수와 상기 하부층의 열팽창계수 사이의 열팽창계수를 가질 수 있다.
본 발명의 과제를 달성하기 위한 예시적인 실시예들에 따른 내플라즈마성 부재의 제조 방법에서, 기재 위에 산화이트륨을 포함하는 하부층을 증착하고, 상기 하부층 위에 버퍼층을 증착하고, 상기 버퍼층 위에 산불화이트륨 또는 불소풍부화 산화이트륨을 포함하는 상부층을 증착할 수 있다. 상기 버퍼층은 상기 상부층의 열팽창계수와 상기 하부층의 열팽창계수 사이의 열팽창계수를 가질 수 있다.
예시적인 실시예들에 따르면, 내플라즈마 성능을 갖는 적층 구조는 증착을 통해 형성될 수 있다. 따라서, 소결을 위한 열처리 공정 없이, 종래의 용사 코팅에 의해 형성되는 내플라즈마성 코팅층보다 치밀한 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 적층 구조의 상부층은 산불화이트륨 또는 불소풍부화 산화이트륨을 포함함으로써, 오염 입자의 생성을 억제하고, 챔버 내에서 플라즈마 조성의 편차를 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 적층 구조는 상부층과 하부층 사이에 배치되는 버퍼층을 포함함으로써, 상부층의 품질을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 상부층의 표면 조도가 감소할 수 있고, 크랙 발생이 억제될 수 있다.
다만, 본 발명의 효과는 상기 언급한 효과에 한정되는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위에서 다양하게 확장될 수 있을 것이다.
도 1, 도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 내플라즈마성 부재를 도시한 단면도들이다.
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 내플라즈마성 부재를 제조하기 위한 증착 장치를 도시한 모식도이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 내플라즈마성 부재의 제조 방법의 순서도이다.
도 6은 실시예 1에서 얻어진 적층 구조의 단면을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진 및 깊이에 따른 에너지분산분광분석(EDS) 그래프이다.
도 7a는 실시예 1에서 얻어진 적층 구조의 상면을 보여주는 SEM 사진이다.
도 7b는 비교예 1에서 얻어진 적층 구조의 상면을 보여주는 SEM 사진이다.
이하, 첨부한 도면들을 참조하여, 본 발명의 바람직한 실시예들을 보다 상세하게 설명하고자 한다.
적층 구조를 갖는 내플라즈마성 부재
도 1, 도 2 및 도 3은 본 발명의 실시예들에 따른 내플라즈마성 부재를 도시한 단면도들이다.
도 1을 참조하면, 본 발명의 일 실시예에 따른 내플라즈마성 부재는 기재(10), 상기 기재(10) 위에 배치된 하부층(20), 상기 하부층(20) 위에 배치되는 버퍼층(30) 및 상기 버퍼층(30) 위에 배치되는 상부층(40)을 포함한다. 상기 하부층(20), 상기 버퍼층(30) 및 상기 상부층(40)을 포함하는 적층 구조는 전체적으로 내식층의 기능을 가질 수 있다.
상기 하부층(20), 상기 버퍼층(30) 및 상기 상부층(40) 중 적어도 하나는 증착(vapor deposition)에 의해 형성된 증착막일 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 하부층(20), 상기 버퍼층(30) 및 상기 상부층(40)은 증착에 의해 형성될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 증착은 물리적 증착(Physical vapor deposition)일 수 있다. 예를 들어, 상기 물리적 증착은, 열 증발법, 전자빔 증발법, 스퍼터링법 등을 포함할 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 하부층(20), 상기 버퍼층(30) 및 상기 상부층(40)은 전자빔 증발법에 의해 증착될 수 있다.
예를 들어, 상기 기재(10)는, 세라믹 또는 금속을 포함할 수 있다. 상기 세라믹은 알루미나, 질화알루미늄, 질화실리콘, 탄화실리콘, 지르코니아, YAG(이트륨-알루미늄-가닛), 사파이어, 쿼츠 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 금속은 스텐레스강(SUS), 합금공구강, 탄소공구강, 크롬강, 알루미늄, 크롬몰리브덴강, 니켈크롬몰리브덴강 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 기재(10)는, 알루미나, 질화알루미늄, 질화실리콘, 탄화실리콘, 쿼츠 등과 같은 세라믹을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 하부층(20)은 산화이트륨(이트리아, Y2O3)을 포함한다. 산화이트륨은 플라즈마에 대한 부식 저항성이 높다. 이에 따라, 상기 기재(10)가 플라즈마에 의해 손상되는 것을 방지할 수 있다. 예를 들어, 상기 하부층(20)의 두께는 0.1 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있다. 상기 하부층(20)의 두께가 과도하게 얇은 경우, 내식 성능의 수명이 짧아질 수 있으며, 과도하게 큰 경우, 제조 시간과 비용이 과도하게 증가할 수 있다.
상기 하부층(20)은 증착에 의해 형성됨에 따라, 결정성을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 하부층(20)의 산화이트륨의 평균 결정입경은 10 nm 내지 1,000 nm일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 상부층(40)은 산불화이트륨(YOxFy) 또는 불소풍부화(fluorine-rich) 산화이트륨을 포함한다. 일 실시예에 따르면, 상기 산불화이트륨 또는 불소풍부화 산화이트륨을 포함하는 상부층(40)은 내플라즈마성 적층 구조의 최외곽층을 구성함으로써, 플라즈마 처리 공정에서 플라즈마에 노출될 수 있다.
플라즈마 처리 장치에서 생성되는 플라즈마는 불소 플라즈마, 염소 플라즈마 등과 같은 할로겐계 플라즈마를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 하부층(20)의 산화이트륨이 불소 플라즈마에 노출될 경우, 표면에 불소를 함유하는 오염 입자가 형성될 수 있다. 상기 오염 입자는 플라즈마 처리 공정 중에 탈리될 수 있으며, 웨이퍼를 오염시켜 공정 수율을 감소시킬 수 있다. 또한, 플라즈마 내의 불소 라디컬이 산화이트륨과 반응하여 확산됨으로써 플라즈마의 조성이 영역에 따라 변화할 수 있으며, 이에 따라 플라즈마 처리 공정의 균일성이 저하될 수 있다.
상기 상부층(40)은 산불화이트륨 또는 불소풍부화 산화이트륨을 포함하여, 표면에서의 오염 입자 생성을 억제할 수 있으며, 플라즈마의 균일성을 개선할 수 있다. 예를 들어, 상기 상부층(40)의 두께는 0.1 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 상부층(40)의 두께는 1 ㎛ 내지 50 ㎛일 수 있다.
상기 상부층(40)의 조성은 공정 조건 등에 따라 달라질 수 있다. 일 실시예에 따르면, 상기 상부층(40)은, 산소와 불소의 원자비가 1:1에 가까운 YOF의 조성을 가질 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않는다. 예를 들어, 상기 상부층(40)은 Y5O4Y7의 조성을 갖거나, YOF와 Y5O4Y7가 혼합된 조성을 갖거나, 불화이트륨(YF3) 또는 산화이트륨(Y2O3)을 더 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 버퍼층(30)의 열팽창계수는, 상기 하부층(20)의 열팽창계수와 상기 상부층(40)의 열팽창계수의 사이의 값을 갖도록 설계된다. 예를 들어, 상기 버퍼층(30)의 열팽창계수(단위 ppm/℃)는 8 내지 20일 수 있다. 바람직하게, 상기 버퍼층(30)의 열팽창계수는 10 내지 15일 수 있다. 보다 바람직하게, 상기 버퍼층(30)의 열팽창계수는 11 내지 14일 수 있다.
상기 하부층(20)의 산화이트륨과 상기 상부층(40)의 소재(산불화이트륨 또는 불소풍부화 산화이트륨)은 서로 다른 열팽창계수를 갖는다. 이에 따라, 상기 하부층(20) 위에 상기 상부층(40)이 직접 증착될 경우, 열팽창계수의 차이에 의해 상기 상부층(40)의 표면 조도 및 크랙이 증가할 수 있다. 이는 상기 상부층(40) 표면에서 오염 입자 생성을 증가시키고 적층 구조의 수명을 저하시킬 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 상기 버퍼층(30)과 상기 상부층(40)의 열팽창계수 차이는, 상기 하부층(20)과 상기 상부층(40)의 열팽창계수 차이보다 작다. 따라서, 상기 상부층(40)이 상기 버퍼층(30) 위에 증착될 경우, 상기 상부층(40)의 표면 조도가 감소하고 크랙 생성이 억제될 수 있다.
예를 들어, 상기 버퍼층(30) 위에 증착된 상기 상부층(40)은 rms (root mean square) 표면 조도가 10 nm 이하일 수 있으며, 바람직하게 5 nm 이하일 수 있다.
예를 들어, 상기 버퍼층(30)의 소재는, 이트리아 안정화 지르코니(yttria-stabilized zirconia, YSZ, 열팽창계수: 약 13), 산화마그네슘(MgO, 열팽창계수: 약 13.5), 란타늄 지르코네이트(lanthanum zirconate 열팽창계수: 약 10~12) 또는 이들의 조합을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 버퍼층(30)은 이트리아 안정화 지르코니아를 포함한다. 이트리아 안정화 지르코니아는 산화이트륨과 산불화이트륨의 열팽창계수들의 중간값에 가까운 열팽창계수를 가질 수 있다. 또한, 이트리아 안정화 지르코니아는 산화이트륨과 유사한 결정 구조를 가짐에 따라, 표면 조도가 낮은 버퍼층(30)을 형성할 수 있으며, 하부층(20)과 접착력이 높다. 따라서, 이트리아 안정화 지르코니아를 포함하는 버퍼층(30)은 적층 구조의 안정성 및 상부층(40)의 막 품질을 개선할 수 있다.
예를 들어, 상기 버퍼층(30)의 두께는 0.1 ㎛ 내지 100 ㎛일 수 있다. 일 실시예에서, 상기 버퍼층(30)의 두께는 1 ㎛ 내지 50 ㎛일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 하부층(20)의 두께는 상기 버퍼층(30)의 두께 및 상기 상부층(40)의 두께보다 클 수 있다.
실시예들에 따르면, 상기 버퍼층(30)은 다층 구조를 가질 수 있다. 예를 들어, 도 2를 참조하면, 내플라즈마성 부재는 기재(10), 상기 기재(10) 위에 배치된 하부층(20), 상기 하부층(20) 위에 배치되며 다층 구조를 갖는 버퍼층(30) 및 상기 버퍼층(30) 위에 배치되는 상부층(40)을 포함한다. 상기 하부층(20)은 산화이트륨을 포함할 수 있고, 상기 상부층(40)은 산불화이트륨 또는 불소풍부화 산화이트륨을 포함할 수 있다.
상기 버퍼층(30)은 상기 하부층(20)에 인접하는 제1 버퍼층(32) 및 상기 제1 버퍼층(32) 위에 배치되며 상기 상부층(40)에 인접하는 제2 버퍼층(34)을 포함한다. 일 실시예에 따르면, 상기 제1 버퍼층(32)은 상기 하부층(20)과 접촉할 수 있으며, 상기 제2 버퍼층(34)은 상기 상부층(40)과 접촉할 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않으며, 상기 하부층(20)과 상기 제1 버퍼층(32) 사이 및/또는 상기 제2 버퍼층(34)과 상기 상부층(40) 사이에는 다른 층이 배치될 수도 있다.
상기 제1 버퍼층(32) 및 상기 제2 버퍼층(34)은 서로 다른 물질을 포함한다. 상기 제2 버퍼층(34)은 상기 제1 버퍼층(32) 보다 큰 열팽창계수를 가질 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 버퍼층(32)은 이트리아 안정화 지르코니아를 포함하고, 상기 제2 버퍼층(34)은 산화마그네슘을 포함할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 버퍼층(32)은 란타늄 지르코네이트를 포함하고, 상기 제2 버퍼층(34)은 이트리아 안정화 지르코니아를 포함할 수 있다.
도 3을 참조하면, 버퍼층(30)은 상기 하부층(20)에 인접하는 제1 버퍼층(32), 상기 제1 버퍼층(32) 위에 배치되며 상기 상부층(40)에 인접하는 제2 버퍼층(34) 및 상기 제1 버퍼층(32)과 상기 제2 버퍼층(34) 사이에 배치되는 제3 버퍼층(36)을 포함한다. 상기 제3 버퍼층(36)은, 상기 제1 버퍼층(32)의 열팽창계수 보다 크고 상기 제2 버퍼층(34)의 열팽창계수 보다 작은 열팽창계수를 갖는다.
일 실시예에 따르면, 상기 제1 버퍼층(32)은 란타늄 지르코네이트를 포함하고, 상기 제2 버퍼층(34)은 산화마그네슘을 포함하고, 상기 제3 버퍼층(36)은 이트리아 안정화 지르코니아를 포함할 수 있다.
위와 같은 구성에 따르면, 버퍼층과 상부층의 열팽창계수 차이를 더욱 감소시키거나, 버퍼층의 막 품질을 개선할 수 있다. 이에 따라, 버퍼층 위에 형성되는 상부층의 막 품질이 개선될 수 있다.
실시예들에 따른 내플라즈마성 부재는 플라즈마 증착 장치, 플라즈마 식각 장치 등과 같은 플라즈마 처리 장치의 부품일 수 있다. 예를 들어, 상기 내플라즈마성 부재는 유전체 윈도우, 샤워헤드, 정전척, 히터, 챔버 라이너, 포커스 링, 월 라이너 등에 적용될 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않으며, 플라즈마에 노출 가능한 다양한 부품에 적용될 수 있다.
본 발명의 실시예들에 따르면, 내플라즈마 성능을 갖는 적층 구조는 증착을 통해 형성된다. 따라서, 소결을 위한 열처리 공정 없이, 종래의 용사 코팅에 의해 형성되는 내플라즈마성 코팅층보다 치밀한 구조를 가질 수 있다.
또한, 상기 적층 구조의 상부층은 산불화이트륨 또는 불소풍부화 산화이트륨을 포함함으로써, 오염 입자의 생성을 억제하고, 챔버 내에서 플라즈마 조성의 편차를 감소시킬 수 있다.
또한, 상기 적층 구조는 상부층과 하부층 사이에 배치되는 버퍼층을 포함함으로써, 상부층의 품질을 향상시킬 수 있다. 이에 따라, 상부층의 표면 조도가 감소할 수 있고, 크랙 발생이 억제될 수 있다.
적층 구조를 갖는 내플라즈마성 부재의 제조 방법
도 4는 본 발명의 실시예들에 따른 내플라즈마성 부재를 제조하기 위한 증착 장치를 도시한 모식도이다.
도 4를 참조하면, 증착 장치(100)는, 공정 챔버(110), 소스 기화부(120) 및 고정부(130)를 포함한다.
상기 공정 챔버(110)는, 외부공간으로부터 밀폐된 처리공간을 제공한다. 상기 공정 챔버(110)는, 필요에 따라, 처리공간을 개폐할 수 있는 도어, 상기 처리공간을 진공 상태로 유지하고 반응 부산물을 외부로 배기하기 위한 진공 펌프 등을 포함할 수 있다.
상기 공정 챔버(110) 내에는 기판(140, 또는 기재)을 고정하기 위한 고정부(130)가 배치될 수 있다. 예를 들어, 상기 고정부(130) 및 상기 기판(140)은 상기 처리 공간의 상부 영역에 배치될 수 있으며, 상기 고정부(130)는 상기 기판(140)을 클램핑하거나, 정전력 또는 흡입력에 의해 고정할 수 있다. 필요에 따라, 상기 고정부(130)는 상기 기판(140)에 바이어스 전압을 인가하기 위한 구성을 가질 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 고정부(130)는 회전 가능할 수 있다. 상기 기판(140)이 코팅되는 동안 상기 고정부(130)가 회전함으로써, 코팅층의 균일도가 증가될 수 있다. 또한, 필요에 따라, 상기 증착 각도나 증착 영역을 변경하기 위하여 상기 고정부(130)는 틸팅을 허용하는 구성을 가질 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 소스 기화부(120)는, 증발 소스를 수용하는 증발 소스 수용부(122) 및 전자빔을 생성하는 전자총(124)을 포함할 수 있다.
상기 전자총(124)은 전원 공급 장치와 연결되어, 인가되는 전원에 따라 전자빔을 생성한다. 상기 전자 빔은 증발 소스에 입사되어 증발 소스를 기화한다. 이에 따라, 기상의 증착 입자(150)가 생성될 수 있으며, 상기 기상의 증착 입자(150)는 상기 기판(140) 상에 증착되어 코팅층을 형성할 수 있다. 예를 들어, 상기 전자총(124)은 열전자들을 방사하기 위한 필라멘트를 포함할 수 있다.
상기 증발 소스 수용부(122)는, 예를 들어, 상측이 오픈된 도가니일 수 있다. 필요에 따라, 상기 증발 소스 수용부(122)는 상측의 개구를 개폐할 수 있는 셔터를 더 포함할 수 있다. 상기 증발 소스 수용부(122)는 복수의 유닛을 포함할 수 있다. 예를 들어, 증착하고자 하는 코팅층이 복수의 증발 소스를 필요로 하는 경우, 복수의 증발 소스들을 각각 수용하는 복수의 도가니가 이용될 수 있다. 또한, 코팅층 내에서 원소들의 조성을 조절하기 위하여 복수의 도가니가 이용될 수도 있다.
또한, 상기 소스 기화부(120)는 자성 부재(126)을 더 포함할 수 있다. 상기 자성 부재(126)는 상기 전자총(124)에서 생성된 전자빔이 상기 증발 소스 수용부(122) 내의 증발 소스로 입사될 수 있도록, 상기 전자빔을 편향시킬 수 있다. 예를 들어, 상기 자성 부재(126)은 영구 자석일 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 증착 장치(100)는 상기 공정 챔버(110) 내에 공정 가스를 제공하기 위한 가스 제공부(160)를 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 공정 가스는 산소 가스일 수 있다. 예를 들어, 상기 산소 가스의 농도에 따라, 상기 기판(140)에 증착되는 코팅층에서 산소의 비율이 조절될 수 있다. 그러나, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않으며, 상기 공정 가스는 아르곤, 헬륨 등과 같은 불활성 가스를 포함할 수도 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 증착 장치(100)는 상기 기판(140)에 증착되는 코팅층의 두께를 측정하기 위한 센서(미도시)를 더 포함할 수 있다. 상기 센서를 통해 상기 코팅층의 두께, 증착 속도 등에 대한 정보를 얻을 수 있으며, 이를 통해 공정 조건 등을 조절할 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 증착 장치(100)는 상기 기판(140)을 가열하기 위한 가열부를 더 포함할 수 있다. 예를 들어, 수분과 같은 불순물을 제거하기 위하여, 증착 공정 전에 상기 기판(140)은 가열될 수 있다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 내플라즈마성 부재의 제조 방법의 순서도이다.
도 1 및 도 5를 참조하면, 기재(10) 상에 하부층(20)을 증착한다(S10).
예를 들어, 상기 하부층(20)이 산화이트륨을 포함하는 경우, 산화이트륨이 증발 소스로 사용될 수 있다. 상기 증발 소스의 산화이트륨은 분말 또는 소결체일 수 있다. 산화이트륨 소결체를 증발 소스로 사용할 경우, 상기 하부층(20)의 결정 배향성을 증가시킬 수 있다.
다음으로, 상기 하부층(20) 상에 버퍼층(30)을 증착한다(S20).
예를 들어, 상기 버퍼층(30)은 이트리아 안정화 지르코니아, 산화마그네슘, 란타늄 지르코네이트 등을 포함할 수 있다. 상기 버퍼층(30)의 소재 및 조성에 따라 알려진 다양한 증발 소스들이 사용될 수 있으며, 예를 들어, 상기 버퍼층(30)이 이트리아 안정화 지르코니아를 포함하는 경우, 이트리아 안정화 지르코니아 또는 산화이트륨 및 산화지르코늄의 조합이 증발 소스로 사용될 수 있다.
다음으로, 상기 버퍼층(30) 상에 상부층(40)을 증착한다(S30).
예를 들어, 상기 상부층(40)이 산불화이트륨 또는 불소풍부화 산화이트륨을 포함하는 경우, 산불화이트륨, 불소풍부화 산화이트륨 또는 산화이트륨과 불화이트륨(YF3)의 조합이 증발 소스로 사용될 수 있다.
일 실시예에 따르면, 상기 하부층(20), 상기 버퍼층(30) 및 상기 상부층(40)은 물리적 증착에 의해 형성될 수 있으며, 예를 들어, 도 4에 도시된 증착 장치를 이용하여 형성될 수 있다.
상기 하부층(20), 상기 버퍼층(30) 및 상기 상부층(40)을 형성하기 위한 증발 소스들은 고체상을 가질 수 있다. 예를 들어, 상기 고체상은, 펠렛, 플레이크, 잉곳 등의 형태를 가질 수 있다. 상기 하부층(20), 상기 버퍼층(30) 및 상기 상부층(40)을 형성하기 위한 증발 소스들은 각각 제1 증발 소스, 제2 증발 소스 및 제3 증발 소스로 지칭될 수 있다.
예를 들어, 상기 증발 소스들을 수용하는 도가니의 수를 조절하여 각 층에 함유되는 원소들의 조성을 조절할 수 있다.
예를 들어, 상기 증착 공정에서, 상기 기재(10)의 온도는 100 ℃ 내지 700 ℃일 수 있다. 상기 전자총에 인가되는 전력은 1 kW 내지 10 kW일 수 있다. 상기 증발 소스가 증발되는 동안 상기 공정 챔버의 진공도는 0.01 mTorr 내지 1 mTorr일 수 있다. 상기 층들의 적층 속도는 10 nm/min 내지 200 nm/min일 수 있다. 상기 고정부의 회전 속도는 1 rpm 내지 100 rpm일 수 있다. 또한, 상기 증착 공정에서, 산소 가스가 제공될 수 있으며, 유량은 1 sccm 내지 1,000 sccm일 수 있다. 그러나, 상기의 조건은 예시적인 것으로서, 본 발명의 실시예들은 이에 한정되지 않으며, 필요에 따라 다양한 범위와 다양한 조합이 이용될 수 있다.
이하에서는 구체적인 실시예를 통해 본 발명의 효과를 살펴보기로 한다.
실시예 1
평균 표면조도가 10 ㎚ 이하이도록 경면 폴리싱된 50 ㎜ 직경의 실리콘 기판을 도 4에 도시된 것과 실질적으로 동일한 구성을 갖는 전자빔 증착 장치의 고정부에 장착하였다(증발 소스와의 거리 480 mm).
다음의 공정 조건에서, 전자빔을 증발 소스에 입사시켜, 증발 소스가 용융되고 기화가 시작되면, 증발 소스 상부의 셔터를 개방하여, 상기 기판 상에 2 ㎛ 두께의 하부층, 1 ㎛ 두께의 버퍼층 및 1 ㎛의 상부층을 차례대로 형성하였다.
* 기판 온도: 600 ℃
* 기판 회전 속도: 20 rpm
* 산소 유량: 5 sccm
* 챔버 진공도: 0.1 mTorr
* 증착 속도: 2 nm/sec
* 하부층 증발 소스: Y2O3
* 버퍼층 증발 소스: YSZ
* 상부층 증발 소스: YOF
비교예 1
버퍼층을 형성하지 않은 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 기판 상에 상부층과 하부층의 적층 구조를 형성하였다.
도 6은 실시예 1에서 얻어진 적층 구조의 단면을 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진 및 깊이에 따른 에너지분산분광분석(EDS) 그래프이다.
도 6을 참조하면, 산불화이트륨(Y, F, O)을 포함하는 상부층, 이트리아 안정화 지르코니아(Y, Zr, O)를 포함하는 버퍼층 및 산화이트륨(Y, O)을 포함하는 하부층이 형성된 것을 확인할 수 있다(중간 영역을 제외한 영역에서의 Zr 피크는 노이즈이다).
도 7a는 실시예 1에서 얻어진 적층 구조의 상면을 보여주는 SEM 사진이다. 도 7b는 비교예 1에서 얻어진 적층 구조의 상면을 보여주는 SEM 사진이다.
도 7a 및 7b를 참조하면, 산불화이트륨 또는 불소풍부화 산화이트륨을 포함하는 상부층을 YSZ를 포함하는 버퍼층 위에 형성함으로써 크랙이 억제된 것을 확인할 수 있다.
이상에서는 본 발명의 실시예들을 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.
본 발명의 실시예들은 플라즈마를 생성하는 장치 또는 플라즈마에 노출될 수 있는 다양한 부재의 제조 및 코팅에 이용될 수 있다.
10: 기재 20: 하부층
30: 버퍼층 40: 상부층
100: 증착 장치 110: 공정 챔버
120: 소스 기화부 130: 고정부
140: 기판 150: 증착 입자
160: 가스 제공부

Claims (10)

  1. 기재 위에 배치되며 산화이트륨을 포함하는 하부층;
    상기 하부층 위에 배치되는 버퍼층; 및
    상기 버퍼층 위에 배치되며 산불화이트륨 또는 불소풍부화 산화이트륨을 포함하는 상부층을 포함하고,
    상기 버퍼층은 상기 상부층의 열팽창계수와 상기 하부층의 열팽창계수 사이의 열팽창계수를 갖는, 내플라즈마성 부재.
  2. 제1항에 있어서, 상기 하부층, 상기 버퍼층 및 상기 상부층은 증착으로 형성되는, 내플라즈마성 부재.
  3. 제1항에 있어서, 상기 버퍼층의 열팽창계수는 10 내지 15인, 내플라즈마성 부재.
  4. 제1항에 있어서, 상기 버퍼층은 이트리아 안정화 지르코니아(yttria-stabilized zirconia, YSZ), 산화마그네슘(MgO) 및 란타늄 지르코네이트 (lanthanum zirconate)로 이루어진 그룹에서 선택된 적어도 하나를 포함하는, 내플라즈마성 부재.
  5. 제1항에 있어서, 상기 버퍼층은, 상기 하부층에 인접한 제1 버퍼층 및 상기 제1 버퍼층 위에 배치되며 상기 상부층에 인접한 제2 버퍼층을 포함하며, 상기 제2 버퍼층은 상기 제1 버퍼층 보다 큰 열팽창계수를 갖는, 내플라즈마성 부재.
  6. 제5항에 있어서, 상기 제1 버퍼층은 란타늄 지르코네이트를 포함하고, 상기 제2 버퍼층은 이트리아 안정화 지르코니아를 포함하는, 내플라즈마성 부재.
  7. 제5항에 있어서, 상기 제1 버퍼층은 이트리아 안정화 지르코니아를 포함하고, 상기 제2 버퍼층은 산화 마그네슘을 포함하는, 내플라즈마성 부재.
  8. 제5항에 있어서, 상기 버퍼층은 상기 제1 버퍼층과 상기 제2 버퍼층 사이에 배치되며, 상기 제1 버퍼층의 열팽창계수 보다 크고 상기 제2 버퍼층의 열팽창계수 보다 작은 열팽창계수를 갖는 제3 버퍼층을 더 포함하는, 내플라즈마성 부재.
  9. 제8항에 있어서, 상기 제1 버퍼층은 란타늄 지르코네이트를 포함하고, 상기 제2 버퍼층은 산화 마그네슘을 포함하고, 상기 제3 버퍼층은 이트리아 안정화 지르코니아를 포함하는, 내플라즈마성 부재.
  10. 제1항에 있어서, 상기 하부층, 상기 버퍼층 및 상기 상부층의 두께는 각각 0.1 ㎛ 내지 100 ㎛인, 내플라즈마성 부재.
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