KR102548445B1 - 클래드재 전극층을 포함하는 정전척의 제조방법 및 이에 의해 제조된 정전척 - Google Patents

클래드재 전극층을 포함하는 정전척의 제조방법 및 이에 의해 제조된 정전척 Download PDF

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Abstract

본 발명은 (A) (i) 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말 및 (ii) 탄소계 나노 재료 분말을 볼 밀(ball mill)하여 복합 분말을 제조하는 단계; (B) 코어층 및 상기 코어층을 둘러싸는 1개층 이상의 쉘층을 포함해 이루어지는 다층 빌렛(billet)을 제조하되, 상기 코어층 및 1개층 이상의 쉘층 중 적어도 하나 이상은 상기 복합 분말을 포함하는 다층 빌렛을 제조하는 단계; (C) 상기 빌렛을 압출시켜 전극층을 제조하는 단계; 및 (D) 상기 전극층 상에 유전층을 형성하는 단계;를 포함하는 고방열성, 내열충격성 및 경량성을 가지는 정전척의 제조방법 및 이에 의해 제조된 정전척에 대한 것이다.

Description

클래드재 전극층을 포함하는 정전척의 제조방법 및 이에 의해 제조된 정전척{METHOD FOR MANUFACTURING ELECTROSTATIC CHUCK HAVING ELECTRODE LAYER CONSISTING OF CLAD MATERIAL AND ELECTROSTATIC CHUCK MANUFACTURED THEREBY}
본 발명은 정전척의 제조방법 및 이에 의해 제조된 정전척에 대한 것으로서, 보다 상세하게는, 전극층이 특정 클래드재로 이루어져 고방열성, 내열충격성 및 경량성을 가지는 정전척의 제조방법 및 이에 의해 제조된 정전척에 관한 것이다.
기판의 대형화, 회로의 집적화 등이 주된 이슈가 되는 반도체 및 디스플레이 분야의 제조 공정에 있어서 종래에는 실리콘 웨이퍼나 유리 기판의 반송 또는 고정시에 기계식 척(mechanical chuck) 또는 진공척(vacuum chuck)을 이용해 왔다.
그러나, 기계식 척의 경우 장치가 복잡할 뿐만 아니라 보수와 점검에 시간을 필요로 하며, 웨이퍼와 클램프의 접촉에 의한 입자 오염이 문제되고, 진공척의 경우 진공 분위기를 조성해야 하는 번거로움이 있으며, 진공하에서 사용하게 되므로 압력차를 크게 할 수 없어 흡착력이 약하다는 등의 문제를 가지기 때문에, 최근에는 정전기력(electrostatic force)을 이용한 정전척(ESC, Electro Static Chuck)이 널리 사용되고 있다.
한편, 정전척에 사용되는 금속 소재 중 가장 범용의 금속 소재는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로서 이들은 세라믹 소결 소재 대비 제조 비용 측면에서 매우 유리하지만, 가변형 정전척(tunable-ESC)과 같이 상온이 아닌 가열된 온도환경 하에서 사용되어 사용에 따라 가열 냉각이 반복되는 경우, 가장 중요한 특성인 열팽창계수가 세라믹 소결 및 코팅 소재군 대비 10x10-6K-1 이상으로 매우 높은 단점이 있다.
따라서, 종래에는 금속으로 이루어진 모재와 상기 모재 상에 형성되는 세라믹 유전층 간의 열팽창계수의 차이로 인해 모재와 유전층 간의 계면에서 세라믹 유전층의 박리 또는 균열이 발생하는 문제점이 생겼는데, 이는 상기 정전척의 사용시 가열과 냉각이 반복되기 때문에 금속 모재와 세라믹 유전층 사이에 열팽창계수 차이에 의한 열 응력(thermal stress)이 반복적으로 발생되기 때문이다.
상기와 같이 세라믹 유전층의 박리 및 균열이 발생함에 따라 정전척의 사용 수명이 짧아지고 상기 정전척의 교체로 인한 비용 증가와 제조 공정의 공정시간 지연이 초래되는 문제점으로 이어졌다.
또한, 정전척의 전극 등을 이루는 소재를 기존의 정전척용 소재보다 높은 열전도성을 가지는 소재로 구성하면 빠른 열방출을 통해 반도체 제조 속도를 한층 증대시킬 수 있으며, 이는 높은 가격 경쟁력을 가지는 반도체 제조까지 이어질 수 있다.
한국 공개특허 제10-2020-0046233호 (공개일: 2020.05.07) 한국 등록특허 제10-2096985호 (등록일: 2020.03.30)
본 발명이 해결하고자 하는 기술적 과제는, 가열 및 냉각이 반복되는 가혹한 사용 환경 하에서도 우수한 내구성을 가지며 반도체 생산 공정의 효율성을 비약적으로 향상시킬 수 있는 고방열성, 내열충격성 및 경량성을 가지는 정전척의 제조방법 및 이에 의해 제조된 정전척을 제공하는 것이다.
상기 기술적 과제를 달성하기 위해, 본 발명은 (A) (i) 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말 및 (ii) 탄소계 나노 재료 분말을 볼 밀(ball mill)하여 복합 분말을 제조하는 단계; (B) 코어층 및 상기 코어층을 둘러싸는 1개층 이상의 쉘층을 포함해 이루어지는 다층 빌렛(billet)을 제조하되, 상기 코어층 및 1개층 이상의 쉘층 중 적어도 하나 이상은 상기 복합 분말을 포함하는 다층 빌렛을 제조하는 단계; (C) 상기 빌렛을 압출시켜 전극층을 제조하는 단계; 및 (D) 상기 전극층 상에 유전층을 형성하는 단계;를 포함하는 고방열성, 내열충격성 및 경량성을 가지는 정전척의 제조방법을 제안한다.
또한, 상기 탄소계 나노 재료는, 탄소나노튜브, 그래핀, 탄소나노섬유, 탄소나노입자, 메조다공성탄소, 탄소나노시트, 탄소나노막대 및 탄소나노벨트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는 고방열성, 내열충격성 및 경량성을 가지는 정전척의 제조방법을 제안한다.
또한, 상기 다층 빌렛은, 코어층 및 상기 코어층을 둘러싸는 2층 이상의 쉘층을 포함해 이루어지며, 상기 코어층 및 최외곽 쉘층을 제외한 쉘층은 상기 복합 분말로 이루어지고, 상기 최외곽 쉘층은 (i) 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말 또는 (ii) 상기 복합 분말로 이루어지며, 상기 코어층 및 쉘층 각각에 포함되는 복합 분말은 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말에 대한 카본 나노 튜브의 부피 분율이 서로 다른 것을 특징으로 하는 고방열성, 내열충격성 및 경량성을 가지는 정전척의 제조방법-을 제안한다.
또한, 상기 다층 빌렛은, 상기 제2 쉘층으로서 캔 형상의 제1 빌렛; 상기 제1 쉘층으로서 상기 제1 빌렛의 내부에 배치된 제2 빌렛; 및 상기 코어층으로서 상기 제2 빌렛의 내부에 배치된 제3 빌렛으로 이루어진 것을 특징으로 하는 고방열성, 내열충격성 및 경량성을 가지는 정전척의 제조방법을 제안한다.
또한, 상기 단계 (C)에서, 상기 다층 빌렛을 압출 다이스(extrusion dies)를 이용하여 직접 압출(direct extrusion)시켜 전극층을 제조하는 것을 특징으로 하는 고방열성, 내열충격성 및 경량성을 가지는 정전척의 제조방법을 제안한다.
또한, 상기 단계 (D)에서, 용사법(thermal spraying)으로 Al2O3, ZrO3, AlN 또는 Y2O3로 이루어진 유전층을 형성하는 것을 특징으로 하는 고방열성, 내열충격성 및 경량성을 가지는 정전척의 제조방법을 제안한다.
또한, 상기 용사법은 대기 플라즈마 용사법(APS, Air Plasma Spraying), 진공 플라즈마 용사법(VPS, Vacuum Plasma Spraying), 또는 감압 플라즈마 용사법(LPPS, Low Pressure Plasma Spraying)인 것을 특징으로 하는 고방열성, 내열충격성 및 경량성을 가지는 정전척의 제조방법을 제안한다.
또한, 상기 단계 (D)에서, 상기 전극층 상에 유전층을 형성하기에 앞서 상기 전극층 상에, 1∼5 중량%의 코발트(Co); 10∼20 중량%의 니켈(Ni); 및 75∼85 중량%의 철(Fe)을 포함하는 합금으로 이루어진 금속층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 우수한 내열충격성, 내부식성 및 경량성을 가지는 정전척의 제조방법을 제안한다.
그리고, 본 발명은 발명의 다른 측면에서 상기 제조방법에 의해 제조된 정전척을 제안한다.
본 발명에 의하면 기존의 공정보다 단순한 공정을 통해 전극층 등 정전척용 소재를 제조할 수 있어 성능과 가격경쟁력을 동시에 확보할 수 있는 장점을 발휘하며, 본 발명에 의해 제조되는 정전척은 가열 및 냉각이 반복되는 가혹한 사용 환경 하에서도 우수한 내구성을 가지며 반도체 생산 공정의 효율성을 비약적으로 향상시킬 수 있다는 뛰어난 효과를 나타낸다.
도 1은 본 발명에 따른 정전척 제조방법의 공정 흐름도이다.
도 2는 본 발명에 따른 정전척에 포함되는 전극층의 제조에 사용되는 다층 빌렛의 제조 과정을 나타낸 모식도이다.
도 3은 본 발명에 따른 정전척에 포함되는 전극층의 제조에 사용되는 다층 빌렛의 일례를 도시한 모식도이다.
도 4는 본 발명에 따른 정전척에 포함되는 전극층을 이루는 클래드재의 일례로서, 외부층(제2 쉘층) 및 내부층(코어층)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 중간층은 알루미늄(또는 알루미늄 합금)/탄소계 나노재료(CNT, 그래핀 등) 복합재로 이루어진 클래드재의 (a) 길이방향 단면도, (b) 길이방향 측면도 및 (c) 사시도이다.
도 5는 본 발명에 따른 정전척에 포함되는 전극층을 이루는 클래드재의 다른 일례로서, 외부층(쉘층)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 내부층(코어층)은 알루미늄(또는 알루미늄 합금)/탄소계 나노재료(CNT, 그래핀 등) 복합재로 이루어진 클래드재의 (a) 길이방향 단면도, (b) 길이방향 측면도 및 (c) 사시도이다.
본 발명을 설명함에 있어서 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다.
본 발명의 개념에 따른 실시예는 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 형태를 가질 수 있으므로 특정 실시예들을 도면에 예시하고 본 명세서 또는 출원에 상세하게 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명의 개념에 따른 실시 예를 특정한 개시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.
본 명세서에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 명세서에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 설시된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부분품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.
이하, 본 발명을 상세히 설명하도록 한다.
본 발명에 따른 클래드재 전극층을 포함하는 정전척의 제조방법은, (A) (i) 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말 및 (ii) 탄소계 나노 재료 분말을 볼 밀(ball mill)하여 복합 분말을 제조하는 단계; (B) 코어층 및 상기 코어층을 둘러싸는 1개층 이상의 쉘층을 포함해 이루어지는 다층 빌렛(billet)을 제조하되, 상기 코어층 및 1개층 이상의 쉘층 중 적어도 하나 이상은 상기 복합 분말을 포함하는 다층 빌렛을 제조하는 단계; (C) 상기 빌렛을 압출시켜 전극층을 제조하는 단계; 및 (D) 상기 전극층 상에 유전층을 형성하는 단계를 포함해 이루어진다(도 1).
상기 단계 (A)에서 상기 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말은 1000 번대 계열, 2000 번대 계열, 3000 번대 계열, 4000 번대 계열, 5000 번대 계열, 6000 번대 계열, 7000 번대 계열 및 8000 번대 계열로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나일 수 있다.
또한, 상기 탄소계 나노 재료는 탄소나노튜브, 그래핀, 탄소나노섬유, 탄소나노입자, 메조다공성탄소, 탄소나노시트, 탄소나노막대 및 탄소나노벨트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상일 수 있다. 상기 탄소계 나노 재료는 복합 분말 전체 부피 기준으로 0.1 내지 10 부피%로 첨가될 수 있다.
상기 복합 분말은 상기 탄소나노튜브, 그래핀 등의 탄소계 소재를 포함함에 따라, 이를 포함하는 빌렛으로부터 제조되는 복합재료는 고열전도성, 고강도, 경량화 특성을 가질 수 있다.
한편, 마이크로 사이즈의 알루미늄 합금 입자는 나노 사이즈의 탄소계 소재와 입경 차이가 커서 분산이 어렵고, 탄소계 나노 재료는 강한 반데르발스 힘에 의해서 응집되기 쉬워 알루미늄 합금 분말과 균일하게 분산시키기 위해서 분산 유도제가 더 첨가될 수 있다.
상기 분산 유도제로는 SiC, SiO2, Al2O3, TiO2, Fe3O4, MgO, ZrO2 및 이들의 혼합물로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 세라믹으로 이루어진 나노 입자를 사용할 수 있다.
상기 나노 세라믹 입자는 상기 탄소나노튜브 등의 탄소계 나노 재료를 상기 알루미늄 합금 입자 사이에 균일하게 분산시키는 작용을 하며, 특히 상기 나노 SiC(나노 실리콘카바이드, nano Silicon carbide)는 인장 강도가 높고 날카로우며 일정한 전기전도성과 열전도성을 갖고 있으며, 높은 경도, 고내화성과 열충격에 강하며 고온 성질과 화학적 안정성이 우수하여 연마재, 내화재로서 사용된다. 또한, 상기 알루미늄 합금 입자 표면에 존재하는 상기 나노 SiC 입자는 상기 탄소나노튜브 등의 탄소계 나노 재료와 상기 알루미늄 합금 입자의 직접적인 접촉을 억제하여 일반적으로 알려져 있는 상기 탄소나노튜브 등의 탄소계 나노 재료와 상기 알루미늄 합금의 반응에 의해서 생성될 수 있는 불건전상의 알루미늄 카바이드의 생성을 억제하는 역할도 수행한다.
또한, 상기 복합 분말은 상기 알루미늄 합금 분말 100 부피부, 및 상기 탄소계 나노 재료 0.01 부피부 내지 10 부피부를 포함할 수 있다.
상기 탄소계 나노 재료의 함량이 상기 알루미늄 합금 분말 100 부피부에 대하여 0.01 부피부 미만인 경우 복합재료의 강도는 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금과 비슷하게 나타나므로 강화재로서 충분한 역할을 하지 못할 수 있고, 반대로 상기 탄소계 나노 재료의 함량이 10 부피부를 초과하는 경우 강도는 순수 알루미늄 또는 알루미늄 합금 대비 증가하지만 반대로 연신율이 떨어질 수 있다. 또한, 상기 탄소나노튜브의 함량이 극단적으로 많아지면 오히려 분산이 어려워지고 결함으로 작용하여 기계적 물리적 특성을 떨어뜨릴 수도 있다.
또한, 상기 복합 분말이 상기 분산 유도제를 더 포함하는 경우, 상기 복합 분말은 상기 알루미늄 합금 분말 100 부피부에 대하여 상기 분산 유도제 0.1 부피부 내지 10 부피부를 더 포함할 수 있다.
상기 분산 유도제의 함량이 상기 알루미늄 합금 분말 100 부피부에 대하여 0.1 부피부 미만인 경우 분산 유도 효과가 미미할 수 있고, 10 부피부를 초과하는 경우 탄소계 나노 재료의 응집으로 분산이 어려워 오히려 결함으로 작용할 있을 수 있다.
한편, 상기 볼 밀은 구체적으로 대기, 불활성 분위기, 예를 들면, 질소 또는 아르곤 분위기 하에서, 150 r/min 내지 300 r/min의 저속 또는 300 r/min의 이상의 고속으로, 12 시간 내지 48 시간 동안 볼밀기, 예를 들어 수평형 또는 유성형 볼밀기를 이용하여 이루어질 수 있다.
이때, 상기 볼 밀은 스테인레스 용기에서, 스테인레스 볼(지름 20 파이 볼, 및 지름 10 파이 볼을 1:1 혼합)을 상기 복합 분말 100 부피부에 대하여 100 부피부 내지 1500 부피부로 장입하여 이루어질 수 있다.
또한, 마찰계수를 감소시키기 위해서 공정 제어제로 헵탄, 헥산 및 알코올로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 유기 용제를 상기 복합 분말 100 부피부에 대하여 10 부피부 내지 50 부피부로 사용할 수 있다. 상기 유기 용제는 볼 밀 후 용기를 오픈하여 상기 혼합 분말 회수시 후드에서 모두 증발되고, 회수되는 혼합 분말에는 상기 알루미늄 합금 분말과 상기 탄소나노튜.브만 남는다.
이때, 상기 나노 크기의 세라믹인 분산 유도제는, 상기 볼 밀 공정시 발생되는 회전력에 의해 상기 나노 크기의 밀링 볼과 같은 역할을 하여, 물리적으로 응집된 상기 탄소계 나노 재료를 분리하고 유동성을 촉진시켜 상기 탄소계 나노 재료를 상기 알루미늄 입자 표면에 더욱 균일하게 분산시킬 수 있다.
다음으로, 상기 단계 (B)에서는 전 단계에서 얻어진 복합 분말을 포함하는 다층 빌렛(billet)을 제조한다.
본 단계에서 제조되는 다층 빌렛은 코어층 및 상기 코어층을 둘러싸는 1개의 쉘층만으로 이루어지거나, 코어층 및 상기 코어층을 둘러싸는 2층 이상의 쉘층을 포함해 이루어지며, 코어층은 상기 복합 분말 또는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 최외곽 쉘층을 제외한 쉘층은 상기 복합 분말로 이루어지며, 최외곽 쉘층은 알루미늄 합금으로 이루어진다.
상기 최외곽 쉘층을 제외한 쉘층이 2개층 이상일 경우 해당 2개층 이상의 쉘층 각각에 포함되는 복합 분말의 조성, 즉 알루미늄 합금 분말과 탄소계 나노 재료 분말의 함량비는 서로 상이한 것이 바람직하다.
또한, 상기 코어층이 상기 복합 분말로 이루어질 경우에도, 해당 코어층 및 최외곽 쉘층을 제외한 1개층 이상의 쉘층 각각에 포함되는 복합 분말은 조성이 상이해 알루미늄 합금 분말에 대한 탄소계 나노 재료의 부피 분율이 서로 다른 것이 바람직하다.
한편, 상기 다층 빌렛에 포함되는 쉘층의 개수는 특별히 제한되지 않으나, 경제성 등을 고려할 때 5개 층 이하인 것이 바람직하다.
도 2는 상기와 같은 다층 빌렛 제조 과정의 일례를 모식적으로 나타내는 그림이다.
도 2를 참조하면, 상기 빌렛은 상기 복합 분말(10)을 가이더(G)를 통해 금속캔(20)에 장입하고, 캡(C)으로 봉입하거나 압착하여 분말이 흐르지 않도록 하여 제조할 수 있다.
상기 금속캔(20)은 전기전도성 및 열전도성이 있는 금속으로 이루어진 것이면 모두 사용 가능하고, 알루미늄 또는 알루미늄 합금 캔, 구리 캔, 마그네슘 캔을 바람직하게 사용할 수 있다. 상기 금속캔(20)의 두께는 6 인치 빌렛을 가정할 경우 0.5 mm 내지 150 mm일 수 있지만 이는 빌렛의 크기에 따라 다양한 두께 비율을 가질 수 있다.
도 3은 본 단계에서 제조될 수 있는 다층 빌렛의 일례로서, 코어층과 이를 둘러싸는 2층을 쉘층을 포함하는 다층 빌렛 즉, 코어층, 상기 코어층을 둘러싸는 제1 쉘층 및 상기 제1 쉘층을 둘러싸는 제2 쉘층으로 이루어진 다층 빌렛을 모식적으로 도시한 사시도이다.
도 3을 참조하면, 우선 제2 쉘층으로서 속이 빈 원통 형상의 제1 빌렛(11)의 내부에 제1 쉘층으로서 상기 제1 빌렛(11)과는 성분이 상이한 제2 빌렛(12)을 배치하고, 상기 제2 빌렛(12)의 내부에 코어층으로서 상기 제2 빌렛(12)과는 성분이 상이한 제3 빌렛(13)을 더 배치하여 다층 빌렛을 제조할 수 있다.
이때, 상기 제1 빌렛(11)은 속이 빈 원통 형상으로서, 한쪽 입구가 막힌 캔(can) 형상이거나, 양쪽 입구가 뚫린 중공 원통 형상일 수 있고, 상기 제1 빌렛(11)은 알루미늄, 구리, 마그네슘 등으로 이루어질 수 있다. 상기 제1 빌렛(11)은 상기 금속 모재를 용융시킨 후, 주형에 주입하여 속이 빈 원통 형상으로 제조하거나, 기계 가공하여 제조할 수 있다.
상기 제2 빌렛(12)은 상기 제조된 복합 분말을 포함할 수 있고, 상기 제2 빌렛(12)은 덩어리(bulk) 또는 분말일 수 있다.
상기 제2 빌렛(12)이 덩어리인 경우, 상기 제2 빌렛(12)은 구체적으로 원기둥 형상일 수 있고, 상기 다층 빌렛은 상기 원기둥 형상의 제2 빌렛(12)을 상기 제1 빌렛(11)의 내부에 배치시켜 제조할 수 있다. 이때, 상기 제2 빌렛(12)을 상기 제1 빌렛(11)의 내부에 배치시키는 방법으로는, 상기 제2 빌렛(12)의 복합 분말을 용융시켜 주형에 주입하여 원기둥 형상으로 제조한 후, 이를 상기 제1 빌렛(11) 내부에 끼워 맞춤하여 제조할 수 있고, 또는 상기 복합 분말을 상기 제1 빌렛(11) 내부에 직접 장입하여 제조할 수도 있다.
상기 제3 빌렛(13)은 금속 덩어리(bulk) 또는 분말일 수 있다.
한편, 상기 제2 빌렛(12) 또는 상기 제3 빌렛(13) 등이 상기 복합 분말을 포함하는 덩어리인 경우, 상기 복합 분말을 고압으로 압착시키거나 소결시켜 덩어리 형상으로 제조할 수 있다.
이때, 상기 제2 빌렛(12)과 제3 빌렛(13)이 포함하는 복합 분말은 그 조성이 서로 상이하다. 상기 복합 분말에 포함되는 이종 재료가 알루미늄(또는 알루미늄 합금) 분말 및 탄소나노튜브(CNT)일 경우를 예로 들면, 상기 제2 빌렛(12)은 상기 알루미늄 합금 100 부피부에 대하여 상기 탄소나노튜브를 0.09 부피부 내지 10 부피부로 포함하고, 상기 제3 빌렛(13)은 상기 알루미늄 합금 분말 100 부피부에 대하여 상기 탄소나노튜브를 0 부피부 초과 0.08 부피부 이하로 포함할 수 있다.
또는, 상기 제2 빌렛(12)은 상기 복합 분말을 포함하고, 상기 제3 빌렛(13)은 상기 제1 빌렛(11)과 같이, 알루미늄, 구리, 마그네슘, 티타늄, 스테인리스스틸, 텅스텐, 코발트, 니켈, 주석 및 이들의 합금으로 이루어진 군에서 선택되는 어느 하나의 금속 덩어리이거나 금속 분말일 수도 있다.
상기 다층 빌렛은 상기 다층 빌렛 전체 부피에 대하여 상기 제2 빌렛(12)을 0.01 부피% 내지 10 부피% 및 상기 제3 빌렛(13)을 0.01 부피% 내지 10 부피%로 포함할 수 있고, 상기 제1 빌렛(11)을 나머지 부피로 포함할 수 있다.
한편, 상기 다층 빌렛이 상기 복합 분말을 포함하는 상기 제2 빌렛(12) 또는 상기 제3 빌렛(13)을 포함함에 따라, 상기 다층 빌렛은 봉입하기 전에, 10 MPa 내지 100 MPa의 고압으로 압착시키는 공정을 포함할 수 있다.
상기 다층 빌렛을 압착함에 따라, 이후 상기 다층 빌렛을 압출 다이스를 이용하여 압출하는 것이 가능해진다. 상기 복합 분말을 압착하는 조건이 10 MPa 미만인 경우 제조된 소성 가공 복합재료에 기공이 발생할 수 있고, 상기 복합 분말이 흘러 내릴 수 있으며, 100 MPa를 초과하는 경우 높은 압력으로 인하여 상기 제2의 빌렛(두 번째 이상의 빌렛을 의미함)이 팽창할 수 있다.
또한, 상기 다층 빌렛이 상기 복합 분말을 포함하는 상기 제2 빌렛 및/또는 상기 제3 빌렛을 포함함에 따라, 이후 상기 다층 빌렛을 압출 등의 소성 가공 공정에 제공하기 위하여, 상기 다층 빌렛을 소결시키는 공정을 더 포함할 수 있다.
상기 소결에는 방전 플라즈마 소결(spark plasma sintering) 또는 열간 가압 소결 장치를 사용할 수 있지만, 동일한 목적을 달성할 수 있는 한 어떠한 소결 장치를 사용해도 무방하다. 다만, 단시간 내에 정밀하게 소결하는 것이 필요한 경우 방전 플라즈마 소결을 이용하는 것이 바람직하고, 이때 30 MPa 내지 100 MPa의 압력 하에서, 280 ℃ 내지 600 ℃의 온도로, 1 초 내지 30 분 동안 방전 플라즈마 소결시킬 수 있다.
이어서, 상기 단계 (C)에서는 전 단계에서 제조된 빌렛을 압출 다이스를 이용하여 직접 압출시켜 클래드재를 제조하고 상기 클래드재를 가공해 전극층을 제조한다.
상기 압출 다이스는 평다이스(Solid Dies), 중공다이스(Hollow Dies), 반중공다이스(Semi-Hollow Dies)일 수 있다.
상기 직접 압출시 다이 각(die angle)은 400 ℃ 내지 550 ℃일 수 있고, 압출비는 15 내지 120일 수 있고, 압출 속도는 2 mm/s 내지 10 mm/s일 수 있고, 압출 압력은 150 kg/cm2내지 200 kg/cm2일 수 있고, 빌렛 온도는 350 ℃ 내지 550 ℃일 수 있다. 상기 압출비는 상기 빌렛의 단면적과 상기 클래드재의 단면적과의 비이다.
한편, 상기 빌렛이 상기 복합 분말을 포함하는 상기 제 2 빌렛 및/또는 상기 제 3 빌렛(두 번째 이상의 빌렛을 의미)을 포함하는 경우, 상기 다층 빌렛을 상기 압출 다이스를 이용하여 직접 압출시키기 위하여, 상기한 바와 같이 상기 다층 빌렛을 고압으로 압착시키거나, 상기 소결할 필요가 있다.
도 4는 본 단계에서 제조되는 전극층을 이루는 클래드재의 일례로서, 외부층(제2 쉘층) 및 내부층(코어층)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 중간층은 알루미늄(또는 알루미늄 합금)/탄소계 나노재료(CNT, 그래핀 등) 복합재로 이루어진 클래드재의 (a) 길이방향 단면도, (b) 길이방향 측면도 및 (c) 사시도이다.
도 4에 따른 클래드재는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 원통 형상의 제 1 빌렛 내부에 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 원기둥 형상의 제 3 빌렛이 위치하고, 상기 제 1 빌렛과 상기 제 3 빌렛 사이에 상기 복합 분말을 포함하는 제 2 빌렛이 위치하는 다층 빌렛을 제조하고, 상기 다층 빌렛을 압착 또는 소결시킨 뒤, 이를 직접 압출함으로써 제조할 수 있다.
도 5는 본 발명에 따른 정전척에 포함되는 전극층을 이루는 클래드재의 다른 일례로서, 외부층(쉘층)은 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어지고, 내부층(코어층)은 알루미늄(또는 알루미늄 합금)/탄소계 나노재료(CNT, 그래핀 등) 복합재로 이루어진 클래드재의 (a) 길이방향 단면도, (b) 길이방향 측면도 및 (c) 사시도이다.
도 5에 따른 클래드재는 알루미늄 또는 알루미늄 합금으로 이루어진 원통 형상의 제 1 빌렛 내부에 상기 복합 분말을 포함하는 제 2 빌렛이 위치하는 다층 빌렛을 제조하고, 상기 다층 빌렛을 압착 또는 소결시킨 뒤, 이를 직접 압출함으로써 제조할 수 있다.
다음으로, 상기 단계 (D)에서는 상기 전극층 상에 유전층을 형성해 전극층 및 유전층이 순차적으로 적층된 구조를 가지는 정전척을 제조한다.
본 단계에서 전극층 상에 유전층을 형성하는 구체적인 방법으로서 물리적 증착법(PVD, Physical Vapor Deposition), 화학적 증착법(CVD. Chemical Vapor Deposition) 등의 통상의 코팅층 형성 방법을 이용해도 무방하나, 형성되는 유전층의 생산성 및 안정성의 측면에서 용사법(thermal spraying)을 이용해 본 단계를 수행하는 것이 바람직하다.
보다 바람직하게는, 플라즈마를 열원으로 하여 유전재료 분말을 용융, 가속 및 코팅시키는 플라즈마 용사법(plasma spraying)을 사용할 수 있는데, 그 구체적인 예로서 대기 플라즈마 용사법(APS, Air Plasma Spraying), 진공 플라즈마 용사법(VPS, Vaccum Plasma Spraying), 감압 플라즈마 용사법(LPPS, Low Pressure Plasma Spraying) 등을 들 수 있다.
나아가, 본 단계에서는 전극층 상에 유전층을 형성하기에 앞서 상기 전극층 상에, 1∼5 중량%의 코발트(Co); 10∼20 중량%의 니켈(Ni); 및 75∼85 중량%의 철(Fe)을 포함하는 합금으로 이루어진 금속층을 형성하는 단계를 더 포함할 수 있다.
상기 조성을 가지는 합금은 유전층을 이루는 소재와 열팽창 계수(coefficient of thermal expansion) 차이가 크지 않아 정전척이 가열과 냉각이 반복되는 반도체 제조 장치 내에서 사용되더라도 열충격에 의한 절연 파괴를 최소화할 수 있어 뛰어난 내열충격성을 가짐으로써 우수한 절연 특성 및 신뢰성을 나타내는 정전척을 구현할 수 있다.
전극층 상에 상기 합금으로 이루어진 금속층을 형성하기 위해 물리적 증착법(PVD, Physical Vapor Deposition), 화학적 증착법(CVD. Chemical Vapor Deposition) 등의 통상의 코팅층 형성 방법을 이용해도 무방하나, 생산성 및 안정성의 측면에서 용사법(thermal spraying)을 이용해 수행하는 것이 바람직하다.
보다 바람직하게는, 플라즈마를 열원으로 하여 유전재료 분말을 용융, 가속 및 코팅시키는 플라즈마 용사법(plasma spraying)을 사용할 수 있는데, 그 구체적인 예로서 대기 플라즈마 용사법(APS, Air Plasma Spraying), 진공 플라즈마 용사법(VPS, Vaccum Plasma Spraying), 감압 플라즈마 용사법(LPPS, Low Pressure Plasma Spraying) 등을 들 수 있다.
한편, 본 단계를 수행하기 전에 필요에 따라 전극층과 유전층 간의 접합력을 향상시키기 위해 공지의 방법을 이용해 전극층의 표면 가공을 수행할 수 있는데, 예를 들면, 용사법(thermal spraying)에 의해 유전층을 형성할 경우에는 전극층의 표면을 블래스트(blast) 처리에 의해 조면화(粗面化)해 전극층과 유전층 간의 접합력 증대를 도모할 수 있다.
전술한 본 발명에 따른 정전척의 제조방법에 의하면 기존의 공정보다 단순한 공정을 통해 전극층 등 정전척용 소재를 제조할 수 있어 성능과 가격 경쟁력을 동시에 확보할 수 있는 장점을 발휘하며, 또한, 본 발명에 의해 제조되는 정전척은 가열 및 냉각이 반복되는 가혹한 사용 환경 하에서도 우수한 내구성을 가지며 반도체 생산 공정의 효율성을 비약적으로 향상시킬 수 있다는 뛰어난 효과를 나타낸다.
이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해 보다 상세하게 설명하기로 한다.
본 명세서에 따른 실시예들은 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 명세서의 범위가 아래에서 상술하는 실시예들에 한정되는 것으로 해석되지 않는다. 본 명세서의 실시예들은 당업계에서 평균적인 지식을 가진 자에게 본 명세서를 보다 완전하게 설명하기 위해 제공되는 것이다.
<실시예 1>
탄소나노튜브는 순도 99.5 %, 직경과 길이는 각각 10 nm 이하와 30 ㎛ 이하이고(룩셈부르크, (주)OCSiAl사 제품), 알루미늄 분말은 평균 입경 45 ㎛, 순도 99.8 %(한국, MetalPlayer 제품)을 사용하였다.
제1 빌렛인 알루미늄 합금 캔 중앙에 원기둥 형상의 제3 빌렛이 위치하고, 상기 제1 빌렛과 제3 빌렛의 사이에 제2 빌렛(복합 분말)이 위치하도록 다층 빌렛을 제조하였다.
상기 제2 빌렛은 알루미늄 분말 99.5 vol% 및 탄소나노튜브 0.5 vol% 포함하는 알루미늄-CNT 복합 분말(Al-0.5vol%CNT)을 포함하였고, 상기 제1 빌렛은 알루미늄 6063으로 이루어졌고, 상기 제3 빌렛은 알루미늄 3003 합금으로 이루어졌다.
상기 제2 빌렛은 구체적으로 다음의 방법으로 제조되었다. 알루미늄 분말 99.5 vol% 및 탄소나노튜브 0.5 vol% 비율로 스테인레스 용기에 30 부피%로 채우고, 상기 용기에 스테인레스 볼(지름 20 파이 볼, 및 지름 10 파이 볼을 혼합)을 용기 내부에 30 부피%까지 채우고 헵탄을 50 ml 첨가한 후, 이를 수평형 볼밀기를 이용하여 250 rpm, 24 시간 동안 저속 볼 밀 시켰다. 이후, 상기 용기를 오픈하여 상기 헵탄을 후드에서 모두 증발시키고, 알루미늄-CNT 복합 분말을 회수하였다.
상기 제조된 알루미늄-CNT 복합 분말을 상기 제1 빌렛과 상기 제3 빌렛 사이의 틈 2.5t에 장입시키고, 100 MPa의 압력으로 압착시켜 다층 빌렛을 제조한 후, 압출비 100, 압출 속도 5 mm/s, 압출 압력 200 kg/cm2, 빌렛 온도 460 ℃인 조건으로 직접 압출하여 플레이트(plate) 형태의 클래드를 제조한 후 원형으로 가공해 전극층을 제조하였다.
이어서, 상기 전극층 표면을 블래스팅 처리한 후, Al2O3 분말을 사용해 대기 플라즈마 용사법(APS)으로 상기 블래스팅 처리된 표면 전체에 두께 110㎛의 유전층을 형성하였다.
<실시예 2>
제2 빌렛에 포함된 알루미늄-CNT 복합 분말이 알루미늄 분말 99.0 vol% 및 탄소나노튜브 1.0 vol% 포함하는 알루미늄-CNT 복합 분말(Al-1.0vol%CNT)인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 정전척을 제조하였다.
<실시예 3>
제2 빌렛에 포함된 알루미늄-CNT 복합 분말이 알루미늄 분말 97.0 vol% 및 탄소나노튜브 3.0 vol% 포함하는 알루미늄-CNT 복합 분말(Al-3.0vol%CNT)인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 정전척을 제조하였다.
<실시예 4>
제2 빌렛에 포함된 알루미늄-CNT 복합 분말이 알루미늄 분말 95.0 vol% 및 탄소나노튜브 5.0 vol% 포함하는 알루미늄-CNT 복합 분말(Al-5.0vol%CNT)인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 정전척을 제조하였다.
<실시예 5>
제2 빌렛에 포함된 복합 분말이 알루미늄 분말 99.5 vol% 및 그래핀(graphene) 0.5 vol% 포함하는 알루미늄-그래핀 복합 분말(Al-0.5vol%Graphene)인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 정전척을 제조하였다.
<실시예 6>
제2 빌렛에 포함된 복합 분말이 알루미늄 분말 99.0 vol% 및 그래핀(graphene) 1.0 vol% 포함하는 알루미늄-그래핀 복합 분말(Al-1.0vol%Graphene)인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 정전척을 제조하였다.
<실시예 7>
제2 빌렛에 포함된 복합 분말이 알루미늄 분말 97.0 vol% 및 그래핀(graphene) 3.0 vol% 포함하는 알루미늄-그래핀 복합 분말(Al-3.0vol%Graphene)인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 정전척을 제조하였다.
<실시예 8>
제2 빌렛에 포함된 복합 분말이 알루미늄 분말 95.0 vol% 및 그래핀(graphene) 5.0 vol% 포함하는 알루미늄-그래핀 복합 분말(Al-5.0vol%Graphene)인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 정전척을 제조하였다.
<실시예 9>
제2 빌렛에 포함된 복합 분말이 알루미늄 분말 99.5 vol%, 탄소나노튜브 0.25 vol% 및 그래핀(graphene) 0.25 vol% 포함하는 알루미늄-CNT-그래핀 복합 분말(Al-0.25vol%CNT-0.25vol%Graphene)인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 정전척을 제조하였다.
<실시예 10>
제2 빌렛에 포함된 복합 분말이 알루미늄 분말 99.0 vol%, 탄소나노튜브 0.5 vol% 및 그래핀(graphene) 0.5 vol% 포함하는 알루미늄-CNT-그래핀 복합 분말(Al-0.5vol%CNT-0.5vol%Graphene)인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 정전척을 제조하였다.
<실시예 11>
제2 빌렛에 포함된 복합 분말이 알루미늄 분말 97.0 vol%, 탄소나노튜브 1.5 vol% 및 그래핀(graphene) 1.5 vol% 포함하는 알루미늄-CNT-그래핀 복합 분말(Al-1.5vol%CNT-1.5vol%Graphene)인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 정전척을 제조하였다.
<실시예 12>
제2 빌렛에 포함된 복합 분말이 알루미늄 분말 95.0 vol%, 탄소나노튜브 2.5 vol% 및 그래핀(graphene) 2.5 vol% 포함하는 알루미늄-CNT-그래핀 복합 분말(Al-2.5vol%CNT-2.5vol%Graphene)인 것을 제외하고는 상기 실시예 1과 동일한 방법으로 정전척을 제조하였다.
상기 실시예 1 내지 12 각각에서 전극층의 소재로서 제조된 알루미늄 합금-CNT 복합소재 포함 클래드재는 기존 정전척 전극층 소재인 순수 알루미늄(pure aluminum)에 비해 크게 향상된 최대 290 W/mk의 열전전도를 나타내고, 인장강도 및 연신율은 순수 알루미늄 대비 각각 최대 300% 및 20% 향상되고, 열팽창 계수는 최소 17 x 10-6K-1로서 순수 알루미늄에 비해 크게 감소된 것으로 확인되었다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (9)

  1. (A) (i) 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말 및 (ii) 탄소계 나노 재료 분말을 볼 밀(ball mill)하여 복합 분말을 제조하는 단계;
    (B) 코어층 및 상기 코어층을 둘러싸는 1개층 이상의 쉘층을 포함해 이루어지는 다층 빌렛(billet)을 제조하되, 상기 코어층 및 1개층 이상의 쉘층 중 적어도 하나 이상은 상기 복합 분말을 포함하는 다층 빌렛을 제조하는 단계;
    (C) 상기 빌렛을 압출시켜 전극층을 제조하는 단계; 및
    (D) 상기 전극층 상에 유전층을 형성하는 단계;를 포함하되,
    상기 단계 (D)에서,
    상기 전극층 상에 유전층을 형성하기에 앞서
    상기 전극층 상에, 1∼5 중량%의 코발트(Co); 10∼20 중량%의 니켈(Ni); 및 75∼85 중량%의 철(Fe)을 포함하는 합금으로 이루어진 금속층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는,
    고방열성, 내열충격성 및 경량성을 가지는 정전척의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 탄소계 나노 재료는,
    탄소나노튜브, 그래핀, 탄소나노섬유, 탄소나노입자, 메조다공성탄소, 탄소나노시트, 탄소나노막대 및 탄소나노벨트로 이루어진 군으로부터 선택된 1종 이상인 것을 특징으로 하는
    고방열성, 내열충격성 및 경량성을 가지는 정전척의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 다층 빌렛은,
    코어층 및 상기 코어층을 둘러싸는 2층 이상의 쉘층을 포함해 이루어지며,
    상기 코어층 및 최외곽 쉘층을 제외한 쉘층은 상기 복합 분말로 이루어지고, 상기 최외곽 쉘층은 (i) 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말 또는 (ii) 상기 복합 분말로 이루어지며,
    상기 코어층 및 쉘층 각각에 포함되는 복합 분말은 알루미늄 또는 알루미늄 합금 분말에 대한 카본 나노 튜브의 부피 분율이 서로 다른 것을 특징으로 하는
    고방열성, 내열충격성 및 경량성을 가지는 정전척의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 다층 빌렛은,
    제2 쉘층으로서 캔 형상의 제1 빌렛;
    제1 쉘층으로서 상기 제1 빌렛의 내부에 배치된 제2 빌렛; 및
    상기 코어층으로서 상기 제2 빌렛의 내부에 배치된 제3 빌렛으로 이루어진 것을 특징으로 하는
    고방열성, 내열충격성 및 경량성을 가지는 정전척의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (C)에서,
    상기 다층 빌렛을 압출 다이스(extrusion dies)를 이용하여 직접 압출(direct extrusion)시켜 전극층을 제조하는 것을 특징으로 하는
    고방열성, 내열충격성 및 경량성을 가지는 정전척의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 단계 (D)에서,
    용사법(thermal spraying)으로 Al2O3, ZrO3, AlN 또는 Y2O3로 이루어진 유전층을 형성하는 것을 특징으로 하는
    고방열성, 내열충격성 및 경량성을 가지는 정전척의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 용사법은 대기 플라즈마 용사법(APS, Air Plasma Spraying), 진공 플라즈마 용사법(VPS, Vacuum Plasma Spraying), 또는 감압 플라즈마 용사법(LPPS, Low Pressure Plasma Spraying)인 것을 특징으로 하는
    고방열성, 내열충격성 및 경량성을 가지는 정전척의 제조방법.
  8. 삭제
  9. 제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 기재된 제조방법에 의해 제조된 정전척.
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