KR20190109912A - 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 그라파이트 소재의 모재에 보다 간단한 구조의 장비와 안전한 원료를 사용하여 단순한 공정에 의해 고품질의 실리콘 카바이드 코팅층을 경제적으로 형성할 수 있는 실리콘 카바이드 코팅 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 a) 다공성 담체에 고체 실리콘을 담지시키는 단계; b) 진공챔버에 코팅을 위한 그라파이트 모재와, 상기 고체 실리콘이 담지된 다공성 담체를 적재한 후 1,400 내지 2,000 ℃로 열처리하여 제1 실리콘 카바이드 코팅층을 제조하는 단계; 및 c) 화학기상증착법을 통해, 상기 제1 실리콘 카바이드 코팅층 상부에 제2 실리콘 카바이드 코팅층을 증착하는 단계;를 포함한다.

Description

하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법{Method for SiC Coating on Graphite using Hybrid Coating Method}

본 발명은 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법에 관한 것으로, 그라파이트 모재의 표면에 실리콘 카바이드 코팅층을 형성할 경우, 크랙, 박리 등을 방지하기 위한 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법에 관한 것이다.

일반적으로, LED 유기금속화학증착 장비의 내에는 석영재질의 부품이나 그라파이트 재질의 부품들이 사용되고 있다.

그러나 석영이나 그라파이트 재질은 유기금속화학증착 장비의 증착온도에서 이물이 발생되어 수율을 저하시키는 원인이 되거나, 증착물인 GaN이 표면에 부착되어 잦은 세정이 요구되어 공정 중단이 빈번하게 이루어짐으로써, 생산성이 저하되는 문제점이 있었다.

최근에는 이러한 석영 재질 또는 그라파이트 재질의 부품들의 문제점을 해결하기 위하여 그 석영이나 그라파이트 재질의 부품 표면에 실리콘 카바이드를 코팅하여 사용하는 기술들이 제안되었다.

이러한 기술들의 예로는 한국등록특허 제10-0951633호, 한국공개특허 제10-2011-0041920호를 예로 들 수 있다. 이러한 예에서 알 수 있듯이 그라파이트 등의 재료의 전체에 SiC를 증착하여 코팅하는 방법이 알려져 있으며, 내화학성, 내열성을 높이고 강도를 증가시키는 등의 많은 장점이 있다.

그러나 이와 같이 그라파이트 또는 석영의 표면에 이종 재료인 실리콘 카바이드를 증착하게 되면, 그 증착 후 냉각하는 과정에서 응력이 생기게 되며, 특히 타부품과의 체결부분에서는 응력이 해소되지 못하고 집중되어, 그 체결부분에서 크랙이 발생하게 된다.

이 크랙은 체결부분에서 발생하기는 하지만 점차 주변으로 확장되며, 내부의 그라파이트나 석영이 외부로 노출되어 역시 이물이 발생하는 등의 문제점이 재현된다.

한국등록특허 제10-0951633호 한국공개특허 제10-2011-0041920호

본 발명은 CVD 공정에 의해 그라파이트 표면에 단일의 실리콘 카바이드(SiC) 층이 형성되는 경우 열충격에 의한 크랙 발생을 방지하기 위해 안출된 것으로, 하이브리드 코팅법을 이용하여 그라파이트 모재의 표면 내부와 외부에 이중의 실리콘 카바이드(SiC) 층을 형성시킴으로써 그라파이트 모재에 고품질의 실리콘 카바이드를 코팅하는 방법을 제공함에 있다.

또한 본 발명은 실리콘 카바이트 코팅층을 구비한 부품을 제조하기 위한 반도체 공정에 적용하기 위함에 있다.

또한 본 발명은 그라파이트 소재의 모재에 보다 간단한 구조의 장비와 안전한 원료를 사용하여 간소화된 공정에 의해 고품질의 실리콘 카바이드 코팅층을 경제적으로 형성할 수 있는 새로운 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법을 제공하는 함에 있다.

한편, 본 발명의 명시되지 않은 또 다른 목적들은 하기의 상세한 설명 및 그 효과로부터 용이하게 추론 할 수 있는 범위 내에서 추가적으로 고려될 것이다.

이와 같은 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법은 a) 다공성 담체에 고체 실리콘을 담지시키는 단계; b) 진공챔버에 코팅을 위한 그라파이트 모재와, 상기 고체 실리콘이 담지된 다공성 담체를 적재한 후 1,400 내지 2,000 ℃로 열처리하여 제1 실리콘 카바이드 코팅층을 제조하는 단계; 및 c) 화학기상증착법을 통해, 상기 제1 실리콘 카바이드 코팅층 상부에 제2 실리콘 카바이드 코팅층을 증착하는 단계;를 포함한다.

본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법에 있어, 상기 a) 단계는, 상기 고체 실리콘을 다공성 담체의 상부에 적재한 후 열처리하는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법에 있어, 상기 고체 실리콘은 분말, 입자, 플레이크 또는 청크(chunk) 형태로 적재되어 있는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법에 있어, 상기 다공성 담체는 그라파이트, 알루미늄 나이트라이드, 및 실리콘 카바이드 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상인 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법에 있어, 상기 다공성 담체의 공극의 직경은 0.001 내지 1 mm인 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법에 있어, 상기 다공성 담체의 공극율은 10 내지 60% 인 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법에 있어, 상기 제1 실리콘 카바이드 코팅층은 10 내지 200 ㎛ 두께를 가지는 것일 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법에 있어, 상기 b) 단계 시, 상기 다공성 담체에서 토출된 실리콘 가스를, 상기 다공성 담체와 상기 그라파이트 모재 사이에 장착된 가스 분배판으로 접촉시켜, 상기 진공챔버 내부로 균일하게 퍼뜨리는 것일 수 있다.

본 발명에 따른 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법은 기존 CVD 공정을 이용하여 그라파이트 표면에 단일의 실리콘 카바이드(SiC) 층이 형성되는 경우 열충격에 의한 크랙 발생을 방지할 수 있다.

또한 본 발명은 진공챔버 내에 기재와 실리콘을 넣고 단순히 열처리하는 것에 그라파이트 모재에 실리콘 카바이드를 코팅할 수 있으므로, 간단한 구조의 장비를 사용하여 코팅 변수가 적어 단순한 공정에 의해 우수한 재현성으로 경제적으로 실리콘 카바이드 코팅층을 형성할 수 있다.

한편, 여기에서 명시적으로 언급되지 않은 효과라 하더라도, 본 발명의 기술적 특징에 의해 기대되는 이하의 명세서에서 기재된 효과 및 그 잠정적인 효과는 본 발명의 명세서에 기재된 것과 같이 취급됨을 첨언한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법을 도시한 모식도이며,
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법에 사용되는 장비의 사진이며,
도 3은 다공성 담체에 실리콘을 담지하지 않고, 실리콘 분말을 이용하여 그라파이트 모재의 표면에 제1 실리콘 카바이드 층을 형성시킨 후 CVD 공정을 통해 제2 실리콘 카바이드 층을 형성시킨 경우의 모식도이며,
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 실리콘 카바이트 코팅층의 XRD 그래프이며,
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 실리콘 카바이드 코팅층이 형성된 그라파이트 모재의 SEM 단면 이미지이고,
도 6는 본 발명의 일 실시예에 따른 제1 실리콘 카바이드 코팅층 및 제2 실리콘 카바이드 코팅층이 형성된 그라파이트 모재의 SEM 단면 이미지 및 EDS 스펙트럼이고,
도 7은 도 6의 제2 실리콘 카바이드 코팅층을 측정한 SEM 단면 이미지 및 EDS 스펙트럼이며,
도 8은 그라파이트 모재의 표면에 CVD 공정만을 통해 실리콘 카바이드 층을 형성시킨 그라파이트 모재를 실리콘 웨이퍼 캐리어로 반도체 공정에 적용한 이후의 사진이며,
도 9는 다공성 담체에 실리콘을 담지하지 않고, 실리콘 분말을 이용하여 제1, 2 실리콘 카바이드 층을 형성시킨 그라파이트 모재를 반도체 공정에서 실리콘 웨이퍼 케리어로 적용한 이후 사진이다.

이하 본 발명에 관하여 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 실시예 및 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 하기 위해 예로서 제공되는 것이다. 또한, 본 발명의 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.

본 발명을 상술함에 있어, 용어 "하이브리드 코팅법"은 피코팅재에 코팅할 때, 둘 이상의 코팅법을 이용하여 코팅층을 형성하는 것을 의미한다. 구체적인 일 예로, 상기 하이브리드 코팅법은 실리콘 공급원을 그라파이트 표면의 기공으로 침투하도록 하여 그라파이트 표면 내부에 버퍼층을 형성시키는 화학기상침착법(chemical vapor infiltration reaction, CVIR)과, 버퍼층이 형성된 피코팅재에 실리콘과 탄소의 공급원을 가스 상태로 공급하여 피코팅재 표면에 실리콘 카바이드 층을 형성하는 화학기상증착법(chemical vapor deposition)을 각각 이용하는 것을 예로 들 수 있다. 여기에서, 상기 화학기상침착법을 수행하는 경우, 실리콘 공급원은 실리콘 금속, 즉 고상의 실리콘(이하 고체 실리콘이라 함)을 이용할 수 있고, 상기 화학기상증착법을 수행하는 경우, 실리콘과 탄소의 공급원으로는 CH₃SiCl₃, (CH₃)₂SiCl₂, (CH₃)₃SiCl, SiCl₄ 등이 이용될 수 있다.

한편, 고체 실리콘은 상온에서의 융점이 약 1400℃, 비점이 약 3200℃이지만, 압력이 낮아지면 융점 및 비점이 낮아진다. 예컨대 대기압 보다 낮은 진공 분위기에서 약 1400℃ 내지 2000℃로 열처리하는 경우, 고체 실리콘은 액체상태를 거쳐 실리콘 가스로 증발하게 된다. 이러한 실리콘 가스는 다공성의 그라파이트 소재와 반응하여 그라파이트 모재의 표면 내부에 코팅층을 형성할 수 있다. 이때, 코팅층은 α-SiC, β-SiC 결정 구조를 가질 수 있으나, 본 발명이 결정구조에 한정되는 것은 아니다.

또한, 상기 그라파이트 모재 내부에 실리콘 카바이드 코팅층이 형성된 후, 상기 그라파이트 모재 표면에 실리콘 카바이드 코팅층이 형성되는 경우, 열팽창계수 차이로 발생하던 마이크로 크랙 등으로 인한 부품 파손을 방지할 수 있고, 특히 기존의 두꺼운 실리콘 카바이드 층으로 인한 후가공 및 치수불량 문제를 해소할 수 있다.

본 발명에 따른 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법은 a) 다공성 담체에 고체 실리콘을 담지시키는 단계; b) 진공챔버에 코팅을 위한 그라파이트 모재와, 상기 고체 실리콘이 담지된 다공성 담체를 적재한 후 1,400 내지 2,000 ℃로 열처리하여 제1 실리콘 카바이드 코팅층을 제조하는 단계; 및 c) 화학기상증착법을 통해, 상기 제1 실리콘 카바이드 코팅층 상부에 제2 실리콘 카바이드 코팅층을 증착하는 단계;를 포함한다.

상세하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법에 있어, 상기 b) 단계시, 상기 열처리 온도가 1,400℃ 미만이면 상기 다공성 담체로부터 실리콘 가스의 생성량이 미미하여 상기 제1 실리콘 카바이드 코팅층이 제조되기 어렵다. 또한, 상기 b) 단계시, 상기 열처리 온도가 2,000 ℃ 초과이면 제1 실리콘 카바이드 코팅층에서 실리콘 성분이 증발될 수 있어서 상기 그라파이트 모재 내부에 균일한 두께의 실리콘 카바이드(SiC) 층이 형성되기가 어렵다. 이에 따라, 상기 b) 단계시, 상기 열처리 온도는 1,400 내지 2,000 ℃로 하는 것이 본 발명에서 목적으로 하는 효과 달성에 바람직하다.

또한, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법에 있어, 상기 c) 단계시, 500 내지 1,400 ℃ 에서 상기 제2 실리콘 카바이드 코팅층을 증착할 수 있다. 상기 c) 단계시, 상기 온도가 500℃ 미만이면 상기 제1 실리콘 카바이드 코팅층 상부에 제2 실리콘 카바이드 코팅층을 증착되기가 어렵고, 상기 온도가 1400℃ 초과이면 상기 제1 실리콘 카바이드 코팅층에 잔존하는 실리콘이 증발할 수 있어서 상기 c) 단계 시 증발된 실리콘에 의해 상기 그라파이트 표면에 층간 분리가 일어날 수 있다.

이하 도 1 및 도 2를 참조하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법을 상세히 설명한다.

도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법을 도시한 모식도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법에 사용되는 장비의 사진이다.

한편, 본 발명은 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 화학기상침착법에 의해 제1 실리콘 카바이드 코팅층을 그라파이트 내부에 균일한 두께로 형성시킨 이후에, 화학기상법을 통해 그라파이트 모재 내부에 생성된 실리콘 카바비드 층에 새로은 제2 실리콘 카바이드 코팅층을 형성시키는 것으로 도 1에 도시되어 있는 바와 같이 모재인 그라파이트 표면을 기준으로 양방향으로 실리콘 카바이드 층을 형성시키는 것을 특징으로 하고 있다.

일반적인 실리콘카바이드 코팅은 실리콘카바이드 원료로서 실리콘원과 탄소원을 같이 공급하여 모재 표면에 실리콘카바이드 코팅층이 형성하게 되는 데, 이 경우 모재와 코팅층과의 계면특성이 달라 코팅층과의 결합이 용이하지 않거나, 모재 표면의 거칠기가 균일하지 않은 경우에는 코팅후 모재 표면의 거칠기가 발생하는 문제점을 안고 있다. 이에 반해, 본 발명은 그라파이트 모재의 내면에 실리콘을 증착시켜 그라파이트 모재의 외면층에서 탄소와 실리콘이 반응하여 제1 실리콘 카바이드 코팅층을 형성시킴으로써 추가적이 공정을 통해 제2 실리콘 카바이드 코팅층을 형성시 모재와의 결합을 좀더 용이하게 함으로써, 그라파이트 모재와 실리콘 카바이드 층을 일체화시킬 수 있는 것을 특징으로 하고 있다.

상기와 같은 본 발명으로 제조한 실리콘 카바이드 층이 형성된 그라파이트 모재를 반도체 공정에서 실리콘 웨이퍼 캐리어 등으로 적용시 그라파이트 모재와 실리콘 카바이드 층을 일체화 시켰다는 점에서 열팽창계수 차이로 발생하던 마이크로 크랙 등으로 인한 부품 파손을 방지할 수 있고, 특히 기존의 두꺼운 실리콘 카바이드 층으로 인한 치수불량 문제를 해소할 수 있다.

보다 상세하게, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법은, 다공성 담체에 고체 실리콘을 담지시키는 제1 단계; 진공챔버 내부에 설치되는 지그 상부에 그라파이트 모재를 적재하고, 상기 지그 하부에 설치되는 용기에 상기 고체 실리콘이 담지된 다공성 담체를 적재하는 제2 단계; 상기 진공챔버 내부를 1,400℃ 내지 2,000℃로 가열하여, 상기 고체 실리콘을 용융시키는 제3 단계; 상기 다공성 담체의 공극에서 토출된 실리콘 가스를 상기 그라파이트 모재로 발산시키는 제4 단계; 상기 실리콘 가스를 상기 그라파이트 모재 내부로 침투시켜 제1 실리콘 카바이드 코팅층을 형성하는 제5 단계; 및 화학기상증착법을 통해, 상기 제1 실리콘 카바이드 코팅층 상부에 제2 실리콘 카바이드 코팅층을 증착하는 제6 단계를 포함할 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법에 따르면, 열처리가 가능한 진공챔버의 단순한 장비를 사용하여 진공챔버의 진공도와 열처리 온도만을 제어하는 것에 의해 그라파이트 모재에 실리콘 카바이드 코팅층을 형성하는 것이 가능하다.

또한, 상기 진공챔버내 진공도가 높을수록, 열처리 온도가 높을수록 코팅 속도가 빨라지며, 코팅층의 특성도 좋아진다. 예컨대, 진공챔버의 진공도는 10^-2 내지 10^-7 Torr인 것이 본 발명에서 목적으로 하는 효과 달성에 바람직하다.

또한, 상기 진공챔버 내부를 가열할 수 있도록, 히터(발열체)를 구비한 진공챔버로를 사용하는 것이 좋다.

본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법에 있어, 상술한 다공성 담체에 고체 실리콘을 담지시키는 제1 단계;는, 상기 고체 실리콘을 상기 다공성 담체의 상부에 적재한 후 진공 분위기에서 열처리하는 것일 수 있다.

상세하게, 상기 제1 단계 시, 진공 분위기는 내부 압력이 10^-2 내지 10^-7 Torr로 제어된 분위기 일 수 있고, 열처리 온도는 1200 내지 1400 ℃일 수 있다. 상기 진공분위기와 열처리온도를 만족하면, 상술한 다공성 담체의 0.1 mm 이상의 거대 기공뿐 아니라 0.01 mm 이하의 미세 기공 내부로 상기 고체 실리콘이 균일하게 담지될 수 있다. 이에 따라, 상기 제4 단계 및 제5 단계시, 상기 실리콘 가스가 미세하게 일정량 공급되므로 상기 그라파이트 모재 내부로 균일하게 형성된 제1 실리콘 카바이드 코팅층을 형성할 수 있다.

반면, 상기 열처리 온도가 1200 ℃ 미만이면, 상기 고체실리콘이 용융되지 않아서 상술한 다공성 담체의 내부로 침투하지 못하는 현상이 발생할 수 있다. 이에 따라, 상기 제4 단계 및 제5 단계시, 상기 실리콘 가스가 과량 공급되어 불균일한 제1 실리콘 카바이드 코팅층을 형성시키거나, 코팅층 형성을 위한 원료량이 부족하므로 코팅이 되지 않는 문제가 있다.

또한, 상기 열처리 온도가 1400 ℃ 초과이면, 상기 고체실리콘이 용융되어 상술한 다공성 담체의 거대 기공을 통해 상기 다공성 담체의 외부로 흘려 내리는 문제가 있으므로, 바람직하지 못하다.

한편, 상기 제1 단계시, 고체 실리콘의 용융과 증발이 효율적으로 일어날 수 있도록 상기 고체 실리콘은 표면적이 넓은 분말, 입자 또는 청크(chunk)의 형태인 것이 바람직하다. 상기 고체 실리콘의 입경은 약 0.1 내지 100 ㎛일 수 있다.

한편, 본 발명의 일 실시예에 따르면, 상기 고체 실리콘이 다공성 담체 내에 적재된 상태로 상기 진공챔버에서 가열되면, 상기 고체 실리콘은 용융되고, 증발되어 실리콘 카바이드 코팅층 형성을 위한 실리콘 소스 가스를 제공하게 된다.

그러나, 용융된 실리콘이 상부가 열려있는 용기 내에서 급격하게 증발하기 때문에, 상술한 그라파이트 모재에 흡착되는 경우 실리콘 가스가 챔버 내 공간에 매우 불균일하게 존재하고, 증기상태에 클러스터를 형성하여 모재의 표면에 흡착되어 흡착된 코팅층이 불균일하게 되는 문제가 있다.

이러한 문제를 해결하기 위하여, 상기 고체 실리콘은, 상기 열처리 온도에서 안정한 다공성 소재의 담체에 담지되어 있는 상태인 것이 바람직하다.

또한, 다공성 담체에 고체 실리콘을 담지하는 것은, 고온의 액체 실리콘에 다공성 담체를 침지하여 실리콘을 공극내에 흡수시키는 것에 의해 이루어질 수 있다. 담체 내에 담지된 실리콘은, 공극 내에 고체 실리콘으로 존재하다가 진공챔버 내에서 온도가 상승하면 공극과 같은 크기의 미소 액적으로 존재하다가 증발하게 된다. 따라서 담체 내에 담지된 상태의 실리콘은 용융된다고 하더라도 표면적이 극대화된 상태로 증발되게 되므로 실리콘 가스의 공급이 효율적으로 이루어지며, 가스의 공급 역시 공극을 통해 발산되기 때문에 클러스터가 아닌 분산된 상태로 발산되게 되어 그라파이트 모재에 고르게 흡착되도록 하는 효과가 있다.

다시 설명하면, 상기 제1 단계시, 상기 다공성 담체 상부에 적재된 고체 실리콘은 실리콘 카바이드 코팅을 위하여 실리콘 카바이드의 코팅 과정에서 진공챔버 내에 온도가 올라가면 실리콘이 용해되면서 실리콘의 하부에 있는 다공성 구조를 갖는 담체의 공극을 채우게 된다.

이에 따라, 상기 제4 단계 과정에서, 다공성 담체의 공극를 통해서 실리콘 가스가 발산하게 되어 균일한 실리콘 카바이드의 코팅이 가능하게 된다.

본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법에 있어, 상기 담체는 코팅 온도에서 안정한 그라파이트, 알루미늄 나이트라이드 또는 실리콘 카바이드로 이루어질 수 있다.

또한, 다공성 구조를 갖는 담체의 공극의 직경은 0.001 내지 1 mm인 것이 좋다. 공극의 크기가 0.001 mm 미만으로 너무 작은 경우에는 상기 4 단계 과정에서 실리콘 가스의 발산이 효율적이지 못하여 제1 실리콘 카바이드 코팅층의 형성이 어려우며, 공극의 크기가 1 mm 초과로 공극의 크기가 너무 크다면 실리콘 가스가 과량 공급되어 불균일한 제1 실리콘 카바이드 코팅층의 형성시키는 문제점이 있다.

즉, 도 3에 도시되어 있는 바와 같이 상기의 다공성 구조를 갖는 담체에 실리콘을 담지하지 않고, 실리콘 분말을 이용하여 용융 및 발산을 통하여 그라파이트 모재에 제1 실리콘 카바이드 층을 형성시킨 후, 추가공정을 통해 제2 실리콘 카바이드 층을 형성시키는 경우, 그라파이트 모재 내부에 실리콘 카바이드 층의 두께가 일정하지 않아 고온저압의 반도체 공정 적용시 그라파이트 표면의 실리콘 카바이드와 그라파이트와의 열팽창율 차이로 인한 인장력이 발생하여 크랙이 발생할 수 있는 것이다.

한편, 상기 담체의 공극율은 10 내지 60%인 것이 바람직한데, 공극율이 10% 미만으로 너무 작으면 담체에 담지될 수 있는 실리콘의 양이 적어지므로, 상술한 제3 단계시 발산이 충분하지 못하며, 공극율이 60% 초과로 너무 크면 담체의 내구성이 저하되는 문제가 있다.

본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법에 있어, 상기 제1 실리콘 카바이드 코팅층 및 제2 실리콘 카바이드 코팅층은 상호 독립적으로 동일한 결정구조를 가질 수 있다.

또한, 상기 제1 실리콘 카바이드 코팅층의 두께는 10 내지 200 ㎛ 두께를 가지는 것이 바람직한데, 10 ㎛ 두께 미만이면 열팽창 계수 차이로 인한 모재 표면의 크랙 등을 방지하기가 어렵고, 200 ㎛ 두께를 초과하는 경우 과량의 실리콘이 사용되므로 경제성이 좋지 못하고, 상기 두께 형성을 위해 코팅 공정 시간이 크게 증가되므로 바람직하지 않다.

한편, 상기 제2 실리콘 카바이드 코팅층의 두께는 반드시 한정하는 것은 아니나, 약 10 내지 30 ㎛ 두께로 형성되는 것이 상술한 그라파이트 모재의 표면 강도 향상을 위해 좋고, 과도한 두께는 치수 불량 문제, 두께의 불균일성 등을 야기할 수 있다.

또한, 상기 제2 실리콘 카바이드 코팅층을 증착하는 방법은 상술한 화학기상증착법을 이용하는 것이 바람직하다. 화학기상증착법은 이 분야에서 통상적으로 사용하는 방법이면 족하고, 화학기상증착법 수행시 작업온도 즉, 챔버 내부의 온도는 500 내지 1,400 ℃ 일 수 있다.

보다 구체적으로 예를 들면, 상기 화학기상증착법 수행시 실리콘과 탄소의 공급원, 비활성기체 및 환원성기체를 포함하는 혼합가스를 반응챔버 내로 주입하여 제2 실리콘 카바이드 코팅층을 증착할 수 있다.

이때 실리콘과 탄소의 공급원으로는 CH₃SiCl₃, (CH₃)₂SiCl₂, (CH₃)₃SiCl, SiCl₄ 등이 이용될 수 있으나 이에 한정되는 것은 아니다. 비활성기체는 예를 들어, 아르곤(Ar), 네온(Ne), 헬륨(He) 또는 질소(N₂) 등일 수 있으며, 환원성기체는 예를 들어 수소(H₂) 또는 암모니아(NH₃) 등일 수 있다. 또한, 혼합가스의 유량비율은 실리콘과 탄소의 공급원 1 sccm에 대하여 비활성기체 5~15 sccm 및 환원성기체 10~30 sccm을 주입할 수 있다. 혼합 가스의 유량은 사용하는 CVD용 furnace의 부피와 증착하고자 하는 제2 실리콘 카바이드 코팅층의 두께에 따라 적당한 값으로 선정하는 절차가 필요하다.

한편, 본 발명에서는 상기 제4 단계 수행 시, 상기 진공챔버 내 별도로 구비된 가스 분배판(distributer)을 이용할 수 있다.

상세하게, 상기 제4 단계 시, 상기 다공성 담체에서 토출된 실리콘 가스를, 상기 다공성 담체와 상기 그라파이트 모재 사이에 장착된 가스 분배판으로 접촉시켜, 상기 진공챔버 내부로 균일하게 퍼뜨리는 것일 수 있다.

예컨대, 상기 가스 분배판은 상기 다공성 담체와 상기 그라파이트 모재 사이에 위치하되, 상술한 고체 실리콘 및 다공성 담체를 덮을 수 있는 구조로 형성될 수 있다. 또한 상기 가스 분배판은 상술한 지그 하부에 설치될 수 있다.

보다 상세하게, 상기 가스 분배판은 작은 구멍이 인위적으로 혹은 자연적으로 형성되어 고체 실리콘 유래의 실리콘 가스를 챔버 내에 균일하게 퍼뜨려 주는 역할을 한다. 상기 가스 분배판에 의하면 실리콘 가스의 챔버 내 분산을 유도하여 빠르고 균일하게 실리콘 카바이드 코팅이 이루어질 수 있으며, 이 경우 다공성 소재의 담체의 기능을 일부 대체할 수도 있다. 가스 분배판의 구멍 크기와 형태 및 구멍간의 거리 등은 코팅하고자 하는 모재의 형태 및 거리, 고체 실리콘과의 거리, 담체와의 거리 및 챔버의 크기 등을 고려하여 다양하게 설계할 수 있으며, 구멍의 크기는 0.05 내지 10 mm 사이에서 조정할 수 있다.

이하, 도 2의 장비를 사용하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법을 수행한 결과를 나타내었다.

상세하게, 고체 실리콘인 실리콘 플레이크를 담체에 담지시킨 상태로 10^-6 Torr, 1800 ℃에서 그라파이트 모재 내부에 제1 실리콘 카바이드 코팅층이 형성된 것을 XRD와 SEM으로 확인하였다.

다음으로, 상기 제1 실리콘 카바이드 코팅층 상부에 화학기상증착법(CVD)으로, SiCl₂, SiH₂, 테트라메틸디실록산(TMDSO), 및 헥사메틸디실록산(HMDSO) 중 어느 하나의 가스와 CH₄, C₃H₄, 및 CCl₄ 중 어느 하나의 가스를 사용하여, 900℃에서 최종 제2 실리콘 카바이드 코팅층을 증착하였다.

도 4는 상기 제1 실리콘 카바이트 코팅층의 XRD 그래프이며, 도 5는 상기 제1 실리콘 카바이드 코팅층이 형성된 그라파이트 모재의 SEM 단면 이미지이고, 도 6은 상기 제1 실리콘 카바이드 코팅층 및 제2 실리콘 카바이드 코팅층이 형성된 그라파이트 모재의 SEM 단면 이미지, EDS 스펙트럼이고, 도 7은 도 6의 제2 실리콘 카바이드 코팅층을 측정한 SEM 단면 이미지 및 EDS 스펙트럼이다.

도 4에 보는 바와 같이, 상기 그라파이트 모재의 표면 내부에 α-SiC 결정구조를 가지는 제1 실리콘 카바이드 코팅층이 형성되는 것을 알 수 있다.

도 5에 보는 바와 같이, 상기 제1 실리콘 카바이드 코팅층은 상기 그라파이트 모재 내부로 침투하여 균일한 층을 이루는 것을 알 수 있다. 이때, 상기 제1 실리콘 카바이드 코팅층의 두께는 약 100 ㎛인 것을 알 수 있다.

도 6에 보는 바와 같이, 상기 제1 실리콘 카바이드 코팅층은 상기 그라파이트 모재의 표면 내부로 약 200 ㎛ 까지 침투되어 형성되며, 상기 그라파이트 모재의 표면 외측으로 약 20 ㎛ 두께를 가지는 제2 실리콘 카바이드 코팅층이 형성된 것을 알 수 있다.

도 7에 보는 바와 같이, 상기 제2 실리콘 카바이드 코팅층은 미세 크랙, 층분리 현상이 보이지 않으며, 균일한 두께로 상기 그라파이트 모재의 표면 외부로 형성된 것을 알 수 있다.

도 8은 그라파이트 모재의 표면에 CVD 공정만을 통해 실리콘 카바이드 층을 형성시킨 그라파이트 모재를 실리콘 웨이퍼 캐리어로 반도체 공정에 적용한 이후의 사진이다. 상세하게, CVD 공정으로만 실리콘 카바이드를 코팅한 제품은 반도체 공정 중에, 도 8(a) 보는 바와 같이 마이크로 크랙(micro crack)이 발생하면 그 구멍을 통해 실리콘 카바이드 층 하부의 그라파이트 성분이 그라파이트 모재 상부로 미세하게 계속 토출되어, 결과적으로 도 8(b)에 보는 바와 같이 상기 마이크로 크랙이 확장된 커다란 구멍이 생기게 된다. 이러한 구멍은 반도체 공정 중에, 상기한 그라파이트 모재로 제조된 제품의 후면이나 발견하기 어려운 부분에 생기면 원인 불명의 수율저하, 품질 문제가 지속적으로 발생하게 되는 문제점이 있다.

이에 반해, 본원발명에 따른 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법은 CVD 공정으로 만든 제2 실리콘 카바이드 층 하부에 제1 실리콘 카바이드 층을 가지게 되므로, 비록 과도한 사용으로 인해 제품 표면의 제2 실리콘 카바이드 층에 마이크로 크랙이 발생하더라도 상기한 문제점을 원천적으로 해결하게 되므로 기존 방식 대비 제품의 품질 안정과 수명이 더 연장되는 놀라운 효과를 기대할 수 있다.

도 9는 다공성 담체에 실리콘이 담지하지 않고, 실리콘 분말을 이용하여 제1, 2 실리콘 카바이드 층을 형성시킨 그라파이트 모재를 실리콘 웨이퍼 캐리어로 반도체 공정에 적용한 이후의 사진이다. 도 3에서 도시되어 있는 바와 같이 고온/고압 또는 고온/저압 등의 가혹조건의 반도체 공정을 거친다는 점에 그라파이트 모재 그라파이트 표면의 실리콘 카바이드와 열팽창율의 차이로 인해 인장력이 발생하여 도 9에 도시되어 있는 바와 같이 그라파이트 모재의 실리콘 카바이드의 층분리(도 9(a) 빨간색 점선원) 또는 미세크랙(도 9(b) 빨간색 점선원) 등이 불량이 발생되는 점이 확인되었다.

이에 반해 본 발명의 실리콘이 담지된 다공성 담체를 이용하여 제1 실리콘 카바이드를 그라파이트 모재의 내부 표면층에 형성시키고, 이후 제2 실리콘 카바이드 층을 형성시켜 제조한 본 발명의 실리콘 카바이드 층이 형성된 그라파이트 모재는 그라파이트 모재와 실리콘 카바이드 층이 일체화가 되어 있기 때문에 반도체 공정에 적용시에도 불량률 발생이 거의 없음을 확인하였다.

이상과 같이 본 발명에서는 특정된 사항들과 한정된 실시예 및 도면에 의해 설명되었으나 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.

따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (8)

1. a) 다공성 담체에 고체 실리콘을 담지시키는 단계;
   b) 진공챔버에 코팅을 위한 그라파이트 모재와, 상기 고체 실리콘이 담지된 다공성 담체를 적재한 후 1,400 내지 2,000 ℃로 열처리하여 제1 실리콘 카바이드 코팅층을 제조하는 단계; 및
   c) 화학기상증착법을 통해, 상기 제1 실리콘 카바이드 코팅층 상부에 제2 실리콘 카바이드 코팅층을 증착하는 단계;를 포함하는 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   상기 a) 단계는,
   상기 고체 실리콘을 다공성 담체의 상부에 적재한 후 열처리하는 것인 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법.
   
3. 제 2항에 있어서,
   상기 고체 실리콘은 분말, 입자, 플레이크 또는 청크(chunk) 형태로 적재되어 있는 것인 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법.
   
4. 제 1항에 있어서,
   상기 다공성 담체는 그라파이트, 알루미늄 나이트라이드, 및 실리콘 카바이드 중에서 선택되는 어느 하나 또는 둘 이상인 것인 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법.
   
5. 제 1항에 있어서,
   상기 다공성 담체의 공극의 직경은 0.001 내지 1 mm인 것인 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법.
   
6. 제 1항에 있어서,
   상기 다공성 담체의 공극율은 10 내지 60% 인 것인 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법.
   
7. 제 1항에 있어서,
   상기 제1 실리콘 카바이드 코팅층은 10 내지 200 ㎛ 두께를 가지는 것인 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법.
   
8. 제 1항에 있어서,
   상기 b) 단계 시,
   상기 다공성 담체에서 토출된 실리콘 가스를, 상기 다공성 담체와 상기 그라파이트 모재 사이에 장착된 가스 분배판으로 접촉시켜, 상기 진공챔버 내부로 균일하게 퍼뜨리는 것인 하이브리드 코팅법을 이용한 그라파이트 모재의 코팅방법.
   

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