KR20210069838A - 고경도를 갖는 반도체 프로세싱 챔버용 부품의 제조방법 - Google Patents

고경도를 갖는 반도체 프로세싱 챔버용 부품의 제조방법 Download PDF

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Abstract

베이스 기판 상에 이트륨계 불화물층을 분사 코팅하되, 이트륨계 불화물층에 강화제로서 비산화물 입자를 첨가하여 분사 코팅함에 따라, 내플라즈마 침식성과 함께 반도체 부품의 기계적 특성을 향상시킬 수 있는 반도체 프로세싱 챔버용 부품의 제조방법에 대하여 개시한다.
본 발명에 따른 고경도를 갖는 반도체 프로세싱 챔버용 부품의 제조방법은 (a) 베이스 기판을 마련하는 단계; 및 (b) 상기 베이스 기판 표면에 이트륨계 불화물을 분사 코팅하여 이트륨계 불화물층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 분사 코팅 시, 비산화물 입자를 첨가하여 분사 코팅하는 것을 특징으로 한다

Description

고경도를 갖는 반도체 프로세싱 챔버용 부품의 제조방법{METHOD OF MANUFACTURING COMPONENTS FOR SEMICONDUCTOR PROCESSING CHAMBER HAVING HIGH HARDNESS}
본 발명은 베이스 기판 표면에 이트륨계 불화물을 분사 코팅 시 비산화물 입자를 함께 분사 코팅하여, 코팅막 전체의 기계적 특성을 강화시킨, 고경도를 갖는 반도체 프로세싱 챔버용 부품의 제조방법에 관한 것이다.
반도체, 발광다이오드, 태양전지 등을 제작할 때 증착, 에칭, 확산, 세정 등의 공정을 거치게 된다. 이러한 공정들은 플라즈마 챔버 내부에서 수행된다. 플라즈마 처리를 위해 사용되는 장비는 부품 또는 구성부품의 표면에 내식성 코팅이 제공된 부품을 전형적으로 포함한다. 플라즈마 챔버 내부에 배치된 부품들은 플라즈마 분위기와 고온에 노출되어 있기 때문에 내플라즈마성, 내식성 및 내부식성 등과 같은 물성이 요구된다.
종래에는 챔버의 부품에 사용되는 소재로 알루미나(Al2O3)를 주로 사용하였다. 하지만 알루미나(Al2O3)는 플라즈마에 대한 내식성이 약해 RF 파워가 커지는 환경에서는 사용되기에 부적합한 단점이 있다. 이를 극복하기 위해 알루미나(Al2O3)와 이트리아(Y2O3)를 혼합하여 사용하였으나, 이트리아(Y2O3)는 굽힘 강도가 작아 열적 안정성과 경도가 낮은 단점이 있다.
한편, 지르코니아(ZrO2) 소재에 기계적 강도를 높이기 위한 산화물을 첨가하여 챔버의 부품을 제조하는 연구가 진행되어 왔다. 하지만, 이 경우 산화물 첨가 시 코팅 과정에서 제3상의 반응물이 생성되는데, 생성된 반응물은 제거가 어려우며 반도체 소자에서 웨이퍼 수준 결함을 야기하게 된다.
따라서, 내플라즈마 침식성이 우수함과 동시에 기계적 물성을 향상시킬 수 있는 반도체 부품이 마련될 필요가 있다.
본 발명의 목적은 내플라즈마 침식성 뿐만 아니라 고경도를 동시에 확보하는 반도체 프로세싱 챔버용 부품의 제조방법을 제공하는 것이다.
또한 본 발명의 목적은 내플라즈마 코팅의 성능을 유지하고 수명을 연장시킬 수 있는 반도체 프로세싱 챔버용 부품의 제조방법을 제공하는 것이다.
본 발명의 목적들은 이상에서 언급한 목적으로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 본 발명의 다른 목적 및 장점들은 하기의 설명에 의해서 이해될 수 있고, 본 발명의 실시예에 의해 보다 분명하게 이해될 것이다. 또한, 본 발명의 목적 및 장점들은 특허 청구 범위에 나타낸 수단 및 그 조합에 의해 실현될 수 있음을 쉽게 알 수 있을 것이다.
본 발명에 따른 고경도를 갖는 반도체 프로세싱 챔버용 부품의 제조방법은 (a) 베이스 기판을 마련하는 단계; 및 (b) 상기 베이스 기판 표면에 이트륨계 불화물을 분사 코팅하여 이트륨계 불화물층을 형성하는 단계;를 포함하고, 상기 분사 코팅 시, 비산화물 입자를 첨가하여 분사 코팅하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 고경도를 갖는 반도체 프로세싱 챔버용 부품은 베이스 기판; 및 상기 베이스 기판 표면에 코팅되는 이트륨계 불화물층;을 포함하고, 상기 이트륨계 불화물층은 비산화물 입자를 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 반도체 프로세싱 챔버용 부품의 제조방법은 베이스 기판 상에 이트륨계 불화물층을 분사 코팅하되, 이트륨계 불화물층에 강화제로서 비산화물 입자를 첨가하여 분사 코팅함에 따라, 내플라즈마 침식성과 함께 반도체 부품의 기계적 특성을 향상시킬 수 있다. 아울러 반도체 프로세싱 챔버용 부품의 내플라즈마 코팅 성능을 유지할 수 있으며, 수명을 연장시키는 효과가 있다.
또한 본 발명의 반도체 프로세싱 챔버용 부품의 제조방법은 경도와 내마모성을 향상시킴에 따라 공정 안정성, 유지비용 절감 효과가 있다.
상술한 효과와 더불어 본 발명의 구체적인 효과는 이하 발명을 실시하기 위한 구체적인 사항을 설명하면서 함께 기술한다.
도 1은 본 발명에 따른 고경도를 갖는 반도체 프로세싱 챔버용 부품의 제조방법을 나타낸 순서도이다.
도 2는 본 발명에 따른 고경도를 갖는 반도체 프로세싱 챔버용 부품의 제조과정을 나타낸 모습이다.
도 3은 본 발명에 따른 이트륨계 불화물 기반의 코팅층을 갖는 반도체 프로세싱 챔버용 부품의 단면도이다.
전술한 목적, 특징 및 장점은 첨부된 도면을 참조하여 상세하게 후술되며, 이에 따라 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자가 본 발명의 기술적 사상을 용이하게 실시할 수 있을 것이다. 본 발명을 설명함에 있어서 본 발명과 관련된 공지 기술에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 상세한 설명을 생략한다. 이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세히 설명하기로 한다. 도면에서 동일한 참조부호는 동일 또는 유사한 구성요소를 가리키는 것으로 사용된다.
이하에서 구성요소의 "상부 (또는 하부)" 또는 구성요소의 "상 (또는 하)"에 임의의 구성이 배치된다는 것은, 임의의 구성이 상기 구성요소의 상면 (또는 하면)에 접하여 배치되는 것뿐만 아니라, 상기 구성요소와 상기 구성요소 상에 (또는 하에) 배치된 임의의 구성 사이에 다른 구성이 개재될 수 있음을 의미할 수 있다.
이하에서는, 본 발명의 실시예에 따른 고경도를 갖는 반도체 프로세싱 챔버용 부품의 제조방법을 설명하도록 한다.
종래에는 부품에 산화물을 첨가하여 기계적 물성을 향상시키고자 하였으나, 코팅 시 부품과 산화물이 반응하여 제3상의 반응물이 생성됨에 따라 불순물로 작용하여 제거가 어렵고, 반도체 소자에서 웨이퍼 수준 결함을 야기하게 된다.
본 발명에서는 불화물에 대하여 반응성이 낮은 비산화물을 이용하여 코팅 시 제3상이 생성되지 않도록 함과 동시에 코팅막 전체의 기계적 특성을 강화시키기 위한 목적으로 본 발명을 연구하였다.
도 1은 본 발명에 따른 고경도를 갖는 반도체 프로세싱 챔버용 부품의 제조방법을 나타낸 순서도이다. 도 2는 본 발명에 따른 고경도를 갖는 반도체 프로세싱 챔버용 부품의 제조과정을 나타낸 모습이다.
도 1 및 도 2를 참조하면, 본 발명에 따른 고경도를 갖는 반도체 프로세싱 챔버용 부품의 제조방법은 베이스 기판을 마련하는 단계(S110) 및 이트륨계 불화물 기반에 비산화물 입자를 첨가하여 분사 코팅하는 단계(S120)를 포함한다.
먼저, 베이스 기판을 마련한다.
베이스 기판은 통상의 반도체 프로세싱 챔버용 부품에 사용되는 것으로, 금속, 합금, 소결된 세라믹 재질로 형성될 수 있다.
베이스 기판은 예를 들어, 실리콘(Si), 탄화규소(SiC), 탄화티타늄(TiC), 탄화텅스텐(WC), 탄화크롬(CrC), 탄화탄탈륨(TaC) 및 탄화지르코늄(ZrC), 이트리아(Y2O3), 실리카(SiO2), 알루미나(Al2O3), 산화크롬(Cr2O3), 산화마그네슘(MgO), 산화칼슘(CaO), 산화철(FeO), 산화주석(SnO2), 이산화타이타늄(TiO2), 지르코니아(ZrO2), 산화하프늄(HfO2), 산화탄탈륨(Ta2O5), 루테늄산화물(RuO2), 일산화납(PbO), 산화아연(ZnO), 과산화스트론튬(SrO2), 산화비스무트(Bi2O3), 뮬라이트(3Al2O3-2SiO2), 란탄족계 산화물 중 1종 이상을 포함할 수 있다.
본 발명에서는 베이스 기판 표면에 내플라즈마성이 우수한 이트륨계 불화물로 분사 코팅하고, 기계적 특성이 우수한 비산화물 입자를 강화제로 첨가하여, 이트륨계 불화물과 비산화물 입자를 함께 분사 코팅한다.
본 발명에서 코팅층에 이트륨계 불화물을 사용하는 이유는 내플라즈마성이 매우 우수하고, 화학적 안정성이 높으며, 첨가될 비산화물과 반응성이 낮기 때문이다. 여기서 이트륨계 불화물은 YOF, Y5O4F7, Y7O6F9, 및 YF3 중 1종 이상을 포함하는 것이 바람직하다.
본 발명에서는 이트륨계 불화물 기반에 강화제인 비산화물 입자를 함께 혼합하여 분사 코팅함에 따라 내플라즈마 침식성과 고경도를 갖는 챔버용 부품을 제조할 수 있다. 이트륨계 불화물은 평균입도가 0.1~20 ㎛ 이내의 구형 또는 일부 변형된 구형의 형태로 제공되며 경우에 따라서는 편석된 형태로 제공될 수 있다.
비산화물 입자는 평균 입도가 100㎛ 이하인 것이 바람직하고, 0.1㎛ 이상 내지 50㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다. 평균 입도가 100㎛ 이하인 비산화물 입자로부터 코팅층을 형성하게 되면, 코팅층의 조직이 치밀하게 되면서 경도와 강도가 증가하게 된다. 특히, 경도가 향상되고, 내마모성이 우수한 효과를 얻을 수 있다. 반대로, 100㎛를 초과하는 비산화물 입자를 사용하는 경우, 코팅층의 강도 등 기계적 특성이 저하될 우려와 코팅층 자체의 성능이 낮아지는 문제점이 있다.
코팅층(이트륨계 불화물층) 자체의 기계적 특성, 즉, 고경도 및 내마모성을 향상시키기 위해, 질화물, 탄화물 또는 탄질화물을 포함하는 비산화물 입자를 포함한다.
질화물 소재로 질화규소, 질화알루미늄, 질화붕소, 질화크롬 등을 포함할 수 있다. 탄화물 소재로는 탄화규소, 탄화규소, 탄화텅스텐 등을 포함할 수 있다.
비산화물 입자는 이트륨계 불화물 100중량부에 대하여, 1~50중량부로 첨가될 수 있다. 비산화물 입자의 함량이 1중량부 미만인 경우, 코팅층의 고경도 및 내마모성 효과 없이 제조비용만 증가하게 된다. 반대로, 50중량부를 초과하는 경우, 코팅층 자체의 고유의 특성이 변화되는 문제점이 발생한다.
본 발명에서는 이트륨계 불화물과 비산화물 입자를 혼합한 상태로 분사 코팅하기 때문에 코팅층(이트륨계 불화물층)의 치밀도가 향상되면서 균일한 두께의 코팅층을 얻을 수 있다. 이트륨계 불화물과 비산화물 입자는 혼합 및 교반되어 슬러리 상태로 분사 코팅될 수 있으며, 분산매로 유기 용제나 증류수를 포함할 수 있다.
본 발명에서 분사 코팅은 APS(Atmospheric Plasma Spray), PVD(Physical Vapor Deposition), 서스펜션 플라즈마 용사 코팅(Suspension plasma spray), 고속화염 코팅(High Velocity Oxygen Fuel Spraying, HVOF), 진공 플라즈마 코팅(Vacuum Plasma Spraying, VPS), 저온분사 코팅(cold spray) 또는 저압건식분사 코팅(aerosol deposition, AD)으로 수행될 수 있다.
APS는 고온의 열원을 이용하여 분말을 녹인 후 분사하여 후막을 형성하는 방법이다. PVD는 드라이 플레이팅이라고도 한다. PVD 는 진공 중에 금속 또는 세라믹을 기화시켜 기화된 금속 또는 세라믹 입자가 방해물 없이 부품 표면에 증착된다. 서스펜션 플라즈마 용사 코팅은 기존의 플라즈마 용사와 유사한 방법이나 코팅원료로 서스펜션 혹은 슬러리를 사용하는 방법이다.
고속화염 코팅은 연료가스(프로판, 메틸아세틸렌, 헵탄, 수소)를 산소와 함께 고압에서 연소시켜 고속의 제트를 발생시키는 것이다. 분말은 공급가스로 제트에 주입되고, 작동가스는 연소실에서 연소되어 노즐을 통하여 토치 밖으로 분사된다. 화염의 온도는 3170~3440K이며 분사되는 제트의 속도는 1500~2000m/sec이다. 고속화염 코팅은 우수한 접합강도를 지니는 코팅막을 제조할 수 있으며, 생성된 코팅막은 내구성 및 수명연장이 가능한 효과가 있다. 또한 고속화염 코팅은 고경도를 갖는 치밀한 코팅막을 제조하기에 용이하다. 진공 플라즈마 코팅은 진공챔버 내를 진공 환경으로 변화시켜 불활성 가스를 주입한 다음 플라즈마를 발생시켜 코팅물질을 스퍼터링하여 소재 표면에 코팅물질이 코팅되도록 하는 공정이다.
저온분사 코팅은 금속 분말을 고압의 가스에 태워 아주 빠르게 기판에 분사시키는 것이다. 저압건식분사 코팅은 상온 및 저진공 분위기에서, 노즐을 이용하여 분말 또는 과립을 기판 상에 분사하여 증착시킴으로써, 후막을 제조하는 공정이다.
이들 중 선택되는 분사 코팅 방법으로 부품 표면에 균일한 코팅층을 형성할 수 있다.
코팅층의 두께는 대략 10~1000㎛ 일 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다. 또한, 코팅층은 0.1~5vol%의 기공율을 갖는 고밀도 코팅층이다. 기공율이 5vol%를 초과할 경우 코팅층의 기계적 특성이 다소 저하될 수 있다. 또한 코팅층은 평균중심 조도 값이 약 0.1~5㎛인 표면 거칠기 값을 가질 수 있다. 표면 거칠기 값이 이 범위를 벗어나는 경우 코팅층이 균일하게 형성되지 않을 수 있다.
이처럼, 본 발명에 따른 반도체 프로세싱 챔버용 부품의 제조방법은 이트륨계 불화물 기반에 비산화물 입자를 함께 분사 코팅한 기술로, 코팅 시 제3상이 생성되지 않도록 함과 동시에 내플라즈마 침식성과 코팅층 전체의 기계적 특성을 강화시키는 효과가 있다. 이를 통해 챔버용 부품의 내플라즈마 코팅 성능을 유지할 수 있으며, 수명을 연장시킬 수 있다.
본 발명에 따라 코팅층이 형성된 부품은 챔버 벽, 챔버 라이너, 기판 지지부, 가스 분배판, 플라즈마 한정 링, 노즐, 발열체, 플라즈마 포커스 링 등과 같은 구성에 적용될 수 있다.
도 3은 본 발명에 따른 이트륨계 불화물 기반의 코팅층을 갖는 반도체 프로세싱 챔버용 부품의 단면도이다.
본 발명에 따라 제조된 챔버용 부품은 베이스 기판 및 베이스 기판 표면에 코팅되는 이트륨계 불화물층을 포함한다. 이때 이트륨계 불화물층은 이트륨계 불화물 기반에 비산화물 입자가 분산되어 있는 구조를 가진다. 이트륨계 불화물층에서 이트륨계 불화물 100중량부에 대하여, 비산화물 입자 1~50중량부가 포함될 수 있으며, 이에 대한 사항은 전술한 바와 같다.
도 3에 도시한 바와 같이 챔버용 부품의 일면에 이트륨계 불화물층을 형성할 수 있으며, 필요에 따라 전면에 이트륨계 불화물층을 형성할 수도 있다.
본 발명의 이트륨계 불화물과 비산화물 입자가 분산된 코팅층은 강화제 첨가에 의해, 기존 이트륨계 불화물로만 이루어진 코팅층 대비, 약 10~200% 정도 개선된 기계적 특성을 얻을 것으로 예상된다.
따라서 본 발명에 따른 반도체 프로세싱 챔버용 부품의 제조방법은 이트륨계 불화물 기반에 강화제인 비산화물 입자를 적정 비율로 첨가함에 따라, 내플라즈마 침식성과 함께 부품의 고경도를 확보하는 효과가 있다. 아울러 기계적 물성을 향상시킴에 따라 공정 안정성, 유지비용 절감 효과 있으며, 수명을 연장시킬 수 있다.
이상과 같이 본 발명에 대해서 예시한 도면을 참조로 하여 설명하였으나, 본 명세서에 개시된 실시 예와 도면에 의해 본 발명이 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술사상의 범위 내에서 통상의 기술자에 의해 다양한 변형이 이루어질 수 있음은 자명하다. 아울러 앞서 본 발명의 실시 예를 설명하면서 본 발명의 구성에 따른 작용 효과를 명시적으로 기재하여 설명하지 않았을 지라도, 해당 구성에 의해 예측 가능한 효과 또한 인정되어야 함은 당연하다.
10 : 베이스 기판
20 : 이트륨계 불화물층

Claims (8)

  1. (a) 베이스 기판을 마련하는 단계; 및
    (b) 상기 베이스 기판 표면에 이트륨계 불화물을 분사 코팅하여 이트륨계 불화물층을 형성하는 단계;를 포함하고,
    상기 분사 코팅 시, 비산화물 입자를 첨가하여 분사 코팅하는
    고경도를 갖는 반도체 프로세싱 챔버용 부품의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 베이스 기판은 금속 또는 소결된 세라믹 재료를 포함하는
    고경도를 갖는 반도체 프로세싱 챔버용 부품의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 이트륨계 불화물은 YOF, Y5O4F7, Y7O6F9, 및 YF3 중 1종 이상을 포함하는
    고경도를 갖는 반도체 프로세싱 챔버용 부품의 제조방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 비산화물 입자는 평균 입도가 100㎛ 이하인
    고경도를 갖는 반도체 프로세싱 챔버용 부품의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 비산화물 입자는 질화물 또는/및 탄화물을 포함하는
    고경도를 갖는 반도체 프로세싱 챔버용 부품의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 이트륨계 불화물 100중량부에 대하여, 비산화물 입자 1~50중량부를 혼합하여 분사 코팅하는
    고경도를 갖는 반도체 프로세싱 챔버용 부품의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 (b) 단계에서 분사 코팅은 APS(Atmospheric Plasma Spray), PVD(Physical Vapor Deposition), 서스펜션 플라즈마 용사 코팅(Suspension plasma spray), 고속화염 코팅(High Velocity Oxygen Fuel Spraying, HVOF), 진공 플라즈마 코팅(Vacuum Plasma Spraying, VPS), 저온분사 코팅(cold spray) 또는 저압건식분사 코팅(aerosol deposition, AD)으로 수행되는
    고경도를 갖는 반도체 프로세싱 챔버용 부품의 제조방법.
  8. 베이스 기판; 및
    상기 베이스 기판 표면에 코팅되는 이트륨계 불화물층;을 포함하고,
    상기 이트륨계 불화물층은 비산화물 입자를 포함하는
    고경도를 갖는 반도체 프로세싱 챔버용 부품.
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