안녕하세요, 송송입니다. 저번 시간에는 내플라즈마성 코팅 방법에 대해 간단히 알아보았습니다. 물론, 제가 소개해드린 방법 외에도 다양한 방법들이 있겠지만서도 우리가 대표적으로 알아두어야하는 기술은 바로 양산성입니다. 아무리 좋은 기술이여도 기업 입장에서는 경제적 효율을 따져 양산화할 수 있는 기술이여야 한다는 것이죠. 아무리 Lab 스케일에서 좋은 결과가 나온다 한들, 실제 양산화가 이루어지지 못한다면 우리와 같은 일반인들은 절대 접해보지 못할테니까요.
떄문에, 제가 소개드린 내플라즈마성 코팅 방법은 국내 및 해외 기업들이 사용하고 있는 기술이니 알아두시면 좋을듯 하네요!
그럼 이번 시간에는 내플라즈마성 코팅에 어떤 소재를 사용하는지에 대해 알아보도록 하겠습니다. 사실 소재 개발에 대해서는 정말 대표적인 소재만 소개해드릴까해요. 그 이유는, 많은 곳에서 더 나은 소재를 위한 개발을 하고 있고, 매년 수 많은 논문들에 걸쳐 소재가 연구되고 있습니다. 때문에 제가 모든 소재를 다룰수 없다는 점.. 만약 여러분들이 더 좋은 소재를 알고 있다면 저에게도 알려주세요~
1. 내플라즈마성 소재
- 플라즈마 내식성에 강한 소재를 말함
1) 알루미나(Al2O3)
- 기존 설명드린 아노다이징법으로 알루미나 피막을 형성하는 방법으로도 사용됨
- Al2O3 파우더를 이용하여 플라즈마 스프레이 코팅법으로 사용됨
- 소결체로 사용됨
→ 알루미늄은 금속인거 아시죠? 그러나 알루미나는 세라믹입니다. 알루미나의 경우 값이 저렴한 장점으로 내플라즈마성 소재로 널리 사용되고 있었습니다만, 현재 고밀도 플라즈마가 필요로되는 시점에서 버티지 못하여 알루미나보다 더 내플라즈마성이 우수한 재료들이 연구/개발 되고 있습니다.
▶ 물성
- 융점 : 2072 ℃
- 높은 내열성
- 고강도
- 열팽창계수 : 7.9 x 10-6
* 나머지도 자세하게 적고 싶으나.. 알루미나를 제작하는 방식에 따라서 물성에 차이가 존재하기 때문에.. 아쉽네요.
2) 이트리아(Y2O3)
- 현재 가장 널리 사용되고 있는 내플라즈마성 소재입니다.
- 이트륨은 희토류 원소로 우리나라에는 매장되어 있지 않아 100% 수입에 의존하고 있습니다. 그렇기 때문에 가격이 매우 비싼 단점이 있죠..
- 기존 사용되던 알루미나보다 플라즈마 및 부식성 가스에 대한 내성이 우수한 장점이 있습니다. (Quartz의 100분의 1, 알루미나의 10분의 1)
- 오염입자 발생이 알루미나보다 적음
▶ 물성
- 융점 : 2410 ℃
- 고온에서 열간 안정성이 우수
- 낮은 열전도성
- 열-충격에 대한 저항성 우수
- 열팽창계수 : 8.9 x 10-6
* 이하 동일하게 제작 방식에 따라 물성 차이 존재
Y2O3의 경우에는 소결체가 가장 치밀하고 우수한 내플라즈마 특성을 갖는다고 알려져 있습니다. 그러나, Y2O3 소결체를 사용하기에는 단가가 매우 비싸죠. 안그래도 희토류 원소라 매우 비싼데 소결체로 제작하게 되면 100% Y2O3가 필요하잖아요? 그래서 이를 해결하기 위한 다른 조성들이 나타나기 시작합니다.
물론 이뿐만이 아니라, 반도체 식각에서 반응성이 높은 할로겐 가스(F, Cl)를 사용하고 있는데, 여기서 F와 반응하여 불화물층이 형성되게 됩니다. 이에 따라 공정 가스가 반응하여 재현성에 문제가 생길 수 있기 때문에 애초부터 F가 함유되어 있는 불화 이트륨에 대한 연구가 진행되었죠. 불소가 함유되어 있어 불소에 대한 화학적으로 안정되고, 그만큼 이트륨 첨가량이 적어지니 Cost가 down되고.. 1석 2조!?
3) 불화 이트륨(YF3)
- Y2O3에서 발생하는 이슈들을 보완하기 위해 연구된 소재입니다. 처음부터 불소를 함유하고 있어 불소계 플라즈마에 노출되었을때 불소로부터의 반응이 적어 화학적으로 안정합니다.
→ 당최 무슨말인지 모르겠어요.. OK
챔버 안에 불소(F)가스 100을 주입한다고 칩시다. 그런데, Y2O3의 경우는 불소와의 반응이 일어나겠죠? 그렇다면 내가 100을 주입했지만 20만큼 Y와 반응하여 YFx 층을 형성하게 됩니다. 그럼 나머지 80의 불소 가스들이 식각에 투자되겠죠.
난 분명 100을 원했는데.. 80만 반응해? 그런데 다음 공정을 다시 하게 되면 어떻게 될까요?
이미 Y2O3는 불소와의 반응이 일어났습니다. 그렇기 때문에 똑같이 이번에도 20을 잡아먹지는 않겠죠. 한.. 8정도 잡아먹는다고 해보면 총 92의 불소가 식각에 참여하게 되는것이죠.
그럼 결과적으로 첫번째 공정에서는 80만큼, 두번째 공정에서는 8만큼 소모되었으니 재현성이 당연히 안나오겠죠.
이러한 문제점으로 인해 반도체 식각 공정의 부품들은 수명이 다하면 교체를 진행하거나, 세정을 하게 되는것입니다.
세정이나 새 제품으로 교체 이후, 같은 공정 분위기를 만들기 위해 더미공정을 진행하는것이죠.
새 제품이니 당연히 좋겠지~ 하고 사용하면 안됩니다. 말씀드렸듯 이러한 이유에서이죠.
▶ 물성
- 융점 : 1387 ℃
- 밀도 : 4.01 g/cm3
4) YOF
- 얘도 마찬가지로 Y2O3를 보완하기 위해 불소를 첨가한 소재입니다.
- Y2O3는 불소계 플라즈마에 노출되면 얇은 불소화층이 형성되는데요, 이때 형성되는 층이 YOF층입니다. 형성된 불소화층은 불소로부터의 반응을 억제하는 역할을 하기 때문에 YOF 소재를 이용한 코팅도 연구되고 있습니다.
5) YAG(이트륨 알루미늄 가넷, Yttrium-Alumiinum-Garnet)
- Al2O3와 Y2O3는 합성하여 새로운 상으로서 화합물을 가지는데, 이 중 이트륨 알루미늄 가넷은 그 중에서도 최종적인 형태의 상으로 안정한 구조를 갖습니다
- Cupic 결정구조를 갖고 있으며, 적외광 영역까지 투명하고 광학적으로 손실이 적은 특성을 가짐
- 열적 안정성 우수
- 뛰어난 내부식성 및 화학적 안정성으로 내플라즈마성 우수
▶ 물성
- 융점 : 1970 ℃
- 열팽창계수 : 7.8 x 10-6
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매우 많네요.. 주로 세라믹 소재로 다루어보았습니다. 이 외에도 많은 소재들이 있지만 이렇게까지만 소개못드리는 점 양해바랍니다.