안녕하세요, 송송입니다. 최근 반도체 소자가 나노 스케일에 진입하게 되면서 발생하는 오염입자가 수율에 큰 영향을 미치게 된다고 말씀드렸습니다. 따라서 이런 오염입자를 컨트롤 하는 것이 중요한 과제인데요, 이번 시간에는 공정중 발생하는 오염입자를 줄이기 위한 방법 중 내플즈마성 코팅에 관한 이야기를 해볼까 합니다.
1. 내플라즈마성 코팅이란?
- 내(견딜 내 耐) 플라즈마성 : 플라즈마를 견디는 정도 → 플라즈마에 내성이 있는 코팅이라는 말이겠죠?
반도체 공정에서는 불소계 플라즈마를 이용하여 실리콘 기반 소재를 식각하거나 증착 챔버를 세정하는데 널리 사용되고 있습니다. 이때 불소계 플라즈마는 챔버 내부 부품들과 화학적 및 물리적으로 반응하여 표면을 부식시키고, 이로 인한 오염입자가 발생하게 되는 것이죠.
내플라즈마성에 영향을 주는 요소는 식각률과 오염입자 발생률로 나뉘게 됩니다. 기존에는 내플라즈마성 재료로 알루미나(Al2O3)가 널리 사용되어 왔습니다. 그 이유는, 가격이 저렴하고 쉬운 소결 과정을 거치기 때문입니다.
그러나, 반도체 소자의 초미세선폭화로 인해 공정 Step 증가 및 가혹한 플라즈마 환경에 노출되게 되면서 보다 우수한 내플라즈마성 소재로 알려진 Y2O3 소재에 관한 연구가 활발히 이루어졌습니다. 이트리아(Y2O3)는 소결온도가 매우 높고, 희소성이 강한 희토류 원소로 단가가 매우 고가에 달하기 때문에 Y2O3 소결체 부품을 제작하기보다 Y2O3를 부품에 코팅하여 사용하고 있습니다.
2. 내플라즈마 코팅 방법
- 플라즈마 스프레이 코팅 : 고온의 플라즈마 Jet에 코팅하고자 하는 원료 분말을 주입하여 용융된 액적(Droplet)이 모재아 충돌하여 얇은 층(lamellar) 및 얇은 피막(splat)이 형성되며 코팅층이 형성되는 방식.
1) 대기 플라즈마 스프레이 코팅(Atmospheric Plasma Spray, APS) : 대기 분위기에서 코팅되는 방식으로, 양극에는 구리(Cu), 음극에는 텅스텐(W)를 이용하여 두 극 사이에 전기 아크를 발생시켜 플라즈마 제트를 형성하는 방식. 보통 수십 마이크로 단위(22 ~ 34 um) 정도의 분말을 사용함
▶ 장점
- 플라즈마 제트 중심부는 최대 14,000K 정도로 매우 높아 높은 용융점을 가지는 산화물 소재도 빠르게 코팅할 수 있음
- 코팅 소재와 공정조건에 대한 제한이 적음
- 피막 형성 속도가 매우 빠름
- 두께 조절이 용이
- 대면적 코팅이 가능하여 경제적 효율이 우수함
▶ 단점
- 플라즈마 제트 중심부를 벗어난 분말의 경우는 완전히 용융되지 않은 채로 모재에 충돌하여 표면에 Micro-crack 및 pore가 형성됨
- 조밀한 코팅층을 형성하기 어려움
* 제가 직접 PPT로 그린 그림입니다.
위 그림을 보시면, 매우 간단하게 표현했습니다. 쉽게 이해하기 위해서 매우 뜨거운 총이라고 생각해 보면 되겠네요!
총알이 나가는 부분에 플라즈마 아크가 발생하여 매우 뜨거운 상태인데요, 이때 우리가 코팅하고자 하는 원료 분말 Y2O3 분말을 Powder feeder를 통해 분사해주면 Plasma gun에 의해 용융되면서 기판에 용융된 액적이 날라가 기판과 충돌하게 되는 과정입니다.
기판과 충동하는 모습을 확대해서 보시면, 완전히 용융된 액적의 경우(Full Melting), 잘 녹아 기판에 증착되게 됩니다. 반면플라즈마 제트의 중앙 부분에서 벗어난 용융 액적의 경우는 완전히 용융되지 않은(Partial Melting) 분말이 기판과 충돌하여 Splat과 같은 형태로 증착됩니다. 이렇게 반복되게 되다보니, 코팅층이 조밀하지 않게 되는 것이죠.
2) Suspension Plasma Spray, SPS : 기존 APS 방식과 비슷하거나 좀 더 발전된 코팅 기술
- 서브 마이크로 정도의 원료를 분사하기 위해 원료 분말을 에탄올 또는 DI water와 같은 용매에 분산시켜 슬러리(Slurry) 상태로 만든 후, 기판에 분사하여 코팅층을 형성하는 방식
▶ 장점
- 기존 APS보다 좀 더 미세한 입자를 사용하기 때문에 Crack 및 Pore가 적음
- 우수한 미세구조적 특성을 가진 조밀한 코팅층 형성
▶ 단점
- APS 코팅에 비해 약 5배 정도의 비용이 들고 있음
- 모재의 모양에 따른 코팅 제약이 있음
- 대면적 코팅에 경우, 파손의 위험이 존재
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이번 시간엔 매우 간단하게 내플라즈마성 코팅에 관한 방법 중 플라즈마 스프레이 코팅에 관해서만 이야기 해보았습니다.
실제로 기업에서 내플라즈마성 코팅을 얘기할때 가장 경제적인 방법이 Anodizng과 APS를 뽑는데요, 다음 시간에는 아노다이징 공법과 AD코팅에 관해서 이야기 해보도록 하겠습니다.
감사합니다.