$Y_2O_3$ 세라믹 소결체를 제작하기 위해, $Y_2O_3$ 분말을 분산한 상태에서 슬러리에 pH 조절제인 NaOH를 첨가하였으며 결합제로는 PVA, 가소제로는 PEG를 첨가하여 열분무 건조 공정을 거쳐 $Y_2O_3$ 과립형 분말을 제조하였다. ${\phi}14mm$ 크기의 $Y_2O_3$ 세라믹 성형체를 성형하고, $1650^{\circ}C$의 온도에서 소결하여 $Y_2O_3$ 세라믹 소결체를 제작하였다. $Y_2O_3$ 소결체의 미세구조, 밀도 및 내플라즈마 특성이 성형압력 및 소결시간에 따라 분석되었다. $Y_2O_3$ 소결체는 $CHF_3/O_2/Ar$플라즈마에 노출시켜, $Ar^+$이온빔에 의한 물리적반응 식각과 $CHF_3$로부터 분해된, $F^-$ 이온에 의한 화학적반응 식각에 의한 건식 식각 처리가 이루어졌다. 본 연구에서 $Y_2O_3$ 소결체 소결시간의 증가에 따라, 비교적 높은 밀도를 나타내었으며, 내플라즈마 특성이 향상되는 것으로 나타났다.
$Y_2O_3$ 세라믹 소결체를 제작하기 위해, $Y_2O_3$ 분말을 분산한 상태에서 슬러리에 pH 조절제인 NaOH를 첨가하였으며 결합제로는 PVA, 가소제로는 PEG를 첨가하여 열분무 건조 공정을 거쳐 $Y_2O_3$ 과립형 분말을 제조하였다. ${\phi}14mm$ 크기의 $Y_2O_3$ 세라믹 성형체를 성형하고, $1650^{\circ}C$의 온도에서 소결하여 $Y_2O_3$ 세라믹 소결체를 제작하였다. $Y_2O_3$ 소결체의 미세구조, 밀도 및 내플라즈마 특성이 성형압력 및 소결시간에 따라 분석되었다. $Y_2O_3$ 소결체는 $CHF_3/O_2/Ar$ 플라즈마에 노출시켜, $Ar^+$ 이온빔에 의한 물리적반응 식각과 $CHF_3$로부터 분해된, $F^-$ 이온에 의한 화학적반응 식각에 의한 건식 식각 처리가 이루어졌다. 본 연구에서 $Y_2O_3$ 소결체 소결시간의 증가에 따라, 비교적 높은 밀도를 나타내었으며, 내플라즈마 특성이 향상되는 것으로 나타났다.
$Y_2O_3$ ceramic specimens were fabricated from the granular powder, obtained by spray drying process from the slurry. The slurry was prepared by mixing PVA binder, NaOH for Ph control, PEG and $Y_2O_3$ powder. The $Y_2O_3$ specimen was shaped in size of ${\phi}...
$Y_2O_3$ ceramic specimens were fabricated from the granular powder, obtained by spray drying process from the slurry. The slurry was prepared by mixing PVA binder, NaOH for Ph control, PEG and $Y_2O_3$ powder. The $Y_2O_3$ specimen was shaped in size of ${\phi}14mm$ and then sintered at $1650^{\circ}C$. The characteristics, microstructure, densities and plasma resistance of the $Y_2O_3$ specimens were investigated with the function of forming pressure and sintering time. $Y_2O_3$ specimens were exposed under the $CHF_3/O_2/Ar$ plasma, the dry etching treatment of specimens was carried out by the physical reaction etching of $Ar^+$ ion beam and the chemical reaction etching of $F^-$ ion decomposed from $CHF_3$. With increasing sintering time, $Y_2O_3$ specimens showed relatively high density and strong resistance in plasma etching test.
$Y_2O_3$ ceramic specimens were fabricated from the granular powder, obtained by spray drying process from the slurry. The slurry was prepared by mixing PVA binder, NaOH for Ph control, PEG and $Y_2O_3$ powder. The $Y_2O_3$ specimen was shaped in size of ${\phi}14mm$ and then sintered at $1650^{\circ}C$. The characteristics, microstructure, densities and plasma resistance of the $Y_2O_3$ specimens were investigated with the function of forming pressure and sintering time. $Y_2O_3$ specimens were exposed under the $CHF_3/O_2/Ar$ plasma, the dry etching treatment of specimens was carried out by the physical reaction etching of $Ar^+$ ion beam and the chemical reaction etching of $F^-$ ion decomposed from $CHF_3$. With increasing sintering time, $Y_2O_3$ specimens showed relatively high density and strong resistance in plasma etching test.
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제안 방법
Y2O3 성형체는 Ø14 mm인 원형몰드를 사용하여 과립화된 분말을 건식 압축가압 성형에 의해 500~1,500 kgf/cm2 압력 하에 제작하였고, 1,650℃의 소결온도에서, 10~30 hrs을 유지하는 조건으로 소결하였다.
본 실험에서는, Y2O3 원료를 분쇄 후 pH를 조절하여 슬러리를 제조하였다. Y2O3 분말의 성형성을 증진하기 위해 원료분말의 과립화가 필요하며, 과립화된 분말을 성형 및 소결 시 압력, 소결온도 조건에 따른 소결체의 특성을 분석하였다.
Y2O3 소결체의 밀도는 Gas-pycnometer(G PYC-100-A, PMI, USA)로 측정하였다. 미세구조는 Scanning Electron Microscope(JSM-5900, JEOL, Japan)을 이용하여 관찰하였다.
/Ar) 분위기에서, 물리화학적반응 건식식각을 행한 결과를 Table 2에 나타내었다. Y2O3 시편과 플라즈마 에칭 시험결과를 비교하기 위해, Al2O3, SiC 소재의 건식 에칭 시험 이후 레이저현미경을 이용하여 측정한 식각량을 조사하였다. CHF3 분위기에서 Ar+ 이온빔을 조사시키면, Y2O3 시편의 표면과 충돌되어, 식각물질의 결합을 끊게 하여, 입자들의 이탈을 야기하여 식각(물리적반응 식각)이 일어나며, CHF3는 Y2O3 소결체 표면에 흡착되어, F− 이온에 의한 화학적 식각거동에 있어서, 반응확률이 증가하며, 첨가가스로서 O2(환원가스)를 공급함에 따라, F-based gas(CHF3)로 부터 F의 분리(etchnant 활성화)되는 조건하에서 화학적반응 식각이 빠르게 진행된 것으로 판단된다[14, 15].
내플라즈마 특성의 분석은 dry etcher장비(Exelan HPT, Lam research, USA)를 활용하여 측정하였으며, 식각된 시편의 단차를 레이저 현미경으로 관찰하였다. 내플라즈마 시험(물리화학적반응 건식식각, reactive ion etching, RIE)은 압력(20 mtorr), RF power(800 W), plasma etching 시간(10 hr), etching gas(CHF3/O2/Ar)의 조건 하에서 수행하였다.
내플라즈마 특성 평가를 위해 본 연구에서 제작된 Y2O3 소결체를 이용하여 etching gas(CHF3/O2/Ar) 분위기에서, 물리화학적반응 건식식각을 행한 결과를 Table 2에 나타내었다.
미세구조는 Scanning Electron Microscope(JSM-5900, JEOL, Japan)을 이용하여 관찰하였다. 내플라즈마 특성의 분석은 dry etcher장비(Exelan HPT, Lam research, USA)를 활용하여 측정하였으며, 식각된 시편의 단차를 레이저 현미경으로 관찰하였다. 내플라즈마 시험(물리화학적반응 건식식각, reactive ion etching, RIE)은 압력(20 mtorr), RF power(800 W), plasma etching 시간(10 hr), etching gas(CHF3/O2/Ar)의 조건 하에서 수행하였다.
raw powder는 입자크기가 대략 3~10 µm 범위를 나타냈으며, 이를 분쇄 없이 사용할 경우 높은 소결온도가 요구된다. 따라서, 분무 건조에 적합한 pH 조절 후 분쇄하는 방법과 Zeta-potential이 높은 값을 나타내는 Well-dispersed의 슬러리 상태에서 분쇄 후 분무 건조에 적합한 pH를 나중에 조절하는 방법으로 분말을 전처리하여, 미세구조를 관찰하였다(Fig. 1).
소결체의 밀도는 Gas-pycnometer(G PYC-100-A, PMI, USA)로 측정하였다. 미세구조는 Scanning Electron Microscope(JSM-5900, JEOL, Japan)을 이용하여 관찰하였다. 내플라즈마 특성의 분석은 dry etcher장비(Exelan HPT, Lam research, USA)를 활용하여 측정하였으며, 식각된 시편의 단차를 레이저 현미경으로 관찰하였다.
본 연구에서는 Y2O3 granular powder의 성형압력, 소결시간을 변수로 하여, 소결체를 제작하고, 미세구조 및 밀도, 건식 식각을 통한 플라즈마 저항성 등을 분석하였다.
본 연구에서는, Y2O3 분말을 분쇄하고, 열분무건조를 통해 얻어진, 과립형 분말을 500 kgf/cm2~1,500 kgf/cm2의 성형압력 조건에서 성형하고, 1650℃에서 소결되었다. 성형압력과 소결시간을 증가시킴에 따라, 4.
소결체에 대해 직경측정법을 활용하여 미세조직에 대각선을 그은 후 겹쳐진 grain 갯수를 전체 길이로 나누어 grain size를 측정하였다. 1,000 kgf/cm2 및 1,500 kgf/cm2의 성형압력, 1650℃ 소결온도에서 소결시간이 증가함에 따라 전체적으로 grain size가 증가하는 경향을 나타내었다.
1에 분쇄된 분말의 미세구조를 나타내었으며, pH 조절 후 분쇄하는 방법보다 pH 조절 없이 분산된 상태에서 분쇄하였을 경우보다 효과적인 분쇄가 가능하였고, 분쇄 후 입자 크기는 3 µm 이하의 분말이 얻어졌다. 본 실험에서는, Y2O3 원료를 분쇄 후 pH를 조절하여 슬러리를 제조하였다. Y2O3 분말의 성형성을 증진하기 위해 원료분말의 과립화가 필요하며, 과립화된 분말을 성형 및 소결 시 압력, 소결온도 조건에 따른 소결체의 특성을 분석하였다.
본 연구에서는 Y2O3 원료 분말(CZC-ZL China, 순도 99.99 %, 입도 3~10 µm)을 DI water에 분산한 후 볼밀(ball mill)을 통해 1차 분쇄 후 필터링한 슬러리에 바인더, 가소제, 소포제, pH 조절제 등 첨가제를 넣은 후 attrition milling(ZrO2 ball)을 통해 혼합하여 분무과립용 슬러리를 제조하였다.
성능/효과
1,000 kgf/cm2 및 1,500 kgf/cm2의 성형압력, 1650℃ 소결온도에서 소결시간이 증가함에 따라 전체적으로 grain size가 증가하는 경향을 나타내었다.
CHF3로부터 해리된 플루오르(F)이온에 의한 식각률을 Y2O3 소결체 및 SiC, Al2O3 소결체와 비교하였으며, Table 2에서 레이저현미경으로 측정된, 식각깊이(edge depth)는, 본 실험에서 제작된, Y2O3 소재의 경우, 본 연구에서 자체적으로 제작된, SiC(소결조건, 2100℃, 2 hrs), Al2O3(소결조건, 1650℃, 3 hrs) 소결체 보다 상대적으로 우수한 내플라즈마 특성을 나타내었으며, CHF3/Ar/O2 플라즈마에 Y2O3 소결체를 노출한 이후, 소결 조건에 따른 플라즈마에 대한 식각률을 비교하였고, 소결시간이 짧은 경우에서는 식각현상이 두드러졌으며, 소결시간이 증가함에 따라, 식각률, 식각 깊이(Edge depth)가 감소하는 경향을 나타내었다. 본 연구에서 제작된 Y2O3 소결체는, 타 연구결과에서 보고된, Y2O3 코팅에 대한 식각 깊이와는 다소 높은 식각률을 나타내는 것으로 판단된다[16].
4 %의 비교적 높은 상대밀도를 나타내었다. FE-SEM 미세구조 관찰에서는, 1650℃의 소결조건에서 소결시간이 증가함에 따라, 기공들의 존재는 감소하고 grain size는 다소 증가하였으며, 소결시간, 30 hrs의 조건에서, 과립간 기공의 소멸로 인한, 치밀화가 이루어진 경향을 나타내었다. 내플라즈마 특성 평가를 위한 건식 에칭 시험에서, 소결시간이 증가함에 따라, 식각률, 식각 깊이(Edge depth)가 감소하는 경향을 나타내었다.
Fig. 1에 분쇄된 분말의 미세구조를 나타내었으며, pH 조절 후 분쇄하는 방법보다 pH 조절 없이 분산된 상태에서 분쇄하였을 경우보다 효과적인 분쇄가 가능하였고, 분쇄 후 입자 크기는 3 µm 이하의 분말이 얻어졌다.
Fig. 3에서 나타낸 소결체의 FE-SEM 미세구조에서 성형압력 변화에 따른 변화는 거의 관찰할 수 없었으며, 소결시간에 따라 기공은 감소하고 grain size는 증가하는 경향을 나타내었다. 미세구조에서 관찰된 바와 같이 동일한 소결온도 조건에서, 10 hrs, 20 hrs의 조건에서는 다수의 미세기공들이 관찰되었으며, 30 hrs의 조건에서는 미세기공의 존재가 다소 감소되는 경향을 나타냈다.
FE-SEM 미세구조 관찰에서는, 1650℃의 소결조건에서 소결시간이 증가함에 따라, 기공들의 존재는 감소하고 grain size는 다소 증가하였으며, 소결시간, 30 hrs의 조건에서, 과립간 기공의 소멸로 인한, 치밀화가 이루어진 경향을 나타내었다. 내플라즈마 특성 평가를 위한 건식 에칭 시험에서, 소결시간이 증가함에 따라, 식각률, 식각 깊이(Edge depth)가 감소하는 경향을 나타내었다. 이러한 경향은, Y2O3 소결체의 소결시간의 증가에 따른, 미세구조의 치밀화에 따라 식각률이 감소되는 것으로 추정되었다.
3에서 나타낸 소결체의 FE-SEM 미세구조에서 성형압력 변화에 따른 변화는 거의 관찰할 수 없었으며, 소결시간에 따라 기공은 감소하고 grain size는 증가하는 경향을 나타내었다. 미세구조에서 관찰된 바와 같이 동일한 소결온도 조건에서, 10 hrs, 20 hrs의 조건에서는 다수의 미세기공들이 관찰되었으며, 30 hrs의 조건에서는 미세기공의 존재가 다소 감소되는 경향을 나타냈다. 1650℃에서 10시간 소결 후에도 과립간의 기공의 존재로 인하여, 소결밀도가 낮게 나타났으며, 소결시간 20시간 및 30시간의 경우, 과립간 경계에 존재하는 기공이 소멸되면서, 치밀화가 이루어진 것으로 관찰되었다.
의 성형압력 조건에서 성형하고, 1650℃에서 소결되었다. 성형압력과 소결시간을 증가시킴에 따라, 4.99 g/cm3의 밀도, 99.4 %의 비교적 높은 상대밀도를 나타내었다. FE-SEM 미세구조 관찰에서는, 1650℃의 소결조건에서 소결시간이 증가함에 따라, 기공들의 존재는 감소하고 grain size는 다소 증가하였으며, 소결시간, 30 hrs의 조건에서, 과립간 기공의 소멸로 인한, 치밀화가 이루어진 경향을 나타내었다.
1,000 kgf/cm2 및 1,500 kgf/cm2의 성형압력, 1650℃ 소결온도에서 소결시간이 증가함에 따라 전체적으로 grain size가 증가하는 경향을 나타내었다. 성형압력에 따라서는 동일한 소결조건에서는 성형압력이 높을수록 grain size가 작아지는 경향을 나타내었다(Table 1).
시편의 성형압력에 따라 소결 밀도가 다소 증가하는 경향을 나타내었으며, 성형압력, 1,500 kgf/cm2과 유지시간, 30 hrs 이상의 조건에서 비교적 높은 상대밀도를 나타내었다.
식각 과정에서, 조사된 Ar+ 이온빔은, Y2O3 시편의 표면과 충돌되어, 식각물질의 결합을 끊게 하여, 입자들의 이탈을 야기하면서 물리적반응 식각을 야기하고, CHF3로부터 분해된, F− 이온에 의한 화학적반응 식각 거동이 함께 이루어진 것으로 추정된다. 한편, Y2O3 소결체는 SiC, Al2O3 소결체보다 상대적으로 우수한 내플라즈마 특성을 나타내었다.
후속연구
반도체 공정환경이 고밀도의 플라즈마와 높은 생산성을 요구함에 따라 점차로 알루미나 소재보다 우수한 내플라즈마 소재의 필요성이 대두되고 있다. 특히 반도체 기술의 발달과 함께 내플라즈마 특성이 우수한 Y2O3 소재에 대한 관심은 더욱 높아졌으며 향후 핵심 소재로 부각될 것으로 기대된다. 코팅제품은 모제와 Y2O3의 열팽창계수 차에 의한 코팅막의 박리 등으로 수명이 짧아 재코팅해서 사용해야하는 문제점과, 코팅시 재료의 부착율은 15~20 %로 낮고 소재에도 기공이 다량 존재하여 Y2O3 소재의 성능 향상에 한계가 있다[7].
질의응답
핵심어
질문
논문에서 추출한 답변
Al2O3의 장점은?
반도체 공정에서 핵심 기술은 선폭의 미세화와 고집적이며, 이를 위해 플라즈마 에칭기술, CVD 코팅 기술 등 반도체 제조 공정의 장비를 활용하게 된다[2]. 반도체 제조용 공정장비(CVD, Etch)는 다양한 플라즈마를 활용하므로, 이들 장비에 사용되는 부품들은 내플라즈마 특성이 우수한 재료를 사용해야 한다[3-5]. 현재까지는 내플라즈마성 소재로서 Al2O3가 주로 사용되고 있으나 오염입자의 저감 및 관리가 엄격한 공정에서는 일부 Y2O3 및 AlN 소재로 교체되는 부품이 점점 늘어나는 추세이다.
세라믹 제품의 수요가 증가하는 이유는?
최근 반도체 및 LED 산업의 급성장으로 인하여 디바이스를 제조하는 장비에 사용되는 세라믹 제품의 수요가 증가하면서 중요성이 더욱 부각되고 있다. 반도체 공정이 미세선폭화로 진행됨에 따라 플라즈마 공정 중에 챔버에서 발생하는 오염입자의 저감이 매우 중요한 이슈가 되고 있다[1].
반도체 공정에서 오염입자의 저감이 중요한 이슈인 이유는 무엇인가?
최근 반도체 및 LED 산업의 급성장으로 인하여 디바이스를 제조하는 장비에 사용되는 세라믹 제품의 수요가 증가하면서 중요성이 더욱 부각되고 있다. 반도체 공정이 미세선폭화로 진행됨에 따라 플라즈마 공정 중에 챔버에서 발생하는 오염입자의 저감이 매우 중요한 이슈가 되고 있다[1]. 반도체 공정에서 핵심 기술은 선폭의 미세화와 고집적이며, 이를 위해 플라즈마 에칭기술, CVD 코팅 기술 등 반도체 제조 공정의 장비를 활용하게 된다[2].
참고문헌 (16)
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