KR20170133155A - 탄화탄탈 코팅 탄소 재료 - Google Patents

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Abstract

본 발명은, 탄화탄탈 코팅 탄소 재료에 관한 것으로, 보다 구체적으로, 탄소 기재 및 상기 탄소 기재 상에 형성된 탄화탄탈 코팅면을 포함하고, 상기 탄화탄탈 코팅면의, (111)면, (200)면, (220)면 및 (311)면의 X-선 회절 피크를 주피크로 가지고, 상기 피크 중 상기 (111)면의 피크가 최대 회절 강도를 갖는, 탄화탄탈 코팅 탄소 재료에 관한 것이다. 본 발명은, 화학적 및 물리적 내성이 우수하고, 수명이 연장된 탄화탄탈 코팅 탄소 소재를 제공할 수 있다.

Description

탄화탄탈 코팅 탄소 재료{TANTALUM CARBIDE-COATED CARBON MATERIALS}
본 발명은, 탄화탄탈 코팅 탄소 재료에 관한 것이다.
일반적으로 엘이디 제조장비에 사용되는 서셉터나 포커스 링, 전극 등은 기존의 반도체 공정에서 사용하던 탄소 소재를 그대로 사용하게 되면, 탄소 소재에서 이물이 발생하게 되는 문제점이 있다.
이와 같은 문제점을 고려하여 탄소 소재의 구조물의 표면에 SiC나 TaC를 코팅하여 사용하는 방법이 이용되고 있다.
예를 들어 등록특허 10-1100041호(2011년 12월 22일 등록, 엘이디 제조 장비용 서셉터의 제조방법)에는 탄소 소재 등의 모재 상에 TaC 또는 SiC를 코팅하는 기술이 기재되어 있다.
SiC는 내화학성이 강하고, 물리적인 강도가 높아 이용 가능성이 높지만, SiC의 제조는 1800 ℃ 이상의 고온이 필요하고, 캐리어 가스 또는 원료 가스로 수소, NH3, 탄화수소 가스 등을 이용하므로, 암모니아의 반응에 의해 Si2N4가 발생된다. 또한, 탄소 모재 상에 SiC는 1500 ℃이상의 고온에서 가스화 반응에 의해서 부식 및 크랙 또는 박리 현상이 발생한다. 이러한 문제점으로 인하여 내열성 및 내식성이 좋은 TaC 막의 피복이 선호되고 있다.
TaC 코팅막은, AIP 법 또는 CVD 법이 이용되고 있으며, 치밀하고 결정성이 발달된 TaC 코팅막을 얻기 위해서 CVD 법이 주로 이용되고 있다. CVD 법의 이용 시 TaC의 결정이 특정 방향으로만 성장되어 특정 성장면의 특성만을 가지므로, 유연성이 낮고, 열 충격 등에 의해 크랙 또는 박리가 발생할 경우에 암모니아, 수소 가스 등에 의한 탄소 모재의 부식이 급격하게 진행된다.
이러한 문제점을 해결하고자, CVD 법을 이용하여 비결정성 또는 낮은 결정성을 갖는 TaC 코팅막을 형성하는 방법을 이용하여 치밀한 막을 형성하는 방법이 제시되었고, 기존에 비하여 유연성이 개선될 수 있으나, 장시간 고온에 노출 시 결정성이 변화되어 열충격 및 환원성 가스 등에 의한 크랙 또는 박리가 발생하고, TaC 코팅막의 수명이 저하되는 문제점이 있다.
본 발명은, 전술한 바와 같은 문제점을 해결하기 위한 것으로, 물리적 및 화학적 요인에 의한 충격 및 부식에 강하고, 수명이 연장된 탄화탄탈 막을 형성할 수 있는, 탄화탄탈 코팅 탄소 재료를 제공할 수 있다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 이상에서 언급한 과제로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 과제들은 아래의 기재로부터 통상의 기술자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.
본 발명의 하나의 양상은,
탄소 기재 및 상기 탄소 기재 상에 형성된 탄화탄탈 코팅면을 포함하고, 상기 탄화탄탈 코팅면의, (111)면, (200)면, (220)면 및 (311)면의 X-선 회절 피크를 가지고, 상기 피크 중 상기 (111)면의 피크가 최대 회절 강도를 갖는 탄화탄탈 코팅 탄소 재료에 관한 것이다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 (200)면, (220) 및 (311)면의 X-선 회절 피크 중 어느 하나의 X-선 회절 피크의 회절 강도/(111)면의 X-선 회절 피크의 회절 강도는, 0.6 내지 0.9일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 (220) 또는 (311)면의 X-선 회절 피크의 회절 강도/(200)면의 X-선 회절 피크의 회절 강도는, 0.6 내지 1일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 (200)면, (220) 및 (311)면의 X-선 회절 피크 중 어느 하나의 피크 면적/(111)면의 X-선 회절 피크 면적은, 0.6 내지 0.9일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 (220) 또는 (311)면의 X-선 회절 피크 면적/(200)면의 X-선 회절 피크 면적은, 0.6 내지 1일 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 상기 (111)면의 피크의 2θ 값은, 34 °내지 35°일 수 있다.
본 발명은, 여러 방향으로 성장된 결정면이 조합되어 고온, 냉각 등과 같은 온도 변화에 의해 발생하는 스트레스를 유연하게 완화시키고, 환원성 가스 분위기 등에 우수한 내식성을 갖는, 물리적 및 화학적으로 강한 탄화탄탈 코팅 탄소 재료를 제공할 수 있다.
본 발명은, 탄화탄탈 코팅면에서 크랙 및 박리 등의 발생이 낮아 수명이 연장된 탄화탄탈 코팅 탄소 재료를 제공할 수 있다.
본 발명은, 고온의 부식성 가스 등에 대한 화학적 내성이 우수하여 고온 epi 공정용 보호재료로 효과적으로 적용할 수 있는 탄화탄탈 코팅 탄소 재료를 제공할 수 있다.
도 1은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명의 탄화탄탈 코팅 탄소 재료의 단면을 예시적으로 나타낸 것이다.
도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명의 탄화탄탈 증착 장치의 구성을 예시적으로 나타낸 것이다
도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명의 탄화탄탈 코팅 탄소 재료의 X-선 회절패턴을 나타낸 것이다.
이하 본 발명의 실시예들을 상세히 설명한다. 본 발명을 설명함에 있어서, 관련된 공지 기능 또는 구성에 대한 구체적인 설명이 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있다고 판단되는 경우에는 그 상세한 설명을 생략할 것이다. 또한, 본 명세서에서 사용되는 용어들은 본 발명의 바람직한 실시예를 적절히 표현하기 위해 사용된 용어들로서, 이는 사용자, 운용자의 의도 또는 본 발명이 속하는 분야의 관례 등에 따라 달라질 수 있다. 본 명세서에서, 본 용어들에 대한 정의는 본 명세서 전반에 걸친 내용을 토대로 내려져야 할 것이다.
본 발명은, 탄화탄탈 코팅 탄소 재료에 관한 것으로, 본 발명의 일 실시예에 따른, 탄화탄탈 코팅 탄소 재료는, 막의 치밀성이 좋고, 이방성이 높은 탄화탄탈 결정으로 이루어진 탄화탄탈 막을 포함하므로, 환원성 가스에 의한 부식, 열충격 등과 같은 화학적 및 물리적 손상 요인에 강하여 수명이 연장될 수 있다.
본 발명의 일 실시예에 따라, 도 1을 참조하면, 도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른, 탄화탄탈 코팅 탄소 재료의 단면을 예시적으로 나타낸 것으로 도 1에서 탄화탄탈 코팅 탄소 재료는, 탄소 기재(1) 및 탄소 기재(1) 상에 형성된 탄화탄탈 코팅면(2)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 탄소 기재(1)는, 반도체 공정 등에 적용되는 탄소로 이루어진 소재를 포함하고, 예를 들어, 흑연, 등방성 흑연, 그라파이트, 탄소섬유 강화 탄소복합재 등일 수 있으며, 바람직하게는 그라파이트이다.
본 발명의 일 예로, 탄화탄탈 코팅면(2)은, 다양한 방향으로 결정면이 성장되고 성장 방향에 따른 결정면의 특성이 잘 조합되어 외부 요인에 의한 스트레스를 유연하게 완화시킬 수 있으며, 환원 가스 등과 같은 화학적 요인에 의한 표면 손상, 부식 등에 강한 이방성이 높은 결정성 탄화탄탈을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 탄화탄탈 코팅면(2)은, CVD를 이용하여 형성되며, 할로겐화된 Ta로부터 공급되는 Ta 소스 가스, C 소스 가스, 및 수소, 질소, 헬륨, 아르곤 등과 같은 통상적인 운반가스 등을 적용하여 형성될 수 있다.
상기 CVD는, 본 발명의 기술 분야에 적용되는 공정 조건으로 수행될 수 있으며, 예를 들어, 탄화탄탈 코팅면(2)은, 도 2의 증착 장치를 이용하여 제조될 수 있다. 도 2는, 본 발명의 일 실시예에 따른, 본 발명의 탄화탄탈 증착 장치의 구성을 예시적으로 나타낸 것으로, 도 2에서 상기 장치는, Ta 공급부(10)를 통해 공급된 할로겐화된 Ta를 가열 및 기화시켜 Ta 소스를 제공하는 기화로(30); 상기 기화로(30)에 C 소스를 공급하여 상기 Ta 소스와 균일하게 혼합되도록 하는 C 소스 공급부(20); 상기 기화로(30)에서 균일하게 혼합된 Ta 소스와 C 소스를 증착로(60)에 증착하는 공급관(40); 상기 공급관(40)을 가열하여 상기 Ta 소스의 고화를 방지하는 히터(50); 및 기화로(30)에서 혼합되고 공급관(40)을 통해 공급된 Ta 소스와 C 소스를 탄소 기재(1) 상에 증착시켜 탄화탄탈 막을 형성하는 증착로(60); 를 포함할 수 있다.
예를 들어, 기화로(30)는, 할로겐화된 Ta의 기화한 이후에 C 소스가 공급되거나 또는 할로겐화된 Ta의 기화한 이전에 C 소스가 공급될 수 있다.
예를 들어, 히터(50)는, 공급관(40)을 100 ℃이상의 온도, 바람직하게는 100 ℃ 내지 500 ℃로 일정하게 유지하여 공급관(40)을 흐르는 Ta 소스의 고화를 방지할 수 있다.
예를 들어, 증착로(6)는, 1.33 Pa 내지 13.3 Pa의 압력을 유지하고, 750 ℃ 내지 2500 ℃; 바람직하게는 800 ℃ 내지 2300 ℃에서 탄소 기재 (1) 상에 CVD 처리를 하여 탄화탄탈 코팅막(2)을 증착할 수 있다. 또한, 증착 이후에 수소, 아르곤, 헬륨 등의 가스 분위기에서 1500 ℃ 내지 2700 ℃; 바람직하게는 1500 ℃ 내지 2500 ℃에서 10 시간 내지 24 시간 동안 열처리할 수 있다. 상기 코팅 후 열처리를 통하여 코팅막의 스트레스 해소 및 저항 조절 등의 효과를 달성할 수 있다.
예를 들어, 탄화탄탈 코팅면(2)은, Ta 40 wt% 내지 60 wt%와 C 40 wt% 내지 60 wt%를 포함할 수 있다.
예를 들어, 탄화탄탈 코팅면(2)은, 5 ㎛ 내지 50 ㎛ 두께; 바람직하게는 10 ㎛ 내지 30 ㎛ 두께로 형성될 수 있으며, 상기 두께 범위 내에 포함되면, 치밀하고 균일한 막을 형성하면서 이방성과 결정성이 높은 탄화탄탈 결정을 형성할 수 있고, 고온 및 환원가스 분위기에서 장기간 사용할 수 있는 탄화탄탈 코팅 탄소 소재를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 탄화탄탈 코팅면(2)은, 결정성이 높고, 다양한 결정면이 성장된 이방성 탄화탄탈 결정을 포함할 수 있다. 이러한 결정면은, 도 3을 참조하여 설명하며, 도 3은, 본 발명의 일 실시예에 따른, 탄화탄탈 코팅 탄소 재료의 탄화탄탈 코팅면에 대한 X-선 회절 패턴을 나타낸 것이다.
도 3의 X-선 회절 패턴은, 본 발명의 기술 분야에서 적용되는 X-선 회절 측정 방법을 이용할 수 있으며, 본 명세서에는 구체적으로 언급하지 않으나, 예를 들어, 박막 또는 분말 X-선 회절 측정 방법을 이용할 수 있으며, 바람직하게는 탄화탄탈 코팅 탄소 재료의 탄화탄탈 표면에 X-선을 조사하여 실시할 수 있다. X-선 분석 장치는 "Rigaku, Dmax 2500" 를 이용하여 세로축에 회절강도 및 가로축에 회절각(2θ)를 나타낸 X-선 패턴을 획득하였고, MDI/JADE 35-0801에 의해 탄화 탄탈을 확인하였다. 또한, 이러한 X-선 패턴을 이용하여 회절피크의 강도, 반값폭, 면적비 등을 계산하였다.
예를 들어, 도 3의 X-선 회절 패턴에서 상기 탄화탄탈 코팅면은, 2θ값 20 °내지 80 °에서 발달된 회절피크를 포함할 수 있으며, 바람직하게는, X-선 회절 패턴에서 (111)면, (200)면, (220)면 및 (311)면의 X-선 회절 피크를 주피크로 포함될 수 있다. 이는 탄화탄탈이 다양한 방향으로 결정면이 성장된 것을 의미하고, 다양한 방향의 결정면에 의해서 기존의 특정 방향으로만 주로 성장되는 탄화탄탈 막에 비하여 유연성이 증가되고, 다양한 결정면의 특성이 잘 조합되어 표면에 물리적 및 화학적 손상 요인에 약한 부분이 보완되고, 열충격, 냉각, 환원성 가스 등에 의해 코팅면의 손상, 박리 등의 발생이 낮고, 수명이 연장될 수 있다.
예를 들어, 상기 X-선 회절 피크에서 (111)면의 피크는, 0.1°내지 0.5° 반값폭, (200)면의 피크는, 0.1°내지 0.5°반값폭, (220)면의 피크는, 0.1° 내지 0.5°반값폭, 및 (311)면의 피크는, 0.1°내지 0.5°반값폭을 포함할 수 있다. 이는, (111)면, (200)면, (220)면 및 (311)면 방향의 성장면이 높은 결정성으로 성장된 것으로 보여주며, 이러한 높은 결정성으로 인하여 각 성장면의 특성을 모두 나타낼 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 X-선 회절 피크 중 (111)면의 피크의 2θ 값은, 34 °내지 35°; 바람직하게는 34.2 °내지 34.8 °; 더 바람직하게는 34.6 °내지 34.8 °일 수 있으며, 상기 (111)면의 피크가 최대 회절 강도를 나타낼 수 있다.
예를 들어, 상기 (200)면, (220) 및 (311)면의 X-선 회절 피크 중 어느 하나의 X-선 회절 피크의 회절 강도/(111)면의 X-선 회절 피크의 회절 강도는, 0.6 내지 0.9; 더 바람직하게는 0.7 내지 0.8; 일 수 있다. 상기 회절 강도비가 상기 범위 내에 포함되면 (111)면, (200)면, (220)면 및 (311)면 방향으로의 성장면의 특성을 모두 나타낼 수 있고, 이러한 특성의 조합이 잘 이루어지므로, 물리적 및 화학적으로 강한 재료를 제공할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 X-선 회절 피크 중 (220)면의 피크의 2θ 값은, 38 °내지 41 °; 바람직하게는 39°내지 40.5 °일 수 있다.
예를 들어, (220)면의 피크는, (220) 면 및 (311) 면의 피크와 동일하거나 또는 더 높은 회절 강도를 가질 수 있으며, 바람직하게는 상기 (220) 또는 (311)면의 X-선 회절 피크의 회절 강도/(200)면의 X-선 회절 피크의 회절 강도는, 0.6 내지 1; 바람직하게는 0.7 내지 0.9; 더 바람직하게는 0.75 내지 0.85일 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 X-선 회절 피크에서 (111)면, (200)면, (220)면 및 (311)면의 피크는 높은 결정성을 가지며, 상기 X-선 회절 피크 중 (111)면의 피크가 최대 결정성을 나타낼 수 있다.
예를 들어, 상기 (200)면, (220) 및 (311)면의 X-선 회절 피크 중 어느 하나의 피크 면적/(111)면의 X-선 회절 피크 면적은, 0.5 내지 1; 바람직하게는 0.6 내지 0.9; 일 수 있다. 상기 X-선 회절 피크 면적이 상기 범위 내에 포함되면, (111)면, (200)면, (220)면 및 (311)면 방향으로의 성장면의 특성이 잘 조합되어 여러 방향으로 스트레스를 완화할 수 있으므로, 열충격 등에 강한 특성을 제공할 수 있다.
본 발명의 일 예로, 상기 X-선 회절 피크에서 (200)면의 피크는, (220)면 및 (311)면의 피크에 비하여 동일하거나 또는 더 높은 결정성을 나타낼 수 있으며, 예를 들어, 상기 (220) 또는 (311)면의 X-선 회절 피크 면적/(200)면의 X-선 회절 피크 면적은, 0.6 내지 1일 수 있다.
본 발명은, 다양한 결정 방향으로 성장되고, 결정성이 우수한 탄화탄탈 막이 형성된 탄소 소재를 제공하므로, 다양한 결정면의 특성이 잘 조합되어 물리적 및 화학적으로 강하여 수명이 연장되고, 공정 중에 고온, 부식성 가스 등이 이용되거나 또는 장시간 공정이 이루어져야 하는 반도체 공정에 적용이 유리한 탄화탄탈 코팅 탄소 소재를 제공할 수 있다.
본 발명의 상기 실시예를 참조하여 설명하였지만, 본 발명은 이에 한정되는 것이 아니고, 하기의 특허 청구의 범위, 발명의 상세한 설명 및 첨부된 도면에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있다.
1: 탄소 기재 2: 탄화탄탈 코팅면
10: Ta 공급부 20: C 소스 공급부
30: 기화로 40: 공급관
50: 히터 60: 증착로

Claims (6)

  1. 탄소 기재 및 상기 탄소 기재 상에 형성된 탄화탄탈 코팅면을 포함하고, 상기 탄화탄탈 코팅면의, (111)면, (200)면, (220)면 및 (311)면의 X-선 회절 피크를 주피크로 가지고, 상기 피크 중 상기 (111)면의 피크가 최대 회절 강도를 갖는 것인, 탄화탄탈 코팅 탄소 재료.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 (200)면, (220) 및 (311)면의 X-선 회절 피크 중 어느 하나의 X-선 회절 피크의 회절 강도/(111)면의 X-선 회절 피크의 회절 강도는, 0.6 내지 0.9인 것인, 탄화탄탈 코팅 탄소 재료.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 (220) 또는 (311)면의 X-선 회절 피크의 회절 강도/(200)면의 X-선 회절 피크의 회절 강도는, 0.6 내지 1인 것인, 탄화탄탈 코팅 탄소 재료.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 (200)면, (220) 및 (311)면의 X-선 회절 피크 중 어느 하나의 피크 면적/(111)면의 X-선 회절 피크 면적은, 0.6 내지 0.9인 것인, 탄화탄탈 코팅 탄소 재료.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 (220) 또는 (311)면의 X-선 회절 피크 면적/(200)면의 X-선 회절 피크 면적은, 0.6 내지 1인 것인, 탄화탄탈 코팅 탄소 재료.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 (111)면의 피크의 2θ 값은, 34 °내지 35°인 것인, 탄화탄탈 코팅 탄소 재료.
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