반도체 후공정 - 코팅 기술의 모든 것 (1부)

반도체 및 디스플레이 공정 장비의 내구성을 높이기 위해 사용되는 세라믹 코팅 기술인 APS, SPS, AD는 각각 입자를 가속하고 퇴적시키는 방식에 따라 그 특성이 뚜렷하게 갈립니다.

특히 최근 공정이 미세화됨에 따라 기존의 APS 방식에서 더 치밀한 막을 형성할 수 있는 SPS나 AD 방식의 채택이 늘고 있는 추세입니다. 각 기술의 핵심 차이점을 비교해 드립니다.

 

1. 기술별 핵심 메커니즘 비교

구분	APS (Atmospheric Plasma Spray)	SPS (Suspension Plasma Spray)	AD (Aerosol Deposition)
상태	대기압 플라즈마 용사	서스펜션(액상) 용사	상온 에어로졸 충격 증착
원리	분말을 플라즈마 열원으로 녹여 가속 후 표면에 충돌	나노/미세 분말을 액체에 섞어 플라즈마 내 주입 후 코팅	미세 입자를 가스에 섞어 초고속 분사, 충격에너지로 막 형성
공정 온도	고온 (수천~만 도 이상의 플라즈마)	고온 (플라즈마 열원 사용)	상온 (열적 변형 거의 없음)
주요 소재	Y2O3, Al2O3 (마이크로 분말)	Y2O3등 (나노/서브마이크론 입자)	Y2O3, 세라믹 합금 (미세 분말)

 

 2. 상세 특성 분석

① APS (대기 플라즈마 용사/ Atmospheric Plasma Spray)

가장 대중적이고 오래된 기술입니다. 분말을 열풍에 녹여 뿌리는 방식이라 속도가 빠르고 두꺼운 막(100um 이상)을 만들기에 유리합니다.

• 장점: 코팅 속도가 매우 빠르고 비용이 저렴하며 장비 크기 제약이 적음.
• 단점: 입자가 녹았다 굳으면서 기공(Pore)이 생기기 쉽고, 미세 패턴에서 입자 탈락(Particle) 이슈가 발생할 수 있음.
• 형태: 마이크로미터(um) 단위의 큰 분말을 플라즈마 화염으로 녹여 뿌립니다.
• 이미지 특징: 녹은 방울(Droplets)이 표면에 부딪혀 납작하게 굳은 '라멜라(Lamellar)' 구조가 겹겹이 쌓인 모습입니다. 입자 사이의 틈(Pore)이 가장 잘 보입니다.

 

② SPS (서스펜션 플라즈마 용사/ Suspension Plasma Spray)

APS의 단점을 보완하기 위해 아주 작은 입자를 액체(서스펜션)에 실어 보내는 방식입니다.

• 장점: 일반 APS보다 훨씬 치밀한(Dense) 조직을 가짐. 나노 구조의 코팅이 가능하여 내식성(식각 저항성)이 우수함.
• 단점: 액체를 사용하므로 공정 제어가 복잡하고 비용이 APS 대비 높음.
• 형태: 나노미터(nm) 단위의 **미세 입자를 액체(서스펜션)**에 섞어 분사합니다.
• 이미지 특징: APS보다 입자가 훨씬 작고 촘촘하게 박혀 있습니다. 액체 덕분에 미세한 입자가 뭉치지 않고 고르게 분사되어 APS보다 막이 매끄럽고 치밀합니다.

③ AD (에어로졸 증착/ Aerosol Deposition)

열을 가하지 않고 입자를 마하의 속도로 때려 박아 막을 형성하는 혁신적인 방식입니다.

• 장점: 상온에서 진행되므로 기판의 열변형이 없고, 기공이 거의 없는 초고밀도 코팅이 가능함. 접착력이 매우 강력함.
• 단점: 진공 챔버 내에서 진행되어야 하므로 대형 부품 코팅에 한계가 있고, 코팅 속도가 상대적으로 느려 두꺼운 막 형성에는 불리함.
• 형태: 분말을 가스와 섞은 에어로졸 상태로, 녹이지 않고 초고속(마하)으로 충격시킵니다.
• 이미지 특징: 열을 가하지 않으므로 '녹은 흔적'이 없습니다. 입자가 깨지면서 서로 강하게 결합하는 상온 충격 고형화 방식으로, 기공이 거의 없는 유리알 같은 초고밀도 막을 형성합니다.

2. 코팅 단면(Cross-section) 비교 요약

구분	APS (대기 플라즈마)	SPS (서스펜션)	AD (에어로졸)
입자 크기	가장 큼 (50~100$\mu m$)	미세함 (나노 단위)	미세함 (서브마이크론)
막의 형태	거칠고 기공이 많음	조밀하고 균일함	유리처럼 매끄럽고 치밀함
주요 에너지	열에너지 (용융)	열 + 운동 에너지	운동에너지 (충격)

 

시각적으로 보면 APS는 거친 스펀지, SPS는 촘촘한 천, AD는 단단한 도자기 타일과 같은 단면 구조를 가진다고 이해하시면 쉽습니다. 특히 식각 장비 내부에서는 입자가 떨어져 나가는 '파티클' 문제가 중요하므로, 단면이 가장 매끄러운 AD나 SPS가 고성능 부품에 주로 채택됩니다.

 

 

3. 요약 및 선택 기준

• 치밀도(Density): AD > SPS > APS
• 코팅 속도(Throughput): APS > SPS > AD
• 내플라즈마성(식각 저항): AD ≈ SPS > APS