고엔트로피 세라믹의 플라즈마 식각 저항성과 광학적 투광도 = Plasma Etching Resistance and Optical Transparency of High-Entropy Ceramics

국문 초록 (Abstract)

Y2O3는 플라즈마에 대한 우수한 화학적 안정성으로 인해 대표적인 내플라즈마 세라믹 소재로 널리 사용되고 있다. 그러나 고밀도 플라즈마 환경에서는 식각 속도가 증가하며, 이 과정에서 YF3와 같은 비휘발성 입자가 형성된다. 생성된 입자는 sheath 내부에서 부유하다가 웨이퍼 표면에 재부착되어 결함을 유발하고, 그 결과 반도체 공정 수율 저하 및 세라믹 부품의 수명 단축을 초래한다. 이러한 문제를 해결하기 위해 최근 Y2O3-MgO, Y2O3-YAM 등의 나노복합체 세라믹이 연구되고 있으나, 두 가지 이상의 상(phase)이 공존함에 따라 상 간 열팽창계수 차이로 인한 미세균열 발생하고, 식각 저항성 차이로 인하여 표면 조도가 증가하는 한계가 존재한다.
본 연구는 Hume-Rothery 규칙을 기반으로 Y2O3 기반 고엔트로피 세라믹(High-Entropy Ceramics, HECs)을 제조하였다. 고엔트로피 세라믹은 다섯 가지 이상의 원소가 등몰비로 혼합되어 단일상을 형성하며, 원자 반경 차이로 인한 강한 격자 왜곡에 의해 원자 확산이 억제된다. 이를 통해 열팽창계수 차이로 인하여 발생하는 미세균열을 방지하고, 플루오린(F)의 확산을 늦춰 식각 저항성을 향상시키고자 하였으며, 고밀도 소결을 통해 추가적으로 높은 투광 특성을 확보하고자 하였다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Y₂O₃ has been widely used as a representative plasma-resistant ceramic material owing to its excellent chemical stability against plasma environments. However, under high-density plasma conditions, the etching rate increases, leading to the formation of non-volatile particles such as YF3. These generated particles remain suspended within the sheath and subsequently redeposit on the wafer surface, causing defects. As a result, they lead to reduced semiconductor process yield and shortened service life of ceramic components. To address these issues, nanocomposite ceramics such as Y₂O₃-MgO and Y₂O₃-YAM have been investigated in recent years. However, the coexistence of two or more phases results in microcrack formation due to differences in coefficient of thermal expansion (CTE) between phases, as well as increased surface roughness arising from differences in etching resistance.
In this study, Y₂O₃-based high-entropy ceramics (HECs) were fabricated based on the Hume-Rothery rules. High-entropy ceramics consist of five or more elements mixed in equimolar ratios to form a single phase, and the strong lattice distortion caused by atomic size differences effectively suppresses atomic diffusion. Through this approach, microcrack formation caused by thermal expansion mismatch is suppressed, and the diffusion of fluorine(F) is retarded to enhance etching resistance. In addition, high optical transmittance was targeted by achieving high densification through sintering.

목차 (Table of Contents)

• 제 1 장 서론 1
• 제 2 장 이론적 배경 3
• 2.1 플라즈마 식각(Plasma Etching) 3
• 2.2 이트리아(Y2O3) 5
• 2.3 고엔트로피 세라믹(High-entropy ceramics) 7
• 2.4 투명 세라믹(Transparent ceramics) 9
• 제 3 장 실험 과정 11
• 3.1 조성 설계 11
• 3.2 분말 제조 13
• 3.3 핫프레스 소결 15
• 3.4 플라즈마 식각 테스트 18
• 3.5 분석 및 측정 방법 20
• 제 4 장 결과 및 고찰 22
• 4.1 분말 특성 22
• 4.2 소결체 특성 및 미세구조 24
• 4.3 구조 분석 29
• 4.4 원소 분포 36
• 4.5 플라즈마 식각 거동 및 특성 평가 40
• 4.5 광학적 특성 49
• 제 5 장 결론 52