KR100342084B1

KR100342084B1 - 알루미늄 함유 부재의 제조 방법 및 알루미늄 함유 부재

Info

Publication number: KR100342084B1
Application number: KR1020000005403A
Authority: KR
Inventors: 마스다마사아키; 즈츠미다케토시; 가츠다유지
Original assignee: 시바타 마사하루; 니뽄 가이시 가부시키가이샤
Priority date: 1999-02-04
Filing date: 2000-02-03
Publication date: 2002-06-26
Also published as: EP1026280A3; JP2000290767A; EP1026280A2; US6364965B1; KR20000057917A

Abstract

본 발명은 소정의 기재 표면에 간단하고 쉬운 방법으로 질화물을 형성시키는 새로운 방법에 관한 것이다.

상기 방법은, 알루미늄을 필수 성분으로 함유하는 기재를 10^-3torr 이하, 바람직하게는 5 ×10^-4torr 이하의 진공 중에서, 바람직하게는 450∼600 ℃ 온도로 가열 처리한다. 계속해서, 이 가열 처리와 연속해서 바람직하게는 1∼9.5 kgf/cm²의 가스 압력의 N₂분위기 중에서, 바람직하게는 450∼600℃의 온도로 가열 질화 처리하여 상기 기재의 표면에 질화물을 형성시킨다.

Description

알루미늄 함유 부재의 제조 방법 및 알루미늄 함유 부재{A PROCESS FOR PREPARING A MEMBER COMPRISING ALUMINUM AND A MEMBER COMPRISING ALUMINUM}

본 발명은 알루미늄 함유 부재의 제조 방법 및 알루미늄 함유 부재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 반도체 제조 장치 및 액정 패널 제조 장치 등에 적합하게 사용할 수 있는 알루미늄 함유 부재의 제조 방법 및 알루미늄 함유 부재에 관한 것이다.

반도체나 액정 패널 등의 배선의 미세화에 따라 드라이 프로세스에 의한 미세 가공화가 진행되고 있다. 이 미세 가공의 요구에 따라 상기 반도체 등의 성막(成膜) 가스 및 에칭 가스 등에는 할로겐계 부식성 가스가 이용되고 있다.

한편, 이러한 할로겐계 부식성 가스에 대해서는 질화알루미늄이 높은 내부식성을 보이는 것으로 알려져 있다. 따라서, 반도체 제조 장치나 액정 패널 제조 장치 등에는 질화알루미늄을 표면에 갖는 부재가 이용되고 있다.

구체적으로는, 질화알루미늄 분말을 소결시킨 재료, CVD 등의 기상 성장법을 이용하여 기재에 질화알루미늄을 성막한 재료, 및 알루미늄 표면을 개질하여 질화알루미늄을 형성시킨 재료 등이 있다.

알루미늄은 공기와 접하면 그 표면이 산화되어 얇은 산화막을 형성한다. 이 산화막은 매우 안정한 부동 상태이기 때문에, 간단하고 쉬운 질화법으로는 그 알루미늄 표면을 질화시킬 수 없었다. 그래서, 특히 알루미늄 표면을 개질하여 질화알루미늄을 형성시키는 방법으로서 다음과 같은 방법이 개발되어 왔다.

일본 특허 공개 공보 제85-211061호에는 챔버 내를 소정의 압력으로까지 감압시킨 후, 수소 가스 등을 도입하여 방전시켜 알루미늄 등의 부재의 표면을 소정의 온도로까지 상승시키고, 또한 아르곤 가스를 도입하여 방전을 행함으로써 상기 부재의 표면을 활성화시키며, 계속해서 질소 가스를 도입함으로써 알루미늄 부재의 표면을 이온 질화시키는 방법이 개시되어 있다.

또한, 일본 특허 공개 공보 제95-166321호에서는 알루미늄 분말로 이루어진 질화 처리용 조제를 알루미늄의 표면에 접촉시켜 질소 가스 분위기 중에서 가열 처리함으로써 질화알루미늄을 상기 알루미늄의 표면에 형성시키는 방법이 개시되어 있다.

그러나, 상기 일본 특허 공개 공보 제85-211061호에 기재된 방법은 방전을 이용하여 질화알루미늄을 형성시키기 때문에 장치 전체가 복잡해져서 비용 상승을 일으킨다는 문제가 있었다. 또한, 복잡한 형상인 것 및 대형인 것으로의 질화는 곤란하다는 문제도 있었다.

또한, 일본 특허 공개 공보 제95-166321호에 기재된 방법은 질화 처리용 조제를 이용하고 있기 때문에, 얻어진 질화알루미늄 표면층에는 기공이 존재하여 치밀성이 충분하지 않았다. 그 때문에, 할로겐계 부식성 가스에 대한 내부식성이 충분하지 않아 실용상 충분하다고는 말할 수 없는 것이 현상이었다.

또한, 소결에 의해 질화알루미늄을 형성시키는 경우에 있어서도, 질화알루미늄 분말을 고온에서 소결시켜야 하는 것 및 가공이 곤란하는 것 등으로 비용 상승이 된다고 하는 문제가 있었다. 또한, 대형이나 복잡한 형상의 부재를 형성시키기가 매우 곤란하였다.

그리고, CVD법에 의해 질화알루미늄을 형성시킨 경우에 있어서도, 장치 및 프로세스가 복잡하면서 고가인 동시에 대형이나 복잡한 형상의 부재를 형성시키기가 곤란하다고 하는 문제가 있었다.

본 발명은 소정의 기재 표면에 간단하고 쉬운 방법으로 질화물을 형성시키는 새로운 방법을 제공하는 것 및 할로겐계 부식성 가스에 대하여 높은 부식성을 보이는 알루미늄 함유 부재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

도 1은 본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 알루미늄 함유 부재 표면의 X선 회절 패턴을 나타낸 도면.

도 2는 본 발명의 제조 방법에 의해 제조된 알루미늄 함유 부재의 단면 SEM 사진을 나타낸 도면.

도 3은 본 발명의 알루미늄 함유 부재의 단면 SEM 사진을 나타낸 도면.

도 4는 본 발명의 알루미늄 함유 부재 표면의 EDS 피크 강도를 나타낸 도면.

도 5는 본 발명의 알루미늄 함유 부재를 이용한 방열 부품의 일례를 나타낸 단면도.

〈도면의 주요부분에 대한 부호의 설명〉

1 : 기재

2 : 질화물

3, 5 : 결합제

4 : 기판

6 : Si 칩

7 : 알루미늄 함유 부재

본 발명은 금속 알루미늄을 필수 성분으로 함유하고 있는 기재를 10^-3torr 이하의 진공 중에서 가열 처리한 후에, 이 가열 처리와 연속시켜 질소 분위기 중에서 가열 질화 처리함으로써 상기 기재의 표면에 질화물을 형성시키는 것을 특징으로 하는 알루미늄 함유 부재의 제조 방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 금속 알루미늄을 필수 성분으로 함유하고 있는 기재와, 이 기재의 표면에 질화물을 갖는 알루미늄 함유 부재로서, 상기 질화물은 주기율표 제2A족, 3A족, 4A족 및 4B족 중에서 선택되는 하나 이상의 원소를 상기 기재의 금속 알루미늄 함유 부분보다 고농도로 함유하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 함유 부재에 관한 것이다.

본 발명의 발명자들은 알루미늄 기재의 표면에 질화물을 간단하고 쉬운 방법으로 형성시키는 새로운 방법을 발견하기 위해 예의 검토를 거듭하였다. 종래 기술에서는, 알루미늄 기재의 표면 상에 질화물 필름을 형성시키는 데 있어, (1) 기재를 가열하는 단계, (2) 기재의 표면으로부터 산화물 필름을 제거하는 단계, 및 (3) 기재에 대해 질화 처리를 실시하는 단계의 3 단계를 필요로 한다. 이와는 달리, 본 발명자들은 질화막을 형성시키기 이전에 알루미늄 기재를 높은 진공도에서 가열하기만 해도, 의외로 상기 알루미늄 기재의 표면에 질화막이 형성되는 것을 발견하여 본 발명을 완성하기에 이르렀다. 이 원인에 대해서는 명확하지 않지만, 고진공도에서의 가열 처리에 의해 알루미늄 기재 표면의 알루미늄 부동태막이 제거되었기 때문이라고 생각된다.

도 1은 진공도 1.2 ×10^-4torr에서 순알루미늄(Al050: Al 함유량＞99.5%)으로 이루어진 기재를 Mg-Si계 합금(A6061)과 함께 540℃에서 2 시간의 가열 처리를 행한 후, N₂가스를 8.0 kgf/cm²의 압력이 되도록 도입하고, 555℃에서 2 시간의 가열 질화 처리를 행하여 상기 기재의 표면에 질화막을 형성시킨 부재 표면의 X선 회절 패턴을 나타낸 도면이다.

도 1의 X선 회절 패턴으로부터는 알루미늄 외에 질화알루미늄으로부터의 피크가 관찰된다. 따라서, 상기 부재의 표면에는 질화알루미늄이 형성되어 있는 것을 알 수 있다.

도 2는 도 1과 같은 부재의 단면을 연마 처리한 것의 SEM 사진을 나타낸 도면이다. 도 2에서는 기재의 표면에 얇은 층이 형성되어 있는 것이 관찰된다. 따라서, 상기 질화알루미늄이 층형, 즉 질화알루미늄 막으로 형성되어 있는 것을 알수 있다. 또한, 이 질화알루미늄 막에는 기공이 확인되지 않으며, 치밀성이 높은 것을 알 수 있다.

본 발명에 따르면, 알루미나 등으로 대표되는 기재 표면의 부동태막을 제거하고 기재의 표면에 직접 질화막을 형성시키기 위해서, 밀착력이 강한 질화막을 형성시킬 수 있다.

나아가서는, 가열 처리만으로 질화막을 형성시키는 것이 가능하기 때문에 장치 전체를 간단한 구성으로 할 수 있다. 그 결과, 제조 비용도 삭감할 수 있다.

도 3은 진공도 1.8 ×10^-4torr에서 Mg-Si계 알루미늄 합금(A6061:Al 함유량 ＞95%)으로 이루어진 기재를 540℃에서 2 시간의 가열 처리를 행한 후, N₂가스를 9.5 kgf/cm²의 압력이 되도록 도입하고, 540℃에서 2 시간의 가열 질화 처리를 행하여 상기 기재의 표면에 질화알루미늄 막을 형성시킨 부재의 단면 SEM 사진을 나타낸 것이다. 이로부터 알 수 있는 바와 같이, Mg-Si계 알루미늄 합금을 사용한 경우에 있어서도, 약 10 ㎛ 두께의 질화알루미늄 막이 형성되어 있는 것을 알 수 있다.

도 4는 위와 같이 하여 형성시킨 부재 표면의 EDS 피크 강도를 나타낸 도면이다.

도 4에서는 주기율표 제4B족인 Si 및 주기율표 제2A족인 Mg의 함유량이 질화알루미늄 막에 있어서 기재인 A6061 합금보다 크게 되어 있는 것을 알 수 있다. 이와 같이 질화알루미늄 등의 질화물이 Si 등의 주기율표 제4B족 및 마그네슘 등의주기율표 제2A족을 기재보다 많이 함유하면 Al의 질화가 촉진되는 것으로 생각된다.

또한, 도 4에서는 질화알루미늄 중의 산소 농도가 A6061 합금 기재의 금속 알루미늄 함유 부분의 농도보다 작으면서, 또한 막 중에서 균일하게 분포하고 있는 것을 알 수 있다. 이것에 의해, 기재 표면에 형성된 질화알루미늄 등의 질화물이 균질하게 생성된 것을 알 수 있다.

이상과 같은 2가지 효과가 어울려 이하의 실시예에 나타낸 바와 같이 기재 표면에 형성된 질화물은 높은 경도를 갖는 동시에 매우 높은 내부식성을 갖게 된다.

또한, 본 발명에서 말하는 '연속'이란, 상기 진공 중에서의 가열 처리 후에 아무런 다른 조작을 행하지 않고, 진공 상태를 유지한 채로 상기 가열 질화 처리를 행하는 것을 말한다.

이하에서는, 발명의 실시 형태에 기초하여 본 발명을 상세히 설명하기로 한다.

본 발명의 알루미늄 함유 부재의 제조 방법에서는, 알루미늄을 필수 성분으로 함유하는 기재를 10^-3torr 이하의 진공 중에서 가열 처리할 필요가 있으며, 바람직하게는 5×10^-4torr 이하이다.

또한, 가열 처리에 있어서 진공 중의 압력 하한은 특별히 한정되지 않지만, 10^-6torr인 것이 바람직하고, 10^-5torr인 것이 더욱 바람직하다. 그 이상의 진공도를 달성하기 위해서는 대형 펌프나 고진공 대응 챔버가 필요하게 되어 비용이 상승된다. 나아가서는, 질화물의 형성 속도 등에도 영향을 미치게 하지 않는다.

가열 처리 온도의 하한은 기재 표면에 질화물을 형성시킬 수 있는 것이라면 특별히 한정되지 않는다. 그러나, 질화물을 간단하고 쉽게 또 단시간에 형성시키기 위해서는 450℃인 것이 바람직하고, 500℃인 것이 더욱 바람직하다.

또한, 가열 처리 온도의 상한에 대해서도 특별히 한정되지 않지만, 650℃인 것이 바람직하고, 600℃인 것이 더욱 바람직하다. 이것에 의해, 알루미늄을 함유한 기재의 가열 변형을 방지할 수 있다.

또한, 본 발명의 알루미늄 함유 부재의 제조 방법에서는, 상기 기재를 진공 중에서 가열 처리한 후에 연속하여 질소 분위기 중에서 가열 질화 처리할 필요가 있다.

여기서 말하는 '연속'이란 앞에서 설명한 바와 같이 수행하는 처리를 말한다.

이 가열 질화 처리에 있어서의 질소 분위기로는 N₂가스, NH₃가스 및 N₂/NH₃혼합 가스 등의 질소를 함유한 가스를 이용할 수 있다.

상기 가열 처리한 기재의 표면에 질화막을 비교적 단시간에 두껍게 형성시키기 위해서는 상기 질소 분위기 중의 가스 압력을 1 kg/cm²이상으로 하는 것이 바람직하고, 1∼2000 kg/cm²의 범위로 설정하는 것이 더욱 바람직하며, 특히 1.5∼9.5 kg/cm²의 범위로 설정하는 것이 바람직하다.

또한, 가열 질화 처리에 있어서의 가열 온도는 상기 기재의 표면에 질화막을 형성할 수 있으면 특별히 한정되지 않는다. 그러나, 상기와 마찬가지로, 비교적 두꺼운 질화막을 비교적 단시간에 형성시키기 위해서는 가열 온도의 하한이 450℃인 것이 바람직하고, 500℃인 것이 더욱 바람직하다.

또한, 가열 질화 처리의 가열 온도 상한은 650℃인 것이 바람직하고, 600℃인 것이 더욱 바람직하다. 이것에 의해, 상기와 마찬가지로, 알루미늄을 함유한 기재의 가열 변형을 효과적으로 방지할 수 있다.

이와 같이 하여 기재의 표면에 형성된 질화물은 반드시 도 2에 도시된 바와 같이 층형, 즉 막형으로 존재할 필요는 없다. 즉, 기재 자체에 내부식성을 부여할 수 있는 상태로 질화물이 형성되어 있으면 그 형태에 대해서는 한정되지 않는다. 따라서, 미세한 입자가 조밀하게 분산된 상태나 질화물과 기재와의 계면이 명확하지 않고, 질화물의 조성이 기재를 향해 경사져 있는 것과 같은 상태도 포함된다.

본 발명의 제조 방법에 있어서, 기재로서 사용할 수 있는 재료는 알루미늄을 필수 성분으로 함유하고 있을 필요가 있다. 이것에 의해 주조나 소결 등을 간단하고 쉽게 행할 수 있고, 반도체 제조 장치 등의 대형 부재를 간단하고 쉽게 형성할 수 있다. 또한, 이러한 기재는 대기 중에 방치한 경우에 있어서, 그 표면에 알루미나 등의 부동태막을 형성한다. 따라서, 본 발명의 제조 방법을 적합하게 이용할 수 있다.

이상과 같은 제조 방법에 의해 기재 표면에 형성되는 질화물은 주기율표제2A족, 3A족, 4A족 및 4B족 중에서 선택되는 하나 이상의 원소를 상기 기재의 금속 알루미늄의 금속 부분의 표면보다 고농도로 함유하는 것이 바람직하다. 또한, 상기 질화물의 산소 농도가 상기 기재의 산소 농도보다 낮은 것이 바람직하다. 이것에 의해, 앞에서 설명한 바와 같은 질화의 촉진 및 질화물의 균질화 효과를 얻을 수 있으므로, 상기 질화물의 경도를 높일 수 있는 동시에 상기 질화물에 대하여 우수한 내식성을 부여할 수 있다.

질화물 중에서 상기 주기율표 제2A족, 3A족, 4A족 및 4B족 중에서 선택되는 하나 이상의 원소의 함유량은 기재의 금속 알루미늄 부분의 함유량의 1.1배 이상인 것이 바람직하고, 1.5배 이상인 것이 더욱 바람직하다.

이들 효과는 Mg 및 Si에 있어서 보다 현저히 발현된다. 따라서, 상기 주기율표 제2A족, 3A족, 4A족 및 4B족 중에서 선택되는 하나 이상의 원소로는, 주기율표 제2A족에 속하는 Mg 및 주기율표 제4B족에 속하는 Si에서 선택되는 하나 이상이 바람직하다.

또한, 상기 질화물 중의 산소 농도는 상기 기재 중의 산소 농도의 2/3 이하인 것이 바람직하다.

또한, 상기 질화물 중에서 주기율표 제2A족, 3A족, 4A족 및 4B족 중에서 선택되는 하나 이상의 원소 및 산소 농도는, 질화물의 응력 집중, 열 피로나 기계적 특성 안정의 관점에서 볼때, 질화물의 두께 방향에 있어서 균일하게 분산하고 있는 것이 바람직하다.

전술한 바와 같이, 산소 농도 및 주기율표 제2A족 등의 원소를 함유하는 질화물은 우수한 내식성을 갖는다. 이 때문에, 상기와 같은 부식성 가스에 상기 질화물을 노출시켰을 때의 중량 변화는 매우 작아지고, 특히 기재를 상기 부식성 가스에 노출시킨 경우에 비하여 현저히 작아진다.

상기와 같은 산소 농도 및 주기율표 제2A족 등의 원소를 함유하는 질화물이 고경도, 고인성 및 고내부식성을 갖기 위해서는, 그 막 두께가 2 ㎛ 이상인 것이 바람직하고, 5 ㎛ 이상인 것이 더욱 바람직하다.

상기와 같은 질화물은 알루미늄을 함유하는 기재를 이용하고 있기 때문에, 그 주성분은 질화알루미늄으로 이루어지는 경우가 많다. 상기 질화물의 주성분이 질화알루미늄임에 따라 저열팽창성 및 고열전도성이라는 효과를 얻을 수 있다.

그리고, 본 발명의 알루미늄 함유 부재는 알루미늄을 필수 성분으로 함유하고 있는 기재를 구비하고 있을 필요가 있다. 또한, 상기와 같은 산소 농도 및 주기율표 제2A족 등의 원소를 함유하는 질화물에 있어서, 상기 기재로는 알루미늄, 알루미늄 합금, 그리고 저열팽창 재료와 복합화한 알루미늄 및 알루미늄 합금에서 선택되는 하나 이상이 바람직하다.

상기 저열팽창 재료로서는, AlN, SiC, SiN, BeO, Al0, Mo, W 및 카본 등을 예시할 수 있다. 이들 재료는 알루미늄을 함유하는 기재 중에서 네트워크를 형성하여 기재 자체의 강성을 증대시킨다. 저열팽창 재료의 함유량은 10∼90 부피%가 바람직하다.

또한, 금속, 세라믹스 및 이들 복합 재료 등으로 이루어진 부재의 표면을 알루미늄 또는 알루미늄 합금에 의해 피복한 것을 상기 기재로 사용할 수도 있다.

알루미늄은 그 표면에 매우 강고하고 두꺼운 부동태막을 형성하는 경향이 있다. 따라서, 기재로서 알루미늄 및 알루미늄 합금을 사용하는 경우는 Mg, Sr, Ca, Ba, Be 등의 주기율표 제2A족, Ce 등의 주기율표 제3A족, Ti, Zr 등의 주기율표 제4A족, 및 B, Si 등의 주기율표 제4B족에 속하는 원소에서 선택되는 하나 이상을 갖는 물질의 증기를 함유하는 분위기 중에서, 상기 가열 처리 및 상기 가열 질화 처리를 행하는 것이 바람직하다. 이것에 의해, 상기 부동태막의 제거 및 알루미늄의 질화를 효율적으로 행할 수 있다.

가열 진공 처리로 생성시킨 금속 증기에 의한 알루미늄 표면의 산소 흡수나, 가열 질화 처리시의 질화족의 생성이 질화막 생성을 촉진하고 있다고 생각된다.

이러한 금속 증기를 생성시키는 물질로서는 상기 금속 증기를 생성시킬 수 있는 물질이라면 특별히 한정되지 않는다. 구체적으로는 상기 금속 단체(單體) 외에 이들 금속을 함유하는 A6061(Mg-Si계 합금), A7075(Zn-Mg계 합금) 및 A5083(Mg계 합금) 등을 예시할 수 있다. 그리고, 이들 물질은 가열 처리 및 가열 질화 처리시에 피질화 기재와 공존시키는 것이 바람직하다.

A6061(Mg-Si계 합금), A7075(Zn-Mg계 합금) 및 A5083(Mg계 합금) 등, 질화막 생성을 촉진하는 금속이 기재 자체에 함유되어 있는 경우는 별도로 공존시키지 않아도 좋다.

이상과 같이 하여 기재 표면에 질화물을 형성시킴으로써, 상기 질화물은 주기율표 제2A족, 3A족, 4A족 및 4B족 중에서 선택되는 하나 이상의 원소를 상기 기재보다 고농도로 함유할 수 있다. 또한, 상기 질화물 중의 산소 농도를 상기 기재중의 산소 농도보다 낮게 할 수 있다.

본 발명의 알루미늄 함유 부재는 다음과 같이 하여 형성시킨다.

소정의 기재를 진공 장치를 구비한 챔버 내의 샘플대 위에 설치한다. 계속해서, 이 챔버 내를 진공 펌프로 소정의 진공도가 될 때까지 배기시킨다. 계속해서, 상기 챔버 내에 설치된 저항 발열체나 적외선 램프 등의 가열 장치에 의해 상기 부재를 소정의 온도로까지 가열한다. 그리고, 이 온도에서 1∼10 시간 유지시킨다. 이 가열 처리에 있어서는, 기재 전체가 소정의 온도로까지 이를 필요는 없고, 부동태막이 형성되어 있는 기재의 표면 부분이 소정의 온도에 이르면 된다.

가열 처리가 종료된 후, 상기 챔버 내에 질소 가스 등을 도입하여 챔버 내를 질소 분위기로 한다. 그리고, 상기 가열 장치의 입력 파워를 조절함으로써 상기 기재를 소정의 온도로까지 가열한다. 그리고, 이 온도에서 1∼30 시간 유지시킨다. 이 경우에 있어서도, 기재 전체가 소정의 온도로까지 이를 필요는 없고, 질화막을 형성해야 할 기재의 표면 부분이 소정의 온도로까지 이르면 된다.

소정의 시간이 경과한 후, 가열을 중지하는 동시에 질소 가스의 도입을 중지하여 가열 질화 처리를 종료한다. 그 후, 로 내에서 냉각하여 상기 부재를 외부로 꺼낸다.

상기에 있어서는 가열 처리와 가열 질화 처리를 동일 배치(batch)에서 행하였지만, 이들 처리가 연속하고 있으면 별도 배치에서 행할 수도 있다.

본 발명의 알루미늄 함유 부재는 내식성이 요구되는 반도체 제조 장치용 부품, 액정 제조 장치용 부품 및 자동차 부품 등에 사용할 수 있다.

또한, 본 발명의 알루미늄 함유 부재는 방열성이 우수하다. 따라서, 본 발명의 알루미늄 함유 부재는 방열성이 요구되는 방열 부품에 있어서도 적합하게 사용할 수 있다.

도 5는 본 발명의 알루미늄 함유 부재를 사용한 방열 부품의 일례를 도시하는 단면도이다.

도 5에 도시된 방열 부품(10)은 기재(1) 상에 질화물(2)이 형성되고, 또한 이 질화물(2) 상에 결합제(3)를 통해 질화알루미늄 또는 질화규소로 이루어진 기판(4)이 형성되어 있다. 그리고, 이 기판(4) 상에 결합제(5)를 통해 Si 칩(6)이 적층되어 있다. 기재(1)와 질화물(2)로 본 발명의 알루미늄 함유 부재(7)를 구성하고 있다.

질화알루미늄 및 질화규소는 고열전도성, 고절연성이라는 성질을 갖기 때문에, 알루미늄 함유 부재(7) 상에 결합제(3)를 통해 이들 재료로 이루어지는 기판(4)을 형성함으로써 Si 칩의 발열을 효율적으로 제거할 수 있다.

이 때문에, 기판(4)에 사용하는 질화알루미늄의 열전도율은 150 W/mK 이상인 것이 바람직하고, 180 W/mK 이상인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 기판(4)에 사용하는 질화규소의 열전도율은 70 W/mK 이상인 것이 바람직하고, 80 W/mK 이상인 것이 더욱 바람직하다. 또한, 발열 부품이라면 Si 칩 이외에도 당연히 적용할 수 있다.

결합제(3)로는, 납땜재 또는 Al-10Si-1.5Mg(BA4004)가 바람직하다. 이 경우, 연성 땜납 또는 납땜재 사이의 습윤성을 확보하기 위해서는, 질화물(2) 표면 상에 Ni 도금된 필름을 형성시키는 데 있어 일부 처리가 필요할 수도 있다. 결합제(5)로는 액상 온도가 600℃ 이하인 납땜재를 사용하는 것이 바람직하다. 예컨대, BA4004나 땜납을 이용할 수 있다.

본 발명의 알루미늄 함유 부재를 도 5에 도시된 바와 같은 방열 부품(10)에 사용하는 경우, 질화물(2)의 두께는 2 ㎛ 이상인 것이 바람직하고, 5∼20 ㎛인 것이 더욱 바람직하다.

이하에서는, 실시예에 기초하여 본 발명을 구체적으로 설명하기로 한다.

실시예 1∼9

(알루미늄 함유 부재의 제조)

기재로서, 크기 50 ×50 ×2 mm의 순알루미늄(Al050: Al 함유량＞99.5%)을 사용하였다. 이 기재 및 이 기재와 동형상인 Mg-Si계 Al 합금(A6061)을 흑연 히터로 제조된 전기로 내의 흑연 외장 내에 설치한 후, 진공 펌프에 의해 상기 전기로 내의 진공도가 표 1에 나타낸 바와 같은 값이 될 때까지 배기시켰다. 계속해서, 히터로 통전함으로써 상기 기재를 표 1에 제시한 온도로까지 가열한 후, 이 가열 온도에 있어서 표 1에 나타낸 각각의 시간동안 유지시켰다.

계속해서, 표 1에 나타낸 설정 압력이 될 때까지 상기 전기로 내에 N₂가스를 도입하였다.

설정 압력에 도달한 후, 2 L/분의 비율로 N₂가스를 도입하고, 로 내 압력이 설정 압력의 ±0.05 kg/cm²가 되도록 제어하였다. 그 후, 기재의 온도 및 유지 시간을 표 1에 나타낸 바와 같이 설정하여 순알루미늄 기재의 표면에 질화막을 형성시켰다.

질화막이 형성된 부재의 온도가 50℃ 이하가 되었을 때, 상기 부재를 상기 챔버로부터 꺼내었다.

얻어진 부재의 표면은 갈색 또는 흑색을 나타내 보였다. 이 부재의 표면을 X선 회절에 의해 조사한 결과, 질화알루미늄으로부터의 피크가 관찰되고, 상기 부재의 표면에는 질화알루미늄이 형성되어 있는 것이 판명되었다.

한편, 부재의 단면을 SEM에 의해 관찰한 결과, 상기 질화알루미늄은 층형으로 존재하고 있는 것이 판명되었다. 또한, 질화알루미늄 막의 두께를 실측한 결과, 각각 표 1에 나타낸 바와 같은 값이었다.

(박리 시험)

질화알루미늄 막이 형성된 부재에 박리 시험을 행하여 질화알루미늄 막의 밀착성을 평가하였다. 박리 시험은 시판되는 점성 테이프를 10 mm 폭으로 절단하여 질화알루미늄 막 표면에 강하게 접착시킨 후, 테이프를 박리함으로써 실시하였다.

표 1에 나타낸 바와 같이, 상기한 바와 같이 하여 형성된 질화알루미늄 막의 박리는 확인되지 않으며, 상기 질화알루미늄의 밀착력이 매우 높은 것을 알 수 있다.

(열 사이클 시험에 의한 특성 평가)

질화알루미늄 막이 형성된 부재에 열 사이클 시험을 행하여 질화알루미늄 막의 밀착 강도를 조사하였다.

열 사이클 시험은, 10^-4torr 이하의 진공치에 있어서 상기 부재를 실온에서부터 450℃의 온도로까지 600℃/시간의 온도 상승 속도로 온도를 높이고, 450℃에서 2시간 유지시킨 후, 100℃/시간의 온도 하강 속도로 온도를 낮추어 100℃까지 냉각하는 공정을 1 사이클로 하여 모두 10 사이클을 실시하였다.

열 사이클 시험 후의 부재의 표면을 SEM에 의해 관찰한 결과, 알루미늄 기재의 표면에 형성된 질화알루미늄 막에 있어서 크랙의 발생은 보이지 않았다.

마찬가지로, 상기 부재의 단면을 SEM 관찰한 결과, 질화알루미늄 막의 박리는 확인되지 않았다. 또한, 테이프에 의한 박리 시험을 실시한 결과, 질화알루미늄 막의 박리는 보이지 않았다.

즉, 본 발명의 방법에 의해 형성된 질화막은 매우 높은 밀착성을 갖는 것을 알 수 있다.

비교예 1∼9

가열 처리 조건에 있어서의 진공도, 가열 온도 및 가열 시간을 표 1에 나타낸 바와 같이 설정하고, 가열 질화 처리 조건에 있어서의 질소 분위기 가스 압력, 가열 온도 및 가열 시간을 표 1에 나타낸 바와 같이 설정한 것 이외에는 실시예 1∼8과 동일하게 하여 실시하였다.

얻어진 부재의 표면을 X선 회절에 의해 조사한 결과, 질화알루미늄으로부터의 피크는 관찰되지 않았다. 또한, 단면 SEM 관찰에 있어서도, 기재가 되는 알루미늄 상에는 어떠한 물질도 형성되어 있지 않은 것으로 판명되었다.

	사용 기재	공존 물질 Mg-Si계 Al합금	가열 처리 조건	가열 질화 처리 조건	질화물의 종류	질화물의 두께 (㎛)	테이프 박리
	사용 기재	공존 물질 Mg-Si계 Al합금	진공도 (torr)	가열 온도 (℃)	질화물의 종류	질화물의 두께 (㎛)	테이프 박리	가열 시간 (시간)	질소 분위기 가스 압력 (kgf/㎠)	가열 온도 (℃)	가열 시간 (시간)
실시예1	순Al (A1050)	(A6061)	1.1x10^-4	520	2	1.5	520	2	AlN 막	3	없음
실시예2	순Al (A1050)	(A6061)	1.9x10^-4	540	2	1.5	540	2	AlN 막	4	없음
실시예3	순Al (A1050)	(A6061)	1.2x10^-4	540	2	5.0	540	2	AlN 막	10	없음
실시예4	순Al (A1050)	(A6061)	1.4x10^-4	540	2	8.0	540	2	AlN 막	70	없음
실시예5	순Al (A1050)	(A6061)	1.8x10^-4	540	2	9.5	540	2	AlN 막	100	없음
실시예6	순Al (A1050)	(A6061)	1.2x10^-4	540	4	9.5	540	4	AlN 막	150	없음
실시예7	순Al (A1050)	(A6061)	1.2x10^-4	555	2	1.5	555	2	AlN 막	5	없음
실시예8	순Al (A1050)	(A6061)	8.0x10^-5	580	2	9.5	580	2	AlN 막	100	없음
실시예9	순Al (A1050)	(A6061)	9.0x10^-5	600	2	1.5	600	2	AlN 막	10	없음
비교예1	순Al (A1050)	(A6061)	1.4x10^-2	520	2	1.5	520	2	(**)	(**)	(**)
비교예2	순Al (A1050)	(A6061)	1.2x10^-2	540	2	1.5	540	2	(**)	(**)	(**)
비교예3	순Al (A1050)	(A6061)	4.6x10^-2	540	2	5.0	540	2	(**)	(**)	(**)
비교예4	순Al (A1050)	(A6061)	1.8x10^-2	540	2	8.0	540	2	(**)	(**)	(**)
비교예5	순Al (A1050)	(A6061)	(*)	(*)	(*)	9.5	540	4	(**)	(**)	(**)
비교예6	순Al (A1050)	(A6061)	5.0x10^-3	540	6	9.5	540	4	(**)	(**)	(**)
비교예7	순Al (A1050)	(A6061)	5.8x10^-3	555	2	1.5	555	2	(**)	(**)	(**)
비교예8	순Al (A1050)	(A6061)	1.0x10^-2	580	8	9.5	580	2	(**)	(**)	(**)
비교예9	순Al (A1050)	(A6061)	(*)	(*)	(*)	1.5	600	4	(**)	(**)	(**)
^()가열 처리를 하지 않은 경우 ^(*)질화물이 형성되지 않음

실시예 10∼16

(알루미늄 함유 부재의 제조)

Al 합금 기재로서, 크기 50 ×50 ×2 mm의 Mg-Si계 합금(A6061), Cu-Mg 합금(A2024), Mg계 합금(A5083), Zn-Mg계 합금(A7075)을 사용하고, 또한 가열 처리 조건에 있어서의 진공도, 가열 온도 및 가열 시간을 표 2에 나타낸 바와 같이 설정하며, 가열 질화 처리 조건에 있어서의 질소 분위기 가스 압력, 가열 온도 및 가열 시간을 표 2에 나타낸 바와 같이 설정한 것 이외에는 실시예 1∼9와 동일하게 하여 실시하였다.

얻어진 부재는 모두 표면이 갈색 또는 흑색을 나타내 보였다. 또한, 얻어진 부재의 표면을 X선 회절에 의해 조사한 결과, 질화알루미늄으로부터의 피크가 관찰되고, 상기 부재의 표면에는 질화알루미늄이 형성되어 있는 것으로 판명되었다. 또한, 부재의 단면을 SEM에 의해 관찰한 결과, 상기 질화알루미늄은 층형으로 존재하고 있는 것이 판명되었다. 또한, 질화알루미늄 막의 두께를 실측한 결과, 각각 표 2에 나타낸 바와 같은 값이었다.

(박리 시험)

실시예 1∼9와 동일하게 하여 부재 표면에 형성된 질화알루미늄 막의 박리 시험을 실시하였다. 표 2에 나타낸 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 상기 질화알루미늄 막의 박리는 확인되지 않았으며, 상기 질화알루미늄 막의 밀착력이 높은 것을 알 수 있다.

(열 사이클 시험에 의한 특성 평가)

실시예 1∼9와 동일하게 하여 질화알루미늄 막이 형성된 부재에 열 사이클시험을 행하여 질화알루미늄 막의 밀착 강도를 조사하였다.

열 사이클 시험 후의 부재의 표면을 SEM에 의해 관찰한 결과, 기재 표면에 형성된 질화알루미늄 막에 있어서 크랙의 발생은 보이지 않았다. 마찬가지로, 부재의 단면을 SEM 관찰한 결과, 질화알루미늄 막의 박리도 확인되지 않았다. 또한, 테이프에 의한 박리 시험을 실시한 결과, 질화알루미늄 막의 박리는 보이지 않았다.

비교예 10∼13

가열 처리 조건에 있어서의 진공도, 가열 온도 및 가열 시간을 표 2에 나타낸 바와 같이 설정하고, 가열 질화 처리 조건에 있어서의 질소 분위기 가스 압력, 가열 온도 및 가열 시간을 표 2에 나타낸 바와 같이 설정한 것 이외에는 실시예 10∼13과 동일하게 하여 실시하였다.

얻어진 부재의 표면을 X선 회절에 의해 조사한 결과, 질화알루미늄으로부터의 피크는 관찰되지 않았다. 또한, 단면 SEM 관찰에 있어서도, 기재가 되는 알루미늄상에는 어떤 물질도 형성되어 있지 않은 것으로 판명되었다.

실시예 17

크기 50 ×50 ×2 mm의 Mg-Si계 Al 합금(A6061) 표면에 용사(溶射)에 의해 순도 99.9%의 알루미늄을 두께 50 ㎛로 피복한 것을 기재로 사용한 것 이외에는,실시예 7과 동일한 조건으로 가열 처리 및 가열 질화 처리를 실시하였다.

얻어진 부재를 X선 회절 및 SEM 관찰에 의해 조사한 결과, 두께 7 ㎛의 질화알루미늄 막이 형성되어 있는 것으로 판명되었다.

또한, 상기 실시예와 동일하게 하여 테이프 박리 시험 및 열 사이클 시험을 실시한 결과, 크랙의 발생이나 막의 박리는 확인되지 않았다. 즉, 본 실시예에 의해 얻어진 질화알루미늄 막은 매우 밀착력이 높은 것을 알 수 있다.

실시예 18

크기 50 ×50 ×2 mm의 Ni계 합금 표면에 용사에 의해 순도 99.9%의 알루미늄을 두께 50 ㎛로 피복한 것을 기재로 사용한 것 이외에는, 실시예 7과 동일한 조건으로 가열 처리 및 가열 질화 처리를 실시하였다.

얻어진 부재를 X선 회절 및 SEM 관찰에 의해 조사한 결과, 두께 8 ㎛의 질화알루미늄 막이 형성되어 있는 것으로 판명되었다.

실시예 19

크기 50 ×50 ×5 mm의 알루미늄 30 중량% 및 질화알루미늄 70 중량%로 이루어진 복합 재료를 기재로 사용한 것 이외에는, 실시예 7과 동일한 조건으로 가열 처리 및 가열 질화 처리를 실시하였다.

얻어진 부재를 X선 회절 및 SEM 관찰에 의해 조사한 결과, 복합 재료 중의알루미늄 표면에 두께 10 ㎛의 질화알루미늄 막이 형성되어 있는 것으로 판명되었다. 또한, 가열 처리 및 가열 질화 처리를 행하기 전의 X선 회절 패턴에 대하여, 알루미늄으로부터의 피크 강도가 감소하고, 질화알루미늄으로부터의 피크 강도가 증대하였다.

실시예 20

본 실시예에서는, 실시예 11에 의해 얻어진 알루미늄 함유 부재에 대하여 내식성 시험을 실시하였다.

내식성 시험은 NF₃75 sccm/N₂100 sccm의 혼합 가스를 사용하여, 압력 0.1 Torr 하에 550℃의 조건에서 RF 파워 800 W를 인가하여 5 시간동안 행하였다.

시험 전후의 상기 알루미늄 함유 부재의 중량 변화를 조사한 결과, 0.50 g/cm²중량이 증가하였다.

또한, 내식성 시험 전의 알루미늄 함유 부재를 질화물 층과 기재의 원소 함유량 면에서 EDS 분석하였다. 분석은 필립스사에서 제조한 SEM(형식 XL-30)과 EDAX 사에서 제조한 EDS 검출기(형식 CDU-SUTW)를 사용하고, 가속 전압 20 kV, 배율 10000 배로 5 지점 스폿 분석을 행하여 평균을 산출하였다. 또한, 참고로 기재의 JIS 규격을 표 3에 나타낸다. 그 결과, 질화물과 기재와의 산소, Mg, Si의 존재비는 표 3에 나타낸 바와 같은 값이고, 질화물과 기재에 있어서의 산소 등의 존재비는 표 4에 나타낸 바와 같은 값이었다.

실시예 21

실시예 3에서 얻어진 알루미늄 함유 부재에 실시예 20과 동일하게 하여 내식성 시험을 실시하였다. 그 결과, 0.50 g/cm²중량이 증가하였다.

Al 질화 처리품의 원소 분석 데이터 (단위: 중량%)
	실시예 20
	질화물	기재부	(기재(JIS 규격)
O	1.30	2.27	-
Mg	5.45	1.66	0.8∼1.2
Si	4.07	0.50	0.4∼0.8

질화막부/기재부의 비	A6061 질화 처리품(실시예 20)
O	0.57
Mg	3.28
Si	8.14

비교예 14

순알루미늄(A1050)에 대해 실시예 20과 동일하게 하여 내식성 시험을 실시하였다. 그 결과, 6.50 g/cm²의중량이 증가하였다.

비교예 15

Mg-Si계 알루미늄 합금(A6061)에 대해 실시예 20과 동일하게 하여 내식성 시험을 실시하였다. 그 결과, 0.90 g/cm²의중량이 증가하였다.

실시예 20 및 21과 비교예 14 및 15로부터, 본 발명의 알루미늄 함유 부재는내식성 시험 전후의 중량 변화가 적고, 부식성 가스에 대한 내부식성이 높은 것을 알 수 있다.

실시예 22

본 실시예에서는, 본 발명의 알루미늄 함유 부재를 사용하여 도 5에 도시된 바와 같은 방열 부품인 본 발명의 알루미늄 함유 부재(7)와 기판(4)의 접합체를 제작하였다.

알루미늄 함유 부재(7)에는 실시예 11에서 제작한 것을 사용하였다. 결합제(3,5)로서 납땜재(JIS BA4004)를 사용하였다. 기판(4)에는 한 변이 50 mm이고 두께(d3)가 1 mm이며, 열전도율이 150 W/mK인 질화알루미늄 기판을 사용하였다. 접합 조건은 610℃에서 10 분간 10^-5Torr의 진공 하에 하중을 600 g/cm²로 하였다.

이상과 같은 방열 부품에 대하여, 대기 중에서 실온에서부터 온도 상승 속도 10℃/분으로 200℃까지 가열하여 1 시간 유지시킨 후, 4 시간에 걸쳐 실온까지 방냉하는 열 사이클을 10 회 실시함으로써, 열 사이클 시험을 실시하였다.

그 결과, 알루미늄 함유 부재(7)와 기판(4) 사이에 박리가 보이지 않고, 양호한 접합 상태를 유지하고 있었다.

실시예 23

기판(4)으로서 질화알루미늄 기판 대신에 두께(d3)가 0.5 mm이고, 열전도율이 70 W/mK인 질화규소 기판을 사용한 것 이외에는 실시예 22와 동일하게 하여 실시하였다. 접합 조건은 600 g/㎠의 하중, 10^-5torr의 진공 상태 및 610℃에서 10분이었다.

얻어진 방열 부품에 대해 실시예 22와 동일한 열 사이클 시험을 실시한 결과, 알루미늄 함유 부재(7)와 기판(4) 사이에 박리는 보이지 않고, 양호한 접합 상태를 유지하고 있었다.

이상, 구체예를 들면서 발명의 실시 형태에 기초하여 본 발명을 상세히 설명해 왔지만, 본 발명은 상기 내용에 한정되지 않고 본 발명의 범주를 일탈하지 않는 범위 내에서 모든 변형이나 변경도 가능하다.

이상 설명한 바와 같이, 본 발명의 알루미늄 함유 부재의 제조 방법은 질화막을 형성해야 할 기재를 가열 질화 처리하기 이전에 진공 중에서 가열 처리하도록 하고 있다. 이것에 의해, 계속되는 가열 질화 처리만으로 기재 표면에 질화물의 형성이 가능해진다.

또한, 본 발명의 알루미늄 함유 부재는 기재 표면에 형성된 질화물이 상기 기재보다 주기율표 제2A족 등의 원소를 고농도로 함유하고, 또한 상기 질화물의 산소 함유량이 상기 기재보다 적다. 따라서, 종래에 없는 높은 내부식성을 갖는 동시에 경도가 높은 알루미늄 함유 부재를 얻을 수 있다.

Claims

금속 알루미늄을 필수 성분으로 함유하고 있는 기재를 10^-3torr 이하의 진공 중에서 가열 처리한 후에, 이 가열 처리와 연속해서 질소 분위기 중에서 가열 질화 처리함으로써, 상기 기재의 표면에 질화물을 형성시키는 것을 특징으로 하는 알루미늄 함유 부재의 제조 방법.
제1항에 있어서, 상기 가열 처리시의 가열 온도가 450∼650℃인 것을 특징으로 하는 알루미늄 함유 부재의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 가열 질화 처리시의 질소 분위기 중의 가스 압력이 1 kg/cm²이상인 것을 특징으로 하는 알루미늄 함유 부재의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기재를 주기율표 제2A족, 3A족, 4A족 및 4B족 중에서 선택되는 하나 이상의 금속의 증기를 함유하는 물질의 존재 하에서 상기 가열 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 함유 부재의 제조 방법.
제3항에 있어서, 상기 기재를 주기율표 제2A족, 3A족, 4A족 및 4B족 중에서 선택되는 하나 이상의 금속의 증기를 함유하는 물질의 존재 하에서 상기 가열 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 함유 부재의 제조 방법.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 기재를 주기율표 제2A족, 3A족, 4A족 및 4B족 중에서 선택되는 하나 이상의 금속을 함유하는 물질의 존재 하에서 상기 가열 질화 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 함유 부재의 제조 방법.
제3항에 있어서, 상기 기재를 주기율표 제2A족, 3A족, 4A족 및 4B족 중에서 선택되는 하나 이상의 금속을 함유하는 물질의 존재 하에서 상기 가열 질화 처리를 실시하는 것을 특징으로 하는 알루미늄 함유 부재의 제조 방법.
금속 알루미늄을 필수 성분으로 함유하고 있는 기재와, 이 기재의 표면에 질화물을 갖는 알루미늄 함유 부재로서, 상기 질화물은 주기율표 제2A족, 3A족, 4A족 및 4B족 중에서 선택되는 하나 이상의 원소를 상기 기재의 금속 알루미늄 함유 부분보다 고농도로 함유하는 것을 특징으로 알루미늄 함유 부재.
제8항에 있어서, 상기 질화물의 주기율표 제2A족, 3A족, 4A족 및 4B족 중에서 선택되는 하나 이상의 원소의 함유량이 상기 기재의 금속 알루미늄 함유 부분의 함유량의 1.1배 이상인 것을 특징으로 하는 알루미늄 함유 부재.
제8항에 있어서, 상기 질화물이 함유하는 원소가 Mg 및 Si 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 알루미늄 함유 부재.
제9항에 있어서, 상기 질화물이 함유하는 원소가 Mg 및 Si 중 하나 이상인 것을 특징으로 하는 알루미늄 함유 부재.
제8항에 있어서, 상기 기재는 알루미늄, 알루미늄 합금, 그리고 저열팽창 재료와 복합화한 알루미늄 및 알루미늄 합금 중에서 선택되는 하나 이상인 것을 특징으로 하는 알루미늄 함유 부재.
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