KR101139910B1 - 실리콘 카바이드 복합체 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 실리콘 카바이드 복합체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 본 발명은 a) 기판을 준비하는 단계와, b) 상기 기판의 전면에 실리콘 카바이드를 증착함과 아울러 그 실리콘 카바이드의 그레인 사이에 열분해 카본을 증착하여 실리콘 카바이드 복합체층을 형성하는 단계와, c) 상기 실리콘 카바이드 복합체층의 측면을 절단하여 상기 기판의 측면을 노출시키고, 그 노출된 기판의 측면을 가로로 절단하여 상기 실리콘 카바이드 복합체층과 상기 기판의 적층구조물을 획득하는 단계와, d) 상기 적층구조물에서 상기 기판을 제거하는 단계를 포함한다. 이와 같은 구성의 본 발명은 실리콘 카바이드와 물리적인 결합을 통해 그 실리콘 카바이드의 그레인 사이에 열분해 카본를 충진시켜 저항 및 빛의 투과도를 낮춤과 아울러 윤활성이 좋은 열분해 카본을 노출시켜 윤활성을 향상시킬 수 있는 효과가 있다. 이와 같은 윤활성의 향상에 의해 실리콘 카바이드의 응용분야를 보다 확대할 수 있는 효과가 있다.

실리콘 카바이드, 열분해 카본, 윤활성

Description

실리콘 카바이드 복합체 및 그 제조방법{Silicon carbide complex and manufacturing method thereof}

본 발명은 실리콘 카바이드 복합체 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 저저항성을 가지며, 빛의 투과도가 낮고, 높은 윤활성을 나타내는 실리콘 카바이드 복합체 및 그 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로, 실리콘 카바이드는 그 내열성과 내마모성의 특성을 가지고 있어 반도체, 광학, 전자 및 화학공정분야에서 사용이 제안되었으나, 높은 저항성 때문에 가공이 용이하지 않았다. 이를 해결하기 위하여 실리콘 카바이드에 첨가물을 첨가하여 저항을 낮추는 방법들이 제안되었다.

특히 등록특허 10-0760342호(저 저항성 실리콘 카바이드, 등록일자 2007년 9월 13일)에는 실리콘 카바이드에 질소를 화학적으로 결합시켜 저항을 낮춘 실리콘 카바이드 프리 스텐딩 제품이 소개되어 있다.

그러나 이와 같은 종래의 실리콘 카바이드 프리 스텐딩 제품은 그 실리콘 카바이드 중 일부의 카본를 질소로 치환하는 화학적인 결합이고, 그 화학결합에 의해 실리콘 카바이드의 저항을 낮출 수는 있으나, 실리콘 카바이드와 유사한 윤활성을 가지고 있어서 응용의 폭이 넓지 않았다.

도 1은 종래 질소를 포함하는 저저항의 실리콘 카바이드의 표면을 도시한 것으로서, 각 그레인(1)들이 경계(2)에 제2상을 포함하지 않고 실리콘 카바이드만이 존재한다.

상기 그레인(1) 내에서 일부 카본이 질소로 치환되어 저항이 낮아지고 빛의 투과도가 낮아지나, 그 그레인(1) 사이의 경계(2)에 의하여 윤활성을 필요로 하는 제품에 적용이 용이하지 않은 문제점이 있었다.

따라서 종래의 질소를 포함하는 저저항의 실리콘 카바이드는 가공성이 용이하게 되나 그 응용에 있어서는 베어링 등의 윤활성을 필요로 하는 분야에는 적용할 수 없는 문제점이 있었다.

상기와 같은 문제점을 감안한 본 발명이 해결하고자 하는 과제는, 실리콘 카바이드의 저항을 낮춰 방전 가공등을 통한 가공성을 향상시킴과 아울러 실리콘 카바이드 그레인 사이에 열분해 카본이 존재하게 증착하여 윤활성이 뛰어난 열분해 카본이 표면에 노출되게 함으로써 윤활성을 향상시키고, 또한 상기 그레인 사이의 열분해 카본에 의해 빛의 투과도를 감소시켜 레이져 센싱(LASER sensing) 공정 등에 사용할 수 있는, 실리콘 카바이드 복합체 및 그 제조방법을 제공함에 있다.

상기와 같은 과제를 해결하기 위한 본 발명 실리콘 카바이드 복합체는, 실리콘 카바이드의 그레인들 사이에 열분해 카본이 충진되며, 상기 실리콘 카바이드와 상기 열분해 카본의 원자비가 99.9:0.1 내지 30:70인 것을 특징으로 한다.

또한 본 발명 실리콘 카바이드 복합체 제조방법은, a) 기판을 준비하는 단계와, b) 상기 기판의 전면에 실리콘 카바이드를 증착함과 아울러 그 실리콘 카바이드의 그레인 사이에 열분해 카본을 증착하여 실리콘 카바이드 복합체층을 형성하는 단계와, c) 상기 실리콘 카바이드 복합체층의 측면을 절단하여 상기 기판의 측면을 노출시키고, 그 노출된 기판의 측면을 가로로 절단하여 상기 실리콘 카바이드 복합체층과 상기 기판의 적층구조물을 획득하는 단계와, d) 상기 적층구조물에서 상기 기판을 제거하는 단계를 포함한다.

본 발명은 실리콘 카바이드와 물리적인 결합을 통해 그 실리콘 카바이드의 그레인 사이에 열분해 카본를 충진시켜 저항을 낮춤과 아울러 윤활성이 뛰어나며 빛의 투과도가 낮은 열분해 카본을 표면에 노출시켜 윤활성을 향상 및 투과도를 감소시키는 효과가 있다. 이와 같은 윤활성의 향상 및 투과도 감소에 의해 실리콘 카바이드의 응용분야를 보다 확대할 수 있는 효과가 있다.

이하, 상기와 같은 본 발명 실리콘 카바이드 복합체 및 그 제조방법을 첨부한 도면을 참조하여 상세히 설명하면 다음과 같다.

도 2는 본 발명 실리콘 카바이드 복합체의 일실시 제조공정 순서도이다.

도 2를 참조하면 본 발명 실리콘 카바이드 복합체 제조방법의 일실시예는, 실리콘 카바이드의 형성에 베이스가 되는 기판을 준비하는 단계(S21)와, 상기 기판에 실리콘 카바이드를 화학적 기상증착법으로 증착하되, 그 증착 중 하이드로 카본을 첨가하여 실리콘 카바이드 복합체층을 형성하는 단계(S22)와, 그 실리콘 카바이드 복합체층을 상기 기판이 노출되도록 가로방향으로 절단하는 단계(S23)와, 상기 절단으로 노출된 기판을 제거하는 단계(S24)를 포함한다.

이하, 상기와 같이 구성되는 본 발명 윤활성 및 투과도가 개선된 실리콘 카바이드 복합체 제조방법을 보다 상세히 설명한다.

먼저, S21단계와 같이 기판을 준비한다. 상기 기판은 원판형, 사각판형 등 높이에 비해 직경 또는 폭이 더 큰 판형의 것을 사용할 수 있으며, 열팽창 계수가 4X10^-6 ~ 4.6X10^-6/K인 SiC와 유사한 재질의 것이 사용 가능하다.

이는 이후의 실리콘 카바이드 복합체층의 증착 온도에서 변형이 발생되지 않도록 하기 위한 것이다.

그 다음, S22단계에서는, 상기 기판의 전면에 화학기상증착법(CVD)으로 실리콘 카바이드를 증착하며, 그 증착 과정에서 하이드로 카본(hydrocarbon)을 증착로 내에 공급한다.

상기 하이드로 카본은 CxHy의 화학식을 가지는 것으로, x가 1이상, y가 2 이상의 정수인 것을 사용할 수 있다.

상기 실리콘 카바이드의 증착 온도는 1000 내지 1500℃로 하고, 성막 속도를 20 내지 400μm/hour로 하고, 원료가스의 체류시간을 7 내지 110초로 하는 조건으로 증착한다.

이때, 상기 원료가스와 하이드로 카본의 유량은 원료가스 30 내지 99.9%에 대하여 하이드로 카본의 유량이 70 내지 0.1%가 되도록 한다.

상기 원료가스와 하이드로 카본의 비는 유량의 비이며, 당업자 수준에서 이를 원자비로 변환실시하는 것은 용이한 것이다.

상기 하이드로 카본이 0.1% 유량 미만인 경우에는 그 하이드로 카본의 첨가에 의하여 이루어지는 저저항, 윤활성 및 투과도 감소의 효과가 적으며, 70%를 초과하는 경우에는 실리콘 카바이드의 특성 발현이 잘 이루어지지 않게 된다.

상기 원료가스는 CH₃SiCl₃, (CH₃)₂SiCl₂, (CH₃)₃SiCl, (CH₃)₄Si, CH₃SiHCl₂, SiCl₄ 중 어느 하나 또는 둘 이상의 조합된 가스를 사용하거나, 또는 상기 원료가스에 C₂H₂, CH₄, C₃H₈, C₆H₁₄, C₇H₈, CCl₄ 중 어느 하나 또는 둘 이상이 선택적으로 조합된 가스를 사용할 수 있으며, 상기 하이드로 카본은 C₂H₂를 사용할 수 있다.

이와 같은 공정을 통해 증착되는 실리콘 카바이드 복합체층은 실리콘 카바이드의 그레인들 사이에, 하이드로 카본 원료의 열분해에 의한 열분해 카본이 충진되는 물리적인 결합이 이루어진다.

상기 카본은 열분해 카본(pyrocarbon)이며, 그 실리콘 카바이드의 그레인들 사이에 열분해 카본이 충진되어 저항 및 투과도를 낮출 수 있게 된다. 이는 그레인의 경계와 그 경계 사이에 저항과 투과도가 낮은 열분해 카본을 물리적으로 충진하여 저항 및 투과도를 줄인 결과이다.

또한 윤활성이 우수한 열분해 카본을 그레인 사이에 충진함에 의하여 실리콘 카바이드 복합체의 윤활성을 개선할 수 있다.

도 3은 본 발명에 따른 실리콘 카바이드 복합체층의 투과전자현미경사진이고, 도 4는 본 발명에 따른 실리콘 카바이드 복합체층의 표면 모식도로서, 실리콘 카바이드의 그레인(10) 사이에 열분해 카본(20)이 존재하고 있는 것을 확인할 수 있다.

이처럼 열분해 카본과 실리콘 카바이드 복합체층은 표면 마찰력이 실리콘 카바이드 또는 질소의 화학적 결합을 통해 제조된 저저항성 실리콘 카바이드에 비하여 대폭 감소되며 따라서 윤활성이 향상된다.

이와 같은 윤활성의 향상으로 인하여 본 발명에 따른 실리콘 카바이드 복합체층은 기계적인 마찰이 있는 반도체 공정장비의 각종 장치에 적용될 수 있으며, 이때 마찰의 감소에 따라 파티클의 발생도 감소하는 효과를 기대할 수 있다.

즉, 반도체 기판이나 평판 디스플레이 기판을 이송하는 이송축의 베어링으로 본 발명 실리콘 카바이드 복합체를 사용하는 경우에는, 실리콘 카바이드의 강성 및 내열성의 특징과 함께 그 실리콘 카바이드 그레인의 사이에 열분해 카본이 충진되어 마찰력이 감소하기 때문에 베어링의 수명을 연장함과 아울러 이물의 발생을 방지하여 반도체 또는 평판 디스플레이 제조공정의 신뢰성을 보다 향상시킬 수 있게 된다.

또한 투과도가 낮은 열분해 탄소가 그레인 사이에 충진되어 실리콘 카바이드의 투과도를 감소시켜줌으로써, 반도체의 확산 공정 등에 사용되는 SiC Dummy wafer로써 사용이 가능하게 된다. 상기 SiC dummy wafer를 SiC 소재로만 사용할 경우 투과도가 높아 이송 로봇의 sensing이 불가능하여 사용이 어려워지게 된다.

그 다음, S23단계와 같이 상기 기판의 전면에 실리콘 카바이드 복합체층이 증착된 상기 S22단계의 결과물의 가장자리를 절단하여 상기 기판의 측면부를 노출시키고, 그 측면부가 노출된 기판을 가로방향으로 중앙을 절단하여 한 쌍의 기판과 실리콘 카바이드 복합체층의 적층 구조물을 획득하게 된다.

그 다음, S24단계에서는 상기 S23단계에서 얻어진 기판과 실리콘 카바이드 복합체층의 적층구조에서 기판을 선택적으로 제거하여 실리콘 카바이드 복합체층으로만 이루어지는 본 발명 실리콘 카바이드 복합체를 제조하게 된다.

상기 본 발명에 따른 실리콘 카바이드 복합체는 실리콘 카바이드의 그레인 사이에 열분해 카본이 물리적으로 충진된 상태로 그 저항이 순수 실리콘 카바이드에 비해 대폭 낮아지게 되므로, 방전가공이 용이하게 되어 강도가 높은 실리콘 카바이드 복합체의 가공성을 높일 수 있게 된다.

<실시예 1>

도 5는 본 발명에 따른 실리콘 카바이드 복합체 제조방법의 제1실시예에 따 른 공정 순서도이다.

도 5를 참조하면 본 발명 실리콘 카바이드 복합체 제조방법의 제1실시예는, 먼저 S41단계와 같이 원판형의 그라파이트 기판을 준비한다.

그 다음, S42단계와 같이 상기 그라파이트 기판을 증착로에 로딩하고, 그 증착로의 온도를 1300℃로 유지한 상태에서, 원료가스인 SiCl₄와 열분해 카본의 증착을 위한 C₂H₂를 공급한다.

이때의 SiCl₄와 C₂H₂의 공급유량비는 80:20이 되도록 하며, 성막 속도를 100μm/hour로 하고, 원료가스의 체류시간을 100초로 하는 조건으로 증착한다.

이와 같은 공정에 의해 상기 그라파이트 기판의 전면에는 SiC가 파셋(Facet)결정형으로 증착되며, 그 결정구조의 그레인 사이에 열분해 카본이 충진되어 저저항성 및 윤활성을 가지는 실리콘 카바이드 복합체를 제조할 수 있게 된다.

상기의 공정조건에 의해 제조된 실리콘 카바이드 복합체의 저항은 약 1~10Ωcm정도이며, 광 투과율은 약 3% 이하인 복합체를 얻을 수 있었다. 이때, 광 투과율은 측정 대상물을 0.5mm 두께로 평면 가공하고, 분광 광도계를 이용하여 근적외 영역 500~3000nm에서 측정하였다.

그 다음, S43단계와 같이 상기 실리콘 카바이드 복합체의 측면부를 절단하여 그라파이트 기판의 측면을 노출시키며, 그 노출된 그라파이트 기판의 중앙을 가로방향으로 절단하여 실리콘 카바이드 복합체와 그라파이트 기판이 적층된 두 개의 구조물을 획득한다.

그 다음, S44단계와 같이 상기 그라파이트 기판을 제거하여 실리콘 카바이드 복합체를 획득할 수 있게 된다.

이처럼 본 발명은 기존의 저저항 실리콘 카바이드와는 다르게 화학적인 처리가 아닌 물리적인 처리를 통하여 저저항 실리콘 카바이드를 제조할 수 있을 뿐만 아니라 윤활성을 개선하고 투과도를 감소시켜 실리콘 카바이드의 적용 분야를 확대할 수 있게 된다.

도 1은 종래 저저항 실리콘 카바이드의 표면 모식도이다.

도 2는 본 발명 윤활성이 개선되고 투과도가 감소하는 실리콘 카바이드 복합체 제조방법의 바람직한 실시예의 제조공정 순서도이다.

도 3은 본 발명 윤활성이 개선되고 투과도가 감소하는 실리콘 카바이드 복합체의 투과 전자 현미경사진이다.

도 4는 본 발명 윤활성이 개선되고 투과도가 감소하는 실리콘 카바이드 복합체의 표면 모식도이다.

도 5는 본 발명 윤활성이 개선되고 투과도가 감소하는 실리콘 카바이드 복합체의 구체적인 제1실시예의 공정 순서도이다.

*도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명*

10:실리콘 카바이드 그레인

20:열분해 카본

Claims (7)

1. 실리콘 카바이드의 그레인들 사이에 열분해 카본이 충진되며,

   상기 실리콘 카바이드와 상기 열분해 카본의 원자비가 99.9:0.1 내지 30:70인 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 복합체.
2. 제1항에 있어서,

   상기 실리콘 카바이드와 상기 열분해 카본은,

   화학적 기상증착법으로 동시에 증착되어진 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 복합체.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,

   상기 열분해 카본은,

   CxHy의 화학식을 가지는 것으로, x가 1이상, y가 2 이상의 정수인 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 복합체.
4. 제3항에 있어서,

   상기 실리콘 카바이드는 그레인 사이의 열분해 탄소에 의해 10Ωcm 이하의 저항을 가지며, 광 투과율이 3% 이하의 투과도를 갖는 실리콘 카바이드 복합체.
5. 제4항에 있어서,

   상기 열분해 카본은,

   하이드로 카본을 증착로에 공급하고, 열분해를 통해 형성한 것을 특징으로 하는 실리콘 카바이드 복합체.
6. a) 기판을 준비하는 단계;

   b) 상기 기판의 전면에 실리콘 카바이드를 증착함과 아울러 그 실리콘 카바이드의 그레인 사이에 열분해 카본을 증착하여 실리콘 카바이드 복합체층을 형성하는 단계;

   c) 상기 실리콘 카바이드 복합체층의 측면을 절단하여 상기 기판의 측면을 노출시키고, 그 노출된 기판의 측면을 가로로 절단하여 상기 실리콘 카바이드 복합체층과 상기 기판의 적층구조물을 획득하는 단계; 및

   d) 상기 적층구조물에서 상기 기판을 제거하는 단계를 포함하는 윤활성이 개선되고 투과도가 감소하는 실리콘 카바이드 복합체 제조방법.
7. 제6항에 있어서,

   상기 b) 단계는,

   증착온도를 1000 내지 1500℃로 하고, 성막 속도를 20 내지 400μm/hour로 하고,

   상기 실리콘 카바이드의 증착을 위한 원료가스와 상기 열분해 카본의 증착을 위한 하이드로 카본의 체류시간은 7 내지 110초로 하며,

   상기 원료가스와 상기 하이드로 카본의 유량은 원료가스 30 내지 99.9%에 대하여 하이드로 카본의 유량이 70 내지 0.1%로 공급하는 것을 특징으로 하는 윤활성이 개선되고 투과도가 감소하는 실리콘 카바이드 복합체 제조방법.

Images