KR101547850B1 - 다층 구조와 이종 조성물을 가진 탄화규소 반응소결체 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 2 개 층을 가지는 탄화규소 성형체일 경우에는 상부층을 형성하는 탄화규소 입자의 크기가 하부층을 형성하는 탄화규소 입자의 크기보다 더 작고, 3 개층을 형성하는 탄화규소 성형체일 경우에는 상부층과 하부층을 형성하는 탄화규소 입자의 크기가 중심층을 형성하는 탄화규소 입자의 크기보다 더 작아 집적도 공정에서 사용되는 탄화규소 성형체의 제조 단가를 줄일 수가 있으면서 동일한 성능을 갖게 된다.

Description

다층 구조와 이종 조성물을 가진 탄화규소 반응소결체 제조방법{MANUFACTURING METHOD FOR REACTION BONDED SILICON CARBIDE WITH MULTI LAYER AND DIFFERENT COMPOSITES}

본 발명은 탄화규소(Silicon carbide) 반응 소결체(RBSC(Reaction Bonded Silicon Carbide)) 제조방법에 관한 것으로서, 다층 구조를 형성하고 각 층을 이루는 조성물의 특성도 다른 것을 특징으로 하는 다층 구조와 이종 조성물을 가진 탄화규소 제조방법에 관한 것이다.

일반적으로 탄화규소(Silicon carbide) 반응 소결체는 탄소섬유강화 탄소복합체로 이루어진 몰드(Mold)로 만들어 진다. 그리고, 이러한 몰드는 등방압으로 가압 소결된 그라파이트(Graphite) 또는 C/C 복합체 블록을 원통형으로 가공하여 제조된다.

또한, 탄화규소(Silicon carbide) 반응 소결체는 반도체, LED 공정 등에 사용되는 탄화규소 부품은 서셉터(Susceptor)라고 불리우는 웨이퍼 캐리어, 증착 공정용 보트(Boat), 튜브(Tube)류, 식각(Etching) 공정 등에 사용되는 링(Ring), 샤워 플레이트(Shower Plate) 등으로 사용되어 지고 있다.

복잡한 3차원 형상의 보트(Boat), 튜브(Tube)류 탄화규소 부품은 통상적으로 반응결합 탄화규소(RBSC) 제조법을 따르고, 반응결합 탄화규소(RBSC) 다공성(Porous) SiC 몸체에 Si을 침윤시킨 Si-SiC를 구성하고, 그 표면에수~수십㎛의 SiC CVD(Chemical Vapor Deposition) 코팅층을 형성한다. 하지만 최근에는 소결조제를 사용하지않는 핫 프레스(Hot Press) 공법이 검토되고 있다. 이에 소결밀도를 달성하기 위하여 원재료 입도를 제어하고, 공정의 안정화를 위하여 몰드(Mold)의 파괴를 방지하는 기술들이 소개되고 있다.

상기 핫 프레스(Hot Press)의 장점은 다른 소결방법과 비교하여 높은 밀도, 높은 경도, 높은 강도를 가지기에 많은 업체에서 검토하고 있다.

하지만, 현재 반도체 공정에서 집적도가 증가됨에 따라, 분진이나 정전기 문제에서 탄화규소 소결체 부품도 그에 따르는 대응을 하여야 한다.

즉, 특허문헌 1(대한민국 특허 공개번호 : 10-2008-0098402)에는 “탄화규소계 분쇄소재의 수명연장 및 내마모성 회복 방법에 있어서, 상기 탄화규소계 분쇄소재를 사용하여 분말을 분쇄하는 단계; 상기 분말을 분쇄하는 단계에서 사용된 탄화규소계 분쇄소재를 열처리하는 단계; 를 포함하여 구성되며, 상기 탄화규소계 분쇄소재는 반응소결방법에 의해 제조된 것이되, 열처리 시점은, 동일한 재료를 분쇄하는 경우에 있어서, 최초로 사용하는 반응소결 탄화규소계 분쇄소재, 또는 반응소결 탄화규소계 분쇄소재의 표면에 존재하는 free Si의 마모율을 고려하여 수 내지 수십시간 사용한 이후 의 반응소결 탄화규소계 분쇄소재의 단위시간 동안의 마모량과 열처리 대상인 반응소결 탄화규소계 분쇄소재의 마모량을 대비하여 결정되는 것을 특징으로 하는 반응소결 탄화규소계 분쇄소재의 수명연장 및 내마모성 회복방법”을 제공하고 있다,

그리고, 특허문헌 2(대한민국 특허 공개 번호 : 10-2009-0007167, 2009년01월16일)에는 “복수의 탄화질 성형체를 준비하는 단계와; 상기 복수의 탄화질 성형체를 성형체 투입부에 일정 개수씩 시간을 두고 투입하는 단계와; 상기 성형체 투입부에 투입된 탄화질 성형체를 이송 장치를 이용하여 진공 또는 불활성 분위기가 유지된 가열부 의 핫 존(hot zone)을 통과시켜 상기 핫 존에서 용융된 규소 함유 금속을 상기 탄화질 성형체에 연속적으로 침윤시킴으로써 반응소결 탄화규소 다공체를 얻는 단계와; 상기 가열부를 통과한 상기 반응소결 탄화규소 다공체를 수거하는 단계를 포함하며, 상기 탄화질 성형체가 놓여지는 운송체에 용융 규소 침윤용 구멍이 있는 용융 규소 공급 용기를 장착하고, 상기 침윤용 구멍과 상기 운송체에 놓여진 탄화질 성형체를 카본 직포를 이용하여 연결시켜, 상기 핫 존에서 용융된규소 함유 금속이 상기 카본 직포 내 모세관을 따라 상기 탄화질 성형체에 침윤되는 것을 특징을 하는 연속 공정에 의한 반응소결 탄화규소 다공체의 제조 방법.”을 제공하고 있다.

결과적으로, 반도체 공정등의 직접도 증가에 따른 현실적인 대응은 종래 소결체 제조 방법에서, 탄화규소 입자 등을 매우 적은 입자로 교체하는 방법이 현실적인 대응 방법이며, 이러한 방법은 고스란히 제조 원가의 증가로 이어지고 있는 실정이다. 따라서, 고 직접도 공정에서도 효과적으로 대응할 수 있는 탄화규소 소결체의 개발이 절실한 실정이다.

특허문헌 1: 대한민국 특허 공개번호 : 10-2008-0098402(2013년09월23일) 특허문헌 2: 대한민국 특허 공개번호 : 10-2009-0007167(2009년01월16일)

반도체 제조 공정이나 디스플레이 제조 공정에서 직접도가 높은 미세 공정에 대응할 수 있는 탄화규소 소결체를 제조하기 위해서는 미세 탄화규소 입자를 사용하여 제조하여야 하므로, 제조 원가 상승의 문제가 발생될 수가 있게 되며, 또한 작은 입자를 사용할 경우 소결시 수축률의 증대로 성형체의 정밀도가 떨어지게 되는 문제가 생기게 된다. 그러므로, 다층 구조의 소결체를 만들어 제조 원가 상승을 최소화하고 정밀도가 떨어지는 정도를 최소화 하는 다층 구조와 이종 조성물을 가진 탄화규소 소결체 제조방법을 제공하는 데에 그 목적이 있다.

상기 목적은, 다층 구조이고 기능층과 지지층을 포함하는 탄화규소 소결체에서, 기능층이 상부층을 형성하고 지지층이 하부층을 형성할 때에, 상부층을 형성하는 탄화규소 평균 입자의 크기가 하부층을 형성하는 탄화규소 평균 입자의 크기보다 더 작고, 기능층이 위에 있는 상부층과 아래 있는 하부층을 형성하고 지지층이 가운데의 중심층을 형성할 때, 상부층과 하부층을 형성하는 탄화규소 평균 입자의 크기가 중심층을 형성하는 탄화규소 평균 입자의 크기보다 더 작다.

그리고, 기능층의 두께가 지지층의 두께보다 더 얇다.

또한, 지지층도 2층 이상이고 혹은 기능층도 2층 이상이다.

아울러, 지지층을 형성하는 입자의 종류는 기능층을 형성하는 입자의 종류보다 더 많게 된다.

본 발명은 2 개 층을 가지는 탄화규소 소결체일 경우에는 상부층을 형성하는 탄화규소 입자의 크기가 하부층을 형성하는 탄화규소 입자의 크기보다 더 작고, 3 개층을 형성하는 탄화규소 소결체일 경우에는 상부층과 하부층을 형성하는 탄화규소 입자의 크기가 중심층을 형성하는 탄화규소 입자의 크기보다 더 작으므로서 고 집적도 공정에서 사용되는 탄화규소 소결체의 제조 단가를 줄일 수가 있고, 소결체 부품의 정밀도가 떨어지는 것도 최소화하게 된다.

도 1은 탄화규소 소결체의 제조 과정의 원리를 나타낸 실시예의 도면이다.
도 2는 본 발명의 다층 구조를 가지는 탄화규소 소결체를 나타낸 실시예의 도면이다.
도 3은 상부층의 두께를 나타내는 실시예의 도면이다.
도 4는 다층 구조를 갖는 본원 발명의 소결체를 제조하기 위한 도구를 나타낸 실시예의 도면이다.
도 5는 1 차 프로세스 가압 조건을 나타낸 실시예의 도면이다.
도 6은 탈지 프로세스의 조건을 나타낸 실시예의 도면이다.
도 7은 고온 탈지 Process의 조건을 나타내는 실시예의 도면이다.
도 8은 3 개 층을 가진 탄화규소 소결체의 실제 모습을 나타낸 사진이다.
도 9의 도 (A)와 도(B)는 입자의 크기가 서로 다른 이종 계면의 경계층을 확대한 사진이다.
도 10은 각 층의 크기 비율을 나타내는 실시예의 도면이다.
도 11은 다층 구조의 소결체를 제조하는 또 다른 실시예의 도면이다.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 다층 구조와 이종 조성물을 가진 탄화규소(Silicon carbide) 성형체에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명을 설명하기 위해 필요한 통상의 기술에 대해서는 상세 설명을 생략할 수 있다.

일반적으로 탄화규소 성형체를 제조하기 위해서는 탄화규소 분말을 얻는 단계를 포함하게 되며, 틴화규소 분말을 얻기 위해서는 분쇄의 방법을 사용하게 된다. 분쇄에 의하여 분말의 크기를 조절하거나 응집되어있는 나노 분말을 분리시키기 위한 분쇄 방법의 경우 피분쇄분말보다 강도가 높은 볼(ball), 용기(jar) 등 분쇄 소재를 사용하게 된다.

이하, 본 발명의 실시 예에 따른 다층 구조와 이종 조성물을 가진 탄화규소(Silicon carbide) 반응 소결체(이하 소결체)에 대하여 상세히 설명한다.

본 발명을 설명하기 위해 필요한 통상의 기술에 대해서는 상세 설명을 생략할 수 있다.

일반적으로 탄화규소 반응 소결체(이하 소결체)를 제조하기 위해서는 탄화규소 분말을 얻는 단계를 포함하게 되며, 단화 규소 분말을 얻기 위해서는 분쇄의 방법을 사용하게 된다. 분쇄에 의하여 분말의 크기를 조절하거나 응집되어있는 나노 분말을 분리시키기 위한 분쇄 방법의 경우 피분쇄분말보다 강도가 높은 볼(ball), 용기(jar) 등 분쇄 소재를 사용하게 된다.

한편, 피분쇄 분말과 동일한 재질의 분쇄 소재를 사용할 수 있으며, 분쇄 소재의 순도를 높여 불순물의 혼입을 최대한 억제하도록 하는 방안을 강구할 수 있다. 예를 들어 탄화규소 분말의 분쇄 또는 분산의 경우, 반응 소결법을 이용하여 고순도로 제조되는 반응소결 탄화규소(reaction-bonded silicon carbide, RBSC)계 소재를 사용할 수 있는데, 이 방법으로 제조된 탄화규소계 분쇄 소재는 기존의 소결조제를 첨가하여 소결법으로 제조된 탄화규소계 분쇄 소재에 비하여 대형화가 쉽고, 고순도 제품 제조가 가능하며, 가격이 저렴하여 상업적인 응용이 가능하다.

또한, 일반적인 탄화규소 소결체를 제조하는 방법으로서는 탄화규소를 가소결체로 제작하는 단계를 먼저 수행한다. 이는 통상의 반응 소결법에서 가소결체를 제작하는 단계와 동일한 것으로 이에는 통상의 탄화규소 분말에 탄소원(carbon source)으로서의 유기물질, 바람직하게는 용매(예를 들면 페놀, PVA, PVB 등)를 혼합하고 건조한 후 소결하는 과정 및 추가적인 탄소 공급을 위한 탄소원으로서의 유기용매 또는 수지에 대한 침지 등의 모든 과정을 포함할 수 있다. 바람직하게는 상기 탄화규소 가소결체의 제작은 탄화규소 분말과 탄소원을 혼합한 후, 성형하여 1500 내지 2000 ℃에서 가소결하여 이를 제작할 수 있다.

다음으로 상기 얻어진 단품 가소결체를 용융 실리콘에 함침시키는 단계를 수행한다.

한편, 탄화규소 소결체를 조립한 조립 부품에 대하여는, 용융실리콘이 담긴 동일한 함침조에 하나의 조립체 밖에 침지할 수 없었다면, 단품으로 침지 를 수행하는 경우에는 더 많은 조립체를 제작할 수 있다.

그리고, 상기의 탄화규소 소결체의 제조 실시예로는 탄화규소/규소/탄소 성형체 내의 탄소 함량은 2∼15 중량 퍼센트이었으며, 규소 함량은 3∼35 중량 퍼센트로 할 수 있다. 또한, 사용된 탄화규소 분말, 규소 분말 및 탄소 분말의 크기는 각각 50 나노미터∼500 마이크로미터, 50 나노미터∼500 마이크로 미터 및 수 나노미터∼10 마이크로미터였다.

또한, 탄화규소, 규소 및 탄소 분말을 에탄올 용매에 결합제로서 페놀 수지(phenolic resin)를 3∼15 중량 퍼센트 첨가하여 10시간 동안 습식 혼합하게 된다. 혼합된 분말은 가열 교반 방법으로 건조한 후 100 x 100 x 1000 mm 크기의 시험편을 일축 가압 성형한 후 1000∼30000 psi에서 냉간 정수압 성형한다. 탄소질 성형체를 아르곤 분위기 관상로에서 800 ℃의 온도에서 2시간 유지하여 결합제로 사용된 페놀수지를 열분해시켜 탄화하였다. 탄화된 탄화규소/규소/탄소 기공률은 30∼80 부피 퍼센트 범위이었다.

아울러, 탄화된 탄화규소/규소/탄소 성형체를 감압 하에서 구비되도록 한 후에, 상기 성형체를 규소의 용융 및 침투가 일어나는 가열로 (가열부)에 함침하는 것이다. 이때 가열로 내 핫 존의 온도는 1450∼1600 ℃로 유지한다. 즉, 이러한 방법으로 탄화규소 소결체의 제조가 가능하게 된다,

도 1은 탄화규소 소결체의 제조 과정의 원리를 나타낸 실시예의 도면이다.

일반적인 탄화규소 소결체를 제조하는 방법으로서는 탄화규소를 가소결체로 제작하는 단계를 먼저 수행한다. 이때, 도 1의 (A)에서는 가 소결체의 입자 구조를 나타낸 실시예의 도면이다. 탄화규소 분말에 탄소원(carbon source)으로서의 유기물질인 탄소원을 혼합한 후, 성형하여 1500 내지 2000 ℃에서 가소결하여 이를 제작할 수 있다. 도면에서처럼, 유기 용매를 연소하여 분해하였으므로, 기공이 존재하며, 이때, 탄화된 탄화규소/규소/탄소 기공률은 10∼80 부피 퍼센트 범위로 광범위하게 존재할 수 있다. 그리고 도면에서처럼, 탄화규소 분말은 α-SiC 라고 하였다.

한편, 도 1의 (B)는 규소(Si) 함침후 미세 조직을 나타낸 실시예의 도면이다. 탄소원과 Si가 결합하여 β-SiC 입자가 형성된 형상을 나타낸 도면이며, 원래의 탄화규소 입자 α-SiC 와 구별하였다.

즉, 규소 함침 후에 도 (A)에 도시된 기공에는 β-SiC 입자가 채워지고 또한, 탄소와 결합되지 않은 규소가 채워지게 된다. 따라서, 도 (B)를 보면 β-SiC 입자와 규소 입자가 도(A)의 기공에 채워졌음을 알 수 있다.

도 2는 본 발명의 다층 구조를 가지는 탄화규소 소결체를 나타낸 실시예의 도면이다.

본원 발명은 다층 구조를 이루는 탄화규소 소결체를 적용하는 것이므로, 웨이퍼 포커스 링, 받침대, 캐리어등 2 차원적인 형상을 가지는 부품에 적용될 수가 있게 된다.

탄화규소 소결체를 제조하는 앞의 실시예에서처럼, 탄화규소 분말을 얻는 단계를 포함하게 되며, 고운 미립자 분말을 사용할수록 반도체나 디스플레이 제조 공정시 분진 발생에 의한 불량이나 정전기 발생의 가능성도 낮아지게 된다.

하지만 미립자 분말을 사용하게 되면, 단가의 상승을 가져오게 된다. 그리고 입자가 작을 수록 소결시 수출률이 더 커지게 되므로 작은 입자를 사용하게 되면 성형체 부품의 정밀도가 떨어지게 된다.

따라서, 고 집적도 공정을 위해 사용되는 탄화규소 소결체는 미립자를 사용하여야 하므로, 제품의 단가의 상승과 부품의 정밀도 하락을 가져오게 된다.

그러므로, 본 발명에서는 도 2의(A)에서처럼 2 개의 층으로 만들고, 상층부(Top layer) 만 미립자 분말을 사용하는 탄화규소 소결체를 사용하게 되고, 하부층(Bottom layer)은 일반적으로 사용되는 탄화규소 입자를 그대로 사용할 수가 있다. 그리고, 이러한 방법을 사용하므로서 전체적으로는 단가의 상승을 최소화 할 수가 있게 되는 것이다.

본 발명에서는 상부층(Top layer)은 기능층으로 부품의 용도에 맞는 크기의 입자를 사용하여 제조한 것이고, 하부층(Bottom layer)은 지지층으로 소결체 부품의 몸체와 지지역할을 하는 것이다.

이때, 미립자 분말을 사용하여 제조 단가가 높은 상부층의 두께는 하부층의 두께보다 얇은 것을 원칙으로 한다, 그렇게 하므로서 원가 상승을 최소화 할 수 있는 것이다.

한편, 도 2의(B)에서 처럼 중심층(Core layer), 하부층(Bottom layer) 및 상층부(Top layer)으로 구성된, 3 개의 층의 탄화규소 소결체를 만들 수가 있다. 이때에는 상층부(Top layer)과 하부층(Bottom layer) 만 미립자 분말을 사용하는 탄화규소 소결체를 사용하게 되고, 중심층(Core layer)은 일반적으로 사용되는 탄화규소 입자를 그대로 사용할 수가 있다. 이러한 방법을 사용하므로서 전체적으로는 단가의 상승을 최소화 할 수가 있게 되는 것이다.

그리고, 미립자 분말을 사용하여 제조 단가가 높은 상부층과 하부층의 두께는 중심층의 두께보다 얇은 것을 원칙으로 한다, 그렇게 하므로서 원가 상승을 최소화 할 수 있는 것이다.

결론적으로, 본 발명의 특징을 정리하면 아래와 같다.

1) 도 2의 (A)도의 예처럼, 기능층이 상부층을 형성하고 지지층이 하부층을 형성할 때에, 상부층을 형성하는 탄화규소 평균 입자의 크기가 하부층을 형성하는 탄화규소 평균 입자의 크기보다 더 작다. 이때, 지지층도 2층 이상을 수 있고, 기능층도 2층 이상일 수 있다.

2) 도 2의 (B)도의 예처럼, 기능층이 위의 상부층과 아래의 하부층을 형성하고 지지층이 가운데의 중심층을 형성할 때, 상부층과 하부층을 형성하는 탄화규소 평균 입자의 크기가 중심층을 형성하는 탄화규소 평균 입자의 크기보다 더 작다.

3) 기능층의 두께가 지지층의 두께보다 더 얇다.

5) 지지층을 형성하는 입자의 종류는 기능층을 형성하는 입자의 종류보다 더 많다. 이것은 입자의 크기의 종류를 의미한다. 예를들어 2 종류의 입자라면 평균이 10 마이크로 미터의 크기를 가진 입자들과 평균이 20 마이크로 미터의 크기를 가진 입자들로 되어 있다는 것이다.

샘플명	#150 메쉬	#400 메쉬	#2000 메쉬	#4000 메쉬
M	50%	20%	20%	10%
P	20%	10%	30%	40%

표 1은 각각의 층에 따라 탄화규소 분말을 얻기 위해 사용한 메쉬(mesh)의 종류를 나타낸 것이다. 즉 한가지 크기의 탄화규소 분말을 사용하는 것이 아니라 적어도 2 개 이상의 서로 다른 크기를 가진 탄화규소 분말을 사용하게 된다.

일반적으로 탄화규소를 분쇄한 다음, 메쉬를 사용하여 원하는 크기의 탄화규소 입자를 얻게 되는 것이다. 그리고 표1의 M 조성은 도 2의 (A)에서 하부층(Bottom layer), 도 2의(B)에서는 중심층(Core layer)에 사용되는 탄화규소 입자를 얻기 위해 사용한 메쉬이다. 그리고, 표 1의 P 조성은 도 2의 (A)에서 상부층(Top layer), 도 2의(B)에서는 상층부(Top layer)과 하부층(Bottom layer)에 사용되는 탄화규소 입자를 얻기위해 사용한 메쉬이다.

즉, 탄화규소 소결체의 층이 2 개 층일 경우에는 상부층(Top layer)에 사용되는 탄화규소 입자가 하부층(Bottom layer)에 사용되는 탄화규소 입자보다 더 작고, 탄화규소 소결체의 층이 3 개 층일 경우에는 상부층(Top layer)과 하부층(Bottom layer)에 사용되는 탄화규소 입자가 중심층(Core layer)에 사용되는 탄화규소 입자보다 더 작게 된다.

그리고, 표 1의 조건표에 의하면 M recipe(조성물)의 평균 메쉬 값의 크기는 955(150 x 0.5 + 400 x 0.2 + 2000 x 0.2 + 4000 x 0.1) 이고, P recipe(조성물)의 평균 메쉬 값의 크기는 2,275(150 x 0.2 + 400 x 0.1 + 2000 x 0.3 + 4000 x 0.4) 이다. 즉, M recipe(조성물)의 평균 메쉬 값의 크기보다 P recipe(조성물)의 평균 메쉬 값은 2.34배 더 크다. 반대로, 말하면, 매쉬의 값은 입자의 크기와 반비례하므로 M recipe(조성물)의 탄화규소 입자의 크기가 P recipe(조성물)의 평균 탄화규소 입자의 크기보다 2.34배 더 크게 된다.

실제 탄화규소 소결체로 만든 공정에서 탄화규소 입자가 작은 수록 분진의 발생 정도와 정전기 발생 정도(정전기 전압의 크기를 의미할 수도 있다.)는 줄어들게 된다.

따라서, 분진의 발생 정도를 5 % 줄이고 싶으면 혹은 정전기 발생 정도를 5 %(정전기 전압) 정도 줄이고 싶으면, 탄화규소 입자의 조성물의 평균 크기를 5 % 줄이면 된다. 따라서, 상기 표 1은 하나의 실시예일 뿐이며 본 발명의 실시예가 표 1의 실시예에 한정되는 것이 아님은 당연하다.

즉, 어떠한 공정에서는 분진의 발생 정도를 평균 1 % 줄이고 싶을 수도 있고, 5 % 줄일 수도 있으며, 그러한 각각의 경우에 따라, 탄화규소 소결체를 이루는 탄화규소 평균 입자의 크기를 5 % 줄일 수 있고 또는 1 %를 줄일 수가 있게 된다.

따라서, 탄화규소 소결체의 층이 2 개 층일 경우에는 상부층(Top layer)에 사용되는 탄화규소 입자가 하부층(Bottom layer)에 사용되는 탄화규소 입자(평균 입자를 의미함)보다 5 % 이상 혹은 1 % 이상 더 작을 수 있고, 또한, 탄화규소 소결체의 층이 3 개 층일 경우에는 상부층(Top layer)과 하부층(Bottom layer)에 사용되는 탄화규소 입자가 중심층(Core layer)에 사용되는 탄화규소 입자보다 5 % 이상 혹은 1 % 이상 더 작을 수 있게 된다.

한편, 표 1에서는 4 가지 크기를 가진 입자(본원 발명에서 입자의 크기는 평균 입자를 의미한다. 즉 모든 입자의 크기가 동일 할 수 없으며, 따라서 입자 크기의 평균을 의미할 수 밖에 없게 된다.)를 사용할 수 있으나, 마찬가지로 본원 발명이 표 1에서처럼 4 가지 크기를 가진 입자를 사용하는 것에 한정되는 것은 아니다. 하나의 크기를 갖는 입자를 사용할 수 있고, 두 개의 크기를 갖는 입자를 사용할 수 있다. 따라서 본원 발명은 하나의 크기를 갖는 입자를 사용할 수 있을 뿐 아니라 적어도 2 개 이상의 크기를 갖는 입자의 크기를 사용할 수가 있게 된다.

또한, 아래는 각 층의 조성물의 또 다른 실시예를 나타낸 예이다.

샘플명	#150 메쉬	#400 메쉬	#2000 메쉬	#4000 메쉬
M	50%	50%	0%	0%
P	20%	10%	30%	40%

상기 표 2에서처럼, 또한, 아래는 각 층의 조성물의 또 다른 실시예를 나타낸 예이며, M recipe 는 2 개 크기를 갖는 입자를 사용하였고, P recipe 는 4 개 크기를 갖는 입자를 사용하였다. 즉, M recipe (조성물)가 사용되는 층의 단가를 더 낮추기 위해, 2 개 크기를 갖는 탄화규소 입자를 사용하였고, P recipe(조성물)가 사용되는 층은 분진의 발생을 낮추는 조밀한 구성을 위해 4 개 크기를 갖는 탄화규소 입자를 사용하였다.

이상에서와 같이 정리하면, 탄화규소 소결체의 층이 2 개 층일 경우에는 상부층(Top layer)에 사용되는 탄화규소 입자의 크기는 1개 혹은 그 이상이고, 하부층(Bottom layer)에 사용되는 탄화규소 입자의 크기도 1 개 혹은 그 이상이지만, 상부층에 사용되는 탄화규소 크기의 종류가 더 많다는 것이 된다. 예를들어 하부층이 N 개의 종류의 입자를 사용하였으면, 상부층은 N + 1 개의 종류의 입자를 사용한다는 것이다. 그리고 본 발명에서 입자의 종류는 평균입자의 크기의 개수의 종류를 말한다. 그 예로, 2개 종류의 입자를 가졌다는 것은 평균 입자의 크기가 10 마이크로미터와 2 마이크로미터로 각각 2 종류의 크기를 가진 입자를 가졌다는 것을 의미한다.

마찬가지로, 탄화규소 소결체의 층이 3 개 층일 경우에는 상부층(Top layer)과 하부층(Bottom layer)에 사용되는 탄화규소 입자는 크기는 1개 혹은 그 이상이고, 중심층(Core layer)에 사용되는 탄화규소 입자의 크기도 1개 혹은 그 이상이지만, 상부층과 하부층에 사용되는 탄화규소 크기의 종류가 더 많다는 것이 된다. 예를들어 하부층이 N 개의 종류의 입자를 사용하였으면, 상부층은 N + 1 개의 종류의 입자를 사용한다는 것이다.

또한, 본 발명의 실시예에서는 3 개층일 경우의 소결체를 설명하였으나, 3개층 이상의 소결체도 본 발명의 실시예가 적용됨은 당연하다. 즉, 중심층이 2 층 이상인 경우에도 본 발명이 적용된다.

도 3은 상부층의 두께를 나타내는 실시예의 도면이다.

일반적으로 사용되는 탄화규소 분말 입자의 크기는 50 나노미터∼500 마이크로미터, 50 나노미터∼500 마이크로 미터 및 수 나노미터∼10 마이크로미터이다.

이때 상부층(소결체의 층 상부층과 하부층으로 2 개 층일 경우)일 경우 적어도 2 개 이상의 입자 크기의 종류를 갖는 탄화규소 입자가 사용될 수 있으며, 이때, 크기가 큰 입자의 크기는 1 마이크로 미터 이상을 사용하는 것이 일반적이다.

그리고, 도면에서처럼, 상부층이 어느정도 역할을 하기 위해서는 입자 층이 적어도 2 층 이상은 되어야 하므로, 상부층의 두께(T)는 최소한 2 마이크로 미터 이상은 되어야 한다. 물론 2 마이크로 이상은 최소의 두께이며, 견고한 막으로서의 기능을 갖도록 하기위해서는 탄화규소 입자층이 적어도 10 개 정도 이상은 되어야 하므로 상부층의 두꼐(T)가 10 마이크로미터 이상이 된다면, 견고한 상부층을 형성할 수가 있게 된다.

따라서, 상부층(Top layer)과 하부층(Bottom layer) 그리고 중심층(Core layer)을 가지는 3 개 층으로 구성된 소결체의 경우에는 상부층과 하부층의 두께(T)가 최소한 2 마이크로 미터 이상은 되어야 한다는 것이며, 10 마이크로 미터 이상 된다면 견고한 층이 될 수 있다는 것을 의미한다.

물론, 본원 발명이 상기 실시예인 2 마이크로와 10 마이크로의 두께 값에 한정되는 것은 아니다. 2 개 층의 소결체일 경우 상부층의 두께가 수 mm 이상일 수도 있고, 3 개 층의 소결체일 경우 상부층과 하부층의 두께가 수 mm 이상일 수도 있다.

그리고, 전체 소결체의 크기에 비례해서 그 값이 정해질 수가 있다. 즉, 전체 소결체의 두께가 A 일 경우 상부층의 두께가 0.8 x A 정도 된다고 해서 본원 발명의 사상을 벗어나는 것은 아니다. 즉, 본원 발명은 적어도 2 개층 이상을 가지며 각각의 층마다 입자의 크기가 서로 다를 수 있는 소결체이면 본원 발명의 기술 사상에 해당된다고 할 수 있다.

하지만, 결과적으로는 2 개 층일 경우에는 상부층의 두께가 하부층의 두께 보다 더 얇게 형성되고, 3 개 층일 경우에는 상부층과 하부층의 두께가 중심층의 두께보다 더 얇게 형성되는 것이 좋다. 단가 상승을 최소화 할 수 있는 본 발명의 목적에 더 맞기 때문이다,

아울러, 본 발명의 실시예가 2 개층이라고 해서, 본 발명의 기술이 반드시 2 개 층에 한정되는 것이 아니다. 즉, 다층 구조의 탄화규소가 2개 층 이상으로 형성되고, 상부층만 입자의 크기를 작게 할 수 있다. 그리고, 이 경우에는 하부층이 2개층 이상일 수 있다는 것이다.

또한, 본 발명의 실시예가 3 개층이라고 해서, 본 발명의 기술이 반드시 3 개 층에 한정되는 것이 아니다. 즉, 다층 구조의 탄화규소가 3개 층 이상으로 형성되고, 상부층과 하부층 만 입자의 크기를 작게 할 수 있다. 그리고, 이 경우에는 중심층이 2개층 이상일 수 있다는 것이다.

도 4는 다층 구조를 갖는 본원 발명의 소결체를 제조하기 위한 도구를 나타낸 실시예의 도면이다.

디스크 타입 몰드(10)에 탄화규소 입자를 투입한 후에 압력 덮개(10)를 덮고 압력을 가하여 주는 기본 방법을 사용한다. 즉, 이러한 과정을 단계 순서로 아래와 같이 정리할 수가 있다.

1. M recipe로 하부층(Bottom layer)의 지지층 형성한다. (몰드에 입자 충전)

2. P recipe로 상부층(Top layer )의 기능층 형성한다. (몰드에 입자 충전)

즉, 앞의 실시예의 설명에서처럼 지지층의 입자는 크고 기능층의 입자는 상대적으로 작게 형성된다는 것이며, 하나의 몰드에 먼저 지지층을 충전한 다음 그 위에 기능층을 충전하는 방법으로 몰드에 각각의 층을 형성한다는 것이다.

3. Top layer SiC mesh는 다중입도(입자의 크기가 2 개 이상을 가진 경우) 또는 단일입도(입자의 크기가 하나인 경우)로 변경가능하며, 예로 #2000~#5000처럼 다양한 변화가 가능하다.

4. RBSC(Reaction Bonded Silicon Carbide) 성형을 위해 Disk 또는 Plate 형태의 분할 또는 일체형 금형으로 충진 높이 기준으로 50% 전후의 비율로 조절하여 Bottom, Top layer로 구성하여 가압성형 후 등방성 충 진을 위해 기밀처리 후 CIP성형을 진행하여 완료한다.

5. 제조된 성형체의 1차 경화시킨 후 900℃, 8h 탈지 공정으로 바인더를 탄화시키고 필요에 따라 1700℃, 4h 고온진공로에서 고온탈지를 진행하여 미세입도사이의 바인더를 완전 탄화시켜 완료한다,

6. Preform 상태의 탈지체를 고온진공로에 장입한 후, 카본와이어를 체결하여 1600℃~1730℃에서 융융된 metal Si 침윤공정 완료하게 된다.

7. 냉각공정완료 후 취출하여 황삭가공 및 정삭가공을 통해 최종 제품화를 위한 가공 후 다층 구조를 가진 RBSC(Reaction Bonded Silicon Carbide) 세라믹 소결체를 완료한다.

즉, 하나의 몰드(10)에 상부층과 하부층(혹은 하부층, 중심층 및 상부층)을 구성하는 물질을 충전하여 가압 성형하므로서 다층 구조의 성형체를 제조할 수가 있다는 것이다.

그리고, 상기의 과정에서 각각의 공정을 세부적으로 설명할 수가 있다.

1차 프레스 가압 성형체 제조 : 2종 원료 준비(granule type) 후 2종 Powder를 충진한 다음 1차 press 가압 성형체를 제조한다.

이때, 도 5는 1 차 프레스 가압 조건을 나타낸 실시예의 도면이다.

CIP 2차 성형체 제조 : 1차 프레스 성형체를 Sealing 작업한 후에 Sealing 후 CIP 2차 성형체를 제조한다. 이때, 공정 조건은 "150MPa / 5min"를 유지한다.

탈지 프로세스 : 1 단계( 3℃/min, 800℃ 승온 ( Ar flow )), 2 단계 ( 800℃, 8hr 유지) 및 3 단계( 8hr 유지 후 노냉 ( 240℃ Open ))의 과정을 거치게 된다.

이때, 도 6은 탈지 프로세스의 조건을 나타낸 실시예의 도면이다.

고온 탈지 Process : 1 단계( 5℃/min, 800℃ 승온 ), 2 단계 ( 800℃부터 3℃/min, 1800℃ 승온 ( Ar flow ) ), 3 단계 ( 1800℃ 3hr 유지), 4 단계 ( 3hr 유지 후 노냉 ( 240℃ Open ))의 과정을 거치게 된다.

이때, 도 7은 고온 탈지 Process의 조건을 나타내는 실시예의 도면이다.

도 8은 3 개 층을 가진 탄화규소 소결체의 실제 모습을 나타낸 사진이다.

도 9의 도 (A)와 도(B)는 입자의 크기가 서로 다른 이종 계면의 경계층을 확대한 사진이다.

한편, 지지층에 기능층을 형성하는 방법으로는 β- SiC 분말로 증착코팅할 수도 있지만 어느정도 두께를 가지는 분말 성형 코팅하는 것이 더 바람직하다. 어느정도의 두께를 가지면 수 마이크로미터 정도의 막이 가지는 한계를 극복할 수 있기 때문이다.

도 10은 각 층의 크기 비율을 나타내는 실시예의 도면이다.

도(A)에서 상부층인 L1의 두께가 앞의 실시예에서처럼 2 마이크로미터에서 50 마이크로 미터 혹은 수 mm 일수도 있다.

그러나 반드시 상기 숫자에 한정되는 것은 아니다. 그리고, 상부층 L 1 과 하부층 L2 의 두께 비율은 “L1 : L2 = 0.05 : 0.95 에서 L1 : L2 = 0.8 : 0.2 까지”다양한 변화를 줄 수가 있다. 즉, 상기 비율의 숫자의 변화가 반드시 소결체 특성에 영향을 주는 것은 아니며, 소결체의 설계 값에 따라 두께 비율에 변화를 얼마든지 할 수 있음을 보이는 실시예라는 것이다.

도 (B)에서 상부층인 L3의 두께와 하부층인 L5의 두께가 앞의 실시예에서처럼 2 마이크로미터에서 50 마이크로 미터 혹은 수 mm 일수도 있다. 그러나 반드시 상기 숫자에 한정되는 것은 아니다. 그리고, 상부층 L3(혹은 하부층 L5) 과 중심층 L4 의 두께 비율은 “L3(혹은 하부층 L5) : L4 = 0.05 : 0.95 에서 L3(혹은 L5) : L4 = 0.8 : 0.2 까지”다양한 변화를 줄 수가 있다.

그리고, 상부층인 L3의 두께와 하부층인 L5의 두께가 반드시 동일하여야 할 필요는 없다.

도 11은 다층 구조의 소결체를 제조하는 또 다른 실시예의 도면이다.

한편, 본 발명의 앞의 실시예에서는 다층 구조의 소결체를 몰드를 통하여 배치(batch) 타입 공정으로 제조하였으나, 각각의 층을 별도로 만든 다음 접합하는 방법을 사용할 수도 있다.

즉, 도(A)는 2 개 층을 가진 소결체일 경우 상부층과 하부층 사이에 실리콘 플레이트를 삽입하여 적층하는 방법을 사용하게 되는 것이다. 그런 다음 적어도 실리콘이 녹을 수 있는 온도인 1430℃ ~ 1480℃에서 10분 ~ 60분, 바람직하게는 10분 ~ 30분 정도 열을 가하게 된다.

한편, 도(B)는 3 개 층을 소결체일 경우 상부층과 중심층 하부층 사이에, 그리고, 중심층과 하부충 사이에 실리콘 플레이트를 삽입하여 적층하는 방법을 사용하게 되는 것이다. 그런 다음 적어도 실리콘이 녹을 수 있는 온도인 1430℃ ~ 1480℃에서 10분 ~ 60분, 바람직하게는 10분 ~ 30분 정도 열을 가하게 된다.

이때, 상기 실리콘 프레이트의 두께는 0.1 mm 이상이 되면 제조 방법이 용이할 수 있다. 즉, 실리콘 플레이트가 너무 얇으면 공정이 쉽지 않다는 것이다.

10 : 몰드 20 : 압력 덮개

Claims (4)

1. 다층 구조이고 기능층과 지지층을 포함하는 탄화규소 반응 소결체의 제조 방법에서,
   상기 탄화규소 반응 소결체는, 탄화규소와 수지를 혼합한 후 성형하고, 상기 성형체에 열을 가하여 수지를 열분해하여 탄화화하여 상기 성형체에 기공이 형성되고, 상기 성형체를 규소의 용융 및 침투가 일어나는 가열로에 함침하여 상기 형성된 기공을 채우므로서 만들어지고,
   기능층이 상부층을 형성하고 지지층이 하부층을 형성할 때에, 상부층을 형성하는 탄화규소 평균 입자의 크기가 하부층을 형성하는 탄화규소 평균 입자의 크기보다 더 작고,
   기능층이 위에 있는 상부층과 아래 있는 하부층을 형성하고 지지층이 가운데의 중심층을 형성할 때, 상부층과 하부층을 형성하는 탄화규소 평균 입자의 크기가 중심층을 형성하는 탄화규소 평균 입자의 크기보다 더 작으며,
   탄화규소 성형체를 제조하기 위하여 입자를 충전하는 몰드가 더 구비되고, 상기 몰드에 지지층의 탄화규소 입자를 충전하여 지지층을 형성하고, 상기 몰드에 기능층의 탄화규소 입자를 충전하여 기능층을 형성하고,
   기능층과 지지층이 형성되어 만들어진 성형체를 경화시키고 탈지시킨 후에, 1600 1730의 가열로에서 Si 를 침윤 시키는 것을 특징으로 하는 다층 구조와 이종 조성물을 가진 탄화규소 반응 소결체의 제조 방법.
   
2. 제 1항에 있어서,
   기능층의 두께가 지지층의 두께보다 더 얇은 것을 특징으로 하는 다층 구조와 이종 조성물을 가진 탄화규소 반응 소결체의 제조 방법.
   
3. 제 1 항에 있어서,
   지지층도 2층 이상이고 혹은 기능층도 2층 이상인 것을 특징으로 하는 다층 구조와 이종 조성물을 가진 탄화규소 반응 소결체의 제조 방법.
   
4. 제 1항에 있어서,
   지지층을 형성하는 입자의 종류는 기능층을 형성하는 입자의 종류보다 더 많은 것을 특징으로 하는 다층 구조와 이종 조성물을 가진 탄화규소 반응 소결체의 제조 방법.

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