KR101550882B1 - 세라믹 기판 및 이의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

세라믹 기판 및 이의 제조방법이 제공되고, 본 발명의 일 구현예에 따른 세라믹 기판은 알루미늄을 포함하고, 서로 마주보는 상부 표면(upper surface) 및 하부 표면(lower surface)을 갖는 질화물 층을 포함하고, 질화물 층의 내부에서 상부 표면에 가까워질수록 질소 농도가 낮아지고, 질화물 층 내부에서 상부 표면에 가까워질수록 산소원자, 수소원자, 또는 염소원자의 농도가 높아지는 것일 수 있다.

Description

세라믹 기판 및 이의 제조방법{CERAMIC SUBSTRATE AND MANUFACTURING METHOD THEREOF}
세라믹 기판 및 이의 제조방법이 제공된다.
높은 열전도도 및 전기 절연 저항 특성을 가지는 방열 부품으로, 산화 알루미늄(Al2O3), 질화 알루미늄(AlN) 등과 같은 세라믹 소재를 사용할 수 있다.
통상적으로 산화알루미늄(Al2O3)의 경우, 백색을 띄며 열전도도의 경우 약 35 W/Mk이며, 질화 알루미늄(AlN)의 경우 회재빛을 띄는 동시에 약 250 W/mK의 열전도도 특성을 가진다.
따라서, 고방열 세라믹 소재가 필요한 경우, 산화 알루미늄(Al2O3)보다 질화 알루미늄(AlN) 소재를 사용하는 것이 유리하다. 그러나, 질화 알루미늄(AlN) 소재 표면과 금속 기재 등이 잘 접촉이 이뤄지지 않기 때문에, 금속 배선이 벗겨지는 등의 가공상 어려움이 존재한다. 그러므로, 금속과의 접착력이 우수한 산화 알루미늄(Al2O3)를 부득이하게 사용하거나, 까다로운 공정(high power sputtering 방법 등)을 통해 금속과의 접착력을 높여 질화 알루미늄(AlN)을 사용하고 있는 실정이다. 그러나, 이러한 방법은 제품의 열적 신뢰성 특성을 저하시켜 제품의 신뢰성을 떨어뜨리는 결과를 초래할 수 있다.
본 발명의 일 구현예는 열전도도가 우수하고, 금속과의 우수한 접착력을 가지는 세라믹 기판을 제공하기 위한 것이다.
본 발명의 일 구현예는 열전도성이 우수하고, 금속과의 우수한 접착력을 가지는 세라믹 기판의 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
상기 과제 이외에도 구체적으로 언급되지 않은 다른 과제를 달성하는 데 본 발명에 따른 구현예가 사용될 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서는 알루미늄을 포함하고, 서로 마주보는 상부 표면(upper surface) 및 하부 표면(lower surface)을 갖는 질화물 층을 포함하고, 질화물 층의 내부에서 상부 표면에 가까워질수록 질소 농도가 낮아지고, 질화물 층 내부에서 상부 표면에 가까워질수록 산소원자, 수소원자, 또는 염소원자의 농도가 높아지는 세라믹 기판을 제공한다.
상부 표면의 표면 조도(Rq)는 약 0.076 내지 0.165 nm일 수 있다.
상부 표면에서의 산소원자, 수소원자 또는 염소원자의 농도는 상부 표면의 전체 원자 대비 약 10 내지 60 원자 %일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서는 알루미늄을 포함하는 질화물 층을 포함하는 기판을 준비하는 단계, 질화물 층의 상부 표면에 산소(O2), 수소(H2), 또는 염소(Cl2) 기체를 접촉시키는 단계, 그리고, 산소(O2), 수소(H2), 또는 염소(Cl2) 기체와 접촉하고 있는 상기 질화물 층을 포함하는 기판을 가열하는 단계를 포함하는 세라믹 기판의 제조방법을 제공한다.
가열하는 단계의 온도는 약 900 ℃ 내지 1100 ℃일 수 있다.
질화물 층의 상부 표면에 산소(O2), 수소(H2), 또는 염소(Cl2) 기체를 접촉시키는 단계의 산소(O2), 수소(H2), 또는 염소(Cl2) 기체의 농도는 약 5 부피 % 이상 일 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 세라믹 기판은 우수한 열전도도가 우수하고, 금속과의 접착력이 우수하여, 표면 상에 금속 배선 등의 형성이 용이할 수 있다. 또한, 가열조건이 제어된 간단한 열처리 공정을 포함하여, 열전도도 및 금속과의 접착력이 우수한 세라믹 기판의 제조방법을 제공할 수 있다.
도 1은 비교예 1 및 실시예 1 내지 3에 대한 상부 표면을 관찰한 원자힘현미경(atomic force microscopy, AFM) 촬영사진이다.
도 2는 비교예 1의 단면에 대한 SEM 촬영사진, 함량원소를 나타내는 EDS 분석 그래프 및 표이다.
도 3은 실시예 1의 단면에 대한 SEM 촬영사진, 함량원소를 나타내는 EDS 분석 그래프 및 표이다.
도 4는 실시예 2의 단면에 대한 SEM 촬영사진, 함량원소를 나타내는 EDS 분석 그래프 및 표이다.
도 5는 실시예 3의 단면에 대한 SEM 촬영사진, 함량원소를 나타내는 EDS 분석 그래프 및 표이다.
도 6은 비교예 1의 상부 표면에 대한 SEM 촬영사진, 함량원소를 나타내는 EDS 분석 그래프 및 표이다.
도 7은 실시예 1의 상부 표면에 대한 SEM 촬영사진, 함량원소를 나타내는 EDS 분석 그래프 및 표이다.
도 8은 실시예 2의 상부 표면에 대한 SEM 촬영사진, 함량원소를 나타내는 EDS 분석 그래프 및 표이다.
도 9는 실시예 3의 상부 표면에 대한 SEM 촬영사진, 함량원소를 나타내는 EDS 분석 그래프 및 표이다.
도 10은 비교예 1 및 실시예 1 내지 3에 대한 금속 박막과의 접착력 평가 실험 결과를 나타내는 사진이다.
이하, 본 발명의 일 구현예를 상세히 설명하기로 한다. 다만, 이는 예시로서 제시되는 것으로, 이에 의해 본 발명이 제한되지는 않으며 본 발명은 후술할 청구범위의 범주에 의해 정의될 뿐이다.
본 발명의 일 구현예에서는 알루미늄을 포함하고, 서로 마주보는 상부 표면(upper surface) 및 하부 표면(lower surface)을 갖는 질화물 층을 포함하고, 질화물 층의 내부에서 상부 표면에 가까워질수록 질소 농도가 낮아지고, 질화물 층 내부에서 상부 표면에 가까워질수록 산소원자, 수소원자, 또는 염소원자의 농도가 높아지는 세라믹 기판을 제공한다.
세라믹 기판은 질화물 만을 포함하는 질화물 층일 수 있고, 다른 원소를 더 포함하는 질화물 층일 수 있다. 예를 들어, 산소, 수소 또는 염소원자를 더 포함하는 질화물 층일 수 있다. 산소 또는 수소원자를 더 포함하는 질화물 층인 경우, 질화물 층의 내부에서 상부 표면에 가까워질수록 산소원자, 수소원자 또는 염소원자의 농도(함량)가 연속적이고 점차적으로 높아질 수 있다. 질화물 층 내부에서 상부 표면에 가까워질수록 질소 농도(함량)가 연속적이고 점차적으로 낮아질 수 있다. 질화물 층의 내부에서 상부 표면에 가까워질수록 산소원자, 수소원자, 또는 염소원자의 농도(함량)가 높아짐에 따라, 상기 세라믹 기판의 표면 상에서 금속 재료와의 접착력은 개선됨과 동시에, 높은 열전도도 및 전기 절연 저항 특성을 유지할 수 있다.
세라믹 기판의 상부 표면의 표면 조도(surface roughness, Rq)는 약 0.076 내지 0.165 nm일 수 있다. 표면 조도를 나타내는 파라미터에는 Ra 및 Rq 등이 있다. 표면 조도(Ra)는 중심선평균조도(arithmetical average roughness, centerline average roughness)이고, 중심선에서 단면곡선까지의 평균 높이로서 Ra, CLA, AA 등의 기호로 표시한다. 표면 조도(Rq)는 상기 표면 조도(Ra)의 제곱평균제곱근을 의미한다. 상부 표면의 표면 조도가 상기 범위 내이면, 거칠기 증가에 의한 세라믹 기판의 표면 및 금속 재료와의 접착력 감소는 최소화할 수 있는 동시에, 세라믹 기판의 표면 상에 다른 원소를 도입함으로 인한 금속 재료와의 접착력을 증가시킬 수 있다.
상부 표면에서의 산소원자, 수소원자 또는 염소원자의 농도는 상기 상부 표면의 전체 원자 대비 약 10 내지 60 원자 %일 수 있다. 상기 원자 % 범위 내에서, 세라믹 기판의 높은 열전도도 및 전기 절연 저항 특성 저하를 최소화함과 동시에, 세라믹 기판 표면과 금속 재료와의 접착력을 증가시킬 수 있다.
본 발명의 일 구현예에서는 알루미늄을 포함하는 질화물 층을 포함하는 기판을 준비하는 단계, 질화물 층의 상부 표면에 산소(O2), 수소(H2), 또는 염소(Cl2) 기체를 접촉시키는 단계, 그리고, 산소(O2), 수소(H2), 또는 염소(Cl2) 기체와 접촉하고 있는 상기 질화물 층을 포함하는 기판을 가열하는 단계를 포함하는 세라믹 기판의 제조방법을 제공한다.
이하, 본 발명의 일 구현예에 따른 세라믹 기판의 제조방법을 각 단계별로 상세히 설명한다.
먼저, 알루미늄을 포함하는 질화물 층을 포함하는 기판을 준비하는 단계는 높은 열전도도 및 전기 절연 저항 특성이 우수한 알루미늄을 포함하는 질화물 층을 포함하는 기판을 준비하는 단계이다. 예를 들어, 일반적으로 상용되는 질화 알루미늄 기판을 구입하거나, 고상의 입자를 소결하는 방법 등으로 제조하여 준비할 수 있다.
다음으로, 질화물 층의 상부 표면에 산소(O2), 수소(H2), 또는 염소(Cl2) 기체를 접촉시키는 단계를 수행할 수 있다. 이 단계는 질화물 층의 상부 표면에 존재하는 질소 원자를 산소, 수소 또는 염소 원자로 치환시키기 위한 단계이다. 예를 들어, 질화물 층을 포함하는 세라믹 기판이 위치하는 반응기 내부에, 산소(O2), 수소(H2), 또는 염소(Cl2) 기체를 주입하여 질화물 층의 상부 표면에 산소(O2), 수소(H2), 또는 염소(Cl2) 기체를 접촉시키는 단계일 수 있다.
이때, 질화물 층의 상부 표면에 산소(O2), 수소(H2), 또는 염소(Cl2) 기체를 접촉시키는 단계의 산소(O2), 수소(H2), 또는 염소(Cl2) 기체의 농도는 약 5 부피 % 이상 일 수 있다. 예를 들어, 산소(O2), 수소(H2), 또는 염소(Cl2) 기체의 농도는 5 부피 %이거나, 100 부피 %일 수 있다. 상기 기체의 농도 범위 내에서, 세라믹 기판의 질화물 층 상부 표면과 적절히 화학반응을 일으킬 수 있다.
다음으로, 산소(O2), 수소(H2), 또는 염소(Cl2) 기체와 접촉하고 있는 질화물 층을 포함하는 기판을 가열하는 단계는, 산소(O2), 수소(H2), 또는 염소(Cl2) 기체와 접촉하고 있는 질화물 층 상부 표면 및 산소(O2), 수소(H2), 또는 염소(Cl2) 기체 간의 화학반응을 통해 질화물 층 상부 표면의 원자조성을 변화시키는 단계이다.
가열하는 단계의 온도는 약 900 ℃ 내지 1100 ℃일 수 있다. 상기 온도 범위 내에서, 세라믹 기판의 내부 조성 변화는 최소화시키고, 상부 표면만의 원자조성을 변화시킬 수 있다. 이를 통해, 알루미늄을 포함하는 질화물 자체의 우수한 열전도도 및 전기 절연 저항 특성을 나타냄과 동시에, 상부 표면에 증착될 수 있는 금속 재료와의 접착력을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 일 구현예에 따른 세라믹 기판의 제조방법은 세라믹 기판의 상부 표면뿐만 아니라, 하부 표면, 측부 표면 각각에 대하여, 선택적으로 또는 동시에 모든 표면 상에 적용가능 하다. 이를 통해, 제조된 세라믹 기판의 일 표면 이상 상에 증착될 수 있는 금속 재료와의 접착력이 향상될 수 있다. 예를 들어, 상기 금속 재료는 금속 배선일 수 있다.
이하, 실시예를 들어 본 발명에 대해서 더욱 상세하게 설명할 것이나, 하기의 실시예는 본 발명의 실시예일뿐 본 발명이 하기 실시예에 한정되는 것은 아니다.
< 비교예 1>
시중에서 구입한 두께가 약 600 마이크로미터인 AlN 기판(Ceramatec)을 준비한다.
< 비교예 2>
시중에서 구입한 두께가 약 600 마이크로미터인 Al2O3 기판(Ceramatec)을 준비한다.
< 실시예 1>
비교예 1에 따른 세라믹 기판에 대하여, 대기 중에서 약 900 ℃에서 약 4 시간 동안 가열하여 열처리된 세라믹 기판을 제조한다.
< 실시예 2>
실시예 1에 있어서, 열처리 온도를 1000 ℃로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 열처리된 세라믹 기판을 제조한다.
< 실시예 3>
실시예 1에 있어서, 열처리 온도를 1100 ℃로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 수행하여 열처리된 세라믹 기판을 제조한다.
< 실험예 1>조도 특성 평가
실시예 1 내지 3 및 비교예 1에 대하여, 표면 조도(Rq)를 평가하기 위하여, 하기와 같은 실험을 수행한다.
원자힘현미경(atomic force microscopy, AFM) 계측기를 이용하여 표면 조도(Rq)를 측정한다. 도 1은 원자힘현미경(atomic force microscopy, AFM)을 이용하여 촬영한 비교예 1 및 실시예 1 내지 3의 상부 표면 사진이다.
비교예 1 실시예 1 실시예2 실시예 3
Rq
(nm)		 0.075 0.082 0.091 0.165
실험 결과, 비교예 1 및 실시예 1 내지 실시예 3의 표면 조도(Rq) 차이는 약 0.09 nm이하로, 열처리에 의해 매우 작은 표면 조도의 변화만이 발생함을 알 수 있다.
< 실험예 2>방열 특성 평가
실시예 1 내지 3, 그리고 비교예 1 및 2에 대하여, 네취사의 LFA477 측정장비를 이용하여, 기판의 수직방향 및 수평방향의 열전도도 특성을 평가한다.
그 결과를 하기의 표 2 및 표 3에 나타내고 있다.
측정방법 샘플 열전도도(W/mK)
수직방향
(Through-plane)
열전도도		 비교예 1(AlN) 75.506
비교예 2(Al2O3) 15.445
실시예 1(900℃) 46.746
실시예 2(1000℃) 47.423
실시예 3(1100℃) 43.045
측정방법 샘플 열전도도(W/mK)
수평방향
(In-plane)
열전도도		 비교예 1(AlN) 127.411
비교예 2(Al2O3) 18.104
실시예 1(900℃) 131.771
실시예 2(1000℃) 158.92
실시예 3(1100℃) 131.88
실험결과, 수직 방향의 열전도도는 비교예 1이 가장 우수하고, 실시예 1 내지 3은 비교예 1과 대비하여, 약 30 W/mK 의 열전도도 차이가 있을 뿐이고, 비교예 2와 대비하여, 열전도도가 우수함을 알 수 있다. 또한, 수평 방향의 열전도도는 실시예 1 내지 3은 비교예 1 및 2에 비하여 우수함을 알 수 있다.
< 실험예 3>성분 변화 분석
비교예 1 및 실시예 1 내지 3에 대하여, EDS를 이용하여 열처리에 의한 성분원소 함량 변화를 분석한다. 도 2 내지 도 5는 각각, 비교예 1, 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3의 단면에 대한 SEM 촬영사진, 그리고 함량 원소를 나타내는 EDS 분석 그래프 및 표이다. 또한, 도 6 내지 9는 각각, 비교예 1, 실시예 1, 실시예 2, 실시예 3의 상부 표면에 대한 SEM 촬영사진, 그리고 함량 원소를 나타내는 EDS 분석 그래프 및 표이다.
실험 결과, 단면 분석의 경우(도 2 내지 도 5 참조), 전체 질소, 알루미늄 등의 함량 %의 변화가 거의 없음을 알 수 있다. 도 3에서 나타나는 미량의 산소 원자(3.96 원자 %)는 열처리에 의해 세라믹 기판의 내부에 도입되었다기 보다, 열처리 전 알루미늄을 포함하는 질화물 기판을 제조하는 과정에서 대기 중의 산소가 미량 포함되거나, 단면 내부가 아닌 최상부(상부 표면 층)에 존재할 수 있는 미량의 산소가 검출된 것으로 볼 수 있다.
그리고, 상부 표면분석의 경우(도 6 내지 도 9 참조), 산소원자의 함량이 열처리 온도가 증가함에 따라 증가하는 것을 알 수 있다.
이로부터, 열처리 과정을 통해, 기판 내부의 성분 변화는 거의 없으면서, 기판 상부 표면의 질소 원자가 산소 원자로 치환되어, 기판 상부 표면성분이 변화됨을 알 수 있다.
< 실험예 4>접착력 평가
비교예 1 및 실시예 1 내지 3에 대하여, 금속 박막의 접착력을 평가하기 위하여 하기와 같은 실험을 수행한다.
먼저, 상용화된 테이프(ScotchTm, 3 M사)를 이용하여, 비교예 1 및 실시예 1 내지 3의 상부 표면에 상기 테이프를 부착한 후 테이프를 떼어내는 방법으로 테이프 시험(tape testing)을 수행한다.
그 결과를 촬영한 사진을 도 10에서 나타내고 있다.
실험 결과, 열처리를 수행한 실시예 1 내지 3는 비교예 1에 비하여 금속 박막과의 접착력이 향상되었음을 확인할 수 있다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (6)

  1. 알루미늄을 포함하고, 서로 마주보는 상부 표면(upper surface) 및 하부 표면(lower surface)을 갖는 질화물 층을 포함하고,
    상기 질화물 층의 내부에서 상기 상부 표면에 가까워질수록 질소 농도가 낮아지고,
    상기 질화물 층 내부에서 상기 상부 표면에 가까워질수록 산소원자, 수소원자, 또는 염소원자의 농도가 높아지며,
    상기 상부 표면에서의 산소원자, 수소원자 또는 염소원자의 농도는 상기 상부 표면의 전체 원자 대비 10 내지 60 원자 %인 세라믹 기판.
  2. 제1항에서,
    상기 상부 표면의 표면 조도(Rq)가 0.076 내지 0.165 nm인 세라믹 기판.
  3. 삭제
  4. 알루미늄을 포함하고, 서로 마주보는 상부 표면 및 하부 표면을 갖는 질화물 층을 포함하는 기판을 준비하는 단계,
    상기 질화물 층의 상부 표면에 산소(O2), 수소(H2), 또는 염소(Cl2) 기체를 접촉시키는 단계, 그리고,
    상기 산소(O2), 수소(H2), 또는 염소(Cl2) 기체와 접촉하고 있는 상기 질화물 층을 포함하는 기판을 가열하여, 상기 질화물 층 내부에서 상기 상부 표면에 가까워질수록 질소 농도가 낮아지고, 상기 질화물 층 내부에서 상기 상부 표면에 가까워질수록 산소원자, 수소원자, 또는 염소원자의 농도가 높아지도록 상기 상부 표면의 원자조성을 변화시키는 단계
    를 포함하고,
    상기 질화물 층의 상부 표면에 산소(O2), 수소(H2), 또는 염소(Cl2) 기체를 접촉시키는 단계의 산소(O2), 수소(H2), 또는 염소(Cl2) 기체의 농도는 5 부피 %인 세라믹 기판의 제조방법.
  5. 제4항에서,
    상기 가열하는 단계의 온도는 900 ℃ 내지 1100 ℃인 세라믹 기판의 제조방법.
  6. 삭제
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