KR101579885B1 - 고온용 질화알루미늄 히터 및 그 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고온용 질화알루미늄 히터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 a) AlN 기판에 발열체 회로를 인쇄하는 단계; b) 인쇄된 발열체 회로를 열처리하는 단계; c) AlN 기판에 단자부 도체 회로를 인쇄하는 단계; d) 인쇄된 단자부 도체 회로를 열처리하는 단계; e) 발열체 및 도체 회로가 열처리된 회로를 절연처리하는 단계; f) 단자부 도체 회로 표면을 가교성 금속을 이용하여 도금하는 단계; g) 가교성 금속으로 도금 처리된 단자부 도체 회로에 브레이징(brazing) 처리하여 전원부와 연결시키는 단자부 형성 단계; 및 h) 형성된 단자부에 전력선을 연결하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고온용 질화알루미늄 히터의 제조방법을 제공한다.
이와 같은 본 발명에 따르면, 450℃ 정도의 운용온도를 갖는 고온용 히터에서 사용되는 기판은 Ag와 Pd 로 형성된 회로와 800~850℃ 열처리를 통한 AlN 기판간의 접합력 강화로 인하여 400~450℃의 고온에서도 저항 값의 변화가 적고, 접합력을 향상시키는 효과가 있어 장기간의 사용시에도 저항값 변화를 최소화하여 고신뢰성이 확보되어 보다 안정적으로 사용 할 수 있다.

Description

고온용 질화알루미늄 히터 및 그 제조방법{AlN heater used at high temperature and the manufacturing method of the same}
본 발명은 고온용 질화알루미늄 히터 및 그 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 a) AlN 기판에 발열체 회로를 인쇄하는 단계; b) 인쇄된 발열체 회로를 열처리하는 단계; c) AlN 기판에 단자부 도체 회로를 인쇄하는 단계; d) 인쇄된 단자부 도체 회로를 열처리하는 단계; e) 발열체 및 도체 회로가 열처리된 회로를 절연처리하는 단계; f) 단자부 도체 회로 표면을 가교성 금속을 이용하여 도금하는 단계; g) 가교성 금속으로 도금 처리된 단자부 도체 회로에 브레이징(brazing) 처리하여 전원부와 연결시키는 단자부 형성 단계; 및 h) 형성된 단자부에 전력선을 연결하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고온용 질화알루미늄 히터의 제조방법을 제공한다.
최근 웨이퍼(Wafer)의 대구경화 경향으로 인해, 그 구경이 300mm, 450mm 등으로 증가되고 있으며, 구경이 증가되는 만큼 이전에 비하여 제품의 불량율도 늘어나고 있고, 따라서 웨이퍼의 수율 향상을 높이기 위하여 웨이퍼 베이크용 핫 플레이트(Hot Plate)의 온도를 정밀하게 제어할 필요성이 증대되고 있다.
종래 열판(핫 플레이트) 재질로서는 질화알루미늄(AlN) 소결체가 사용되었는데, 위 질화알루미늄은 열전도율 이 좋고 고절연성을 가지고 있으며, 독성도 없기 때문에 반도체 공업에 있어서 절연재료 혹은 패캐지재로로서 유망한 재료로서 인정 될 수 있다.
또한, 절연성이 낮고 전도성을 띄는 탄화물 세라믹스도 적용 할 수 있었는데, 예를 들어 , 탄화규소(SiC) 세라믹스를 사용하는 경우, 탄화규소는 재질적으로 고열전도성 ,중절연성을 가지고 있으며, 독성도 없기 때문에 반도체 공업에 있어서 절연재료 혹은 치공구 재료로서 주목을 모으고 있다. 또한 고온에 이르기까지 열화가 일어나지 않아 강도가 저하되지 않을 뿐 아니라 내화학성도 우수하여 내열재료로 사용되는 한편, 웨이퍼와 비슷한 특성을 가지고 있어, 반도체 공정의 더미(dummy) 웨이퍼(일측만 연마된 시험용 웨이퍼) 재료로서도 유망시 되고 있다.
한편, 반도체용 핫플레이트(hot plate)를 제작하기 위한 종래의 기술은 AlN 소재에 열선을 제작하여 내부에 삽입하는 공법에 관한 것으로, 이는 저온용(200~230℃) 핫 플레이트 제조에 용이한 공법이며, 다만 부위별 온도 편차가 심한 문제점이 있다. 균일한 온도 분포를 얻기 위해 AlN 기판위에 회로를 무전해 도금하는 공법이 적용되고 있으며, 이는 저온 또는 중고온용 (200~250℃)에서 사용 가능하다. 그러나, 고온(400~450℃)일 경우 도금층과 AlN 소재간 들뜸이 발생되어 장기간 사용시 저항값 변화가 극심하고 따라서 이러한 공법은 고온용 핫 플레이트 용으로는 적합하지 않다.
한편, 핫 플레이트의 제작과 관련하여 본 출원인은 대한민국 등록특허 제10-07579452호 "니켈패턴이 형성된 질화알루미늄 기판의 제조방법" 및 이를 보완하기 위한 대한민국 등록특허 제10-1164128호 "고온용 세라믹 히터 및 그 제조방법"을 보유하고 있다.
위 등록특허 제10-1164128호에서 개시되는 도금층을 형성하는 공정은 니켈-인 화합물을 무전해 도금하여 1차 회로를 형성한 후 상기 회로를 안정화 및 보호하기 위하여 니켈(Ni)-텅스텐(W)-붕소(B) 화합물을 무전해 도금 처리하여 보다 높은 온도에서도 상안정성을 갖도록 하였다. 여기서, 무전해 도금 방식은 세라믹 기판과의 밀착력에 일정정도 문제가 발생되는 것이 확인되었으며, 장기 사용시 저항변화가 커서 신뢰성 확보에 불안한 특징을 나타내었다.
따라서, 이러한 문제점을 개선하여 보다 높은 온도(고온 400~450℃)에서 사용시에도 회로와 AlN 기판 간의 밀착력이 잘 유지되며, 장기 사용시 저항값 변화가 적고, 안정한 장수명 고온용 히터를 구현하기 위한 공법을 개발하여야 하는 실정이다.
본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명은 발열체 회로의 재료 및 도체 회로의 재료로서 Ag/Pd를 사용하되, 이를 페이스트 형태로 하여 인쇄공법으로 AlN 기판상에 회로를 구현함으로써 발열체 회로 및 도체 회로의 구현이 용이하게 수행되도록 하는데 목적이 있다.
또한, 본 발명은 이와 같은 발열체 회로와 전력 공급 단자부인 도체 회로의 재료를 Ag/Pd 성분 비율상 서로 다르게 조성함으로써, 도체 회로 부분에서의 발열을 최소화하여 단자 수명을 증진시키는데 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 발열체 회로와 도체 회로를 각각 인쇄 및 건조한 후 800~850℃의 온도범위에서 별도로 열처리 함으로써 각 회로와 AlN 기판과의 밀착력을 향상시키도록 하는데 또 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 유리계 성분에 첨가물로서 알루미나(Al2O3), 이산화규소(SiO2), 산화붕소(B2O3)를 첨가하여 발열체 회로 및 도체 회로 표면에 인쇄한 후 열처리하여 각 회로의 절연성을 확보하도록 하는데 또 다른 목적이 있다.
또한, 본 발명은 400~450℃ 정도에서 발열이 될 때에도 접합 단자부인 도체부가가 떨어지지 않도록 800~850℃에서 브레이징 처리하여 단자부의 접합 강도(밀착력)와 내구성을 개선하도록 하고, 이로써, AlN히터가 고온에서 장시간 작동하여도 저항 변화 폭이 적고, 회로의 들뜸이 없는 고신뢰성 히터를 구현하도록 하는데 또 다른 목적이 있다.
본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, a) AlN 기판에 발열체 회로를 인쇄하는 단계; b) 인쇄된 발열체 회로를 열처리하는 단계; c) AlN 기판에 단자부 도체 회로를 인쇄하는 단계; d) 인쇄된 단자부 도체 회로를 열처리하는 단계; e) 발열체 및 도체 회로가 열처리된 회로를 절연처리하는 단계; f) 단자부 도체 회로 표면을 가교성 금속을 이용하여 도금하는 단계; g) 가교성 금속으로 도금 처리된 단자부 도체 회로에 브레이징(brazing) 처리하여 전원부와 연결시키는 단자부 형성 단계; 및 h) 형성된 단자부에 전력선을 연결하는 단계;를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고온용 질화알루미늄 히터의 제조방법을 제공한다.
상기 a) 단계 이전에, AlN 기판을 정면 처리하는 단계; 및 AlN 기판을 세정 처리하는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 브레이징 처리는 코바르(kovar)를 사용하여 용접함으로써 수행되는 것이 바람직하다.
상기 용접은 800 ~ 850℃의 범위에서 수행되는 것이 바람직하다.
상기 가교성 금속은 Ni인 것이 바람직하다.
상기 발열체 회로 및 단자부 도체 회로는 Ag와 Pd를 재질로 하여 인쇄되는 것이 바람직하다.
상기 발열체 회로 및 단자부 도체 회로의 인쇄시 Pd의 양은 서로 상이하게 적용되는 것이 바람직하다.
상기 Pd의 양은 발열체 회로의 경우 Ag와 Pd 합산 중량대비 10wt% 초과 20wt% 이하이며, 단자부 도체 회로의 경우 5wt% 이상 10wt% 이하인 것이 바람직하다.
상기 절연처리는 유리성분에 Al2O3, B2O3, SiO2를 더 첨가하여 2차시유(over glazing)하는 과정에 의해 수행되는 것이 바람직하다.
상기 유리성분은 35 ~ 50wt%, Al2O3는 25 ~ 30wt%, B2O3는 5 ~ 10 wt%, SiO2는 30 ~ 40wt%인 것이 바람직하다.
상기 히터는 그 내부와 외부의 온도 편차를 줄이기 위하여 히터 외부존과 히터 내부존으로 구분되는 2개의 존(zone)으로 구성되는 것이 바람직하다.
상기 내부존은 외부존에 비하여 회로의 패턴의 폭을 더 좁게 형성한 것이 바람직하다.
상기 h) 단계는 아르곤 용접 방법에 의하여 수행되는 것이 바람직하다.
h) 단계 이후에, 온도 센싱을 위해 써모 커플(thermocouple)을 연결하는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.
상기 질화알루미늄 히터의 표면은 조도 산술 평균 값(Ra)이 0.8~1.0의 범위가 되도록 하는 것이 바람직하다.
또한, 본 발명은 전술한 방법에 의하여 제조되며, 발열체 회로와 단자부 도체 회로가 인쇄방법에 의해 형성되며, 발열부 회로와 단자부 도체 회로의 조성이 상이하며, 발열부 회로의 패턴폭이 단자부 도체 회로의 패턴폭에 비하여 좁게 구현된 것을 특징으로 하는 고온용 질화알루미늄 히터를 제공한다.
이상과 같은 본 발명에 따르면 발열체 회로의 재료 및 도체 회로의 재료로서 Ag/Pd를 사용하되, 이를 페이스트 형태로 하여 인쇄공법으로 AlN 기판상에 회로를 구현함으로써 발열체 회로 및 도체 회로의 제작상 용이성을 확보할 수 있는 작용효과가 기대된다.
또한, 이와 같은 발열체 회로와 전력 공급 단자부인 도체 회로의 재료를 구성하되, Ag/Pd 성분 비율이 서로 차이가 나도록 조성함으로써, 도체 회로 부분에서의 발열을 최소화하여 단자 수명을 증진시키는 작용효과가 기대된다.
또한, 발열체 회로와 도체 회로를 각각 인쇄 및 건조한 후 800~850℃의 온도범위에서 별도로 열처리 함으로써 각 회로와 AlN 기판과의 밀착력을 향상시키도록 하는 작용효과가 기대된다.
또한, 유리계 성분에 첨가물로서 알루미나(Al2O3), 이산화규소(SiO2), 산화붕소(B2O3)를 첨가하여 발열체 회로 및 도체 회로 표면에 인쇄 열처리하여 각 회로의 절연성을 보다 더 우수하게 구현하도록 하는 작용효과가 기대된다.
또한, 400~450℃ 정도의 고온에서 발열이 될 때에도 접합 단자부인 도체부가 박리되지 않도록 800~850℃에서 브레이징 처리하여 단자부의 접합 강도(밀착력)와 내구성을 개선하도록 하고, 이로써, AlN히터가 고온에서 장시간 작동하여도 저항 변화 폭이 적고, 회로의 들뜸이 없는 고신뢰성 히터를 구현하도록 하는 작용효과가 기대된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고온용 히터의 제조에 대한 공정도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고온용 히터의 온도 저항특성을 나타내는 그래프이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 400℃ 발열시 사이클 횟수에 따른 저항 변화 특성을 나타내는 그래프이다.
도 4는 본 발명의 일 실시예에 따른 2개의 존(zone)으로 구성된 발열체 회로를 나타내는 도면이다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 도체 회로를 나타내는 도면이다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열체 회로 및 도체 회로 상에 절연면을 형성한 것을 나타내는 도면이다.
도 7은 본 발명의 고온용 히터의 층간구조를 나타내는 모식도이다.
이하에서는 본 발명을 첨부되는 도면과 바람직한 실시예를 기초로 보다 상세히 설명하기로 한다.
본 발명은 발열체 회로의 재료 및 도체 회로의 재료로서 Ag/Pd를 사용하되, 이를 페이스트 형태로 하여 인쇄공법으로 AlN 기판상에 회로를 구현한 것이며, 종래의 도금 방식에 비하여 접착력이 우수하다.
니켈(Ni) 도금방식 발열체 경우 300℃ 구간 까지 비정질을 유지하지만, 400 ~ 450℃ 구간에서는 비정질로부터 결정립 성장이 이루어져 결정립들이 조대해지는 상변화 특성을 가진다. 이는 고온용 히터의 실제 사용구간 온도인 400℃ 이상에서는 니켈 결정구조 변화로 인한 발열체 저항의 변화가 발생되며, 이러한 저항 변화는 히터의 컨트롤 제어에 어려움을 준다. 반면 인쇄 방식의 경우 800℃ 열처리를 통해 Ag/Pd가 완전 소결 됨으로서, 800℃ 이하 구간에서는 결정구조의 안정성이 우수한 특성을 가짐과 동시에 기존 니켈도금방식의 발생되는 결정 구조 변화에 따른 저항변화가 발생되지 않아, 고온용 히터 사용시 안정적인 온도 제어가 가능하다. 또한, Ag와 Pd 페이스트에 5% 비율의 첨가제(Glass Frit 계열)를 첨가함으로 서, AlN 기판과의 밀착력이 우수하게 구현된다.
도 1은 본 발명의 일 실시예에 따른 고온용 히터의 제조에 대한 공정도이다.
본 발명의 일 실시예에 의한 질화알루미늄 고온용 히터는 a) AlN 기판을 정면 처리하는 단계; b) AlN 기판을 세정 처리하는 단계; c) AlN 기판에 발열체 회로를 인쇄하는 단계; d) 인쇄된 발열체 회로를 열처리하는 단계; e) AlN 기판에 단자부 도체 회로를 인쇄하는 단계; f) 인쇄된 단자부 도체 회로를 열처리하는 단계; g) 발열체 및 도체 회로가 열처리된 회로를 절연처리하는 단계; h) 단자부 도체 회로 표면을 Ni 도금하는 단계; i) Ni 도금 처리된 단자부 도체 회로에 코바르(kovar)를 사용하여 브레이징(brazing) 처리하여 전원부와 연결이 가능하도록 하는 단자부 형성 단계; j) 형성된 단자부에 아르곤(Ar) 용접 처리하여 전력선을 연결하는 단계; k) 온도 센싱을 위해 써모 커플(thermocouple)을 연결하는 단계를 포함하여 구성되며 , AlN 기판 표면 조도 산술 평균 값(Ra)이 0.8~1.0의 범위가 되도록 하는 과정에 의하여 제조된다.
여기서, Ni는 발열체 회로와 브레이징을 위한 물질간의 가교성 금속으로서 Ni 이외에도 다른 물질로 대체가 가능하나, 바람직하게는 Ni가 접합력 면에서 가장 우수하다고 할 것이다.
또한, 브레이징도 코바르 이외의 다른 물질도 가능하나, 여기서는 접합력 면에서 가장 우수한 것으로 채택한 것이다.
상기 c) 단계에서 발열체 회로의 재료는 Pt, W, Mo, Ni, Ta, SiC, MoSi2, Ni-Cr 합금, Fe-Cr 합금 또는 이들의 합성물로 이루어진 재료를 적용할 수 있으나, 본 발명에서는 특히 Ag와 Pd를 선정하여 적용하였다. 이는 발열체 회로와 단자부 도체회로간의 열적특성을 달리하기 위한 것으로서, 이와 같은 열적특성은 Pd의 상대적인 양에 의해서 결정된다. 이로부터 본 발명은 발열체 회로 및 단자부 도체 회로의 특성을 용이하게 조정할 수 있는 특징을 갖는다.
본 발명의 AlN 히터는 400℃이상의 고온에서 발열시 온도편차 제어를 위한 방법으로서, 발열체 회로와 단자부 도체 회로의 와트밀도(W/cm3)를 고려, 발열체 회로와 단자부 도체 회로의 재료인 Ag와 Pd에서 발열체 회로에서는 Pd의 함량을 Ag와 Pd의 합산 중량을 기준으로 하여 10wt% 초과, 20wt% 이하로 하고, 단자부 도체 회로에서는 Pd의 함량을 5wt% 이상, 10wt% 이하로 하여, 발열체 회로의 경우 ≤□30mΩ, 단자부 도체 회로의 경우 ≤□15mΩ으로 제어해 줌으로써 단자부 도체 회로에서의 발열을 최소화하고 따라서 고신뢰성 히터 회로의 구현이 가능하도록 하였다.
Ag의 전기비저항(고유저항)은 1.61×10-8Ωcm이며, Pd의 경우 10.8×10-8Ωcm이다. 본 발명은 여기서 전도성, 열전도성이 우수한 물질인 Ag의 특성을 활용하였다.
즉, 종래의 도금 형식의 경우 단자부의 과부하로 인하여 패턴이 손상되는 경우가 빈번하였는데, 이러한 점을 고려하여 Pd의 함량을 제어해 줌으로서, 단자부의 경우 전도성이 좋은 Ag의 함량이 발열부의 Ag의 함량에 비해 상대적으로 많은 결과가 된다. 바꾸어 말하면 Ag/Pd 간의 전도성이 낮고 고유 저항이 높은 특성을 가진 Pd의 함량을 제어해 줌으로서, 전체적인 저항을 컨트롤 할 수 있으며, 이로부터 제품의 신뢰성을 획득할 수 있게 된다.
한편, Ag의 Melting Temp 960℃ 이며, Pd의 Melting Temp은 1500℃ 이다. 전체적으로 녹는점이 높은 Pd의 함량이 상한을 벗어날 경우 소결 온도가 증가하여, AlN 기판에 영향을 줄 수 있다. 예를들어, Pd의 함량이 Ag/Pd 전체 중량 대비 20wt% 이상이면, 소결 온도는 1000℃ 이상이 되며, AlN 기판 표면이 산화가 되어 밀착력이 저하된다. 또한, Pd의 함량이 하한을 벗어날 경우 비저항과 관련하여 위에서 언급한 바와 같이 발열체로서의 특성을 잃어버리게 된다. 따라서, 위 Ag, Pd의 함량은 위 범위에서 임계적 의의를 갖는다.
이에 추가적인 온도편차 제어 방법으로서, 스크린 프린팅을 활용한 미세 발열체 회로 구현을 위한 선 길이, 폭, 두께 등을 제어할 수 있는 대구경 프린팅 기술을 이용하여, 약 10~30Ω 정도의 발열 저항을 구성하였다. 이는 상기 변수들을 달리하는 복수의 존(zone)을 구성함으로써 가능하게 하였다. 이에 대해서는 도 4에서 설명하기로 한다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 따른 고온용 히터의 온도 저항특성을 나타내는 그래프이다.
도시된 바와 같이, 온도 저항 특성은 발열체용 및 단자부 도체용 재료의 하나인 팔라듐(Pd) 함량에 따라 온도계수인 온도(T)에 대한 반응속도(k)를 조절할 수 있으며 요구되는 품질 특성에 맞추어 조절하면 된다. 기울기는 온도 1℃ 상승할 때 520ppm 증가하는 것으로 계산된다.
즉, 도 2의 520ppm 보다 수치가 높다는 것은 기울기가 높아지고, 그 만큼의 반응속도가 빨라져 전기를 인가하였을 때 급격한 발열로 인하여 기판이 손상될 우려가 있으며, 520ppm 보다 수치가 낮으면 발열히터로써의 특성을 잃어버린다. 본 발명은 이러한 면을 고려하여 Pd의 함량(Ag/Pd 전체 중량 대비 10 ~ 20 wt%)을 제어해 줌으로써 적절한 발열 특성을 갖도록 고안한 것이다.
도 3은 본 발명의 일 실시예에 따른 400℃ 발열시 사이클 횟수에 따른 저항 변화 특성을 나타내는 그래프이다.
위 그래프는 전원 인가후 400℃에 도달한 후 전원을 해제하기까지의 순환을 1 cycle로 하였을 때, 발열 존(zone)에 따르는 저항값 변화특성(저항 변화율)을 나타내는 것이다. 이는 전술한 바와 같이 인쇄 방식의 경우 800 ~ 850℃ 열처리를 통해 Ag/Pd가 완전 소결됨으로써, 800℃ 이하 구간에서는 안정성이 우수하며, 고온 구간에서의 상변화가 발생되지 않아, 발열체 저항의 변화폭이 상대적으로 작다 사실에 기인하여 나타나는 결과이다.
도시된 바와 같이, cycle별 저항변화율은 횟수에 무관하게 거의 일정함을 알 수 있다. 종래의 도금방식과 비교하여 인쇄방식을 통한 고신뢰성 - 저항변화율이 거의 없다는 것이고, 온도편차를 발생시키지 않음 - 특징을 갖는 히터이며, 그래프 상의 저항변화율은 무시할만한 수치이다.
c)단계의 AlN 기판에 회로를 인쇄하는 과정에서, 대구경 웨이퍼를 균일하게 가열하기 위해 회로 형태는 2개의 존(zone)으로 구성하여 핫 플레이트의 부위간 온도 편차가 최소화 되도록 구현하였다.
도 4에서는 핫 플레이트의 내부와 외부의 온도 편차를 최소화 하기 위해 각 존별 회로형상을 구현하였다. 즉, 제1존인 외부 존, 제2존인 내부존으로 구성되며, 각 존의 형태를 서로의 온도편차가 발생되지 않도록 구현되는 것이다. 각 존은 회로의 패턴폭이 서로 상이하며, 특히 제1존의 회로 패턴폭(d1)은 제2존의 회로 패턴폭(d2)에 비하여 더 넓게 형성된다. 즉, 온도 편차를 줄이기 위해 회로설계상 제1존인 단자부 측의 회로에 비해 제2존인 내부 회로의 패턴 폭을 5% 가량 좁혀 전원 인가 시 단자부 측에만 과부하가 걸리지 않도록 설계를 함으로써, 온도 편차가 발생하지 않도록 한 것이다. 이러한 점에 패턴 구현의 특징이 있다. 위 5%는 실시예에 불과하며 다른 수치의 차이로 표현되어도 무방하나, 과부하라는 측면을 반드시 고려하여야 한다.
도 5는 본 발명의 일 실시예에 따른 단자부 도체 회로를 나타내는 도면이다.
도시된 바와 같이, 단자부 도체 회로는 발열체 회로와 별도로 형성하여 전력 공급위치에서 발열을 최소화하여 내구성을 향상시킴으로써 고신뢰성을 확보하도록 하였다. 즉, 발열체 회로와 도체 회로를 하나의 회로 인쇄과정에서 한꺼번에 구현하는 것이 아니고, 별도로 구현하는 것이며, 이는 Pd의 함량차이에 따라 공정이 분리되는 결과로서, 본 발명의 특징을 이룬다.
도 6은 본 발명의 일 실시예에 따른 발열체 회로 및 도체 회로 상에 절연면을 형성한 것을 나타내는 도면이다.
도시된 바와 같이, 발열체 및 도체 회로가 형성된 면을 고온에서 안정하게 작동이 되고 고신뢰성을 확보하기 위하여 절연 처리하였는데, 이는 열처리 완료된 회로의 절연처리시 유리성분에 Al2O3, SiO2, B2O3를 첨가한 후 2차시유(Over Glazing)한 것으로서, 종전의 유리성분 또는 에폭시(Epoxy)계 물질을 이용하여 시유하는 경우 250~300℃ 부근에서 절연 특성을 가지지 못하고 균열이 발생하여 절연막이 깨어지는 문제점을 해소한 것이다. 즉, 400~450℃의 고온에서 절연 특성을 유지하기 위해 첨가물을 추가하여 적용함으로써 상기와 같은 문제점을 극복하도록 하였다.
여기서, Glass 35~50 wt%에 알루미나 25~30 wt%, SiO2 30~40 wt%, B2O3 5~10 wt% 첨가한 Over Glazing 공법을 채택함으로써 단순 Glass계 또는 Epoxy계 절연 물질 보다 한층 더 높은 온도에서도 절연성 유지 및 내전압 방지가 되도록 고안한 것이다. 위 물질들의 함량 범위들은 절연성 유지와 내전압 방지를 위한 임계적 의의를 갖는다.
i)단계에서 전원을 안정적으로 공급하기 위해 단자부 도체 회로 표면에 Ni로 도금 처리하고, 800~850℃의 온도에서 코바르(kovar) 재질의 단자부를 여기에 brazing 처리하여 전원 공급선을 고정시킴으로써 밀착 강도를 보다 더 향상시켰다.
코바르 재질은 동과 은의 이원 합금 중에서 가장 온도가 낮으며 공정 합금이므로 유동도가 좋다. 일례로 50% 은/ 50% 동의 경우 고상선(solidus temp.)이 779℃이고 액상선(liquidus temp.)이 860℃이다. 따라서 779℃에서 녹기 시작하여 액상선에 도달할 때까지 완전한 용액이 되지 않는다. 따라서 779℃에서 860℃까지는 고상과 액상이 공존하는 구간이다. 브레이징시 적정한 온도에 이르면 브레이징 용가제가 양 용재 사이로 녹아 스며 들어가서 브레이징이 되어야만 이상적인 브레이징이라 할 수 있는데, 이때 양 모재와 용가제(filler metal)의 친화력의 정도를 나타내는 성질을 젖음성(wetting)으로 표현하고, 양 모재 접합간격(joint gap) 사이로 흘러 들어가게 하는 모세관 현상(capillary action)을 고려하면, 800 ~ 850℃를 벗어나는 온도구간에서는 젖음성이 안좋아지고, 접합 간격이 커져서 불완전한 접합이 되는 문제점이 있다. 따라서 위 온도범위는 중요성을 갖는다.
이는 소결 완료된 단자부 도체 회로를 용가제를 사용하여 브레이징 처리하여 전원부와 연결시키는 단계로, 종래의 솔더링 방식은 약 250℃ 부근에서 용융되어 접합 단자부가 탈락하는 반면, 은(Ag)과 동(Cu)이 합금된 용가제를 사용하여800~850℃에서 열처리를 하게되면 히터가 사용되는 온도인 400℃ 부근에서 아무런 문제없이 작동할 수 있게 된다. 브레이징은 산화 방지를 위해 질소 퍼지(purge) 형태의 전기로에서 열처리를 행한다.
전원을 연결을 시켜주는 전원 단자부의 접합 방식에 있어서 종전의 납땜 방식이나 물리적인 체결 방식(bolting)을 보완하여 800~850℃의 고온에서 브레이징(brazing) 처리하여 단자부의 접합력을 보완하여 전원 인가후 고온에서 사용시 발생하는 단자부 터짐 등의 문제점들을 더욱 보완하였다.
j)단계에서는 형성된 단자부 도체 회로에 아르곤(Ar) 용접 과정을 통하여 전원 공급선을 고정하였다. 이로써 물리적 체결 방식을 적용하지 않고도 강한 접합력이 확보된 전원 단자부를 얻을 수 있다. 또한 히터로서 작동될 때에도 접합 강도의 내구성이 월등하여 장시간의 작동에서도 진동과 발열 상태에 의해 별다른 영향을 받지 않고 정상적으로 기능할 수 있도록 하였다.
본 발명의 질화알루미늄 히터의 단면모식도를 도 7에서와 같이 나타내었다.
이상에서 실시예를 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 반드시 이러한 실시예로 국한되는 것이 아니고 본 발명의 기술사상을 벗어나지 않는 범위 내에서 다양하게 변형실시될 수 있다. 따라서, 본 발명에 개시된 실시예는 본 발명의 기술 사상을 한정하기 위한 것이 아니라 설명하기 위한 것이고, 이러한 실시예에 의하여 본 발명의 기술 사상의 범위가 안정되는 것은 아니다. 본 발명의 보호 범위는 아래의 청구범위에 의하여 해석되어야 하며, 그와 동등한 범위 내에 있는 모든 기술 사상은 본 발명의 권리범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
1 : 질화알루미늄 기판
2 : 발열체 회로(Ag/Pd)
3 : 단자부 도체 회로
4 : 절연체
5 : 단자부 도체 회로의 니켈 도금층
6 : 코바르 단자
7 : 전력 공급선

Claims (16)

  1. a) AlN 기판에 발열체 회로를 인쇄하는 단계;
    b) 인쇄된 발열체 회로를 열처리하는 단계;
    c) AlN 기판에 단자부 도체 회로를 인쇄하는 단계;
    d) 인쇄된 단자부 도체 회로를 열처리하는 단계;
    e) 발열체 및 도체 회로가 열처리된 회로를 절연처리하는 단계;
    f) 단자부 도체 회로 표면을 가교성 금속을 이용하여 도금하는 단계;
    g) 가교성 금속으로 도금 처리된 단자부 도체 회로에 브레이징(brazing) 처리하여 전원부와 연결시키는 단자부 형성 단계; 및
    h) 형성된 단자부에 전력선을 연결하는 단계;
    를 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고온용 질화알루미늄 히터의 제조방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 a)단계 이전에,
    AlN 기판을 정면 처리하는 단계; 및 AlN 기판을 세정 처리하는 단계;
    를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 고온용 질화알루미늄 히터의 제조방법.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 브레이징 처리는 코바르(kovar)를 사용하여 용접함으로써 수행되는 것을 특징으로 하는 고온용 질화알루미늄 히터의 제조방법.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 용접은 800 ~ 850℃의 범위에서 수행되는 것을 특징으로 하는 고온용 질화알루미늄 히터의 제조방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가교성 금속은 Ni인 것을 특징으로 하는 고온용 질화알루미늄 히터의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 발열체 회로 및 단자부 도체 회로는 Ag와 Pd를 재질로 하여 인쇄되는 것을 특징으로 하는 고온용 질화알루미늄 히터의 제조방법.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 발열체 회로 및 단자부 도체 회로의 인쇄시 Pd의 양은 서로 상이하게 적용하는 것을 특징으로 하는 고온용 질화알루미늄 히터의 제조방법.
  8. 제7항에 있어서,
    상기 Pd의 양은 발열체 회로의 경우 Ag와 Pd 합산 중량대비 10wt% 초과 20wt% 이하이며, 단자부 도체 회로의 경우 5wt% 이상 10wt% 이하인 것을 특징으로 하는 고온용 질화알루미늄 히터의 제조방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 절연처리는 유리성분에 Al2O3, B2O3, SiO2를 더 첨가하여 2차시유(over glazing)하는 과정에 의해 수행되는 것을 특징으로 하는 고온용 질화알루미늄 히터의 제조방법.
  10. 제9항에 있어서,
    상기 유리성분은 35 ~ 50wt%, Al2O3는 25 ~ 30wt%, B2O3는 5 ~ 10 wt%, SiO2는 30 ~ 40wt%인 것을 특징으로 하는 고온용 질화알루미늄 히터의 제조방법.
  11. 제1항에 있어서,
    상기 히터는 그 내부와 외부의 온도 편차를 줄이기 위하여 히터 외부존과 히터 내부존으로 구분되는 2개의 존(zone)으로 구성되는 것을 특징으로 하는 고온용 질화알루미늄 히터의 제조방법.
  12. 제11항에 있어서,
    상기 내부존은 외부존에 비하여 회로의 패턴의 폭을 더 좁게 형성한 것을 특징으로 하는 고온용 질화알루미늄 히터의 제조방법.
  13. 제1항에 있어서,
    상기 h) 단계는 아르곤 용접 방법에 의하여 수행되는 것을 특징으로 하는 고온용 질화알루미늄 히터의 제조방법.
  14. 제1항에 있어서,
    h) 단계 이후에, 온도 센싱을 위해 써모 커플(thermocouple)을 연결하는 단계;를 더 포함하여 구성되는 것을 특징으로 하는 고온용 질화알루미늄 히터의 제조방법.
  15. 제1항에 있어서,
    상기 질화알루미늄 히터의 표면은 조도 산술 평균 값(Ra)이 0.8~1.0의 범위가 되도록 하는 것을 특징으로 하는 고온용 질화알루미늄 히터의 제조방법.
  16. 제1항 내지 제15항 중 어느 한 항의 방법에 의하여 제조되며, 발열체 회로와 단자부 도체 회로가 인쇄방법에 의해 형성되며, 발열부 회로와 단자부 도체 회로의 조성이 상이하며, 발열부 회로의 패턴폭이 단자부 도체 회로의 패턴폭에 비하여 좁게 구현된 것을 특징으로 하는 고온용 질화알루미늄 히터.
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