KR101764889B1 - 반응소결 탄화규소 소결체 제조방법 - Google Patents

반응소결 탄화규소 소결체 제조방법 Download PDF

Info

Publication number
KR101764889B1
KR101764889B1 KR1020160044373A KR20160044373A KR101764889B1 KR 101764889 B1 KR101764889 B1 KR 101764889B1 KR 1020160044373 A KR1020160044373 A KR 1020160044373A KR 20160044373 A KR20160044373 A KR 20160044373A KR 101764889 B1 KR101764889 B1 KR 101764889B1
Authority
KR
South Korea
Prior art keywords
silicon carbide
molten
sintered body
coating layer
reaction
Prior art date
Application number
KR1020160044373A
Other languages
English (en)
Inventor
김영석
윤복규
신현익
Original Assignee
(주) 이노쎄라
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by (주) 이노쎄라 filed Critical (주) 이노쎄라
Priority to KR1020160044373A priority Critical patent/KR101764889B1/ko
Application granted granted Critical
Publication of KR101764889B1 publication Critical patent/KR101764889B1/ko

Links

Images

Classifications

    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/515—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics
    • C04B35/56—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides
    • C04B35/565—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on silicon carbide
    • C04B35/573—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on carbides or oxycarbides based on silicon carbide obtained by reaction sintering or recrystallisation
    • C01B31/36—
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B32/00—Carbon; Compounds thereof
    • C01B32/90—Carbides
    • C01B32/914—Carbides of single elements
    • C01B32/956—Silicon carbide
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B35/00—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/622—Forming processes; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products
    • C04B35/64—Burning or sintering processes
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C04—CEMENTS; CONCRETE; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES
    • C04B—LIME, MAGNESIA; SLAG; CEMENTS; COMPOSITIONS THEREOF, e.g. MORTARS, CONCRETE OR LIKE BUILDING MATERIALS; ARTIFICIAL STONE; CERAMICS; REFRACTORIES; TREATMENT OF NATURAL STONE
    • C04B41/00—After-treatment of mortars, concrete, artificial stone or ceramics; Treatment of natural stone
    • C04B41/45—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements
    • C04B41/4505—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements characterised by the method of application
    • C04B41/4511—Coating or impregnating, e.g. injection in masonry, partial coating of green or fired ceramics, organic coating compositions for adhering together two concrete elements characterised by the method of application using temporarily supports, e.g. decalcomania transfers or mould surfaces

Landscapes

  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Ceramic Engineering (AREA)
  • Organic Chemistry (AREA)
  • Manufacturing & Machinery (AREA)
  • Materials Engineering (AREA)
  • Structural Engineering (AREA)
  • Inorganic Chemistry (AREA)
  • Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
  • Ceramic Products (AREA)

Abstract

반응소결 열처리시 용융 Si의 침윤 효율을 향상시키고 잉여 Si의 최소화를 통하여 소결체의 가공 효율성을 향상시킬 수 있는 반응소결 탄화규소 소결체 제조방법을 제공한다. 본 발명에 따른 반응소결 탄화규소 소결체 제조방법은, SiC 분말과 카본을 포함하는 탄화체를 제조한 후, 용융 Si을 상기 탄화체에 침윤시켜 반응소결 탄화규소 소결체를 제조하는 방법에 있어서, 상기 탄화체의 적어도 일부의 표면 및 상기 용융 Si의 침윤시 사용하는 부자재 표면 중 적어도 어느 하나에 용융 Si이 웨팅(wetting)되지 않는 재료를 포함하는 넌-웨팅(non-wetting) 코팅층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

반응소결 탄화규소 소결체 제조방법 {Method of fabricating silicon carbide sintered body by reaction sintering}
본 발명은 반응소결 탄화규소(SiC) 소결체 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 반응소결 열처리시 용융 Si의 침윤 효율을 향상시키고 잉여 Si의 최소화를 통하여 소결체의 가공 효율성을 향상시킬 수 있는 반응소결 탄화규소 소결체 제조방법에 관한 것이다.
일반적으로 세라믹은 내열성, 내식성, 내마모성, 절연성 등이 매우 우수한 구조 재료로서, 각종 장치에서 종래의 금속 제품을 대체 사용하도록 개발되고 있다. 특히, 탄화규소와 같은 세라믹은 일반적인 금속 재료가 견디기 어려운 1000℃ 이상의 고온에서도 고강도를 유지할 수 있을 뿐 아니라, 내마모성, 내산화성, 내식성, 크립저항성 등이 우수하여 가스 터빈이나 자동차 엔진 등의 고온 부위와 운동이 심한 부위, 반도체 공정 설비의 부품에 사용되어 우수한 성능을 발휘하고 있는 고온 구조재료이다.
반도체 제조에서의 드라이 프로세스나 플라즈마 코팅 등을 실시할 때 이용되는 반도체 공정 설비에서는, 에칭, 클리닝용으로서, 반응성이 높은 F, Cl계 플라즈마가 사용된다. 이 때문에, 이러한 설비에 이용되는 부품에는 높은 내식성이 필요하고, 정전척이나 히터 등의 Si 웨이퍼와 접하는 부품은 한층 더 고내식성이 요구된다. 이러한 요구에 부응할 수 있는 내식성 세라믹 부품을 위해 선호되는 물질이 탄화규소이다. 탄화규소는 반도체 공정 설비의 고순도 요건에 부합하며 컨디셔닝된 표면의 플라즈마 부식이 기판의 파티클 오염없이 챔버 밖으로 펌핑될 수 있는 기상의 Si 또는 C 화합물을 생산하기 때문이다. 탄화규소는 또한 매우 높은 열전도를 보이는 장점을 가지고 있는데, 이것은 이러한 물질로 된 부품이 실리콘 웨이퍼와 같은 기판을 처리하는 동안에 원하는 온도로 가열되었다가 냉각될 수 있게 한다.
그러나, 탄화규소를 기재 위에 박막으로 형성하면 성막시에 기공이나 크랙이 내재하기 쉽기 때문에 플라즈마에 의한 부식이 진행되기 쉽고, 또한 기재와의 성질의 차이나 밀착성의 문제에 의해 부식의 진행 및 반복 사용에 따른 박리 등에 의해 반도체 소자 특성에 영향을 미칠 가능성이 있다. 따라서, 탄화규소 소결체가 적합하다.
반응소결 탄화규소는 탄화규소 소결체 중 소결온도가 1450 ~ 1550℃로 비교적 낮고, 가공이 비교적 용이하여 대형 제품을 쉽게 만들 수 있다는 장점 때문에 반도체 공정용 치구, 열 전달용 튜브, 메카니컬 씰, 베어링, 각종 노즐, 고온 절삭공구, 내화판, 히터, 배플, 연마재, 제강시 환원재, 피뢰기 등 다양한 산업 분야에서 사용되고 있다. 일반적으로 반응소결 탄화규소는 SiC 분말과 카본을 포함하는 탄화체를 제조한 후, 용융 Si를 탄화체에 침윤시켜 제조한다.
도 1은 종래 반응소결 탄화규소 소결체 제조방법 중 용융 Si 침윤 과정의 모식도이다.
도 1의 (a)는 기판(10) 위에 Si 분말(20)을 적재하고 그 상부에 탄화체(30)를 적재한 상태를 도시한다.
Si 용융 온도인 1410℃ 이상으로 열처리하면 도 1의 (b)에서와 같이 용융 Si(20')가 만들어지고 탄화체(30)의 모세관력에 의하여 용융 Si(20')가 내부로 침윤되어 들어간다. 침윤한 용융 Si(20')는 탄화체(30) 내의 C와 반응하여 SiC를 형성하고 남은 기공은 Si이 채우게 된다.
일반적으로 기공이 없는 반응소결 탄화규소 소결체를 얻기 위해서 Si 침윤시 필요한 양보다 10 ~ 20% 이상 추가적으로 공급하여, 기공을 채우고 남은 Si은 도 1의 (c)와 같이 반응소결 탄화규소 소결체(30') 표면에 잉여 Si(20")로 돌출된다.
후속적으로 도 1의 (d)에서와 같이 잉여 Si(20")을 기계가공으로 제거하여 완성품으로 제조하게 되는데, 잉여 Si(20")와 반응소결 탄화규소 소결체(30') 접촉 면적이 넓고 잉여 Si(20")끼리도 연결되어 반응소결 탄화규소 소결체(30') 표면에 높은 밀착력으로 붙어 있으므로 잉여 Si(20")을 제거하는 데에 많은 시간과 노력이 필요하다. 특히 잉여 Si(20") 기계가공의 어려움은 대형 제품이나 복합한 실형상 제품일수록 가중되고 많은 가공비용이 소요된다.
본 발명은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 반응소결 열처리시 용융 Si의 침윤 효율을 향상시키고 잉여 Si의 최소화를 통하여 소결체의 가공 효율성을 향상시킬 수 있는 반응소결 탄화규소 소결체 제조방법을 제공하는 데에 있다.
상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 반응소결 탄화규소 소결체 제조방법은, SiC 분말과 카본을 포함하는 탄화체를 제조한 후, 용융 Si을 상기 탄화체에 침윤시켜 반응소결 탄화규소 소결체를 제조하는 방법에 있어서, 상기 탄화체의 적어도 일부의 표면 및 상기 용융 Si의 침윤시 사용하는 부자재 표면 중 적어도 어느 하나에 용융 Si이 웨팅(wetting)되지 않는 재료를 포함하는 넌-웨팅(non-wetting) 코팅층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기 탄화체는, SiC 분말과 카본 및 바인더를 혼합하여 성형체를 제조하고, 상기 성형체를 열처리하여 상기 바인더를 카본으로 전환시켜 제조할 수 있다.
바람직한 실시예에서, 상기 탄화체의 하단이 상기 용융 Si와 접촉하며, 상기 접촉 부분을 제외한 상기 탄화체의 모든 표면에 상기 넌-웨팅 코팅층을 형성할 수 있다.
또한, 상기 부자재 위에 상기 탄화체를 적재하고 상기 부자재와 탄화체 사이에 용융 Si가 개재되며 상기 용융 Si와 접촉하는 쪽의 상기 부자재 표면에 상기 넌-웨팅 코팅층을 형성할 수 있다.
상기 부자재는 흑연지(graphite paper) 또는 헝겊(cloth)일 수 있다.
바람직한 실시예에서, 상기 넌-웨팅 코팅층을 형성하는 단계는 상기 용융 Si이 웨팅되지 않는 재료의 분말 코팅액을 이용한다. 상기 넌-웨팅 코팅층은 상기 용융 Si이 웨팅되지 않는 재료의 분말 코팅액을 스프레이 분사, 붓칠(brushing) 또는 함침하여 형성할 수 있다.
상기 분말 코팅액은 상기 용융 Si이 웨팅되지 않는 재료의 분말, 바인더 및 용매를 포함할 수 있다.
상기 용융 Si이 웨팅되지 않는 재료는 BN(Boron Nitride)인 것이 바람직하다. 이 경우 상기 분말 코팅액은 BN 분말, PVB79, PEG#600 및 에틸 알콜을 포함할 수 있다.
상기 용융 Si 침윤 후 상기 넌-웨팅 코팅층을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다. 상기 용융 Si 침윤 후 잉여 Si이 상기 반응소결 탄화규소 소결체 위에 구형으로 존재하고 상기 넌-웨팅 코팅층을 제거하는 단계에서 함께 제거될 수 있다.
본 발명은 반응소결시 용융 Si이 넌-웨팅 코팅층에 의해 반응소결 탄화규소 소결체 표면에 웨팅이 되지 못하고 흘러내리거나 잉여 Si이 있어도 구형으로 존재하며, 코팅층 제거시 잉여 Si이 쉽게 제거되어 가공 효율성을 향상시킬 수 있다.
또한, 넌-웨팅 코팅층은 용융 Si이 탄화체와 부자재인 흑연지 등에 흡수되거나 반응하지 않도록 막아 용융 Si의 침윤 효율이 향상되어 Si 공급양을 줄일 수 있다. 이에 따라 잉여 Si 양을 최소화시킬 수 있으며, 경제적인 방법으로 반응소결 탄화규소 소결체를 제작할 수 있다.
본 발명에 따라 제조하는 반응소결 탄화규소 소결체는 복잡한 형상으로 제조하여도 가공비용이 적게 들어, 반도체 제조에서의 드라이 프로세스나 플라즈마 코팅 등을 실시할 때 이용되는 반도체 공정 설비에 이용 가능하다. 뿐만 아니라, 연마재, 저항발열체, 마이크로파 흡수체, 각종 내열구조재 및 펌프 부품 등에 요구되는 성능을 만족하는 우수한 제품으로 제조될 수 있다.
도 1은 종래 반응소결 탄화규소 소결체 제조방법 중 용융 Si 침윤 과정의 모식도이다.
도 2는 본 발명에 따른 반응소결 탄화규소 소결체 제조방법의 순서도이다.
도 3은 본 발명에 따른 반응소결 탄화규소 소결체 제조방법 중 용융 Si 침윤 과정의 모식도이다.
도 4는 복잡한 구조의 탄화체를 종래 방법으로 Si 침윤시키는 경우의 모식도이다.
도 5는 본 발명에 따른 방법으로 복잡한 구조의 탄화체를 Si 침윤시키는 경우의 모식도이다.
도 6은 비교예 반응소결 탄화규소 소결체의 사진이다.
도 7은 실시예 반응소결 탄화규소 소결체의 사진이다.
이하에서 첨부된 도면들을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세하게 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시예는 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.
도 2는 본 발명에 따른 반응소결 탄화규소 소결체 제조방법의 순서도이고, 도 3은 본 발명에 따른 반응소결 탄화규소 소결체 제조방법 중 용융 Si 침윤 과정의 모식도이다.
먼저 SiC 분말과 카본, 바인더를 혼합하여 성형체를 제조한다(도 2의 단계 s1).
800 ~ 1200℃에서 이 성형체를 열처리하여 바인더를 카본으로 전환시켜 탄화체(130)를 제조한다(도 2의 단계 s2, 도 3의 (a) 참조). 탄화체(130)는 다른 방법으로 제조할 수도 있으며 SiC 분말과 카본을 포함하도록 제조한다.
다음으로, 탄화체(130)의 적어도 일부의 표면 및 용융 Si의 침윤시 사용하는 부자재(110) 표면 중 적어도 어느 하나에 용융 Si이 웨팅(wetting)되지 않는 재료를 포함하는 넌-웨팅(non-wetting) 코팅층(NWC)을 형성한다(단계 s3).
바람직하게는 탄화체(130)에서 용융 Si와 접촉하게 될 하단 부분을 제외한 모든 표면에 넌-웨팅 코팅층(NWC)을 형성하고, 부자재(110) 표면에도 넌-웨팅 코팅층(NWC)을 형성한다. 부자재(110)는 흑연지 또는 헝겊일 수 있다.
넌-웨팅 코팅층(NWC)은 용융 Si이 웨팅되지 않는 재료, 바람직하게는 BN(Boron Nitride)의 분말 코팅액을 스프레이 분사, 붓칠 또는 함침하여 형성할 수 있다.
분말 코팅액은 용융 Si이 웨팅되지 않는 재료의 분말, 바인더 및 용매를 포함할 수 있다.
바인더는 스프레이 분사나 붓칠 또는 함침이 가능한 정도의 점도와 윤활성을 가지도록 하는 가소제와 용융 Si이 웨팅되지 않는 재료의 분말이 탄화체(130) 표면에 잘 안착되도록 하는 접착제 역할을 할 수 있는 것으로 선택할 수 있다. 사용하는 용매와 용융 Si이 웨팅되지 않는 재료의 분말의 친수성, 소수성 여부도 고려하여 바인더를 선정한다. 용융 Si이 웨팅되지 않는 재료의 분말의 로딩 양으로 분말 코팅액의 커버리지(coverage)를 조절할 수 있다. 분말 코팅액은 탄화체(130) 표면에 스프레이 분사, 붓칠 또는 함침하였을 때에 분말 코팅액으로 덮이지 않은 부분이 되도록 노출되지 않는 정도의 커버리지를 필요로 한다. 따라서, 분말 코팅액으로 덮이지 않은 부분이 되도록 노출되지 않도록 충분한 양으로 코팅하도록 한다.
상기 용융 Si이 웨팅되지 않는 재료는 BN인 것이 바람직하다. 이 경우 상기 분말 코팅액은 BN 분말, PVB79, PEG#600 및 에틸 알콜을 포함할 수 있다. PEG#600은 BN 분말 코팅액이 스프레이 분사나 붓칠 또는 함침이 가능한 정도의 점도와 윤활성을 가지도록 하는 가소제이다. PVB79는 BN 분말이 탄화체(130) 표면에 잘 안착되도록 하는 접착제 역할을 한다. PVB79는 비수계성 바인더이다. 총량 100wt% 기준으로 에틸 알콜 55 ~ 65wt%, BN 35 ~ 45wt%, PVB79 0.5 ~ 2wt%, PEG#600 0.1 ~ 1wt%일 수 있다. PVB79가 0.5wt%보다 적게 첨가되는 경우 원하는 정도의 접착성을 얻기 힘들고 2wt%보다 많게 첨가하여도 PVB79 첨가의 효과에 변화가 없으므로 굳이 더 첨가할 필요는 없다. PEG#600가 0.1wt%보다 적게 첨가되는 경우 원하는 정도의 가소성을 얻기 힘들고 1wt%보다 많게 첨가하면 BN 분말 코팅액의 점도가 적절하지 않게 된다. BN 35 ~ 45wt%은 위에 언급한 바와 같은 충분한 커버리지를 위해 고려한 솔리드 로딩 양이다. BN이 35wt% 보다 적게 첨가되는 경우 원하는 정도의 커버리지를 얻기 어렵고 45wt%보다 많게 첨가하는 경우 필요 이상의 커버리지가 된다. 에틸 알콜은 BN 분말 코팅액의 잔부를 구성하며 55 ~ 65wt% 내에서 BN, PVB79, PEG#600와 함께 총 중량 100wt%를 만족할 수 있는 범위로 포함이 된다.
분말 코팅액은 탄화체(130)나 부자재(110)에 적용 후 건조 과정에서 용매가 휘발하며, 이후 Si 침윤 단계에서 바인더가 연소하고 상기 용융 Si이 웨팅되지 않는 재료의 분말만 남아, 적용한 표면에 균일한 넌-웨팅 코팅층(NWC)으로 잔류하게 된다.
다음, 도 3의 (a)와 같이 부자재(110) 위에 Si 분말(120)을 적재하고 그 위에 탄화체(130)를 놓는다. 이후 진공 분위기에서 Si 용융 온도인 1410℃ 이상에서 열처리하면 도 3의 (b)와 같이 용융 Si(120')가 만들어지고 탄화체(130) 침윤이 시작된다. 열처리시에는 예를 들어 1450 ~ 1550℃의 온도를 유지할 수 있다. 바람직하게는 1450 ~ 1520℃ 온도를 유지한다.
이와 같은 방식으로 용융 Si(120')을 탄화체(130)에 침윤시켜 도 3의 (c)와 같이 반응소결 탄화규소 소결체(130')를 제조한다(도 2의 단계 s4). 진공 분위기는 탄화체(130)와 용융 Si(120')의 산화, 질화를 방지하는 데 유효한 정도로 고진공일 필요가 있다. 바람직하게는 압력이 1× 10－3 Torr 이하이고, 더욱 바람직하게는 1× 10－4 Torr 이하이다.
도 3의 (b), (c)를 참조하면, 탄화체(130)의 모세관력에 의하여 용융 Si(120')가 내부로 침윤되어 들어가고, 침윤된 용융 Si(120')는 탄화체(130)의 C와 반응하여 SiC를 형성하고 남은 기공은 Si이 채우게 된다. 침윤된 Si이 넌-웨팅 코팅층(NWC)에 막혀 더 이상 진행이 되지 않아 표면 돌출이 일어나지 않을 수 있다.
기공이 없는 반응소결 탄화규소 소결체를 얻기 위해서 Si 침윤시 필요한 양보다 추가적으로 공급하는 경우, 기공을 채우고 남은 Si은 상대적으로 약한 부분의 넌-웨팅 코팅층(NWC)을 통해 돌출될 수 있으며, 이 때 넌-웨팅 코팅층(NWC)에 의해 표면에 웨팅되지 못하고 도 3의 (c)와 같이 반응소결 탄화규소 소결체(130') 표면에 구형 잉여 Si(120")로 존재하게 된다.
웨팅 앵글(θ)의 영향을 살펴보면, θ가 0인 경우는 모재 위에 액상이 레이어로 완전히 덮여있는 상태, θ가 0도보다 크고 90도보다 적은 경우에는 모재 위에 액상이 젖어있는 상태, θ가 90도보다 큰 경우에는 넌-웨팅 상태이다. 본 발명에서는 이와 같이 θ가 90도보다 큰 경우에 해당한다. 바람직하기로는 θ가 90도보다 크고 180도보다 작다.
모재(본 발명에서는 넌-웨팅 코팅층(NWC)에 해당함)와 용융 Si가 넌-웨팅이 되도록 하는 θ를 보이도록 하는 넌-웨팅 코팅층(NWC)의 재료는 BN이 바람직하다. BN으로 하는 경우 θ는 137도에서 145도 범위를 가진다.
이와 같이, 웨팅 앵글(θ)이 크기 때문에 Si 공급량이 많은 경우 용융 Si(120')이 반응소결 탄화규소 소결체(130') 표면에 웨팅이 되지 못하고 흘러내리거나 구형으로 존재하며, 열처리 후 냉각 혹은 자연 냉각시 고화되면서 잉여 Si(120")는 구형으로 남게 된다.
한편, 부자재(110) 위에 형성한 넌-웨팅 코팅층(NWC)으로 인해 용융 Si(120')이 부자재(110)에 흡수되지 않는다. 따라서, Si의 손실 없이 모두 탄화체(130)에 침윤이 일어날 수 있다. 따라서, 용융 Si(120')의 침윤 효율이 향상되고 이에 따라 처음부터 Si 공급양을 줄일 수 있다. 그러면 잉여 Si(120") 양도 최소화시킬 수 있다. 넌-웨팅 코팅층(NWC)이 형성된 부자재(110)는 다음번 Si 침윤 공정에서 재사용될 수도 있다.
후속 공정으로 도 3의 (d)에서와 같이 반응소결 탄화규소 소결체(130') 상의 넌-웨팅 코팅층(NWC)을 제거하는 단계를 더 포함할 수 있다(도 2의 단계 s5). 넌-웨팅 코팅층(NWC)은 반응소결에 참여를 하지 않기 때문에 반응소결 탄화규소 소결체(130') 안으로 혼입이 되지 않고 처음 형성해 둔 그 위치에 그대로 남아 있다. 연마, 에칭 혹은 비교적 간단한 샌드 블라스팅과 같은 방법으로 넌-웨팅 코팅층(NWC)은 쉽게 제거할 수 있다.
이 때 반응소결 탄화규소 소결체(130') 위에 구형으로 존재하는 잉여 Si(120")은 반응소결 탄화규소 소결체(130')와 접촉이 적고 잉여 Si(120")끼리도 접촉이 되어 있지 않으므로 비교적 작은 힘으로도 쉽게 분리가 되어 쉬운 기계가공으로도 넌-웨팅 코팅층(NWC)과 함께 쉽게 제거될 수 있다. 넌-웨팅 코팅층(NWC) 제거 후에 잉여 Si(120")가 일부 남아 있더라도 비교적 작은 힘으로 제거가 가능하다. 이와 같이 가공 효율성이 향상되므로 보다 경제적인 방법으로 반응소결 탄화규소 소결체를 제작할 수 있다.
특히 본 발명은 복잡한 구조의 반응소결 탄화규소 소결체 제조시 가공비용 절감의 효과가 뛰어나다.
도 4는 복잡한 구조의 탄화체를 종래 방법으로 Si 침윤시키는 경우의 모식도이고, 도 5는 본 발명에 따른 방법으로 복잡한 구조의 탄화체를 Si 침윤시키는 경우의 모식도이다.
도 4를 참조하면, 도 1을 참조하여 설명한 바와 마찬가지로 잉여 Si(20")가 반응소결 탄화규소 소결체(30') 표면에 형성이 되는데, 잉여 Si(20")이 반응소결 탄화규소 소결체(30') 표면에 웨팅이 되어, 접촉면적이 큰 상태이므로 제거하기 매우 어려운 상태가 된다. 이에 따라 가공비용이 높은 문제가 있다. 이와 같이 종래에는 대형 제품이나 복합한 실형상 제품의 경우 반응소결 후 잉여 Si을 기계가공으로 제거하기 어려우며, 많은 가공비용이 발생한다.
반면, 본 발명에서와 같이 넌-웨팅 코팅층(NWC)을 형성하면 도 5에서 보는 바와 같이 잉여 Si(120")가 반응소결 탄화규소 소결체(130') 표면에 형성이 되더라도 반응소결 탄화규소 소결체(130') 표면과 웨팅이 되지 않아 구형으로 존재하기 때문에 넌-웨팅 코팅층(NWC) 제거시 함께 제거할 수 있는 정도로 쉽게 제거가 가능해진다. 특히 도 5와 같은 구조에서 반응소결 탄화규소 소결체(130')의 돌출된 부분들 사이의 골 안에 잉여 Si(120")가 형성이 되어 있더라도 이 잉여 Si(120")는 반응소결 탄화규소 소결체(130')와 거의 점 접촉을 이루고 있기 때문에 샌드 블라스팅과 같은 비교적 저렴한 기계가공에 의해 쉽게 제거될 수 있다.
이와 같이 본 발명에 따르면 잉여 Si 제거 등에 있어 가공이 간단하여 가공비용이 감소되는 효과가 있고, 특히 탄화체의 구조가 복잡하여 복잡한 구조의 반응소결 탄화규소 소결체를 얻을 때에 그 효과적인 차이가 두드러진다.
본 발명의 반응소결 탄화규소 소결체(130')는 가공 효율성이 높기 때문에 어떤 원하는 형상이라도 가질 수 있어, 실리콘 웨이퍼를 처리하는 데에 사용되는 확산 퍼니스를 위한 부품들, 예를 들면, 라이너(liner), 공정 튜브, 패들(paddle), 보우트 등으로 이용될 수 있다. 뿐만 아니라, 공정 챔버 측벽 안의 라이너, 공정 챔버에 공정 가스를 공급하는 가스 분산판, 샤워헤드 어셈블리의 배플판(baffle plate), 웨이퍼 통로 인써트(passage insert), 기판을 둘러싸는 포커스 링, 전극을 둘러싸는 에지 링, 플라즈마 스크린 및/또는 윈도우와 같이 진공 공정 챔버의 다양한 부품으로 이용될 수 있다.
이하, 실험예를 소개하기로 한다.
1) 사용원료 : BN 분말, PVB79, PEG#600, 에틸 알콜
2) BN 코팅액 조성 : 총량 100wt% 기준으로 에틸 알콜 55 ~ 65wt%, BN 35 ~ 45wt%, PVB79 0.5 ~ 2wt%, PEG#600 0.1 ~ 1wt%
3) BN 코팅액 제조 : 1L 날진용기에 에틸 알콜을 넣고 바인더인 PVB79와 PEG#600을 투입한 후, 바인더가 전부 용해될 때까지 10mm SiC 볼을 사용하여 30분 동안 볼밀링하였다. 바인더가 녹아있는 용액에 위 조성비처럼 BN 분말을 첨가하여 볼밀링 혼합하여 BN 코팅액을 준비하였다.
4) 탄화체 준비 : SiC 분말과 카본, 바인더를 혼합하여 프레스 또는 젤캐스팅, 원심성형 방법으로 성형체를 제조한 후, 800 ~ 1200℃에서 열처리하여 바인더가 카본으로 전환된 탄화체를 준비하였다.
5) BN 분말 코팅 : 본 발명 실시예 탄화체의 Si이 접촉하는 하단 부분을 제외한 모든 부분에 준비한 BN 코팅액을 스프레이건으로 분사하거나 붓칠 또는 함침하여 코팅 후 건조하였다. 비교예로서 BN 코팅액을 이용한 넌-웨팅 코팅층을 형성하지 않은 탄화체도 준비하였다.
6) Si 침윤 : 카본지 위에 Si 분말 적재 후 실시예 및 비교예 탄화체를 적재하고 1450 ~ 1550℃ 진공 분위기 열처리하여 실시예 소결체 및 비교예 소결체를 얻었다.
도 6은 비교예 소결체의 사진으로서 (a)는 전면, (b)는 상면이 보이는 사진이다. 도 6에서 보는 바와 같이 넌-웨팅 코팅층을 형성하지 않은 경우 잉여 Si이 소결체 표면에 웨팅이 되어 잉여 Si 제거의 어려움이 있었다. 그리고 카본지에 용융 Si가 흡수되어 반응한 것을 볼 수 있어 Si 침윤 효율이 감소된 것을 확인할 수 있으며, 이 경우 기공을 모두 Si로 채우기 위해서는 Si 공급량을 더욱 증가시켜야 하는 것을 확인하였다.
도 7은 실시예 소결체의 사진으로서 (a)는 Si 침윤 후의 상태이고 (b)는 BN 코팅층을 제거한 후의 사진이다. 도 7에서 보는 바와 같이 잉여 Si이 소결체 표면에 웨팅되지 않고 구형으로 존재하며 약한 충격으로도 잉여 Si이 쉽게 제거될 수 있음을 확인하였다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 도시하고 설명하였으나, 본 발명은 상술한 특정의 바람직한 실시예에 한정되지 아니하며, 청구범위에서 청구하는 본 발명의 요지를 벗어남이 없이 당해 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구든지 다양한 변형 실시가 가능한 것은 물론이고, 그와 같은 변경은 청구범위 기재의 범위 내에 있게 된다.
110: 부자재
120: Si 분말
120': 용융 Si
120": 잉여 Si
NWC: 넌-웨팅 코팅층
130: 탄화체
130': 반응소결 탄화규소 소결체

Claims (11)

  1. SiC 분말과 카본을 포함하는 탄화체를 제조한 후, 용융 Si을 상기 탄화체에 침윤시켜 반응소결 탄화규소 소결체를 제조하는 방법에 있어서,
    상기 탄화체의 적어도 일부의 표면 및 상기 용융 Si의 침윤시 사용하는 부자재 표면 중 적어도 어느 하나에 용융 Si이 웨팅(wetting)되지 않는 재료를 포함하는 넌-웨팅(non-wetting) 코팅층을 형성하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반응소결 탄화규소 소결체 제조방법.
  2. 제1항에 있어서, 상기 탄화체의 하단이 상기 용융 Si와 접촉하며 상기 접촉 부분을 제외한 상기 탄화체의 모든 표면에 상기 넌-웨팅 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 하는 반응소결 탄화규소 소결체 제조방법.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 부자재 위에 상기 탄화체를 적재하고 상기 부자재와 탄화체 사이에 용융 Si가 개재되며 상기 용융 Si와 접촉하는 쪽의 상기 부자재 표면에 상기 넌-웨팅 코팅층을 형성하는 것을 특징으로 하는 반응소결 탄화규소 소결체 제조방법.
  4. 제3항에 있어서, 상기 부자재는 흑연지(graphite paper) 또는 헝겊(cloth)인 것을 특징으로 하는 반응소결 탄화규소 소결체 제조방법.
  5. 제1항에 있어서, 상기 넌-웨팅 코팅층을 형성하는 단계는 상기 용융 Si이 웨팅되지 않는 재료의 분말 코팅액을 이용하는 것을 특징으로 하는 반응소결 탄화규소 소결체 제조방법.
  6. 제5항에 있어서, 상기 넌-웨팅 코팅층은 상기 용융 Si이 웨팅되지 않는 재료의 분말 코팅액을 스프레이 분사, 붓칠 또는 함침하여 형성하는 것을 특징으로 하는 반응소결 탄화규소 소결체 제조방법.
  7. 제5항에 있어서, 상기 분말 코팅액은 상기 용융 Si이 웨팅되지 않는 재료의 분말, 바인더 및 용매를 포함하는 것을 특징으로 하는 반응소결 탄화규소 소결체 제조방법.
  8. 제1항에 있어서, 상기 용융 Si이 웨팅되지 않는 재료는 BN인 것을 특징으로 하는 반응소결 탄화규소 소결체 제조방법.
  9. 삭제
  10. 제1항에 있어서, 상기 용융 Si 침윤 후 상기 넌-웨팅 코팅층을 제거하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 반응소결 탄화규소 소결체 제조방법.
  11. 제10항에 있어서, 상기 용융 Si 침윤 후 잉여 Si이 상기 반응소결 탄화규소 소결체 위에 구형으로 존재하고 상기 넌-웨팅 코팅층을 제거하는 단계에서 함께 제거되는 것을 특징으로 하는 반응소결 탄화규소 소결체 제조방법.
KR1020160044373A 2016-04-11 2016-04-11 반응소결 탄화규소 소결체 제조방법 KR101764889B1 (ko)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160044373A KR101764889B1 (ko) 2016-04-11 2016-04-11 반응소결 탄화규소 소결체 제조방법

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
KR1020160044373A KR101764889B1 (ko) 2016-04-11 2016-04-11 반응소결 탄화규소 소결체 제조방법

Publications (1)

Publication Number Publication Date
KR101764889B1 true KR101764889B1 (ko) 2017-08-04

Family

ID=59654411

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
KR1020160044373A KR101764889B1 (ko) 2016-04-11 2016-04-11 반응소결 탄화규소 소결체 제조방법

Country Status (1)

Country Link
KR (1) KR101764889B1 (ko)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113072069A (zh) * 2021-02-19 2021-07-06 南昌航空大学 基于废旧纤维纺织品的碳化物及其制备方法

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002037682A (ja) 2000-07-28 2002-02-06 Toshiba Ceramics Co Ltd 多孔質炭化珪素焼結体の製造方法
JP2009137839A (ja) 2009-01-13 2009-06-25 Toshiba Corp 反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法

Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2002037682A (ja) 2000-07-28 2002-02-06 Toshiba Ceramics Co Ltd 多孔質炭化珪素焼結体の製造方法
JP2009137839A (ja) 2009-01-13 2009-06-25 Toshiba Corp 反応焼結炭化ケイ素構造体の製造方法

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113072069A (zh) * 2021-02-19 2021-07-06 南昌航空大学 基于废旧纤维纺织品的碳化物及其制备方法

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US10773995B2 (en) Low temperature fluoride glasses and glazes
CN107814591B (zh) 一种碳材料表面硼化物改性硅基抗氧化涂层的制备方法
CN107935634B (zh) 一种难熔金属化合物高温抗氧化涂层及其制备方法
US11131026B2 (en) Sintered-bonded high temperature coatings for ceramic turbomachine components
US6287511B1 (en) High temperature insulation for ceramic matrix composites
US6676783B1 (en) High temperature insulation for ceramic matrix composites
CN106977223B (zh) 陶瓷改性及具有陶瓷涂层的c/c复合材料及其制备方法
WO2004031445A1 (en) Protective ceramic coating
CN101139217A (zh) 一种C/SiC复合材料表面抗氧化涂层及其制备方法
CN114368981A (zh) 石墨类材料及工件抗氧化处理技术和应用
CN112430117A (zh) 一种碳化硅基复合材料原位反应连接方法
KR101764889B1 (ko) 반응소결 탄화규소 소결체 제조방법
CN114538964A (zh) SiC-Si包覆碳/碳复合材料表面富含MoSi2高温抗氧化涂层及制备方法
CN110734287A (zh) 一种硅/碳化硅复相陶瓷的制备方法
CN108218474B (zh) 一种Cf/SiC复合材料表面光学涂层及其制备方法
JP4471692B2 (ja) 離型層を有するシリコン溶融用容器の製造方法
CN111792944B (zh) 以发泡硅胶和无机粉体复合物为前驱体制备泡沫陶瓷材料的方法
JP4068825B2 (ja) 炭化ケイ素焼結体の製造方法
JP2968477B2 (ja) 非酸化物系セラミック繊維強化セラミックス複合材料の製造方法
CN107986790B (zh) 一种抗氧化HfC/SiC泡沫及其制备方法
CN115819119B (zh) 一种等静压石墨坩埚的涂层成型方法
CN109721381A (zh) 氮化硅壳体强化氮化硅泡沫陶瓷的制备方法
KR100610821B1 (ko) 리퀴드 메탈 잉곳 주조용 흑연도가니의 표면처리방법 및 슬립조성물
JP4092122B2 (ja) 半導体製造装置用部材及びその製造方法
JPH08151268A (ja) 炭化珪素質焼結体の製造方法

Legal Events

Date Code Title Description
E701 Decision to grant or registration of patent right
GRNT Written decision to grant