KR102138983B1 - 중고온에서 높은 비저항을 갖는 정전척용 질화알루미늄 소결체의 제조방법 - Google Patents

중고온에서 높은 비저항을 갖는 정전척용 질화알루미늄 소결체의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 AlN 분말, Y2O3, TiO2 및 우레아(Urea)를 혼합한 조성물을 가압소결하여 질화알루미늄 소결체를 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 질화알루미늄 소결체에 관한 것이다. 본 발명의 첨가제는 AlN에 함유된 불순물인 Al2O3를 감소시킬 수가 있고, 고온에서 캐리어(carrier)로 작용하는 Al 공공(vacancy)의 감소를 유도하여 고온에서 높은 비저항을 가지며, TiO2 첨가제에 의해 증가하는 활성화 에너지를 감소시켜 중고온에서 높은 체적저항을 갖는 질화알루미늄 소결체를 제조할 수 있다.

Description

중고온에서 높은 비저항을 갖는 정전척용 질화알루미늄 소결체의 제조방법 {Method of Aluminium nitride sintered body having excellent resitivity at high temperature using electrostatic chuck}
본 발명은 반도체의 웨이퍼를 수평으로 고정하거나 LCD의 유리 기판을 수평하게 유지하는 데 사용되는 정전척 소재에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 중고온에서 높은 비저항 및 우수한 열전도도를 갖는 질화알루미늄 소결체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
질화알루미늄(AlN)의 결정구조는 Al 또는 N을 중심으로 한 사면체가 기본구조가 된다. 이러한 사면체가 상호 교차하여 헥사고날 우르자이트(hexagonal wurtzite) 구조를 가지고 있으며, 원자간 결합은 공유결합으로 이루어져 있다.
질화알루미늄(AlN)은 고온에서 안정하고, 유전상수 및 유전손실이 작고, 전기 절연성이 우수하며, 열전도도가 이론상으로는 320W/mK 정도로서 금속보다 높은 물리적 특성을 갖는다. 또한, 질화알루미늄(AlN)은 열팽창 계수가 2.64×10-6/K 정도로서 실리콘과 유사하여 반도체의 기판 재료나 폴리머 패키지 재료의 충진재로 사용할 수 있다.
이와 같은 물리적 특성으로 인해 질화알루미늄(AlN)은 고열전도성 절연기판, 고내식성 재료, 정전척 소재 등으로 사용될 수 있다. 특히, 우수한 전기 절연성 및 방열성이 요구되는 고집적 반도체칩의 패키지(package)나 높은 열전도도 및 높은 내식성이 요구되는 열교환기와 같은 고온 재료에 사용될 수 있어 그 합성법에 대한 연구가 많이 이루어지고 있다.
질화알루미늄(AlN)은 강한 공유결합의 특성으로 소결이 어렵고 치밀한 소결체를 얻기 위해서는 2000℃ 이상 고온의 가압소결이 요구되는데, 이러한 고온에서 소결하게 되면 비용뿐만 아니라 시간도 많이 들어 소결 온도를 낮추기 위한 연구가 필요하다.
정전척 소재로 사용되는 일반적인 세라믹 소재의 경우, 온도에 따라 비저항이 감소하는 경향을 보인다. 저온 정전척(Electrostatic Chuck; ESC) 소재의 경우, 온도에 따른 비저항의 변화 폭이 작아야 하며, 고온 정전척 소재의 경우 고온에서 높은 비저항을 유지해야 하며, 이는 일반적으로 정전척 소재 내부에 금속 전극을 매설하고 전류를 흘려 웨이퍼를 가열하면서, 웨이퍼를 균일하고 안정되게 탈착하기 위하여 전극에 고전압을 인가하여 정전기적인 힘을 사용하기 때문이다. 현재 산업현장에서 400℃ 이상의 중고온에서 108Ω·㎝ 이상의 비저항이 요구되고 있으나, 보다 정밀한 제어를 위해서는 중고온에서도 높은 비저항으로 체적저항을 갖는 정전척 소재의 개발이 필요한 실정이다.
대한민국 특허등록공보 제10-1516990호
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 AlN에 함유된 불순물인 Al2O3를 감소시켜 고온에서 높은 열전도도 및 비저항을 갖는 정전척 소재를 제공하는 데 있다.
보다 구체적으로는 고온에서 캐리어(carrier)로 작용하는 Al 공공(vacancy)의 감소를 유도하여 밀도가 높으면서 고온에서 높은 체적저항을 갖는 질화알루미늄 소결체를 제조하는 방법 및 이에 의해 제조된 질화알루미늄 소결체를 제공함에 있다.
본 발명은 AlN 분말, Y2O3, TiO2 및 우레아(Urea)를 혼합하여 조성물을 제조하는 단계; 및 상기 조성물을 가압소결하는 단계를 포함하는 질화알루미늄 소결체의 제조하는 방법으로, Y2O3는 전체 조성물에 1wt% 초과 9wt% 미만을 포함하고, TiO2는 전체 조성물에 0.1~0.5wt%를 포함하며, 우레아는 전체 조성물에 0.1~0.7wt%를 포함한 조성물을 가압소결하여 질화알루미늄 소결체를 제조하는 방법을 특징으로 하고 있다.
상기 가압소결은 1650∼1900℃의 온도 범위에서 10∼30MPa의 압력을 인가하면서 비활성 가스 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다.
보다 바람직하게는 우레아(Urea)를 열분해시키기 위하여 1350∼1550℃의 제1 온도까지 승온시켜 유지한 이후, 상기 제1 온도보다 높은 1600∼1800℃의 제2 온도까지 승온시켜 유지하면서 가압소결하여 질화알루미늄 소결체를 제조하는 것이다.
본 발명에 의해 제조한 질화알루미늄 소결체는 400℃의 온도에서 1.0×1010~1.0×1012Ω·㎝ 범위의 비저항을 갖고, 550℃의 온도에서 1.0×109~1.0×1011Ω·㎝ 범위의 체적저항을 갖는 것을 특징을 하고 있다.
본 발명에 의하면, AlN에 함유된 불순물인 Al2O3를 감소시킬 수가 있고, 고온에서 캐리어(carrier)로 작용하는 Al 공공(vacancy)의 감소를 유도하여 고온에서 높은 비저항을 가지며, 밀도가 높으면서 고온에서 높은 체적저항을 갖는 질화알루미늄 소결체를 제조할 수 있다.
또한, 2족 산화물 또는 4족 산화물에 의해 소결 과정에서 입자 성장(grain growth)이 방해되어 기계적 특성 등이 우수할 수 있는 장점이 있고, 입계(grain boundary)에 전자 또는 이온 전도를 낮추는 산화물이 분포하게 되므로 이동도를 감소시킬 수가 있다.
이에 본 발명은 중고온에서도 높은 열전도도 및 비저항을 갖는 정전척 소재를 제공할 수 있다.
도 1은 본 발명의 소결 프로세스를 도시한 도면이다.
도 2는 본 발명에 따라 제조된 질화알루미늄(AlN) 소결체의 미세구조를 보여주는 주사전자현미경(SEM) 사진이다.
본 명세서 및 청구범위에서 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여 본 발명의 기술적 사상에 부합하는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다.
AlN 분말, Y2O3, TiO2 및 우레아(Urea)를 혼합하여 조성물을 제조하고 이를 가압소결하는 단계를 포함하는 질화알루미늄 소결체를 제조하는 방법을 제공한다.
상기 Y2O3는 전체 조성물에 1wt% 초과 9wt% 미만이 포함되는 것이 바람직하다. 질화알루미늄 소결체의 소결조제 Y2O3의 추가는 활성화 에너지를 감소시켜 중고온에서의 높은 비저항을 유도하는데, 전체 조성물에 1wt% 이하로 첨가되면 높은 비저항의 유도가 미약하고, 9wt% 이상이 첨가되는 경우에는 높은 저항은 달성할 수 있지만, 열전도도를 급격하게 저하시키는 문제점이 있다. 보다 바람직하게는 3wt% 내지 7wt%이며, 보다 바람직하게는 약 5wt%가 적절하다.
상기 질화알루미늄의 소결체의 열전도도는 50W/m·k 이상이 바람직하고, 80W/m·k 이상인 것이 보다 바람직하다.
상기 TiO2는 전체 조성물에 0.1~0.5wt%를 포함하는 것이 바람직하다. 질화알루미늄 소결체에 TiO2를 첨가하는 경우, 소결 과정에서 입자 성장(grain growth)이 방해되어 기계적 특성 등이 우수할 수 있는 장점이 있고, 입계(grain boundary)에 전자 또는 이온 전도를 낮추는 산화물이 분포하게 되므로 이동도를 감소시킬 수도 있다. 다만, 소결 과정에서 Ti은 Al과 치환되고 산소는 질소를 치환하여 Al 공공(vacancy)을 생성하며, 치환된 Ti과 산소는 양의 전하를 띠므로 Al 공공과 이온 쌍(ionic pair)을 이루고, 아래의 반응식에 의해 활성화 에너지의 증가를 야기한다.
[반응식 1]
TiO2 + 2AlN → TiAl＇ + 2ON＇ + VAl'''
TiAl＇2ON＇+ Charge Center → Ea ↑
이에 활성화 에너지를 줄이기 위해 우레아는 전체 조성물에 0.1~0.7wt%를 포함하는 것이 바람직하다. 우레아를 첨가할 경우, 아래의 반응식 2와 같이 우레아가 불순물로 포함되어 있는 Al2O3와 반응하여 AlN으로 전환시키거나, 고온에서 분해되어 생성된 암모니아가 질화반응을 유도할 수 있다. 감소된 Al2O3 함량은 치환된 주된 carrier인 Al vacancy를 감소시키고 양의 전하를 가지는 상기 반응식 1의 ON 종을 감소시킨다. ON 종은 Al vacancy와 ionic pair를 이루기 때문에 질화반응이 일어난 경우, 활성화 에너지를 감소시켜 중고온에서 높은 비저항을 가질 수 있도록 유도할 수 있다.
[반응식 2]
Al2O3 + CO(NH)2 → 2AlN + CO2 + N2
Al2O3 + NH3 + CO→ 2AlN + H2O + CO
TiO2과 우레아를 동시에 첨가한 경우, 활성화 에너지(activation energy, Ea)가 TiO2을 첨가하지 않은 질화알루미늄 소결체가 갖는 것과 동등한 수준을 갖게 된다. 이는 TiO2과 우레와의 효과가 경쟁하며 상쇄되어 나타난 것으로 볼 수 있다. 우레의 함량이 0.1wt% 미만으로 첨가되는 경우 활성화 에너지 감소를 유도할 수 없고, 0.7wt% 초과 되면 활성화 에너지는 감소시킬 수 있지만 높은 비저항을 유도할 수 없다. 바람직한 활성화 에너지는 약 0.30~0.36eV를 갖는 것을 특징으로 하고 있다.
상기 가압소결은 1600∼1800℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 가압소결은 10∼30MPa의 압력을 인가하면서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 가압소결은 비활성 가스 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다.
상기 가압소결은, 상기 우레아(Urea)를 열분해시키기 위하여 1350∼1550℃의 제1 온도까지 승온하는 단계, 상기 제1 온도에서 유지하는 단계, 상기 제1 온도보다 높은 1600∼1800℃의 제2 온도까지 승온하는 단계 및 상기 제2 온도에서 유지하면서 가압하여 소결하는 단계를 포함할 수 있다.
상기 출발원료의 혼합은 볼밀(ball mill), 유성밀(planetary mill), 어트리션밀(attrition mill) 등과 같은 다양한 방법을 사용할 수 있다. 이하, 볼밀법에 의한 혼합 공정을 구체적으로 설명한다. 상기 출발원료를 볼 밀링기(ball milling machine)에 장입하여 혼합한다. 볼 밀링기를 이용하여 일정 속도로 회전시켜 상기 출발원료를 균일하게 혼합한다. 볼밀에 사용되는 볼은 알루미나, 지르코니아와 같은 세라믹으로 이루어진 볼을 사용할 수 있으며, 볼은 모두 같은 크기의 것일 수도 있고 2가지 이상의 크기를 갖는 볼을 함께 사용할 수도 있다. 볼의 크기, 밀링 시간, 볼 밀링기의 분당 회전속도 등을 조절한다. 예를 들면, 입자의 크기를 고려하여 볼의 크기는 1∼50㎜ 정도의 범위로 설정하고, 볼 밀링기의 회전속도는 100∼1000rpm 정도의 범위로 설정할 수 있다. 볼 밀은 목표하는 입자의 크기 등을 고려하여 1∼24시간 동안 실시하는 것이 바람직하다. 볼 밀에 의해 출발원료는 균일하게 혼합되게 된다.
혼합된 결과물을 가압소결 한다. 상기 가압소결은 10∼30MPa의 압력을 인가하면서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 가압소결은 비활성 가스 분위기에서 수행하는 것이 바람직하다. 상기 가압소결은 1600∼1800℃의 온도에서 수행하는 것이 바람직하다. 소결 온도가 1600℃ 미만인 경우에는 불완전한 소결로 인해 소결체의 열적 또는 기계적 특성이 좋지 않을 수 있고, 1800℃를 초과하는 경우에는 에너지의 소모가 많아 비경제적일 뿐만 아니라 과도한 입자 성장을 가져와 소결체의 기계적 특성이 좋지 않을 수 있다. 상기 소결 온도까지는 1∼50℃/min의 승온 속도로 상승시키는 것이 바람직한데, 승온 속도가 너무 느린 경우에는 시간이 오래 걸려 생산성이 떨어지고 승온 속도가 너무 빠른 경우에는 급격한 온도 상승에 의해 열적 스트레스가 가해질 수 있으므로 상기 범위의 승온 속도로 온도를 올리는 것이 바람직하다. 또한, 상기 소결은 소결 온도에서 10분∼24시간 동안 유지하는 것이 바람직하다. 소결 시간이 너무 긴 경우에는 에너지의 소모가 많으므로 비경제적일 뿐만 아니라 더 이상의 소결 효과를 기대하기 어려우며, 소결 시간이 작은 경우에는 불완전한 소결로 인해 소결체의 물성이 좋지 않을 수 있다.
상기 가압소결은, 도 1에 도시된 바와 같이, 상기 우레아(Urea)를 열분해시키기 위하여 1350∼1550℃의 제1 온도(T1)까지 승온하는 단계(S1)와, 상기 제1 온도(T1)에서 2~3시간을 유지하는 단계(S2)와, 상기 제1 온도(T1)보다 높은 1650∼1900℃의 제2 온도(T2)까지 승온하는 단계(S3) 및 상기 제2 온도(T2)에서 2~3시간 유지하면서 가압하여 소결하는 단계(S4)를 포함할 수도 있다.
상기와 같은 본 발명의 따른 질화알루미늄 소결체의 제조방법은 400℃의 온도에서 1.0×1010~1.0×1012Ω·㎝ 범위의 비저항을 갖고, 550℃의 온도에서 1.0×109~1.0×1011Ω·㎝ 범위의 높은 비저항을 갖는 질화알루미늄 소결체를 제조할 수 있다.
이하에서, 본 발명에 따른 실험예들을 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예들에 의하여 본 발명이 한정되는 것은 아니다.
질화알루미늄 소결체의 평가방법
밀도 : 아르키메데스법을 적용하여 측정하였다. 시편을 5시간 동안 끓인 다음 상온까지 냉각시킨 후에 포수무게 및 수중무게를 측정하였다. 시험편의 건조무게를 1005℃의 건조기에서 항량이 될 때까지 건조하고 데시케이터 속에서 냉각시킨 후 0.0001g까지 무게를 측정하여 밀도를 구하였다.
결정구조 : 소결된 시편의 결정상을 분석하기 위하여 X-ray diffractometer(DAX-2500/PC, Rigaku, Japan)를 사용하였다. X선 출력이 전압 40kV, 100mA인 조건으로 10℃/min의 스캔 속도로 측정하였다. 각 상에 대한 정보는 JCPDS card와 문헌을 참조하였다.
미세구조 : SEM(Scanning Electron Microscopy, JSM-6710F, Jeol, Japan)으로 파단면(fractured surface)의 미세구조를 관찰하였다. 세척 등의 처리 없이 파단면에 백금(Pt)을 코팅해서 SEM 사진을 분석하였다.
유전율 : 복소임피던스 데이터를 LCR Meter(Agilent4192A)를 사용하여 측정하였다. 측정을 위해 샘플을 20 × 20(mm)으로 가공한 후 지름 10mm Gold 전극을 양면에 스퍼터링을 이용하여 코팅하였다. 가공이 완료된 샘플의 유전율은 LCR Meter로 주파수 100kHz∼13MHz 범위에서 측정되었다. 측정 데이터를 ASTM D150(Standard Test Methods for AC Loss Characteristics and Permittivity(Dielectric Constant) of Solid Electrical Insulation)를 이용하여 유전율 및 유전손실을 계산하였다.
체적저항 : 체적저항의 측정은 guarded electrode 방법으로 상온 및 고온 (RT∼550℃)에서 측정하였다(ASTM D257-99). 온도를 올리면서 측정하기 위하여 실험실에서 자체 제작한 전기로와 jig를 사용하였다. 시편을 연마(l : ∼40mm, t : ∼2mm)한 후 수평을 맞춰주었다. 측정은 High resistance meter(B2987A, Keysight)를 이용하여 장비에 연결하고 100V/mm 전계하에서 60초 동안 전압을 인가한 후에 측정하였다. 온도는 상온에서 550℃까지 100℃ 단위로 측정하였다. 질소 분위기로 측정하였고 질소의 flow rate는 0.8∼1liter/min으로 하였다.
열전도도(thermal conductivity) : λ(T) = ρ × Cp × α의 식을 통하여 계산하였다. λ(W/m·K)는 열전도도, α(mm2/s)는 열확산계수, ρ(g/cm3)는 밀도, Cp(J/g·K)는 비열을 나타내고, 비열은 시차주사열량계(differential scanning calorimetry, DSC)를 사용해 측정하였고, 밀도는 아르키메데스의 수중부유법을 사용해서 측정하였다.
실시예 및 비교예
출발원료로 AlN 분말(Tokuyama사)과 소결조제인 Y2O3(HC Stark사, Cgrade)을 사용하였고, 여기에 첨가제로 우레아(Urea)(대정화금(주), >98%), TiO2(Sigma Aldrich, >99.9%)를 선택적으로 첨가하였다. 출발원료를 에탄올, 3㎜ 크기의 알루미나 볼과 함께 24시간 동안 100rpm으로 볼 밀링(ball milling) 하여 슬러리를 얻었다. 상기 슬러리는 증발기(evaporator)를 이용하여 40℃에서 3시간 동안 건조되었고, 200mesh의 체(sieve)를 사용하여 분말을 얻었다.
체거름하여 얻어진 분말을 N2 분위기에서 가압소결로(Cermotech, Korea)를 사용하여 가압소결하였다. 상기 가압소결은, 15∼20MPa의 압력 1350∼1550℃ 범위로 승온시켜 2~3시간 유지하였고, 이후 1600∼1800℃의 범위로 승온시켜 5~7시간 유지한 후, 자연 냉각하여 소결체를 제조하였다. 상기 소결온도까지는 10℃/min의 승온속도로 승온하였다.
아래의 표 1과 같이 소결조제로 Y2O3를 전체 조성물에 5wt%로 포함하고, 첨가제로서 TiO2 및 우레아 함량을 달리하여 질화알루미늄 소결체를 제조하였고, 그에 따른 물성으로 체적저항 및 활성화 에너지를 표 1에 나타내었다.
　 　 소결 온도
(℃)		 비저항 (Ω · cm) 활성화 에너지
@400℃ @550℃ (eV)
비교예 1 첨가제 없음 1700 3.74E+9 6.67E+08 0.28
비교예 2 TiO2 0.05wt% 5.25E+9 8.58E+08 0.24
비교예 3 TiO2 0.2wt% 8.82E+9 2.00E+08 0.36
비교예 4 TiO2 1.0wt% 1600 5.05E+09 2.35E+08 0.38
비교예 5 Urea 0.05 wt%
TiO2 0.1wt%		 1600 9.50E+9 8.02E+08 0.35
실시예 1 Urea 0.1 wt%
TiO2 0.1wt%		 1600 1.05E+10 1.01E+09 0.35
실시예 2 Urea 0.3 wt%
TiO2 0.1wt%		 1600 8.01E+10 5.01E+10 0.32
실시예 3 Urea 0.5 wt%
TiO2 0.1wt%		 1600 2.47E+11 7.50E+10 0.32
실시예 4 Urea 0.7 wt%
TiO2 0.1wt%		 1600 2.35E+10 1.07E+10 0.31
비교예 6 Urea 1.0 wt%
TiO2 0.1wt%		 1600 9.23E+8 7.85E+08 0.24
비교예 7 Urea 0.5 wt%
TiO2 0.025wt%		 1600 1.11E+08 1.73E+08 0.24
실시예 5 Urea 0.5 wt%
TiO2 0.2wt%		 1600 9.85E+11 8.25E+10 0.35
실시예 6 Urea 0.5 wt%
TiO2 0.5wt%		 1600 8.51E+11 9.55E+10 0.36
비교예 8 Urea 0.5 wt%
TiO2 0.7wt%		 1600 8.01E+8 2.25E+08 0.38
표 1에 나타나 있는 바와 같이 질화알루미늄 제조 시 소결조제로 Y2O3를 전체 조성물에 5wt%로 포함하여 제조된 비교예 1과 대비하여 첨가제로서 TiO2만을 첨가한 경우 높은 비저항을 나타내었지만, 활성화 에너지는 TiO2의 함량이 증가함에 따라 증가하였다.
첨가제로서 TiO2와 우레아를 첨가한 경우, 전체 조성물에 TiO2가 0.1wt% 및 우레아 0.1wt% 이상인 경우 400℃에서 1.0×1010Ω·㎝의 비저항 및 550℃에서는 1.0×109 Ω·㎝ 이상의 높은 비저항을 갖고, 이 경우 활성화 에너지는 약 0.30~0.36eV를 갖는 것으로 나타났다. 또한, TiO2가 0.5wt% 및 우레아 0.7wt%를 초과하는 경우 오히려 비저항이 감소되는 것을 확인할 수 있었다.
즉, 상기 표 1에서 알 수 있는 바와 같이 본 발명과 같이 소결조제로서 Y2O3는 전체 조성물에 9wt% 미만으로 포함되고, TiO2는 0.1~0.5wt% 및 우레아는 0.1~0.7wt%를 포함하여 제조한 질화알루미늄 소결제의 경우, 400℃의 온도에서 1.0×1010~1.0×1012Ω·㎝ 범위의 체적저항을 가지며, 550℃의 온도에서도 1.0×109~1.0×1011Ω·㎝ 범위의 체적저항을 갖는 것을 특징을 하고 있다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 전자현미경 사진으로서 TiO2 등을 첨가한 경우 입자 성장(grain growth)이 1.0~1.5㎛ 범위로 관찰되었다.
본 발명과 대비하기 위해 출발원료로 AlN 분말(Tokuyama사)과 소결조제 로서 Y2O3(HC Stark사, Cgrade), MgO(고순도화학, >99.99%) 등을 사용하여 아래의 표 2와 같이 소결체를 제조하였고, 특성을 평가하였다.
　 Composition 소결 온도 (℃) 　 활성화에너지
(eV)
@400℃ @550℃
비교예 9 Y2O3 1wt% 1600 7.32E+08 5.04E+07 0.37
비교예 10 Y2O3 5wt% 7.32E+08 5.15E+07 0.38
비교예 11 Y2O3 9wt% 3.74E+10 6.67E+08 0.28
비교예 12 Y2O3 1wt%
MgO 1wt%		 1600 1.65E+09 2.24E+08 0.3
비교예 13 1700 5.96E+09 2.28E+08 0.28
비교예 14 Y2O3 1wt%
MgO2 2wt%		 1550 5.97E+10 3.63E+09 0.13
비교예 15 1600 3.52E+09 9.95E+08 0.27
비교예 16 1700 1.74E+09 4.79E+08 0.27
실시예 3 Y2O3
6wt%		 Urea 0.5wt%
TiO2 0.1wt%		 1600 2.47E+11 1.70E+10 0.32
실시예 6 Urea 0.5wt%
TiO2 0.2wt%		 1600 9.51E+11 9.25E+10 0.35
비교예 17 Y2O3
1wt%		 Urea 0.5wt%
TiO2 0.1wt%		 1600 2.74E+09 9.53E+07 0.24
비교예 18 1700 1.83E+07 3.55E+06 0.33
비교예 19 Urea 0.1wt%
TiO2 0.1wt%		 1600 2.14E+08 2.62E+07 0.38
비교예 20 1730 6.06E+07 6.34E+06 0.36
상기 표 2에서 알 수 있는 바와 같이 소결조제로서 Y2O3를 첨가하고, 첨가제로서 MgO을 첨가한 경우, 본 발명의 첨가제로서 TiO2 및 우레아를 동시에 첨가한 것에 비해, 낮은 체적저항을 가지는 것을 확인하였다. 또한, 소결조제인 Y2O3를 1.0wt%로 포함하고, 첨가제로서 TiO2 및 우레아를 첨가한 경우에도 낮은 체적저항을 가지는 것을 확인하였다.
반면, 소결조제로서 Y2O3는 전체 조성물에 1wt% 초과로 포함되고, TiO2는 0.1~0.5wt% 및 우레아는 0.1~0.7wt%를 포함하여 제조한 질화알루미늄 소결체의 경우, 400℃의 온도에서 1.0×1010~1.0×1012Ω·㎝ 범위의 체적저항을 가지며, 550℃의 온도에서도 1.0×109~1.0×1011Ω·㎝ 범위의 체적저항을 갖는 것을 특징을 하고 있다.
Y2O3 함량에 따른 열전도도 특성을 알아보기 위해 출발원료로 AlN 분말(Tokuyama사)과 소결조제로서 Y2O3(HC Stark사, Cgrade)의 첨가량을 조절하여 아래의 표 3과 같이 소결체(이때 Urea 0.5wt%, TiO2 0.1wt%로 고정)를 제조하고, 열전도도를 평가하였다.
composition Thermal Conductivity (W/m·k) Cp(calculated)
(J/g·K)		 Diffusivity
(mm2/s)
Y2O3 1wt% 88.665 0.785 34.647
Y2O3 5wt% 84.870 0.773 33.676
Y2O3 9wt% 47.693 0.724 20.207
상기 표 3에 나타나 있는 바와 같이 AlN가 포함된 전체 조성물에 Y2O3의 함량이 증가할수록 열전도도는 떨어지는 것을 확인할 수 있고, 특히 9wt%가 첨가되는 경우, 열전도도가 급격하게 떨어지는 것을 확인할 수 있다. 이러한 점에서 Y2O3은 AlN가 전체 조성물에 9wt% 미만으로 첨가되는 것이 열전전도 특성을 유지하는데 바람직하다. 상기 결과로부터 열전도도는 50W/m·k 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 80W/m·k 이상이 바람직하다.

Claims (10)

  1. 잔량의 AlN 분말, 3~7 wt%의 Y2O3, 0.1~0.5 wt%의 TiO2 및 0.3 wt% 초과 0.7 wt% 미만의 우레아(Urea)를 혼합하여 조성물을 제조하는 단계; 및 상기 조성물을 가압소결하는 단계;를 포함하며,
    제조된 질화알루미늄 소결체는 400℃의 온도에서 2.47×1011~1.0×1012 Ω·㎝의 비저항을 갖고, 550℃의 온도에서 7.50×1010~1.0×1011 Ω·㎝의 비저항을 가지며, 열전도도는 50 W/m·k 이상인 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 소결체의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 삭제
  5. 제1항에 있어서,
    상기 가압소결은 1650∼1900℃의 온도 범위에서 10∼30MPa의 압력을 인가하면서 수행하는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 소결체의 제조방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 가압소결은 비활성 가스 분위기에서 수행하는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 소결체의 제조방법.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 가압소결은, 상기 우레아(Urea)를 열분해시키기 위하여 1350∼1550℃의 제1 온도까지 승온하는 단계;
    상기 제1 온도에서 유지하는 단계;
    상기 제1 온도보다 높은 1600∼1800℃의 제2 온도까지 승온하는 단계; 및 상기 제2 온도에서 유지하면서 가압하여 소결하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 소결체의 제조방법.
  8. 삭제
  9. 삭제
  10. 제1항에 기재된 방법으로 제조된 소결체로서, 잔량의 AlN 분말, 3~7 wt%의 Y2O3, 0.1~0.5 wt%의 TiO2 및 0.3 wt% 초과 0.7 wt% 미만의 우레아(Urea)가 혼합된 조성물을 가압소결하여 제조되며, 400℃의 온도에서 2.47×1011~1.0×1012 Ω·㎝의 비저항을 갖고, 550℃의 온도에서 7.50×1010~1.0×1011 Ω·㎝의 비저항을 가지며, 열전도도는 50 W/m·k 이상인 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 소결체.
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