KR102459473B1 - Silicon nitride sintered body substrate and manufacturing method thereof - Google Patents

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Abstract

본 발명은 질화규소 소결체 기판 및 이의 제조방법에 관한 것으로,
본 발명은 최소한 부분적으로 면 방향 결정 배향성을 갖고, 900 MPa 이상의 꺾임강도를 갖는 것을 특징으로 하는, 질화규소 소결체 기판을 제공한다. 또한, 질화규소 분말 성형체를 제조하는 단계; 상기 제조된 성형체를 질소 분위기 하에서, 열간 가압하여 1차 소결하는 단계; 및 상기 1차 소결된 성형체를 질소 분위기 하에서, 가스 압력으로 2차 소결하는 단계;를 포함하는 질화규소 소결체 기판의 제조방법을 제공한다.
본 발명은 일축 방향으로 열간 가압하여 1차 소결한 후 가스 압력으로 2차 소결함으로써 소결 온도 및 시간을 감소시켜, 에너지가 절약되고, 입자 성장 억제 및 기공 구조 감소로 강도가 향상되는 효과가 있다. 질화규소 소결체 기판의 강도 및 내열충격성이 우수하여 제품의 내구성, 신뢰성 및 생산성이 개선되고, 또한, 면 방향 열전도도가 높아, 반도체 공정 세라믹 히터에 적용시 면 전체 균일한 열 분포를 얻을 수 있어, 반도체 불량률 감소의 이점이 있다.
The present invention relates to a silicon nitride sintered body substrate and a method for manufacturing the same,
The present invention provides a silicon nitride sintered body substrate, characterized in that at least partially having a crystal orientation in the plane direction and having a bending strength of 900 MPa or more. In addition, preparing a silicon nitride powder compact; primary sintering by hot pressing the prepared molded body under a nitrogen atmosphere; and secondarily sintering the primary sintered compact under a nitrogen atmosphere under a gas pressure.
The present invention reduces the sintering temperature and time by performing primary sintering by hot pressing in uniaxial direction and then secondary sintering under gas pressure, thereby saving energy, and improving strength by suppressing particle growth and reducing pore structure. The strength and thermal shock resistance of the silicon nitride sintered compact substrate are excellent, so the durability, reliability and productivity of the product are improved, and the plane direction thermal conductivity is high. There is an advantage of reducing the defect rate.

Description

질화규소 소결체 기판 및 이의 제조방법{Silicon nitride sintered body substrate and manufacturing method thereof}Silicon nitride sintered body substrate and manufacturing method thereof

본 발명은 질화규소 소결체 기판 및 이의 제조방법에 관한 것이다.The present invention relates to a silicon nitride sintered body substrate and a method for manufacturing the same.

반도체 장비에 널리 사용되고 있는 세라믹 히터는 열전도도와 절연특성이 뛰어난 세라믹 소재를 사용하여 제작되고 있고, 현재까지 SiC, AlN 기판 소재들이 높은 열전도율 및 절연특성을 가져 가장 폭넓게 사용되고 있다. 다만, 장비에서 요구하는 히터의 성능이 높아짐에 따라, 사용되는 온도 영역이 증가하고, 승온 속도 및 냉각 속도가 빨라짐에 따라, 기존 재료의 기계적 파괴 및 절연 특성 파괴와 같은 재료적 한계가 나타나고 있다. Ceramic heaters widely used in semiconductor equipment are manufactured using ceramic materials with excellent thermal conductivity and insulation properties, and SiC and AlN substrate materials are the most widely used due to their high thermal conductivity and insulation properties. However, as the performance of the heater required by the equipment increases, the temperature range used increases, and as the temperature increase rate and the cooling rate increase, material limitations such as mechanical destruction of existing materials and destruction of insulating properties appear.

질화규소(Si3N4) 소재는, 소결체 미세구조의 입자가 일반적인 등방형상이 아닌 유니크한 침상형상을 나타냄으로써 다양한 세라믹스 중 높은 강도와 인성 특성을 나타내며, 포논 열전달 기구에 의해 질화알루미늄(AlN) 과 더불어 최상급 열전도도를 달성할 수 있다. Silicon nitride (Si 3 N 4 ) material exhibits high strength and toughness characteristics among various ceramics as the particles of the sintered compact microstructure exhibit a unique needle shape rather than a general isotropic shape. In addition, the highest thermal conductivity can be achieved.

특히, 반도체 증착 설비에서 높은 열전도도에 의한 웨이퍼 전면 균일한 온도 전달이 가능한 소재로서 히터의 구조물로 질화알루미늄이 주로 사용되고 있다. 일 예로, 선행 특허문헌 1은 반도체용 세라믹 히터의 소재로서 질화알루미늄을 이용한 기술을 개시하고 있다. 다만, 질화알루미늄은 400 ℃ 이상의 고온에서 절연저항이 60 MΩ/mm 에서 거의 0으로 저하되어 전기저항성을 상실하는 문제점이 있어 이를 극복하기 위한 기술이 요구된다. 또한, 급속 승온 및 급속 냉각에 의한 수백도 온도 차로 인한 변형, 파손이 발생하여 주기적으로 교체가 필요한 소모성 부품의 측면에서도 개선이 필요하다. In particular, aluminum nitride is mainly used as a structure of a heater as a material capable of uniform temperature transfer to the entire wafer surface due to high thermal conductivity in semiconductor deposition facilities. For example, the prior patent document 1 discloses a technique using aluminum nitride as a material of a ceramic heater for semiconductors. However, aluminum nitride has a problem in that the insulation resistance is reduced to almost 0 at 60 MΩ/mm at a high temperature of 400° C. or higher and thus the electrical resistance is lost, so a technology to overcome this problem is required. In addition, there is a need for improvement in terms of consumable parts that require periodic replacement due to deformation and damage caused by a temperature difference of hundreds of degrees due to rapid temperature rise and rapid cooling.

질화규소 소재는 다른 세라믹 소재와 비교하여 고온에서 전기 저항이 저하되지 않고 안정적으로 절연 상태를 유지할 수 있고, 기계적 강도 및 열전도도가 우수하여 반도체 증착 설비의 질화알루미늄을 대체하기 적합한 소재이다. Compared to other ceramic materials, silicon nitride material is suitable for replacing aluminum nitride in semiconductor deposition facilities because it can stably maintain an insulating state without lowering electrical resistance at high temperatures, and has excellent mechanical strength and thermal conductivity.

본 발명자들은 이러한 질화규소 소재를 이용하여, 반도체 산업 신공정 TSV(through silicon via)에 사용되는 TCB(thermal compression bonding) 공정 장치의 세라믹 히터 소재로서 적합한 성능을 갖고, 나아가 다른 증착 장비 등 반도체용 핵심 제조 설비에 이용될 수 있는, 우수한 내열충격성, 열전도도 및 특히 고강도의 질화규소 소결체 기판을 제조하고자 연구한 결과 본 발명에 이르게 되었다.The present inventors have used this silicon nitride material to have suitable performance as a ceramic heater material for a TCB (thermal compression bonding) process device used in a new process TSV (through silicon via) in the semiconductor industry, and furthermore, a core manufacturing facility for semiconductors such as other deposition equipment As a result of research to manufacture a silicon nitride sintered compact substrate having excellent thermal shock resistance, thermal conductivity, and particularly high strength, which can be used in the present invention, the present invention has been reached.

대한민국 특허공개공보 제10-2006-0043159호(2006.05.15)Korean Patent Laid-Open Publication No. 10-2006-0043159 (May 15, 2006)

본 발명은 질화규소 소결체 기판 및 이의 제조방법을 제공하는데 그 목적이 있다.An object of the present invention is to provide a silicon nitride sintered compact substrate and a method for manufacturing the same.

상기 목적을 달성하기 위하여,In order to achieve the above object,

본 발명의 일 측면에서는,In one aspect of the present invention,

질화규소 소결체 기판이며, 최소한 부분적으로 면 방향 결정 배향성을 갖고, 900 MPa 이상의 꺾임강도를 갖는 것을 특징으로 하는, 질화규소 소결체 기판을 제공한다.There is provided a silicon nitride sintered body substrate, characterized in that it has at least partially in-plane crystal orientation, and has a bending strength of 900 MPa or more.

본 발명의 다른 일 측면에서는,In another aspect of the present invention,

본 발명의 일 측면에서 제공되는 질화규소 소결체 기판 및 상기 기판의 일면에 발열 코팅을 포함하는, 세라믹 히터를 제공한다.In one aspect of the present invention, there is provided a ceramic heater comprising a silicon nitride sintered body substrate and an exothermic coating on one surface of the substrate.

본 발명의 다른 일 측면에서는,In another aspect of the present invention,

질화규소 분말 성형체를 제조하는 단계;preparing a silicon nitride powder compact;

상기 제조된 성형체를 질소 분위기 하에서, 열간 가압하여 1차 소결하는 단계; 및primary sintering by hot pressing the prepared molded body under a nitrogen atmosphere; and

상기 1차 소결된 성형체를 질소 분위기 하에서, 가스 압력으로 2차 소결하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 질화규소 소결체 기판의 제조방법을 제공한다.Secondary sintering of the primary sintered compact under a nitrogen atmosphere under a gas pressure; provides a method of manufacturing a silicon nitride sintered compact substrate comprising: a.

본 발명에 따른 질화규소 소결체 기판은 900 MPa 이상의 꺾임강도를 가져 반도체 장비에 적용 시 부품의 내구성 향상으로 교체 주기 연장 및 비용 절감하는 경제적 이점이 있고, 최소한 부분적으로 면 방향 결정 배향성을 가짐에 따라 면 방향 열전도도가 높아 이를 적용한 세라믹 히터의 발열 면 전체 균일한 온도 분포를 얻을 수 있는 장점이 있다. The silicon nitride sintered body substrate according to the present invention has a bending strength of 900 MPa or more, and when applied to semiconductor equipment, there is an economic advantage of extending the replacement cycle and reducing costs by improving the durability of parts when applied to semiconductor equipment. It has the advantage of obtaining a uniform temperature distribution over the entire heating surface of the ceramic heater to which it is applied due to its high thermal conductivity.

또한, 본 발명에 따른 질화규소 소결체 기판의 제조는 일축 방향으로 열간 가압하여 1차 소결한 후 가스 압력으로 2차 소결하는 공정을 포함함으로써 소결 온도 및 시간을 감소시켜, 에너지가 절약되고, 입자 성장 억제 및 열간 가압 소결로 인한 기공 구조 감소로 강도가 향상되는 효과가 있다. 제조되는 질화규소 소결체 기판의 기계적 강도 및 내열충격성이 우수하여 제품의 내구성, 신뢰성 및 생산성이 개선되고, 또한, 면 방향 열전도도가 높아, 반도체 TSV 기술에 이용되는 TCB 공정용 세라믹 히터에 적용시 면 전체 균일한 열 분포를 얻을 수 있어, 반도체 패키징의 불량률 감소의 이점이 있다.In addition, the production of the silicon nitride sintered compact substrate according to the present invention includes a process of primary sintering by hot pressing in a uniaxial direction and then secondary sintering under gas pressure, thereby reducing the sintering temperature and time, saving energy, and inhibiting particle growth And there is an effect of improving the strength by reducing the pore structure due to hot pressing sintering. Due to the excellent mechanical strength and thermal shock resistance of the silicon nitride sintered substrate produced, the durability, reliability and productivity of the product are improved, and the plane direction thermal conductivity is high. It is possible to obtain a uniform heat distribution, so there is an advantage of reducing the defect rate of semiconductor packaging.

도 1은 본 발명의 비교예 1 및 2에 따라 제조된 질화규소 소결체 기판을 촬영한 이미지이다.
도 2는 본 발명의 비교예 1 및 2에 따라 제조된 질화규소 소결체 기판의 X선 회절 패턴(XRD) 결과를 나타낸 것이다.
도 3은 본 발명의 비교예 1 및 2에 따라 제조된 질화규소 소결체 기판을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 이미지이다.
도 4는 본 발명의 비교예 2 및 4, 실시예 1 내지 3 및 실시예 4 내지 6에 따라 제조된 질화규소 소결체 기판을 촬영한 이미지이다.
도 5는 본 발명의 비교예 2 및 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 질화규소 소결체 기판을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 이미지이다.
도 6은 본 발명의 비교예 4 및 실시예 4 내지 6에 따라 제조된 질화규소 소결체 기판을 주사전자현미경(SEM)으로 관찰한 이미지이다.
도 7은 본 발명의 비교예 2 및 실시예 1 내지 3에 따라 제조된 질화규소 소결체 기판의 열전도도 및 강도를 나타낸 그래프이다.
도 8은 본 발명의 비교예 4 및 실시예 4 내지 6에 따라 제조된 질화규소 소결체 기판의 열전도도 및 강도를 나타낸 그래프이다.
도 9는 본 발명의 일 실험예에 따른 세라믹 히터의 400 ℃ 에서 발열 면 온도 분포 상태를 나타낸 것이다.
1 is a photograph of a silicon nitride sintered body substrate prepared according to Comparative Examples 1 and 2 of the present invention.
2 shows the X-ray diffraction pattern (XRD) results of the silicon nitride sintered body substrate prepared according to Comparative Examples 1 and 2 of the present invention.
3 is an image of the silicon nitride sintered substrate prepared according to Comparative Examples 1 and 2 of the present invention observed with a scanning electron microscope (SEM).
4 is a photograph of the silicon nitride sintered body substrates prepared according to Comparative Examples 2 and 4, Examples 1 to 3, and Examples 4 to 6 of the present invention.
5 is an image of the silicon nitride sintered substrate prepared according to Comparative Example 2 and Examples 1 to 3 of the present invention observed with a scanning electron microscope (SEM).
6 is an image of the silicon nitride sintered substrate prepared according to Comparative Example 4 and Examples 4 to 6 of the present invention observed with a scanning electron microscope (SEM).
7 is a graph showing the thermal conductivity and strength of the silicon nitride sintered compact substrate prepared according to Comparative Example 2 and Examples 1 to 3 of the present invention.
8 is a graph showing the thermal conductivity and strength of the silicon nitride sintered body substrate prepared according to Comparative Example 4 and Examples 4 to 6 of the present invention.
9 is a diagram illustrating a temperature distribution state of a heating surface at 400° C. of a ceramic heater according to an experimental example of the present invention.

이하, 본 발명을 상세히 설명한다.Hereinafter, the present invention will be described in detail.

본 발명의 일 측면에서는,In one aspect of the present invention,

질화규소 소결체 기판이며, 최소한 부분적으로 면 방향 결정 배향성을 갖고, 900 MPa 이상의 꺾임강도를 갖는 것을 특징으로 하는, 질화규소 소결체 기판을 제공한다.There is provided a silicon nitride sintered body substrate, characterized in that it has at least partially in-plane crystal orientation, and has a bending strength of 900 MPa or more.

이하, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 질화규소 소결체 기판을 각 구성 별로 상세히 설명한다.Hereinafter, the silicon nitride sintered body substrate provided in one aspect of the present invention will be described in detail for each configuration.

본 발명의 질화규소 소결체 기판은 최소한 면 방향 결정 배향성을 갖는다. The silicon nitride sintered compact substrate of the present invention has at least a plane-direction crystal orientation.

본 발명의 일 실시예에 따른 질화규소 소결체 기판은 0.2 내지 0.6 범위의 fL (Lotgering Orientation Factor) 값을 가질 수 있다. The silicon nitride sintered body substrate according to an embodiment of the present invention may have a Lotgering Orientation Factor (f L ) value in the range of 0.2 to 0.6.

본 명세서에서 다른 특별한 설명이 없는 한, 상기 면 방향은 HP 압력의 방향과 수직인, HP 압력을 받는 면의 방향을 의미한다. Unless otherwise specified herein, the direction of the surface means the direction of the surface receiving the HP pressure, which is perpendicular to the direction of the HP pressure.

본 발명의 질화규소 소결체 기판은 900 MPa 이상의 꺾임강도를 갖는다. 상기 질화규소 소결체 기판은 바람직하게는 950 MPa 이상의 꺾임강도를 가질 수 있고, 더욱 바람직하게는 1000 MPa 이상의 꺾임강도를 가질 수 있다. The silicon nitride sintered compact substrate of the present invention has a bending strength of 900 MPa or more. The silicon nitride sintered body substrate may have a bending strength of preferably 950 MPa or more, and more preferably, a bending strength of 1000 MPa or more.

상기 질화규소 소결체 기판은 소결조제를 더 포함하고, 상기 소결조제는 소결체 전체 몰 기준으로 0.5 몰% 내지 10 몰%로 포함될 수 있다.The silicon nitride sintered body substrate may further include a sintering aid, and the sintering aid may be included in an amount of 0.5 mol% to 10 mol% based on the total mole of the sintered body.

상기 소결조제는 질화규소 입자의 결정 성장을 촉진하고, 질화규소 소결체의 상대 밀도를 높게 하기 위해 이용된다. 소결조제로 알칼리 토금속, 희토류, 전이 금속 및 전형 금속 군에 속하는 금속 및 이들의 산화물을 사용할 수 있다. The sintering aid is used to promote crystal growth of silicon nitride particles and to increase the relative density of the silicon nitride sintered body. Metals belonging to the group of alkaline earth metals, rare earth metals, transition metals and typical metals and oxides thereof may be used as the sintering aid.

구체적 예로, 상기 소결조제는 산화이트륨, 산화마그네슘, 산화알루미늄, 산화지르코늄, 이산화티타늄, 질화알루미늄, 산화칼슘, 구리, 질화붕소로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 또는 2종 이상의 혼합물을 사용할 수 있으나, 이에 제한되는 것은 아니다.As a specific example, the sintering aid may be one or a mixture of two or more selected from the group consisting of yttrium oxide, magnesium oxide, aluminum oxide, zirconium oxide, titanium dioxide, aluminum nitride, calcium oxide, copper, boron nitride, However, the present invention is not limited thereto.

일 예로, 상기 소결조제는 산화이트륨 및 산화마그네슘의 혼합물일 수 있고, 소결체 전체 몰 기준으로, 산화이트륨과 산화마그네슘은 산화이트륨 1 몰% 내지 3 몰%, 산화마그네슘 5 몰%로 포함될 수 있다. For example, the sintering aid may be a mixture of yttrium oxide and magnesium oxide, and based on the total mole of the sintered body, yttrium oxide and magnesium oxide may be included in 1 mol% to 3 mol% of yttrium oxide and 5 mol% of magnesium oxide.

또한, 일 예로, 상기 소결조제는 산화이트륨 및 산화마그네슘의 혼합물일 수 있고, 소결체 전체 몰 기준으로, 산화이트륨과 산화마그네슘은 산화이트륨 0.2 몰% 내지 1 몰%, 산화마그네슘 5 몰%로 포함될 수 있다.In addition, as an example, the sintering aid may be a mixture of yttrium oxide and magnesium oxide, and based on the total mole of the sintered body, yttrium oxide and magnesium oxide may be included in 0.2 mol% to 1 mol% of yttrium oxide and 5 mol% of magnesium oxide have.

상기 질화규소 소결체 기판은 55 W/mㆍK 이상의 열전도도를 가질 수 있다. 상기 질화규소 소결체 기판은 바람직하게는 60 W/mㆍK 이상의 열전도도, 더욱 바람직하게는 65 W/mㆍK 이상의 열전도도, 더욱 바람직하게는 70 W/mㆍK 이상의 열전도도, 더욱 바람직하게는 75 W/mㆍK 이상의 열전도도, 더욱 바람직하게는 80 W/mㆍK 이상의 열전도도, 더욱 바람직하게는 85 W/mㆍK 이상의 열전도도를 가질 수 있다. 열전도도(평균값)는 측정한 샘플의 열확산도, 샘플의 비열 및 밀도로부터 계산할 수 있다.The silicon nitride sintered body substrate may have a thermal conductivity of 55 W/m·K or more. The silicon nitride sintered body substrate preferably has a thermal conductivity of 60 W/m·K or more, more preferably a thermal conductivity of 65 W/m·K or more, more preferably a thermal conductivity of 70 W/m·K or more, still more preferably It may have a thermal conductivity of 75 W/m·K or more, more preferably a thermal conductivity of 80 W/m·K or more, and more preferably a thermal conductivity of 85 W/m·K or more. The thermal conductivity (average value) can be calculated from the measured thermal diffusivity of the sample, the specific heat of the sample, and the density.

상기 질화규소 소결체 기판의 두께는 2 mm 내지 8 mm 일 수 있다. 구체적 예로, 두께는 3 내지 5 mm 일 수 있다. The silicon nitride sintered substrate may have a thickness of 2 mm to 8 mm. As a specific example, the thickness may be 3 to 5 mm.

상기 질화규소 소결체 기판의 일면에 발열 코팅을 포함할 수 있다.A heating coating may be included on one surface of the silicon nitride sintered body substrate.

상기 질화규소 소결체 기판은 세라믹 히터 용도로 사용될 수 있다. The silicon nitride sintered substrate may be used as a ceramic heater.

다층/입체 구조 반도체 제조의 신 공법으로 채용되고 있는 TSV(Through Silicon Via) 기술이 있다. TSV 반도체는 적층된 웨이퍼 간 접합용 필름 삽입 및 관통 홀(via hall)에 일반적으로 구리 분말을 삽입 후 가열된 히터로 압착함으로써 용융 구리에 의해 웨이퍼를 접합하면서 동시에 전극을 형성하는 열압착접합(TCB, thermal compression bonding) 기술에 의해 구현된다. TCB용 세라믹 히터는 히터 면의 균일한 열 분포를 위해 높은 열전도도, 압착작업을 위한 기계적 강도, 생산성 향상을 위한 급속 승온 및 급속 냉각에 견디는 내열충격성이 요구되며, 본 발명에 따른 고강도 질화규소 소결체 기판은 세라믹 히터, 특히 TCB용 세라믹 히터 용도로 사용할 수 있다.There is TSV (Through Silicon Via) technology, which is being adopted as a new method of manufacturing multi-layer/stereo-structured semiconductors. TSV semiconductor is a thermocompression bonding (TCB) that joins wafers with molten copper and forms electrodes at the same time by inserting a laminated wafer-to-wafer bonding film and generally inserting copper powder into a via hall and then pressing with a heated heater. , implemented by thermal compression bonding) technology. The ceramic heater for TCB requires high thermal conductivity for uniform heat distribution on the heater surface, mechanical strength for compression work, and thermal shock resistance to withstand rapid temperature rise and rapid cooling for productivity improvement. Silver can be used for ceramic heaters, especially ceramic heaters for TCB.

본 발명에 따른 질화규소 소결체 기판은 900 MPa 이상의 꺾임강도를 나타내어, 반도체 장비에 적용시 부품의 내구성 향상으로 교체 주기 연장 및 비용 절감하는 경제적 이점이 있고, 최소한 부분적으로 면 방향 결정 배향성을 가짐에 따라 면 방향 열전도도가 높아 이를 적용한 세라믹 히터의 경우, 발열 면 전체 균일한 온도 분포를 얻을 수 있는 장점이 있다. The silicon nitride sintered substrate according to the present invention exhibits a bending strength of 900 MPa or more, and when applied to semiconductor equipment, there is an economic advantage of extending the replacement cycle and reducing costs by improving the durability of parts when applied to semiconductor equipment. In the case of a ceramic heater applied with high directional thermal conductivity, there is an advantage in that a uniform temperature distribution can be obtained over the entire heating surface.

본 발명의 다른 일 측면에서는, In another aspect of the present invention,

본 발명의 일 측면에서 제공되는 질화규소 소결체 기판 및 상기 기판의 일면에 발열 코팅을 포함하는, 세라믹 히터를 제공한다.In one aspect of the present invention, there is provided a ceramic heater comprising a silicon nitride sintered body substrate and an exothermic coating on one surface of the substrate.

상기 세라믹 히터는 열압착접합(Thermal Compression Bonding, TCB) 공정용 세라믹 히터일 수 있다.The ceramic heater may be a ceramic heater for a thermal compression bonding (TCB) process.

TCB용 세라믹 히터는 히터 면의 균일한 열 분포를 위해 높은 열전도도, 압착작업을 위한 기계적 강도, 생산성 향상을 위한 급속 승온 및 급속 냉각에 견디는 내열충격성이 요구되며, 본 발명에 따른 고강도 질화규소 소결체 기판은 세라믹 히터로 사용될 수 있고, 세라믹 히터는 바람직하게는 TCB용 세라믹 히터일 수 있다.The ceramic heater for TCB requires high thermal conductivity for uniform heat distribution on the heater surface, mechanical strength for compression work, and thermal shock resistance to withstand rapid temperature rise and rapid cooling for productivity improvement. Silver may be used as a ceramic heater, and the ceramic heater may preferably be a ceramic heater for TCB.

본 발명의 또 다른 일 측면에서는,In another aspect of the present invention,

질화규소 분말 성형체를 제조하는 단계;preparing a silicon nitride powder compact;

상기 제조된 성형체를 질소 분위기 하에서, 열간 가압하여 1차 소결하는 단계; 및primary sintering by hot pressing the prepared molded body under a nitrogen atmosphere; and

상기 1차 소결된 성형체를 질소 분위기 하에서, 가스 압력으로 2차 소결하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 질화규소 소결체 기판의 제조방법을 제공한다.Secondary sintering of the primary sintered compact under a nitrogen atmosphere under a gas pressure; provides a method of manufacturing a silicon nitride sintered compact substrate comprising: a.

이하, 본 발명의 일 측면에서 제공되는 질화규소 소결체 기판의 제조방법을 각 단계 별로 상세히 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a silicon nitride sintered body substrate provided in one aspect of the present invention will be described in detail for each step.

본 발명의 방법은 질화규소 분말 성형체를 제조하는 단계를 포함한다. 질화규소 분말 성형체에는 질화규소 분말, 소결조제 분말이 포함될 수 있다. The method of the present invention comprises the step of producing a silicon nitride powder compact. The silicon nitride powder compact may include silicon nitride powder and sintering aid powder.

상기 질화규소 분말 성형체를 제조하는 단계는,The step of preparing the silicon nitride powder compact,

질화규소 분말, 소결조제 분말을 혼합하여 혼합 분말을 준비하는 단계;및Preparing a mixed powder by mixing the silicon nitride powder and the sintering aid powder; And

상기 혼합 분말에 바인더를 첨가하고 기판 형태로 성형하는 단계;를 포함할 수 있다.It may include; adding a binder to the mixed powder and molding it in the form of a substrate.

상기 방법은 질화규소 분말 성형체를 제조한 후 소결 전에, 상기 성형체의 바인더를 제거하기 위한 탈지 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further include a degreasing step for removing the binder of the silicon nitride powder compact before sintering after manufacturing the compact.

본 발명의 방법은 상기 제조된 성형체를 질소 분위기 하에서, 열간 가압하여 1차 소결하는 단계를 포함한다. The method of the present invention includes the step of primary sintering by hot pressing the formed body under a nitrogen atmosphere.

상기 열간 가압 소결은 열간 가압 소결 장치에서 수행되고, 열간 가압 소결 장치는 성형체에 대하여 일축 방향으로 가압하는 가압 수단 및 몰드를 포함할 수 있다. 상기 열간 가압 소결 장치는 이 기술 분야 당업자에 의해 용이하게 설계될 수 있으므로 상세한 설명을 생략한다.The hot pressing sintering is performed in a hot pressing sintering apparatus, and the hot pressing sintering apparatus may include a pressing means and a mold for pressing in a uniaxial direction with respect to the molded body. Since the hot pressure sintering apparatus can be easily designed by those skilled in the art, a detailed description thereof will be omitted.

상기 소결은 질소(N2) 분위기 하에서 수행된다. 산소가 바람직하게는 함유되지 않음으로써, 질화규소가 산소 원자(분자) 의한 영향을 받지 않고, 높은 열전도율을 달성하는 것이 가능해진다.The sintering is performed under a nitrogen (N 2 ) atmosphere. By preferably not containing oxygen, silicon nitride is not affected by oxygen atoms (molecules), and it becomes possible to achieve high thermal conductivity.

상기 1차 소결은 상압의 질소 분위기 하에서 수행될 수 있다. The primary sintering may be performed under a nitrogen atmosphere at normal pressure.

상기 1차 소결은 10 MPa 내지 50 MPa의 압력으로 수행될 수 있다.The primary sintering may be performed at a pressure of 10 MPa to 50 MPa.

상기 1차 소결 단계는 1600 ℃ 이상의 온도로 수행될 수 있고, 바람직하게는 1600 ℃ 내지 1800 ℃ 의 온도로 수행될 수 있고, 더욱 바람직하게는 1650 ℃ 내지 1750 ℃의 온도로 수행될 수 있다. 상기 소결 온도가 1600 ℃ 미만인 경우에는 소결체 기공이 완전히 제거되지 못하고, 출발 알파상 질화규소의 베타상 질화규소로의 상변태가 불완전하여 강도 및 열전도도가 저하되는 문제점이 있다.The first sintering step may be performed at a temperature of 1600 °C or higher, preferably at a temperature of 1600 °C to 1800 °C, and more preferably at a temperature of 1650 °C to 1750 °C. If the sintering temperature is less than 1600 ℃, the pores of the sintered body cannot be completely removed, and the phase transformation of the starting alpha-phase silicon nitride to the beta-phase silicon nitride is incomplete, so that strength and thermal conductivity are deteriorated.

상기 1차 소결 단계는 30분 이상의 시간 동안 수행될 수 있고, 바람직하게는 30분 이상 내지 3시간 이하의 시간 동안 수행될 수 있다. 상기 1차 소결 시간이 30분 미만인 경우에는 소결체 기공이 완전히 제거되지 못하고, 출발 알파상 질화규소의 베타상 질화규소로의 상변태가 불완전하여 강도 및 열전도도가 저하되는 문제점이 있다. The first sintering step may be performed for 30 minutes or more, and preferably for 30 minutes or more to 3 hours or less. If the first sintering time is less than 30 minutes, the pores of the sintered body cannot be completely removed, and the phase transformation of the starting alpha-phase silicon nitride to the beta-phase silicon nitride is incomplete, thereby reducing strength and thermal conductivity.

본 발명의 방법은 상기 1차 소결된 성형체를 질소 분위기 하에서, 가스 압력으로 2차 소결하는 단계를 포함한다.The method of the present invention includes the step of secondary sintering the primary sintered compact under a nitrogen atmosphere, under a gas pressure.

상기 소결은 질소(N2) 분위기 하에서 수행된다. 산소가 바람직하게는 함유되지 않음으로써, 질화규소가 산소 원자(분자) 의한 영향을 받지 않고, 높은 열전도율을 달성하는 것이 가능해진다.The sintering is performed under a nitrogen (N 2 ) atmosphere. By preferably not containing oxygen, silicon nitride is not affected by oxygen atoms (molecules), and it becomes possible to achieve high thermal conductivity.

상기 2차 소결 단계는 0.5 내지 5 MPa의 질소 가스 압력으로 수행될 수 있고, 바람직하게는 0.5 내지 2 MPa의 질소 가스 압력으로 수행될 수 있다. The secondary sintering step may be performed at a nitrogen gas pressure of 0.5 to 5 MPa, preferably at a nitrogen gas pressure of 0.5 to 2 MPa.

상기 2차 소결 단계는 1800 ℃ 이상의 온도로 수행될 수 있고, 바람직하게는 1850 ℃ 내지 1950 ℃ 의 온도로 수행될 수 있다. 상기 소결 온도가 1800 ℃ 미만인 경우에는 입자성장이 부족하여 열전도도가 낮은 문제점이 있다. The secondary sintering step may be performed at a temperature of 1800 °C or higher, preferably at a temperature of 1850 °C to 1950 °C. When the sintering temperature is less than 1800 °C, there is a problem of low thermal conductivity due to insufficient grain growth.

상기 2차 소결 단계는 30분 내지 5시간 동안 수행될 수 있고, 바람직하게는 30분 내지 3시간 동안 수행될 수 있다. 상기 2차 소결 시간이 5시간을 초과하는 경우, 과도한 입자 성장으로 소결체 기판의 강도가 저하되고, 에너지 소모가 큰 문제점이 있고, 상기 2차 소결 시간이 30분 미만인 경우, 입자성장이 부족하여 열전도도가 낮은 문제점이 있다. The secondary sintering step may be performed for 30 minutes to 5 hours, and preferably for 30 minutes to 3 hours. When the secondary sintering time exceeds 5 hours, the strength of the sintered compact substrate is lowered due to excessive grain growth, and there is a problem in that energy consumption is large, and when the secondary sintering time is less than 30 minutes, the grain growth is insufficient and heat conduction There is a problem with the low degree.

상기 질화규소 소결체 기판은 세라믹 히터 용도로 사용될 수 있다.The silicon nitride sintered substrate may be used as a ceramic heater.

본 발명에 따른 질화규소 소결체 기판의 제조방법은 먼저 열간 가압하여 1차 소결한 후 가스 압력으로 2차 소결하는 공정을 포함함으로써 소결 온도 및 시간을 감소시켜, 에너지를 절약할 수 있으며, 상대적으로 적은 입자 성장에도 불구하고 배향성에 의한 높은 열전도도 및 열간 가압 소결로 인한 기공 구조 감소로 강도가 향상되는 효과가 있다. 또한, 면 방향 열전도도가 개선되어, 세라믹 히터 적용시 면 전체 균일한 열 분포를 얻을 수 있어, 반도체 불량률 감소에 기여하는 이점이 있다. The method for manufacturing a silicon nitride sintered compact substrate according to the present invention includes a process of first sintering by hot pressing and then secondary sintering under gas pressure, thereby reducing the sintering temperature and time, thereby saving energy, and relatively few particles Despite the growth, there is an effect of improving strength due to high thermal conductivity due to orientation and reduction of pore structure due to hot pressure sintering. In addition, since the surface direction thermal conductivity is improved, a uniform heat distribution can be obtained over the entire surface when the ceramic heater is applied, thereby contributing to a reduction in the semiconductor defect rate.

이하, 실시예 및 실험예를 통하여 본 발명을 더욱 상세히 설명하고자 한다. 본 발명의 범위는 특정 실시예, 실험예에 한정되는 것은 아니며, 첨부된 청구범위에 의하여 해석되어야 할 것이다. 또한, 이 기술분야에서 통상의 지식을 습득한 자라면, 본 발명의 범위에서 벗어나지 않으면서도 많은 수정과 변형이 가능함을 이해해야 할 것이다.Hereinafter, the present invention will be described in more detail through Examples and Experimental Examples. The scope of the present invention is not limited to specific examples and experimental examples, and should be interpreted by the appended claims. In addition, those skilled in the art should understand that many modifications and variations are possible without departing from the scope of the present invention.

도 4는 후술하는 본 발명의 비교예 2 및 실시예 1 내지 3, 비교예 4 및 실시예 4 내지 6에 따라 제조된 질화규소 소결체 기판을 촬영한 이미지이다. 4 is an image of a silicon nitride sintered compact substrate prepared according to Comparative Example 2 and Examples 1 to 3, Comparative Examples 4 and 4 to 6 of the present invention to be described later.

<실시예 1><Example 1>

일축 방향 열간 가압하여 1차 소결(HP, Hot Press)한 후 가스 압력으로 2차 소결(GPS, Gas Pressure Sintering)하여 질화규소 소결체 기판을 제조하였다. After primary sintering (HP, Hot Press) by uniaxial hot pressing, the secondary sintering (GPS, Gas Pressure Sintering) was performed to prepare a silicon nitride sintered substrate.

먼저, 원료 분말로 질화규소(Si3N4), 산화이트륨(Y2O3) 및 산화마그네슘(MgO)을 사용하였고, 2Y5M, 2 몰% 산화이트륨 - 5 몰% 산화마그네슘 조성을 준비하였다. 하기 표 1은 원료 분말의 조성을 정리한 표이다.First, silicon nitride (Si 3 N 4 ), yttrium oxide (Y 2 O 3 ) and magnesium oxide (MgO) were used as raw material powder, and 2Y5M, 2 mol% yttrium oxide - 5 mol% magnesium oxide composition was prepared. Table 1 below is a table summarizing the composition of the raw material powder.

Figure 112020115390892-pat00001
Figure 112020115390892-pat00001

혼합 분말을 HP용 몰드에 넣고, 장비 챔버에 진공 상태에서 질소 가스를 흘려주어 0.1 MPa의 질소 가스분위기를 형성하였다. 20MPa의 압력으로 혼합 분말을 가압하면서 1700 ℃의 온도로 2 시간 동안 소결하였다. The mixed powder was put in a mold for HP, and nitrogen gas was flowed into the equipment chamber in a vacuum state to form a nitrogen gas atmosphere of 0.1 MPa. It was sintered for 2 hours at a temperature of 1700 °C while pressing the mixed powder under a pressure of 20 MPa.

이후, 1차 소결체를 Graphite 도가니 내에서 2차 소결하였다. 도가니 바닥에 Si3N4와 BN의 중량비 50:50의 분위기 분말 200g을 사용하였다. 1900 ℃의 온도 및 2 MPa의 질소 가스압 하에서 1 시간 동안 2차 소결하여, 질화규소 소결체 기판을 제조하였다.Thereafter, the primary sintered body was secondary sintered in a graphite crucible. At the bottom of the crucible, 200 g of atmospheric powder having a weight ratio of Si3N4 and BN of 50:50 was used. Secondary sintering was performed for 1 hour at a temperature of 1900° C. and a nitrogen gas pressure of 2 MPa to prepare a silicon nitride sintered substrate.

<실시예 2><Example 2>

상기 실시예 1에서 2차 소결을 3시간 동안 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 질화규소 소결체 기판을 제조하였다. A silicon nitride sintered substrate was prepared in the same manner as in Example 1, except that the secondary sintering was performed for 3 hours in Example 1.

<실시예 3><Example 3>

상기 실시예 1에서 2차 소결을 6시간 동안 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 질화규소 소결체 기판을 제조하였다. A silicon nitride sintered compact substrate was prepared in the same manner as in Example 1, except that the secondary sintering was performed for 6 hours in Example 1.

<실시예 4><Example 4>

상기 실시예 1에서 원료 분말의 조성을 0.5Y5M(표1 참조)으로 한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 질화규소 소결체 기판을 제조하였다.A silicon nitride sintered substrate was prepared in the same manner as in Example 1, except that the composition of the raw material powder in Example 1 was 0.5Y5M (see Table 1).

<실시예 5><Example 5>

상기 실시예 1에서 원료 분말의 조성을 0.5Y5M으로 하고, 2차 소결을 3시간 동안 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 질화규소 소결체 기판을 제조하였다.A silicon nitride sintered substrate was prepared in the same manner as in Example 1, except that the composition of the raw material powder was 0.5Y5M in Example 1 and secondary sintering was performed for 3 hours.

<실시예 6><Example 6>

상기 실시예 1에서 원료 분말의 조성을 0.5Y5M으로 하고, 2차 소결을 6시간 동안 수행한 것을 제외하고는 실시예 1과 동일한 방법으로 질화규소 소결체 기판을 제조하였다.A silicon nitride sintered substrate was prepared in the same manner as in Example 1, except that the composition of the raw material powder in Example 1 was 0.5Y5M, and the secondary sintering was performed for 6 hours.

<비교예 1><Comparative Example 1>

가스 압력 소결(Gas Pressure Sintering)로 질화규소 소결체 기판을 제조하였다. 2Y5M 원료 분말을 볼밀로 혼합한 후 분무건조 공법으로 과립 형태의 분말을 제조하였다. 바인더를 첨가하고 금형 몰드를 이용해 일축 성형한 후, 냉간정수압성형(CIP) 장비로 2차 성형하여 성형체를 제조하였다. 이후, 탈지공정을 수행하여 제조된 성형체에서 바인더를 제거하였다.A sintered silicon nitride substrate was prepared by gas pressure sintering. After mixing the 2Y5M raw powder with a ball mill, a granular powder was prepared by a spray-drying method. After adding a binder and uniaxially molding using a mold, secondary molding was performed using cold hydrostatic pressure (CIP) equipment to prepare a molded body. Thereafter, the binder was removed from the molded article manufactured by performing a degreasing process.

Graphite 도가니 내에서 BN 플레이트를 제조된 성형체의 양쪽에 위치시키고, 도가니 바닥에 Si3N4와 BN의 중량비 50:50의 분위기 분말 200g을 사용하였다. 1900 ℃의 온도 및 2 MPa의 질소 가스압 하에서 6 시간 동안 소결하여, 질화규소 소결체 기판을 제조하였다.In a graphite crucible, BN plates were placed on both sides of the manufactured compact, and 200 g of atmospheric powder having a weight ratio of Si3N4 and BN of 50:50 was used at the bottom of the crucible. The silicon nitride sintered substrate was prepared by sintering at a temperature of 1900° C. and a nitrogen gas pressure of 2 MPa for 6 hours.

<비교예 2><Comparative Example 2>

일축 방향으로 열간 가압 소결(HP, Hot Press)하여, 질화규소 소결체 기판을 제조하였다. 먼저, 원료 분말로 질화규소(Si3N4), 산화이트륨(Y2O3) 및 산화마그네슘(MgO)을 사용하였고, 2Y5M 조성을 준비하였다.A silicon nitride sintered compact substrate was prepared by hot press sintering (HP, Hot Press) in the uniaxial direction. First, silicon nitride (Si 3 N 4 ), yttrium oxide (Y 2 O 3 ) and magnesium oxide (MgO) were used as raw material powder, and a 2Y5M composition was prepared.

혼합 분말을 HP용 몰드에 넣고, 장비 챔버에 진공 상태에서 질소 가스를 흘려주어 0.1 MPa의 질소 가스분위기를 형성하였다. 20MPa의 압력으로 혼합 분말을 가압하면서 1700 ℃의 온도로 2 시간 동안 소결하여, 질화규소 소결체 기판을 제조하였다.The mixed powder was put in a mold for HP, and nitrogen gas was flowed into the equipment chamber in a vacuum state to form a nitrogen gas atmosphere of 0.1 MPa. A silicon nitride sintered substrate was prepared by sintering at a temperature of 1700° C. for 2 hours while pressing the mixed powder under a pressure of 20 MPa.

<비교예 3><Comparative Example 3>

상기 비교예 1에서 원료 분말의 조성을 0.5Y5M으로 한 것을 제외하고는 비교예 1과 동일한 방법으로 질화규소 소결체 기판을 제조하였다.A silicon nitride sintered substrate was prepared in the same manner as in Comparative Example 1, except that the composition of the raw material powder in Comparative Example 1 was 0.5Y5M.

<비교예 4><Comparative Example 4>

상기 비교예 2에서 원료 분말의 조성을 0.5Y5M으로 한 것을 제외하고는 비교예 2와 동일한 방법으로 질화규소 소결체 기판을 제조하였다.A silicon nitride sintered substrate was prepared in the same manner as in Comparative Example 2, except that the composition of the raw material powder in Comparative Example 2 was 0.5Y5M.

<실험예 1> 질화규소 소결체 기판의 면 방향 결정 배향성<Experimental Example 1> In-plane crystal orientation of silicon nitride sintered body substrate

상기 비교예 1 내지 2 에서 제조된 질화규소 소결체 기판의 면 방향 결정 배향성을 확인하기 위해, 다음과 같은 실험을 진행하였다. In order to confirm the crystal orientation of the silicon nitride sintered body prepared in Comparative Examples 1 and 2 in the plane direction, the following experiment was performed.

먼저, GPS 소결하여 제조된 비교예 1 및 HP 소결하여 제조된 비교예 2의 X선 회절 패턴 분석(XRD)을 진행하였다. 그 결과를 도 2에 도시하였다. First, X-ray diffraction pattern analysis (XRD) of Comparative Example 1 prepared by GPS sintering and Comparative Example 2 prepared by HP sintering was performed. The results are shown in FIG. 2 .

도 1은 비교예 1 및 2에 따라 제조된 질화규소 소결체 기판을 촬영한 이미지이다. 도 2a는 비교예 1의 결과, 도 2b는 비교예 2의 HP 압력이 가해진 면의 XRD 결과, 도 2c는 비교예 2의 HP 압력이 가해진 면에 수직인 면의 XRD 결과이다. 1 is an image of a silicon nitride sintered compact substrate prepared according to Comparative Examples 1 and 2. FIG. 2a is an XRD result of Comparative Example 1, FIG. 2b is an XRD result of the surface to which HP pressure is applied, and FIG. 2c is an XRD result of a surface perpendicular to the surface to which HP pressure is applied in Comparative Example 2.

비교예 1 및 비교예 2의 미세구조를 주사전자현미경(SEM)으로 관찰하였다. 그 결과를 도 3에 도시하였다. 도 3a는 비교예 1의 결과, 도 3b는 비교예 2의 HP 압력이 가해진 면 방향 단면의 SEM 이미지, 도 3c는 비교예 2의 HP 압력 방향과 수평 방향 단면의 SEM 이미지이다.The microstructures of Comparative Examples 1 and 2 were observed with a scanning electron microscope (SEM). The results are shown in FIG. 3 . 3A is a result of Comparative Example 1, FIG. 3B is an SEM image of a plane direction cross-section to which the HP pressure of Comparative Example 2 is applied, and FIG. 3C is an SEM image of an HP pressure direction and a horizontal cross-section of Comparative Example 2.

도 1 내지 도 3에 따르면, 도 1에 도시된 바와 같이, GPS 소결한 비교예 1의 기판은 완전 치밀체를 얻지 못한 반면, HP 소결한 비교예 2의 기판은 짧은 소결 시간에도 일축 방향 높은 압력이 가해짐으로써 100% 완전한 치밀체로 제조되는 것을 확인하였다. According to FIGS. 1 to 3, as shown in FIG. 1, the GPS-sintered substrate of Comparative Example 1 did not obtain a perfect compact, whereas the HP-sintered substrate of Comparative Example 2 uniaxially had high pressure even for a short sintering time. By this addition, it was confirmed that a 100% complete compact body was prepared.

또한, 도 2를 살펴보면, 도 2a에서 비교예 1은 (101), (210) peak 차이가 크게 나지 않는 반면, 도 2b 및 도 2c에서 비교예 2는 (101), (210) peak의 차이가 크게 나타나는 것을 확인하였다. 일축방향 가압 소결을 통해 질화규소의 침상형 입자 성장이 면 방향으로 배향되는 것을 알 수 있다. In addition, looking at FIG. 2, Comparative Example 1 in FIG. 2a does not have a significant difference in (101), (210) peaks, whereas in FIGS. 2b and 2c, Comparative Example 2 has (101), (210) peak differences. It was confirmed that it appeared large. It can be seen that the needle-shaped grain growth of silicon nitride is oriented in the plane direction through uniaxial pressure sintering.

도 3을 살펴보면, 도 3b 및 도 3c에서 비교예 2는 HP 힘이 가해진 면에서 질화규소 침상형 입자가 면 방향으로 주로 배향된 경향을 확인하였다. 또한, 도 3a에서 1900℃에서 장시간 6시간 동안 소결한 비교예 1의 입자크기가 도 3b 및 도 3c의 입자크기보다 크게 나타났으며, 비교예 1의 경우 방향에 따른 배향성은 나타나지 않았다. Referring to FIG. 3, in Comparative Example 2 in FIGS. 3b and 3c, it was confirmed that the silicon nitride needle-like particles were mainly oriented in the plane direction in the plane to which the HP force was applied. In addition, in FIG. 3A, the particle size of Comparative Example 1 sintered at 1900° C. for a long time for 6 hours was larger than the particle size of FIGS. 3B and 3C, and in the case of Comparative Example 1, orientation according to the direction did not appear.

따라서, HP 소결하여 제조한 비교예 2는 GPS 소결 제조한 비교예 1보다 낮은 온도와 짧은 시간에도 외부 힘에 대한 소결 구동력 상승으로 소결 밀도가 개선되고, 일축 방향 가압으로 질화규소 침상형 입자성장이 면 방향 배향되는 효과를 얻을 수 있음을 알 수 있다.Therefore, Comparative Example 2 prepared by HP sintering improved the sintering density by increasing the sintering driving force against an external force even at a lower temperature and shorter time than Comparative Example 1 prepared by GPS sintering, and silicon nitride needle-like grain growth was achieved by uniaxial pressure. It can be seen that the effect of directional orientation can be obtained.

<실험예 2> 질화규소 소결체 기판의 미세구조 관찰<Experimental Example 2> Observation of the microstructure of the silicon nitride sintered body substrate

상기 실시예 1 내지 6, 비교예 2 및 4의 미세구조를 주사전자현미경(SEM) 관찰하여 2차 GPS 소결에 따른 입자성장을 확인하였다. 그 결과를 도 5 및 도 6에 도시하였다.The microstructures of Examples 1 to 6 and Comparative Examples 2 and 4 were observed with a scanning electron microscope (SEM) to confirm particle growth according to the secondary GPS sintering. The results are shown in FIGS. 5 and 6 .

HP 1차 소결 후 GPS 2차 소결 시간에 따른 입자 성장을 확인한 결과, 도 5에 따르면, 2Y5M 조성의 비교예 2 및 실시예 1 내지 3은, 2차 소결을 1시간 수행한 경우에 2차 소결을 하지 않은 경우 보다 입자 성장이 상당히 진행된 점이 확인되나, 이후 3시간, 6시간 수행한 경우에는 입자 크기 차이가 뚜렷하게 나타나지 않았다.As a result of confirming the grain growth according to the GPS secondary sintering time after the HP primary sintering, according to FIG. 5, Comparative Examples 2 and 1 to 3 of the 2Y5M composition were secondary sintering when secondary sintering was performed for 1 hour. It was confirmed that the particle growth progressed significantly compared to the case where the fertilization was not carried out, but the difference in particle size did not appear clearly when it was carried out for 3 hours or 6 hours thereafter.

또한, 도 6에 따르면, 0.5Y5M 조성의 비교예 4 및 실시예 4 내지 6은, 2차 소결 시간이 1시간, 3시간, 6시간으로 길어짐에 따라 입자 크기가 커지는 것을 확인하였다. In addition, according to FIG. 6, in Comparative Examples 4 and 4 to 6 having a composition of 0.5Y5M, it was confirmed that the particle size increased as the secondary sintering time was increased to 1 hour, 3 hours, and 6 hours.

<실험예 3> 질화규소 소결체 기판의 열전도도 측정<Experimental Example 3> Measurement of thermal conductivity of silicon nitride sintered body substrate

상기 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 4 에서 제조된 질화규소 소결체 기판의 열전도도를 알아보기 위해, 하기와 같은 실험을 진행하였다.In order to examine the thermal conductivity of the silicon nitride sintered body substrates prepared in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 4, the following experiment was performed.

열전도도를 측정하기 위해, Laser Flash Analysis (LFA) 장치를 사용하였다. 그 결과를 도 7, 도 8 및 표 2에 도시하였다. 표 2의 수평 방향은 HP 압력의 방향과 수평 방향을 의미하고, 수직 방향은 HP 압력의 방향과 수직 방향을 의미한다. 즉, 수직 방향은 HP 압력에 의해 침상형 입자가 눌려지는 현상에 의해 입자가 장축으로 배향되는 방향에 해당한다.To measure the thermal conductivity, a Laser Flash Analysis (LFA) device was used. The results are shown in Figs. 7, 8 and Table 2. In Table 2, the horizontal direction means the direction and the horizontal direction of the HP pressure, and the vertical direction means the direction and the vertical direction of the HP pressure. That is, the vertical direction corresponds to the direction in which the particles are oriented in the long axis due to the phenomenon in which the needle-shaped particles are pressed by the HP pressure.

Figure 112020115390892-pat00002
Figure 112020115390892-pat00002

상기 도 7 및 표 2에 따르면, 2Y5M 조성의 경우, 비교예 1과 비교하여, 비교예 2 및 실시예 1 내지 3은 HP 소결 공정을 포함하여, 열전도도의 이방성을 나타내었다. 비교예 2와 비교하여 실시예 1 내지 3은 GPS 2차 소결을 더 수행하나, 열전도도의 이방성이 유지되는 것이 확인되었다. 특히, 수평 방향 보다 면 방향 (수직 방향) 열전도도가 높게 나타났다. 7 and Table 2, in the case of the 2Y5M composition, compared with Comparative Example 1, Comparative Examples 2 and 1 to 3 showed anisotropy in thermal conductivity, including the HP sintering process. Compared to Comparative Example 2, Examples 1 to 3 further performed GPS secondary sintering, but it was confirmed that the anisotropy of thermal conductivity was maintained. In particular, the thermal conductivity in the plane direction (vertical direction) was higher than that in the horizontal direction.

또한, HP 1차 소결 후, GPS 2차 소결 시간이 늘어날수록 열전도도가 전반적으로 증가하는 경향을 보였다. 실시예 1 내지 3의 열전도도 값을 보면, GPS 2차 소결 시간이 1시간일 때 수직 방향 및 수평 방향 모두 열전도도가 급격하게 증가하였고, 이후에는 2차 소결 시간을 3시간, 6시간으로 증가하여도 열전도도의 큰 변화는 나타나지 않았다.In addition, after the HP primary sintering, as the GPS secondary sintering time increased, the overall thermal conductivity showed a tendency to increase. Looking at the thermal conductivity values of Examples 1 to 3, when the GPS secondary sintering time was 1 hour, the thermal conductivity was sharply increased in both the vertical and horizontal directions, and thereafter, the secondary sintering time was increased to 3 hours and 6 hours. However, there was no significant change in thermal conductivity.

상기 도 8 및 표 2에 따르면, 0.5Y5M 조성의 경우 또한, HP 소결 공정을 포함한 경우 열전도도의 이방성이 나타났고, 수직 방향 및 수평 방향 모두 GPS 2차 소결 시간이 증가함에 따라 계속 열전도도가 증가하는 경향을 보였다. 8 and Table 2, in the case of the 0.5Y5M composition and in the case of including the HP sintering process, thermal conductivity anisotropy was observed, and the thermal conductivity continued to increase as the GPS secondary sintering time increased in both the vertical and horizontal directions. showed a tendency to

비교예 2 및 4의 열전도도는 낮은 반면, 모든 실시예에서 수직, 수평 방향 열전도도가 55 W/mㆍK 이상의 값을 갖는 것으로 측정되었다. 즉, 본 발명의 실시예에 따른 질화규소 소결체 기판은 세라믹 히터의 용도로서 열전도도 적합성을 갖는 것으로 확인된다.While the thermal conductivity of Comparative Examples 2 and 4 was low, it was measured that the thermal conductivity in the vertical and horizontal directions had a value of 55 W/m·K or more in all Examples. That is, it is confirmed that the silicon nitride sintered body substrate according to the embodiment of the present invention has thermal conductivity suitable for use as a ceramic heater.

<실험예 4> 질화규소 소결체 기판의 기계적 강도 측정<Experimental Example 4> Measurement of mechanical strength of silicon nitride sintered body substrate

상기 실시예 1 내지 6 및 비교예 1 내지 4 에서 제조된 질화규소 소결체 기판의 기계적 강도를 측정하기 위해, 경화 강(Hardened steel) 소재의 직경 2 mm 원통형 베어링을 3점 또는 4점에 배치시킨 후 상단에서 압력을 가하여 파단력을 측정하였다. 최소 10회 이상 측정한 후 평균적인 꺾임강도를 계산하였다. 그 결과를 도 7, 도 8 및 표 2에 도시하였다. In order to measure the mechanical strength of the silicon nitride sintered body substrates prepared in Examples 1 to 6 and Comparative Examples 1 to 4, a cylindrical bearing with a diameter of 2 mm made of hardened steel was placed at 3 or 4 points, and then the top The breaking force was measured by applying pressure in the After measuring at least 10 times, the average bending strength was calculated. The results are shown in Figs. 7, 8 and Table 2.

상기 도 7,8 및 표 2에 따르면, 2차 소결 시간이 증가할수록 입자성장에 따라 강도가 점차적 감소하는 경향을 보였다. 7, 8 and Table 2, as the secondary sintering time increased, the strength showed a tendency to gradually decrease according to grain growth.

2Y5M 조성의 실시예 1 내지 3 및 비교예 2의 경우, HP 1차 소결만 진행한 경우 수평 방향 및 수직 방향 모두 1200 MPa를 넘는 높은 값을 나타냈고, 1시간 GPS 2차 소결 후 1000 MPa에 근사한 값으로 낮아졌고, 3시간 2차 소결 후에는 900 MPa에 약간 낮은 값으로 나타났다. In the case of Examples 1 to 3 and Comparative Example 2 of the 2Y5M composition, when only HP primary sintering was performed, both horizontal and vertical directions showed high values exceeding 1200 MPa, and after 1 hour GPS secondary sintering, it was close to 1000 MPa. value was lowered, and after 3 hours of secondary sintering, the value was slightly lower at 900 MPa.

0.5Y5M 조성의 실시예 4 내지 6 및 비교예 4의 경우도 GPS 2차 소결 시간이 증가할수록, 강도가 점차적 감소하였다. 이 경우, 2차 소결을 3시간 수행한 실시예 4 및 5는 900MPa 이상의 강도를 보였다. In the case of Examples 4 to 6 and Comparative Example 4 of the 0.5Y5M composition, as the GPS secondary sintering time increased, the strength gradually decreased. In this case, Examples 4 and 5, in which the secondary sintering was performed for 3 hours, showed a strength of 900 MPa or more.

상술한 실험예 3 내지 5에서 알 수 있듯이, 본 발명의 실시예에 따른 질화규소 소결체 기판은 HP 1차 소결한 뒤 GPS 2차 소결하여 제조함으로써, 높은 기계적 강도를 갖는 동시에 소결 온도 및 시간이 감소하여 에너지를 절약할 수 있는 효과를 갖는 것을 알 수 있다. 구체적으로 비교예 1 및 실시예 1을 비교하면, 상대적 저온의 1700℃의 HP 1차 소결을 추가하여 1900 ℃의 GPS 소결을 1시간만 진행하여도(실시예 1), 1900 ℃에서 GPS 소결을 6시간 진행한 경우(비교예1) 보다 열전도도 86 W/mㆍK, 강도 980 MPa로 높은 물성을 갖는 것을 확인하였다.As can be seen in Experimental Examples 3 to 5, the silicon nitride sintered compact substrate according to an embodiment of the present invention is manufactured by HP primary sintering and GPS secondary sintering, so that it has high mechanical strength and at the same time the sintering temperature and time are reduced. It can be seen that it has an effect of saving energy. Specifically, comparing Comparative Example 1 and Example 1, by adding HP primary sintering at 1700 ° C at a relatively low temperature, GPS sintering at 1900 ° C was performed for only 1 hour (Example 1), GPS sintering at 1900 ° C. It was confirmed that it had higher physical properties with a thermal conductivity of 86 W/m·K and a strength of 980 MPa than the case of 6 hours (Comparative Example 1).

<실험예 5> 질화규소 소결체 기판을 적용한 세라믹 히터의 내열충격성 평가<Experimental Example 5> Evaluation of thermal shock resistance of ceramic heater to which silicon nitride sintered substrate is applied

상기 실시예 1의 질화규소 소결체 기판을 적용한 세라믹 히터 모듈을 대상으로 다음과 같은 내열충격성 실험을 진행하였다. The following thermal shock resistance test was performed on the ceramic heater module to which the silicon nitride sintered body substrate of Example 1 was applied.

상기 실시예 1의 질화규소 소결체 기판에 발열코팅을 하고 전극을 연결하여 히터 모듈을 제작하였다. 총 5개의 히터 모듈을 제작하여, 이를 대상으로 급속 승온/ 급속 냉각 실험을 진행하였다. 50 ℃ 에서 400 ℃구간을 급속 승온 200 ℃/s, 급속 냉각 100 ℃/s을 반복하였다. 반복 회수를 1만회까지 수행하며, 구동 횟수에 따른 단자 저항을 측정하였다. A heater module was manufactured by heating the silicon nitride sintered body substrate of Example 1 and connecting electrodes. A total of 5 heater modules were manufactured, and a rapid temperature increase/quick cooling experiment was performed on them. The rapid heating at 200 °C/s and rapid cooling at 100 °C/s were repeated in the 50 °C to 400 °C section. The number of repetitions was performed up to 10,000 times, and the terminal resistance according to the number of driving was measured.

Figure 112020115390892-pat00003
Figure 112020115390892-pat00003

상기 표 3에 따르면, 본 발명의 실시예에 따른 질화규소 소결체 기판을 적용한 세라믹 히터 모듈은 급속 승온/냉각을 10,000회 반복하여 구동하여도 단자 저항이 최대 0.1Ω 차이로 거의 동일하게 유지되었다. 구동 횟수에 따른 단자 저항 수치 급격히 증가하는 경우 히터 소재의 손상으로 인한 열 및 전기 전달의 방해가 발생한 것으로 판단하는 바, 본 발명에 따른 세라믹 히터는 50 ℃ 에서 400 ℃ 까지 급속 승온/급속 냉각을 10,000회 반복하여도 손상 없이 성능을 유지하는 우수한 내열충격성 및 신뢰성을 갖는 것을 확인하였다.According to Table 3, in the ceramic heater module to which the silicon nitride sintered substrate according to the embodiment of the present invention is applied, the terminal resistance was maintained almost the same with a maximum difference of 0.1 Ω even when the rapid heating/cooling was repeatedly driven 10,000 times. When the terminal resistance value rapidly increases according to the number of driving, it is judged that the heat and electricity transmission is disturbed due to damage to the heater material. It was confirmed that it has excellent thermal shock resistance and reliability that maintains performance without damage even after repeated times.

<실험예 6> 질화규소 소결체 기판을 적용한 세라믹 히터의 발열 면 온도 분포 균일성 평가<Experimental Example 6> Evaluation of uniformity of temperature distribution on the heating surface of a ceramic heater to which a silicon nitride sintered substrate is applied

상기 실시예 1의 질화규소 소결체 기판을 적용한 세라믹 히터 모듈을 대상으로 발열 면 온도 분포 균일성 평가 실험을 진행하였다. An experiment for evaluating the uniformity of the heating surface temperature distribution was conducted for the ceramic heater module to which the silicon nitride sintered substrate of Example 1 was applied.

상기 실시예 1의 질화규소 소결체 기판에 발열코팅을 하고 전극을 연결하여 히터 모듈을 제작하였다. 400 ℃의 온도에서 발열 면의 온도 분포를 측정하였다. 그 결과를 도 9에 도시하였다. A heater module was manufactured by heating the silicon nitride sintered body substrate of Example 1 and connecting electrodes. The temperature distribution of the heating surface at a temperature of 400 °C was measured. The results are shown in FIG. 9 .

상기 도 9에 따르면, 전면 온도 균일 분포를 확인한 결과, 최대 1 ℃의 편차를 보여, 상용 제품에 적용 가능한 수준으로 판단되었다. 따라서, 본 발명의 실시예에 따른 질화규소 소결체 기판의 면 방향 열전도도가 높아 이를 적용한 세라믹 히터의 전체 발열 면 열 분포가 균일해지는 효과 있음을 알 수 있다.According to FIG. 9 , as a result of confirming the uniform temperature distribution over the entire surface, a maximum deviation of 1° C. was shown, which was determined to be a level applicable to commercial products. Therefore, it can be seen that the surface direction thermal conductivity of the silicon nitride sintered body substrate according to the embodiment of the present invention is high, and thus, it can be seen that there is an effect of uniformizing the heat distribution of the entire heating surface of the ceramic heater to which the silicon nitride sintered body substrate is applied.

Claims (18)

질화규소 소결체 기판이며, 최소한 부분적으로 면 방향 결정 배향성을 갖고, 60 W/mㆍK 이상의 열전도도 및 900 MPa 이상의 꺾임강도를 갖는 것을 특징으로 하는, 질화규소 소결체 기판.
A silicon nitride sintered body substrate, characterized in that it has at least partially in-plane crystal orientation, a thermal conductivity of 60 W/m·K or more, and a bending strength of 900 MPa or more.
제1항에 있어서,
상기 질화규소 소결체 기판은 1000 MPa 이상의 꺾임강도를 갖는 것을 특징으로 하는, 질화규소 소결체 기판.
According to claim 1,
The silicon nitride sintered substrate is a silicon nitride sintered substrate, characterized in that it has a bending strength of 1000 MPa or more.
제1항에 있어서,
상기 질화규소 소결체 기판은 소결조제를 더 포함하고, 상기 소결조제는 소결체 전체 몰 기준으로 0.5 몰% 내지 10 몰%로 포함되는 것을 특징으로 하는, 질화규소 소결체 기판.
According to claim 1,
The silicon nitride sintered body substrate further comprises a sintering aid, wherein the sintering aid is 0.5 mol% to 10 mol% based on the total mole of the sintered body, the silicon nitride sintered body substrate.
삭제delete 제1항에 있어서,
상기 질화규소 소결체 기판의 두께는 2 mm 내지 8 mm 인 것을 특징으로 하는, 질화규소 소결체 기판.
According to claim 1,
The silicon nitride sintered body substrate has a thickness of 2 mm to 8 mm, characterized in that the silicon nitride sintered body substrate.
제1항에 있어서,
상기 질화규소 소결체 기판의 일면에 발열 코팅을 포함하는, 질화규소 소결체 기판.
According to claim 1,
A silicon nitride sintered body substrate comprising an exothermic coating on one surface of the silicon nitride sintered body substrate.
제1항에 있어서,
상기 질화규소 소결체 기판은 세라믹 히터 용도로 사용되는 것을 특징으로 하는, 질화규소 소결체 기판.
According to claim 1,
The silicon nitride sintered substrate is a silicon nitride sintered substrate, characterized in that used for a ceramic heater.
제1항의 질화규소 소결체 기판 및 상기 기판의 일면에 발열 코팅을 포함하는, 세라믹 히터.
A ceramic heater comprising the silicon nitride sintered body substrate of claim 1 and a heat-generating coating on one surface of the substrate.
제8항에 있어서,
상기 세라믹 히터는 열압착접합(Thermal Compression Bonding, TCB) 공정용 세라믹 히터인 것을 특징으로 하는, 세라믹 히터.
9. The method of claim 8,
The ceramic heater is a ceramic heater for a thermal compression bonding (TCB) process, the ceramic heater.
질화규소 분말 성형체를 제조하는 단계;
상기 제조된 성형체를 질소 분위기 하에서, 열간 가압하여 1차 소결하는 단계; 및
상기 1차 소결된 성형체를 질소 분위기 하에서, 가스 압력으로 2차 소결하는 단계;를 포함하며, 제1항의 질화규소 소결체 기판을 제조하는 것을 특징으로 하는, 질화규소 소결체 기판의 제조방법.
preparing a silicon nitride powder compact;
primary sintering by hot pressing the prepared molded body under a nitrogen atmosphere; and
Secondary sintering of the primary sintered compact under a nitrogen atmosphere under a gas pressure; comprising, a method of manufacturing a silicon nitride sintered compact substrate, characterized in that for preparing the silicon nitride sintered compact substrate of claim 1 .
제10항에 있어서,
상기 질화규소 분말 성형체를 제조하는 단계는,
질화규소 분말, 소결조제 분말을 혼합하여 혼합 분말을 준비하는 단계;및
상기 혼합 분말에 바인더를 첨가하고 기판 형태로 성형하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는, 질화규소 소결체 기판의 제조방법.
11. The method of claim 10,
The step of preparing the silicon nitride powder compact,
Preparing a mixed powder by mixing the silicon nitride powder and the sintering aid powder; And
A method of manufacturing a silicon nitride sintered body substrate comprising a; adding a binder to the mixed powder and forming the substrate in the form of a substrate.
제10항에 있어서,
상기 방법은 질화규소 분말 성형체를 제조한 후 소결 전에, 상기 성형체의 바인더를 제거하기 위해 탈지하는 단계를 더 포함하는 것을 특징으로 하는, 질화규소 소결체 기판의 제조방법.
11. The method of claim 10,
The method of manufacturing a silicon nitride sintered body substrate, characterized in that after manufacturing the silicon nitride powder compact and before sintering, it further comprises the step of degreasing to remove the binder of the compact.
제10항에 있어서,
상기 1차 소결 단계는 1600℃ 이상의 온도로 수행되는 것을 특징으로 하는, 질화규소 소결체 기판의 제조방법.
11. The method of claim 10,
The first sintering step is a method of manufacturing a silicon nitride sintered body substrate, characterized in that performed at a temperature of 1600 ℃ or more.
제10항에 있어서,
상기 1차 소결 단계는 10 MPa 내지 50 MPa의 압력으로 수행되는 것을 특징으로 하는, 질화규소 소결체 기판의 제조방법.
11. The method of claim 10,
The first sintering step is a method of manufacturing a silicon nitride sintered body substrate, characterized in that performed at a pressure of 10 MPa to 50 MPa.
제10항에 있어서,
상기 2차 소결 단계는 1800℃ 이상의 온도로 수행되는 것을 특징으로 하는, 질화규소 소결체 기판의 제조방법.
11. The method of claim 10,
The second sintering step is a method of manufacturing a silicon nitride sintered body substrate, characterized in that performed at a temperature of 1800 ℃ or more.
제10항에 있어서,
상기 2차 소결 단계는 0.5 내지 5 MPa의 질소 가스 압력으로 수행되는 것을 특징으로 하는, 질화규소 소결체 기판의 제조방법.
11. The method of claim 10,
The second sintering step is a method of manufacturing a silicon nitride sintered body substrate, characterized in that performed at a nitrogen gas pressure of 0.5 to 5 MPa.
제10항에 있어서,
상기 2차 소결 단계는 30분 내지 5시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는, 질화규소 소결체 기판의 제조방법.
11. The method of claim 10,
The method of manufacturing a silicon nitride sintered body substrate, characterized in that the secondary sintering step is performed for 30 minutes to 5 hours.
제10항에 있어서,
상기 질화규소 소결체 기판은 세라믹 히터 용도로 사용되는 것을 특징으로 하는, 질화규소 소결체 기판의 제조방법.
11. The method of claim 10,
The silicon nitride sintered substrate is a method of manufacturing a silicon nitride sintered substrate, characterized in that used for a ceramic heater.
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