KR102536630B1 - 중고온에서 높은 비저항을 갖는 정전척용 AlN-MgO계 소결체 및 이의 제조방법 - Google Patents

중고온에서 높은 비저항을 갖는 정전척용 AlN-MgO계 소결체 및 이의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 0.3 내지 2.0 중량%의 MgO 분말 및 잔량의 AlN 분말로 이루어진 분말 혼합물을 가압소결하는 단계;를 포함하는 정전척용 AlN-MgO계 소결체의 제조방법, 및 이로부터 제조된 정전척용 AlN-MgO계 소결체에 관한 것이다.

Description

중고온에서 높은 비저항을 갖는 정전척용 AlN-MgO계 소결체 및 이의 제조방법 {AlN-MgO based sintered body for electrostatic chuck with high specific resistance at high temperature, and method for manufacturing the same}
본 발명은 중고온에서 높은 비저항을 갖는 정전척용 AlN-MgO계 소결체 및 이의 제조방법에 관한 것이다.
질화알루미늄(AlN)의 결정 구조는 Al 또는 N을 중심으로 한 사면체가 기본구조이다. 이러한 사면체가 상호 교차하여 헥사고날 우르자이트(hexagonal wurtzite) 구조를 가지고 있으며, 원자간 결합은 공유결합으로 이루어져 있다.
질화알루미늄은 고온에서 안정하고, 유전상수 및 유전손실이 작고, 전기 절연성이 우수하며, 열전도도가 이론상으로는 320 W/mK 정도로서 금속보다 높은 물리적 특성을 갖는다. 또한, 질화알루미늄은 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 질화알루미늄은 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.
질화알루미늄은 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, 중고온 정전척 소재의 경우 고온에서 높은 비저항을 유지해야 한다. 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 108 Ω·㎝ 이상의 비저항이 요구되고 있으나, 보다 정밀한 제어를 위해서는 더욱 높은 비저항으로 체적저항을 갖는 정전척 소재의 개발이 필요한 실정이다.
대한민국 특허등록공보 제10-1516990호 (2015.04.27.)
상기와 같은 문제점을 해결하기 위하여 본 발명은 중고온에서 높은 비저항을 갖는 정전척용 소재를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위한 본 발명의 일 양태는 0.3 내지 2.0 중량%의 MgO 분말 및 잔량의 AlN 분말로 이루어진 분말 혼합물을 가압소결하는 단계;를 포함하는 정전척용 AlN-MgO계 소결체의 제조방법에 관한 것이다.
상기 일 양태에 있어, 상기 가압소결은 MgO 분말의 함량이 0.3 내지 0.7 중량%일 때 1550 내지 1650℃의 온도 및 20 내지 40 ㎫의 압력 조건에서 수행되는 것일 수 있다.
상기 일 양태에 있어, 상기 가압소결은 MgO 분말의 함량이 0.7 초과 내지 2.0 중량%일 때 1650 내지 1750℃의 온도 및 20 내지 40 ㎫의 압력 조건에서 수행되는 것일 수 있다.
본 발명의 다른 일 양태는 상기 제조방법으로부터 제조된 소결체로, 상기 소결체는 0.3 내지 2.0 중량%의 MgO 분말 및 잔량의 AlN 분말로 이루어진 분말 혼합물을 가압소결하여 제조되며, 400℃의 온도에서 1×1011 ~ 1×1013 Ω·㎝의 체적저항을 갖고, 550℃의 온도에서 1×1010 ~ 1×1011 Ω·㎝의 체적저항을 가지는 것을 특징으로 하는, 정전척용 AlN-MgO계 소결체에 관한 것이다.
상기 다른 일 양태에 있어, 상기 가압소결은 MgO 분말의 함량이 0.3 내지 0.7 중량%일 때 1550 내지 1650℃의 온도 및 20 내지 40 ㎫의 압력 조건에서 수행되는 것일 수 있다.
상기 다른 일 양태에 있어, 상기 가압소결은 MgO 분말의 함량이 0.7 초과 내지 2.0 중량%일 때 1650 내지 1750℃의 온도 및 20 내지 40 ㎫의 압력 조건에서 수행되는 것일 수 있다.
본 발명에 따른 정전척용 AlN-MgO계 소결체의 제조방법은 0.3 내지 2.0 중량%의 MgO 분말 및 잔량의 AlN 분말만으로 이루어진 분말 혼합물을 가압소결함으로써 높은 체적저항을 가지는 AlN-MgO계 소결체를 제조할 수 있다.
구체적으로, 0.3 내지 2.0 중량%의 MgO 분말을 첨가하여 제조된 AlN-MgO계 소결체는 400℃의 온도에서 1×1011 ~ 1×1013 Ω·㎝의 체적저항을 가지며, 550℃의 온도에서 1×1010 ~ 1×1011 Ω·㎝의 체적저항을 가질 수 있다.
도 1은 산화마그네슘의 함량에 따른 AlN-MgO계 소결체의 비저항(at 400℃) 분석 결과이다(가압소결 조건 1600℃/30 ㎫).
도 2는 산화마그네슘의 함량에 따른 AlN-MgO계 소결체의 비저항(at 550℃) 분석 결과이다(가압소결 조건 1600℃/30 ㎫).
도 3은 산화마그네슘의 함량에 따른 AlN-MgO계 소결체의 XRD 분석 결과이다.
도 4는 산화마그네슘 1.0 중량% 첨가 시 가압소결 온도 및 압력 조건에 따른 AlN-MgO계 소결체의 비저항(400℃ 및 550℃) 분석 결과이다.
이하 본 발명에 따른 중고온에서 높은 비저항을 갖는 정전척용 AlN-MgO계 소결체 및 이의 제조방법에 대하여 상세히 설명한다. 다음에 소개되는 도면들은 당업자에게 본 발명의 사상이 충분히 전달될 수 있도록 예로서 제공되는 것이다. 따라서, 본 발명은 이하 제시되는 도면들에 한정되지 않고 다른 형태로 구체화될 수도 있으며, 이하 제시되는 도면들은 본 발명의 사상을 명확히 하기 위해 과장되어 도시될 수 있다. 이때, 사용되는 기술 용어 및 과학 용어에 있어서 다른 정의가 없다면, 이 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 통상적으로 이해하고 있는 의미를 가지며, 하기의 설명 및 첨부 도면에서 본 발명의 요지를 불필요하게 흐릴 수 있는 공지 기능 및 구성에 대한 설명은 생략한다.
본 발명의 일 양태는 0.3 내지 2.0 중량%의 MgO 분말 및 잔량의 AlN 분말로 이루어진 분말 혼합물을 가압소결하는 단계;를 포함하는 정전척용 AlN-MgO계 소결체의 제조방법에 관한 것이다.
이처럼, 0.3 내지 2.0 중량%의 MgO 분말 및 잔량의 AlN 분말만으로 이루어진 분말 혼합물을 가압소결함으로써 높은 체적저항을 가지는 AlN-MgO계 소결체를 제조할 수 있다. 구체적으로, 0.3 내지 0.7 중량%의 MgO 분말을 첨가하여 제조된 AlN-MgO계 소결체는 400℃의 온도에서 1×1011 ~ 1×1013 Ω·㎝의 체적저항을 가지며, 550℃의 온도에서 1×1010 ~ 1×1011 Ω·㎝의 체적저항을 가질 수 있다.
보다 바람직하게, 상기 가압소결은 MgO 분말의 첨가량에 따라 달리 조절될 수 있다. 이를 통해 400℃의 온도에서 1×1012 ~ 1×1013 Ω·㎝의 체적저항을 가지며, 550℃의 온도에서 1×1010 ~ 1×1011 Ω·㎝의 체적저항을 가지는 AlN-MgO계 소결체를 제조할 수 있다.
구체적인 일 예시로, 상기 가압소결은 MgO 분말의 함량이 0.3 내지 0.7 중량%일 때 1550 내지 1650℃의 온도 및 20 내지 40 ㎫의 압력 조건에서 수행될 수 있으며, 보다 좋게는 1580∼1620℃의 온도 및 25 내지 35 ㎫의 조건에서 수행되는 것일 수 있다. MgO 분말의 함량이 0.3 내지 0.7 중량%일 경우 상기 가압소결 조건 하에서 더욱 높은 체적저항을 가진 정전척용 AlN-MgO계 소결체를 제조할 수 있다.
보다 좋게는, MgO 분말은 0.35 내지 0.65 중량%로 첨가될 수 있으며, 가장 좋게는 0.4 내지 0.6 중량%로 첨가될 수 있다. 이와 같은 범위에서 특히 높은 체적저항을 확보할 수 있다.
구체적으로, 0.3 내지 0.7 중량%의 MgO 분말을 첨가하여 제조된 AlN-MgO계 소결체는 400℃의 온도에서 1×1012 ~ 1×1013 Ω·㎝의 체적저항을 가지며, 550℃의 온도에서 1×1010 ~ 1×1011 Ω·㎝의 체적저항을 가질 수 있다. 특히, 0.4 내지 0.6 중량%의 MgO 분말을 첨가하여 제조된 AlN-MgO계 소결체는 400℃의 온도에서 4×1012 ~ 1×1013 Ω·㎝의 체적저항을 가지며, 550℃의 온도에서 3×1010 ~ 1×1011 Ω·㎝의 체적저항을 가질 수 있다.
반면, MgO 분말이 0.3 중량% 미만으로 첨가되거나 0.7 중량% 초과로 첨가될 시 1550 내지 1650℃의 온도 및 20 내지 40 ㎫의 압력 조건에서 가압소결을 수행할 경우, 도 1 및 2에 도시된 바와 같이 400℃ 및 550℃에서의 체적저항이 현저하게 낮아질 수 있다. 또한, MgO 분말의 함량이 0.3 내지 0.7 중량%를 만족하더라도 1550 내지 1650℃의 온도 및 20 내지 40 ㎫의 압력 조건에서 가압소결을 수행하지 않을 경우에도 역시 400℃ 및 550℃에서의 체적저항이 크게 낮아질 수 있다.
나아가, MgO 분말이 0.3 내지 0.7 중량%로 첨가될 때, 소결 온도가 1550℃ 미만일 시 불완전한 소결로 인해 소결체의 열적 또는 기계적 특성이 좋지 않을 수 있고, 소결 온도가 1650℃를 초과할 시 불필요한 에너지의 소모가 많아 비경제적일 뿐만 아니라 과도한 입자 성장을 가져와 소결체의 기계적 특성이 좋지 않을 수 있다. 이때, 상기 소결 온도까지는 1∼50℃/분의 속도로 승온시키는 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, 소결 압력이 20 ㎫ 미만일 시 소결체의 열적 또는 기계적 특성이 좋지 않을 수 있고, 소결 압력이 40 ㎫를 초과할 시 제조되는 AlN-MgO계 소결체의 체적저항이 현저하게 낮아질 수 있어 바람직하지 않다.
다른 구체적인 일 예시로, 상기 가압소결은 MgO 분말의 함량이 0.7 초과 내지 2.0 중량%일 때 1650 내지 1750℃의 온도 및 20 내지 40 ㎫의 압력 조건에서 수행될 수 있으며, 보다 좋게는 1680∼1720℃의 온도 및 25 내지 35 ㎫의 조건에서 수행되는 것일 수 있다. MgO 분말의 함량이 0.7 초과 내지 2.0 중량%일 경우 상기 가압소결 조건 하에서 더욱 높은 체적저항을 가진 정전척용 AlN-MgO계 소결체를 제조할 수 있다.
보다 좋게는, MgO 분말은 0.85 내지 1.5 중량%로 첨가될 수 있으며, 가장 좋게는 1.0 내지 1.2 중량%로 첨가될 수 있다. 이와 같은 범위에서 특히 높은 체적저항을 확보할 수 있다. 구체적으로, 0.7 초과 내지 2.0 중량%의 MgO 분말을 첨가하여 제조된 AlN-MgO계 소결체는 400℃의 온도에서 1×1012 ~ 1×1013 Ω·㎝의 체적저항을 가지며, 550℃의 온도에서 3×1010 ~ 1×1011 Ω·㎝의 체적저항을 가질 수 있다.
반면, MgO 분말이 0.7 중량% 이하로 첨가되거나 2.0 중량% 초과로 첨가될 시 1650 내지 1750℃의 온도 및 20 내지 40 ㎫의 압력 조건에서 수행할 경우, 400℃ 및 550℃에서의 체적저항이 크게 낮아질 수 있다. 또한, MgO 분말의 함량이 0.7 초과 내지 2.0 중량%를 만족하더라도 1650 내지 1750℃의 온도 및 20 내지 40 ㎫의 압력 조건에서 가압소결을 수행하지 않을 경우에도 역시 400℃ 및 550℃에서의 체적저항이 크게 낮아질 수 있다.
나아가, MgO 분말이 0.7 초과 내지 2.0 중량%로 첨가될 때, 소결 온도가 1650℃ 미만일 시 불완전한 소결로 인해 소결체의 열적 또는 기계적 특성이 좋지 않을 수 있고, 소결 온도가 1750℃를 초과할 시 불필요한 에너지의 소모가 많아 비경제적일 뿐만 아니라 과도한 입자 성장을 가져와 소결체의 기계적 특성이 좋지 않을 수 있다. 이때, 상기 소결 온도까지는 1∼50℃/분의 속도로 승온시키는 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, 소결 압력이 20 ㎫ 미만일 시 소결체의 열적 또는 기계적 특성이 좋지 않을 수 있고, 소결 압력이 40 ㎫를 초과할 시 제조되는 AlN-MgO계 소결체의 체적저항이 현저하게 낮아질 수 있어 바람직하지 않다.
한편, 소결 시간은 1∼24시간, 보다 좋게는 3 내지 12시간 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.
나아가, 상기 가압소결 처리 시 질소(N2) 또는 아르곤(Ar) 등을 흘려주어 비활성 가스 분위기를 조성하는 것이 바람직하다.
또한, 가압소결 처리 전, 출발원료인 분말 혼합물을 준비하는 단계가 수행될 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∼1000 rpm 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.
이후 전술한 조건으로 가압소결 공정이 수행될 수 있으며, 전술한 방법을 통해 400℃의 온도에서 1×1011 ~ 1×1013 Ω·㎝의 체적저항을 갖고, 550℃의 온도에서 1×1010 ~ 1×1011 Ω·㎝의 체적저항을 가지는 것을 특징으로 하는 정전척용 AlN-MgO계 소결체를 제조할 수 있다.
아울러, 기존의 경우 질화알루미늄 소결체를 제조하기 위하여 이트리아(Y2O3)등의 소결조제나 페놀수지 등의 탄소공급원이 함께 사용되었으나, AlN 분말 및 MgO 분말로 이루어진 분말 혼합물에 상기 소결조제 또는 탄소공급원을 첨가할 시 오히려 체적저항이 낮아지는 단점이 있다. 이에 따라, 본 발명의 AlN-MgO계 소결체는 AlN 분말 및 MgO 분말만으로 이루어진 분말 혼합물을 가압소결하여 제조하는 것이 바람직하다.
이하, 실시예를 통해 본 발명에 따른 중고온에서 높은 비저항을 갖는 정전척용 AlN-MgO계 소결체 및 이의 제조방법에 대하여 더욱 상세히 설명한다. 다만 하기 실시예는 본 발명을 상세히 설명하기 위한 하나의 참조일 뿐 본 발명이 이에 한정되는 것은 아니며, 여러 형태로 구현될 수 있다.
또한 달리 정의되지 않은 한, 모든 기술적 용어 및 과학적 용어는 본 발명이 속하는 당업자 중 하나에 의해 일반적으로 이해되는 의미와 동일한 의미를 갖는다. 본원에서 설명에 사용되는 용어는 단지 특정 실시예를 효과적으로 기술하기 위함이고 본 발명을 제한하는 것으로 의도되지 않는다. 또한 명세서에서 특별히 기재하지 않은 첨가물의 단위는 중량%일 수 있다.
[실시예 1]
출발원료로 0.5 중량%의 MgO 분말(고순도화학, >99.99%) 및 잔량의 AlN 분말(Tokuyama사, H-grade)을 준비하였다. 출발원료를 에탄올, 3㎜ 크기의 알루미나 볼(Φ = 3 ㎜)과 함께 24시간 동안 100 rpm으로 볼 밀링하여 슬러리를 얻었다. 이후, 상기 슬러리를 증발기(evaporator)를 이용하여 50℃에서 1시간 동안 건조시키고, 200 mesh의 체(sieve)를 사용하여 분말 혼합물을 얻었다.
상기 분말 혼합물을 칭량하여 질소(N2) 분위기에서 급속 환원 소결로(TNS VACUUM)를 사용하여 1600℃에서 30 ㎫의 압력으로 5시간 동안 소결시킨 후, 자연 냉각하여 소결체를 제조하였다. 상기 소결온도까지는 10℃/분의 속도로 승온하였다.
[실시예 2 및 3]
하기 표 1에 기재된 바와 같이 MgO 분말의 함량 및 소결 온도를 달리한 것 외 모든 공정을 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[비교예 1 내지 9]
하기 표 1에 기재된 바와 같이 MgO 분말의 함량, 소결 온도 또는 소결 시 압력을 달리한 것 외 모든 공정을 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[비교예 10]
출발원료로 0.5 중량%의 MgO 분말, 0.5 중량%의 Y2O3(HC Stark사, C-grade) 및 잔량의 AlN 분말을 준비한 것 외 모든 공정을 실시예 1과 동일하게 수행하였다.
[비교예 11]
출발원료로 0.5 중량%의 MgO 분말, 0.4 중량%의 페놀수지(CB-8081, 강남화성) 및 잔량의 AlN 분말을 준비한 것 외 모든 공정을 실시예 1과 동일하게 수행하여 분말 혼합물을 얻었다. 이후 페놀수지를 열분해하기 위하여 1400℃에서 4시간 동안 가소처리한 후, 1600℃에서 30 ㎫의 압력으로 5시간 동안 소결하였다.
조성 (중량%) 공정 조건
AlN MgO 기타 첨가물 가소 온도(℃) 소결 온도(℃) 소결 압력(㎫)
실시예 1 잔량 0.5 - - 1600 30
실시예 2 잔량 1.0 - - 1700 30
실시예 3 잔량 2.0 - - 1700 30
비교예 1 잔량 0.1 - - 1600 30
비교예 2 잔량 0.25 - - 1600 30
비교예 3 잔량 0.75 - - 1600 30
비교예 4 잔량 1.0 - - 1600 30
비교예 5 잔량 2.0 - - 1600 30
비교예 6 잔량 0.5 - - 1600 15
비교예 7 잔량 0.5 - - 1600 40
비교예 8 잔량 1.0 - - 1600 15
비교예 9 잔량 0.5 - - 1700 30
비교예 10 잔량 0.5 Y2O3
0.5 wt%		 - 1600 30
비교예 11 잔량 0.5 페놀수지 0.4 wt% 1400 1600 30
[특성 평가 ]
1) XRD(x-ray diffraction): 소결된 시편의 결정상을 분석하기 위하여 X-ray diffractometer(DAX-2500/PC, Rigaku, Japan)를 사용하였다. X선 출력이 전압 40 kV, 100 mA인 조건으로 10℃/분의 스캔속도로 측정하였다. 각 상에 대한 정보는 JCPDS card와 문헌을 참조하였다.
XRD 분석 결과, 도 3에 도시된 바와 같이 AlN-MgO 소결체(실시예 1 내지 3)가 제조된 것을 확인할 수 있었다.
2) 체적저항(Ω·㎝): 체적저항의 측정은 guarded electrode 방법으로 상온 및 고온에서 측정하였다(ASTM D257-99). 온도를 올리면서 측정하기 위하여 실험실에서 자체 제작한 전기로와 지그(jig)를 사용하였다. 시편을 연마(직경: 40 ㎜, 두께: 2 ㎜)한 후 수평을 맞춰주었다. 측정은 High resistance meter(B2987A, Keysight)를 이용하여 장비에 연결하고 100 V/㎜ 전계 하에서 60초 동안 전압을 인가한 후에 측정하였다. 온도는 상온에서 550℃까지 100℃ 단위로 측정하였다. 질소 분위기 하에 측정하였고 질소의 flow rate는 0.8∼1 L/분으로 하였다.
3) 상대 체적저항율(%): 실시예 1의 시편을 기준으로 하여 체적저항의 상대적인 비율을 산출하였다.
상대 체적저항율=(타겟 시편의 체적저항/실시예 1 시편의 체적저항)×100
조성
(중량%) 		소결온도(℃)
/압력(㎫) 		체적저항 (10 10 Ω·㎝) 상대 체적저항율(%)
@400℃ @550℃ @400℃ @550℃
실시예 1 MgO 0.5 1600/ 30 423 3.44 100 100
실시예 2 MgO 1.0 1700/ 30 188 1.24 44.4 36.0
실시예 3 MgO 2.0 1700/ 30 148 1.15 35.0 33.4
비교예 1 MgO 0.1 1600/ 30 4.90 0.31 1.2 9.0
비교예 2 MgO 0.25 1600/ 30 6.53 0.37 1.5 10.8
비교예 3 MgO 0.75 1600/ 30 25.9 0.57 6.1 16.6
비교예 4 MgO 1.0 1600/ 30 17.5 0.88 4.1 25.6
비교예 5 MgO 2.0 1600/ 30 16.3 0.69 3.9 20.1
비교예 6 MgO 0.5 1600/ 15 7.23 0.38 1.7 11.0
비교예 7 MgO 0.5 1600/ 40 7.21 0.16 1.7 4.7
비교예 8 MgO 1.0 1600/ 15 98.4 0.73 23.3 21.2
비교예 9 MgO 0.5 1700/ 30 60.9 0.67 14.4 19.5
비교예 10 MgO 0.5
+ Y2O3 0.5		 1600/ 30 49.7 0.40 11.7 11.6
비교예 11 MgO 0.5
+ 페놀수지 0.1		 1600/ 30 2.06 0.21 0.5 6.1
상기 표 2에 기재된 바와 같이, MgO의 함량을 0.3~0.7 중량% 범위로 첨가하여 1600℃의 온도 및 30 ㎫의 압력 조건으로 가압소결을 진행한 실시예 1의 경우 400℃에서의 체적저항은 423×1010 Ω·㎝, 550℃에서의 체적저항은 3.44×1010 Ω·㎝로 높은 중고온 저항 특성을 나타냈다. 또한, MgO의 함량을 1.0~2.0 중량% 범위로 첨가하여 1700℃의 온도 및 30 ㎫의 압력 조건으로 가압소결을 진행한 실시예 2 및 3의 경우에도 400℃에서의 체적저항은 100×1010 Ω·㎝ 이상, 550℃에서의 체적저항은 1.0×1010 Ω·㎝ 이상으로 높은 중고온 저항 특성을 나타냈다.
반면, MgO의 함량을 달리한 비교예 1 내지 5의 경우, MgO의 함량이 0.3~0.7 중량% 범위를 벗어남에 따라 체적저항이 현저하게 감소하였다. 구체적으로, MgO의 함량이 0.25 중량%로 다소 적게 첨가된 비교예 2의 경우 400℃에서의 체적저항은 6.53×1010 Ω·㎝, 550℃에서의 체적저항은 0.37×1010 Ω·㎝로, 실시예 1의 체적저항을 100%라고 했을 때 대비 400℃에서는 1.5%, 550℃에서는 10.8%에 불과한 낮은 체적저항율을 보였다. MgO의 함량이 0.75 중량%로 다소 많이 첨가된 비교예 3의 경우 400℃에서의 체적저항은 25.9×1010 Ω·㎝, 550℃에서의 체적저항은 0.57×1010 Ω·㎝로, 실시예 1의 체적저항을 100%라고 했을 때 대비 400℃에서는 6.1%, 550℃에서는 16.6%에 불과한 낮은 체적저항율을 보여, 체적저항이 크게 감소한 것을 확인할 수 있었다.
또한, 동일한 함량으로 MgO를 첨가하였으나 가압소결 시 압력을 다소 낮게 설정한 비교예 6의 경우 400℃에서의 체적저항은 7.23×1010 Ω·㎝, 550℃에서의 체적저항은 0.38×1010 Ω·㎝였으며, 가압소결 시 압력을 다소 높게 설정한 비교예 7의 경우 400℃에서의 체적저항은 7.21×1010 Ω·㎝, 550℃에서의 체적저항은 0.16×1010 Ω·㎝였다. 즉, 동일 함량의 MgO를 첨가하고 동일 온도에서 소결하더라도 20~40 ㎫의 압력 조건을 벗어날 경우 체적저항이 매우 현저하게 감소하는 것을 확인할 수 있었으며, 이를 통해 가압소결 시 압력 조건이 매우 중요함을 확인할 수 있었다.
아울러, MgO의 함량을 1 중량%로 첨가한 실시예 2, 비교예 4 및 비교예 8을 비교하여 보면, 실시예 2는 1700℃ 및 30 ㎫의 조건으로 가압소결을 수행함에 따라 400℃에서의 체적저항 188×1010 Ω·㎝, 550℃에서의 체적저항 1.24×1010 Ω·㎝인 중고온에서 높은 비저항을 갖는 정전척용 AlN-MgO계 소결체가 제조되었다. 반면, 동일 함량으로 MgO를 첨가했음에도 불구하고 온도 및 압력이 본 발명의 범위를 벗어날 경우 비교예 4 및 8과 같이 체적저항이 크게 저하됨을 확인할 수 있다. 구체적으로 실시예 2의 체적저항을 100%라고 했을 때 대비, 비교예 4는 400℃에서 9.3%, 550℃에서 71.0%에 불과한 낮은 체적저항율을 보였으며, 비교예 8은 400℃에서 52.4%, 550℃에서 58.9%에 불과한 낮은 체적저항율을 보였다.
나아가, 소결온도 외 다른 공정 조건(MgO의 함량 0.5 중량% 및 압력 30 ㎫)을 실시예 1과 동일하게 수행한 비교예 9의 경우, 소결온도를 1700℃로 올림에 따라 체적저항이 크게 감소하였다. 구체적으로 400℃에서의 체적저항은 60.9×1010 Ω·㎝, 550℃에서의 체적저항은 0.67×1010 Ω·㎝로, 실시예 1의 체적저항을 100%라고 했을 때 대비 400℃에서는 14.4%, 550℃에서는 19.5%에 불과한 낮은 체적저항율을 보였다. 이를 통해 가압소결 시 MgO 함량 및 압력 조건의 조합뿐만 아니라 소결온도 또한 매우 중요함을 확인할 수 있었다.
추가적으로, 비교예 10은 일반적인 소결조제인 Y2O3가 더 첨가된 경우로, 소결조제를 첨가하여 동일 조건으로 가압소결을 수행했음에도 불구하고 체적저항이 실시예 1보다 좋지 않았다. 이는 Y2O3가 AlN 매트릭스에 고용되어 전자 보상(electronic compensation) 반응에 의해서 전자주게가 생성되고, 이에 의해 체적저항이 감소되는 것으로 판단된다.
이에 따라, 소결조제인 Y2O3를 첨가하지 않고 실험을 진행하였으며, 효과적인 가압소결을 위해 소결 시 압력을 30 ㎫로 증가시켜 실시예 1을 진행하였다. 그 결과 전술한 바와 같이 MgO 함량이 0.5 중량%일 때 현저하게 향상된 체적저항을 보이는 것을 확인할 수 있었다.
또한, 상기 비교예 11은 소결 시 탄소를 제공하기 위하여 페놀수지를 첨가한 것으로, 이론적으로 주요한 이온성 캐리어인 Al공극을 생성하는 Al2O3가 하기 식(1)의 반응에 의해 감소되어 체적저항이 증가할 것으로 기대하였으나, 예상과 달리 오히려 체적저항이 낮아지는 결과를 보였다.
식(1): Al2O3 + 3C + N2 → 2AlN + 3CO
이상과 같이 특정된 사항들과 한정된 실시예를 통해 본 발명이 설명되었으나, 이는 본 발명의 보다 전반적인 이해를 돕기 위해서 제공된 것일 뿐, 본 발명은 상기의 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명이 속하는 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 이러한 기재로부터 다양한 수정 및 변형이 가능하다.
따라서, 본 발명의 사상은 설명된 실시예에 국한되어 정해져서는 아니되며, 후술하는 특허청구범위뿐 아니라 이 특허청구범위와 균등하거나 등가적 변형이 있는 모든 것들은 본 발명 사상의 범주에 속한다고 할 것이다.

Claims (6)

  1. 0.3 내지 2.0 중량%의 MgO 분말 및 잔량의 AlN 분말로 이루어진 분말 혼합물을 가압소결하는 단계;를 포함하는 정전척용 AlN-MgO계 소결체의 제조방법으로,
    상기 가압소결은 MgO 분말의 함량이 0.3 내지 0.7 중량%일 때 1580 내지 1620℃의 온도 및 25 내지 35 ㎫의 압력 조건에서 수행되고,
    MgO 분말의 함량이 0.7 초과 내지 2.0 중량%일 때 1680 내지 1720℃의 온도 및 25 내지 35 ㎫의 압력 조건에서 수행되며,
    상기 정전척용 AlN-MgO계 소결체는 400℃의 온도에서 1×1012 ~ 1×1013 Ω·㎝의 체적저항을 갖고, 550℃의 온도에서 1×1010 ~ 1×1011 Ω·㎝의 체적저항을 가지는 것을 특징으로 하는,정전척용 AlN-MgO계 소결체의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 삭제
  4. 제 1항의 제조방법으로부터 제조된 소결체로,
    상기 소결체는 0.3 내지 2.0 중량%의 MgO 분말 및 잔량의 AlN 분말로 이루어진 분말 혼합물을 가압소결하여 제조되며,
    상기 가압소결은 MgO 분말의 함량이 0.3 내지 0.7 중량%일 때 1580 내지 1620℃의 온도 및 25 내지 35 ㎫의 압력 조건에서 수행되고,
    MgO 분말의 함량이 0.7 초과 내지 2.0 중량%일 때 1680 내지 1720℃의 온도 및 25 내지 35 ㎫의 압력 조건에서 수행되며,
    상기 소결체는 400℃의 온도에서 1×1012 ~ 1×1013 Ω·㎝의 체적저항을 갖고, 550℃의 온도에서 1×1010 ~ 1×1011 Ω·㎝의 체적저항을 가지는 것을 특징으로 하는, 정전척용 AlN-MgO계 소결체.
  5. 삭제
  6. 삭제
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