KR20010050748A - 질화 알루미늄 소결체 및 반도체 제조용 부재 - Google Patents

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KR20010050748A
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Abstract

본 발명은 고순도의 질화 알루미늄 소결체에 있어서, 체적 저항률을 감소시키고 인가 전압과 누설 전류 사이의 소위 배리스터적인 거동을 억제하는 것을 목적으로 한다.
질화 알루미늄 소결체는 질화 알루미늄을 주성분으로 하고 질화 알루미늄 결정의 다결정 구조를 갖고 있으며, 세륨을 산화물로 환산해서 0.01 중량% 내지 1.0 중량% 함유하고 있다. 바람직하게는, 실온에서의 체적 저항률은 인가 전압이 500 V/mm일 때 1×108Ω·cm 내지 1×1012Ω·cm이고, 세륨을 제외한 금속 불순물의 함유량은 100 ppm 이하이며, 탄소의 함유량은 0.05 중량% 이하이다.

Description

질화 알루미늄 소결체 및 반도체 제조용 부재{ALUMINUM NITRIDE SINTERED BODIES AND SEMICONDUCTOR-PRODUCING MEMBERS INCLUDING SAME}
본 발명은 질화 알루미늄 소결체와, 이것을 이용한 내식성 부재에 관한 것이다.
반도체 웨이퍼를 흡착하고 유지하는 방법으로는 존슨 라벡력(Johnson-Rahbek force)을 이용한 정전 척(electrostatic chuck)을 사용하는 방식이 유용하다. 정전 척의 기재의 체적 저항률을 108∼1012Ω·cm로 함으로써 높은 흡착력과 높은 응답성을 얻을 수 있다. 따라서, 정전 척의 개발에 있어서 중요한 것은 기재의 체적 저항률을 사용 온도 범위에서 108∼1012Ω·cm로 제어하는 것이다.
예컨대, 본 출원인은 일본 특원평 제9-315867호 공보에서, 고순도의 질화 알루미늄에 산화 이트륨을 미량 첨가함으로써 그 체적 저항률을 실온에서 108∼1012Ω·cm로 제어할 수 있다는 것을 보여주었다.
일본 특원평 제9-315867호 공보에 기재된 바와 같은 질화 알루미늄 소결체에 있어서는, 저항치를 감소시킬 수는 있지만, 인가 전압이 변화할 때 누설 전류의 변화가 큰, 소위 배리스터(varistor)적인 거동을 나타낸다는 것을 알 수 있었다. 즉, 질화 알루미늄 소결체에 V의 전압을 인가했을 때의 누설 전류를 I로 하고, V와 I와의 관계식을 I=kVα(k는 상수이며, α는 비선형 계수임)로 했을 때, α의 값이 1.5∼2.0이라는 높은 값이 된다는 것을 알 수 있었다. 이러한 옴의 법칙을 따르지 않는 전압-전류 거동은 반도체 제조 장치용 부재, 특히 정전 척 전극을 내장한 반도체용 서셉터(susceptor) 등에 있어서는 바람직하지 못하다. 예컨대, 세라믹스 정전 척의 경우에 정전 척 전극과 그 표면과의 사이에는 유전체층이 있지만, 유전체층의 두께에는 약간의 변동 내지 편차가 있다. 정전 척 전극과 그 표면 사이의 전압은 일정하기 때문에 유전체층이 두꺼운 영역에서는 인가 전압(V/mm)이 작아지고, 유전체층이 얇은 영역에서는 인가 전압이 커진다. 인가 전압의 변화에 대해서 누설 전류가 옴의 법칙을 따르지 않는 방식으로 변하면, 누설 전류의 표면 내에서의 편차가 커지기 때문에 흡착력이 불안정해질 가능성이 있다.
본 발명의 과제는 고순도 질화 알루미늄 소결체에 있어서, 체적 저항률을 감소시키고, 인가 전압과 누설 전류 간의 배리스터적인 거동을 억제하는 것이다.
도 1은 각 실시예의 소결체에 있어서 인가 전압(V)과 누설 전류(I)와의 관계를 보여주는 그래프.
본 발명은 질화 알루미늄을 주성분으로 하고, 질화 알루미늄 결정의 다결정 구조를 갖고 있으며, 세륨을 산화물로 환산해서 0.01 중량% 내지 1.0 중량% 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체에 관한 것이다.
본 발명의 발명자는 질화 알루미늄 소결체 내에 소량의 세륨을 함유시킴으로써 소결체의 체적 저항치를 감소시킴과 동시에, 인가 전압과 누설 전류 사이의 배리스터적인 거동을 억제할 수 있다는 것과, 경우에 따라서는 거의 옴의 법칙을 따르는 거동을 얻을 수 있다는 것을 발견하여 본 발명에 도달하였다.
본 발명의 소결체에 있어서의 알루미늄의 함유량은 질화 알루미늄 입자가 주상(主相)으로 존재할 수 있는 만큼의 양이어야 하며, 바람직하게는 35 중량% 이상이고, 더욱 바람직하게는 50 중량% 이상이다.
질화 알루미늄 결정의 다결정 구조 내에는 질화 알루미늄 결정 이외에 미량의 다른 결정상이 포함되어도 좋다.
본 발명의 효과를 발휘하기 위해서는, 세륨의 함유량은 산화물로 환산해서 0.01 중량% 이상이어야 한다. 그리고, 세륨의 함유량은 산화물로 환산해서 0.1 중량% 이상인 것이 더욱 바람직하다.
또한, 세륨의 함유량이 1.0 중량%를 초과하면 질화 알루미늄 소결체의 체적 저항률이 증가하는 경향이 있기 때문에, 체적 저항률을 낮추기 위해서 세륨의 함유량을 1.0 중량% 이하로 해야 한다. 그리고, 세륨의 함유량을 산화물로 환산해서 0.7 중량% 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
또한, 일본 특개평 제11-100271호에는 세륨을 산화물로 환산해서 2∼20 mol%의 범위에서 함유하고, CeAlO3을 함유하는 체적 저항률이 낮은 질화 알루미늄 세라믹스에 관하여 기재되어 있다. 이 세륨 함유량을 중량%로 환산하면, 약 7.9∼51 중량%가 된다. 이것은 질화 알루미늄 세라믹스에 다량의 세륨을 첨가함으로써 질화 알루미늄 입자의 입계에 다량의 CeAlO3(알루민산 세륨)을 석출시키고, 입계에 알루민산 세륨의 연속상을 생성시켜서 이 연속상에 전기가 흐르게 하는 것이다.
본 발명의 질화 알루미늄 소결체를 X-선 회절법으로 측정하면, 질화 알루미늄 단상인 경우와, 질화 알루미늄상과 알루민산 세륨상으로 이루어지는 경우가 있다. 일반적으로, 소결체 내 세륨의 함유량이 많아지면, 알루민산 세륨상이 생성되는 경향이 있다.
특히, 고출력 XRD에 의해 측정하면, 질화 알루미늄상과, 알루민산 세륨상 및 CeAl11O18상 가운데 한쪽 또는 양쪽 모두 검출되는 경우가 있다. 고출력 XRD에서의 측정 조건은 후술한다.
바람직하게는, 세륨을 제외한 금속 불순물의 함유량은 100 ppm 이하이고, 특히 바람직하게는, 50 ppm 이하이다. 이로써, 반도체 관련 용도 등과 같이 불순물이 거의 없어야 하는 경우의 용도에 적합한 높은 내식성의 소결체를 제공할 수 있다.
또한, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 있어서는, 질화 알루미늄 소결체에 있어서 세륨을 제외한 희토류 원소의 함유량은 산화물로 환산해서 0.01 중량% 내지 0.5 중량% 이다.
본 발명의 발명자는 세륨을 미량 첨가한 본 발명의 질화 알루미늄 소결체에 있어서, 경우에 따라서는 일부 소결체의 표면에 적갈색 내지 다갈색의 얼룩이 발생하는 것을 발견하였다. 그러나, 이러한 얼룩에 대응하는 각종 특성의 변화는 전혀 관측되지 않았다.
본 발명의 발명자는 미량의 세륨 이외의 희토류 원소를 세륨과 함께 첨가하고, 산화물로 환산해서 0.01 중량% 이상의 상기 희토류 원소를 함유시킴으로써, 각종 특성의 변화를 거의 일으키지 않고 얼룩을 방지 내지 억제할 수 있다는 것을 발견하였다.
소결체의 얼룩 방지라는 관점에서는, 세륨을 제외한 희토류 원소의 함유량은 산화물로 환산해서 0.03 중량% 이상인 것이 더욱 바람직하다.
또한, 반도체 관련 용도 등과 같이 불순물이 거의 없어야 하는 경우의 용도에 적합한 높은 내식성의 소결체를 제공한다고 하는 관점과, 낮은 체적 저항률을 얻는다고 하는 관점에서는 희토류 원소의 함유량은 산화물로 환산해서 0.5 중량% 이하인 것이 바람직하다.
또한, 반도체 관련 용도 등과 같이 불순물이 거의 없어야 하는 경우의 용도에 적합한 높은 내식성의 소결체를 제공한다고 하는 관점에서는, 알루미늄 및 희토류 원소(세륨을 포함함)를 제외한 금속 원소의 함유량을 100 ppm 이하로 하는 것이 바람직하고, 50 ppm 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
상기 희토류 원소는 특별히 한정되지는 않지만, 이트륨, 네오디뮴, 사마륨, 가돌리늄, 디스프로슘, 에르븀, 이테르븀이 바람직하며, 이트륨이 특히 바람직하다.
본 발명의 질화 알루미늄 소결체는 탄소의 함유량이 0.05 중량% 이하인 것이 바람직하다.
또한, 질화 알루미늄 소결체를 구성하는 질화 알루미늄 결정의 평균 입경은 5 ㎛ 내지 20 ㎛인 것이 바람직하다.
질화 알루미늄 소결체의 상대 밀도는 95% 이상인 것이 바람직하다.
본 발명의 질화 알루미늄 소결체에 있어서는, 인가 전압과 누설 전류의 관계에 있어서 배리스터적인 거동이 억제되고 있다. 구체적으로는, V의 전압을 인가했을 때의 누설 전류를 I로 하고, V와 I와의 관계식을 I=kVα(k는 상수이며, α는 비선형 계수임)로 했을 때, V가 100 V/mm 내지 1000 V/mm의 범위이면 α의 값을 1.0 이상 1.5 이하로 할 수 있다.
이러한 현저한 작용 및 효과를 얻을 수 있는 원인은 분명하지 않지만, 다음과 같이 추측할 수 있다.
고순도의 질화 알루미늄 분말을 소결한 경우에는, 입계에서의 장벽(barrier)이 높고, 입계에 있어서의 전기 전도가 터널 효과적으로 이루어지므로, 옴의 법칙을 따르지 않는 전기 전도 특성을 나타내는 것으로 생각된다.
또한, 예컨대 미량의 산화 이트륨을 고순도의 질화 알루미늄 분말에 첨가하고 소결한 경우에는, 소결체 내의 질화 알루미늄 입자에 산소가 고용(固溶)되고, 입자 내의 전기 저항이 감소된다. 그러나, 입계에서의 장벽이 높고, 입계에 있어서의 전기 전도가 터널 효과적으로 이루어지며, 그 결과 옴의 법칙을 따르지 않는 전기 전도 특성을 나타내는 것으로 생각된다.
이에 반하여, 미량의 산화 세륨을 고순도의 질화 알루미늄 분말에 첨가하고 소결한 경우에는, 질화 알루미늄 원료 분말에 포함되는 불순물 산소(알루미나의 형태로 존재하고 있음)가 산화 세륨과 반응해서 알루민산 세륨상이 생성되며, 질화 알루미늄의 액상 소결이 촉진된다.
액상 소결이 촉진된 결과, 질화 알루미늄 입자가 조대화(粗大化)된다. 최종적인 소결체에 있어서도, 세륨-알루미늄 산화물은 입계에서 석출물로 잔류하는 것이 확인되었다. 또한, 이 액상 소결에 따라서 원료 분말에 포함되는 산소의 일부가 질화 알루미늄 입자 내에 고용되고, 질화 알루미늄 입자 내에 산소에 의한 도너 준위가 형성되어 입자의 입자내 저항이 감소된다고 생각된다. 이와 같이, 질화 알루미늄 입자가 조대화됨으로써 저항이 높은 입계의 수가 감소하고 입자의 입자내 저항이 감소됨으로써, 소결체의 벌크로서의 체적 저항률이 감소하는 것으로 생각된다.
이와 함께, 입계의 장벽이 산화세륨의 첨가에 의해 낮아지고, 그 결과 질화 알루미늄 입자가 서로 옴 접촉을 하고 있는 것으로 생각된다. 그러나, 이러한 입계에 있어서의 저항치의 제어에 대해서는 불분명한 부분이 많다.
질화 알루미늄의 원료는 직접 질화법, 환원 질화법, 알킬 알루미늄으로부터의 기상 합성법 등의 여러 가지 제법에 의한 것을 사용할 수 있다.
질화 알루미늄의 원료 분말에 대하여, 질산 세륨, 황산 세륨, 옥살산 세륨 등과 같이 가열에 의해 산화세륨을 생성하는 화합물[산화세륨 전구체(precursor)]을 첨가할 수 있다. 산화세륨 전구체는 분말 상태로 첨가할 수 있다. 또한, 질산 세륨, 황산 세륨 등의 화합물을 용제에 용해시켜서 용액을 얻은 뒤, 이 용액을 원료 분말에 첨가할 수 있다. 이와 같이, 산화 세륨 전구체를 용매 중에 용해시킨 경우에는, 질화 알루미늄 입자 사이에 세륨을 고도로 분산시킬 수 있다. 이것은 세륨의 첨가량이 적은 경우에 특히 유용하다.
소결체의 성형은 건식 프레스법, 닥터블레이드법, 압출법, 주입법 등 공지의 방법을 적용할 수 있다.
본 발명의 소결체는 핫 프레스 소결(hot press sintering)에 의한 것이 바람직하고, 피소결체를 50 kgf/cm2이상의 압력으로 핫 프레스 소결시키는 것이 바람직하다.
본 발명의 소결체는 실리콘 웨이퍼의 처리 장치나 액정 디스플레이 제조 장치와 같은 반도체 제조 장치 내의 각종 부재로서 적절하게 이용할 수 있다.
본 발명의 소결체는 특히 반도체 제조 장치용 서셉터 등의 내식성 부재에 적합하다. 또한, 이 내식성 부재 내에 금속 부재를 매설하여 이루어진 금속 매설품에 대해서도 적합하다. 내식성 부재로는, 예컨대 반도체 제조 장치 내에 설치되는 서셉터, 링, 돔 등을 예시할 수 있다. 서셉터 내에는 저항 발열체, 정전 척 전극, 고주파 발생용 전극 등을 매설할 수 있다.
또한, 본 발명의 소결체는 전술한 바와 같이 저항치가 낮고, 고순도이며, 인가 전압-누설 전류의 관계가 옴의 법칙을 따르는 거동에 가깝기 때문에 정전 척의 기재에 대해서 특히 유용하다. 이 정전 척의 기재 내부에는 정전 척 전극 이외에 저항 발열체, 플라즈마 발생용 전극 등을 추가로 매설할 수 있다.
이하에서 실제로 질화 알루미늄 소결체를 제조하여 그 특성을 평가하였다.
시판되고 있는 환원 질화 분말과, 시판되고 있는 질산 세륨을 사용하여 표 2 내지 표 6에 나타낸 각 실시예 및 비교예의 소결체를 제작하였다. 이 분말의 조성을 표 1에 나타내었다.
Si 4 ppm
Fe 3 ppm
Ti 1 ppm 미만
Ca 7 ppm
Mg 5 ppm
K 0.5 ppm 미만
Na 1 ppm
P 1 ppm 미만
Cr 1 ppm
Mn 0.1 ppm 미만
Ni 1 ppm 미만
Cu 1 ppm 미만
Zn 0.1 ppm 미만
Y 0.5 ppm 미만
W 1 ppm
B 1 ppm 미만
N 33.87 중량%
O 0.93 중량%
C 0.03 중량%
질화 알루미늄 분말 100 중량부와, 표 2 내지 표 6에 나타낸 각 중량(중량부 단위로 나타냄. 산화물로 환산함)의 질산 세륨을 계량하여 이소프로필 알코올 중에 투입하고, 나일론제 포트(pot) 및 옥석(玉石)을 이용하여 4시간 습식 혼합하였다. 혼합후, 슬러리를 추출하여 이 슬러리를 110℃에서 건조하였다. 건조 분말을 450℃에서 5시간 동안 대기 분위기 속에서 열처리함으로써, 습식 혼합시에 혼입한 나일론 성분을 소실(燒失)시켜서 소결용 원료 분말을 얻었다. 질산 세륨은 이소프로필 알코올에 용해되었다.
이 원료 분말을 200 kgf/cm2의 압력으로 1축 가압 성형하고, 직경 100 mm, 두께 20 mm의 원반형 성형체를 제작하였다. 이 성형체를 흑연 몰드 내에 수납하였다. 핫 프레스법에 의해 성형체를 소결시켰다. 프레스 압력을 200 kgf/mm2로 하고, 소결 온도를 1900℃ 또는 2000℃로 해서, 1900℃ 또는 2000℃에서 4시간 동안 유지시키고 냉각하였다. 실온과 1000℃와의 사이는 진공으로 하고, 1000℃와 1900℃ 또는 2000℃와의 사이는 1.5 kgf/cm2의 압력으로 질소 가스를 도입하였다.
얻은 소결체에 대해서 이하의 평가를 행하고, 평가 결과를 표 2 내지 표 6에 나타내었다.
(밀도) 순수(純水)를 매체로 한 아르키메데스법에 의해 측정하였다.
(불순물 금속의 함유량) 유도 결합 플라즈마 발광 스펙트럼에 의해 정량하였다.
(산소량) 불활성 가스 융해 적외선 흡수법에 의해 정량하였다.
(탄소량) 고주파 가열 적외선 흡수법에 의해 정량하였다.
(CeO2함유량) 유도 결합 플라즈마 발광 스펙트럼에 의해 세륨의 양을 정량하고, 이 정량치로부터 CeO2의 함유량을 산출하였다.
(결정상) XRD에 의해 확인하였다. 측정 조건은 CuKα를 이용하여 35 kV, 20 mA, 2θ를 20∼70°로 하였다.
(결정상: 고출력 XRD) 고출력 XRD에 의해 확인하였다. 측정 조건은 CuKα를 이용하여 50 kV, 300 mA, 2θ를 20∼70°로 하였다.
(실온 체적 저항률) 진공 중에서 JIS2141에 기초한 절연물의 체적 저항률 측정법에 의해 측정하였다. 단, 시험편의 치수는 50mm ×50mm ×1 mm로 하고, 주전극의 직경을 20 mm로 하며, 가드 전극의 내경을 30 mm로 하고, 가드 전극의 외경을 40 mm로 하며, 인가 전극의 직경을 45 mm로 하고, 전극의 재질로서 은을 사용하였다. 인가 전압은 50 V/mm∼1000 V/mm의 범위에서 변화시켰다. 전압을 인가한 후, 1분 후의 전류치를 읽어서 체적 저항률을 산출하였다. 또한, 표 2 내지 표 5의 "실온 체적 저항률" 란에는 인가 전압 500 V/mm시의 체적 저항률을 기재하였다. 그리고, 표 중의 "9E+11"이라는 표기는 "9×1011"을 의미하고, 기타 경우도 동일한 의미이다.
(열전도율) 레이저 플래시법에 의해 측정하였다.
(강도) JIS R 1601에 기초한 실온 4점 굽힘 강도 시험법에 의해 측정하였다.
(AlN 입경) 전자 현미경에 의해 소결체의 미세 구조를 관찰하고, 30개 입자의 입경을 측정하여 그 평균치를 기재하였다.
(α) 인가 전압을 100∼1000 V/mm로 변화시키면서 누설 전류의 값을 측정하여 도 1에 도시한 바와 같이 플로팅(plotting)하였다. 또한, 도 1에 있어서, 실시예 1 및 10과 비교예 1 및 6의 그래프를 도시하였다. 도 1에서 종축 I는 누설 전류를 나타내며, 대수로 표기되어 있다. 또한, 횡축 V는 인가 전압을 나타내며, 대수로 표기되어 있다. 각 예의 플롯을 최소 제곱법에 의해 직선에 근사시켜 이 직선의 기울기를 산출하고, 이 기울기를 α로 표에 나타내었다.
(얼룩) 이하의 경우에는 얼룩이 있는 것으로 판정하였다.
(1) 사단법인 일본공업회 발행의 "도료용 표준색 견본장"의 표시 기호에 있어서, 색상 구분 및/또는 명도 구분이 다른 경우
(2) 사단법인 일본공업회 발행의 "도료용 표준색 견본장"의 표시 기호에 있어서, 색상 구분 및 명도 구분이 동일하고, 채도 구분이 2단계 이상 다른 경우
실시예 1 실시예 2 실시예 3 실시예 4 실시예 5
원료 조합 조성 중량부 AlN 100 100 100 100 100
CeO2 0.06 0.15 0.3 0.5 0.6
소결 온도 (。C) 1900 1900 1900 1900 1900
밀도 (g/cm3) 3.26 3.27 3.26 3.27 3.27
불순물 금속의 함유량 (ppm) 30 미만 30 미만 30 미만 30 미만 50 미만
산소량 (중량%) 0.81 0.82 0.83 0.83 0.85
탄소량 (중량%) 0.03 0.04 0.04 0.04 0.03
CeO2함유량 (중량%) 0.05 0.15 0.28 0.45 0.52
결정상 (XRD) AlN AlN AlN CeAlO3 AlN CeAlO3 AlN CeAlO3
결정상 (고출력 XRD) AlN CeAl11O18 AlN CeAl11O18 AlN CeAlO3CeAl11O18 AlN CeAlO3CeAl11O18 AlN CeAlO3CeAl11O18
실온 체적 저항률 (Ω·cm) 9E+11 2E+10 2E+10 7E+10 1E+11
열전도율 (W/mK) 98 95 95 100 108
강도 (MPa) 370 340 350 310 310
AlN 입경(㎛) 5.4 5.9 6.1 6.3 6.5
α 1 1 1 1 1
얼룩 없음 없음 없음 없음 없음
실시예 6 비교예 1 비교예 2 비교예 3 실시예 7
원료 조합 조성 중량부 AlN 100 100 100 100 100
CeO2 0.8 0 1.5 4.6 0.03
소결 온도(。C) 1900 1900 1900 1900 2000
밀도(g/cm3) 3.28 3.26 3.28 3.35 3.27
불순물금속의 함유량(ppm) 50 미만 30 미만 50 미만 50 미만 30 미만
산소량(중량%) 0.94 0.81 1.15 1.82 0.61
탄소량(중량%) 0.04 0.03 0.04 0.05 0.03
CeO2함유량 (중량%) 0.74 0.0001 미만 1.41 3.93 0.01
결정상 (XRD) AlN+ CeAlO3 AlN AlN CeAlO3 AlN CeAlO3 AlN
결정상 (고출력 XRD) AlN CeAlO3CeAl11018 AlN AlN CeAlO3 AlN CeAlO3 AlN+ CeAl11018
실온 체적 저항률 (Ω·cm) 5E+11 2E+14 2E+13 1E+15 1E+09
열전도율 (W/mK) 110 92 115 120 90
강도 (MPa) 330 370 390 420 290
AlN 입경(㎛) 6.6 3.5 6.4 6.5 7.2
α 1 2 1 1 1.5
얼룩 있음 있음 있음 없음 없음
실시예 8 실시예 9 실시예 10 실시예 11 실시예 12
원료 조합 조성 중량부 AlN 100 100 100 100 100
CeO2 0.06 0.15 0.3 0.5 0.6
소결 온도(。C) 2000 2000 2000 2000 2000
밀도(g/cm3) 3.27 3.27 3.27 3.26 3.27
불순물 금속의 함유량(ppm) 30 미만 30 미만 30 미만 30 미만 30 미만
산소량 (중량%) 0.62 0.61 0.60 0.58 0.60
탄소량 (중량%) 0.03 0.04 0.04 0.04 0.04
CeO2함유량 (중량%) 0.02 0.05 0.11 0.15 0.21
결정상 (XRD) AlN AlN AlN AlN CeAlO3 AlN CeAlO3
결정상 (고출력 XRD) AlN CeAl11O18 AlN CeAlO3CeAl11O18 AlN CeAlO3CeAl11O18 AlN CeAlO3 AlN CeAlO3
실온 체적 저항률 (Ω·cm) 2E+9 3E+9 6E+9 1E+10 7E+9
열전도율 (W/mK) 90 90 92 96 96
강도 (MPa) 300 300 310 320 310
AlN 입경(㎛) 7.6 7.6 7.5 7.7 7.6
α 1.5 1.5 1.5 1 1
얼룩 없음 있음 있음 있음 있음
실시예 13 실시예 14 실시예 15 비교예 4 비교예 5 비교예 6
원료 조합 조성 중량부 AlN 100 100 100 100 100 100
CeO2 0.8 1.5 4.6 0.0 7.6 -
Y2O3 - - - - - 0.3
소결 온도(。C) 2000 2000 2000 2000 2000 1900
밀도(g/cm3) 3.27 3.27 3.34 3.26 3.41 3.27
불순물 금속의 함유량(ppm) 30 미만 50 미만 50 미만 30 미만 50 미만 30 미만
산소량 (중량%) 0.59 0.65 0.82 0.79 1.03 0.84
탄소량 (중량%) 0.04 0.04 0.04 0.03 0.05 0.03
CeO2함유량 (중량%) 0.27 0.55 0.98 0.0001 미만 2.05 0.0001 미만
결정상 (XRD) AlN+ CeAlO3 AlN+ CeAlO3 AlN+ CeAlO3 AlN AlN CeAlO3 AlN
결정상 (고출력 XRD) AlN CeAlO3 AlN CeAlO3 AlN CeAlO3
실온체적저항률 (Ω·cm) 2E +10 7E +10 2E +11 8E +12 5E +13 8E +10
열전도율 (W/mK) 100 108 115 86 148 92
강도 (MPa) 320 330 350 340 360 330
AlN 입경(㎛) 7.7 7.8 8.2 5.2 8.5 6.6
α 1 1 1 2 1 2
얼룩 있음 있음 있음 있음 없음 없음
실시예 16 실시예 17 실시예 18 실시예 19
원료 조합 조성 중량부 AlN 100 100 100 100
CeO2 0.08 0.15 0.15 0.08
Y2O3 0.1 0.1 0.1 0.05
소결 온도 (。C) 2000 2000 1900 2000
밀도 (g/cm3) 3.26 3.26 3.27 3.26
불순물 금속의 함유량(ppm) 30 미만 30 미만 30 미만 30 미만
산소량 (중량%) 0.62 0.63 0.85 0.62
탄소량 (중량%) 0.04 0.04 0.04 0.04
CeO2함유량 (중량%) 0.03 0.05 0.13 0.03
Y2O3함유량 (중량%) 0.06 0.04 0.09 0.03
결정상 (고출력 XRD) AlN CeAlO3 AlN CeAlO3 AlN CeAlO3CeAl11018 Y3Al5012 AlN CeAlO3CeAl11018
실온체적저항률 (Ω·cm) 3E+10 8E+11 9E+11 6E+10
열전도율 (W/mK) 90 93 95 90
강도 (MPa) 300 340 360 360
AlN 입경(㎛) 7.7 7.5 6.1 7.7
α 1.5 1 1 2
얼룩 없음 없음 없음 없음
실시예 1 내지 6에 있어서는, 소결체에서의 CeO2의 함유량은 0.05∼0.74 중량%로서, 원료 조합시보다도 약간 감소하는 경향을 볼 수 있다. 산소량은 0.80∼0.94 중량%로서, 비교적 크다. 소결체에 있어서 CeO2의 함유량이 0.20 중량% 이하이면 소결체는 거의 질화 알루미늄 단상이지만, CeO2의 함유량이 0.20 중량%를 초과하면 알루민산 세륨상이 석출된다. 각 실시예의 소결체의 실온 체적 저항률은 비교적 낮고, α도 낮다.
비교예 1에 있어서는, CeO2의 함유량이 0.0001 중량% 미만이지만, 체적 저항률이 높고, α도 크다. 비교예 2, 3에 있어서는, CeO2의 함유량이 1 중량%를 초과하지만, 체적 저항률이 높다.
실시예 7 내지 실시예 15에 있어서는, 소결체에 있어서의 CeO2의 함유량은 0.01∼0.98 중량%이다. 산소량은 0.58∼0.82 중량%로서, 비교적 크다. 각 실시예의 소결체의 실온 체적 저항률은 비교적 낮고, α도 낮다.
비교예 4에 있어서는 소결체의 CeO2의 함유량이 0.0001 중량% 미만이고, 체적 저항률이 높으며, α도 크다. 비교예 5에 있어서는 소결체의 CeO2의 함유량이 높고, 체적 저항률이 높다. 비교예 6에 있어서는, 원료 분말 속에 산화 세륨 분말을 첨가하지 않고, 그 대신에 산화 이트륨 분말을 0.3 중량부 첨가함으로써 소결체의 체적 저항률을 낮추고 있다. 소결체 내에는 0.28 중량%의 산화 이트륨이 함유되어 있지만, 산화 세륨의 함유량은 0.0001 중량% 미만이었다. 그 결과, 실온에서의 체적 저항률은 현저히 감소되었지만, α는 2가 되었다.
또한, 고출력 XRD에 의해 측정하면, 실시예 1, 2, 7, 8에 있어서는 AlN 상과 함께 CeAl11O18상이 검출되고, 실시예 11 내지 실시예 15에 있어서는 AlN상과 함께 CeAlO3상이 검출되며, 실시예 3, 4, 5, 6, 9, 10에 있어서는, AlN상과 함께 CeAl11O18상 및 CeAlO3상이 검출되었다.
또한, 실시예 16 내지 실시예 19에 있어서는, 산화 세륨과 함께 산화 이트륨을 첨가하였지만, 결정상, 체적 저항률, 열전도율, 강도, α 등의 특성에는 현저한 변동이 없었다. 그리고, 실시예 16 내지 실시예 19에 있어서는, 적갈색 내지 다갈색의 얼룩이 나타나지 않았다.
전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 고순도 질화 알루미늄 소결체에 있어서 체적 저항률을 감소시키고, 인가 전압과 누설 전류 사이의 배리스터적인 거동을 억제할 수 있다.

Claims (24)

  1. 질화 알루미늄을 주성분으로 하고, 질화 알루미늄 결정의 다결정 구조를 갖고 있으며, 세륨을 산화물로 환산해서 0.01 중량% 내지 1.0 중량% 함유하고 있는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  2. 제1항에 있어서, 인가 전압이 500 V/mm일 때 실온에서의 체적 저항률이 1×108Ω·cm 내지 1×1012Ω·cm 인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 알루미늄 및 세륨을 제외한 금속 원소의 함유량이 100 ppm 이하인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  4. 제1항 또는 제2항에 있어서, 세륨을 제외한 희토류 원소의 함유량이 산화물로 환산해서 0.01 중량% 내지 0.5 중량%인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  5. 제4항에 있어서, 알루미늄 및 희토류 원소를 제외한 금속 원소의 함유량이 100ppm 이하인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  6. 제4항에 있어서, 상기 희토류 원소는 이트륨인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  7. 제1항 또는 제2항에 있어서, 탄소의 함유량이 0.05 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  8. 제3항에 있어서, 탄소의 함유량이 0.05 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  9. 제4항에 있어서, 탄소의 함유량이 0.05 중량% 이하인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  10. 제1항 또는 제2항에 있어서, 질화 알루미늄 소결체를 구성하는 질화 알루미늄 결정의 평균 입경이 5 ㎛ 내지 20 ㎛인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  11. 제3항에 있어서, 질화 알루미늄 소결체를 구성하는 질화 알루미늄 결정의 평균 입경이 5 ㎛ 내지 20 ㎛인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  12. 제4항에 있어서, 질화 알루미늄 소결체를 구성하는 질화 알루미늄 결정의 평균 입경이 5 ㎛ 내지 20 ㎛인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  13. 제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 질화 알루미늄 소결체에 V의 전압을 인가했을 때의 누설 전류를 I로 하고, V와 I와의 관계식을 I=kVα(k는 상수이고, α는 비선형 계수임)로 한 경우에, V가 100 V/mm 내지 1000 V/mm의 범위에 있으면 α의 값은 1.0 내지 1.5인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  14. 제3항에 있어서, 상기 질화 알루미늄 소결체에 V의 전압을 인가했을 때의 누설 전류를 I로 하고, V와 I와의 관계식을 I=kVα(k는 상수이고, α는 비선형 계수임)로 한 경우에, V가 100 V/mm 내지 1000 V/mm의 범위에 있으면 α의 값은 1.0 내지 1.5인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  15. 제4항에 있어서, 상기 질화 알루미늄 소결체에 V의 전압을 인가했을 때의 누설 전류를 I로 하고, V와 I와의 관계식을 I=kVα(k는 상수이고, α는 비선형 계수임)로 한 경우에, V가 100 V/mm 내지 1000 V/mm의 범위에 있으면 α의 값은 1.0 내지 1.5인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  16. 제1항 또는 제2항에 있어서, X선 회절법으로 측정했을 때 질화 알루미늄 단상인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  17. 제3항에 있어서, X선 회절법으로 측정했을 때 질화 알루미늄 단상인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  18. 제4항에 있어서, X선 회절법으로 측정했을 때 질화 알루미늄 단상인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  19. 제1항 또는 제2항에 있어서, X선 회절법으로 측정했을 때 알루민산 세륨상과 CeAl11O18상 중의 적어도 하나와, 질화 알루미늄상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  20. 제3항에 있어서, X선 회절법으로 측정했을 때 알루민산 세륨상과 CeAl11O18상 중의 적어도 하나와, 질화 알루미늄상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  21. 제4항에 있어서, X선 회절법으로 측정했을 때 알루민산 세륨상과 CeAl11O18상 중의 적어도 하나와, 질화 알루미늄상으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  22. 제1항 또는 제2항에 기재된 질화 알루미늄 소결체에 의해 적어도 일부가 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 반도체 제조용 부재.
  23. 제22항에 있어서, 상기 반도체 제조용 부재는 상기 질화 알루미늄 소결체로 이루어진 기재와, 이 기재 내에 매설되어 있는 금속 부재를 구비하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조용 부재.
  24. 제23항에 있어서, 상기 금속 부재는 적어도 정전 척 전극(electrostatic chuck electrode)을 포함하는 것을 특징으로 하는 반도체 제조용 부재.
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