KR20180031803A - 탄화규소/흑연 복합체 및 그를 포함하는 물품 및 조립체 - Google Patents

탄화규소/흑연 복합체 및 그를 포함하는 물품 및 조립체 Download PDF

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렉스 제럴드 셰퍼드
아부아겔라 에이치 라쉬드
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엔테그리스, 아이엔씨.
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Abstract

(i) 내부 벌크 흑연 재료 및 (ii) 외부 탄화규소 매트릭스 재료를 포함하는 탄화규소-흑연 복합체로서, 내부 벌크 흑연 재료와 외부 탄화규소 매트릭스 재료가 그들 사이의 계면 영역에서 서로 상호-침투되어 있고, 외부 탄화규소 매트릭스 재료 중에 개재물로서 흑연이 존재하는 것인 탄화규소-흑연 복합체가 기술된다. 상기 재료는 전구체 흑연 물품의 외부 부분을, 흑연이 개재물로서 존재하는 탄화규소 매트릭스 재료로 전환시키는 데 효과적인 화학 반응 조건 하에 전구체 흑연 물품을 일산화규소 (SiO) 기체와 접촉시키는 것에 의해 형성될 수 있으며, 여기서 탄화규소 매트릭스 재료와 내부 벌크 흑연 재료는 그들 사이의 계면 영역에서 서로 상호침투한다. 상기 탄화규소-흑연 복합체는 태양 전지 또는 다른 광학, 광전자, 광자, 반도체 및 마이크로전자공학 제품의 제조에서의 주입 하드 마스크뿐만 아니라, 이온 주입 시스템 재료, 구성요소 및 조립체, 예컨대 빔 라인 조립체, 빔 조향 렌즈, 이온화 챔버 라이너, 빔 정지부 및 이온 소스 챔버 등의 적용분야에서 유용하게 사용된다.

Description

탄화규소/흑연 복합체 및 그를 포함하는 물품 및 조립체
관련 출원에 대한 상호-참조
본 출원은 35 USC 119 하에, 2015년 8월 20일에 출원된 미국 특허 가출원 제62207375호 'SILICON CARBIDE/GRAPHITE COMPOSITE AND ARTICLES AND ASSEMBLIES COMPRISING SAME', 및 2015년 12월 9일에 출원된 미국 특허 가출원 제62265376호 'SILICON CARBIDE/GRAPHITE COMPOSITE AND ARTICLES AND ASSEMBLIES COMPRISING SAME'를 우선권 주장한다. 이들 미국 특허 가출원의 개시내용은 그 전체가 모든 목적을 위해 본원에 참조로 포함된다.
분야
본 개시내용은 탄화규소/흑연 복합체, 그리고 그를 포함하는 재료, 물품 및 조립체에 관한 것이다.
흑연 구성요소 및 조립체는 LED의 제조에서, 예를 들어 LED 성장을 위한 챔버에서 이용되는 서셉터(susceptor) 물품에, 그리고 이온 주입(ion implantation)에서 예컨대 태양 전지 제조용 주입 하드 마스크(implant hard mask)에, 그리고 이온 주입기에서 빔 조향 렌즈, 챔버 라이너, 빔 정지부 및 소스 챔버에 이용되고 있다.
이들 적용분야에서, 흑연은 그를 유리하게 만드는 관련 특성들을 가지고 있기는 하지만, 그것은 또한, 예를 들어, 부적절한 내화학성, 마찰학적 특성 및 입자 발생에 대한 취약성 등 구성 재료로서의 결점들을 가지고 있다. 예를 들어, LED 성장에 사용되는 흑연 서셉터는 LED, 특히 고휘도 LED 성장에 이용되는 많은 처리 화학물질들에 의해 공격받고 침식된다. 이온 주입에서, 흑연 또는 유리성(glassy) 탄소-함침 흑연으로 형성된 빔 라인은 빔 타격, 스퍼터링 및 삭마 메카니즘의 결과로 침식 및 입자 발생에 대하여 취약하다.
상기 다양한 적용분야들에서, 경도, 내화학성 및 바람직한 마찰학적 특성을 포함한 탄화규소의 바람직한 특성들의 결과로, 그러한 흑연 구성요소 및 조립체에 대한 탄화규소의 코팅이 고려되어 왔다. 그러나, 상응하는 SiC-코팅 흑연 구조물들은, 이들이 다양한 온도 체제에서 열적 안정성을 필요로 하며, SiC와 흑연이 상당히 다른 열 충격 내성을 갖기 때문에 성공적으로 구현되지 못했다. 결과적으로, 이온 주입기 적용분야에서의 SiC-코팅 흑연 구조물은 SiC를 파손시키는 빔 타격과 연관된 높은 열 충격의 결과로 파괴되기가 쉬웠으며, 이러한 적용분야 및 기타 적용분야에서, SiC와 흑연 사이의 열 팽창 계수 (CTE) 불일치는 작은 온도 변화가 경험될 때 흑연 베이스 재료로부터의 SiC 코팅의 층간박리를 초래할 수 있었다.
결과적으로, 관련 기술분야에서는 그와 같은 적용분야에서 사용되는 흑연 물품 및 조립체의 개선을 계속 추구하고 있다.
발명의 개요
본 개시내용은 탄화규소/흑연 복합체, 그리고 그를 포함하는 재료, 물품 및 조립체에 관한 것이다.
일 측면에서, 본 개시내용은, (i) 내부 벌크(bulk) 흑연 재료 및 (ii) 외부 탄화규소 매트릭스 재료를 포함하는 탄화규소-흑연 복합체로서, 여기서 내부 벌크 흑연 재료와 외부 탄화규소 매트릭스 재료가 그들 사이의 계면 영역에서 서로 상호침투되어 있고, 흑연이 외부 탄화규소 매트릭스 재료 중에 개재물(inclusion)로서 존재하는 것인 탄화규소-흑연 복합체에 관한 것이다.
또 다른 측면에서, 본 개시내용은, (i) 내부 벌크 흑연 재료 및 (ii) 외부 탄화규소 매트릭스 재료를 포함하는 탄화규소-흑연 복합체로서, 여기서 내부 벌크 흑연 재료와 외부 탄화규소 매트릭스 재료가 그들 사이의 계면 영역에서 서로 상호침투되어 있고, 외부 탄화규소 매트릭스 재료 중에 개재물로서 흑연이 존재하며;
여기서 탄화규소-흑연 복합체는,
(i) 외부 탄화규소 매트릭스 재료의 두께에 대한 내부 벌크 흑연 재료 두께의 비가 5 내지 10,000의 범위임;
(ii) 외부 탄화규소 매트릭스 재료가 150 내지 1000 ㎛ 범위의 두께를 가짐;
(iii) 탄화규소-흑연 복합체 내 흑연의 입자 크기가 5 내지 20 ㎛의 범위임;
(iv) 탄화규소-흑연 복합체의 밀도가 복합체 1 cc 당 1.6 내지 2.4 g의 범위임;
(v) 복합체의 열 팽창 계수 (CTE)가 4 내지 6.5 × 10-6/℃의 범위임;
(vi) 복합체의 특성화 파라미터 Cp가 0.5 내지 3.2%/cm-1의 범위이고, 여기서 Cp는 관계 Cp = Wg/[S/V]로 정의되고, 여기서 Wg는 일산화규소와의 접촉에 적용되어 복합체 생성 반응을 초래하는 흑연 재료의 중량 이득 퍼센트 (%)이고; S/V는 생성물 복합체의 표면적-대-부피 비이고, 여기서 S는 제곱 센티미터로 나타낸 복합체의 표면적이고, V는 세제곱 센티미터로 나타낸 복합체의 부피임;
(vii) 복합체 상에 어떠한 탄화규소 캡핑(capping) 층도 없음;
(viii) 복합체가 유리질 탄소-비함유 복합체임;
(ix) 복합체의 형성이, 내부 벌크 흑연 재료의 공극에서의 흑연 분체 입자의 전환 결합(conversion bonding)을 포함함;
(x) 복합체가 유리 규소를 함유하지 않음; 및
(xi) 복합체가 질소로 도핑됨
으로 이루어진 군으로부터 선택되는 임의의 둘 이상의 특징들을 특징으로 하는 것인 탄화규소-흑연 복합체에 관한 것이다.
본 개시내용의 다른 측면은 상기 탄화규소-흑연 복합체를 포함하는 재료, 물품 또는 조립체, 예를 들어 태양 전지를 제조하는 데 사용하기 위한 주입 하드 마스크, 또는 이온 주입 장치 재료, 빔 라인 조립체, 빔 조향 렌즈, 이온화 챔버 라이너, 빔 정지부 및 소스 챔버 등의 조립체 또는 구성요소에 관한 것이다.
본 개시내용의 또 다른 측면은, 흑연 물품의 외부 부분을, 흑연이 개재물로서 존재하는 탄화규소 매트릭스 재료로 전환시키는 데 효과적인 화학 반응 조건 하에 흑연 물품을 일산화규소 (SiO) 기체와 접촉시키는 것을 포함하며, 탄화규소 매트릭스 재료와 내부 벌크 흑연 재료가 그들 사이의 계면 영역에서 서로 상호침투되는 것인, 상기 탄화규소-흑연 복합체의 제조 방법에 관한 것이다.
본 개시내용의 또 다른 측면은, 흑연 물품의 외부 부분을, 흑연이 개재물로서 존재하는 탄화규소 매트릭스 재료로 전환시키는 데 효과적인 화학 반응 조건 하에 흑연 물품을 일산화규소 (SiO) 기체와 접촉시키는 것을 포함하며, 탄화규소 매트릭스 재료와 내부 벌크 흑연 재료가 그들 사이의 계면 영역에서 서로 상호침투되는 것인, 탄화규소-흑연 복합체의 제조 방법으로서, 여기서 화학 반응 조건은 탄화규소-흑연 복합체를 수득하는 데 효과적인 것이며, 여기서 복합체는,
(i) 외부 탄화규소 매트릭스 재료의 두께에 대한 내부 벌크 흑연 재료 두께의 비가 5 내지 10,000의 범위임;
(ii) 외부 탄화규소 매트릭스 재료가 150 내지 1000 ㎛ 범위의 두께를 가짐;
(iii) 탄화규소-흑연 복합체 내 흑연의 입자 크기가 5 내지 20 ㎛의 범위임;
(iv) 탄화규소-흑연 복합체의 밀도가 복합체 1 cc 당 1.6 내지 2.4 g의 범위임;
(v) 복합체의 열 팽창 계수 (CTE)가 4 내지 6.5 × 10-6/℃의 범위임;
(vi) 복합체의 특성화 파라미터 Cp가 0.5 내지 3.2%/cm-1의 범위이고, 여기서 Cp는 관계 Cp = Wg/[S/V]로 정의되고, 여기서 Wg는 일산화규소와의 접촉에 적용되어 복합체 생성 반응을 초래하는 흑연 재료의 중량 이득 퍼센트 (%)이고; S/V는 생성물 복합체의 표면적-대-부피 비이고, 여기서 S는 제곱 센티미터로 나타낸 복합체의 표면적이고, V는 세제곱 센티미터로 나타낸 복합체의 부피임;
(vii) 복합체 상에 어떠한 탄화규소 캡핑 층도 없음;
(viii) 복합체가 유리질 탄소-비함유 복합체임;
(ix) 복합체의 형성이, 내부 벌크 흑연 재료의 공극에서의 흑연 분체 입자의 전환 결합을 포함함;
(x) 복합체가 유리 규소를 함유하지 않음; 및
(xi) 복합체가 질소로 도핑됨
으로 이루어진 군으로부터 선택되는 임의의 둘 이상의 특징들을 특징으로 하는 것인, 탄화규소-흑연 복합체의 제조 방법에 관한 것이다.
본 개시내용의 다른 측면, 특징 및 실시양태들은 이어지는 상세한 설명 및 첨부된 청구범위로부터 보다 완전히 명백해질 것이다.
도 1은 본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체의 SiC 매트릭스 재료 및 계면 영역의 미세구조를 보여주는 200배 배율의 전자 현미경사진 (금속조직사진)이다. 현미경 사진은, 반응-전환된 흑연을 포함하는 SiC 매트릭스 재료의 대략적인 두께 및 아래 벌크 흑연 재료를 표시하도록 표지되었다. 도시되어 있는 바와 같이, SiC 매트릭스 재료는 흑연 개재물을 함유하며, 계면에는 각 내부 벌크 흑연 재료와 외부 탄화규소 매트릭스 재료의 상호침투가 있다.
도 2는 내부 벌크 흑연 재료와 외부 탄화규소 매트릭스 재료의 상호침투를 포함하는, 도 1의 복합체의 계면 영역의 미세구조를 보여주는 200배 배율의 전자 현미경사진 (금속조직사진)이다.
도 3은 도 1의 복합체 SiC 매트릭스 재료의 상부 표면 영역을 나타내는 200배 배율의 전자 현미경사진 (금속조직사진)이며, 그러한 매트릭스 재료의 흑연 개재물을 보여준다.
도 4는 100배 배율에서의 도 1의 복합체의 주사 전자 현미경 (SEM) 후방산란(backscatter) 영상이며, 여기서 영상의 밝은 영역은 SiC를 나타내며, 영상의 어두운 영역은 C (흑연)을 나타내며, SiC 매트릭스 재료 내 흑연 개재물을 분명하게 입증하고 있다.
도 5는 SiC 매트릭스 재료와 벌크 흑연 재료의 상호침투를 보여주는 도 1의 복합체 계면 영역의 500배 배율 전자 광학현미경사진이다.
도 6은 도 5의 광학현미경사진의 상응하는 500배 배율 원소 맵(elemental map)이며, 여기서 SiC 매트릭스 재료는, 보다 어두운 색상의 재료로서의 흑연 개재물을 함유하는 보다 밝은 색상의 재료로 나타나 있다.
도 7은 복합체 내 규소를 보여주는 도 5의 광학현미경사진의 상응하는 500배 배율 원소 맵이다.
도 8은 복합체 내 탄소 (흑연)를 보여주는 도 5의 광학현미경사진의 상응하는 500배 배율 원소 맵이다.
도 9는 영상 중심 부분에 윤곽이 그려진 형상으로 구별된 SiC 매트릭스 재료 영역의 1000배 배율 후방산란 영상이며, EDX 분석에 따르면, 상기 윤곽 내의 재료는 38.83 중량%의 탄소, 5.60 중량%의 산소 및 55.57 중량%의 규소를 포함하여, 복합체의 SiC 매트릭스 재료에서의 벌크 흑연 상과 탄화규소 매트릭스 상의 상호침투를 반영하는 것으로 나타난다.
도 10은 베이스 흑연 재료 ("흑연"), 및 코어가 상기 베이스 흑연 재료로 형성된 본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체 ("수퍼SiC-GS")의 내식성 그래프이며, SiC 그릿 블라스팅 공기 압력 (psi)의 함수로서의 중량 손실 (그램)이 플로팅되어 있다.
본 개시내용은 탄화규소/흑연 복합체, 그리고 그를 포함하는 물품 및 조립체, 예컨대 LED, 태양 전지 및 광전지 패널, 평판-패널 디스플레이, 및 반도체 및 마이크로전자공학 제품의 제조에 이용될 수 있는 것들에 관한 것이다.
일 측면에서, 본 개시내용은 (i) 내부 벌크 흑연 재료 및 (ii) 외부 탄화규소 매트릭스 재료를 포함하는 탄화규소-흑연 복합체로서, 내부 벌크 흑연 재료와 외부 탄화규소 매트릭스 재료가 그들 사이의 계면 영역에서 서로 상호침투되어 있고, 외부 탄화규소 매트릭스 재료 중에 개재물로서 흑연이 존재하는 것인 탄화규소-흑연 복합체에 관한 것이다.
본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체는 흑연과 섞인 탄화규소 표면 층 및 아래의 흑연 코어를 갖는 다양한 형상, 형태 및 입체형태로 제공될 수 있다. 그와 같은 복합체 재료는 산화에 대하여 내성을 가지며, 열적으로 충격을 받을 때의 층간박리에 대하여 내성을 가져서, 고온으로부터 갑자기 냉각될 때 균열 또는 파손되는 탄화규소와 대조적이다.
상기 복합체는 이하에서 더 완전하게 기술되는 바와 같이 흑연의 외부 층을 부분적으로 탄화규소로 전환시키는 화학적 증기 전환(chemical vapor conversion)에 의해 형성될 수 있다. 흑연의 이와 같은 부분적 전환은 응력 하에 층간박리될 수 있는 별개의 탄화규소 층의 형성을 방지한다. 그와 같은 "쉘 전환(shell conversion)"은 별도의 어느 한 쪽 재료에 대비한 장점, 및 지금까지 알려져 있는 탄화규소 코팅 생성물들에 대비한 장점을 가지며 단일 성분 물품에서 탄화규소 및 흑연의 가장 바람직한 속성을 달성한다.
이와 같은 쉘 전환은 또한 탄화규소-흑연 복합체의 그와 같은 흑연 및 세라믹 재료에 비해 더 높은 성능 및 감소된 비용 특성의 결과로, 흑연, 그리고 이온 주입 장비의 빔라인 구조물 등의 적용분야에서 사용될 수 있는 다른 세라믹 재료에 비해 낮은 소유 비용을 달성한다.
이온 주입 도구에서의 용도에 더하여, 상기 탄화규소-흑연 복합체는 다양한 적용분야, 예컨대 짧은 시간 기간 (몇 분 수준) 동안의 매우 높은 온도에서의 산화에 대한 고도의 내성을 필요로 하는 항공우주 적용분야에서 유용성을 갖는다.
더 구체적으로, 본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체는 매우 다양한 특별한 적용분야에서의 그의 사용을 가능케 하는 수많은 바람직한 속성 및 성능 특성들을 갖는다. 그와 같은 복합체는 고체 실리케이트 탄화물에 비해 증가된 열 충격 내성을 갖는다. 예를 들어, 200℃ ΔT 내지 400℃ ΔT 범위의 열 충격 수준 (℃로 나타낸 온도의 변화 ΔT)에서, 본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체의 굴곡 강도는 75.8 내지 124.1 kPa (11,000-18,000 psi) 범위인 것으로 입증되었다. 본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체는 탄화규소의 것과 유사한 초기 플라즈마 내식성 및 물리적 마모 내성을 갖는다. 상기 탄화규소-흑연 복합체는 전환된 그대로의 인공물에 대해 엄격한 허용오차를 유지할 수 있다. 그것은 화학적 증기 피착에 의해 형성되는 탄화규소-코팅 흑연에 비해 더 높은 전기 전도성을 갖는다. 탄화규소-흑연 복합체의 탄화규소 쉘은 통상적인 흑연상 화학적 증기 피착 코팅에 비해 더 두껍다. 복합체는 전환-후 기계가공의 생략으로 낮은-비용을 달성한다. 탄화규소 쉘의 열 팽창 계수 (CTE)는 규소 및 질화물 피착물과 유사하다. 탄화규소 쉘은 흑연 하부층에 비해 훨씬 더 경질이어서, 실질적으로 증가된 구성요소 수명을 달성한다.
본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체의 예시적인 재료 특성들을 하기 표 1에 제시하였다.
<표 1>
Figure pct00001
* 12.5의 표면적/부피 비 기준
** 0.25"×0.5"×4" MOR bar 기준 4 pt
본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체는 그와 같은 복합체를 포함하는 매우 다양한 상응하는 재료, 물품 및/또는 조립체에서 이용될 수 있다. 예를 들어, 탄화규소-흑연 복합체는 태양 전지 또는 다른 광학, 광전자, 광자, 반도체 및 마이크로전자공학 제품을 제조하는 데 사용하기 위한 주입 하드 마스크에서 이용될 수 있다. 탄화규소-흑연 복합체는 또한 이온 주입 시스템에서 이온 주입 장치 재료, 조립체 또는 구성요소로 이용될 수 있다. 그와 같은 이용의 예에는 빔 라인 조립체, 빔 조향 렌즈, 이온화 챔버 라이너, 빔 정지부 및 이온 소스 챔버가 포함된다.
한 가지 구체적인 적용분야에서, 본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체는 광 방출 다이오드 (LED) 성장에 이용되는 유형의 서셉터에 이용된다. 서셉터는 예를 들어 서셉터 물품의 두께를 통하여 연장되는 3:1 초과의 길이:폭 종횡비의 연장 관통 구멍을 가질 수 있다. 서셉터 물품은 본 개시내용에 따라 처리되어 서셉터 물품 외부 표면 영역상뿐만 아니라 세셉터 물품 관통 구멍 내부 표면 영역 상에도 탄화규소 매트릭스 재료가 형성되어 있는 벌크 흑연 재료로 형성될 수 있다. 이에 따라, 생성되는 서셉터 생성물 물품은 내부 벌크 흑연 재료와 완전히 결합된 외부 오버레이 탄화규소 매트릭스 재료에 의해 보호된다. 결과적으로, 서셉터 물품은 주요 표면뿐만 아니라 서셉터 물품 관통 구멍 내 표면 모두에서 LED 성장 공정에서 이용되는 공정 화학물질에 의한 침식을 견디게 된다.
이에 따라, 본 개시내용은 (i) 내부 벌크 흑연 재료 및 (ii) 외부 탄화규소 매트릭스 재료를 포함하는 탄화규소-흑연 복합체로서, 내부 벌크 흑연 재료와 외부 탄화규소 매트릭스 재료가 그들 사이의 계면 영역에서 서로 상호-침투되어 있고, 외부 탄화규소 매트릭스 재료 중에 개재물로서 흑연이 존재하는 것인 탄화규소-흑연 복합체를 고려한다.
(i) 내부 벌크 흑연 재료 및 (ii) 외부 탄화규소 매트릭스 재료 각각이 각각의 두께를 가지며, 내부 벌크 흑연 재료의 두께가 외부 탄화규소 매트릭스 재료의 두께보다 더 큰 탄화규소-흑연 복합체가 구성될 수 있다. 예를 들어, 다양한 실시양태에서, 외부 탄화규소 매트릭스 재료의 두께에 대한 내부 벌크 흑연 재료 두께의 비는 5 내지 10,000, 또는 10 내지 1000의 범위, 또는 복합체의 최종 사용 적용분야에 적절한 다른 적합한 범위일 수 있다.
상기한 탄화규소-흑연 복합체는 150 내지 1000 ㎛ 범위의 두께를 갖는 외부 탄화규소 매트릭스 재료로 구성될 수 있다. 다양한 실시양태에서, 탄화규소-흑연 복합체에서의 흑연의 입자 크기는 5 내지 20 ㎛의 범위, 또는 10 내지 15 ㎛의 범위, 또는 복합체의 최종 사용 적용분야에 적절한 다른 적합한 범위일 수 있다.
다양한 실시양태에서, 탄화규소-흑연 복합체의 밀도는 조성물 1 cc 당 1.6 내지 2.4 g의 범위, 또는 조성물 1 cc 당 2.0 내지 2.25 g의 범위, 또는 다른 적합한 범위일 수 있다.
다양한 실시양태에서, 본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체는 4 내지 6.5 × 10-6/℃ 범위의 복합체 열 팽창 계수 (CTE)를 가질 수 있다.
다양한 실시양태에서, 본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체는 복합체 생성 반응을 초래하는 흑연과 일산화규소의 접촉에 의해 형성될 수 있으며, 0.5 내지 3.2%/cm-1 범위의 특성화 파라미터 Cp를 가질 수 있고, 여기서 Cp는 관계 Cp = Wg/[S/V]로 정의되고, 여기서 Wg는 일산화규소와의 접촉에 적용되어 복합체 생성 반응을 초래하는 흑연 재료의 중량 이득 퍼센트 (%)이고; S/V는 생성물 복합체의 표면적-대-부피 비이고, 여기서 S는 제곱 센티미터로 나타낸 복합체의 표면적이고, V는 세제곱 센티미터로 나타낸 복합체의 부피이다.
다양한 실시양태에서, 상기 복합체 특성화 파라미터 Cp는 예를 들어 0.5 내지 2%/cm-1의 범위일 수 있으며, 다른 실시양태에서, 복합체 특성화 파라미터 Cp는 0.55 내지 1.8%/cm-1의 범위일 수 있다.
다른 구현예에서의 본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체 상에는 어떠한 탄화규소 캡핑 층도 없을 수 있다. 또 다른 구현예에서의 탄화규소-흑연 복합체는 유리질 탄소-비함유 복합체일 수 있다. 또 다른 구현예에서, 본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체는 내부 벌크 흑연 재료의 공극에서의 흑연 분체 입자의 전환 결합을 포함하는 것으로 형성될 수 있다.
본 개시내용에 따른 탄화규소 복합체는 유리 규소를 함유하지 않도록 형성될 수 있다. 본 개시내용의 복합체는 질소를 사용하여, 예를 들어 복합체의 총 중량을 기준으로 0.1 내지 1.2 중량%, 또는 복합체의 총 중량을 기준으로 0.2 내지 0.9 중량%, 또는 복합체의 총 중량을 기준으로 0.3 내지 0.7 중량%의 질소 함량으로, 또는 다른 복합체 재료 중 질소 도핑 농도로 도핑될 수 있다.
이에 따라, 본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체는 (i) 내부 벌크 흑연 재료 및 (ii) 외부 탄화규소 매트릭스 재료를 포함할 수 있으며, 여기서 내부 벌크 흑연 재료와 외부 탄화규소 매트릭스 재료는 그들 사이의 계면 영역에서 서로 상호-침투되어 있고, 외부 탄화규소 매트릭스 재료 중에 개재물로서 흑연이 존재하며;
여기서 탄화규소-흑연 복합체는,
(i) 외부 탄화규소 매트릭스 재료의 두께에 대한 내부 벌크 흑연 재료 두께의 비가 5 내지 10,000의 범위임;
(ii) 외부 탄화규소 매트릭스 재료가 150 내지 1000 ㎛ 범위의 두께를 가짐;
(iii) 탄화규소-흑연 복합체 내 흑연의 입자 크기가 5 내지 20 ㎛의 범위임;
(iv) 탄화규소-흑연 복합체의 밀도가 복합체 1 cc 당 1.6 내지 2.4 g의 범위임;
(v) 복합체의 열 팽창 계수 (CTE)가 4 내지 6.5 × 10-6/℃의 범위임;
(vi) 복합체의 특성화 파라미터 Cp가 0.5 내지 3.2%/cm-1의 범위이고, 여기서 Cp는 관계 Cp = Wg/[S/V]로 정의되고, 여기서 Wg는 일산화규소와의 접촉에 적용되어 복합체 생성 반응을 초래하는 흑연 재료의 중량 이득 퍼센트 (%)이고; S/V는 생성물 복합체의 표면적-대-부피 비이고, 여기서 S는 제곱 센티미터로 나타낸 복합체의 표면적이고, V는 세제곱 센티미터로 나타낸 복합체의 부피임;
(vii) 복합체 상에 어떠한 탄화규소 캡핑 층도 없음;
(viii) 복합체가 유리질 탄소-비함유 복합체임;
(ix) 복합체의 형성이, 내부 벌크 흑연 재료의 공극에서의 흑연 분체 입자의 전환 결합을 포함함;
(x) 복합체가 유리 규소를 함유하지 않음; 및
(xi) 복합체가 질소로 도핑됨
으로 이루어진 군으로부터 선택되는 임의의 둘 이상의 특징들을 특징으로 한다.
본 개시내용의 다른 측면은 상기한 본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체를 포함하는 재료, 물품 또는 조립체에 관한 것이다. 예로는 광학, 광전자, 광자, 반도체 또는 마이크로전자공학 제품의 제조를 위한 제조 설비의 이온 주입 장치에서 사용하기 위한 주입 하드 마스크가 포함된다. 예를 들어, 제조 설비의 주입 장치는 태양 전지 제조용으로 구성될 수 있다. 다양한 실시양태에서, 예를 들어 이온 주입 장치 재료, 조립체 또는 구성요소가 이온 주입 장치의 빔 라인 조립체, 빔 조향 렌즈, 이온화 챔버 라이너, 빔 정지부 및 이온 소스 챔버 중 적어도 하나에 포함되는 경우, 상기 재료, 물품 또는 조립체는 이온 주입 장치 재료, 조립체 또는 구성요소를 포함할 수 있다. 또 다른 예로서, 상기 재료, 물품 또는 조립체는 LED 성장 장치용 서셉터를 포함할 수 있으며, 이 경우 복합체의 탄화규소 매트릭스 재료는 서셉터 표면의 적어도 일부분에 존재하며, 예를 들어 서셉터가 관통 구멍(들)을 포함하며 복합체의 탄화규소 매트릭스 재료가 상기 구멍(들)의 내부 표면에 존재한다.
본 개시내용의 또 다른 측면은, 흑연 물품의 외부 부분을, 흑연이 개재물로서 존재하는 탄화규소 매트릭스 재료로 전환시키는 데 효과적인 화학 반응 조건 하에 흑연 물품을 일산화규소 (SiO) 기체와 접촉시키는 것을 포함하며, 탄화규소 매트릭스 재료와 내부 벌크 흑연 재료가 그들 사이의 계면 영역에서 서로 상호침투되는 것인, 상기한 탄화규소-흑연 복합체의 제조 방법에 관한 것이다.
본 개시내용의 광범위한 실행에서의 반응 조건은 원하는 구체적인 특징의 탄화규소-흑연 복합체를 제공하도록 다양할 수 있다. 다양한 실시양태에서, 흑연 물품의 일산화규소 (SiO) 기체와의 반응은 1400 내지 2000℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있다. 다른 실시양태에서, 화학 반응은 1600 내지 1900℃ 범위의 온도에서 수행될 수 있으며, 또 다른 실시양태에서는, 1750 내지 1850℃ 범위의 온도, 예컨대 1800℃에서 반응이 수행될 수 있다. 특정 실시양태에서, 일산화규소 (SiO) 기체는 SiO 농도가 기체 혼합물의 총 부피를 기준으로 5 내지 50 부피%의 범위이며 기체 혼합물 중 나머지는 CO 및 불활성 기체, 예컨대 질소, 헬륨, 아르곤 등인 기체 혼합물 중에서 흑연 물품과 접촉될 수 있다. 일산화규소를 함유하는 다른 기체 혼합물이 접촉에 사용되어 반응이 수행되고 탄화규소-흑연 복합체가 생성될 수 있다.
이렇게 하여, 본 개시내용의 방법은 흑연 출발 재료 또는 물품의 외부 표면 부분을 기체 상 일산화규소 (SiO)와의 화학 반응에 의해 SiC 매트릭스 재료로 전환시킨다. 따라서, 흑연 출발 재료 또는 물품은 예를 들어 그러한 출발 재료 또는 물품을 기계가공하는 것에 의해, 아니면 미가공 벌크 재료 또는 물품으로부터 기계적, 화학적 및/또는 광자적으로 (예컨대 레이저 작용에 의함) 재료를 제거하는 것에 의해, 미리 결정되거나 달리 원하는 형상 또는 형태로 제공될 수 있다.
이후, SiC 매트릭스 재료를 형성하는 화학 반응이, 흑연 출발 재료 또는 물품과 본질적으로 동일한 치수 특징을 갖는 전체 반응 생성물을 초래한다. 또한, 반응 생성물 재료 또는 물품의 (단편) 밀도는 SiC와 흑연 사이의 작은 밀도 차이에 기인하는 작은 밀도 차이를 제외하고는, 흑연 출발 재료 또는 물품의 것과 유사하게 된다.
본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체는 실질적인 기술의 진보를 달성하였다. 예를 들어, 흑연 자체의 빔 라인 사용을 참조하면, 흑연은 고온 적용분야에서 사용될 수 있으나, 순수 벌크 흑연의 사용으로 인한 문제점은 시간이 지나면서 이온 빔이 흑연을 침식시켜 미립자를 발생시킨다는 것이며, 이는 반도체 및 다른 제품의 제조에서 실질적인 문제가 되며, 그와 같은 제품을 그의 예정 목적에 대하여 효율적이거나 심지어는 사용불가능하게 할 수 있다. SiC는 주입기 이온 빔에의 노출시 침식에 대하여 내성을 갖지만, 그 자체 또는 흑연상 코팅으로는 빔라인에서 단독으로 그것을 사용할 수 없는데, SiC의 빠른 가열이 열 충격 및 SiC의 균열을 야기하여 입자를 발생시키기 때문이다. 따라서, 본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체의 사용은 흑연 또는 SiC 단독 중 어느 하나에 의해서는 실현될 수 없는 유용성을 달성한다.
본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체는 놀랍고도 예상 밖으로 이온 주입기의 빔라인에서 이온 빔에 노출될 경우, 침식 및 입자 형성에 대하여 내성을 갖는다. 본 개시내용의 복합체의 메카니즘에 대하여 어떠한 이론 또는 가설에 얽매이는 것을 원하지는 않지만, 개시되는 탄화규소-흑연 복합체에서의 열 전도성 흑연과 침식-내성 SiC의 조합은, 복합체 내 SiC 매트릭스가 균열되는 것을 방지하는 데 도움을 주는 흑연의 우수한 열 전도도와 낮은 미립화를 나타내는 SiC에 기인할 수 있다.
본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체의 추가적인 놀랍고도 예상 밖인 장점은 그것이 이온 주입 적용분야를 위한 이온 빔 구성요소의 제작에 사용될 수 있다는 것인데, 그와 같은 구성요소는 인 및 비소 등의 주입 도펀트(dopant) 이온을 함유하는 상부 층을 제거하는 그릿 또는 비드 블라스팅(blasting)을 사용하여 보수될 수 있고, 이때 복합체 내 SiC 매트릭스 재료의 SiC 성분이 복합체가 블라스팅 과정에 의한 과도한 재료 제거를 견디는 것을 돕는 작용을 한다.
따라서, 본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체는 이온 주입기 장치의 빔라인 구성요소를 형성시키는 데 사용될 수 있으며, 여기서 복합체는 이온 주입기 장치의 가동시 부품으로부터 발생되는 입자의 수는 감소시키는 한편, 탄화규소보다는 흑연에 더 가까운 열 충격 특성을 제공하면서도 여전히 전기 전도성으로 유지됨으로써 이온 빔의 전자기 조향을 가능케 한다. 따라서, 복합체는 이온 주입기 장치의 빔라인에서 흑연/탄소 미립화의 감소를 가능케 한다. 또한, 복합체 내 SiC 매트릭스 재료는 매우 강력한 표면을 제공하여, 빔라인 구성요소가 기계식 그릿 블라스팅에 의해 세척되고 표준 유리질 탄소 침윤 빔라인 구성요소에 비해 더 긴 시간 기간 동안 재-사용되는 것을 가능케 한다.
본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체는 또한 하드 마스크 재료로 사용될 경우, 흑연으로만 형성되는 하드 마스크의 사용에 비해 태양광 주입 도구에서 더 긴 수명이 실현되는 것을 가능케 한다.
따라서, 본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체는 본질적으로 탄화규소-코팅된 흑연 구조물과 구별된다. 본 개시내용의 복합체는 흑연이, 미반응 흑연 개재물을 함유하는 탄화규소로 전환되어 있는 SiC 매트릭스 재료 아래에, 미전환 흑연 부분을 포함한다. 그와 같은 본 개시내용의 복합체에서, 미전환 기저 흑연 부분은 통상적으로 SiC 매트릭스 층의 두께보다 더 큰 두께를 갖게 되며, 특정 실시양태에서, SiC 매트릭스 부분의 두께에 대한 미전환 흑연 부분 (벌크 흑연 기재) 두께의 비는 5 내지 10,000 또는 그 이상의 비일 수 있으며, 다른 실시양태에서는 10 내지 1000, 15 내지 500, 20 내지 300의 비, 또는 다른 적합한 두께 비 값일 수 있다.
절대적인 두께 값에 있어서, 본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체는 특정 실시양태에서 150 내지 1000 ㎛ 두께의 SiC 매트릭스 재료를 포함할 수 있다. 본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체의 SiC 매트릭스 재료는, 코팅된 재료임을 나타내는 명확한 전이 경계가 없는 탄화규소와 흑연 (탄소)의 조성물형 매트릭스라는 점에서, 상기 탄화규소 매트릭스 재료는 탄화규소-코팅된 흑연과 구별된다. 따라서, 상기 탄화규소-흑연 복합체는 열적 또는 기계적 응력 하에 층간박리되지 않는다.
또한, SiC 매트릭스 재료는 벌크 흑연 내부 재료에 오버레이된 장벽 재료를 제공하여, 생성물 물품의 투과도를 감소시킨다. 그와 같이 감소된 투과도는 산소 또는 다른 반응성 기체의 복합체 생성물 물품과의 반응 속도를 감소시킴으로써, 그것이 산화성이거나 화학적으로 침식성인 환경에서 증가된 사용 수명을 보유하는 것을 가능케 하게 된다. 또한, 본 개시내용의 복합체 생성물 물품은 상응하는 흑연 (단독) 물품에 비해 물리적 침식에 대하여 더 큰 내성을 갖는다.
탄화규소-흑연 복합체에서의 흑연의 입자 크기는 5 내지 20 ㎛, 10 내지 15 ㎛의 범위, 또는 다른 적합한 입자 크기 값의 범위일 수 있다. 본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체의 밀도는 특정 실시양태에서 복합체 1 cc 당 1.70 내지 1.9 g의 범위일 수 있으며, 다른 실시양태에서는 밀도가 복합체 1 cc 당 1.5 내지 2.1 g의 범위, 또는 복합체 1 cc 당 1.6 내지 2.4 g의 범위, 또는 복합체 1 cc 당 1.8 내지 2.3 g의 범위, 또는 복합체 1 cc 당 2.0 내지 2.25 g의 범위, 또는 특히 본 개시내용의 특정 구현예의 다른 범위 또는 범위들일 수 있다.
본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체는 상기에서 논의된 바와 같이 본질적으로 탄화규소-코팅된 흑연 구조물과 다르다. 탄화규소-코팅된 흑연 구조물에서는, 흑연 부분 (벌크 흑연 기재)이 SiC로 코팅되며, SiC 코팅이 흑연 부분의 상부 표면에서 세공을 충전하지만, 내부 벌크 흑연 재료와 외부 탄화규소 매트릭스 재료는 그들 사이의 계면 영역에서 서로 상호-침투되어 있으며 외부 탄화규소 매트릭스 재료 중에 개재물로서 흑연이 존재하는 본 개시내용의 복합체에서와 같은 SiC 매트릭스 조성 및 형태구조는 존재하지 않는다.
본 개시내용의 광범위한 실행에서, 임의의 적합한 공정 조건이 SiO 증기와 흑연 기재의 적절한 반응을 수행하는 데 사용될 수 있다. 다양한 실시양태에서, 반응은 1400℃-2000℃ 수준의 온도, 및 예를 들어 650 torr 내지 1.3 bar의 압력 등의 주위 압력 조건에 가까운 압력에서 수행될 수 있다. 다양한 구현예에서, 그러한 반응에서의 압력은 0.9 내지 1.2 bar의 범위일 수 있다. 다른 구현예에서, 압력은 관련 유동 회로를 포함한 피착 반응기 시스템에서의 압력 강하를 극복하는 압력을 제공하기에 충분하도록 주위 (분위기) 압력에 대하여 약간 양압일 수 있다. 온도는 특정 적용분야에 상응하게 다양할 수 있는데, 예를 들어 1400℃ 내지 1800℃, 1500℃ 내지 1750℃의 범위, 또는 본 개시내용의 탄화규소/흑연 복합체 재료를 제조하기 위한 특정 제조 공정에 유용할 수 있는 경우, 상기 언급된 1400℃-2000℃ 범위 밖의 다른 적합한 범위 또는 온도 값일 수 있다.
본 개시내용의 SiC/흑연 복합체 재료를 형성하기 위한 흑연과의 반응에 이용되는 일산화규소 증기는 SiO 증기를 발생시키는 어떠한 적합한 방식으로도 생성될 수 있다. 다양한 실시양태에서, SiO 증기는 원하는 SiO 증기를 발생시키는 온도로 탄소와 이산화규소의 고체 혼합물을 가열하는 것에 의해 발생된다. 상기 탄소는 미립자, 과립, 또는 다른 미분된 형태, 또는 다른 적합한 형태구조학적 상태일 수 있으며, 이산화규소 역시 미립자, 과립, 또는 다른 미분된 형태일 수 있다. 다양한 실시양태에서, 이산화규소는 때로는 파이로제닉(pyrogenic) 실리카로도 지칭되며, 본 개시내용의 SiC/흑연 복합체를 생성시키는 그 안의 흑연 재료와의 반응을 위하여 반응 챔버로 유동되는 SiO 증기를 생성시키는 퓸드 실리카의 형태일 수 있다.
본 개시내용의 복합체 재료를 생성시키는 일산화규소와 흑연의 반응은 다른 기체성 성분을 사용한 반응 챔버로의 SiO 증기의 도입에 의해 수행될 수 있다. 일부 실시양태에서는, SiO 증기를 순수한 형태로 반응 챔버에 유동시키는 것이 바람직할 수 있으며, 다른 실시양태에서는 일소 기체(sweep gas), 예를 들어 일산화탄소 및/또는 불활성 기체 예컨대 헬륨, 아르곤, 네온, 크립톤, 질소 등을 사용하여 일산화규소 증기를 도입하는 것이 유리할 수 있다. 다양한 공동-유동 기체 종들이 SiO 증기와 별도, 또는 그와의 혼합물 중 어느 하나로, 챔버로 가는 SiO 증기의 유동과 동시에 반응 챔버로 유동되는 공동-유동 배열이 이용될 수 있다.
반응 챔버로의 일산화탄소와 SiO 증기의 공동-유동은 반응 챔버에서의 유리 규소의 발생을 방지하는 데 있어서 장점을 제공하며, 반응 챔버에서의 일산화규소의 농도가 외부 매트릭스 재료 내 흑연 개재물을 동반하는 기재의 내부 벌크 흑연과 외부 탄화규소 매트릭스 사이 계면에서의 탄화규소/흑연 상호침투 조성의 형성을 수행하기에 적합하게 높은 농도 (분압)로 유지되는 것을 보장하는 작용을 한다. 반응에서 일산화탄소가 발생되기 때문에, 반응 챔버에 공급되는 공동-유동 기체로서의 일산화탄소의 도입은 SiO/흑연 반응의 동역학 및 평형 상태를 조절하는 데 유용할 수 있다.
일산화규소와 흑연의 반응을 위한 구체적인 온도, 압력, 유량 및 농도 조건은 본 개시내용의 광범위한 실행 내에서 실질적으로 다양할 수 있어서, 생성물 재료의 계면에서의 벌크 흑연과 탄화규소 매트릭스의 상호침투를 포함하며 외부 매트릭스 내 흑연 개재물이 동반된 SiC/흑연 복합체를 제공할 수 있다는 것은 알고 있을 것이다.
SiO 증기와 함께인 일소 기체로서의 불활성 기체의 반응 챔버로의 유동은 반응 챔버로부터의 반응 생성물 기체의 제거를 수행하는 데 유익할 수 있어서, 반응 속도가 상업용 제조 작업용으로 충분하게 높게 유지된다.
특정 적용분야에서는, 일산화탄소, 불활성 기체 및 SiO를 서로와의 혼합물로서 반응 챔버로 공동-유동시키는 것, 또는 대안적으로는 각 개별 유동 라인을 통하여 별도의 스트림으로 그와 같은 일산화탄소, 불활성 기체 및 일산화규소를 반응 챔버로 유동시키는 것, 또는 대안적으로는 불활성 기체 및 일산화탄소 중 하나와 SiO 증기의 혼합물을 그들의 혼합물로서 이용하고, 불활성 기체 및 일산화탄소 중 다른 1종을 반응 챔버에 별도로 도입하는 것이 유익할 수 있다. 구체적인 유동 체계가 재료의 구체적인 최종 용도에 적합화된 특성을 갖는 본 개시내용의 SiC/흑연 복합체를 달성하는 데 적절하도록 본 개시내용의 광범위한 실행 내에서 달라질 수 있다는 것은 알고 있을 것이다.
따라서, 본원 개시내용을 바탕으로 하는 반응 조건은 원하는 특징의 SiC/흑연 복합체를 제공하는 관련 기술분야 통상 기술자의 영역 내에서 다양할 수 있다. 이러한 점에서, 적절한 온도, 압력, 유량, 농도 및 기타 조건들의 가장 적절한 "공정 범위"는 구체적인 SiC/흑연 복합체의 특성화에 의해 경험적으로 결정하는 것이 유용할 수 있다.
이와 같은 점에서는, 온도 차이, 온도 조건의 빠른 이탈, 열적 순환, 또는 우수한 CTE 특징에 대한 필요성을 야기하는 다른 조건들에 따라 열 충격이 이어지는 적용분야에 대하여 강력한 재료를 제공하는, 복합체의 열 팽창 계수 (CTE) 등의 SiC/흑연 복합체 특징들을 제공하는 공정 조건을 사용하는 것이 유용할 수 있다. 예를 들어, 본 개시내용의 SiC/흑연 복합체 재료는 다양한 실시양태에서 4 내지 6.5 × 10-6/℃ 범위의 CTE 값을 가질 수 있다.
상기 언급된 CTE 특징을 갖는 본 개시내용의 SiC/흑연 복합체 재료는 이온 주입 장치 및 빔 라인 구조물 및 구성요소 등의 적용분야에서 유리하게 이용될 수 있다. 흑연 빔라인 구조물 및 구성요소가 사용되는 현행 시스템에서는, 빔라인 표면에서의 이온화된 플라즈마 입자의 빔 충돌이 상당한 열적 비균질성을 발생시키며, 온도 차이가 예컨대 장치의 흑연-기재 구조 요소에 균열, 파손, 및 기타 유해 거동을 유도할 수 있다. 본 개시내용의 SiC/흑연 복합체 재료의 탁월한 CTE 특징의 결과로서, 그러한 재료는 통상적인 SiC 코팅 흑연 재료가 겪는 열 충격의 부정적인 효과에 대하여 내성을 가지며, 그에 따라 그와 같은 통상적인 재료에 비해 실질적으로 감소된 고장 간 평균 시간 (MTBF)을 동반하여 긴 사용 시간을 달성한다.
상당한 온도 변화 및 열 충격 조건을 포함하는 다른 적용분야에는 광 방출 다이오드 (LED)뿐만 아니라 집적 회로, 및 기타 마이크로전자공학 및 광전자공학 제품들을 포함한 III-V 컴파운드 제품 등의 반도체 제품의 제작을 위한 기재로서 흑연-기재 서셉터가 사용되는 고-순도 반도체 제조 작업이 포함된다. 본 개시내용의 SiC/흑연 복합체는 또한 광전지 패널, 평판-패널 디스플레이 등의 제조에서의 마스크 적용분야 등의 적용분야에서도 유용성을 찾을 수 있다.
나타낸 바와 같이, 본 개시내용의 SiC/흑연 복합체 재료는 다른 물리적, 화학적 및/또는 성능 특성들을 이용하여 특성화될 수 있다. 예시적인 예로서, SiC/흑연 복합체는, S는 제곱 센티미터로 나타낸 복합체의 표면적이고 V는 세제곱 센티미터로 나타낸 복합체의 부피인 생성물 복합체의 표면적-대-부피 비 S/V와 함께, SiC/흑연 복합체 재료를 생성시키는 반응을 수행하기 위한 일산화규소와의 접촉에 적용되는 흑연 재료의 중량 이득 퍼센트 (%) Wg에 의해 특성화될 수 있다. 이에 따라, 하기와 같이 %/cm-1의 단위를 갖는 Cp 값을 산출하는 특성화 파라미터 Cp가 정의될 수 있다:
Cp = Wg/[S/V]
일반적으로, 지금까지 논의된 바람직한 CTE 특징들을 갖는 본 개시내용의 SiC/흑연 복합체의 Cp 값은 0.5 내지 3.2%/cm-1 범위, 더욱 바람직하게는 0.5 내지 2%/cm-1 범위, 가장 바람직하게는 0.55 내지 1.8%/cm-1 범위의 Cp 값을 포함한다.
본 개시내용의 SiC/흑연 복합체는 그것을 탄화규소 코팅이 흑연 기재 물품 상에 캡핑 층으로 피착되어 있는 선행 기술의 코팅된 흑연 물품에 비해 탁월하게 하는 추가적인 특징들을 갖는다. 그와 같은 경우에서는, 탄화규소 코팅과 내부 벌크 흑연 체적 사이의 CTE 차이의 결과로, 코팅이 탄화규소 코팅의 박편화, 파손 및 층간박리에 고도로 취약해져, 탄화규소-코팅된 흑연 물품이 이용되는 사용 환경의 오염을 초래하고, 코팅된 흑연 물품의 점진적인 약화 및 궁극적인 고장으로 이어진다.
반면, 본 개시내용의 SiC/흑연 복합체는, 그의 외부 탄화규소 매트릭스가 계면에서 내부 벌크 흑연과 상호침투되고, 외부 매트릭스 내에 흑연 개재물이 동반된 결과, 그와 같은 캡핑 층에 대한 필요성을 없애고, 그와 같은 박편화, 파손 및 층간박리에 대하여 고도로 내성을 갖는 구조 재료를 제공하며, 그에 따라 그와 같은 박편화, 파손 및 층간박리의 결과로 선행 기술의 탄화규소-코팅된 흑연 물품이 부적당하거나 심지어는 쓸모없는 적용분야에서 매우 유용한 재료를 제공한다. 이에 따라, 본 개시내용의 SiC/흑연 복합체는 유리하게도 그 위의 캡핑 층 없이 형성된다.
또 다른 측면에서, 본 개시내용의 SiC/흑연 복합체는 다공성 흑연 재료의 공극에서의 흑연 분체 입자의 제자리 전환 결합을 달성하도록, 다공성 흑연 재료로 형성될 수 있다. 본 개시내용의 SiC/흑연 복합체를 형성시키는 데 이용되는 흑연 재료는, 흑연에 원하는 형상, 크기 및 특징 확인을 부여하기 위해 기계가공되거나 또는 다른 형성 작업에 적용될 수 있으며, 그 이후 흑연이 SiO 증기와 반응되어, SiC/흑연 복합체를 형성한다.
그와 같은 기계가공 및 형성 작업은, 형성되는 흑연 물품의 표면 상에 및 공극 내에 존재하는 흑연 분체로서의 극히 미세한 흑연 입자를 언제나 발생시킨다. 형성되는 흑연 물품을, 형성되는 흑연 물품으로부터 흑연 분체 입자를 제거하기 위한 세척, 진공 추출 및 진동 모드의 가공에 적용할 수 있지만, 그와 같은 제거 작업은 형성되는 흑연 물품으로부터의 흑연 분체의 완전한 제거를 초래하지는 못해서, 물품의 공극에는 상당한 흑연 분체 입자가 언제나 존재한다.
본원에서 다양하게 논의되는 공정 조건들을 이용하여 SiO 증기를 흑연 물품과 반응시키는 데 이용되는 본 개시내용의 방법은 그와 같은 흑연 분체 입자들 사이 틈새에 존재하는 SiO에 의한 흑연 입자의 전환을 초래하여, 그에 따라 흑연 입자가 탄화규소로 전환되고, 생성되는 탄화규소가 흑연 입자들 사이의 틈새 간극을 가로질러 성장하여, SiC의 벌크 체적 흑연 재료와의 고도로 효율적인 상호침투를 초래한다.
이와 같은 접근법은, 형성된 흑연 물품을 수지 함침에 적용한 후 이어서 유리질 탄소 (때로는 유리성 탄소로 지칭됨)를 형성시키는 조건에서 열분해시키는 것에 의해 공극에 유리질 탄소를 형성시키기 위하여 공극을 유기 수지 공급원 재료로 함침시키는 것 등의 대안적인 접근법에 비해, 공극의 흑연 분체 입자를 유익하게 제거 및 통합시키는 데 있어서 탁월하다. 그와 같은 유리질 탄소의 형성은, 기계가공되거나 달리 형성된 흑연 물품의 공극에서의 흑연 분체 입자의 동화(assimilation)를 초래하지는 않지만, 생성되는 생성물 물품의 결과적인 성능 특성이 상기한 바와 같이 SiO 증기와 접촉하는 것에 의한 흑연 입자의 전환 결합에 의해 달성되는 것에 비해 열등하다. 따라서, 본 개시내용의 SiC/흑연 복합체는 유리질 탄소-비함유 재료로서 유리하게 형성된다.
본 개시내용의 탄화규소/흑연 복합체 재료는 유리하게는 생성물 탄화 실리케이트/흑연 복합체 재료의 x-선 회절 검정에 의해 측정하였을 때 유리 규소를 함유하지 않는 복합체 재료로 형성된다. 그와 같은 목적으로, SiO 증기의 흑연 기재 재료와의 반응은 일산화탄소 또는 다른 기체 혼합물 성분(들), 또는 반응 부산물로서의 원소 규소의 형성을 억제하는 작용을 하는 조성물의 존재 하에 수행될 수 있다.
상기에서 표시한 바와 같이, 본 개시내용의 SiC/흑연 복합체 재료를 형성시키기 위한 흑연과의 반응물로서 사용되는 SiO 증기는 불활성 기체와 함께 반응 챔버로 공동-유동될 수 있다. 이와 관련하여, 그와 같은 목적의 불활성 기체로서의 질소의 사용은 그와 같은 공동-유동으로부터의 질소가 도펀트 농도 수준에서 SiC/흑연 복합체 재료에 도입되게 되며, 그와 같은 도펀트 질소 함량이 저항률 등의 전기적 특성, 경도 및 충격 내성을 포함한 마찰학적 특성, 및 열적 특성을 포함한 복합체 재료의 성능 특성들을 향상시키는 데 유익하게 사용될 수 있다는 점에서, 본원에 초기에 기술된 "일소" 또는 반응기-청소 기능에 비해 추가적인 이점을 갖는다. 그와 같은 목적을 위하여, 질소 불활성 기체는 SiO 및 질소 기체를 포함하는 기체 혼합물의 총 부피를 기준으로 5 부피% 내지 50 부피% 범위의 농도 수준으로 SiO 증기와의 혼합물에 사용될 수 있다. 이에 따라, SiC/흑연 복합체 재료에서의 질소의 도핑 농도 수준은 SiO/N2 기체 혼합물 중의 질소 성분의 적절한 농도 및 분압의 선택에 의해 임의의 원하는 수준이 될 수 있으며, 다양한 실시양태에서, 질소 함량은 SiC/흑연 재료의 총 중량을 기준으로 약 0.1 내지 1.2 중량% 수준일 수 있다. 다른 실시양태에서, 질소 함량은 0.2 중량% 내지 0.9 중량%의 수준일 수 있으며, 또 다른 실시양태에서는 질소 함량이 동일한 SiC/흑연 총 중량을 기준으로 0.3% 내지 0.7%의 수준일 수 있다. 특정 실시양태에서, 본 개시내용의 방법에 의해 제조되는 SiC의 질소 함량은 2.34 × 1020 원자 / SiC/흑연 복합체 재료 cc로 측정되었다.
본 개시내용의 SiC/흑연 복합체 재료를 형성시키기 위한 SiO 증기의 흑연과의 반응이 본원에서 다양하게 기술되는 공정 조건들의 다양한 조합을 포함한 다양한 조건 하에 수행될 수 있으며, 본 개시내용의 SiC/흑연 재료의 제조를 위한 구체적인 작업 조건을 확인하기 위하여 재료 특성화 및 평가가 사용된다는 것은 전기로부터 알고 있을 것이다.
이에 따라, 본 개시내용은, 흑연 물품의 외부 부분을, 흑연이 개재물로서 존재하는 탄화규소 매트릭스 재료로 전환시키는 데 효과적인 화학 반응 조건 하에 흑연 물품을 일산화규소 (SiO) 기체와 접촉시키는 것을 포함하며, 탄화규소 매트릭스 재료와 내부 벌크 흑연 재료가 그들 사이의 계면 영역에서 서로 상호침투되는 것인, 탄화규소-흑연 복합체의 제조 방법을 고려한다.
그와 같은 방법에서, 흑연 물품은 미리 결정된 형상 또는 형태로 접촉에 제공될 수 있다. 그와 같은 미리 결정된 형상 또는 형태는, 출발 흑연 물품에 미리 결정된 형상 또는 형태를 부여하기 위해 출발 흑연 물품을 기계가공함으로써, 예를 들어 출발 흑연 물품의 레이저처리에 의해 재료를 광자적으로 제거함으로써 제공될 수 있다.
논의된 바와 같이, 접촉 화학 반응 조건은 예를 들어 하기와 같은 적합한 임의의 범위의 온도를 포함할 수 있다: 1400 내지 2000℃ 범위의 온도; 1600 내지 1900℃ 범위의 온도; 1750 내지 1850℃ 범위의 온도; 1400 내지 1800℃ 범위의 온도; 1500 내지 1750℃ 범위의 온도; 또는 또 다른 범위의 온도.
상기에서 광범위하게 기술되는 방법에서, 접촉은, 기체 혼합물의 총 부피를 기준으로 5 내지 50 부피% 농도의, 기체 혼합물 중의 일산화규소를 사용하여 수행될 수 있다. 다양한 실시양태에서, 상기 기체 혼합물은 CO, 및/또는 불활성 기체, 예컨대 질소를 포함할 수 있다.
접촉 화학 반응 조건은 650 torr 내지 1.3 bar 범위의 압력, 또는 0.9 내지 1.2 bar 범위의 압력, 또는 화학 반응을 수행하는 데 이용되는 피착 반응기 시스템 및 관련 유동 회로에서의 압력 강하를 극복하기 위해 주위 압력에 대하여 충분히 양압인 압력, 또는 기타 압력 조건들 등의 임의의 적합한 압력을 포함할 수 있다.
상기에서 광범위하게 기술되는 방법에서, SiO 기체는, 예를 들어 탄소가 미립자, 과립, 또는 다른 미분된 형태로 존재하고/거나, 이산화규소가 미립자, 과립, 또는 다른 미분된 형태로 존재하는 탄소와 이산화규소의 고체 혼합물을 가열하는 것에 의해 생성될 수 있다. 특정 실시양태에서, 이산화규소는 퓸드 실리카를 포함할 수 있다.
본 개시내용의 광범위하게 기술되는 방법에서, 화학 반응은 반응 챔버에서 수행될 수 있으며, 반응 챔버로 SiO 증기가 유동된다. 다양한 실시양태에서는, 일소 기체 역시 반응 챔버로 유동될 수 있다. 다른 다양한 실시양태에서는, 일산화탄소 및/또는 불활성 기체 (예컨대 헬륨, 아르곤, 네온, 크립톤, 질소 등) 역시 반응 챔버로 유동될 수 있다.
본 개시내용은 또한, 흑연 물품의 외부 부분을, 흑연이 개재물로서 존재하는 탄화규소 매트릭스 재료로 전환시키는 데 효과적인 화학 반응 조건 하에 흑연 물품을 일산화규소 (SiO) 기체와 접촉시키는 것을 포함하며, 탄화규소 매트릭스 재료와 내부 벌크 흑연 재료가 그들 사이의 계면 영역에서 서로 상호침투되는 것인, 탄화규소-흑연 복합체의 제조 방법으로서, 여기서 화학 반응 조건은 탄화규소-흑연 복합체를 수득하는 데 효과적인 것이고, 여기서 복합체는,
(i) 외부 탄화규소 매트릭스 재료의 두께에 대한 내부 벌크 흑연 재료 두께의 비가 5 내지 10,000의 범위임;
(ii) 외부 탄화규소 매트릭스 재료가 150 내지 1000 ㎛ 범위의 두께를 가짐;
(iii) 탄화규소-흑연 복합체 내 흑연의 입자 크기가 5 내지 20 ㎛의 범위임;
(iv) 탄화규소-흑연 복합체의 밀도가 복합체 1 cc 당 1.6 내지 2.4 g의 범위임;
(v) 복합체의 열 팽창 계수 (CTE)가 4 내지 6.5 × 10-6/℃의 범위임;
(vi) 복합체의 특성화 파라미터 Cp가 0.5 내지 3.2%/cm-1의 범위이고, 여기서 Cp는 관계 Cp = Wg/[S/V]로 정의되고, 여기서 Wg는 일산화규소와의 접촉에 적용되어 복합체 생성 반응을 초래하는 흑연 재료의 중량 이득 퍼센트 (%)이고; S/V는 생성물 복합체의 표면적-대-부피 비이고, 여기서 S는 제곱 센티미터로 나타낸 복합체의 표면적이고, V는 세제곱 센티미터로 나타낸 복합체의 부피임;
(vii) 복합체 상에 어떠한 탄화규소 캡핑 층도 없음;
(viii) 복합체가 유리질 탄소-비함유 복합체임;
(ix) 복합체의 형성이, 내부 벌크 흑연 재료의 공극에서의 흑연 분체 입자의 전환 결합을 포함함;
(x) 복합체가 유리 규소를 함유하지 않음; 및
(xi) 복합체가 질소로 도핑됨
으로 이루어진 군으로부터 선택되는 임의의 둘 이상의 특징들을 특징으로 하는 것인, 탄화규소-흑연 복합체의 제조 방법을 고려한다.
특징 (i)-(xi) 중 둘 이상의 그러한 조합 및 순열을 포함하는 방법에서, 흑연 물품은, 복합체의 탄화규소 매트릭스 재료가 구조 물품 표면의 적어도 일부분을 제공하는, 이온 주입 시스템의 구조 물품으로서 사용되도록 구성될 수 있다. 이온 주입 시스템의 구조 물품은 이온 주입 시스템의 빔 라인 조립체, 빔 조향 렌즈, 이온화 챔버 라이너, 빔 정지부 및 이온 소스 챔버 중 하나에 포함되도록 구성될 수 있다. 대안적으로, 흑연 물품은, 복합체의 탄화규소 매트릭스 재료가 서셉터 표면의 적어도 일부분을 제공하는, LED 성장 장치용 서셉터로서 사용되도록 구성될 수 있다.
이제 도면을 참조하자면, 도 1은 본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체의 SiC 매트릭스 재료 및 계면 영역의 미세구조를 보여주는 200배 배율의 전자 현미경사진 (금속조직사진)이다. 현미경 사진은, 반응-전환된 흑연을 포함하는 SiC 매트릭스 재료의 대략적인 두께 및 아래 벌크 흑연 재료를 표시하도록 표지되었다. 도시되어 있는 바와 같이, SiC 매트릭스 재료는 흑연 개재물을 함유하며, 계면에는 각 내부 벌크 흑연 재료와 외부 탄화규소 매트릭스 재료의 상호침투가 있다.
도 2는 내부 벌크 흑연 재료와 외부 탄화규소 매트릭스 재료의 상호침투를 포함하는, 도 1의 복합체의 계면 영역의 미세구조를 보여주는 200배 배율의 전자 현미경사진 (금속조직사진)이다.
도 3은 도 1의 복합체 SiC 매트릭스 재료의 상부 표면 영역을 나타내는 200배 배율의 전자 현미경사진 (금속조직사진)이며, 그러한 매트릭스 재료의 흑연 개재물을 보여준다.
도 4는 100배 배율에서의 도 1의 복합체의 주사 전자 현미경사진 (SEM) 후방산란 영상이며, 여기서 영상의 밝은 영역은 SiC를 나타내며, 영상의 어두운 영역은 C (흑연)을 나타내며, SiC 매트릭스 재료 내 흑연 개재물을 분명하게 입증하고 있다.
도 5는 SiC 매트릭스 재료와 벌크 흑연 재료의 상호침투를 보여주는 도 1의 복합체 계면 영역의 500배 배율 전자 광학현미경사진이다.
도 6은 도 5의 광학현미경사진의 상응하는 500배 배율 원소 맵이며, 여기서 SiC 매트릭스 재료는, 보다 어두운 색상의 재료로서의 흑연 개재물을 함유하는 보다 밝은 색상의 재료로 나타나 있다.
도 7은 복합체 내 규소를 보여주는 도 5의 광학현미경사진의 상응하는 500배 배율 원소 맵이다.
도 8은 복합체 내 탄소 (흑연)를 보여주는 도 5의 광학현미경사진의 상응하는 500배 배율 원소 맵이다.
도 9는 영상 중심 부분에 윤곽이 그려진 형상으로 구별된 SiC 매트릭스 재료 영역의 1000배 배율 후방산란 영상이며, EDX 분석에 따르면, 상기 윤곽 내의 재료는 38.83 중량%의 탄소, 5.60 중량%의 산소 및 55.57 중량%의 규소를 포함하여, 복합체의 SiC 매트릭스 재료에서의 벌크 흑연 상과 탄화규소 매트릭스 상의 상호침투를 반영하는 것으로 나타난다.
이상에서 논의된 바와 같이, 본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체는 이온 주입 적용분야를 위한 이온 빔 구성요소의 제작에 사용될 수 있으며, 그와 같은 구성요소는 블라스팅 과정에 의한 재료의 과도한 제거 없이도 그릿 또는 비드 블라스팅에 의해 보수될 수 있다.
본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체의 탁월한 내식성은, 베이스 흑연 재료 ("흑연")에 대하여, 그리고 코어가 상기 베이스 흑연 재료로 형성되어 있는 본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체 ("수퍼SiC-GS")에 대하여, 그릿 블라스팅 공기 압력 (psi)의 함수로서의 중량 손실 (그램)이 플로팅되어 있는 도 10의 그래프에 데이터로 나타나 있다. 도 10에 나타낸 데이터를 얻기 위해, 각 재료를 20, 30 및 40 psi의 공기 압력으로 SiC 그릿 블라스팅하여, 그들의 마모 내성을 시험하였다. 그래프의 데이터에 나타나 있는 바와 같이, 본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체가 베이스 흑연 재료에 비해 현저하게 감소된 중량 손실을 나타내었다.
본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체 물품은 완전 SiC 물품에 비해 실질적으로 덜 고가인데, 이는 모든 기계가공 및 생성물 물품 형성 작업이, 흑연 출발 물품 상에서의 SiC 매트릭스 재료의 형성으로 인한 생성물 물품의 물리적 치수의 실질적 변화 없이 흑연 출발 물품 상에서 수행될 수 있기 때문이다. 탄화규소-흑연 복합체 물품 표면의 SiC 매트릭스 재료는 매우 전기 전도성이어서, 특징적으로 약 1 옴-cm 미만인 전기 저항률을 갖는다.
본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체 재료는 또한 매우 높은 순도를 가지고 있어서, 그것이 반도체 또는 고휘도 LED 적용분야에서의 용도에 대하여 매력적인 재료가 되게 한다. 하기 표 2에 제시한 것은 레이저 삭마 유도 결합 플라즈마 질량 분광법 (LA-ICP-MS) 원소 분석 측정에 의해 측정하였을 때의 예시적인 본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체 재료의 원소 분석 데이터 목록이다.
<표 2>
Figure pct00002
그의 낮은 비용, 높은 순도, 낮은 전기 저항률 및 높은 기계적 완전성으로 볼 때, 본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체 재료는 렌즈, 빔 정지부 또는 다른 챔버 구성요소 등의 이온 주입기 빔라인 구성요소로 사용하기에 탁월한 재료임을 나타낸다. 이러한 특징들, 특히 스퍼터링 및 삭마에 대한 내성은 본 개시내용의 탄화규소-흑연 복합체 재료를 태양광 주입 하드 마스크 적용분야에서 매우 바람직하게 한다.
본 개시내용이 본원에서 특정 측면, 특징 및 예시적인 실시양태들을 참조하여 제시되기는 했지만, 본 개시내용의 유용성이 그에 제한되는 것은 아니며, 그 대신 본 개시내용의 기술분야 통상의 기술자에게 저절로 드러나게 될 바와 같이 본원의 상세한 설명을 바탕으로 수많은 다른 변이, 변형 및 대안적인 실시양태로 연장되어 그것을 포괄한다는 것을 알고 있을 것이다. 따라서, 이하에서 청구되는 바와 같은 개시내용은 모든 그와 같은 변이, 변형 및 대안적인 실시양태들을 그의 취지 및 영역 내에 포함하는 것으로 광범위하게 간주 및 해석되어야 하는 것으로 하고자 한다.

Claims (60)

  1. (i) 내부 벌크 흑연 재료 및 (ii) 외부 탄화규소 매트릭스 재료를 포함하는 탄화규소-흑연 복합체이며, 여기서 내부 벌크 흑연 재료와 외부 탄화규소 매트릭스 재료는 그들 사이의 계면 영역에서 서로 상호-침투되어 있고, 외부 탄화규소 매트릭스 재료 중에 개재물로서 흑연이 존재하는 것인 탄화규소-흑연 복합체.
  2. 제1항에 있어서, (i) 내부 벌크 흑연 재료 및 (ii) 외부 탄화규소 매트릭스 재료 각각이 각각의 두께를 가지며, 내부 벌크 흑연 재료의 두께가 외부 탄화규소 매트릭스 재료의 두께보다 더 큰 것인 탄화규소-흑연 복합체.
  3. 제2항에 있어서, 외부 탄화규소 매트릭스 재료의 두께에 대한 내부 벌크 흑연 재료 두께의 비가 5 내지 10,000의 범위인 탄화규소-흑연 복합체.
  4. 제2항에 있어서, 외부 탄화규소 매트릭스 재료의 두께에 대한 내부 벌크 흑연 재료 두께의 비가 10 내지 1000의 범위인 탄화규소-흑연 복합체.
  5. 제1항에 있어서, 외부 탄화규소 매트릭스 재료가 150 내지 1000 ㎛ 범위의 두께를 갖는 것인 탄화규소-흑연 복합체.
  6. 제1항에 있어서, 탄화규소-흑연 복합체 내 흑연의 입자 크기가 5 내지 20 ㎛의 범위인 탄화규소-흑연 복합체.
  7. 제1항에 있어서, 탄화규소-흑연 복합체 내 흑연의 입자 크기가 10 내지 15 ㎛의 범위인 탄화규소-흑연 복합체.
  8. 제1항에 있어서, 탄화규소-흑연 복합체의 밀도가 복합체 1 cc 당 1.6 내지 2.4 g의 범위인 탄화규소-흑연 복합체.
  9. 제1항에 있어서, 탄화규소-흑연 복합체의 밀도가 복합체 1 cc 당 2.0 내지 2.25 g의 범위인 탄화규소-흑연 복합체.
  10. 제1항에 있어서, 복합체의 열 팽창 계수 (CTE)가 4 내지 6.5 × 10-6/℃의 범위인 탄화규소-흑연 복합체.
  11. 제1항에 있어서, 복합체가, 복합체 생성 반응을 초래하는 흑연과 일산화규소의 접촉에 의해 형성되고, 복합체가 0.5 내지 3.2%/cm-1 범위의 특성화 파라미터 Cp를 가지며, 여기서 Cp는 하기 관계:
    Cp = Wg/[S/V]
    로 정의되고,
    여기서, Wg는 일산화규소와의 접촉에 적용되어 복합체 생성 반응을 초래하는 흑연 재료의 중량 이득 퍼센트 (%)이고;
    S/V는 생성물 복합체의 표면적-대-부피 비이고, 여기서 S는 제곱 센티미터로 나타낸 복합체의 표면적이고, V는 세제곱 센티미터로 나타낸 복합체의 부피인
    탄화규소-흑연 복합체.
  12. 제1항에 있어서, 복합체 특성화 파라미터 Cp가 0.5 내지 2%/cm-1의 범위인 탄화규소-흑연 복합체.
  13. 제1항에 있어서, 복합체 특성화 파라미터 Cp가 0.55 내지 1.8%/cm-1의 범위인 탄화규소-흑연 복합체.
  14. 제1항에 있어서, 복합체 상에 어떠한 탄화규소 캡핑 층도 없는 탄화규소-흑연 복합체.
  15. 제1항에 있어서, 유리질 탄소-비함유 복합체인 탄화규소-흑연 복합체.
  16. 제1항에 있어서, 복합체의 형성이, 내부 벌크 흑연 재료의 공극에서의 흑연 분체 입자의 전환 결합을 포함하는 것인 탄화규소-흑연 복합체.
  17. 제1항에 있어서, 유리 규소를 함유하지 않는 탄화규소-흑연 복합체.
  18. 제1항에 있어서, 질소로 도핑된 탄화규소-흑연 복합체.
  19. 제1항에 있어서, 복합체의 총 중량을 기준으로 0.1 내지 1.2 중량%의 질소 함량으로 질소로 도핑된 탄화규소-흑연 복합체.
  20. 제1항에 있어서, 복합체의 총 중량을 기준으로 0.2 내지 0.9 중량%의 질소 함량으로 질소로 도핑된 탄화규소-흑연 복합체.
  21. 제1항에 있어서, 복합체의 총 중량을 기준으로 0.3 내지 0.7 중량%의 질소 함량으로 질소로 도핑된 탄화규소-흑연 복합체.
  22. (i) 내부 벌크 흑연 재료 및 (ii) 외부 탄화규소 매트릭스 재료를 포함하는 탄화규소-흑연 복합체이며, 여기서 내부 벌크 흑연 재료와 외부 탄화규소 매트릭스 재료는 그들 사이의 계면 영역에서 서로 상호-침투되어 있고, 외부 탄화규소 매트릭스 재료 중에 개재물로서 흑연이 존재하며;
    여기서 탄화규소-흑연 복합체는,
    (i) 외부 탄화규소 매트릭스 재료의 두께에 대한 내부 벌크 흑연 재료 두께의 비가 5 내지 10,000의 범위임;
    (ii) 외부 탄화규소 매트릭스 재료가 150 내지 1000 ㎛ 범위의 두께를 가짐;
    (iii) 탄화규소-흑연 복합체 내 흑연의 입자 크기가 5 내지 20 ㎛의 범위임;
    (iv) 탄화규소-흑연 복합체의 밀도가 복합체 1 cc 당 1.6 내지 2.4 g의 범위임;
    (v) 복합체의 열 팽창 계수 (CTE)가 4 내지 6.5 × 10-6/℃의 범위임;
    (vi) 복합체의 특성화 파라미터 Cp가 0.5 내지 3.2%/cm-1의 범위이며, 여기서 Cp는 하기 관계:
    Cp = Wg/[S/V]
    로 정의되고,
    여기서 Wg는 일산화규소와의 접촉에 적용되어 복합체 생성 반응을 초래하는 흑연 재료의 중량 이득 퍼센트 (%)이고;
    S/V는 생성물 복합체의 표면적-대-부피 비이고, 여기서 S는 제곱 센티미터로 나타낸 복합체의 표면적이고, V는 세제곱 센티미터로 나타낸 복합체의 부피임;
    (vii) 복합체 상에 어떠한 탄화규소 캡핑 층도 없음;
    (viii) 복합체가 유리질 탄소-비함유 복합체임;
    (ix) 복합체의 형성이, 내부 벌크 흑연 재료의 공극에서의 흑연 분체 입자의 전환 결합을 포함함;
    (x) 복합체가 유리 규소를 함유하지 않음; 및
    (xi) 복합체가 질소로 도핑됨
    으로 이루어진 군으로부터 선택되는 임의의 둘 이상의 특징들을 특징으로 하는 것인 탄화규소-흑연 복합체.
  23. 제1항 내지 제22항 중 어느 한 항에 따른 탄화규소-흑연 복합체를 포함하는 재료, 물품 또는 조립체.
  24. 제23항에 있어서, 주입 하드 마스크(implant hard mask)를 포함하는 재료, 물품 또는 조립체.
  25. 제23항에 있어서, 주입 하드 마스크가 광학, 광전자, 광자, 반도체 또는 마이크로전자공학 제품 제조용 제조 설비의 주입 장치에 제공되는 것인 재료, 물품 또는 조립체.
  26. 제25항에 있어서, 제조 설비의 주입 장치가 태양 전지 제조용으로 구성된 것인 재료, 물품 또는 조립체.
  27. 제23항에 있어서, 이온 주입 장치 재료, 조립체 또는 구성요소를 포함하는 재료, 물품 또는 조립체.
  28. 제27항에 있어서, 이온 주입 장치 재료, 조립체 또는 구성요소가 이온 주입 장치의 빔 라인 조립체, 빔 조향 렌즈, 이온화 챔버 라이너, 빔 정지부 및 이온 소스 챔버 중 적어도 하나에 포함되는 것인 재료, 물품 또는 조립체.
  29. 제23항에 있어서, LED 성장 장치용 서셉터를 포함하며, 여기서 복합체의 탄화규소 매트릭스 재료가 서셉터 표면의 적어도 일부분인 재료, 물품 또는 조립체.
  30. 제29항에 있어서, 서셉터가 관통 구멍(들)을 포함하며, 복합체의 탄화규소 매트릭스 재료가 상기 구멍(들)의 내부 표면에 존재하는 것인 재료, 물품 또는 조립체.
  31. 흑연 물품의 외부 부분을, 흑연이 개재물로서 존재하는 탄화규소 매트릭스 재료로 전환시키는 데 효과적인 화학 반응 조건 하에 흑연 물품을 일산화규소 (SiO) 기체와 접촉시키는 것을 포함하며, 탄화규소 매트릭스 재료와 내부 벌크 흑연 재료가 그들 사이의 계면 영역에서 서로 상호침투되는 것인, 탄화규소-흑연 복합체의 제조 방법.
  32. 제31항에 있어서, 흑연 물품이 미리 결정된 형상 또는 형태로 접촉에 제공되는 것인 방법.
  33. 제32항에 있어서, 미리 결정된 형상 또는 형태는, 출발 흑연 물품에 미리 결정된 형상 또는 형태를 부여하기 위해 출발 흑연 물품을 기계가공함으로써 제공되는 것인 방법.
  34. 제32항에 있어서, 미리 결정된 형상 또는 형태는, 출발 흑연 물품에 미리 결정된 형상 또는 형태를 부여하기 위해 출발 흑연 물품으로부터 기계적, 화학적 및/또는 광자적으로 재료를 제거함으로써 제공되는 것인 방법.
  35. 제34항에 있어서, 재료가 출발 흑연 물품의 레이저처리에 의해 광자적으로 제거되는 것인 방법.
  36. 제31항에 있어서, 접촉 화학 반응 조건이 1400 내지 2000℃ 범위의 온도를 포함하는 것인 방법.
  37. 제31항에 있어서, 접촉 화학 반응 조건이 1600 내지 1900℃ 범위의 온도를 포함하는 것인 방법.
  38. 제31항에 있어서, 접촉 화학 반응 조건이 1750 내지 1850℃ 범위의 온도를 포함하는 것인 방법.
  39. 제31항에 있어서, 접촉 화학 반응 조건이 1400 내지 1800℃ 범위의 온도를 포함하는 것인 방법.
  40. 제31항에 있어서, 접촉 화학 반응 조건이 1500 내지 1750℃ 범위의 온도를 포함하는 것인 방법.
  41. 제31항에 있어서, 접촉이, 기체 혼합물의 총 부피를 기준으로 5 내지 50 부피% 농도의, 기체 혼합물 중의 일산화규소를 사용하여 수행되는 것인 방법.
  42. 제41항에 있어서, 기체 혼합물이 CO를 추가로 포함하는 것인 방법.
  43. 제41항에 있어서, 기체 혼합물이 불활성 기체를 추가로 포함하는 것인 방법.
  44. 제43항에 있어서, 불활성 기체가 질소를 포함하는 것인 방법.
  45. 제31항에 있어서, 접촉 화학 반응 조건이 650 torr 내지 1.3 bar 범위의 압력을 포함하는 것인 방법.
  46. 제31항에 있어서, 접촉 화학 반응 조건이 0.9 내지 1.2 bar 범위의 압력을 포함하는 것인 방법.
  47. 제31항에 있어서, 접촉 화학 반응 조건은, 화학 반응을 수행하는 데 이용되는 피착 반응기 시스템 및 관련 유동 회로에서의 압력 강하를 극복하기 위해, 주위 압력에 대하여 충분히 양압인 압력을 포함하는 것인 방법.
  48. 제31항에 있어서, SiO 기체가, 탄소와 이산화규소의 고체 혼합물을 가열하는 것에 의해 생성되는 것인 방법.
  49. 제48항에 있어서, 탄소가 미립자, 과립, 또는 다른 미분된 형태인 방법.
  50. 제48항에 있어서, 이산화규소가 미립자, 과립, 또는 다른 미분된 형태인 방법.
  51. 제48항에 있어서, 이산화규소가 퓸드 실리카를 포함하는 것인 방법.
  52. 제31항에 있어서, 화학 반응이 반응 챔버에서 수행되며, 반응 챔버로 SiO 증기가 유동되는 것인 방법.
  53. 제52항에 있어서, 일소 기체가 또한 반응 챔버로 유동되는 것인 방법.
  54. 제52항에 있어서, 일산화탄소가 또한 반응 챔버로 유동되는 것인 방법.
  55. 제52항에 있어서, 불활성 기체가 또한 반응 챔버로 유동되는 것인 방법.
  56. 제55항에 있어서, 불활성 기체가 헬륨, 아르곤, 네온, 크립톤 및 질소 중 하나 이상을 포함하는 것인 방법.
  57. 흑연 물품의 외부 부분을, 흑연이 개재물로서 존재하는 탄화규소 매트릭스 재료로 전환시키는 데 효과적인 화학 반응 조건 하에 흑연 물품을 일산화규소 (SiO) 기체와 접촉시키는 것을 포함하며, 탄화규소 매트릭스 재료와 내부 벌크 흑연 재료가 그들 사이의 계면 영역에서 서로 상호침투되는 것인, 탄화규소-흑연 복합체의 제조 방법이며, 여기서 화학 반응 조건은 탄화규소-흑연 복합체를 수득하는 데 효과적인 것이고, 여기서 복합체는,
    (i) 외부 탄화규소 매트릭스 재료의 두께에 대한 내부 벌크 흑연 재료 두께의 비가 5 내지 10,000의 범위임;
    (ii) 외부 탄화규소 매트릭스 재료가 150 내지 1000 ㎛ 범위의 두께를 가짐;
    (iii) 탄화규소-흑연 복합체 내 흑연의 입자 크기가 5 내지 20 ㎛의 범위임;
    (iv) 탄화규소-흑연 복합체의 밀도가 복합체 1 cc 당 1.6 내지 2.4 g의 범위임;
    (v) 복합체의 열 팽창 계수 (CTE)가 4 내지 6.5 × 10-6/℃의 범위임;
    (vi) 복합체의 특성화 파라미터 Cp가 0.5 내지 3.2%/cm-1의 범위이며, 여기서 Cp는 하기 관계:
    Cp = Wg/[S/V]
    로 정의되고,
    여기서 Wg는 일산화규소와의 접촉에 적용되어 복합체 생성 반응을 초래하는 흑연 재료의 중량 이득 퍼센트 (%)이고;
    S/V는 생성물 복합체의 표면적-대-부피 비이고, 여기서 S는 제곱 센티미터로 나타낸 복합체의 표면적이고, V는 세제곱 센티미터로 나타낸 복합체의 부피임;
    (vii) 복합체 상에 어떠한 탄화규소 캡핑 층도 없음;
    (viii) 복합체가 유리질 탄소-비함유 복합체임;
    (ix) 복합체의 형성이, 내부 벌크 흑연 재료의 공극에서의 흑연 분체 입자의 전환 결합을 포함함;
    (x) 복합체가 유리 규소를 함유하지 않음; 및
    (xi) 복합체가 질소로 도핑됨
    으로 이루어진 군으로부터 선택되는 임의의 둘 이상의 특징들을 특징으로 하는 것인, 탄화규소-흑연 복합체의 제조 방법.
  58. 제57항에 있어서, 흑연 물품이 이온 주입 시스템의 구조 물품으로서 사용되도록 구성된 것이고, 여기서 복합체의 탄화규소 매트릭스 재료가 구조 물품 표면의 적어도 일부분을 제공하는 것인 방법.
  59. 제58항에 있어서, 이온 주입 시스템의 구조 물품이 이온 주입 시스템의 빔 라인 조립체, 빔 조향 렌즈, 이온화 챔버 라이너, 빔 정지부 및 이온 소스 챔버 중 하나에 포함되도록 구성된 것인 방법.
  60. 제57항에 있어서, 흑연 물품이 LED 성장 장치용 서셉터로서 사용되도록 구성된 것이고, 여기서 복합체의 탄화규소 매트릭스 재료가 서셉터 표면의 적어도 일부분을 제공하는 것인 방법.
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