KR20200032060A - 탄화붕소 소결체 및 이를 포함하는 식각장치 - Google Patents

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Abstract

본 발명의 탄화붕소 소결체는, 탄화붕소 함유 입자가 네킹된 것으로, 400 ℃에서 측정한 열전도도 값이 27 W/(m*k) 이하라는 등의 특징을 갖는다. 상기 탄화붕소 소결체는 특정한 범위 내의 열전도도 값을 가지며 우수한 내식성, 내식각 특성을 갖는다.

Description

탄화붕소 소결체 및 이를 포함하는 식각장치{BORONCARBIDE SINTERED BODY AND ETCH APPARATUS COMPRISING THE SAME}
본 발명은 탄화붕소 소결체 및 이를 포함하는 식각장치에 관한 것이다.
탄화붕소(B4C)는 다이아몬드와 큐빅 질화보론(BN) 다음으로 높은 경도를 가지고 있는 내마모성 세라믹이다. 탄화붕소는 높은 융점(2447℃), 고강도(28-35 GPa, Knoop hardness), 낮은 밀도(2.21g/cm3), 높은 Young's modulus(450-470GPa)를 갖는 고 경도 고비탄성 물질로 알려져 있다. 또한 열기전력이 높고 화학적 안정성이 좋아 용융금속 내에서 장시간 사용되는 열전대에 이용될 뿐 아니라 높은 중성자 흡수 능력을 가지고 있어 오래전부터 핵발전의 중성자 흡수 및 차폐재로 사용되고 있다.
탄화붕소(B4C)는 연마재료 또는 절삭공구 재료로 사용되는데, 이와 같은 탄화붕소(B4C) 분말의 소결에는 탄소(C), Y2O3, SiC, Al2O3, TiB2, AlF3, W2B5 등의 소결조제가 적용될 수 있다. 그러나, 이러한 소결조제는 2차상(secondary phase)을 형성하는 것으로 알려져 있으며, 소결조제를 첨가한 소결에 의해 형성되는 2차상은 탄화붕소(B4C)의 물성에 좋지 않은 영향을 미칠 수 있다.
국내공개번호 제10-2010-0033696 호, 2010년03월31일 국내공개번호 제10-2014-0147892 호, 2014년12월30일
본 발명의 목적은 우수한 특성을 갖는 탄화붕소 소결체와 이를 적어도 일부에 포함하는 식각장치를 제공하는 것이다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 양태는 붕소와 탄소로 이루어진 탄화붕소 입자가 네킹된 것으로, 400 ℃에서 측정한 열전도도 값이 27 W/(m*k) 이하인 탄화붕소 소결체를 제공한다.
상기 탄화붕소 소결체는 25 ℃에서 측정한 열 전도도 값을 1로 보았을 때, 800 ℃에서 측정한 열전도도 값이 0.2 내지 3의 비율인 것일 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체는 25 ℃에서 측정한 열 전도도 값을 1로 보았을 때, 800 ℃에서 측정한 열전도도 값이 0.26 내지 0.6의 비율인 것일 수 있다.
상기 입자는 입경(D50)이 1.5 um 이하일 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체는 표면에서 측정한 Ra 조도가 0.1㎛ 내지 1.2㎛일 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체는 플라즈마 식각장비 내에서 불소 이온과 접촉하여 파티클을 형성하지 않는 것일 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체는 플라즈마 식각장비 내에서 염소 이온과 접촉하여 파티클을 형성하지 않는 것일 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체는 공극률이 3 % 이하일 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체는 표면 또는 단면에서 관찰되는 기공의 평균 직경이 5 ㎛ 이하일 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체는 표면 또는 단면에서 관찰되는 기공의 직경이 10㎛ 이상인 부분의 면적이 5% 이하일 수 있다.
식각률(%)은 플라즈마 장비에서 RF 전력 2,000W로 노출시간을 280 hr을 적용하는 동일한 조건에서 식각 정도를 비교한 것이다.
상기 탄화붕소 소결체는 실리콘 대비 55 % 이하의 식각률을 가질 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체는 CVD-SiC 대비 70 % 이하의 식각률을 가질 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체는 금속성 부산물을 100 ppm 이하로 함유할 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체는 25 ℃에서 측정한 열 전도도 값이 22 내지 31 W/(m*K)일 수 있다.
본 발명의 다른 일 양태는 위에서 설명한 탄화붕소 소결체를 그 일부 또는 전부에 포함하는 식각 장치용 부품을 제공한다.
본 발명의 다른 일 양태는 위에서 설명한 탄화붕소 소결체를 적어도 그 일부에 포함하는 식각 장치를 제공한다.
상기 식각 장치는 플라즈마 식각 장치일 수 있다.
본 발명의 탄화붕소 소결체 등은 비교적 일정한 열 전도도, 낮은 식각률(우수한 내식성) 등을 갖는 탄화붕소 소결체를 제공할 수 있다.
본 발명의 탄화붕소 소결체 등은 불소 이온이나 염소 이온과 같은 할로겐 이온과 반응하여 실질적으로 파티클을 형성하지 않아, 플라즈마 식각 장치와 같은 식각 장치의 적어도 일부에 적용하기 좋으며, 낮은 식각률, 반응 조건으로 제어 가능한 범위의 열 전도도 특성을 가져서 식각 장치에서 소모성 부품으로 적용하기에도 좋으며 식각 효율을 향상시킬 수 있다.
도 1의 (a)와 (b)는 각각 제조예 2와 제조예 3에 의해 제조한 소결체의 표면 관찰 결과.
도 2의 (a)와 (b)는 각각 제조예 5와 제조예 6에 의해 제조한 소결체의 표면 관찰 결과.
도 3의 (a)와 (b)는 각각 제조예 7와 제조예 8에 의해 제조한 소결체의 표면 관찰 결과.
도 4의 (a)와 (b)는 각각 제조예 5에서 제조된 소결체의 식각 전과 식각 후의 관찰 결과.
도 5의 (a)와 (b)는 각각 제조예 8에서 제조된 소결체의 식각 전과 식각 후의 관찰 결과.
이하, 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 본 발명의 실시예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 본 발명은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.
본 명세서 전체에서, 마쿠시 형식의 표현에 포함된 "이들의 조합"의 용어는 마쿠시 형식의 표현에 기재된 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상의 혼합 또는 조합을 의미하는 것으로서, 상기 구성 요소들로 이루어진 군에서 선택되는 하나 이상을 포함하는 것을 의미한다.
본 명세서 전체에서, "제1", "제2" 또는 "A", "B"와 같은 용어는 동일한 용어를 서로 구별하기 위하여 사용된다. 또한, 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다.
본 명세서에서 단수 표현은 특별한 설명이 없으면 문맥상 해석되는 단수 또는 복수를 포함하는 의미로 해석된다.
본 명세서에서 탄화붕소는 붕소와 탄소를 기반(base)으로 하는 모든 화합물을 지칭한다. 본 명세서에서 탄화붕소는 단일상 또는 복합상일 수 있고, 이들이 혼합된 것일 수 있다. 탄화붕소 단일상은 붕소 및 탄소의 화학양론적 상(phase)과 화학양론적 조성에서 벗어난 비화학양론적 상을 모두 포함하며, 복합상이란 붕소 및 탄소를 기반(base)로 하는 화합물 중의 적어도 2개가 소정의 비율로 혼합된 것을 말한다. 또한, 본 명세서에서의 탄화붕소는 상기 탄화붕소의 단일상 또는 복합상에 불순물이 추가되어 고용체를 이루거나 또는 탄화붕소를 제조하는 공정에서 불가피하게 추가되는 불순물이 혼입된 경우도 모두 포함한다. 상기 불순물의 예로서는 철, 구리, 크롬, 니켈, 알루미늄 등의 금속 등을 들 수 있다.
이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.
상기 목적을 달성하기 위하여, 본 발명의 일 실시예에 따른 탄화붕소 소결체는 탄화붕소 함유 입자가 네킹된 것으로, 400 ℃에서 측정한 열전도도 값이 27 W/(m*k) 이하이다.
상기 탄화붕소 소결체는 25 ℃에서 측정한 열 전도도 값을 1로 보았을 때, 800 ℃에서 측정한 열전도도 값이 0.2 내지 3의 비율인 특징을 가질 수 있다. 구체적으로 상기 비율이 0.26 내지 1일 수 있고, 0.26 내지 0.6일 수 있다.
이러한 열전도도 값을 갖는 경우, 상기 소결체가 적용되는 분위기의 온도의 변화가 커도 열 전도도 값이 일정한 범위 내의 값을 가져서, 온도 변화가 큰 분위기에 적용하여도 비교적 일정한 열적 특성을 가질 수 있고 안정적으로 공정 진행이 가능하다. 상기 포커스 링의 열 전도도를 조절시키기 위해서, 실리콘 카바이드 또는 실리콘 등의 첨가제가 사용될 수 있다.
상기 소결체의 열전도도는 25 내지 800 ℃에서 선택된 온도에서 약 60 W/(m*k) 이하일 수 있고, 약 4 W/(m*K) 내지 약 40W/(m*K)일 수 있다. 또한, 더 자세하게, 약 4W/(m*K) 내지 약 27W/(m*K)일 수 있다.
상기 소결체의 열 전도도는 25 ℃에서 약 22 내지 약 80 W/(m*K)일 수 있고, 약 22 내지 약 31 W/(m*K)일 수 있다.
상기 소결체의 열 전도도는 400 ℃에서 약 7 내지 약 70 W/(m*K)일 수 있고, 약 8 내지 약 22 W/(m*K)일 수 있다.
상기 소결체의 열 전도도는 800 ℃에서 약 5 내지 약 50 W/(m*K)일 수 있고, 약 6 내지 약 16 W/(m*K)일 수 있다.
상기 소결체는 입경(D50)이 1.5 um 이하인 탄화붕소 함유 입자가 소결 및 네킹된 것일 수 있다. 구체적인 소결 및 네킹하는 방법에 대한 내용은 이후 설명하는 제조방법에 대한 설명과 중복되므로 그 기재를 생략한다.
상기 탄화붕소 소결체의 Ra 조도는 약 1.0㎛ 내지 약 1.2㎛일 수 있다. 상기 폴리싱된 소결체의 Ra 조도는 약 0.2㎛ 내지 약 0.4㎛일 수 있다. 상기 측정에는 3차원 측정기가 적용될 수 있다. 이러한 표면 조도를 갖는 상기 탄화붕소 소결체는 보다 매끄러운 표면을 가져서 식각장비의 일부 또는 식각장비에 적용되는 부품의 일부 또는 전부에 적용되어도 우수한 물성을 보일 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체의 공극율은 약 10% 이하일 수 있다. 더 자세하게, 상기 탄화붕소 소결체의 공극율은 약 5% 이하일 수 있다. 더 자세하게, 상기 탄화붕소 소결체의 공극율은 약 3% 이하일 수 있다. 더 자세하게, 상기 탄화붕소 소결체의 공극율은 약 2% 이하일 수 있다. 더 자세하게, 상기 탄화붕소 소결체의 공극율은 약 1% 이하일 수 있다. 더 자세하게, 상기 탄화붕소 소결체의 공극율은 약 0.5% 이하일 수 있다. 더 자세하게, 상기 탄화붕소 소결체의 공극율은 약 0.1% 이하일 수 있다. 이렇게 공극률이 낮은 소결체는 입자 사이의 탄소 영역 등이 보다 낮은 소결체를 의미하며, 보다 강한 내식성을 가질 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체에서 상기 단면을 기준으로 기공의 평균 직경은 5㎛ 이하일 수 있다. 이때, 상기 기공의 평균 직경은 상기 기공의 단면적과 동일한 면적의 원의 직경으로 도출한다. 상기 기공의 평균 직경은 3㎛ 이하일 수 있다. 더 자세하게, 상기 기공의 평균 직경은 1㎛ 이하일 수 있다. 또한, 상기 기공의 전체 면적을 기준으로, 상기 기공의 직경이 10㎛ 이상인 부분의 면적은 5% 이하일 수 있다. 이는 상기 탄화붕소 소결체는 상대적으로 치밀한 구조를 가지며, 소결체 전체적으로 이러한 치밀한 구조가 잘 분포되어 있다는 것을 의미한다. 또한, 상기 탄화붕소 소결체는 이와 같이 치밀한 구조를 가지기 때문에, 향상된 내식성을 가질 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체는 금속성 부산물(불순물)이 100 ppm 이하로 함유될 수 있고, 10ppm 이하 일 수 있으며, 1ppm 이하 일 수 있고, 실질적으로 금속성 부산물(불순물)을 포함하지 않을 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체는 식각장비 내에서 할로겐이온과 반응하여 파티클(입자성 이물질)을 형성하지 않는 장점을 가질 수 있다. 이 때, 상기 파티클은 입경 1 um 이상의 물질을 말한다. 구체적으로, 상기 탄화붕소 소결체는 플라즈마 식각장비 내에서 불소 이온과 반응하여 파티클을 형성하지 않을 수 있다. 구체적으로, 상기 탄화붕소 소결체는 플라즈마 식각장비 내에서 염소 이온과 반응하여 파티클을 형성하지 않을 수 있다. 이러한 특징은 이리듐 등을 적용한 소결체가 할로겐 이온과 반응하여 입자성 이물질을 형성할 수 있다는 점 등과 구별되는 것으로, 상기 탄화붕소 소결체가 식각장비 내에 적용되기에 유리하다는 특징을 갖는다.
상기 탄화붕소 소결체는, 저식각률 특징을 갖는다. 구체적으로, 실리콘(Si, 단결정 실리콘, 그로잉법으로 제조한 것)의 식각률이 100%일 때, 상기 탄화붕소 소결체는 55% 이하의 식각률을 가질 수 있고, 10 내지 50%의 식각률을 가질 수 있으며, 20 내지 45%의 식각률을 가질 수 있다. 이러한 식각률 특성은 두께감소율(%)에 근거한 평가로, 구체적으로 위의 식각률은 플라즈마 장비에서 RF power를 2,000W로 노출 시간을 280 hr으로 적용한 동일한 조건에서 식각되는 비율을 평가한 결과이다.
상기 탄화붕소 소결체의 저식각률 특징은, CVD-SiC와 비교하면 월등하기 우수한 결과, 상당히 우수한 내식각률을 보여준다. 더 구체적으로, 상기 탄화붕소 소결체는 CVD-SiC의 식각률을 100%라고 했을 때, 70% 이하의 식각률을 가질 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체는 고저항, 중저항, 또는 저저항 특성을 가질 수 있다.
구체적으로, 고저항 특성을 갖는 탄화붕소 소결체는 약 10Ωㆍcm 내지 약 103 Ωㆍcm의 비저항을 가질 수 있다. 이때, 상기 고저항 탄화붕소 소결체는 주로 탄화 붕소로 형성되고, 소결특성개선제로 실리콘 카바이드 또는 실리콘 나이트라이드를 포함할 수 있다.
구체적으로, 중저항 특성을 갖는 탄화붕소 소결체는 약 1Ωㆍcm 내지 10Ωㆍcm 미만의 비저항을 가질 수 있다. 이때, 상기 중저항 탄화붕소 소결체는 주로 탄화붕소로 형성되고, 소결특성개선제로 보론 나이트라이드를 포함할 수 있다.
구체적으로, 저저항 특성을 갖는 탄화붕소 소결체는 약 10-1Ωㆍcm 내지 약 10-2 Ωㆍcm의 비저항을 가질 수 있다. 이때, 상기 저저항 탄화붕소 소결체는 주로 탄화 규소로 형성되고, 소결특성개선제로 카본을 포함할 수 있다.
보다 구체적으로, 상기 탄화붕소 소결체는 5.0 Ωㆍcm 이하의 저저항 특성을 가질 수 있고, 1.0 Ωㆍcm 이하의 저저항 특성을 가질 수 있으며, 8*10-1 Ωㆍcm 이하의 저저항 특성을 가질 수 있다.
본 발명의 탄화붕소 소결체는, 저식각률 특성을 가지며, 단면 관찰 결과에서 전체적으로 고르며 감소된 탄소 영역 등 우수한 미세구조 특성을 가져서 내식각성 부재 등으로 그 활용도가 우수하다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 식각 장치는 위에서 설명한 탄화붕소 소결체를 적어도 그 일부에 포함한다. 구체적으로, 상기 탄화붕소 소결체는 플라즈마 반응기의 벽, 처리가스용 노즐, 처리가스용 샤워헤드 등에 적용될 수 있다.
본 발명의 다른 일 실시예에 따른 식각 장치용 부품은 위에서 설명한 탄화붕소 소결체를 적어도 그 일부에 포함하거나 상기 탄화붕소 소결체로 이루어질 수 있다. 구체적으로, 상기 탄화붕소 소결체는 포커스 링, 엣지 링 등의 소모성 부품에 적용될 수 있으며, 식각 장치가 수행하는 식각 공정에서 불량률을 보다 줄이면서 보다 오래 소모성 부품이 적용되도록 할 수 있어, 보다 효율을 향상시킬 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 탄화붕소 소결체의 제조방법은, 1차성형단계 및 소결체형성단계를 포함한다. 상기 제조방법은 상기 1차성형단계 이전에 과립화단계를 더 포함할 수 있다. 상기 제조방법은 상기 소결체형성단계 이후에 가공단계를 더 포함할 수 있다.
상기 과립화단계는, 탄화붕소를 함유하는 원료물질을 용매와 혼합하여 슬러리화된 원료물질을 제조하는 슬러리화 과정, 그리고 상기 슬러리화된 원료물질을 건조시켜 구형의 과립 원료물질로 제조하는 과립화과정을 포함한다.
상기 원료물질은 탄화붕소와 소결특성개선제를 포함하는 원료물질일 수 있다.
상기 탄화붕소(보론카바이드, boron carbide)는 B4C로 대표되며, 상기 원료물질의 탄화붕소는 분말 형태의 탄화붕소가 적용될 수 있다.
상기 탄화붕소 분말은 D50 기준으로, 약 1.5㎛ 이하의 평균입경을 가질 수 있고, 약 0.3㎛ 내지 약 1.5㎛의 평균 입경을 가질 수 있으며, 약 0.4㎛ 내지 약 1.0㎛의 평균 입경을 가질 수 있다. 또한, 상기 탄화붕소 분말은 D50 기준으로, 약 0.4㎛ 내지 약 0.8㎛의 평균 입경을 가질 수 있다. 평균 입경이 너무 큰 탄화붕소 분말을 적용하는 경우에는 제조된 소결체의 밀도가 낮아지고 내식성이 떨어질 수 있고, 입경이 너무 작은 경우에는 작업성이 떨어지거나 생산성이 낮아질 수 있다.
상기 소결특성개선제는, 상기 원료물질에 포함되어 탄화붕소 소결체의 물성을 향상시킨다. 구체적으로, 상기 소결특성개선제는 카본, 보론 옥사이드, 실리콘, 실리콘 카바이드, 실리콘 옥사이드, 보론 나이트라이드, 보론 나이트라이드, 실리콘 나이트라이드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다.
상기 소결특성개선제는 상기 원료물질 전체를 기준으로 약 0.1 중량% 내지 약 30 중량%로 함유될 수 있고, 1 내지 25 중량%로 함유될 수 있으며, 5 내지 25 중량%로 함유될 수 있다. 상기 소결특성개선제가 상기 원료물질 전체를 기준으로 0.1 중량% 미만으로 포함되는 경우 소결특성 개선 효과가 미미할 수 있고, 30 중량% 초과로 포함되는 경우에는 오히려 소결체의 강도를 떨어뜨릴 수 있다.
상기 원료물질은 상기 소결특성개선제 이외의 잔량으로 탄화붕소 분말 등의 탄화붕소 원료를 포함할 수 있다.
상기 소결특성개선제는 보론 옥사이드, 카본 및 이들의 조합을 포함할 수 있다.
상기 소결특성개선제로 카본이 적용되는 경우, 상기 카본은 수지 형태로 첨가될 수 있고, 상기 수지가 탄화 공정을 통하여 탄화된 형태의 카본으로 적용될 수도 있다. 상기 수지의 탄화 공정은 통상 고분자 수지를 탄화시키는 공정이 적용될 수 있다.
상기 소결특성개선제로 카본이 적용되는 경우, 상기 카본은 1 내지 30 중량%로 적용될 수 있고, 5 내지 30 중량%로 적용될 수 있으며, 8 내지 28중량%로 적용될 수 있고, 13 내지 23 중량%로 적용될 수 있다. 이러한 함량으로 상기 소결특성개선제로 카본을 적용하는 경우, 입자 사이의 네킹 현상이 증가하고 입자 크기가 비교적 크며, 상대밀도가 비교적 높은 탄화붕소 소결체를 얻을 수 있다. 다만, 상기 카본을 30 중량% 초과로 포함하는 경우, 잔류 탄소에 의한 카본영역의 발생으로 정도가 감소할 수 있다.
상기 소결특성개선제는 보론옥사이드를 적용할 수 있다. 상기 보론 옥사이드는 B2O3로 대표되는 것으로, 상기 보론옥사이드를 적용하며 소결체의 기공 내에 존재하는 탄소와의 화학반응 등을 통해 탄화붕소를 생성하고, 잔류 탄소의 배출을 도와 보다 치밀화된 소결체를 제공할 수 있다.
상기 소결특성개선제로 상기 보론 옥사이드와 상기 카본이 함께 적용되는 경우, 상기 소결체의 상대밀도를 보다 높일 수 있으며, 이는 기공 내에 존재하는 카본 영역이 감소하며 보다 치밀도가 향상된 소결체를 제조할 수 있다.
상기 보론 옥사이드와 상기 카본은 1: 0.8 내지 4의 중량비로 적용될 수 있고, 1: 1.2 내지 3의 중량비로 적용될 수 있으며, 1: 1.5 내지 2.5의 중량비로 적용될 수 있다. 이러한 경우 보다 상대밀도가 향상된 소결체를 얻을 수 있다. 보다 구체적으로 상기 원료물질은 상기 보론 옥사이드를 1 내지 9 중량%로, 그리고 상기 카본을 5 내지 15 중량%로 함유할 수 있으며, 이러한 경우 치밀도가 상당히 우수하며 결함이 적은 소결체를 제조할 수 있다.
또한, 상기 소결특성개선제는 그 융점이 약 100℃ 내지 약 1000℃일 수 있다. 더 자세하게, 상기 첨가제의 융점은 약 150℃ 내지 약 800℃일 수 있다. 상기 첨가제의 융점은 약 200℃ 내지 약 400℃일 수 있다. 이에 따라서, 상기 첨가제는 상기 원료 물질이 소결되는 과정에서 상기 탄화붕소 사이로 용이하게 확산될 수 있다.
상기 과립화단계에서 슬러리화를 위해 적용되는 용매는 에탄올 등과 같은 알코올 또는 물이 적용될 수 있다. 상기 용매는 상기 슬러리 전체를 기준으로 약 60 부피% 내지 약 80 부피%의 함량으로 적용될 수 있다.
상기 슬러리화 과정은 볼밀 방식이 적용될 수 있다. 상기 볼밀 방식은 구체적으로 폴리머 볼이 적용될 수 있으며, 상기 슬러리 배합 공정은 약 5시간 내지 약 20시간 동안 진행될 수 있다.
또한, 상기 과립화 공정은 상기 슬러리가 분사되면서, 상기 슬러리에 포함된 용매가 증발 등에 의해서 제거되면서 원료물질이 과립화되는 방식으로 진행될 수 있다. 이렇게 제조되는 과립화된 원료물질 입자는 입자 자체가 전체적으로 둥근 형태를 띄며 비교적 입도가 일정한 특징을 갖는다.
상기 원료물질 입자의 직경은 D50을 기준으로 약 0.3 내지 약 1.5 um일 수 있고, 약 0.4㎛ 내지 약 1.0㎛일 수 있으며, 약 0.4㎛ 내지 약 0.8㎛일 수 있다.
이렇게 과립화된 원료물질 입자를 적용하면, 이후 설명하는 1차성형단계에서 그린바디 제조 시에 몰드에 충진이 용이하고 작업성이 보다 향상될 수 있다.
상기 1차성형단계는 탄화붕소를 함유하는 원료물질을 성형하여 그린바디를 제조하는 단계이다. 구체적으로 상기 성형은 상기 원료물질을 몰드(고무 등)에 넣고 가압하는 방식이 적용될 수 있다. 더 구체적으로, 상기 성형은 냉간 등압방 가압법(Cold Isostatic Pressing, CIP)이 적용될 수 있다.
상기 1차성형단계를 냉간 등압방 가압법을 적용하여 진행하는 경우, 압력은 약 100MPa 내지 약 200MPa으로 적용하는 것이 보다 효율적이다.
상기 그린바디는 제조되는 소결체의 용도에 적합한 크기와 형태를 고려해 제조될 수 있다.
상기 그린바디는, 제조하고자 하는 최종 소결체의 크기보다 다소 큰 크기 형성하는 것이 좋으며, 소결체의 강도가 그린바디의 강도보다 더 강하므로, 소결체의 가공시간을 줄일 목적으로 상기 1차성형단계 이후에 그린바디에서 불필요한 부분을 제거하는 형태가공과정이 더 진행될 수 있다.
상기 소결체형성단계는 상기 그린바디를 탄화 및 소결시켜 탄화붕소 소결체를 제조하는 단계이다.
상기 탄화는 약 600℃ 내지 약 900℃의 온도에서 진행될 수 있고, 이러한 과정에서 그린바디 내의 바인더나 불필요한 이물질 등을 제거될 수 있다.
상기 소결은 약 1800℃ 내지 약 2500℃의 소결 온도에서 약 10시간 내지 약 20시간의 소결시간 동안 유지하는 방식으로 진행될 수 있다. 이러한 소결 과정에서 원료물질 입자간의 성장과 네킹이 진행되고 치밀화된 소결체를 얻을 수 있다.
상기 소결을 구체적으로 승온, 유지, 냉각의 온도 프로파일로 진행될 수 있고, 구체적으로 1차승온-1차온도유지-2차승온-2차온도유지-3차승온-3차온도유지-냉각의 온도 프로파일로 진행될 수 있다.
상기 소결에서 승온 속도는 약 1℃/분 내지 약 10℃/분 일 수 있다. 더 자세하게, 상기 소결에서의 승온 속도는 약 2℃/분 내지 약 5℃/분 일 수 있다.
상기 소결에서, 약 100℃ 내지 약 250℃의 온도가 약 20분 내지 약 40분간 유지될 수 있다. 또한, 상기 소결에서 약 250℃ 내지 약 350℃의 온도 구간이 약 4시간 내지 약 8시간 유지될 수 있다. 또한, 상기 소결에서 약 360℃ 내지 약 500℃의 온도 구간이 약 4시간 내지 약 8시간 유지될 수 있다. 상기와 같은 온도 구간에서 일정 시간 동안 유지되는 경우, 상기 첨가제가 보다 용이하게 확산될 수 있고, 보다 균일한 상의 탄화붕소 소결체를 제조할 수 있다.
상기 소결은 약 1800℃ 내지 약 2500℃의 온도 구간이 약 10시간 내지 약 20시간 유지될 수 있다. 이러한 경우, 보다 견고한 소결체를 제조할 수 있다.
상기 소결에서의 냉각 속도는 약 1℃/분 내지 약 10℃/분 일 수 있다. 더 자세하게, 상기 소결에서의 냉각 속도는 약 2℃/분 내지 약 5℃/분 일 수 있다.
상기 소결체형성단계에서 제조된 탄화붕소 소결체는 추가적으로 면가공 및/또는 형상가공을 포함하는 가공단계를 거칠 수 있다.
상기 면가공은 상기 소결체의 면을 평탄화하는 작업이며, 통상 세라믹을 평탄화하는데 적용되는 방법이 적용될 수 있다.
상기 형상가공은 상기 소결체의 일부를 제거하거나 깍아내서 의도하는 형상을 갖도록 가공하는 과정이다. 상기 형상가공은 상기 탄화붕소 소결체가 치밀도가 우수하고 강도가 강한 점을 고려해, 방전가공의 방식으로 진행될 수 있고, 구체적으로 방전 와이어 가공 방식으로 진행될 수 있다.
구체적으로, 상기 소결체는 수조에 담고, 상기 소결체 및 와이어에 각각 직류 전원이 연결한 후, 상기 와이어가 왕복 운동하면서, 상기 소결체에서 제거하고자 하는 부분을 컷팅할 수 있다. 이때, 상기 직류 전원의 전압은 약 100볼트 내지 약 120볼트일 수 있고, 가공 속도는 약 2mm/분 내지 약 7mm/분일 수 있으고, 와이어 스피드는 약 10rpm 내지 약 15rpm일 수 있고, 와이어의 장력은 약 8g 내지 약 13g일 수 있고, 상기 와이어의 직경은 약 0.1mm 내지 약 0.5mm일 수 있다.
이렇게 제조되는 상기 소결체는 위에서 설명하는 특징을 갖는다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 탄화붕소 소결체의 제조방법은, 준비단계, 배치단계 및 성형단계를 포함한다.
상기 준비단계는, 탄화붕소를 함유하는 원료물질을 성형다이 내에 위치하는 중공에 장입시키는 단계이다.
상기 중공은 원통형 또는 원반형일 수 있고, 서로 그 크기와 높이가 서로 다른 2 이상의 원통형 또는 원반형이 적층된 형태일 수 있다. 구체적으로 상기 중공은 서로 상하로 위치하며 서로 구분되도록 그 크기와 높이에 차이를 갖는 제1중공과 제2중공을 포함할 수 있다. 상기 제1중공의 높이는 상기 제2중공의 높이보다 높은 것일 수 있다. 상기 제1중공의 크기는 상기 제2중공의 크기보다 작은 것일 수 있다.
상기 탄화붕소(보론카바이드, boron carbide)는 B4C로 대표되며, 상기 원료물질의 탄화붕소는 분말 형태의 탄화붕소가 적용될 수 있다.
상기 원료물질은, 탄화붕소 분말을 함유할 수 있고, 탄화붕소 분말 및 첨가제를 함유할 수 있고, 탄화붕소 분말로 이루어질 수 있다. 상기 탄화붕소 분말은 고순도(탄화붕소 함량이 99.9 중량% 이상)이 적용될 수 있고, 저순도(탄화붕소 함량이 95 중량% 이상 99.9 중량% 미만)이 적용될 수 있다.
상기 탄화붕소 분말은 D50 기준으로, 약 1.5㎛ 이하의 평균입경을 가질 수 있고, 약 0.3㎛ 내지 약 1.5㎛의 평균 입경을 가질 수 있으며, 약 0.4㎛ 내지 약 1.0㎛의 평균 입경을 가질 수 있다. 또한, 상기 탄화붕소 분말은 D50 기준으로, 약 0.4㎛ 내지 약 0.8㎛의 평균 입경을 가질 수 있다. 이러한 탄화붕소 분말을 적용하는 경우 보다 공극 형성이 적은 치밀한 구조의 탄화붕소 소결체를 제조할 수 있다.
상기 첨가제는 상기 탄화붕소 소결체에서 그 일부 또는 전부에서 탄화붕소 고용체를 형성하여 탄화붕소 소결체에 기능성을 부여하는 기능성 첨가제일 수 있다.
상기 첨가제는 상기 탄화붕소 소결체의 소결특성을 향상시킬 목적으로 적용되는 소결특성개선제일 수 있다. 상기 소결특성개선제는 카본, 보론 옥사이드, 실리콘, 실리콘 카바이드, 실리콘 옥사이드, 보론 나이트라이드, 실리콘 나이트라이드 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나일 수 있다. 상기 소결특성개선제는 보론 옥사이드, 카본 및 이들의 조합을 포함할 수 있다. 상기 소결특성개선제로 카본이 적용되는 경우, 상기 카본은 수지 형태로 첨가될 수 있고, 상기 수지가 탄화 공정을 통하여 탄화된 형태의 카본으로 적용될 수도 있다. 상기 수지의 탄화 공정은 통상 고분자 수지를 탄화시키는 공정이 적용될 수 있다.
구체적으로, 상기 소결특성개선제는 상기 원료물질 전체를 기준으로 약 30 중량% 이하로 포함될 수 있고, 약 0.001 중량% 내지 약 30 중량%로 함유될 수 있고, 0.1 내지 25 중량%로 함유될 수 있으며, 5 내지 25 중량%로 함유될 수 있다.
상기 소결특성개선제가 상기 원료물질 전체를 기준으로 30 중량% 초과로 포함되는 경우에는 오히려 제조된 소결체의 강도를 떨어뜨릴 수 있다.
상기 다이는 2 이상의 분할된 조각이 서로 결합하여 형성될 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체의 제조방법은 강한 소결압력이 적용될 수 있도록 상기 성형다이로 고온비교적 강도가 강한 그라파이트와 같은 재료로 제조할 수 있고, 필요에 따라 성형다이를 보강하는 보강부를 적용할 수 있다.
상기 배치단계는 상기 다이를 소결로 또는 챔버 내에 장입하고 가압부를 세팅하는 단계이다. 상기 배치단계에서 적용되는 소결로 또는 챔버는 고온가압분위기에서 상기 탄화붕소 소결체를 제조할 수 있는 장치라면 제한없이 적용 가능하다.
상기 성형단계는 상기 다이에 소결온도와 소결압력을 가하여 상기 원료물질로부터 탄화붕소 소결체를 형성하는 단계이다.
상기 다이는 이후 설명하는 것처럼 본 발명의 탄화붕소 소결체가 제조하고자 하는 형상으로 미리 중공을 형성해 비교적 용이하게 의도하는 제품 형태를 갖도록 제조할 수 있다.
상기 소결온도는 약 1800 내지 약 2500 ℃일 수 있고, 약 1800 내지 약 2200 ℃일 수 있다. 상기 소결압력은 약 10 내지 약 110 MPa일 수 있고, 약 15 내지 약 60 MPa일 수 있으며, 약 17 내지 약 30 MPa일 수 있다. 이러한 소결온도와 소결압력 하에서 상기 성형단계를 진행하는 경우, 보다 효율적으로 고품질의 탄화붕소 소결체를 제조할 수 있다.
상기 소결시간은 0.5 내지 10 시간이 적용될 수 있고, 0.5 내지 7 시간이 적용될 수 있으며, 0.5 내지 6 시간이 적용될 수 있다.
상기 소결시간은 상압에서 진행하는 소결 공정과 비교하여 상당히 짧은 시간이며, 이렇게 짧은 시간을 적용하더라도 동등 또는 더 우수한 품질을 갖는 소결체를 제조할 수 있다.
상기 성형단계는 환원분위기에서 진행될 수 있다. 상기 성형단계가 환원분위기에서 진행되는 경우, 탄화붕소 분말이 공기 중의 산소와 반응하여 형성될 수 있는 보론 옥사이드와 같은 물질들을 환원시켜 탄화붕소 함량이 보다 높아진 탄화붕소 소결체를 제조할 수 있다.
상기 성형단계는 상기 소결로 내의 입자들 사이의 간극에 스파크를 발생시키며 진행될 수 있다. 이러한 경우, 다이는 가압부와 연결된 전극에 의해 상기 다이로 펄스 상의 전기에너지를 인가하는 방식으로 진행될 수 있다. 이렇게 펄스 상의 전기에너지를 인가하면서 상기 성형단계를 진행하는 경우, 상기 전기에너지에 의해 보다 단시간에 상기 치밀상의 소결체를 얻을 수 있다.
상기 성형단계에서 소결온도의 최고 온도 구간은 약 1900℃ 내지 약 2200℃일 수 있고, 약 2시간 내지 약 5시간 동안 유지될 수 있다. 이때, 상기 다이에 가해지는 압력은 약 15 MPa 내지 약 60 MPa일 수 있다. 더 자세하게, 상기 다이에 가해지는 압력은 약 17 MPa 내지 약 30MPa일 수 있다.
구체적으로, 상기 성형단계가 스파크플라즈마소결장치에서 진행되는 경우, 챔버 내의 승온이 진행되고, 이와 함께 또는 별도로 다이에 가압이 진행되어 소결이 진행될 수 있다. 이 때, 상기 챔버 내에 인가되는 전기에너지가 상기 원료물질의 소결을 촉진할 수 있으며, 예를 들어 직류펄스전류를 인가할 수 있다.
본 발명의 또 다른 일 실시예에 따른 탄화붕소 소결체의 제조방법은, 기판과 가스상 물질을 준비하는 준비단계 및 상기 기판 탄화붕소 층을 증착하는 증착단계를 포함한다.
상기 탄화붕소 소결체는 증착 공정에 의해서 제조될 수 있다. 예를 들어, 기상증착벌크는 CVD와 같은 기상증착법에 의해 기판의 표면 또는 전부를 제조할 수 있다. 구체적으로, 상기 탄화붕소 소결체를 CVD 방식(CVD 기상증착벌크 제조방식)으로 적용하는 경우, 상기 탄화붕소 소결체는 기판 상에 CVD 탄화붕소(BC) 증착, 기판 제거, 형상 가공, 폴리싱, 측정 및 세정의 과정을 포함하여 제조될 수 있다.
상기 CVD 탄화붕소 증착 과정은 기판(주로 흑연)에 탄화붕소 증착막을 형성하는 과정이다. 가스상의 물질이 기판 상에 물리적으로 증착되도록 하는 방식으로 증착이 충분히 진행된 뒤에는 기판이 제거될 수 있다.
형상가공과정은 기계적인 가공으로 탄화붕소 소결체가 미리 정해진 형상을 갖도록 완성하는 과정이다. 폴리싱과정은 표면 조도를 매끄럽게 하는 과정이며, 이후에 품질을 확인하고 오염물을 제거한다. 본 발명의 범주 내에서 상기 공정 중에 일부는 생략되거나, 다른 공정이 추가될 수 있다.
상기 CVD 공정에는 가스상 물질로 보론 소스 기체 및 카본 소스 기체가 사용될 수 있다. 상기 CVD 공정에 적용되는 보론 소스 기체는 B2H6, BCl3, BF3 및 이들의 조합으로 이루어진 군에서 선택된 어느 하나를 함유할 수 있다. 또한, 상기 CVD 공정에 사용되는 카본 소스 기체는 CF4를 함유할 수 있다.
예를 들어, 상기 탄화붕소 소결체는 보론 프리커서로 B2H6를 사용하여, 증착온도는 500 내지 1500℃로 하여 화학기상증착 장치로 증착한 것일 수 있다.
상기 탄화붕소 소결체의 형성을 위해, 다양한 증착 또는 코팅 공정이 적용될 수 있다. 기판 등에 탄화붕소 코팅층을 후막으로 코팅하는 방법은 제한이 없으며, 물리기상증착법, 상온분사법, 저온분사법, 에어졸 분사법, 플라즈마 용사법 등이 있다.
상기 물리기상증착법은 예를 들어, 탄화붕소 타겟(target)을 아르곤(Ar) 가스 분위기에서 스퍼터링(sputtering)할 수 있다. 물리기상증착법으로 형성된 코팅층은 후막 PVD 탄화붕소 코팅층이라고 할 수 있다.
상기 상온분사법은 상온에서 탄화붕소 분말에 압력을 가하여 복수개의 토출구를 통하여 모재에 분사하여 탄화붕소 소결체층을 형성할 수 있다. 이때, 탄화붕소 분말은 진공과립 형태를 사용할 수 있다. 상기 저온분사법은 대략 상온보다 60℃ 정도보다 높은 온도에서, 압축가스의 유동에 의해 탄화붕소 분말을 복수개의 토출구를 통하여 모재에 분사하여 코팅층 형태의 탄화붕소 소결체를 형성할 수 있다. 상기 에어졸 분사법은 폴리에틸렌글리콜, 이소프로필알코올 등과 같은 휘발성 용매에 탄화붕소 분말을 혼합하여 에어졸 형태로 만든 후, 상기 에어졸을 모재에 분사하여 탄화붕소 소결체를 형성하는 것이다. 상기 플라즈마 용사법은 고온의 플라즈마 제트 속에 탄화붕소 분말을 주입시킴으로서 플라즈마 제트 속에서 용융된 상기 분말을 초고속으로 모재에 분사하여 탄화붕소 소결체를 형성한다.
이렇게 제조되는 탄화붕소 소결체는 위에서 설명한 물성을 가지며, 상기 방법에 따르면 우수한 물성을 갖는 탄화붕소 소결체를 보다 빠른 시간 내에 제조할 수 있다.
이하, 구체적인 실시예를 통해 본 발명을 보다 구체적으로, 설명한다. 하기 실시예는 본 발명의 이해를 돕기 위한 예시에 불과하며, 본 발명의 범위가 이에 한정되는 것은 아니다.
1. 제조예 1 내지 8의 탄화붕소 소결체의 제조
탄화붕소 입자(입도, D50 = 0.7㎛), 탄소 등의 원료물질과 용매를 슬러리배합기에 넣고 볼밀 방식으로 혼합해 슬러리화된 원료물질을 제조하였다. 이 슬러리화된 원료물질을 분무 건조시켜 과립화여 과립화된 원료물질을 제조했다.
이 원료물질을 각각 고무 몰드에 충진하고 CIP 기기에 로딩한 후 가압하여 그린바디를 각각 제조했다. 이 그린바디는 탄화과정을 거쳐 오염물질 등을 제거하고, 소결로에서 상압소결하여 각 제조예의 소결체를 제조했다.
2. 제조예 9의 탄화붕소 소결체의 제조
탄화붕소 입자(입도 D50 = 0.7㎛)를 다이에 충진하고, 가압성형장비에 장입한 후, 아래 표 1에 제시된 온도, 압력 및 시간으로 소결하여 제조예 9의 소결체를 제조하였다.
각 제조예에 적용한 원료물질의 함량과 소결 온도 및 시간은 아래 표 1에 정리했다.
제조예 # 소결특성
개선제1* (중량%)		 소결특성
개선제2**
(중량%)		 탄화붕소 분말(중량%) 소결온도
(℃		 소결시간
(시간)		 압력
(Mpa)
1 0 0 100 2380 10 상압
2 5 0 잔량 2380 10 상압
3 15 0 잔량 2380 10 상압
4 20 0 잔량 2380 10 상압
5 20 0 잔량 2380 15 상압
6 10 0 잔량 2380 15 상압
7 0 10 잔량 2380 15 상압
8 10 5 잔량 2380 15 상압
9 0 0 100 1950 5 25
* 소결특성개선제1로는 탄소를 적용함.
** 소결특성개선제2로는 보론옥사이드를 적용함.
3. 비교예 1 및 비교예 2
비교예 1로, CVD 방식으로 제조한 SiC를 적용했다. 구체적으로, 탄화규소 모재층 일측면에 모재층과 동일한 성분인 화학기상증착 탄화규소(chemical vapor deposition silicon carbide, CVD-SiC)층을 형상하는 방법으로 비교예 1의 SiC를 제조했다.
비교예 2로, 단결정 실리콘를 적용했다.
4. 물성의 평가
(1) 상대밀도평가 및 표면관찰
상대밀도(%)는 아르키메데스법으로 측정했다. 그 결과를 아래 표 2에 나타냈다. 또한, 표면특성은 전자현미경으로 관찰했고, 각각이 표면 특성을 첨부 도면에 제시했다. "-" 표시는 측정하지 않음을 의미한다.
제조예 # 소결특성
개선제 합		 소결온도
(℃		 소결시간
(시간)		 상대밀도
(%)		 소결특성개선제 종류 표면관찰
1 0 2380 10 63.77 탄소 -
2 5 2380 10 77.38 탄소 도 1의 (a)
3 15 2380 10 90.4 탄소 도 1의 (b)
4 20 2380 10 90.76 탄소 도 2의 (a)
5 20 2380 15 93.11 탄소 도 2의 (b)
6 10 2380 15 94.14 탄소 도 3의 (a)
7 10 2380 15 95.42 보론옥사이드 도 3의 (b)
8 15 2380 15 97.43 혼합 -
9 0 1950 5 99.9 미적용 -
상기 표 2를 참고하면, 제조예 1 내지 4를 참조하면 동일하게 탄소를 소결특성개선제를 적용하는 경우에 약 20 중량%까지는 그 적용양이 증가할수록 동일한 조건에서 제조되는 소결체의 상대밀도가 증가하는 것을 확인했다. 즉, 탄소를 소결특성개선제로 적용하는 경우, 12 내지 23의 중량% 범위로 적용시에 특히 높은 상대밀도를 얻을 수 있었다.
또한, 제조예 5와 6의 결과를 제조예 1 내지 4의 결과와 비교하면, 소결시간이 증가하면 상대밀도가 증가되는 것을 확인했으며, 이러한 경우에는 오히려 소결특성개선제 적용량을 줄인 경우가 오히려 소결특성이 더 향상될 수 있다는 점도 확인했다.
제조예 9의 경우 별도의 소결특성개선제를 적용하지 않고 가압소결하였고, 소결 특성이 상당히 우수한 탄화붕소 소결체를 얻을 수 있었다.
소결체의 표면을 관찰한 도 1 내지 3을 참고하여도, 상대밀도가 증가할수록 네킹현상이 증가하고 밀도가 치밀화 된다는 점을 확인할 수 있었다.
(2) 열전도율, 저항특성 및 식각률 특성
열전도율[W/(m*k)]은 Laser Flash Apparatus(LFA457)으로 측정했다.
저항 특성(Ωㆍcm)은 비저항 표면저항 측정기(MCP-T610) 으로 측정했다.
식각률 특성(%)은, TEL 플라즈마 장비에 2000W의 RF power를 적용하여 동일한 온도와 분위기 하에서 진행했다.
상기 물성평가 결과를 아래 표 3와 표 4에 각각 나타냈다.
제조예 # 25도씨
열전도율		 400도씨
열전도율		 800도씨
열전도율		 HD25:HD800
비율		 표면관찰
1 - - - - -
2 - - - - 도 1의 (a)
3 - - - - 도 1의 (b)
4 - - - - -
5 31.665 22.481 16.625 0.525 도 2의 (a)
6 30.269 21.144 15.684 0.518 도 2의 (b)
7 - - - - 도 3의 (a)
8 - - - - 도 3의 (b)
9 23.659 9.419 7.497 0.269 -
비교예 1 265.526 116.373 68.312 0.257 -
비교예 2 - - - (계산값) -
제조예 # 저항(비저항, Ωㆍcm) 식각률
(%) (1)		 식각률
(%) (2)		 불소이온
파티클형성여부		 식각률(1)전후
표면관찰
5 3.21*10-1 86.22 - X 식각전: 도 4의 (a)식각후: 도 4의 (b)
6 1.85*10-1 - - X -
8 6.832*10-1 61.54 40 X 식각전: 도 5의 (a)식각후: 도 5의 (b)
9 1.706*100 59.39 36 X -
비교예 1 - 100 62 X -
비교예 2 - - 100 X -
위의 실험 결과들을 참고하면, 소결특성개선제를 적용하지 않은 제조예 1과 비교하여, 제조예 2 내지 8의 상태밀도 특성이 더 높은 것을 확인할 수 있었으나, 동일한 소결특성개선제를 넣는 용량에 비례해서 상대밀도가 높아지는 것은 아닌 것으로 나타났고, 실험 결과 25 중량% 탄소를 적용한 경우 20 중량% 탄소를 적용한 경우와 비교해 오히려 상대밀도가 떨어지는 것으로 확인되었다.
보론 옥사이드를 소결특성개선제로 적용하는 실시예 7의 경우가 동량의 탄소를 적용한 실시예 6과 비교하여 더 높은 상대밀도를 가졌으며, 탄소와 보론옥사이드를 함께 적용한 실시예 8의 경우가 소결 조건을 동일하게 적용한 실시예 5 내지 7과 비교했을 때 월등하게 우수한 상대밀도 값을 가졌다. 또한, 표면특성을 관찰한 결과들을 보아도 탄소 영역이 고르게 전체적으로 퍼져 있어서 기공에 존재하는 비교적 크기가 큰 탄소영역은 나타나지 않거나 그 발생 밀도가 현저하게 줄어든 것을 확인할 수 있었다.
이렇게 제조된 샘플들은 일정한 범위의 열전도율 특성을 가지며, 탄화규소나 실리콘과 비교해서 월등하게 우수한 식각률을 나타내, 내식성도 상당히 우수한 것으로 평가되었다. 특히, 제조방법을 달리한 제조예 9의 경우 가장 우수한 내식각 특성을 보였고, 유사한 제조방법으로 제조한 제조예 1 내지 8 중에서는 제조예 8이 상당히 우수한 결과를 보여주었으며, 이러한 결과들은 모두 CVD-SiC나 Si와 비교하여 월등하게 우수한 결과라고 생각된다.
이상에서 본 발명의 바람직한 실시예에 대하여 상세하게 설명하였지만 본 발명의 권리범위는 이에 한정되는 것은 아니고 다음의 청구범위에서 정의하고 있는 본 발명의 기본 개념을 이용한 당업자의 여러 변형 및 개량 형태 또한 본 발명의 권리범위에 속하는 것이다.

Claims (6)

  1. 탄화붕소 함유 입자가 네킹된 것으로, 400 ℃에서 측정한 열전도도 값이 27W/(m*k) 이하이고, 25 ℃에서 측정한 열 전도도 값을 1로 보았을 때, 800 ℃에서 측정한 열전도도 값이 0.2 내지 3의 비율인, 탄화붕소 소결체.
  2. 제1항에 있어서,
    표면 또는 단면에서 관찰되는 기공의 직경이 10㎛ 이상인 부분의 면적이 5% 이하인, 탄화붕소 소결체.
  3. 제1항에 있어서,
    플라즈마 식각장비 내에서 불소 이온 또는 염소 이온과 접촉하여 파티클을 형성하지 않는, 탄화붕소 소결체.
  4. 제1항에 있어서,
    CVD-SiC 대비 70 % 이하의 식각률을 갖는, 탄화붕소 소결체.
  5. 제4항에 있어서,
    상기 식각률은 플라즈마 장비에서 RF 전력 2,000W로 노출시간을 280 hr을 적용하는 동일한 조건에서 식각 정도를 비교한 것인, 탄화붕소 소결체.
  6. 제1항에 따른 탄화붕소 소결체를 적어도 그 일부에 포함하는 식각 장치.
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102216815B1 (ko) * 2020-07-02 2021-02-18 주식회사 티씨케이 탄화붕소 내플라즈마 부재를 포함하는 반도체 제조용 부품
KR20220114929A (ko) * 2021-02-09 2022-08-17 주식회사 티씨케이 탄화붕소 내플라즈마 부재를 포함하는 반도체 제조용 부품
WO2024010100A1 (ko) * 2022-07-04 2024-01-11 주식회사 티씨케이 탄화붕소 내플라즈마 부재를 포함하는 반도체 제조용 부품

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102364295B1 (ko) 2020-02-28 2022-02-21 한국과학기술연구원 탄화붕소 복합재료 및 그의 제조방법
KR102249470B1 (ko) * 2020-05-19 2021-05-07 비씨엔씨 주식회사 입자성장을 억제한 고밀도 보론카바이드 세라믹 제조방법 및 제조된 세라믹 소결체
KR102262340B1 (ko) * 2020-07-02 2021-06-09 주식회사 티씨케이 탄화붕소 소재
US20220068614A1 (en) * 2020-08-28 2022-03-03 Coorstek Kk Semiconductor manufacturing member and manufacturing method therefor
KR102320333B1 (ko) 2021-05-25 2021-11-03 (주)케이디엠씨 플라즈마 강화 화학 기상증착 장비용 중대형 세라믹 부품의 제조방법 및 이에 의해 제조되는 플라즈마 강화 화학 기상증착 장비용 중대형 세라믹 부품
CN113345615B (zh) * 2021-05-31 2022-12-27 中国工程物理研究院材料研究所 一种石蜡/碳化硼中子防护复合材料及制备方法
KR102419521B1 (ko) * 2021-08-26 2022-07-12 비씨엔씨 주식회사 보론카바이드 소결체 제조 장치
KR102419533B1 (ko) * 2021-11-25 2022-07-11 비씨엔씨 주식회사 파티클 발생 최소화에 유리한 치밀한 보론카바이드 재질의 반도체 제조공정용 엣지링 및 그 제조방법
KR20240059212A (ko) * 2022-10-27 2024-05-07 솔믹스 주식회사 소결체 및 이를 포함하는 부품
KR20240071121A (ko) * 2022-11-15 2024-05-22 솔믹스 주식회사 소결체 및 이를 포함하는 부품
KR102567529B1 (ko) * 2022-11-18 2023-08-14 에스케이엔펄스 주식회사 포커스 링, 이의 제조방법, 이를 포함하는 반도체 소자 제조 장치 및 반도체 소자의 제조 방법
KR102566972B1 (ko) * 2022-11-18 2023-08-16 에스케이엔펄스 주식회사 반도체 소자 제조 장치용 부품, 이의 제조방법, 이를 포함하는 반도체 소자 제조 장치 및 반도체 소자의 제조 방법

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0821397A2 (en) * 1996-07-26 1998-01-28 Applied Materials, Inc. Silicon carbide composite article particularly useful for plasma reactors
KR100588265B1 (ko) * 1996-12-19 2006-08-30 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 플라즈마반응기내의탄화붕소요소및코팅부
KR20100033696A (ko) 2008-09-22 2010-03-31 충남대학교산학협력단 자전연소반응을 이용한 탄화붕소 분말의 제조방법
KR20140147892A (ko) 2012-04-16 2014-12-30 후아송 시아 탄화붕소의 고분자 섬유

Family Cites Families (26)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPH03268303A (ja) * 1990-03-16 1991-11-29 Tdk Corp サーミスタ材料およびサーミスタ素子
JP3500278B2 (ja) * 1997-09-29 2004-02-23 京セラ株式会社 半導体製造用耐食性部材
JP3667062B2 (ja) * 1997-12-01 2005-07-06 京セラ株式会社 炭化ホウ素焼結体の製造方法
JPH11279761A (ja) * 1998-03-31 1999-10-12 Kyocera Corp 耐食性部材
US6123791A (en) * 1998-07-29 2000-09-26 Applied Materials, Inc. Ceramic composition for an apparatus and method for processing a substrate
JP2000302551A (ja) 1999-04-15 2000-10-31 Denki Kagaku Kogyo Kk リチウム二次電池負極用炭素材料及び黒鉛化促進剤
JP3865973B2 (ja) * 1999-06-29 2007-01-10 京セラ株式会社 ウエハ加熱装置
KR100419778B1 (ko) 2001-02-16 2004-02-21 한국에너지기술연구원 액상 반응소결에 의한 탄화규소-탄화붕소 복합체 제조방법
JP3561476B2 (ja) * 2001-03-08 2004-09-02 独立行政法人産業技術総合研究所 炭化硼素−二硼化クロム焼結体とその製造方法
JP2005018992A (ja) 2003-06-23 2005-01-20 Ibiden Co Ltd プラズマ発生装置用電極埋設部材
KR100802328B1 (ko) 2005-04-07 2008-02-13 주식회사 솔믹스 내마모성 금속기지 복합체 코팅층 형성방법 및 이를이용하여 제조된 코팅층
KR100722484B1 (ko) * 2005-07-21 2007-05-28 주식회사 혁신전공사 에스에스알 모듈을 이용한 철도 신호기 제어용 전용카드
JP2007247743A (ja) * 2006-03-15 2007-09-27 Nissan Motor Co Ltd 電磁遮断弁およびその制御方法
JP4854482B2 (ja) * 2006-11-29 2012-01-18 京セラ株式会社 炭化硼素質焼結体およびその製造方法
TWI427334B (zh) * 2007-02-05 2014-02-21 Zeiss Carl Smt Gmbh Ｅｕｖ蝕刻裝置反射光學元件
KR20090093819A (ko) 2008-02-28 2009-09-02 코바렌트 마테리얼 가부시키가이샤 플라즈마 처리 장치에 이용되는 소결체 및 부재
WO2011099466A1 (ja) * 2010-02-09 2011-08-18 住友大阪セメント株式会社 焼結体及びその製造方法
CN102503429B (zh) 2011-10-17 2014-06-25 宁波伏尔肯机械密封件制造有限公司 常压烧结碳化硼陶瓷的制备方法
JP2015115421A (ja) * 2013-12-10 2015-06-22 東京エレクトロン株式会社 プラズマ処理装置及びフォーカスリング
KR101723675B1 (ko) 2015-04-30 2017-04-06 (주)단단 전기전도성 탄화규소-질화붕소 복합 소재 제조용 조성물 및 이를 이용한 전기전도성 탄화규소-질화붕소 복합 소재의 제조방법
JP6769439B2 (ja) 2015-09-03 2020-10-14 住友大阪セメント株式会社 フォーカスリング、フォーカスリングの製造方法
JP2017135159A (ja) * 2016-01-25 2017-08-03 学校法人同志社 炭化ホウ素セラミックスからなる熱電素子及びその製造方法
CN105924176A (zh) 2016-04-25 2016-09-07 北京理工大学 碳化硼基复相陶瓷及其放电等离子烧结制备方法
KR20180080520A (ko) * 2017-01-04 2018-07-12 삼성전자주식회사 포커스 링 및 이를 포함하는 플라즈마 처리 장치
KR20180093814A (ko) * 2017-02-14 2018-08-22 에스케이씨솔믹스 주식회사 보론카바이드를 포함하는 플라즈마 처리장치 및 그 제조방법
KR102104158B1 (ko) * 2017-04-19 2020-04-23 에스케이씨솔믹스 주식회사 반응 결합 보론카바이드를 포함하는 플라즈마 처리장치 및 그 제조방법

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0821397A2 (en) * 1996-07-26 1998-01-28 Applied Materials, Inc. Silicon carbide composite article particularly useful for plasma reactors
KR100588265B1 (ko) * 1996-12-19 2006-08-30 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드 플라즈마반응기내의탄화붕소요소및코팅부
KR20100033696A (ko) 2008-09-22 2010-03-31 충남대학교산학협력단 자전연소반응을 이용한 탄화붕소 분말의 제조방법
KR20140147892A (ko) 2012-04-16 2014-12-30 후아송 시아 탄화붕소의 고분자 섬유

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
A.K.Suri et al., "Synthesis and consolidation of boron carbide:a review", International Materials Reviews, Vol.55, No.1, pp.4-40, 2010.12.* *
M.Bouchacourt et al., "The correlation between the thermoelectric properties and stoichiometry in the boron carbide phase B4C-B10.5C", Journal of Materials Science, vol.20, pp.1237-1247, 1985.12.31.* *

Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
KR102216815B1 (ko) * 2020-07-02 2021-02-18 주식회사 티씨케이 탄화붕소 내플라즈마 부재를 포함하는 반도체 제조용 부품
KR20220114929A (ko) * 2021-02-09 2022-08-17 주식회사 티씨케이 탄화붕소 내플라즈마 부재를 포함하는 반도체 제조용 부품
WO2024010100A1 (ko) * 2022-07-04 2024-01-11 주식회사 티씨케이 탄화붕소 내플라즈마 부재를 포함하는 반도체 제조용 부품

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