KR20220074616A - 탄화규소와 흑연소재의 접합방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄화규소와 흑연소재의 접합방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는, a) 탄화규소 또는 흑연에 열경화성수지 화학용액을 도포하는 단계; b) 탄화규소와 흑연을 압착하는 단계; 및 c) 압착된 탄화규소와 흑연을 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화규소와 흑연소재의 접합방법을 제공한다.

Description

탄화규소와 흑연소재의 접합방법{Combining method of SiC and Carbon materials}

본 발명은 탄화규소와 흑연소재의 접합방법에 관한 것으로서, 보다 상세하게는 탄화규소와 흑연소재를 열경화성수지 화학용액을 이용하여 1차 접합한 후, 열처리하여 탄화규소와 흑연소재를 공고히 접합함으로써, 탄화규소 종결정을 흑연소재인 인상봉에 붙여서 결정 성장을 수행하는 경우, 탄화규소 종결정과 흑연소재인 인상봉간의 열팽창계수 차이에 의하여 탄화규소 종결정이 탈락하는 문제점을 해소할 수 있다.

탄화규소 단결정을 성장시키기 위한 방법들은 대체로 흑연재질의 인상봉에 탄화규소 종결정을 접합시킨 후, 액상상태의 규소와 흑연에서 액상상태의 규소로 융해된 탄소를 각각 원료로 하여 결정을 성장시키는 방법을 채택하고 있다.

여기서, 탄화규소 종결정과 흑연재질의 인상봉을 접합하는데 있어서, 통상 탄소재질의 페이스트(carbon paste)를 사용한다. 탄소재질의 페이스트는 이러한 경우에 사용되는 보편적인 접착제이다. 그러나, 탄소재질의 페이스트로 인상봉과 탄화규소 종결정을 접합하는 경우, 인상봉과 페이스트 재질인 흑연과 탄화규소간의 열팽창계수 차이가 문제가 되며, 이러한 열팽창계수의 차이를 극복하지 못하고 탄화규소 종결정이 인상과정에서 인상봉으로부터 탈락하는 문제점이 제기되어 왔다.

흑연의 열팽창계수는 결정성장 온도인 1900℃의 온도환경에서 6.1~6.6×10^-6/℃이며, 4H-SiC의 경우 4.6×10^-6/℃로서, 1.5×10^-6/℃ 이상의 차이가 존재한다.

즉, 탄화규소와 흑연은 물질 고유의 열팽창계수를 가지며, 고온으로의 가열시 서로 다른 열팽창계수로 인하여 두 물질이 접합된 경우 일방은 압축응력을, 타방은 인장응력을 받게 된다. 통상 흑연의 열팽창계수가 탄화규소에 비하여 더 크므로, 탄화규소 종결정은 인장응력을 받게 되고, 인장응력이 축적되는 경우 균열이 발생하거나 결합력이 낮은 경우 응력을 해소하기 위하여 흑연으로부터 이탈된다.

이와 같이 탄화규소 종결정이 흑연재질의 인상봉으로부터 이탈되는 경우, 특히 결정성장 중에 이와 같은 일이 발생되는 경우에는 단결정괴를 완성하지 못하고 처음부터 다시 제작하여야 하는 경우가 발생된다.

그러므로, 고온의 단결정 성장 환경에서 사용하기 적합한 탄화규소 종결정과 흑연재질의 인상봉간 접합재를 도입하는 것이 필요하다.

본 발명은 전술한 문제점을 해결하기 위하여 안출된 것으로서, 본 발명의 목적은 탄소 페이스트 대신 열경화성수지 화학용액을 접착제로 사용하였으며, 이를 이용하여 탄화규소 종결정과 흑연 인상봉을 접합한 후 열처리과정을 통하여 접합강도를 높이도록 하는 탄화규소와 흑연소재의 접합방법을 제공하는 것이다.

본 발명의 다른 목적은 접합강도 뿐만 아니라, 고온에서의 열팽창계수 차이를 고분자 접착제가 완충함으로써, 탄화규소 종결정과 흑연 인상봉간의 열팽창계수 차이에도 불구하고 탄화규소 종결정이 흑연 인상봉으로부터 이탈되지 않도록 하는 탄화규소와 흑연소재의 접합방법을 제공하는 것이다.

본 발명은 전술한 목적을 달성하기 위하여, a) 탄화규소 또는 흑연에 열경화성수지 화학용액을 도포하는 단계; b) 탄화규소와 흑연을 압착하는 단계; 및 c) 압착된 탄화규소와 흑연을 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화규소와 흑연소재의 접합방법을 제공한다.

a) 단계 이후에 탄화규소 또는 흑연상의 열경화성수지 화학용액을 평탄화하는 단계;를 더 포함하는 것이 바람직하다.

도포 후 평탄화까지의 시간은 0분 초과 5분 미만인 것이 바람직하다.

도포 후 평탄화를 하지 않는다면 접합면이 비균질하게 발생하여 그로 인해 접합물질(흑연 및 SiC)에 의도치않은 외부응력이 가해져 파손의 여지가 있기 때문이며, 평탄화를 5분 미만으로 상한시간을 정한 이유는, 평탄화 작업이 5분을 넘어가게되면 공기와 접촉하고 있는 화학용액의 표면이 경화되어 결과적으로 접합면이 비균일해지는 현상을 초래하기 때문이다.

a) 단계 이후에 열경화성수지 화학용액이 도포된 탄화규소 또는 흑연을 진공환경에 방치하는 것이 바람직하다.

상기 진공도는 0.04~0.07MPa인 것이 바람직하다.

진공도가 0.07 Mpa 이상으로 유지될 경우 흑연에 도포된 열경화성수지 화학용액 표면에 기포가 발생하여 접합 특성이 저하되는 현상이 발생하기 때문이며, 만약 0.04 Mpa 이하로 진공도가 유지된다면 열경화성수지 화학용액이 지나치게 빠른 속도로 경화되어 접합 특성이 저하되는 문제점이 있다.

상기 진공상태에서 5~7시간 방치하는 것이 바람직하다.

도포 직후의 열경화성수지 화학용액은 액체상태이기 때문에 점도가 낮아 접합에 용이하지 않은 상태이므로, 접합에 적절한 점도와 탄성을 갖는 성질로 변화시키기 위한 최적조건이 5~7시간으로 설정됨을 실험적으로 확인하였다.

상기 진공상태에서 6시간 방치하며, 이 때, 0.04MPa에서 2시간, 0.05MPa에서 2시간, 0.06MPa에서 1시간 0.07MPa에서 1시간 유지하여 수행하는 것이 바람직하다.

상기 b)단계에서 압착은 1.0~9.0 kgf/cm²의 압력으로 이루어지는 것이 바람직하다. 압착 압력이 9.0 kgf/cm² 을 넘어가면, SiC가 파손될 우려가 있으며, 압착 압력이 1.0 kgf/cm² 이하로 유지된다면 흑연과 SiC가 적절히 압착되지 못하여 공극이 발생하게 되고, 이와 같은 공극내에 기포가 잔류하게 되면서 결과적으로 접착력이 저하되는 문제점이 있다.

상기 c)단계에서 열처리는 상온에서 45~55℃까지 승온한 후 그 온도에서 유지하고, 이후 승온하여 500~600℃에서 유지한 후 냉각하는 과정에 의하는 것이 바람직하다.

상온에서 45~55℃까지 열처리를 하는 이유는 초기에 액체상태의 열경화성수지 화학용액 내의 수분이 상온에서 증발되는 속도가 매우 느리기 때문에 이를 촉진하기 위해 열을 가해주는 것이 좋은데, 이 때 증발 속도가 너무 빠르거나 느리지 않도록 적절히 제어해야만 경화되는 과정에서 물질 고유의 높은 접착 특성을 유지할 수 있기 때문이다. 이후 열경화성수지 화학용액이 적절한 굳기를 갖게 되면, 열경화성수지 화학용액이 횡방향으로 최대한 고르게 분포할 수 있도록 하여서 흑연과 SiC 접합면 사이에 잔류하는 기공을 최대한 바깥으로 밀어낼 수 있도록 해야하는데 이 때 적정온도가 500~600℃이다.

상기 45~55℃에서의 유지시간은 20분~1시간이며, 500~600℃에서의 유지시간은 1시간 30분~2시간 30분인 것이 바람직하다.

열경화성수지 화학용액의 농도 및 접합에 필요한 적정시간에 따른다.

상기 c) 단계 이후에 냉각하는 단계를 포함하며, 상기 냉각시 진공환경에서 냉각하는 것이 바람직하다.

상기 냉각하는 단계는 5~7시간 동안 수행되는 것이 바람직하다.

600℃ 고온에서 추가적인 주변냉각부 없이 상온(25℃로 가정)까지 자유온도하강시 위와 같은 시간 범위가 소요된다.

상기 열경화성수지 화학용액은 포토레지스트(photoresist)인 것이 바람직하다.

상기 열경화성수지 화학용액은 페놀기를 포함하는 것이 바람직하다.

상기 열경화성수지 화학용액의 도포 두께는 45~55㎛인 것이 바람직하다.

이상과 같은 본 발명에 따르면, 탄소 페이스트 대신 열경화성수지 화학용액을 접착제로 사용하였으며, 이를 이용하여 탄화규소 종결정과 흑연 인상봉을 접합한 후 열처리과정을 통하여 접합강도를 높일 수 있는 효과를 기대할 수 있다.

또한, 본 발명은 접합강도 뿐만 아니라, 고온에서의 열팽창계수 차이를 고분자 접착제가 완충함으로써, 탄화규소 종결정과 흑연 인상봉간의 열팽창계수 차이에도 불구하고 탄화규소 종결정이 흑연 인상봉으로부터 이탈되지 않도록 하는 효과를 기대할 수 있다.

도 1은 서로 접합된 흑연과 탄화규소의 열팽창계수 차이에 따른 거동을 나타내는 모식도이다.
도 2는 본 발명의 일 실시예에 의하여 접합된 바 형태의 흑연과 탄화규소의 3점 굽힘 강도 시험에 관한 모식도이다.
도 3은 도 2의 시험을 수행한 장비의 사진이다.
도 4는 도 2의 시험을 수행한 결과 흑연이 파단된 것을 보여주는 사진이다.
도 5는 도 2의 강도시험 결과를 나타내는 그래프이다.
도 6은 다양한 접착제를 이용하여 도 2의 시험을 수행하고 그 결과를 나타내는 그래프이다.
도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 열처리 공정도이다.
도 8은 도 7의 열처리 공정에서 열처리 스케줄을 나타내는 도면이다.

이하에서는 본 발명을 첨부되는 도면과 바람직한 실시예를 기초로 보다 상세히 설명하기로 한다.

본 발명은 실시예로서, 탄화규소 단결정의 성장을 위한 탄화규소 종자정과 흑연재질의 인사봉간 접합을 제시하였으나, 이보다 더 확장하여 탄화규소와 흑연간의 접합에도 적용될 수 있는 것으로 이해되어야 한다.

본 발명에서 일 실시예로서 제시하는 '페놀기를 포함하고 있는 열경화성수지 화학용액' 은 한번 형태가 고정되면 다시 변경할 수 없지만, 특성상 움직일 수 없는 단단한 고체가 아니라 실리콘과 같이 탄성력이 남아있기 때문에, 온도에 따른 팽창/수축률이 매우 큰 흑연과 온도에 따른 팽창/수축률이 흑연보다 낮은 SiC 사이에서 수축팽창에 의해 발생하는 물체의 휩현상과 같은 응력을 완화시켜주는 효과를 가질 수 있다. 접합강도가 매우 높다는 것은 이와 같은 온도에 따른 열팽창응력에 대한 임계점이 높아서 접합물질로부터 쉽게 탈착되지 않고 유지될 수 있음을 의미한다.

도 1은 서로 접합된 흑연과 탄화규소의 열팽창계수 차이에 따른 거동을 나타내는 모식도이며, 도 2는 본 발명의 일 실시예에 의하여 접합된 바 형태의 흑연과 탄화규소의 3점 굽힘 강도 시험에 관한 모식도이고, 도 3은 도 2의 시험을 수행한 장비의 사진이며, 도 4는 도 2의 시험을 수행한 결과 흑연이 파단된 것을 보여주는 사진이고, 도 5는 도 2의 강도시험 결과를 나타내는 그래프이며, 도 6은 다양한 접착제를 이용하여 도 2의 시험을 수행하고 그 결과를 나타내는 그래프이고, 도 7은 본 발명의 일 실시예에 의한 열처리 공정도이며, 도 8은 도 7의 열처리 공정에서 열처리 스케줄을 나타내는 도면이다.

<실시예>

본 발명은 a) 탄화규소 또는 흑연에 열경화성수지 화학용액을 도포하는 단계; b) 탄화규소와 흑연을 압착하는 단계; 및 c) 압착된 탄화규소와 흑연을 열처리하는 단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

열경화성수지 화학용액은 예를 들어 반도체 공정에서 노광을 수행하기 위하여 반도체 기판에 미리 도포하는 포토레지스트를 들 수 있다.

열경화성수지 화학용액은 접착의 기능을 본연의 기능으로 하는 것이 아닌 것을 채택하는 것도 무방하다. 본 발명에서는 열경화성수지 화학용액이 어느 정도 접착력만 존재하면 되며, 후속하는 열처리 공정에 의하여 접합력이 강화될 수 있도록 하였다.

용액성장시 흑연봉-SiC 종자정이 직접적으로 가열되는 것이 아니기 때문에 실제 접합부 영역의 온도는 성장온도보다 낮다. 성장온도가 1900℃라고 가정하면, 접합면이 받는 온도는 그보다 4~500℃ 가량 낮다. 또한 열처리 과정을 거쳐 경화된 열경화성수지 화학용액의 잔류 주성분이 탄소 고분자 이며, 탄소 고분자는 일반적으로 열에 매우 강한 특성을 갖는다.

열처리를 하게되면, 열경화성수지 화학용액은 열경화하여 흑연과 탄화규소간 접합력을 크게 향상시키게 된다. 이를 탄화규소 단결정 성장과정에 반영하게 되면, 보다 안정적으로 탄화규소 성장 프로세스를 진행할 수 있다.(이 부분이 맞나요?) 열처리 공정은 도 7과 8에 표시한 바와 같다. 열처리 프로세스는 후술하기로 한다.

위 공정중에는 부가될 수 있는 공정들이 있다. 예를 들어 흑연상에 열경화성수지 화학용액을 도포하였을 때에는 압착공정을 수행하기 이전에 흑연을 손으로 15 ~ 20도 정도 기울여 도포액의 두께가 약 50㎛가 되도록 평탄화 한다. 이 때, 주의할 사항은 도포 후 평탄화까지 걸리는 시간은 5분 미만으로 한정한다. 이는 시간이 흐를수록 고분자화학용액이 굳어서 평탄화가 어려운 상황이 발생할 수 있기 때문이다. 여기서, 위 도포액의 두께는 위 수치로 한정되는 것은 아니다. 이 두께는 적정 도포 및 경화 시간을 갖는 두께이며. 더 두꺼워지면 도포 및 경화시간이 비효율적으로 늘어나고, 이보다 얇으면 접합특성 및 탄성력이 떨어지는 문제점이 존재한다. 바람직하게는 45~55㎛의 두께가 바람직하다.

아울러, 도포 및 평탄화 과정이 종료되면, 흑연을 진공상태에 방치한다. 이 때 탄화규소 종결정인 경우에는 인상봉과의 접합을 위하여 시딩기(seeding machine, 단결정 소재 성장용 종자결정 접합을 위해 통상적으로 사용하는 장치)를 사용하는 경우, 시딩기에 흑연 인상봉을 장착한 후 5~7시간 동안 로터리 펌프를 사용하여 0.04~0.07MPa의 압력상태(진공상태)를 유지한 후, 여기에 방치하게 된다.

여기서, 진공과정을 거치지 않는다면 열경화성수지 화학용액의 표면이 공기중에서 급격히 경화되어 접합력을 잃게 된다.

건조과정은 0.04MPa에서 2시간, 0.05MPa에서 2시간, 0.06MPa에서 1시간 0.07MPa에서 1시간 유지하여 수행하였다. 이는 0.07 Mpa 이상으로 압력이 유지될 경우 열경화성수지 화학용액 표면장력으로 인하여 용액 내부에 잔류하는 기체가 용액 바깥으로 배출되지 못하고 미세기포를 형성하며 잔류하기 때문에(접합특성 저하 야기), 내부 기체가 잔류하지 않고 모두 배출 될 수 있도록 0.04 Mpa 에서 점진적으로 압력을 유지하며 올려야 효과적이기 때문이다.

이후 탄화규소 종결정과 흑연 인상봉을 결합하게 되는데, 결합시 압착기를 이용하여 1.0~9.0 kgf/cm²의 압력으로 압착하여 결합한다. 이와 같이 압착하여 결합함으로써, 1차적으로 탄화규소 종결정과 흑연 인상봉이 결합상태를 유지한다.

이후에 압착상태를 유지한 상태에서, 시딩기에서 열처리를 수행하며, 바람직하게는 3시간동안 열처리를 수행한다. 구체적으로는 45~55℃에서 20분~1시간 동안 유지하고, 이후에 승온하여 500~600℃를 유지한 상태에서 1시간 30분~2시간 30분 유지한다. 본 실시예에서는 50℃에서 30분 유지하고, 550℃에서 2시간 유지하였다(도 7, 8 참조).

이와 같은 프로세스를 거친 열경화성수지 화학용액은 경화된 상태로 탄화규소 종결정과 흑연과 접합되어 형상 유지된다. 용액의 구성물질 중 수분은 모두 증발되어 없어지고, 주원료인 탄소 고분자 성분이 잔류하게 된다.

이후, 열처리 상태를 해제하고 냉각함으로써, 절차를 종료한다. 냉각시간은 6시간 동안 유지하였으나, 대체로 5시간~7시간의 범위로 유지한다. 이러한 냉각과정은 0.07 MPa의 진공도가 유지된 상태에서 수행된다.

<평가예>

본 발명에 의하여 접합된 탄화규소와 흑연의 접합강도를 측정하기 위하여 도 2와 같은 시료를 제작하였다. 여기서, 흑연과 탄화규소를 바 형태로 제작하였으며, 흑연바의 길이가 탄화규소바의 길이보다 길되, 흑연바의 일단과 탄화규소바의 일단은 일치가되도록 하였고, 접합은 세가지의 접착제를 사용하여 수행하였다.

시료의 크기는 4×40×5mm이며, 초기 크랙 사이즈(a0)는 6mm이고, 스팬의 길이(작용점간 거리)는 30mm가 되도록 제작되었다.

하중은 흑연바의 중심부에 작용하도록 하였고, 하중에 대한 반작용이 이루어지는 작용점 중 하나는 흑연바에, 나머지 하나는 탄화규소바에 정하여 3점 굽힘강도 시험을 수행한다. 그리고, 흑연바와 탄화규소바가 서로 이격되는 지점에서 접합강도값이 결정되도록 한다. 도 3에서는 3점 굽힘강도를 측정하기 위한 시험장비 사진을 나타내었다.

도 5에서 나타낸 바와 같이, 접합강도를 측정할 때, 하중값이 변위값에 비례하여 증가하다가, 외부적인 변화로 인하여 응력이 해소되는 순간에 하중값이 급격히 감소하였다가 다시 회복되는 현상이 나타나는데, 이런 현상이 발생한 시점을 접합상태가 해제되는 시점으로 간주할 수 있다. 도 5의 표에서 확인 가능한 바와 같이 8차수에서의 하중이 7차수에서의 하중에 비하여 저하되었으므로, 이 지점이 접합상태가 해제되는 지점이다. 응력의 해소는 일반적으로 분석대상 물체가 파손되는 경우이며, 본 발명에서는 접합계면이 분리되면서 상대적으로 물성이 약한 흑연이 파손되는 현상이 발생되었다. 이는 도 4에서 나타낸 바와 같다.

도 6에서는 탄소 페이스트를 사용한 경우, 열경화성수지 화학용액을 사용한 경우, 탄소 페이스트와 열경화성수지 화학용액을 혼합한 경우에 측정한 접합강도의 그래프이다.

탄소 페이스트를 사용한 경우 5.43 kgf의 평균접합강도를 나타내었으며, 열경화성수지 화학용액을 사용한 경우 5.43 kgf의 평균접합강도를 나타내었고, 탄소 페이스트와 열경화성수지 화학용액을 혼합한 경우에는 6.91 kgf의 평균접합강도를 나타내었다. 이로써, 본 발명의 열경화성수지 화학용액을 사용하는 것이 가장 바람직한 결과를 나타냄을 알 수 있었다.

이상과 같이 본 발명을 바람직한 실시예를 기초로 설명하였으나, 실시예는 설명의 편의를 위하여 대표적으로 제시된 예로서, 본 발명의 청구범위가 이러한 실시예에 한정되어 해석되는 것은 아니다.

Claims (15)

1. a) 탄화규소 또는 흑연에 열경화성수지 화학용액을 도포하는 단계;
   b) 탄화규소와 흑연을 압착하는 단계; 및
   c) 압착된 탄화규소와 흑연을 열처리하는 단계;
   를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화규소와 흑연소재의 접합방법.
2. 제1항에 있어서,
   a) 단계 이후에 탄화규소 또는 흑연상의 열경화성수지 화학용액을 평탄화하는 단계;
   를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화규소와 흑연소재의 접합방법.
3. 제2항에 있어서,
   도포 후 평탄화까지의 시간은 0분 초과 5분 미만인 것을 특징으로 하는 탄화규소와 흑연소재의 접합방법.
4. 제1항에 있어서,
   a) 단계 이후에 열경화성수지 화학용액이 도포된 탄화규소 또는 흑연을 진공환경에 방치하는 것을 특징으로 하는 탄화규소와 흑연소재의 접합방법.
5. 제4항에 있어서,
   상기 진공도는 0.04~0.07MPa인 것을 특징으로 하는 탄화규소와 흑연소재의 접합방법.
6. 제5항에 있어서,
   상기 진공상태에서 5~7시간 방치하는 것을 특징으로 하는 탄화규소와 흑연소재의 접합방법.
7. 제6항에 있어서,
   상기 진공상태에서 6시간 방치하며, 이 때, 0.04MPa에서 2시간, 0.05MPa에서 2시간, 0.06MPa에서 1시간 0.07MPa에서 1시간 유지하여 수행하는 것을 특징으로 하는 탄화규소와 흑연소재의 접합방법.
8. 제1항에 있어서,
   상기 b)단계에서 압착은 1.0~9.0 kgf/cm²의 압력으로 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄화규소와 흑연소재의 접합방법.
9. 제1항에 있어서,
   상기 c)단계에서 열처리는 상온에서 45~55℃까지 승온한 후 그 온도에서 유지하고, 이후 승온하여 500~600℃에서 유지한 후 냉각하는 과정에 의하는 것을 특징으로 하는 탄화규소와 흑연소재의 접합방법.
10. 제9항에 있어서,
    상기 45~55℃에서의 유지시간은 20분~1시간이며, 500~600℃에서의 유지시간은 1시간 30분~2시간 30분인 것을 특징으로 하는 탄화규소와 흑연소재의 접합방법.
11. 제1항에 있어서,
    상기 c) 단계 이후에 냉각하는 단계를 포함하며, 상기 냉각시 진공환경에서 냉각하는 것을 특징으로 하는 탄화규소와 흑연소재의 접합방법.
12. 제11항에 있어서,
    상기 냉각하는 단계는 5~7시간 동안 수행되는 것을 특징으로 하는 탄화규소와 흑연소재의 접합방법.
13. 제1항에 있어서,
    상기 열경화성수지 화학용액은 포토레지스트(photoresist)인 것을 특징으로 하는 탄화규소와 흑연소재의 접합방법.
14. 제1항에 있어서,
    상기 열경화성수지 화학용액은 페놀기를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화규소와 흑연소재의 접합방법.
15. 제1항에 있어서,
    상기 열경화성수지 화학용액의 도포 두께는 45~55㎛인 것을 특징으로 하는 탄화규소와 흑연소재의 접합방법.
    

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