KR20240059212A

KR20240059212A - 소결체 및 이를 포함하는 부품

Info

Publication number: KR20240059212A
Application number: KR1020220140204A
Authority: KR
Inventors: 민경열; 최용수; 황성식; 김경인; 강중근; 채수만
Original assignee: 솔믹스 주식회사
Priority date: 2022-10-27
Filing date: 2022-10-27
Publication date: 2024-05-07
Also published as: JP2024064988A; US20240140875A1; CN117945760A; NL2036121A; DE102023125929A1; AT526625A2

Abstract

구현예는 탄화붕소를 포함하고, 전체 결정립 대비 결정립 크기가 30 ㎛ 초과 60 ㎛ 이하인 결정립의 체적비가 50 % 내지 70 %이고, 엑스선 형광 분석에 따른, 전체 대비 탄소 함량이 30 중량% 내지 43 중량%인 소결체 및 이를 포함하는 부품을 제공한다.

Description

소결체 및 이를 포함하는 부품{SINTERED BODY AND PARTS COMPRISING THE SAME}

구현예는 플라즈마 내식각성이 향상된 소결체 및 이를 포함하는 플라즈마 처리장치의 부품에 관한 것이다.

플라즈마 처리장치는 챔버 내부에 상부전극과 하부전극이 배치되어 있고, 하부전극 위에 반도체 웨이퍼, 유리 기판 등이 안치되며, 양 전극 사이에 전력을 인가하여 동작된다. 상부전극 및 하부전극 사이의 전계에 의해서 가속된 전자, 전극으로부터 방출되거나 가열된 전자가 처리가스의 분자와 전리 충돌하여, 처리가스의 플라즈마가 발생한다. 이 플라즈마 중 라디칼이나 이온과 같은 활성종은 식각대상 표면에 원하는 미세 가공을 구현하도록 하고, 예를 들어 식각 가공을 수행할 수 있다.

미세 전자소자 등의 제조 설계가 점점 미세화되고, 특히 플라즈마 식각에서는 더욱 높은 치수 정밀도가 요구되고 있으며, 현격히 높은 전력이 이용되고 있다. 이러한 플라즈마 처리장치에는 플라즈마의 영향을 받는 포커스 링(Focus Ring)이 내장되어 있다.

플라즈마 전력이 높아지면 정재파가 형성되는 파장 효과 및 전극 표면에서 전계가 중심부에 집중되는 표피 효과 등이 형성될 수 있다. 이에 의해서 플라즈마 분포가 대체로 식각대상 중심부가 극대로 되고 가장자리 부위가 가장 낮아져서, 기판 상의 플라즈마 분포의 불균일성이 심해질 수 있고, 미세 전자소자의 품질이 저하될 우려가 있다.

식각대상 외곽에서 식각대상을 안치하는 포커스 링을 통해, 외곽의 전기장 분포에 영향을 줄 수 있고, 플라즈마 분포의 불균일성을 어느정도 완화할 수 있다. 그러나 플라즈마 처리 시간 대비 포커스 링의 식각률이 높은 편이고, 식각에 따라 플라즈마 분포에도 영향을 미칠 수 있다. 이러한 포커스 링의 내식각성 및 교체 주기를 높일 수 있고, 공정 효율화를 이룰 수 있는 개선 방안이 필요하다.

관련 선행기술로,

한국 등록특허 10-2262340호에 개시된 "탄화붕소 소재"

한국 공개특허 10-2020-0019068호에 개시된 "탄화붕소 소결체 및 이를 포함하는 식각장치" 등이 있다.

구현예의 목적은 식각대상에 균일한 플라즈마 분포를 유도할 수 있고, 플라즈마 내식각성이 향상된 소결체와 이를 포함하는 부품을 제공하는 데 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 구현예에 따른 소결체는,

탄화붕소를 포함하고,

표면에서 관찰할 때, 전체 결정립 대비 결정립 크기가 30 ㎛ 초과 60 ㎛이하인 결정립의 체적비가 50 % 내지 70 %인 부분을 포함하고,

엑스선 형광 분석에 따른, 전체 대비 탄소 함량이 30 중량% 내지 43 중량%일 수 있다.

일 구현예에 있어서, 전체 결정립 대비 결정립 크기가 10 ㎛ 이하인 결정립의 체적비가 0.01 % 내지 1 %일 수 있다.

일 구현예에 있어서, 전체 결정립 대비 결정립 크기가 60 ㎛ 초과 80 ㎛ 이하인 결정립의 체적비가 12 % 내지 20 %일 수 있다.

일 구현예에 있어서, 평균 결정립 크기가 30 ㎛ 내지 70 ㎛일 수 있다.

일 구현예에 있어서, 붕소 및 탄소의 함량이 97 중량% 이상일 수 있다.

일 구현예에 있어서, 챔버 압력이 100 mTorr이고, 플라즈마 전력이 800 W이고, 노출 시간이 300 분이고, 상기 챔버 내 CF4 가스의 유량이 50 sccm, Ar 가스의 유량이 100 sccm, O2 가스의 유량이 20 sccm인 플라즈마 식각 조건에서, 하기 식 1에 따른 식각률이 1.8% 이하일 수 있다.

[식 1]

식각률 = {(식각 전 두께 - 식각 후 두께)/(식각 후 두께)}×100 %

일 구현예에 있어서, 25 ℃ 열전도도가 23 W/mK 이상 42 W/mK 이하일 수 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 구현예에 따른 소결체의 제조방법은,

원료 조성물을 성형한 성형체를 500 ℃ 내지 1000 ℃의 온도로 열처리하는 탄화단계;

상기 탄화단계 후 2100 ℃ 내지 2300 ℃의 온도로 열처리하는 제1소결단계; 및

상기 제1소결단계 후 2200 ℃ 내지 2320 ℃의 온도로 열처리하는 제2소결단계;를 포함하고,

상기 원료 조성물은 탄화붕소, 탄소계 물질 및 소결특성 개선제를 포함할 수 있다.

일 구현예에 있어서, 상기 원료 조성물은,

탄화붕소, 탄소계 물질, 소결특성 개선제 및 용매를 포함하는 원료 슬러리를 분무 건조하여 얻은 원료 과립일 수 있다.

일 구현예에 있어서, 상기 제1소결단계 및 제2소결단계는 0.2 MPa 이하의 압력에서 진행되고,

상기 제1소결단계는 0.5 시간 내지 2 시간 동안 진행되고,

상기 제2소결단계는 1 시간 내지 3 시간 동안 진행될 수 있다.

상기의 목적을 달성하기 위하여, 구현예에 따른 부품은,

상기의 소결체를 포함하고,

플라즈마 처리장치 내부에 적용될 수 있다.

구현예에 따른 소결체는, 조대 결정립으로 인한 선 결함이 감소되어 플라즈마 식각 시 불순물 파티클 발생을 저감시킬 수 있고, 우수한 플라즈마 내식각성을 가질 수 있고, 플라즈마 내식각성을 안정적으로 유지할 수 있다.

도 1 (a)는 실험예의 전해 에칭 이전 실시예 1의 소결체 표면을 나타낸 주사 전자 현미경 사진이고, (b)는 실험예의 전해 에칭 후의 실시예 1의 소결체 표면을 나타낸 주사 전자 현미경 사진이고, (c)는 실험예의 전해 에칭 후의 실시예 1의 소결체 표면의 주사 전자 현미경 사진에서 식별 가능한 결정립을 색으로 구별하여 나타낸 것이다.
도 2 (a)는 실험예의 플라즈마 식각 후 실시예 1의 샘플 상태를 나타낸 사진이고, (b)는 실험예의 플라즈마 식각 후 비교예 1의 샘플 상태를 나타낸 사진이다.
도 3 (a)는 전해 에칭 전 실시예 1의 소결체 표면과 조성 측정 위치를 나타낸 것이고, 도 3 (b)는 전해 에칭 후 실시예 1의 소결체 표면과 조성 측정 위치를 나타낸 것이다.
도 4 (a)는 플라즈마 식각 전 실시예 1의 표면 상태를 나타낸 것이고, (b)는 플라즈마 식각 후 실시예 1의 표면 상태를 나타낸 것이다.
도 5 (a)는 플라즈마 식각 전 비교예 1의 표면 상태를 나타낸 것이고, (b)는 플라즈마 식각 후 비교예 1의 표면 상태를 나타낸 것이다.

이하, 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자가 용이하게 실시할 수 있도록 하나 이상의 구현예에 대하여 첨부한 도면을 참고로 하여 상세히 설명한다. 그러나 구현예들은 여러 가지 상이한 형태로 구현될 수 있으며 여기에서 설명하는 실시예에 한정되지 않는다. 명세서 전체를 통하여 유사한 부분에 대해서는 동일한 도면 부호를 붙였다.

본 명세서에서, 어떤 구성이 다른 구성을 "포함"한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 그 외 다른 구성을 제외하는 것이 아니라 다른 구성들을 더 포함할 수도 있음을 의미한다.

본 명세서에서, 어떤 구성이 다른 구성과 "연결"되어 있다고 할 때, 이는 '직접적으로 연결'되어 있는 경우만이 아니라, '그 중간에 다른 구성을 사이에 두고 연결'되어 있는 경우도 포함한다.

본 명세서에서, A 상에 B가 위치한다는 의미는 A 상에 직접 맞닿게 B가 위치하거나 그 사이에 다른 층이 위치하면서 A 상에 B가 위치하는 것을 의미하며 A의 표면에 맞닿게 B가 위치하는 것으로 한정되어 해석되지 않는다.

본 명세서에서, 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 명세서에서, "A 및/또는 B"의 기재는, "A, B, 또는, A 및 B"를 의미한다.

본 명세서에서, “제1”, “제2” 또는 “A”, “B”와 같은 용어는 특별한 설명이 없는 한 동일한 용어를 서로 구별하기 위하여 사용된다.

본 명세서에서 단수 표현은 특별한 설명이 없으면 문맥상 해석되는 단수 또는 복수를 포함하는 의미로 해석된다.

소결체

상기의 목적을 달성하기 위하여, 구현예에 따른 소결체는,

탄화붕소를 포함하고,

표면에서 관찰할 때, 전체 결정립 대비 결정립 크기가 30 ㎛ 초과 60 ㎛ 이하인 결정립의 체적비가 50 % 내지 70 %인 부분을 포함하고,

상기 소결체의 탄화붕소는 실질적으로 B₄C일 수 있다.

상기 소결체는 탄화붕소를 기반으로, 탄화붕소와 별개의 소정 탄소를 포함하고, 일부 규소, 탄화규소(Si_xC_y) 산소, 산화붕소 등을 더 포함할 수 있다. 상기 소결체의 탄소, 탄화규소 등은 2차상 형태로 존재할 수도 있다.

상기 소결체는 탄화붕소 결정립을 포함할 수 있고, 상기 탄화붕소 결정립은 상기 소결체의 표면에서도 관찰될 수 있다.

상기 소결체는 종래의 탄화붕소 소결체 대비 조대한 평균 결정립 크기를 가질 수 있다.

상기 소결체는 전체 결정립 대비 결정립 크기가 30 ㎛ 초과 60 ㎛ 이하인 결정립의 체적비가 50 % 내지 70 %일 수 있고, 55 % 내지 65 %일 수 있다.

상기 소결체는 전체 결정립 대비 결정립 크기가 10 ㎛ 이하인 결정립의 체적비가 0.01 % 내지 1 %일 수 있고, 0.01 % 내지 0.81 %일 수 있다.

상기 소결체는 전체 결정립 대비 결정립 크기가 20 ㎛ 이하인 결정립의 체적비가 2 % 내지 14 %일 수 있고, 1 % 내지 10 %일 수 있다.

상기 소결체는 전체 결정립 대비 결정립 크기가 60 ㎛ 초과 80 ㎛ 이하인 결정립의 체적비가 12 % 내지 20 %일 수 있고, 14 % 내지 18 %일 수 있다.

상기 소결체는 전체 결정립 대비 결정립 크기가 40 ㎛ 초과인 결정립의 체적비가 44 % 내지 65 %일 수 있고, 49 % 내지 60 %일 수 있다.

상기 소결체는 전체 결정립 대비 결정립 크기가 70 ㎛ 초과인 결정립의 체적비가 8 % 내지 15 %일 수 있고, 9.1 % 내지 13.7 %일 수 있다.

상기 소결체는 평균 결정립 크기가 40 ㎛ 내지 70 ㎛일 수 있고, 45 ㎛ 내지 65 ㎛일 수 있다.

상기 소결체의 결정립 크기 분석은 하기 실험예에 기재된 방법을 통해 진행될 수 있고, 표면에서 관찰한 것을 기준으로 할 수 있다.

이러한 결정립 특징을 갖는 소결체는 선 결함이 감소되어 플라즈마 식각 시 불순물 파티클 발생을 저감시킬 수 있고, 우수한 플라즈마 내식각성을 가질 수 있고, 플라즈마 내식각성을 유지하는 데 도움이 될 수 있다.

상기 소결체는 붕소 및 탄소(B, C)를 기준으로, 순도가 97 % 이상일 수 있고, 99 % 이상일 수 있고, 99.2 % 이상일 수 있다.

상기 순도는 엑스선 형광 분석(XRF)에 따른 중량을 기준으로 평가한다.

상기 소결체는 엑스선 형광 분석(XRF)에 따른, 전체 대비 탄소 함량이 30 중량% 내지 43 중량%일 수 있고, 32 중량% 내지 40 중량%일 수 있다. 이러한 탄소 함량은 탄화붕소(B₄C)의 화학양론적 탄소 함량(21.72 중량%)에 탄소가 더 추가된 것을 나타낼 수 있다. 또한 이것은 제조 시 소결과정에서 탄화붕소의 결합관계에 일부 변화가 생기거나, 제조 시 원료에 첨가된 탄소계 물질의 영향에 의해 나타나는 결과일 수도 있다.

상기 소결체는 엑스선 형광 분석에 따른, 전체 대비 붕소 함량이 55 중량 % 내지 70 중량%일 수 있고, 58 중량% 내지 68 중량%일 수 있다. 이러한 붕소 함량은 앞서 언급한 바와 같이 탄소가 더 추가됨에 따른 것일 수 있고, 제조 시 원료에 첨가된 탄소계 물질에 의해 나타나는 결과일 수 있다.

상기 소결체는 엑스선 형광 분석에 따른, 전체 대비 산소 함량이 0.1 중량% 내지 0.9 중량%일 수 있고, 0.3 중량% 내지 0.7 중량%일 수 있다.

상기 소결체는 엑스선 형광 분석에 따른, 전체 대비 규소 함량이 0.05 중량% 내지 0.5 중량%일 수 있고, 0.1 중량% 내지 0.4 중량%일 수 있다.

상기 소결체는 이러한 기타 원소 함량을 가짐으로, 치밀화에 긍정적인 역할을 할 수 있다.

상기 소결체는 금속성 불순물이 400 ppm 이하로 포함될 수 있고, 200 ppm 이하로 포함될 수 있다. 상기 금속성 불순물은 나트륨, 알루미늄, 칼슘, 철, 니켈 등을 포함할 수 있다.

상기 소결체는 굽힘강도가 365 MPa 내지 547 MPa일 수 있고, 410 MPa 내지 502 MPa일 수 있다.

상기 소결체는 비커스 경도가 26.1 GPa 내지 39.1 GPa일 수 있고, 29.3 GPa 내지 35.9 GPa일 수 있다.

상기 소결체는 압축강도가 549 MPa 내지 823 MPa일 수 있고, 617 MPa 내지 755 MPa일 수 있다.

상기 소결체는 탄성계수가 308 GPa 내지 424 GPa일 수 있고, 347 GPa 내지 424 GPa일 수 있다.

상기 소결체는 포아송 비가 0.175 내지 0.263일 수 있고, 0.197 내지 0.241일 수 있다.

상기 소결체는 25 ℃ 열전도도가 23 W/mK 이상 42 W/mK 이하일 수 있고, 30 W/mK 내지 40 W/mK일 수 있다.

상기 소결체는 25 ℃ 내지 400 ℃에서 열팽창계수가 3.34×10^-6/K 내지 5.02×10^-6/K 일 수 있고, 3.76×10^-6/K 내지 4.60×10^-6/K일 수 있다.

상기 소결체는 400 ℃ 내지 800 ℃에서 열팽창계수가 4.01×10^-6/K 내지 6.02×10^-6/K일 수 있고, 4.52×10^-6/K 내지 5.52×10^-6/K일 수 있다.

상기 소결체는 비저항이 0.05 Ωcm 내지 2 Ωcm일 수 있고, 0.1 Ωcm 내지 1 Ωcm일 수 있다.

이러한 특징을 갖는 소결체는 플라즈마 처리장치의 부품으로 적용 시 양호한 신뢰성, 내구성을 나타낼 수 있고, 플라즈마 내식각성성 유지에 도움이 될 수 있다.

상기 소결체는, 챔버 압력이 100 mTorr이고, 플라즈마 전력이 800 W이고, 플라즈마 노출 시간이 300 분이고, 상기 챔버 내 CF₄ 가스의 유량이 50 sccm, Ar 가스의 유량이 100 sccm, O₂ 가스의 유량이 20 sccm인 플라즈마 식각 조건에서, 하기 식 1에 따른 식각률이 1.8 % 이하일 수 있다.

[식 1]

상기 소결체는 상기 식각률이 1.6 % 이하일 수 있고, 1.55 % 이하일 수 있다.

상기 소결체는 이러한 플라즈마 내식각성을 가짐과, 또한 조대 결정립 특성을 가짐으로, 플라즈마 처리 공정에서 파티클 발생을 최대한 억제할 수 있다.

상기 소결체는 상기 플라즈마 식각 조건을 기준으로, 화학기상증착법(CVD)으로 마련된 탄화규소의 상기 식각률 대비 20 % 이상 저감된 식각률을 가질 수 있고, 30 % 이상 저감된 식각률을 가질 수 있다.

상기 소결체는 상대밀도가 95 % 이상일 수 있고, 97 % 이상일 수 있다. 상기 상대밀도는 99.9 % 이하일 수 있다. 상기 소결체는 상대적으로 조대한 결정립 크기를 나타내면서도 우수한 상대밀도를 가질 수 있다.

부품

상기의 목적을 달성하기 위하여, 구현예에 따른 부품은,

상기의 소결체를 포함하고,

플라즈마 처리장치 내부에 적용될 수 있다.

상기 부품은 상기 소결체를 플라즈마가 노출될 수 있는 표면 일부에 포함할 수도 있고, 전역에 포함할 수도 있다.

상기 부품은 상기 소결체를 표면에 포함할 수 있고, 표면 내부는 다른 세라믹 소재(탄화규소, 규소 등)을 포함할 수도 있다.

상기 부품은 플라즈마 식각 과정에서 플라즈마 이온의 흐름에 영향을 줄 수 있는 부품일 수 있고, 예시적으로 포커스 링 등일 수 있다. 상기 포커스 링은 플라즈마 처리장치 내 웨이퍼가 배치될 때, 웨이퍼의 가장자리를 지지하기 위한 지지체로 적용될 수 있다.

상기 부품은 상기의 소결체를 포함하여, 양호한 플라즈마 내식각성을 확보할 수 있고, 부품의 교체 빈도를 줄일 수 있고, 수율에 부정적인 영향을 줄 수 있는 파티클의 발생을 효과적으로 방지할 수 있다.

소결체의 제조방법

원료 조성물을 성형한 성형체를 500 ℃ 내지 1000 ℃의 온도로 열처리하여 원료 일부가 탄화된 성형체를 얻는 탄화단계;

상기 탄화단계 후 2100 ℃ 내지 2300 ℃의 온도로 열처리하는 제1소결단계;

상기 원료 조성물은 탄화붕소, 탄소계 물질, 소결특성 개선제 및 용매를 포함하는 원료 슬러리를 분무 건조하여 얻어지는 원료 과립일 수 있다.

상기 원료 조성물의 탄화붕소는 분말 형태일 수 있고, 분말 전체 대비 붕소 및 탄소의 함량이 98 중량% 이상의 순도를 갖는 분말일 수 있다.

상기 원료 조성물의 탄소계 물질은 고분자 수지일 수 있고, 고분자 수지가 탄화된 형태일 수도 있다. 예시적으로, 페놀계 수지, 폴리비닐알콜계 수지 등일 수 있다.

상기 원료 조성물의 소결특성 개선제는 산화붕소, 바인더 등을 포함할 수 있고, 상기 바인더는 아크릴계 수지를 포함할 수 있다.

상기 원료 조성물의 용매는 물, 알코올계 물질 등을 포함할 수 있고, 상기 원료 슬러리 전체를 기준으로 60 체적% 내지 80 체적%으로 포함할 수 있다.

상기 원료 슬러리는 볼밀 등의 교반과정을 통해 마련될 수 있고, 5 시간 내지 20 시간 동안 고분자 볼 등을 통해 볼밀 교반과정이 진행될 수 있다.

상기 탄화단계의 성형체는 원료를 몰드에 주입하고 가압하여 얻을 수 있고, 냉간 등방압 가압(CIP) 등을 적용하여 얻을 수 있다. 이때 압력은 100 MPa 내지 200 MPa일 수 있다.

상기 탄화단계의 성형체는 불필요한 부분을 제거하는 가공과정이 적용될 수 있다.

상기 제1소결단계의 열처리 온도까지 승온은 10 시간 내지 15 시간 동안 진행될 수 있다.

상기 제1소결단계는 0.5 시간 내지 2 시간 동안 진행될 수 있다.

상기 제2소결단계의 열처리 온도까지 승온은 2 시간 내지 5 시간 동안 진행될 수 있다.

상기 제2소결단계 후, 상온으로 냉각하는 냉각단계가 진행될 수 있고, 10 시간 내지 15 시간 동안 진행될 수 있다.

이러한 상기 소결단계를 통해, 상대적으로 조대한 결정립을 갖는 소결체를 제조할 수 있고, 양호한 치밀화도를 달성할 수 있다.

상기 제2소결단계를 통해 얻어진 소결체는 추가적으로 형상가공이 적용될 수 있다.

상기 제1소결단계는 상기 열처리 온도에 도달하기까지 소정 승온 속도가 적용될 수 있고, 상기 승온 속도는 1 ℃/분 내지 10℃/분일 수 있고, 2 ℃/분 내지 5℃/분일 수 있다.

상기 제2소결단계는 상기 열처리 온도에 도달하기까지 소정 승온 속도가 적용될 수 있고, 상기 승온 속도는 0.1 ℃/분 내지 5 ℃/분일 수 있고, 0.2 ℃/분 내지 1 ℃/분일 수 있다.

상기 제2소결단계 이후 냉각단계에서 소정 강온 속도가 적용될 수 있고, 상기 강온 속도는 -10 ℃/분 내지 -1℃/분일 수 있고, -5 ℃/분 내지 -2℃/분일 수 있다.

상기 제1소결단계 및 제2소결단계는 0.2 MPa 이하의 압력에서 진행될 수 있고, 실질적으로 상압(0.101 MPa)에서 진행될 수 있고, 0.05 MPa 이상의 압력에서 진행될 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.

실시예 1 - 소결체의 제조

전체 100 체적부 대비 China Abrasive 사의 탄화붕소 분말 14 체적부, 에탄올 용매 70 체적부를 혼합하고, 그리고 상기 분말과 용매를 혼합한 것의 100 중량부 대비 페놀 수지 19.2 중량부, 아크릴계 바인더 2 중량부를 혼합한 조성물을 배합기에 넣고 볼밀 방식으로 혼합해 원료 슬러리를 마련하였다. 이 원료 슬러리를 노즐을 통해 분무 건조 처리하여 원료 과립을 얻고, 몰드에 장입하여 성형체를 얻었다. 이 성형체를 800 ℃의 온도에서 열처리하여 탄화단계를 진행하였다. 이후 승온 속도 3 ℃/분으로 2200℃까지 승온시키고, 이어서 2200 ℃에서 1 시간 열처리하는 제1소결단계를 진행하였다. 이후, 0.5 ℃/분으로 2300 ℃까지 승온시키고, 이어서 2300 ℃에서 2 시간 열처리하는 제2소결단계를 진행하였다. 이후, 상온(25 ℃)까지 3 ℃/분으로 냉각하는 냉각단계를 진행하여 소결체를 마련하였다.

비교예 1 - 화학기상증착법으로 제조된 탄화규소

화학기상증착법(CVD)으로 제조된 케이엔제이(KNJ) 사의 탄화규소를 마련하였다.

실험예 - 소결체의 전해 에칭을 통한 결정립 및 조성 분석

상기 실시예 1에서 마련된 소결체를 KOH 2 체적% 용액, 유량 12~20 sccm, 5 초, 40~51 V 전압 조건 하에 전해 에칭을 실시하고, 이후 초음파 세척을 20분간 실시하였다. 전해 에칭 전후의 표면을 주사 전자 현미경(SEM)을 통해 임의의 세 영역 표면 위치를 500~1000 배율로 촬영하였고, 결정립 크기 별 체적비율을 분석하였고, 전해 에칭 전후에서 일부 위치(A, B, C, D, E, F)에 따른 조성을 분석하였으며, 도 1, 3, 표 1, 2, 3 등에 나타내었다.

결정립 크기(㎛)	체적비율(%)
10 이하	0.81
10 초과 20 이하	10.14
20 초과 30 이하	12.89
30 초과 40 이하	21.79
40 초과 50 이하	16.63
50 초과 60 이하	21.02
60 초과 70 이하	5.30
70 초과 80 이하	11.42

원소	위치 A에서 조성(wt%)	위치 B에서 조성(wt%)	위치 C에서 조성(wt%)
B	-	-	75.9
C	13.27	98.13	24.1
O	-	1.87	-
Si	85.23	-	-
Al	1.5	-	-

원소	위치 D에서 조성(wt%)	위치 E에서 조성(wt%)	위치 F에서 조성(wt%)
B	-	-	62.64
C	10.95	89.54	37.36
O	6.72	10.46	-
Si	81.24	-	-
Al	1.09	-	-

도 1 (a)는 전해 에칭 전의 실시예 1의 소결체 표면을 나타낸 것이고, 도 1 (b)는 전해 에칭 후의 실시예 1의 소결체 표면을 나타낸 것이고, 도 1 (c)는 전해 에칭 후의 실시예 1의 소결체 표면의 식별가능한 결정립을 색으로 구별하여 나타낸 것이다.

도 3 (a)는 전해 에칭 전 실시예 1의 소결체 표면과 조성 측정 위치를 나타낸 것이고, 도 3 (b)는 전해 에칭 후 실시예 1의 소결체 표면과 조성 측정 위치를 나타낸 것이다.

표 1 및 도 1 (a) 내지 (c)를 참고하면, 실시예 1의 소결체는 수십 마이크로미터의 조대 결정립들이 고르게 분포하고 있고, 10 ㎛ 이하의 결정립은 거의 없는 것을 확인할 수 있다.

표 2, 3 및 도 3 (a) 내지 (c)를 참고하면, 실시예 1의 소결체는 전해 에칭 전 및 에칭 후 표면에서 탄화붕소 뿐만 아니라 탄화규소, 유리 탄소 등을 확인할 수 있다.

실험예 - 엑스선 형광 분석(XRF)

상기 실시예 1 및 비교예 1의 소결체 샘플 조성의 엑스선 형광 분광법(XRF)을 Rigaku 사의 ZSX Primus 기기를 활용하여 실시하였고, 그 결과를 표 4에 나타내었다.

원소	실시예 1 (중량%)	비교예 1 (중량%)
탄소 및 붕소(순도)	99.258	-
B	60.907	-
C	38.351	42.225
O	0.4459	-
Na	0.0136	-
Mg	-	-
Al	0.0088	-
Si	0.2164	57.775
P	-	-
S	0.0012	-
Ca	0.0083	-
Ti	-	-
Cr	-	-
Mn	-	-
Fe	0.0380	-
Ni	0.0050	-
Ge	-	-
Y	0.0048	-
Ba	-	-

표 4를 참고하면, 실시예 1의 소결체는 대략 60.91 중량%의 붕소, 38.35 중량%의 탄소를 포함하고, 일부 산소, 규소 등을 포함하는 것을 알 수 있다.

실험예 - 플라즈마 식각률 측정

상기 실시예 1 및 비교예 1의 소결체 샘플의 플라즈마 식각률을 다음의 조건에서 측정하였고, 그 결과를 표 4, 5, 도 4, 5 등에 나타내었다.

플라즈마 식각 조건

챔버 압력: 100 mTorr, 플라즈마 전력: 800 W, 노출 시간: 300 분, CF₄ 가스 유량: 50 sccm, Ar 가스 유량: 100 sccm, O₂ 가스 유량: 20 sccm

도 4 (a)는 플라즈마 식각 전 실시예 1의 표면 상태를 나타낸 것이고, (b)는 플라즈마 식각 후 실시예 1의 표면 상태를 나타낸 것이다.

도 5 (a)는 플라즈마 식각 전 비교예 1의 표면 상태를 나타낸 것이고, (b)는 플라즈마 식각 후 비교예 1의 표면 상태를 나타낸 것이다.

구분	실시예 1	비교예 1
식각 전 두께(mm)	2.0036	1.9962
식각 후 두께(mm)	1.9726	1.9532
식각량(mm)	0.031	0.043
식각률*(%)두께감소율(%)	1.55	2.15

*식각률: (식각 전 두께 - 식각 후 두께/식각 후 두께)×100 %

표 5를 참고하면, 실시예 1의 경우 CVD로 제조된 탄화규소보다 플라즈마 내식각성이 우수한 것을 확인할 수 있다.

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

탄화붕소를 포함하고,
표면에서 관찰할 때, 전체 결정립 대비 결정립 크기가 30 ㎛ 초과 60 ㎛이하인 결정립의 체적비가 50 % 내지 70 %인 부분을 포함하고,
엑스선 형광 분석에 따른, 전체 대비 탄소 함량이 30 중량% 내지 43 중량%인, 소결체.
제1항에 있어서,
전체 결정립 대비 결정립 크기가 10 ㎛ 이하인 결정립의 체적비가 0.01 % 내지 1 %인, 소결체.
제1항에 있어서,
전체 결정립 대비 결정립 크기가 60 ㎛ 초과 80 ㎛ 이하인 결정립의 체적비가 12 % 내지 20 %인, 소결체.
제1항에 있어서,
평균 결정립 크기가 30 ㎛ 내지 70 ㎛인, 소결체.
제1항에 있어서,
붕소 및 탄소의 함량이 97 중량% 이상인, 소결체.
제1항에 있어서,
챔버 압력이 100 mTorr이고, 플라즈마 전력이 800 W이고, 노출 시간이 300 분이고, 상기 챔버 내 CF₄ 가스의 유량이 50 sccm, Ar 가스의 유량이 100 sccm, O₂ 가스의 유량이 20 sccm인 플라즈마 식각 조건에서, 하기 식 1에 따른 식각률이 1.8% 이하인, 소결체.
[식 1]
식각률 = {(식각 전 두께 - 식각 후 두께)/(식각 후 두께)}×100 %
제1항에 있어서,
25 ℃ 열전도도가 23 W/mK 이상 42 W/mK 이하인, 소결체.
원료 조성물을 성형한 성형체를 500 ℃ 내지 1000 ℃의 온도로 열처리하는 탄화단계;
상기 탄화단계 후 2100 ℃ 내지 2300 ℃의 온도로 열처리하는 제1소결단계; 및
상기 제1소결단계 후 2200 ℃ 내지 2320 ℃의 온도로 열처리하는 제2소결단계;를 포함하고,
상기 원료 조성물은 탄화붕소, 탄소계 물질 및 소결특성 개선제를 포함하는, 소결체의 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 원료 조성물은,
탄화붕소, 탄소계 물질, 소결특성 개선제 및 용매를 포함하는 원료 슬러리를 분무 건조하여 얻은 원료 과립인, 소결체의 제조방법.
제8항에 있어서,
상기 제1소결단계 및 제2소결단계는 0.2 MPa 이하의 압력에서 진행되고,
상기 제1소결단계는 0.5 시간 내지 2 시간 동안 진행되고,
상기 제2소결단계는 1 시간 내지 3 시간 동안 진행되는, 소결체의 제조방법.
제1항의 소결체를 포함하고,
플라즈마 처리장치 내부에 적용되는, 부품.