KR100204268B1 - 질화알루미늄 소결체 및 이의 제조방법 - Google Patents

Abstract

알루미늄을 제외한 각각의 금속 원소의 함량이 100 ppm 이하인 금속 원소들을 포함하며 일본 공업 규격(JIS) Z 8721의 정의에 따라 명도가 N 4이하인 흑색을 나타내는 질화알루미늄 소결체가 제공된다. 상기 질화알루미늄 소결체는 바람직하게 적어도 99.3%의 상대 밀도를 가지며 상기 소결체를 구성하는 결정 그레인들은 적어도 0.6㎛ 이지만 4.0㎛를 넘지 않는 평균 입자 직경을 갖는다. 질소 환원법에 의해 수득된 질화알루미늄 분말을 적어도 120㎏/㎠ 의 압력 하에서 적어도 1,800℃의 온도로 소결한다. 소결 온도는 2,000℃ 이하가 바람직하고 적어도 2시간 이지만 5시간을 넘지 않는 시간 동안 소결을 수행하는 것이 바람직하다.

Description

질화알루미늄 소결체 및 이의 제조 방법

지금까지는, 식각 장치, 화학 기상 증착 장치 등과 같은 반도체 장치에 있어서, 소위 스테인레스 히터 및 간접 가열 방식의 히터가 일반적으로 사용되어 왔다. 그러나, 이러한 가열 시스템을 사용할 경우, 이들은 때때로 할로겐족 부식성 기체의 작용에 의해 부식되어 미립자들이 형성되며 가열 효율이 좋지 못하다.

이러한 문제점들을 해결하기 위해, 본 발명가들은 이전에는 고밀도로 충진된 세라믹 기판(dense ceramic substrate) 및 상기 기판의 내부에 장착된 고융점 금속 와이어로 구성된 세라믹 히터를 제안하였다. 상기 금속 와이어는 디스크 형상의 기판 내부에 나선형으로 와인딩되어 있으며, 양단에서 전기 단자들과 연결되어 있다. 이러한 세라믹 히터는 특히 반도체 제조시에 우수한 특성을 가짐이 알려져 있다.

상기 세라믹 히터의 기판을 구성하는 세라믹으로서는, 질화실리콘, 질화알루미늄, 시아론(SIALON) 등과 같은 질화물계 세라믹이 바람직하다. 경우에 따라서는, 지지부 (susceptor) 가 세라믹 히터 상에 제공되며 반도체 웨이퍼(wafer)를 가열할 때 상기 반도체 웨이퍼가 상기 지지부 상에 장착된다.

본 발명가의 연구에 의하면, 이러한 세라믹 히터 및 지지부에 사용되는 기판으로서는 질화알루미늄이 바람직하게 사용된다. 이것은 특히 반도체 제조 장치에서 식각 기체, 또는 세정용 기체로서 CF₃와 같은 할로겐족 부식성 기체가 종종 사용되며 질화알루미늄이 이러한 할로겐족 부식성 기체에 대하여 매우 우수한 내식성을 가지기 때문이다.

한편, 상기 히터 및 지지부에 사용되는 기판의 색은 흑색이어야 하는데, 이것은 흑색 기판이 백색 기판보다 큰 복사 열을 가지며 우수한 가열 특성을 갖기 때문이다.

그러나, 질화알루미늄 소결체는 일반적으로 그 자체가 백색 또는 회백색을 나타내므로, 이들은 열 복사 특성이 좋지 못하다. 따라서, 질화알루미늄 소결체를 흑색으로 만들기 위하여, 적절한 금속 원소를 원료 분말에 첨가하고, 첨가된 원료분말을 소결시켜 흑색의 질화알루미늄 소결체를 제조한다. (일본국 특허공고공보 제5-64, 897호 참조.) 그러한 첨가제로서는, 텅스텐, 산화티타늄, 니켈, 팔라듐 등이 공지되어 있다.

그러나, 이러한 금속 원소가 질화알루미늄 소결체 내에 흑화제(blackening agent)로서 함유될 경우, 첨가제의 영향으로 인해 질화알루미늄 소결체 내에 함유된 불순물의 양이 증가된다. 특히, I a족 원소, II a족 원소 또는 전이 금속 원소가 반도체 제조 공정 중에 존재하면, 비록 질화알루미늄 소결체 내에 존재하는 원소의 양이 적다 하더라도, 이러한 원소는 반도체 웨이퍼 및 반도체 생산 설비에 심각한 악영향을 초래할 수 있다. 예를들면, 이들은 반도체 제품의 결함의 원인이 될 수 있다.

본 발명은 질화알루미늄 소결체 및 이의 제조 방법에 관한 것이다.

제1도는 명도 N과 상대 밀도와의 관계를 나타내는 질화알루미늄 소결체의 특성 그래프를 도시한 것이다.

본 발명은 알루미늄을 제외한 각각의 금속 원소들의 함량이 100ppm 이하인 금속 원소들을 포함하며, 일본 공업 규격(JIS) Z 8721의 정의에 따라 명도가 N 4이하의 흑색을 갖는 질화알루미늄 소결체에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 질소 환원법(reduction nitriding method)에 의해 수득된 질화알루미늄 분말을 적어도 120㎏/㎠의 압력하에, 적어도 1,800℃의 온도에서 소결하는 것을 포함하는 질화알루미늄 소결체의 제조 방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명은 알루미늄을 제외한 각각의 금속 원소들의 함량이 100ppm 이하인 금속 원소들을 함유하는 질화알루미늄 분말을 소결시켜 상대 밀도가 적어도 99.3%이고, 상기 소결체를 구성하는 결정 그레인(grain) 이 적어도 0.6㎛ 이지만 4..0㎛을 넘지 않는 평균 입자 직경을 갖는 질화알루미늄 소결체를 수득하기 위한 질화알루미늄 소결체를 제조하는 방법에 관한 것이다.

질화알루미늄 소결체를 연구하는 과정에서, 본 발명자들은 알루미늄을 제외하고는 소결 첨가제와 같은 금속 원소들이 실질적으로 존재하지 않으며, 명도가 매우 낮은 흑갈색에서 흑회색을 표시하는 일본 공업 규격(JIS) Z 8721의 정의에 따라 명도가 N 4 이하인 흑색을 갖는 질화알루미늄 소결체를 제공하는데 성공하였다.

상기 질화알루미늄 소결체는 일본 공업 규격(JIS) Z 8721의 정의에 따라 명도가 N 4 이하인 흑색을 가지며, 따라서 큰 복사 열과 우수한 가열 특성을 가진다. 그러므로, 상기 소결체는 세라믹 히터, 지지부 등과 같은 가열 부재들을 구성하는 기판에 대부분 적합하다. 더욱이, 알루미늄을 제외한 금속 원소들의 함량 모두가 100ppm을 넘지 않으므로 오염을 초래하지 않는다. 특히, 반도체 웨이퍼 및 반도체생산 장치 자체에 악영향을 미치지 않는다.

게다가, 본 발명자들은 비록 질화알루미늄 소결체의 표면에서 필연적으로 색의 불균형이 발생함을 발견하였지만, 이러한 색의 불균형은 본 발명의 질화알루미늄 소결체의 표면 상에서는 실질적으로 눈에 띠지 않으므로, 본 발명의 질화알루미늄 소결체는 매우 우수한 외양을 가진다.

더욱 바람직하게는, 상기 질화알루미늄 소결체는 일본 공업 규격(JIS) Z8721의 정의에 따라 명도가 N 3 이하인 흑색을 나타낸다.

본 명세서에 사용된 알루미늄을 제외한 금속 원소들이라는 표현은 주기율표의 Ia - Ⅶa족, Ⅷ족, Ib족 및 IIb족 뿐만 아니라 Ⅲb족 및 Ⅳb족(실리콘, 갈륨, 게르마늄 등)의 일부를 의미한다.

이하 명도라는 용어를 설명한다. 물질의 표면색은 사람의 색, 지각 및 감각이라는 세가지 속성인 채도, 명도 및 색상에 의해 표현된다. 이러한 속성들 중에서, 명도는 물질 표면의 반사율이 큰지 또는 작은지를 판단하는 시각적 감각의 속성의 단위이다. 상기 세가지 속성들의 단위를 나타내는 방법이 일본 공업 규격(JIS) Z 8721에 의해 정의된다. 명도Ⅴ는 무채색을 기본으로하여, N 0 내지 N 10의 기호를 사용하여 색의 명도를 표현하기 위하여 이상적인 흑색의 명도를 0으로 하고 이상적인 백색의 명도를 10으로하여 상기 이상적인 흑색과 이상적인 백색 사이의 색의 명도에 대한 시각을 동일한 간격으로 10개의 명도로 구분한다. 실제 소결체의 명도를 측정하는 경우, 명도가 N 0-N 10인 표준색의 종이들을 소결체의 표면색과 비교하여 소결체의 명도를 결정한다. 이때, 명도는 대체로 소수점 첫째자리가 0 또는 5의 값을 갖는 소수 첫째자리까지 결정된다.

보다 구체적으로, 본 발명자들은 적어도 1,800℃의 온도에서 질소 환원법에 의해 수득한 질화알루미늄 분말을 고온 성형 소결하여 상기의 질화알루미늄 소결체를 얻을 수 있었다.

더욱이, 본 발명자들은 원료로서 고순도의 질화알루미늄 분말을 사용하는 고온 성형 소결 조건에 관하여 신중하게 연구하여 명도가 N 4 이하인 신규한 질화알루미늄 소결체를 제조하기 위해서는, 상기 고온 성형 소결은 적어도 120 ㎏/㎠ 의 압력에서 수행되어야 함을 발견하였다. 즉, 본 발명가들은 상기 조건 하에서, 명도가 N 4이하이고 상대 밀도가 적어도 99.3%인 고순도의 질화알루미늄 소결체를 제조하는데 성공하였다.

여기서, 질화알루미늄 소결체의 상대 밀도는 다음 식으로 정의된 값이며, 단위는 %이다.

상대 밀도 = 벌크(bulk) 밀도/이론 밀도

질화알루미늄 소결체의 원료 분말을 제조하는 방법으로는 질소 환원법과 직접 질화법(direct nitriding method)이 개시되어 있다. 각각의 방법에 사용된 화학반응식은 다음과 같다.

질소 환원법 : Al₂O₃+3C+N₂+→2AlN+3CD

직접 질화법 : Al(C₂H₅)₃+NH₃→AlN+3C₂H₆(증기상 공정)

2Al+N₂→2AlN

더욱이, 본 발명자들은 명도가 N 4 이하인 질화알루미늄 소결체의 조직을 연구하여 상기 질화알루미늄 소결체를 구성하는 결정 그레인의 크기가 중요함을 발견하였다. 즉, 본 발명자들은 상기 결정 그레인의 평균 입자 직경이 4.0㎛를 초과하면 상기 질화알루미늄 소결체의 명도가 증가한다는 것을 발견gk였다. 특히, 상대밀도가 적어도 99.3%인 고밀도의 질화알루미늄 소결체에 있어서, 평균 입자 직경이 4.0㎛를 초과했을 경우, 상기 질화알루미늄 소결체의 명도는 4를 초과한다.

게다가, 이러한 관점에서, 상기 질화알루미늄 소결체는 결정 그레인들이 3.0㎛ 이하의 보다 바람직한 평균 입자 직경을 갖는다.

질소 환원법에 의해 수득한 질화알루미늄 분말은 적어도 1,800℃의 온도에서 소결되어야 한다. 본 발명에서와 같이 알루미늄을 제외한 금속 원소들의 각 함량이 소결체 내에서 100ppm 이하인 조건 하에서는, Y₂O₃등과 같은 금속 산화물로 구성된 소결 첨가제가 유효한 양으로 사용될 수 없으므로, 소결체의 고밀도화(densification)가 거의 진행되지 않는다. 따라서, 소성 온도가 1,800℃ 이하인 경우, 고온 성형과 같으 성형 조건 하에서도 상술한 큰 상대 밀도를 갖는 소결체를 거의 제조할 수 없다.

상기 소성 온도는 바람직하게는 2,000℃ 이하여야 한다. 이것은 소성 온도가 2,000℃를 초과하면, 상기 소결체는 과도하게 소결되어 오히려 상대 밀도가 감소되며, 소결체 내의 결정 그레인들은 점차 성장하여 상기의 평균 입자 직경을 증가시키기 때문이다.

또한, 질화알루미늄 분말 성형체가 통상의 소결 장치의 능력으로 쉽게 가열될 수 있기 때문에, 생산적인 면에서 볼 때 1,950℃ 이하의 소성 온도가 바람직하다. 한편, 적어도 1,850℃의 소성 온도가 사용될 경우, 상대 밀도가 적어도 99.7%인 질화알루미늄 소결체를 얻을 수 있어서 고온 성형과 같은 성형 조건 하에서도 질화알루미늄 소결체의 명도가 N 3 이하까지 감소된다.

질소 환원법에 의해 수득한 질화알루미늄 분말을 소결시키기는 유지 시간은 소결체의 흑화(blackness)를 향상시키기 위하여 적어도 2시간이 바람직하다. 그러나, 상술한 소성 온도 및 압력 범위에 있어서, 소결 시간이 5시간을 초과하면 결정 그레인이 소결체 내에서 과도하게 성장하는 경향이 있으므로, 소결의 유지 시간은 5시간 이하가 바람직하다.

또한, 본 발명자들은 질소 환원법에 의해 제조된 질화알루미늄 분말에 고온 정압(isostatic) 성형법을 적용할 때에도, 온도 및 압력 조건이 상술한 온도 및 압력과 동일한 경우 상대 밀도가 적어도 99.3%이고 명도가 N 4이하인 고순도의 질화알루미늄 소결체를 제조할 수 있음을 발견하였다.

더욱이, 본 발명자들은 질화알루미늄 분말이 비산화 (non-oxidizing) 분위기에서 소결되면, 흑화도가 높은 질화알루미늄 소결체가 쉽게 제조될 수 있음을 발견하였다. 비산화 분위기로서는 질소 등과 같은 비활성 기체 분위기가 특히 바람직하다. 또한, 질화알루미늄 분말을 예비 성형한 후, 상기 예비 성형체를 고온성형 소결하거나 고온 정압 소결하는 것이 바람직하다.

소결시에 질소 환원법에 의해 수득된 질화알루미늄 분말에 가해진 압력은 실제적인 장치의 기능을 고려할 때 0.5 t/㎠ 이하가 바람직하다.

게다가, 상술된 온도 및 압력 조건에서도, 고순도 질화알루미늄 분말이 직접질화법에 의해 제조되었을 때, 상대 밀도가 97%이며 명도가 높은 질화알루미늄 소결체만을 수득할 수 있었다. 그러나, 이것은 직접 질화법에 의해 제조된 원료 분말은 소결 첨가제 없이는 소결되기 어렵다는 사실에 기인하는 것으로 여겨진다.

상기의 경우, 소결 첨가제로서 Y₂O₃를 첨가한 질화알루미늄 분말을 사용하면, 원료 분말을 질소 환원법에의해 제조하였든지 직접 질화법에의해 제조하였든지에 관계없이, 심지어는 상기 소결체가 적어도 99.4%의 상대 밀도를 가졌을 때에도, 명도가 적어도 5.5인 소결체만을 제조할 수 있었다. 즉, 알루미늄을 제외한 각각의 금속 원소의 함량이 100 ppm 이하인 금속 원소들을 함유한 고순도 질화알루미늄 분말을 사용할 필요가 있었다.

본 발명자들이 더 연구한 결과, 알루미늄을 제외한 각각의 금속 원소의 함량이 100 ppm 이하인 금속 원소들을 함유하는 고순도 질화알루미늄 분말을 소결할 때, 상대 밀도가 적어도 99.3%이고 평균 입자 직경이 4.0㎛ 이하인 소결체를 제조하도록 충분히 소결하면, 명도가 4 이하인 질화알루미늄 소결체를 제조할 수 있음을 발견하였다. 또한, 소결체가 적어도 99.7%의 상대 밀도를 가지도록 충분히 소결하면, 명도가 3 이하인 질화알루미늄 소결체를 제조할 수 있다.

직접 질화법에 의해 제조되고, 알루미늄을 제외한 각각의 금속 원소의 함량이 100ppm 이하인 금속 원소들을 함유한 고순도 질화알루미늄 분말을 사용했을 때에도 유사한 결과를 얻을 수 있었다.

바람직하게는, 상기 질화알루미늄 소결체를 구성하는 결정 그레인들이 적어도 0.6 ㎛의 평균 입자 직경을 갖는다. 결정 그레인들의 직경이 0.6 ㎛ 미만이면 소결이 불충분하게 된다.

또한 바람직하게는, 상기 질화알루미늄 소결체를 구성하는 결정 그레인들은 1.0-20㎛의 평균 입자 직경을 가지며, 이에 따라 명도가 3 이하인 소결체를 얻게 된다.

본 발명자들은 상기 질화알루미늄 소결체의 상대 밀도를 적어도 99.3%의 매우 높은 값까지 높임에 의하여 상기 소결체가 갑자기 흑색을 띠는 이유에 대해 연구하였다. 이러한 것은 상기 소결체가 어느 정도 이상의 공극(pore)을 가지면, 공극들과 결정 그레인들 사이의 계면에서 가시 광선들이 불규칙하게 반사되므로, 상기 소결체가 약간 희게 보인다는 사실에 기인하는 것으로 여겨진다. 상기 소결체를 구성하는 결정 그레인들의 평균 입자 직경이 작으면, 가시 광선을 투과시키는 결정입계의 수는 증가한다. 물론 상기 소결체의 상대 밀도가 높기 때문에 이러한 공극들이 실질적으로 존재하지 않고 알루미늄 이외의 소량의 금속 원소들로 인해 각각의 결정 입계의 크기가 작다 하더라도, 이러한 결정 입계들은 가시광선을 흡수하는 에너지 레벨(level)을 갖는 결함(예컨대 산소 결함 등)을 가지며, 상기 증가된 수의 결정 입계와 관련된 결정 그레인들의 평균 입자 직경의 감소가 소결체의 명도를 감소시킨다고 여겨진다.

본 발명의 질화알루미늄 소결체는 큰 복사 열량 및 우수한 가열 특성을 가지므로, 세라믹 히터, 지지부등과 같은 가열 부재의 기판으로 가장 적합하다. 더욱이, 상기 질화알루미늄 소결체는 알루미늄을 제외한 각각의 원소에 대해 100 ppm이하의 금속 원소들의 함량을 가지므로, 오염의 문제를 발생시킬 염려가 거의 없다. 그러므로, 이것은 고순도 공정용 재료로서 가장 적합하다. 특히, 반도체 제조공정에 있어서, 상기 질화알루미늄 소결체는 반도체 웨이퍼 및 생산 장치들 자체에 심각한 악영향을 미칠 염려가 없다.

바람직하게는, 상기 질화알루미늄 소결체의 열전도율(heat conductivity)은 세라믹 히터, 지지부등과 같은 가열 부재로서 사용하기 위해 적어도 90 W/m·K 이다.

[비교 실시예 1-3 및 실시예 1]

본 발명자들은 실제로 질화알루미늄 소결체를 제조하였다. 원료로서는, 상기 직접 질화법에의해 제조된 질화알루미늄 분말을 사용하였다.

표 1에 제시된 비교 실시예 1 및 2에 있어서, 사용된 원료 분말이 5 중량%의 이트리아(Y₂O₃)를 함유한 반면, 비교 실시예 3 및 실시예 1에서는 사용된 원료가 이트리아를 함유하지 않은 고순도 질화알루미늄 분말이었다.

표 1에 제시된 비교 실시예 1 및 3에 있어서, 원료 분말들을 단축 성형(monoaxial pressing)으로 성형하여 예비 성형체를 제조하고 나서 고온 성형 소결하였다. 고온 성형을 수행할 때, 1,900℃에서 2시간 동안 200 ㎏f/㎠의 압력을 가했다. 실시예 1에 있어서, 상기 예비 성형체를 400㎏f/㎠의 압력 하에 1,950℃에서 2시간 동안 고온 성형 소결하였다. 비교 실시예 2에서는, 상기 예비 성형체를 7tf/㎠의 압력 하에 저온 정압 성형시켜 성형체를 얻었고, 상기 성형체를 질화붕소로 구성된 밀폐 챔버 내에 넣고 대기압 하에서 1,900℃의 온도로 3시간 동안 소성하였다.

이렇게 수득한 비교 실시예 1 - 3 및 실시예 1의 질화알루미늄 소결체를 색조(color tone), 명도, 부피 비중, 상대 밀도, 평균 입자 직경, 결정 입계의 수, 열전도율, 적외선 복사 투과비, 불순물 원소들의 함량 및 주성분의 함량을 측정했다.

명도는 상술한 바와 같이 측정하였다. 벌크 밀도는 아르키메데스(Archimedes) 방법으로 측정했다. 이론적인 밀도는 사용된 원료 분말에 따라 결정하였는 데, 즉 5% 이트리아(Y₂O₃)첨가제가 첨가된 원료 분말의 이론적인 밀도가 비교 실시예 1 및 2에서는 3.36g/cc 이고, 이트리아(Y₂O₃) 첨가제를 첨가하지 않은 원료 분말의 이론적인 밀도가 비교 실시예 3 및 실시예 1에서는 3.26 g/cc 이다.

평균 입자 직경 및 결정 입계의 수는 ASTM E 112 - 85에 의해 측정한다. 즉, 각 실시예의 소결체를 가공하여 높이 4 ㎜, 가로 길이 3 ㎜ 및 세로 길이 40 ㎜인 직사각형 표본을 제조하여, 질소 분위기에서 1,300℃에서 4점 굽힘 강도 시험(4point bending strength test)을 하였다. 시험한 표본의 결정 입계의 깨진 면을 조망형 전자 현미경으로 관찰하였고, 평균 입자 직경 및 결정 입계의 수를 결정하기 위하여 전자 현미경으로 확인된 깨진 면의 사진을 상 분석하였다. 즉, 30 × 30 ㎛ 범위를 관찰 영역으로 선택하고, 10개의 관찰 영역에서 측정하여 각 관찰 영역에서의 평균 입자 직경의 평균값을 결정하였다. 결정 입계의 수는 30 ㎛길이의 직선 상에 존재하는 결정 입계의 수를 측정하여 나타내었다.

적외선 복사 투과비의 측정에 있어서, 300㎛의 두께를 갖는 표본을 제조하였고, 5-6㎛의 적외선 복사 파장을 사용했으며, IR, - 810형 적외선 분광 광도계를 사용하였는데, 이것은 TFD 전기 직접 비교법에 기초한 것이며 이중 광선 필터 및 회절 격자 분광기를 이용한다. 이들 측정 결과가 표 1에 제시된다.

표 1에 나타낸 바와 같이, 직접 질화법에 의해 제조된 질화알루미늄 분말을 사용했을 경우, 수득된 소결체는 회색, 연한 갈색 또는 백색 색조를 나타내고 명도가 높으므로 열복사 특성이 좋지 못하다. 특히, 5 중량%의 이트리아를 함유하는 원료 분말을 200㎏f/㎠의 압력 하에서 1,900℃의 온도로 고온 성형한 비교 실시예 1에서는, 원료 분말을 직접 질화법에 의해 제조된 경우라도 99.4%로 증가된 상대 밀도를 얻었다. 이러한 것은 소결을 촉진시키는 이트리아의 기능에 기인한다. 그러나, 명도는 단지 N 6으로 억제되었다. 이것은 소결 첨가제의 기능 때문이라고 여겨진다.

비교 실시예 2에서는, 성형체를 저온 정압 성형 방법으로 제조하였지만, 상기 소결체는 98.2%의 상대 밀도를 가지므로 명도는 여전히 높다.

비교 실시예 3에서는, 직접 질화법으로 제조한 고순도 질화알루미늄 분말을 200㎏f/㎠의 압력 하에서 1,900℃의 온도로 고온 성형 소결하였지만, 상기 소결체는 단지 97.0%의 상대 밀도와 백색 색조를 가졌다. 이러한 원료 분말에는 보다 높은 압력이 요구된다.

실시예 1에서는, 직접 질화법에 의해 제조된 원료 분말을 사용하고 소결 첨가제를 사용하지 않았지만, 고온 성형시에 400㎏f/㎠의 고압을 사용하여 소결체의 충진도를 99.4%의 상대 밀도를 가지도록 향상시킬 수 있었다. 그 결과, 명도가 N 3.5이고 흑회색 색조의 소결체를 얻을 수 있었다.

[비교 실시예 4-6]

비교 실시예 1 - 3과 동일한 방식으로, 상술한 질소 환원법에 의해 제조된 질화알루미늄 분말을 원료로서 사용하여 질화알루미늄 소결체를 제조하였다.

표 2에 제시된 비교 실시예 4 및 5에 있어서, 3중량%의 이트리아를 함유하는 원료 분말을 사용하였고, 비교 실시예 6에 있어서는, 이트리아를 함유하지 않는 고순도 질화알루미늄 원료 분말을 사용하였다.

비교 실시예 4에서는, 원료 분말을 단축 성형 하에서 성형하여 예비 성형체를 제조하여 고온 성형 소결하였다. 고온 성형을 수행할 때, 1,900℃에서 2시간 동안 200㎏f/㎠의 압력을 가하였다. 비교 실시예 5 및 6에 있어서, 상술한 예비 성형체를 7tf/㎠의 압력 하에 저온 정압 성형하여 성형체를 얻었고, 상기 성형체를 질화붕소로 구성된 밀폐 챔버 내에 넣고 대기압 하에서 1,900℃의 온도로 3시간 동안 소성하였다.

이렇게 수득된 비교 실시예 4 - 6의 질화알루미늄 소결체를 상술한 바와 동일한 항목에 대해 측정하였다. 이들 측정 결과가 표 2에 제시된다. 이트리아(Y₂O₃)의 첨가량이 3 중량%인 비교 실시예 4 및 5에 있어서, 상기 소결체의 이론 밀도는 3.29 g/cc이다.

표 2에 나타낸 바와 같이, 비교 실시예 4에 있어서, 3 중량%의 이트리아를 함유하는 원료 분말을 사용하여 200㎏f/㎠의 압력 및 1.900℃의 온도 조건에서 고온 성형 소결하였으며, 수득된 소결체는 99.4%의 상대 밀도를 가졌다. 따라서, 이트리아를 함유하는 질화알루미늄 분말의 경우, 상기 소결체는 상기 분말을 직접 질화법으로 제조하였든지 또는 질소 환원법으로 제조하였든지에 관계없이 상대 밀도의 변화가 없었다. 그러나, 비교 실시예 4에 있어서도, 상기 소결체의 명도는 5.5이었고 색조는 회색이었다.

비교 실시예 5에 있어서, 3 중량%의 이트리아를 함유하는 물질의 분말을 대기압에서 소성하였지만, 상기 소결체는 98.8%의 상대 밀도 및 높은 명도를 가졌다.

비교 실시예 6에서는, 불순물을 매우 소량 함유하고 이트리아와 같은 첨가제는 함유하지 않은 고순도 질화알루미늄 분말을 사용하였지만, 상대 밀도가 낮은 백색 소결체만이 제조될 수 있었다.

[비교 실시예 7-9]

비교 실시예 1 - 3과 동일한 방법으로 질화알루미늄 소결체를 제조하였다. 원료 분말로서, 상기 질소 환원법에 의해 제조된 이트리아를 함유하지 않는 고순도질화알루미늄 분말을 사용하였다. 상기 분말을 단축 성형하여 예비 성형체를 제조하여 질소 분위기에서 고온 성형 소성하였다.

고온 성형 소성의 경우, 비교 실시예 7에 있어서는 50㎏f/㎠의 압력 및 1,900℃의 온도에서 2시간 동안 소성을 수행하였고, 비교 실시예 8에서는 100 ㎏f/㎠의 압력 및 1,800℃의 온도에서 2시간 동안 소성을 수행하였으며, 비교 실시예 9에서는 100㎏f/㎠의 압력 및 1,900℃의 온도에서 2시간 동안 소성을 수행하였다.

이렇게하여 수득한 비교 실시예 7-9의 소결체를 상술한 것과 동일한 방법으로 측정하였다. 이러한 측정 결과를 표 3에 나타내었다.

비교 실시예 7에 있어서, 압력이 50㎏/㎠의 적은 값이기 때문에 아마도 소결이 충분하게 진행되지 않아서, 상기 소결체는 91.1%의 상대 밀도 및 백색 색조를 가졌다.

비교 실시예 8에서는, 압력이 100㎏/㎠이고 온도가 1,800℃이지만, 역시 소결이 충분히 진행되지 않았으므로, 상기 소결체는 96.3%의 상대 밀도 및 연한 회색의 색조를 가졌다.

비교 실시예 9에서는, 소결이 100㎏/㎠의 압력 하에서 1,900℃의 보다 높은 온도로 수행되었으므로, 상기 소결체는 99.1%의 상대 밀도 및 연한 회색의 색조를 가졌다.

[실시예 2-5]

비교 실시예 7 - 9에서와 동일한 방법으로 질화알루미늄 소결체를 제조하였다. 원료로서, 이트리아를 함유하지 않으며 상기 질소 환원법에 의해 제조된 고순도 질화알루미늄 분말을 사용하였다. 그 후 상기 분말을 단축 성형하여 예비 성형체를 제조하여 질소 분위기에서 고온 성형 소성하였다. 그러나, 고온 성형 소성시에, 소성 온도, 유지 시간 및 압력이 표 4에 나타낸 바와 같이 변화되었다.

이렇게하여 얻은 실시예 2 - 5의 질화알루미늄 소결체를 상술한 것과 동일한 방법으로 측정하였다. 측정 결과를 표 4에 제시한다. 비교 실시예 7-9 및 실시예2 및 3에서 측정된 상기 소결체의 상대 밀도와 명도 N 사이의 관계를 제 1도에 도시하였다.

표 4에서 알 수 있듯이, 실시예 2에 있어서, 상술한 질화알루미늄 원료의 분말의 성형체를 200㎏/㎠의 압력 하에서 2시간 동안 1,800℃의 온도로 소성함에 의해 고온 성형하여 흑회색이고, 명도가 N 3.5이며, 상대밀도가 99.4%이고 평균 입자직경이 0.6㎛인 소결체를 얻었다. 이러한 조건에서, 소결은 충분히 진행되고 압력은 1,800℃의 소성 온도에 대해서는 상대적으로 크므로, 결정 그레인들의 성장이 억제되었다고 여겨진다.

실시예 3에 있어서, 고온 성형 소성을 200㎏/㎠의 압력 하에 2시간 동안 1,900℃에서 수행하여 명도가 N 3이고, 상대밀도가 100%이며 평균 입자 직경이 1.1㎛인 흑회색의 소결체를 얻었다. 이러한 조건에서 수득된 소결체는 실시예 2와 비교했을 때 소결이 더 진행되고, 결정 그레인들이 좀 더 성장하였으며 더 낮은 명도를 나타낸다.

실시예 4에서는, 120㎏/㎠의 압력 하에 2시간 동안 1,900℃에서 고온 성형 소성을 수행하여 명도가 N 3.5이고, 상대밀도가 99.4%이며 평균 입자 직경이 2.7㎛인 흑회색의 소결체를 얻었다. 이것은 이러한 조건에서 수득된 소결체가 실시예2와 비교했을 때 결정 그레인들이 더 성장했기 때문에, 명도가 좀 더 커지게 되었다고 여겨진다.

실시예 5에서는, 150㎏/㎠의 압력 하에서 2시간 동안 1,950℃의 온도로 고온성형 소성을 수행하여 명도가 N 3.5이고, 상대밀도가 99.7%이며 평균 입자 직경이 3.0 ㎛인 흑회색의 소결체를 얻었다. 이것은 소성 온도가 실시예 3보다 더 높은 압력이 실시예 3보다 더 낮기 때문에, 결정 그레인들의 성장이 좀 더 쉽게 진행될 수 있었고 명도는 약간 더 낮아지게 되었다고 여겨진다.

실시예 3에서는, 수득된 소결체가 100.0%의 상대 밀도를 갖고 26%의 적외선 방사 투과비를 가졌다.

[실시예 6-7 및 비교 실시예 10-11]

비교 실시예 7 - 9에서와 동일한 방법으로 실시예 6 - 7 및 비교 실시예 10-11의 질화알루미늄 소결체를 제조하였다. 원료로서, 이트리아를 함유하지 않으며 상기 질소 환원법에 의해 제조된 고순도 질화알루미늄 분말을 사용하였고, 상기 원료 분말을 단축 성형하여 예비 성형체를 제조하고나서, 질소 분위기에서 고온 성형 소성하였다. 그러나, 고온 성형 소성시에, 소성 온도, 유지 시간 및 압력이 표 5에 나타낸 바와 같이 변화하였다. 비교 실시예 11에서는, 상술된 실시예 3의 소결체를 질소 분위기에서 1,950℃에서 2시간 동안 더 열처리하여 비교 실시예 11의 소결체를 얻었다.

이렇게하여 얻은 실시예 6 - 7 및 비교 실시예 10 - 11의 소결체를 상술한 것과 동일한 방법으로 측정하였다. 이들 측정 결과를 표 5에 제시한다.

실시예 6에 있어서, 120㎏/㎠의 압력 하에 2시간의 유지 시간 동안 1,850℃ 의 소성 온도로 소성을 수행하여 명도가 N 4이고 상대밀도가 99.3%인 소결체를 얻었다. 상기 소결체는 상술된 방법으로 측정했을 때 3.1㎛의 평균 입자 직경을 가졌다.

실시예 7에서는, 200㎏/㎠의 압력 하에서 5시간의 유지 시간 동안 1,900℃의 소성 온도로 소성을 수행하였다. 이렇게하여 얻은 소결체는 벌크 밀도가 실시예 3의 벌크 밀도와 동일한 3.26 g/㎠ 이었으나 N 4의 증가된 명도를 가졌다. 상기 소성체는 상술한 방법으로 측정했을 때 3.8㎛의 평균 입자 직경을 가지며, 실시예 3과 비교했을 때 결정 그레인들의 성장이 진행되었음을 나타내었다. 이것은 상기 소결체의 명도가 결정 그레인들의 성장 때문에 증가되었다고 여겨진다.

비교 실시예 10에서는, 200㎏/㎠의 압력 하에서 7 시간의 유지 시간 동안 1,950℃의 소성 온도로 소성을 수행하여 평균 입자 직경이 3.2㎛이고 상대 밀도가 99.1%이며 명도가 N 5인 회색의 소결체를 얻었다. 이러한 조건에서 얻은 소결체는 실시예 3과 비교했을 때 상당히 소결이 진행되었음을 나타내었고 따라서 명도가 증가되었을 나타내었다.

비교 실시예 11에서는, 실시예 3의 소결체를 2시간의 유지 시간 동안 질소분위기에서 대기압 하에서 1.950℃의 소성 온도로 더 열처리하였다. 그 결과, 열처리 후의 소결체는 열처리 이전의 소결체의 벌크 밀도와 비교했을 때 변하지 않은 값인 3.26 g/㎠의 벌크 밀도를 가졌지만 회색 색조와 N 5의 증가된 명도를 가졌다. 상술한 방법에 의해 측정한 결과, 열처리 후에 얻은 소결체는 4.2㎛의 평균 입자직경을 가졌다. 이들 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 대기압 하에서 열처리하는 경우, 비교적 짧은 시간 내에 열처리가 수행되면 과도한 소결은 일어나지 않았지만, 결정 그레인들의 성장이 발생하였고, 따라서 상기 소결체의 색조는 회색으로 변하였다.

[웨이퍼의 가열 실험]

실시예 3에 의해 제조된 질화알루미늄 소결체를 직경 210㎜이고 두께가 10㎜인 판에 넣었다. 상기 판을 적외선 복사 램프에 의한 가열 장치가 구비된 진공 챔버 내에 놓아두었다. 상기 램프 상에 직경이 8인치인 실리콘 웨이퍼를 장착하고 여기에 상기 판과 실리콘 웨이퍼의 온도를 동시에 측정하도록 열전대를 부착하였다. 적외선 복사 램프로서는, 각각의 램프가 1㎛의 파장 주위에서 적외선 복사 피이크를 갖는 500 와트 램프의 20개의 튜브를 알루미늄 반사 판 상에 부착시키고, 상기 반사판과 램프들을 상기 진공 챔버의 외부에 배열시켰다. 상기 적외선 복사 램프로부터 방사된 적외선 복사 광선은 직접적으로, 또는 반사 판에서 반사된 후에, 진공챔버 내에 배열된 직경 250㎜ 및 두께 5㎜의 원형 석영 윈도우를 통해 통과하여 상기 질화알루미늄 판에 도달하여 상기 판을 가열하였다.

상기 가열 장치에서, 상기 적외선 복사 램프는 열을 생성하여 상기 질화알루미늄 판의 온도를 11분 내에 실온에서부터 700℃까지 상승시켰고 1 시간 동안 700℃에서 유지시켰으며, 그리고나서 상기 램프는 제거되어 상기 판의 온도를 서서히 식혔다. 결과, 상기 적외선 복사 램프는 최대 860W의 전원을 소모하여 상기 웨이퍼의 온도를 일정하게 조절할 수 있었다.

측정 결과로서, 상기 실리콘 웨이퍼는 상기 판의 온도를 700℃에서 유지시켰을 때 611℃의 온도를 나타내었다.

실시예 4 - 5에 제조된 질화알루미늄 소결체에 대해 유사한 실험을 수행하여 상술한 바와 동일한 결과를 얻었다.

비교 실시예 1에 의해 제조된 질화알루미늄 소결체로부터 제조된 판 상에 유사한 실험을 수행하였고, 이것은 1,900℃에서 소성시켜 얻은 백색의 질화알루미늄 소결체로서 99.4%의 밀도를 갖는다. 이때, 소비된 전원은 최대 10KW의 값에 이르렀고 온도 상승 시간은 약 2분 정도 지연되었다. 실온과 700℃ 사이의 온도 증가 및 감소의 가열 주기가 반복되어 상기 적외선 복사 램프가 연소되는 것 같음이 밝혀졌다.

측정 결과, 상기 실리콘 웨이퍼는 상기 판의 온도를 700℃에서 유지시켰을 때 593℃의 온도를 가졌으며, 또한 실시예 3-5의 상술한 값들과 비교했을 때 더 낮은 온도를 나타내었다.

상기 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명에 따른 질화알루미늄은 안정하며 웨이퍼의 가열시 백색의 질화알루미늄보다 더 양호한 적외선 복사 흡수 용량을 가지며 더 우수한 열복사 기능을 갖는다.

상기에서는 본 발명이 바람직한 실시예를 참조하여 설명되었지만, 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위내에서 다양한 수정 및 변경이 수행될 수 있음은 물론이다.

본 발명의 질화알루미늄 소결체 및 이의 제조 방법은 세라믹 히터, 지지부 등과 같은 가열 부재, 특히 세라믹 히터, 세라믹 지지부, 세라믹 정전 척(chuck), 고주파 금속 전극을 장착한 세라믹 지지부 등과 같은 반도체 제조 장치에 배치하기 위한 가열 부재에 매우 적합하게 사용될 수 있다.

Claims (9)

1. 알루미늄을 제외한 각각의 금속 원소의 함량이 100 ppm 이하인 금속 원소들을 포함하며 일본 공업 규격(JIS) Z 8721의 정의에 따라 명도가 N 4 이하인 흑색을 띠고, 적어도 99.3%의 상대 밀도를 갖는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 소결체.
2. 제1항에 있어서, 상기 소결체를 구성하는 결정 그레인들의 평균 입자 직경이 적어도 0.6㎛이지만 4.0 ㎛를 넘지 않는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 소결체.
3. 제2항에 있어서, 상기 소결체를 구성하는 결정 그레인들의 평균 입자 직경이 3.0 ㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 소결체.
4. 제3항에 있어서, 상기 소결체를 구성하는 결정 그레인들의 평균 입자 직경이 적어도 1.0㎛이지만 2.0㎛를 넘지 않는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 소결체.
5. 적어도 120㎏/㎠의 압력 하에서 적어도 1,800℃의 온도로 질소 환원법에 의해 수득한 질화알루미늄 분말을 소결하는 것을 포함하는 질화알루미늄 소결체의 제조 방법.
6. 제6항에 있어서, 상기 질화알루미늄 분말을 2.000℃ 이하의 온도에서 소결시키는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 소결체의 제조 방법.
7. 제5항에 있어서, 상기 질화알루미늄 분말을 적어도 200㎏/㎠의 압력 하에 소결시키는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 소결체의 제조 방법.
8. 제5항에 있어서, 상기 질화알루미늄 분말의 소결이 적어도 2시간 이지만 5시간을 넘지 않도록 수행되는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 소결체의 제조 방법.
9. 제5항에 있어서, 알루미늄을 제외한 각각의 금속 원소의 함량이 100 ppm 이하인 금속 원소들을 함유하는 상기 질화알루미늄 분말을 소결시켜 소결체를 얻을 때, 상기 소결체를 구성하는 결정 그레인들의 평균 입자 직경이 적어도 0.6 ㎛ 이지만 4.0 ㎛를 넘지 않으며 상대 밀도가 적어도 99.3%인 소결체를 얻도록 소결을 수행하는 것을 특징으로 하는 질화알루미늄 소결체의 제조 방법.