KR0148432B1 - 세라믹 접합체 및 세라믹 접합체의 제조방법 - Google Patents

Abstract

세라믹 소지의 접합체를 제조하는 방법은, 접합할 세라믹 소지를 기계가 공하여 평균 표면조도(Ra)가 0.2μm을 넘지 않고 평활도가 0.2μm을 넘지 않는 기계가공 표면을 형성하는 단계와, 기계가공 표면의 적어도 하나에 접합촉진제를 함유한 용액을 가하는 단계와, 기계가공 표면을 서로 접촉시켜 어셈블리를 제조하는 단계, 및 어셈블리를 열처리하여 접합체를 제조하는 단계로 이루어진다. 조도와 평활도는 0.2μm이하인 것이 바람직하다. 접합 촉진제는 하나이상의 세라믹 소지에 적용할 수 있는 소결 촉진제인 것이 바람직하다. 세라믹 소지는 알루미늄 나이트라이드 및 실리콘 나이트라이드로 구성된 군에서 선정된 하나 또는 그 이상의 재료인 것이 바람직하다. 상기 접합촉진제는 이트륨 기지 및 이테르븀 기지로 구성된 군에서 선정된 하나 또는 그 이상의 접합촉진제인 것이 바람직하다. 접합체에 있어서, 접합체의 접합계면을 따라 접합촉진제의 성분이 풍부한 층이 형성되고, 세라믹 입자가 상기 접합계면을 가로질러서 성장되어 있다.

Description

세라믹 접합체 및 세라믹 접합체의 제조방법

제1a도는 서로 접촉하기 전의 세라믹 소지에 대한 정면도.

제1b도는 서로 접촉하고 있는 세라믹 소지에 대한 정면도.

제1c도는 세라믹 소지의 접합체에 대한 정면도.

제2a도는 접합촉진제 용액이 가해진 기계가공 표면 근방의 영역에 대한 단면 개요도.

제2b도는 세라믹 소지의 열처리후, 접합계면 근방의 영역을 나타낸 단면 개요도.

제3도는 세라믹 소지의 열처리후, 세라믹 입자가 접합계면을 가로질러서 성장하였음을 보여주는 접합계면 근방의 단면 개요도.

제4도는 전자현미경의 2차 전자 상으로 촬영한 접합체의 세라믹 미세 조직 사진.

제5도는 전자현미경의 후방산란 전자 상으로 촬영한 접합체의 세라믹 미세조직 사진.

제6도는 제5도의 사진에서 중심부를 확대 촬영한 미세조직 사진.

제7도는 제6도의 사진에서 중심부를 확대 촬영한 미세조직 사진.

제8도는 반도체 제조장치의 챔버에서 세라믹 가열기와 관상체를 접합하여 제조한 가열장치를 보여 주는 단면 개요도.

제9도는 제8도에서 본 발명의 주요 부분에 대한 확대 단면 개요도.

제10도는 제8도와 다른 본 발명의 구현예를 보여주는 단면 개요도.

* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명

1A,1B : 세라믹 소지 2A,2B : 세라믹 소지의 표면

3 : 접합체 4 : 접합계면

7 : 세라믹 입자 10 : 접합촉진제 용액

12 : 접합촉진제 성분이 풍부한 층

21 : 원반형 세라믹 가열기

22 : 가열 기판 23 : 벌크 단자

24 : 가열 레지스터 26,35 : 관상체

본 발명은 세라믹 소지의 고상 접합을 위한 방법과 이 방법으로 제조한 접합체에 관한 것이다.

본 발명자들은 예를 들어 일본국 특허출원 제301,897/1991호의 명세서에 기술된 바와 같이 반도체를 제조하기 위한 열 CVD 장치에 사용하기 위한 가열장치로서 아래에 기술된 바와 같은 세라믹 가열기를 발표하였다. 이러한 세라믹 가열기를 제조하기 위해서는, 내부에 텅스텐으로 된 가열 레지스터를 구비한 실리콘 나이트라이드로 된 원반형 기판과 부식 가스 또는 반도체피막 생성 가스의 누출을 방지하기 위해 실리콘 나이트라이드로 된 관상체를 접합해야 할 필요가 있다. 그러나 본 발명자들은 상기 기판과 관상체간의 강력한 기밀 접합이 어렵다는 사실을 알았다. 예를 들면, 산화물 유리로된 유리질 접착제를 사용하여 원반형 기판과 관상체를 접합하므로써 가열장치(접합체)를 제조하여 보았다. 그러나 접합체의 접합계면의 기계적 강도가 낮았다. 더욱이 이러한 가열장치는 반도체를 제조하기 위한 장치에 위치되고 반도체 피막을 생성하기 위한 가스 또는 부식 가스가 공급되어 반도체 제조장치를 흐를 때, 기판과 관상체의 접합계면에서 가스 누출이 야기될 수도 있다. 게다가 가열장치를 반복하여 사용할 때, 접합계면을 따라 균열이 발생할 수도 있다.

상기 기술한 바와 같이, 본 발명자들은 기계적 강도가 높은 실리콘 나이트라이드 또는 알루미늄 나이트라이드로 된 세라믹 소지 접합체를 제조하기 위한 집중적인 연구를 수행하였다. 그러나 세라믹 소지의 소결온도가 대단히 높은 등의 이유 때문에 종래 기술에서 이러한 접합을 위한 적절한 방법을 찾지 못하였다. 예를 들면, 본 발명자들은 세라믹 소지의 사이에 분말 접합제를 가한 다음, 가열하여 분말 접합제의 성분이 확산되도록 하여 보았다. 그러나 접합계면의 기계적 강도가 높고 기밀성능이 우수한 접합체를 제조하기가 곤란하였다.

본 발명의 첫 번째 목적은 세라믹 소지를 접합하기 위한 새로운 방법을 제공하기 위한 것이다.

본 발명의 두 번째 목적은 세라믹 소지를 접합하여 제품을 만들 때, 종래 방법으로 제조된 접합체보다 접합체의 기계적 강도를 개선하기 위한 것이다.

본 발명의 세 번째 목적은 세라믹 제품을 접합할 때, 접합체의 접합계면이 아닌 위치에서의 기계적 강도에 비하여 접합계면에서의 기계적 강도를 개선하기 이한 것이다.

본 발명의 네 번째 목적은 접합계면의 기밀성능을 개선하여 가스누출을 방지하고 접합계면을 따른 균열 발생을 방지하기 위한 것이다.

본 발명은 고상 접합법에 의해 접합된 세라믹 소지의 접합체를 제공하며, 상기 접합체의 접합계면을 따라 접합촉진체의 성분이 풍부한 층이 형성되고, 세라믹 입자들이 상기 접합계면을 가로 질러서 성장된다.

또한 본 발명은 고상 접합법에 의해 접합된 세라믹 소지의 접합체를 제조하기 위한 방법을 제공하고 있으며, 접합할 세라믹 소지를 기계가공하여 평균 표면조도(Ra)가 0.2μm을 넘지 않고 평활도가 0.2μm을 넘지 않는 기계가공 표면을 형성하는 단계와, 상기 기계가공 표면의 적어도 하나에 접합촉진제를 함유한 용액을 가하는 단계와, 상기 기계가공 표면을 설 접촉시켜 어셈블리를 제조하는 단계, 및 상기 어셈블리를 열처리하여 접합체를 제조하는 단계로 구성되어 있다.

본 발명자들은 실리콘 나이트라이드 또는 알루미늄 나이트라이드로 만든 길쭉한 샘플을 준비하고, 각 샘플의 표면을 초정밀 기계가공하여 각 기계가공표면에 접합촉진제를 함유한 용액을 가하였다. 그 다음, 기계가공 표면을 서로 접촉시켜 어셈블리를 만든 후, 열처리하여 접합체를 제조하였다.

본 발명자들은 상기 접합체의 4점 굽힘강도를 측정하였다. 놀랍게도 접합체의 4점 굽힘강도는 동일 크기의 동일 재질로 된 소결체의 강도에 필적하는 것으로 판명되었다. 또한 4점 굽힘강도 측정중, 접합체가 접합계면을 따라 파단되지 않고 소결된 각 세라믹 소지의 내부에서 파단되었다.

즉 본 발명자들은 접합계면의 기계적 강도가 소결된 세라믹 소지 그 자체의 강도에 필적하거나 또는 오히려 높다는 놀라운 효과를 확인하였다.

첨부된 도면에 제시된 몇가지 바람직한 구현예를 참조하여 본 발명의 기타 다른 목적, 특징 및 장점들을 설명하면 다음과 같으며, 본 기술 분야의 전문가이면 본 발명의 범위를 벗어나지 않고서도 본 구현예의 변경, 개조 및 기타 다른 방법으로의 본 발명 실시가 가능하다.

본 발명자들은 상기 접합 메커니즘에 관하여 더 연구하였다. 예를 들면, 제1a도에 개략적으로 도시된 바와 같이, 4점 굽힘강도 시험을 위하여 소저의 형상과 크기를 갖는 세라믹 소지(1A, 1B)를 준비하였다. 세라믹 소지(1A)의 표면(2A)과 세라믹 소지(1B)의 표면(2B)은 초정밀 기계가공하였다. 가공후, 표면(2A, 2B)의 평균 표면조도(Ra)가 0.2μm을 넘지 않도록 하고, 평활도가 0.2μm을 넘지 않도록 할 필요가 있다. 접합촉진제를 포함하는 용액(10)을 기계가공 표면(2A, 2B)에 가하였다. 제1a도에 도시된 예에서, 용액(10)은 기계가공표면(2A, 2B)모두에 가하였다. 이어서 제1b도에 도시된 바와 같이 실질적인 간격없이 상기 기계가공 표면(2A, 2B)을 접촉시켰다.

제2a도는 이 상태에서 접합계면 근방의 영역을 개략적으로 나타낸 확대단면도이다. 즉, 각 세라믹 소지(1A, 1B)의 미세조직은 다결정 조직이며, 여기에서 세라믹 입자 또는 결정입자(7) 사이에 입간상(intergranular phase)(11)이 생성되어 있다. 세라믹 접합계면을 따른 세라믹 입자(7A)는 상기 기계가공 중에 절단되어 있고, 입자(7A)의 절단표면은 기계가공 표면(2A, 2B)에 노출되어 있다. 표면(2A, 2B)을 접촉시킬 때, 전술한 바와 같이 각 표면(2A, 2B)의 기계가공에 의하여 입자의 절단표면은 실질적인 간극이 없이 서로 접촉된다.

접합촉진제 용액(10)이 표면(2A, 2B) 사이에 가해지면 어셈블리를 구성하고 이어서 열처리되게 된다. 열처리중에 세라믹 소지(1A, 1B)에 포함된 입자(7A)는 각 입자(7A)에 접합촉진제 또는 접합제가 확산함에 따라 서로 접촉 및 접합된다. 제2b도에 도시된 바와같이 입자는 접합 및 성장하며, 접합계면(4)을 가로질러서 성장하여 접합계면(4)에 수직한 방향으로 뻗어 간다.

전술한 바와 같이 본 발명이 제공하는 새로운 접합방법에서는, 절단 입자(7A)가 실질적인 간극 없이 서로 접촉 및 접합되면, 이어서 열처리중 접합촉진제의 효과에 의해 접합계면을 교차하여 성장한다. 결과적으로 예를 들어 제3도에 도시된 바와 같이 접합계면을 따라 접합촉진제가 풍부한 층(12)이 생성되고, 접합입자(9)는 주로 상기 층(12)에서 생성되어 접합계면에 수직한 방향으로 성장한다. 이 과정에서, 접합촉진제의 많은 부분을 포함하고 있는 입간상이 접합입자의 성장에 따라 분산된다. 상기 층(12)은 전자 현미경으로 분명하게 관찰 확인할 수도 있다.

평균 조도가 0.2μm보다 크면, 절단입자(7A)는 아마도 접촉 입자(7A)사이에 작은 간극이 발생하기 때문에 서로 접합되지 않을 수도 있다. 게다가 기계가공 표면의 평활도가 0.2μm보다 크면, 아마도 기계가공 표면이 약간의 간극을 두고 접촉하기 때문에 입자(7A)는 서로 접합되지 않을 수도 있다. 그리고 접합촉진제는 반드시 용액에 용해되어야 한다. 접합촉진제 입자를 포함하는 분산액이나 슬러리를 사용할 경우, 세라믹 소지가 강력하게 서로 접합하지 못하였다.

평균 표면조도(Ra)는 다음과 같이 계산한다. 단면의 표면 곡선을 측정하여 곡선의 중심선을 그린다. 곡선으로 둘러싸인 영역의 면적의 합을 중심선의 길이“L로 나누면 조도가 계산된다. 평활도는 이상적인 또는 기하학적인 계면으로 부터의 편차를 말한다. JIS는 계면이 기하학적 표면사이에 끼어 있고 그 거리가 최소가 되도록 위치하고 있을 때, 서로 평행한 두 기하학적 표면의 거리로서 평활도를 정의하고 있다. 표면 조도와 평활도는 펴면 조도 측정장치와 레이저 간섭계를 사용하여 측정할 수도 있다.

기계가공 표면의 평균 표면조도는 0.1μm을 넘지 않는 것이 보다 바람직하며, 평활도는 0.1μm을 넘지 않는 것이 바람직하다. 이 값은 보다 높은 강도 그리고 보다 양호한 기밀성능의 접합을 위해서는 가능한 적은 것이 바람직하면, 따라서 최소값을 정의할 필요는 없다. 그러나 출원당시 세라믹 기계가공의 정밀도 상한선으로 인하여 표면조도의 하한선은 0.05μm이었고, 평활도의 하한선은 0.07μm이었다.

세라믹 소지의 표면은 표면연마기와 랩핑 장치를 사용하여 상기 소정값의 평활도와 표면조도를 갖는 표면을 제조하는 것이 바람직하다.

각각의 세라믹 소지는 소지내의 세라믹 입자가 성장하기 시작하는 온도보다 낮지 않은 온도에서 열처리하여 계면에 수직한 방향으로 접합계면을 가로질러 세라믹 입자가 성장하도록 하는 것이 바람직하다.

이러한 입자의 성장은 어느 비교적 낮은 온도에서도 어느 정도 야기될 수 있다. 그러나 세라믹 소지의 소결온도를“T로 표시하면, 접합강도를 더욱 개선하기 위해서는“T-50℃보다 낮지 않은 온도에서 열처리하는 것이 바람직하다. 본 발명자들은 이러한 방법으로 제조한 접합체가 실질적으로 동일한 재료와 크기를 갖는 소결체의 강도에 필적할 만한 강도를 나타냄을 확인하였다.

또한 상기 제조한 접합체를 파괴시험 또는 강도시험하였을 때, 접합체는 접합계면이 아닌 다른 계면이 아닌 다른 계면을 따라 파단됨이 확인되었다. 예를 들어 제1c도에 도시된 바와 같이, 접합체(3)에 힘을 가하였을 때, 파단은 접합계면이 아닌 소결체의 파단면을 따라 야기되고 접합계면(4)을 따라 일어나지 않는다. 즉 접합계면(4)을 따라 형성된 미세조직의 강도는 소결체의 강도에 필적할 만 하다.

열처리 온도가 소결온도보다 높지 않을 때, 접합체의 강도가 최대화할 수 있다. 열처리 온도가 소결온도보다 높으면, 접합계면을 따른 입자성장이 충분히 진행되는 동안에 동시에 소결체 그 자체에서도 비정상적인 입자성장이 야기될 수 있다. 이러한 비정상적인 입자성장이 결함을 유발할 수 있고, 이는 소결체 그 자체의 강도를 손상시킬 수 있다. 이러한 관점에서 세라믹 소지의 소결온도를“T로 표시할 때, 열처리 온도는 “T+50℃보다 높지 않도록 하는 것이 바람직하다.

또한 접합촉진제는 세라믹 소지의 소결공정에 사용하는 소결촉진제 또는 소결제가 바람직하며, 보다 바람직하기는 실제로 사용된 소결촉진제와 같게 하는 것이다.

세라믹 입자(7)가 알루미늄 나이트라이드 또는 실리콘 나이트라이드인 경우, 접합촉진제는 이트륨을 포함하는 화합물 및 이테르븀을 포함하는 화합물로 구성된 군에서 선정한 하나 또는 그 이상의 화합물이 바람직하고, 가장 바람직하기는 이트륨을 포함하는 화합물이다. 이러한 접합촉진제를 사용함으로써, 접합강도가 확실하게 개선됨을 확인하였다. 접합촉진제로서 이트륨 화합물을 사용할 때, 바람직한 촉진제로서는 이트륨 클로라이드, 이트륨 클로라이드 하이드레이트, 이트륨 설페이트, 또는 이트륨 아세테이트의 수용액; 이트륨 클로라이드, 이트륨 클로라이드 하이드레이트, 또는 이트륨 아세테이트의 에틸 알코올 용액이다.

특히 본 발명이 반도체를 제조하는 가열장치에 사용될 경우, K, Na, Ca등과 같은 알카리 금속 및 알카리 토금속이 불순물 또는 오염원으로서 고려되므로 이러한 금속을 함유하는 접합촉진제는 바람직하지 않다. 따라서 접합촉진제로서는 이트륨을 포함하는 화합물 및 이테르븀을 포함하는 화합물로 구성된 군에서 선정한 하나 또는 그 이상의 화합물이 바람직하고, 가장 바람직하기는 이트륨을 포함하는 화합물이다.

본 발명에 따르면, 세라믹 소지는 접합될 소지에 힘을 가하지 않고서도 강력하게 접합될 수 있다. 그러나 힘을 가할 수도 있다. 열처리를 수행하는 실제 공정은 분위기 온도에서 고온 프레싱(hot pressing), 플라즈마 활성화법(plasma activating process), 레이저를 이용한 선택 가열법으로 열처리를 할 수 있다. 열처리 시간은 세라믹 소지의 크기 또는 열처리를 할 수 있다. 열처리 시간은 세라믹 소지의 크기 또는 열처리 온도에 따라 변화시킬 수 있다.

본 발명을 구현하기 위한 몇가지 실시예를 기술하면 다음과 같다.

[실시예 A]

세라믹 소지의 샘플로서 중량 53g, 크기 20mm x 40mm x 20mm의 샘플을 준비하였다. 상기 샘플은 알루미늄 나이트라이드로 만들었다. 샘플을 1900℃에서 소결하였다. 추가로 각 샘플의 실온에서의 4점 굽힘강도는 약 400MPa이었다.

샘플의 표면은 표면 연마기와 고속 랩핑장치를 이용하여 평균 표면조도 0.1μm, 평활도 0.1μm의 기계가공 표면으로 하였다. 이트륨 농도가 2.61 x 10^-4mol/cc인 이트륨 나이트레이트 하이드레이트(Y(NO₃)₂·6H₂O)수용액을 준비하고 각 샘플의 기계가공 표면에 가하여 어셈블리를 구성하였고, 이를 표1에 나타낸 각각의 온도에서 1시간동안 열처리하였다. 열처리중, 각 샘플은 고정장치를 이용하여 정해진 위치에 고정 유지하므로써 처리중에 샘플의 위치가 크게 바뀌지 않도록 하였다. 이 처리에서 압력이나 부하를 샘플에 가하지 않았고, 그 자체 하중만이 가해진 상태이다. 처리 중에 분위기 가스로서 질소 가스를 흘려주었다.

표1에서 실시예 A6는 이트늄 산화물로 된 분말 접합촉진제를 샘플의 표면사이에 가한 것이다. 표1에서 다음과 같은 조건하에서 접합계면에 초음파 결함 검출시험을 수행하였다. 즉 접합체의 크기는 20mm x 40mm x 20mm, 탐촉자 주파수는 25MHz, 탐촉자 직경은 0.25 second 및 초점거리는 4second 이었다. 결함이 검출된 경우, 표1에서“결함이라고 표시하였다. 4점 굽힘강도는“JIS R 1601에 따라 측정하였고, 접합계면은 수직방향으로 재측 스팬(span)의 중심영역에 위치하였다. 600℃와 실온에서의 강도를 측정하였고, 그 결과는 표1에 제시하였다.

실시예 A1, A2 및 A3에서는 결함이 발견되지 않았고 4점 굽힘강도가 상당히 개선되었다. 특히 실시예 A2에서 알 수 있듯이, 소지가 1900℃에서 접합되었을 경우, 굽힙강도는 400MPa이었고, 이는 사용된 샘플의 강도와 거의 같은 것이었다. 더욱이 접합체는 접합계면을 따라 파단되지 않았다. 또한 실시예 A1에서는 실온 강도가 330MPa, 고온강도가 300MPa이었다. 이 실시예에서 파단은 접합계면을 따라 유발되었다. 실시예 A3에서는 4점 굽힘강도가 개선되었다. 게다가 접합체는 접합계면이 아닌 다른 계면에서 파단되었고, 강도가 소결샘플보다 다소 낮은 것은 아마도 샘플 그 자체에서 세라믹 입자의 성장 때문일 것이다.

실시예 A4에서 열처리 온도는 1800℃로서 접합을 위해서는 너무 낮았다. 게다가 이 접합체는 차후 기계가공하였을 때, 접합체가 접합계면을 따라 분리되었고, 따라서 표1의“4점 굽힘강도란에“-로 표시하였다. 실시예 A5에서 접합계면의 상태는 양호하였고, 강도는 100MPa이었다. 그러나 샘플의 소결이 더 진행되었기 때문에 실온 강도는 실시예 A1에서 A3보다 감쇄되었고, 600℃에서의 4점 굽힘강도는 측정할 수 없었다. 실시예 A6에서 분말 확산 과정이 야기되어 샘플은 접합되지 않았다.

[실시예 B]

본 실시예는 실시예 A에서와 같이 수행하였다. 그러나 접합할 샘플을 실리콘 나이트라이드로 만들었고, 기타 다른 샘플은 알루미늄 나이트라이드로 하였다. 알루미늄 나이트라이드로 만든 샘플은 1900℃에서 소결하였고, 실리콘 나이트라이드 샘플은 1850℃에서 소결하였다. 기계가공 표면의 평균 표면조도와 평활도는 0.1μm이었다. 표2에서 실시예 B6는 이트륨 산화물로 된 분말 접합촉진제를 표면사이에 가하였다. 상기 측정결과는 표2에 제시하였다.

실시예 B1, B2 및 B3에서 접합계면을 따른 결함은 검출되지 않았고, 4점 굽힘강도가 우수하였다. 특히 실시예 B3에서 알 수 있듯이, 샘플을 1900℃에서 접합하였을 경우, 실온 강도가 400MPa로서 초기 샘플과 거의 같았고, 600℃에서의 고온강도가 샘플의 강도에 비해 단 5%밖에 감소되지 않았다. 게다가 접합체는 접합계면을 따라 파단하지 않았다. 또한 실시예 B1과 B2에서 실온 강도가 330MPa, 고온강도가 300MPa이었다.

실시예 B4에서 열처리 온도는 1700℃로서 접합하기에 충분하지 않았다. 게다가 이렇게 제조된 접합체가 차후 기계가공되었을 때, 접합체가 분리되었다. 실시예 B5에서 열처리 온도가 특히 실리콘 나이트라이드로 만든 샘플에서 너무 높았고, 샘플의 성분이 기화되어 샘플이 열화되었다. 실시예 B6에서 분말 확산 과정이 야기되었다. 그러나 어셈블리를 1900℃의 높은온도에서 열처리하였으나, 샘플은 접합되지 않았다.

[실시예 C]

본 실시예는 실시예 A와 B에 기술된 바와 같이 수행하였다. 그러나 접할할 샘플은 실리콘 나이트라이드로 만들었다. 이 샘플은 1850℃에서 소결하였다. 실온에서 샘플의 4점 굽힘강도는 약 900MPa이었다. 기계가공 표면의 평균조도와 평활도는 0.1μm이었다. 표3에서 실시예 C6은 이트륨 산화물로 된 분말 접합촉진제를 표면사이에 가하였다. 상기 측정의 결과는 표3에 제시하였다.

실시예 C1, C2 및 C3에서 접합계면을 따라 결합이 발견되지 않았고, 4점 굽힘강도가 상당히 높았다. 특히 실시예 C3에서 알 수 있듯이, 샘플을 1900℃에서 접합하였을 때, 실온 강도가 900MPa로서 초기 샘플과 거의 같았으며, 600℃에서의 고온강도는 870MPa이었다. 게다가 접합체는 접합계면을 따라 파단하지 않았다. 또한 실시예 C1에서는 강도 850MPa가 성취되었으나, 접합계면을 따라 파단되었다. 실시예 C2에서도 강도가 870MPa이었고, 고온강도의 감소가 거의 관찰되지 않았다.

실시예 C4에서 열처리 온도가 1700℃로서 접합을 위해서는 불충분하였다. 실시예 C5에서는 접합상태가 양호하였고 강도 300MPa가 획득되었다. 그러나 실리콘 나이트라이드로 된 샘플의 소결이 진전되어 강도 그 자체는 실시예 C1과 C3의 경우에 비해 낮았다. 실시예 C6에서 분말 확산 과정이 야기되었고, 어셈블리를 1850℃에서 열처리하였을 때 샘플은 접합되지 않았다.

그리고 실시예 A2에서 접합체를 두조각으로 절단하여 절단 표면의 세라믹 미세조직을 전자현미경으로 관찰하고 사진촬영하였다. 제4도는 전자현미경을 이용하여 2차 전자상으로 찍은 세라믹 미세조직 사진이다. 사진상에서 접합계면은 중심 영역에 존재하지만, 이 계면은 사진에서 관찰할 수 없었다.

제5도는 전자현미경에서 후방산란 (back scattered)전자의 상으로 찍은 미세조직 사진이다. 이트륨 원자가 흰점으로 관찰되었다. 사진의 중심영역에 접합계면 또는 계면이 존재하고, 접합계면을 따라 흰 선이 관찰되었다. 이 흰 선은 다음과 같이 생각할 수 있다. 각 샘플의 기계가공 표면에 접합축진제를 가하고 열처리한 후, 접합계면을 따라 접합촉진제가 남는다. 접합촉진체의 이트륨 원자가 흰선으로 나타난 것이라 생각된다. 제6도는 제5도의 세라믹 미세조직을 확대한 사진으로서, 전자 현미경의 후방산란 전자의 상을 촬영한 것이다. 사진 중심영역의 왼쪽에서 이트륨 원자를 나타내는 흰 점이 수직 방향으로 뚜렷하게 연장된 흰 선으로서 연결되어 있다. 이는 접합촉진제에 함유된 이트륨 원자가 접합계면을 따라 잔존한 것이라 생각된다. 제7도는 제6도에서 접합계면 근방의 세라믹 미세조직을 확대한 사진으로서 후방산란 전자의 상을 찍은 것이다.

제5도에서 제7도에 나타난 미세조직, 특히 제7도의 조직은 알루미늄 나이트라이드로 된 입자와 이트륨을 함유한 결정입계로 구성되어 있다. 제7도에서 이트륨 원자는 흰 점으로 나타난 것이다. 이트륨 외에 기타 다른 원소는 결정입계에 거의 존재하지 않는다. 흑갈색으로 된 입자는 알루미늄 나이트라이드 입자이다. 알루미늄 나이트라이드 입자사이에 검은 부분이 있는데, 이는 열린 기공(open pore)이다. 미세조직을 전자현미경으로 관찰할 때, 절단 접합체의 표면이 연마되고, 따라서 접합체내의 닫힌(close)기공은 연마과정에서 열린 기공으로 된 것이다. 제3도에 제7도 사진의 왼쪽 하방 중심영역을 개략적으로 도시하였다. 제3도와 제7도에서 알 수 있듯이, 접합촉진제를 포함하는 입간상은 입자들이 접합계면을 가로질러 성장함에 따라 분산 이동한다.

[실시예 D]

본 실시예는 실시예 A와 같은 방법으로 수행하였다. 그러나 실시예 A에서는 샘플의 기계가공 표면의 평균 표면조도가 0.2μm, 평활도가 0.5μm, 1.0μm 또는 2.0μm이었다. 기계가공중, 기계가공 표면의 표면조도가 0.2μm로 되었기 때문에 평활도의 하한선은 당연히 0.2μm이었다. 실시예 A에서와 같은 이트륨 나이트라이드 용액을 각 기계가공 표면에 가하여 어셈블리를 만들었고, 이어서 1900℃에서 1시간 동안 열처리하였다. 그러나 각 실시예에서 실시예 A6과 같이 접합되지 않았다.

본 발명에 따른 접합체와 접합방법은 반도체를 제조하기 위한 부식가스 또는 가스의 누출을 방지하기 위한 시스템에 적용할 수 있다. 특히 반도체 제조를 위한 부식가스 또는 가스에 노출된 장치에 사용할 수 있다. 이 경우, 하나의 세라믹 소지 매트가 그 내부에 금속부재를 구성하는 가열장치이며, 다른 하나의 세라믹 소지가 상기 가열장치에 접합되는 관상체일 수 있고, 금속부재는 관상체의 내부 공간에 노출된다.

이와 같은 예의 경우, 부식가스가 할로겐 원소를 함유하는 할로겐 부식 가스일 때, 각 세라믹 소지는 알루미늄 나이트라이드로 만들어서 가열장치와 관상체의 내부식성 특히 할로겐 부식가스에 대한 내부식성을 상당히 개선하는 것이 바람직하다. 그러나 “관련 기술 문헌(Related Art Statement)에 기술된 이유로 인하여 알루미늄 나이트라이드로 된 소지를 접합하는 것이 곤란하였다. 본 발명에 따라 이들 소지를 강력하게 접합할 수 있다.

제8도는 반도체를 제조하기 위한 장치에 설치된 가열장치의 개략적인 단면도이며, 제9도는 제8도의 주요부분에 대한 확대도이다.

반도체를 제조하기 위한 장치의 챔버(15)에 케이스(14)가 설치되어 있고, 반도체를 가열하기 위한 원반형 세라믹 가열기(21)의 가열면 (22)은 그 위에 반도체 웨이퍼를 설치하기에 충분한 크기를 갖는다. 반도체 피막을 생성하기 위한 부식가스 또는 가스가 가스 공급구(17)를 통해 챔버(15)의 내부 공간으로 공급된다. 내부 공간의 공기는 진공펌퍼에 의해 방출구(16)를 통해 방출된다. 세라믹 가열기(21)에서 가열 레지스터(24)는 고밀도 및 기밀 재료로 된 원반형 세라믹 기판(22)내에 묻혀 있다.

기판(22)의 후반 측면(22b)에 한 쌍의 벌크(bulk)단자(23)가 묻혀있고, 벌크 단자 (23)는 가열 레지스터(24)에 전기 접속되어 있다. 봉상(rod-shape)전원(29)의 한쪽 단부가 각각 벌크 단자(23)에 전기적 기계적으로 접속되어 있다. 리드 와이어(31)는 각 전원(29)의 다른 쪽 단부에 전기 접속되어 있으며, 각각의 리드 와이어(31)는 교류 전원(30)에 연결되어 있다. 전력은 봉상의 전원(29)을 통해 가열 레지스터 (24)에 공급되어 세라믹 가열기 (21)를 최고 1100℃정도의 고온으로 가열한다.

케이스(14)의 위쪽은 수냉 자켓(19)이 있는 플랜지(18)로 덮혀 있고, 플랜지(18)와 챔버 (15)의 벽은 O-링(33)에 의해 기밀봉되어 있다. 플랜지(18)는 챔버(15)의 상부 측벽을 구성한다. 스테인레스강으로 외장된 열전대(28)의 끝부분이 가열기판(22)에 접속되어 있다. 관상체(26)의 바닥 부분에 플랜지부(26a)가 형성되어 가열기의 후방 표면(22a)에 접합되어 있다. 따라서 관상체는 세라믹 가열기판(22)에 접합되어 단일체로 된다. 본 구현예에서는 플랜지(18)에 세개의 원형 구멍이 형성되고, 각 관상체(26)가 이를 원형 구멍에 삽입되어 있다. 관상체(26)의 윗쪽은 챔버의 외부 대기에 노출되어 있으며, 따라서 관상체(26)의 내부 공간은 대기로 충진되게 된다. 각 관상체(26)의 바닥부분과 세라믹 가열기판(22)은 기밀봉되어 있다. 관상체(26)와 플랜지(18)는 0-링(33)에 의해 기밀봉되어 있고 전기 절연되어 있다.

각각의 전원(29)은 벌크 단자(23)에 접속되어 있다. 전원(29)은 관상체(26)의 내부 공간에 고정 설치된다. 추가로 본 구현예에서는 온도를 측정하기 위한 장치로서 열전대(28)가 사용되고, 열전대(28)는 관상체(26)의 내부 공간에 고정된다. 따라서 한쌍의 전원(29)과 한쌍의 벌크 단자(23) 및 열전대(28)가 챔버의 외부 대기에 노출되어 있다.

가열 장치에 따르면, 전도성 피막(25)이 중착(deposition)에 의해 후방표면(22b)에 형성될 때, 생성된 증착 피막(25)과 전원(29)은 관상체(26)에 의해 전기적으로 절연된다. 따라서 전원(29)은 관상체(26)에 의해 전기적으로 절연된다. 따라서 전원(29)간의 쇼트를 피할 수 있다. 게다가 각 전원(29)과 챔버(15)간의 방출 또는 누출을 방지할 수 있다. 또한 전원(29)이 챔버의 내부 공간에 노출되지 않음으로써 전원(29)과 벌크단자(23)의 부식 및 오염을 방지할 수 있다.

더욱이 본 발명자들이 연구결과에 따르면, 열전대 주위의 가스 분자의 거동은 대기압으로부터 1torr.의 진공상태까지 점성유동범위내에 있다. 압력이 낮아지면, 그 상태는 분자 유동범위로 바뀌게 된다. 결과적으로 열전대 주위의 열천이 상태가 상당히 변화하였고, 열전대에 의한 온도의 정확한 측정이 어렵게 되었다. 게다가 점성 유동상태에서 압력변화가 비교적 크면, 측정 온도의 변이가 확인되었다. 이와는 대조적으로 본 구현예에 따르면, 온도감지기로서 열전대의 접합영역과 가열기판(22)이 챔버외부의 대기에 노출되어 있고, 그 압력은 반도체 피막을 생성하는 과정중에 변화하지 않는다. 따라서 상기 압력변화에 따른 변이를 방지할 수 있다.

본 실시예에서 각각의 관상체와 각각의 가열기판은 실리콘 나이트라이드 또는 알루미늄 나이트라이드로 만드는 것이 바람직하다. 가열장치는 관상체(26)와 가열기판(22)을 접합하여 제조할 수 있다. 즉, 세라믹 가열기(21)는 대기압 소결공정 또는 고온 프레스 공정으로 제조할 수 있다. 이러한 공정전에 벌크 단자(23)와 가열 레지스터(24)를 세라믹 형상소지에 묻는다.

또한 주입 성형공정(injection moldong process), 압출공정, 프레스 성형공정 또는 정압 프레스공정으로 원통형으로 소지를 제조하고 대기압에서 소결하여 관상체(26)를 만든다. 본 발명에 따르면, 기밀 성능을 유지하고 있는 원반형 세라믹 기판(22)이 소정 위치에 관상체(26)를 접합할 수 있다.

또한 본 발명은 다음에 기술된 바와 같이 기타 다른 종류의 가열장치를 제조하는 데에 이용할 수 있다. 우선 제10도에서 제8도에 이미 도시된 부재는 동일한 도면부호를 사용하며 그 설명은 생략한다.

가열장치(34)에서 가열 레지스터(24)가 원반형 기판(37)에 묻혀 있고, 웨이퍼는 가열표면(37a)에 안치된다. 관상체(35)는 기밀성능을 갖는 기판(37)의 후방표면(37b)에 접합된다. 관상체(35)와 챔버(15)는 0-링(33)에 의해 기밀봉된다. 관상체(35)의 단부에 플랜지부(35a)가 형성되어 있고, 플랜지부(35a)의 플랜지 표면(32)은 후방 표면(37b)에 접합되어 있다. 전원(29)의 한쪽 단부가 단자에 연결되어 있고, 열전대(28)의 단부는 기판(37)에 접합되어 있다. 전원(29), 열전대(28) 및 단자(23)는 챔버의 외부 공간(27)에 노출되어 있다.

관상체(35)와 기판(37)은 전술한 바와 같이 실리콘 나이트라이드 및/또는 알루미늄 나이트라이드로 만드는 것이 바람직하다. 관상체(35)의 플랜지 표면(32)과 기판(37)의 후방 표면(37b)을 접합할 때, 본 발명의 방법을 적용할 수 있다.

제8도와 제9도의 장치는 상기 본 발명의 방법에 따라 제조된다. 그러나 가열 레지스터(24)는 몰리브덴으로 된 와이어를 사용하였고, 가열기(21)는 1900℃에서의 고온 프레스 공정으로 직경 235mm의 알루미늄 나이트라이드로 만들었다. 외경 60mm, 내경 50mm 및 길이 20mm인 알루미늄 나이트라이드로 된 관상체(26)는 1900℃에서 대기압 소결을 이용하여 제조하였다.

관상체(26)와 기판의 접합될 각 표면은 표면 연마기 및 고속 랩핑장치를 이용하여 기계가공하므로써 표면의 평균 조도가 0.1μm, 평활도가 0.1μm 이다. 이트륨 농도가 2.61 x 10 mdl/cc인 이트륨 나이트레이트 하이드레이트 수용액을 각 기계가공 표면에 가하여 어셈블리를 만든다음, 1900℃에서 열처리하였다. 열처리중, 관상체와 기판은 고정장치를 이용하여 소정의 위치에 고정 유지되게 함으로써, 열처리중에 그들의 위치가 크게 바뀌지 않도록 하였다. 접합공정중에 압력 또는 부하를 가하지 않았고, 그 자중만이 가해진 상태로 하였다. 열처리중 분위기로서는 질소가스를 공급하였다.

결과적으로 관상체(26)와 기판(22)은 강하게 접합되어서 분리되지 않았다. 게다가 가열 레지스터의 저항은 상기 처리중에 약 20%이상 증가되지 않으며, 이는 실제적으로 허용 가능한 범위이다. 또한 상기 제조된 가열장치를 400회 반복 가열시켰다. 한번의 가열사이클은 실온에서 800℃까지 가열하는 단계 및 800℃에서 실온까지 냉각하는 단계로 구성된다. 가열사이클이 끝난 후, 저항은 20%이상 증가되지 않았다. 게다가 접합계면에서의 가스누출은 야기되지 않았다.

참고로 가열기(21)를 접합하지 않고 열처리하여 상기와 같이 400회 반복 가열하였다. 가열사이클이 종료된 후, 저항은 20%이상 증가하지 않았다. 이 결과에서 알 수 있듯이, 본 발명에 따른 열처리는 가열 레지스터의 성질에 실질적인 영향을 미치지 않는다.

전술한 바와 같이, 본 발명에 따르면 세라믹 소지를 접합할 수 있는 새로운 방법이 제공된다. 또한 세라믹 소지를 접합하여 접합체를 제조할 경우, 접합체의 기계적 강도를 종래 기술에 의한 접합체보다 높은 값으로 개선시킬 수 있다. 게다가 접합계면의 기계적 강도는 접합계면이 아닌 다른 계면의 경우에 필적할 만한 값이거나 또는 오히려 높은 값으로 개선할 수 있다.

몇가지 바람직한 구현예를 참고로 하여 본 발명을 설명하였다. 그러나 본 발명은 단지 몇가지 실시예로서 제시된 본 구현예에만 한정되는 것은 아니며, 본 발명을 범위를 벗어나지 않고서도 여러 가지 다른 방법으로 본 발명을 실시할 수 있다.

Claims (14)

1. 고상 접합법으로 접합된 세라믹 소지의 접합체로서, 상기 접합체의 접합계면을 따라 접합촉진체의 성분이 풍부한 층이 형성되고, 세라믹 입자가 상기 접합계면을 가로질러서 성장되어 있음을 특징으로 하는 세라믹 접합체.
2. 제1항에 있어서, 상기 접합체를 인장 파단시험하였을 때, 접합계면이 아닌 다른 계면을 따라 파단됨을 특징으로 하는 세라믹 접합체.
3. 제1항에 있어서, 상기 접합촉진제가 상기 세라믹 소지의 적어도 하나에 적용할 수 있는 소결촉진제임을 특징으로 하는 세라믹 접합체.
4. 제3항에 있어서, 상기 접합촉진제가 상기 세라믹 소지의 적어도 하나에 포함된 소결촉진제임을 특징으로 하는 세라믹 접합체.
5. 제1항에 있어서, 상기 세라믹 입자가 알루미늄 나이트라이드 및 실리콘 나이트라이드로 구성된 군에서 선정된 하나 또는 그 이상의 재료로 되어 있으며, 상기 접합촉진제는 이트륨 기지 및 이테르븀 기지로 구성된 군에서 선정된 하나 또는 그 이상의 접합촉진제임을 특징으로 하는 세라믹 접합체.
6. 제1항에 있어서, 상기 접합체가 부식 가스 및 피막 생성 가스로 구성된 군에서 선정된 하나 또는 그 이상의 가스에 노출되는 가열장치이며, 상기 세라믹 소지중의 하나는 그 내부에 금속부재를 구성하여 인가된 전력에 의해 가열되는 가열기이고, 세라믹 소지중 다른 하나는 상기 가열기에 접합된 관상체이며, 사익 금속부재는 상기 관상체의 내부 공간에 노출됨을 특징으로 하는 세라믹 접합체.
7. 고상 접합법으로 접합된 제1항의 세라믹 소지의 접합체를 제조하는 방법으로서, 접합할 세라믹 소지를 기계가공하여 평균 표면조도(Ra)가 0.2μm을 넘지 않고 평활도가 0.2μm을 넘지 않는 기계가공 표면을 형성하는 단계와, 상기 기계가공 표면의 적어도 하나에 접합촉진제를 함유한 용액을 가하는 단계와, 상기 기계가공 표면을 서로 접촉시켜 어셈블리를 제조하는 단계, 및 상기 어셈블리를 열처리하여 접합체를 제조하는 단계로 구성됨을 특징으로 하는 세라믹 접합체의 제조방법.
8. 제7항에 있어서, 접합할 상기 세라믹 소지를 기계가공하여 형성된 기계가공 표면의 평균 표면조도(Ra)가 0.1μm을 넘지 않고, 평활도가 0.1μm을 넘지 않음을 특징으로 하는 세라믹 접합체의 제조방법.
9. 제7항에 있어서, 각 세라믹 소지의 접합계면을 가로질러서 세라믹 입자가 성장할 수 있도록 세라믹 소지의 세라믹 입자가 성장할 수 있는 온도보다 낮지 않은 온도에서 상기 어셈블리를 열처리함을 특징으로 하는 세라믹 접합체의 제조방법.
10. 제9항에 있어서, 상기 세라믹 소지중 하나의 소결온도가 T℃라고 할 때, (T-50℃)보다 낮지 않은 온도에서 상기 어셈블리를 열처리함을 특징으로 하는 세라믹 접합체의 제조방법.
11. 제10항에 있어서, 상기 세라믹 소지중 하나의 소결온도가 T℃라고 할 때, (T+50℃)보다 높지 않은 온도에서 상기 어셈블리를 열처리함을 특징으로 하는 세라믹 접합체의 제조방법.
12. 제11항에 있어서, 상기 소결온도보다 높지 않은 온도에서 상기 어셈블리를 열처리함을 특징으로 하는 세라믹 접합체의 제조방법.
13. 제7항에 있어서, 상기 접합촉진제가 상기 세라믹 소지의 적어도 하나에 사용할 수 있는 소결촉진제임을 특징으로 하는 세라믹 접합체의 제조방법.
14. 제13항에 있어서, 상기 세라믹 소지가 알루미늄 나이트라이드 및 실리콘 나이트라이드로 구성된 군에서 선정된 하나 또는 그 이상의 재료로 된 세라믹 입자를 구성하며, 상기 접합촉진제는 이트륨 기지 및 이테르븀 기지로 구성된 군에서 선정된 하나 또는 그 이상의 접합촉진제임을 특징으로 하는 세라믹 접합체의 제조방법.