KR20220088972A - Aluminium nitride ceramics composition and manufacturing method of the same - Google Patents

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Abstract

본 발명에 따른 질화 알루미늄 세라믹스 조성물은 주성분으로서의 질화 알루미늄(AlN)과, 제1첨가제로서의 CaCO3-Al2O3-SiO2 글라스와, 제2첨가제로서의 Y2O3 또는 MgO를 포함한 조성을 가지며, 이러한 본 발명의 조성물은 상압 및 1700~1900℃의 온도범위에서 소결하여도 양호한 소결성을 유지하고 대략 80~110W/m·K 범위로 우수한 질화 알루미늄 고유의 열전도도 수준을 유지하면서 400℃ 이상의 고온에서 대략 108~1011 Ω·cm 범위의 우수한 체적저항 특성을 갖는다. 따라서, 본 발명에 의한 질화알루미늄 세라믹스 조성물은 반도체 제조장치에 사용되는 정전척, 가열장치에서의 세라믹스 히터나 RF 전극 내장형 히터의 기재, 또는 전자부품이나 전기 자동차 부품의 방열을 위한 절연기판 등으로 유망하다.The aluminum nitride ceramic composition according to the present invention has a composition including aluminum nitride (AlN) as a main component, CaCO 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 glass as a first additive, and Y 2 O 3 or MgO as a second additive, The composition of the present invention maintains good sintering properties even when sintered at normal pressure and a temperature range of 1700-1900° C., and maintains an excellent level of thermal conductivity intrinsic to aluminum nitride in an approximately 80-110 W/m·K range at a high temperature of 400° C. or higher. It has excellent volume resistance characteristics in the range of approximately 10 8 to 10 11 Ω·cm. Therefore, the aluminum nitride ceramic composition according to the present invention is promising as an electrostatic chuck used in a semiconductor manufacturing apparatus, a ceramic heater in a heating apparatus, a base material for a heater with a built-in RF electrode, or an insulating substrate for heat dissipation of electronic parts or electric vehicle parts, etc. do.

Description

질화 알루미늄 세라믹스 조성물 및 그의 제조방법 {ALUMINIUM NITRIDE CERAMICS COMPOSITION AND MANUFACTURING METHOD OF THE SAME}Aluminum nitride ceramic composition and manufacturing method thereof

본 발명은 상압에서의 소결공정으로 제조하여도 양호한 소결성을 유지하고 고온에서도 우수한 체적저항과 열전도도 특성 둘 다가 확보되는 질화 알루미늄 세라믹스 조성물에 관한 것이다.The present invention relates to an aluminum nitride ceramic composition that maintains good sinterability even when manufactured by a sintering process at normal pressure and ensures both excellent volume resistance and thermal conductivity even at high temperatures.

또한, 본 발명은 상기 질화 알루미늄 세라믹스 조성물의 제조방법에 관한 것이다.In addition, the present invention relates to a method for producing the aluminum nitride ceramic composition.

질화 알루미늄(AlN)은 높은 열전도도를 가지면서도 높은 기계적 강도를 가져 내열 충격성이 높은 한편, 화학적 안정성이 우수한 소재이다. 또한, 질화 알루미늄(AlN)은 체적저항이 높아 전기 절연성이 양호하고 열팽창계수가 알루미나(Al2O3)보다 작고 실리콘 반도체 소재와 비슷하면서, 화학적으로 내식성 및 내플라즈마성이 우수하여 특히 플루오르화 질소와 같은 내식성 가스들이 주로 사용되는 반도체 공정에 적용이 유리하다.Aluminum nitride (AlN) has high thermal conductivity and high mechanical strength, so it has high thermal shock resistance and excellent chemical stability. In addition, aluminum nitride (AlN) has a high volume resistance, good electrical insulation, a thermal expansion coefficient smaller than alumina (Al 2 O 3 ), similar to a silicon semiconductor material, and excellent in chemical corrosion resistance and plasma resistance, especially nitrogen fluoride It is advantageous to apply it to a semiconductor process in which corrosion-resistant gases such as those are mainly used.

따라서, 이러한 질화 알루미늄은 특히 반도체 제조장치에서 반도체 웨이퍼를 안착시켜 고정 지지하는 정전척이나, 가열장치에서의 세라믹스 히터나 RF 전극 내장형 히터의 기재, 또는 우수한 열전도도 특성을 이용한 전자부품이나 전기 자동차 부품의 방열을 위한 절연기판으로서 주목받고있다.Accordingly, such aluminum nitride is particularly used in an electrostatic chuck for mounting and fixing a semiconductor wafer in a semiconductor manufacturing device, a ceramic heater in a heating device or a base material for an RF electrode built-in heater, or an electronic component or electric vehicle component using excellent thermal conductivity characteristics. It is attracting attention as an insulating substrate for heat dissipation of

예컨대, 상기 정전척의 흡착 메커니즘으로는, 대략 108Ω·cm 이상의 낮은 체적저항특성을 가져 유전체의 웨이퍼 흡착면에 전하들이 충전되고 이들 표면전하의 정전기적 인력을 통하여 웨이퍼를 고정하는 존슨-라벡(Johnson-Rahbek) 형과, 대략 1012Ω·cm 이상으로 높은 체적저항특성을 가져 유전체 상하면에 존재하는 전하들간의 정전기적 인력을 통하여 웨이퍼를 고정하는 쿨롱(Coulomb) 형이 있다. 그런데, 상기 쿨롱 형은 위와 같이 고저항이 요구되므로 고온(예컨대 400℃ 이상)에서는 적용이 불가능하며 따라서 고온에서는 상기 존슨-라벡 형이 적용된다. 따라서, 이러한 존슨-라벡 형 정전척 조성으로서 적용되기위한 질화 알루미늄 조성물은 다음의 특성을 갖는 것이 요구된다:For example, as the adsorption mechanism of the electrostatic chuck, the electrostatic chuck has a low volume resistance of about 10 8 Ω·cm or more, so that electric charges are charged on the wafer adsorption surface of the dielectric and Johnson-Rahbek ( Johnson-Rahbek) type and the Coulomb type, which has a high volume resistivity of about 10 12 Ω·cm or more, and fixes the wafer through electrostatic attraction between charges existing on the upper and lower surfaces of the dielectric. However, since the Coulomb type requires high resistance as described above, it cannot be applied at a high temperature (eg, 400° C. or higher), and therefore the Johnson-Rahbek type is applied at a high temperature. Therefore, an aluminum nitride composition to be applied as such a Johnson-Rahbek type electrostatic chuck composition is required to have the following properties:

(i) 고온에서 승온 및 냉각이 빠르게 진행되는 반도체 제조장비의 작동환경에 적용될 수 있을 만큼 열전도도가 커야 하고;(i) the thermal conductivity should be high enough to be applicable to the operating environment of semiconductor manufacturing equipment in which the temperature rises and cools rapidly at high temperatures;

(ii) 고온(예컨대 400℃ 이상)에서 고전압을 견디어 장비의 절연 파괴를 억제할 수 있을 정도로 체적 저항이 커야 하며;(ii) the volume resistivity must be large enough to withstand high voltage at high temperatures (eg, 400° C. or higher) to suppress the dielectric breakdown of the equipment;

(iii) 제조단가를 낮추기 위하여 통상의 상압 소결공정으로 제조가 가능해야 한다.(iii) In order to lower the manufacturing cost, it should be possible to manufacture by a normal atmospheric pressure sintering process.

그러나, 질화알루미늄은 질화물이어서 고온의 열처리 시 산화하기 쉬우므로 소성 시 예컨대 질소가스 또는 수소-질소 혼합가스를 사용하는 환원 분위기가 필요하다. 또한, 무엇보다 특히 소결온도를 낮추면서 체적저항을 키우기 위해서는 일반적으로 HIP(Hot Isostatic Press)나 SPS(Spark Plasma Sintering) 등의 열간 가압과 같은 고온 고압 소결이 필수적이어서 제조에 장시간과 고비용이 소요된다. 예컨대, 열전도도와 체적저항 특성을 향상시키기 위해 질화알루미늄에 산화이트륨이나 산화칼슘 등을 첨가한 조성물은 최대 2300℃의 고온 및 고압 하에서 소결이 필요하다고 보고되고있다.However, since aluminum nitride is a nitride, it is easily oxidized during high-temperature heat treatment, so a reducing atmosphere using, for example, nitrogen gas or hydrogen-nitrogen mixed gas is required during firing. In addition, above all, in order to increase the volume resistance while lowering the sintering temperature, in general, high temperature and high pressure sintering such as hot pressing such as HIP (Hot Isostatic Press) or SPS (Spark Plasma Sintering) is essential, so it takes a long time and high cost to manufacture. . For example, it is reported that a composition in which yttrium oxide or calcium oxide is added to aluminum nitride in order to improve thermal conductivity and volume resistance characteristics needs to be sintered under high temperature and high pressure of up to 2300°C.

그런데, 이러한 열간 가압 공정은 장시간 및 고비용이 소요된다. 따라서, 이 대신에 일반적인 상압에서의 소결공정으로 제조하여도 양호한 소결성을 유지하고 실용적인 체적저항과 열전도도 특성이 확보될 수 있는 질화알루미늄 조성이 요청된다.However, this hot pressing process takes a long time and high cost. Therefore, there is a demand for an aluminum nitride composition that can maintain good sinterability and secure practical volume resistance and thermal conductivity even when manufactured by a sintering process at normal atmospheric pressure instead.

1. 일본 특허공개 평09-315867호(1997. 12. 9 공개)1. Japanese Patent Laid-Open No. Hei 09-315867 (published on December 9, 1997)

따라서, 본 발명은 상압에서의 소결공정으로 제조하여도 양호한 소결성을 유지하고 고온에서 우수한 체적저항과 열전도도 특성이 확보되는 질화 알루미늄 세라믹스 조성물과 그의 제조방법을 제공하기위한 것이다.Accordingly, it is an object of the present invention to provide an aluminum nitride ceramic composition and a method for manufacturing the same, which maintain good sinterability even when manufactured by a sintering process at normal pressure and secure excellent volume resistance and thermal conductivity at high temperature.

위 과제를 해결하기 위한 일 측면에 의한 본 발명에 따른 질화 알루미늄 세라믹스 조성물은 주성분으로서의 질화 알루미늄(AlN)과, 제1첨가제로서의 CaCO3-Al2O3-SiO2 글라스와, 제2첨가제로서의 Y2O3 또는 MgO를 포함한 조성을 갖는다.The aluminum nitride ceramic composition according to the present invention according to an aspect for solving the above problems is aluminum nitride (AlN) as a main component, CaCO 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 glass as a first additive, Y as a second additive It has a composition including 2 O 3 or MgO.

또한, 선택적으로, 상기 세라믹스 조성물은 상압 및 1700~1900℃의 온도범위에서 고용체를 이룰 수 있다.In addition, optionally, the ceramic composition may form a solid solution at normal pressure and a temperature range of 1700 to 1900 °C.

또한, 선택적으로, 상기 제1첨가제의 함량은 상기 세라믹스 조성물의 총량대비 0＜x≤5 wt% 범위일 수 있다.In addition, optionally, the content of the first additive may be in the range of 0<x≤5 wt% relative to the total amount of the ceramic composition.

또한, 선택적으로, 상기 제2첨가제의 함량은 상기 세라믹스 조성물의 총량대비 1≤x≤5 wt% 범위일 수 있다.In addition, optionally, the content of the second additive may be in the range of 1≤x≤5 wt% relative to the total amount of the ceramic composition.

또한, 선택적으로, 상기 제1첨가제는 상기 제1첨가제의 총량대비 55~65wt% CaCO3, 30~40wt% Al2O3 및 0.5~5wt% SiO2를 포함한 조성을 가질 수 있다.In addition, optionally, the first additive may have a composition comprising 55 to 65 wt% CaCO 3 , 30 to 40 wt% Al 2 O 3 and 0.5 to 5 wt% SiO 2 relative to the total amount of the first additive.

또한, 선택적으로, 상기 질화 알루미늄 세라믹스 조성물은 80~110W/m·K 범위의 열전도도와 400℃ 이상의 온도에서 108~1011 Ω·cm 범위의 체적저항을 가질 수 있다.In addition, optionally, the aluminum nitride ceramic composition may have a thermal conductivity in the range of 80 to 110 W/m·K and a volume resistance in the range of 10 8 to 10 11 Ω·cm at a temperature of 400° C. or higher.

또한, 다른 일 측면에 의한 본 발명에 따른 질화 알루미늄 세라믹스 조성물의 제조방법은 하기 단계 (i)~(ii)를 포함한다:In addition, the method for producing an aluminum nitride ceramic composition according to the present invention according to another aspect includes the following steps (i) to (ii):

(i) 55~65wt% CaCO3, 30~40wt% Al2O3 및 0.5~5wt% SiO2의 각 분말을 혼합하고 1400~1600℃ 온도범위로 열처리하여 CaCO3-Al2O3-SiO2 조성의 글라스 프릿 분말을 얻는 단계와;(i) 55~65wt% CaCO 3 , 30~40wt% Al 2 O 3 and 0.5~5wt% SiO 2 Each powder is mixed and heat treated at 1400~1600℃ temperature range to CaCO 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 obtaining a glass frit powder having a composition;

(ii) 질화 알루미늄(AlN)의 분말과, 상기 질화 알루미늄 세라믹스 조성물의 총량대비 0＜x≤5 wt% 함량범위의 상기 글라스 프릿 분말과, 상기 질화 알루미늄 세라믹스 조성물의 총량대비 1≤x≤5 wt% 함량범위의 Y2O3 또는 MgO의 분말을 혼합하고, 상압하에서 1700~1900℃ 온도범위로 소결하여 상기 질화 알루미늄 세라믹스 조성물의 고용체를 제조하는 단계.(ii) aluminum nitride (AlN) powder, the glass frit powder in a content range of 0<x≤5 wt% relative to the total amount of the aluminum nitride ceramic composition, and 1≤x≤5 wt% compared to the total amount of the aluminum nitride ceramic composition % content range of Y 2 O 3 or MgO powder is mixed, and sintered at a temperature of 1700-1900° C. under normal pressure to prepare a solid solution of the aluminum nitride ceramic composition.

또한, 선택적으로, 상기 소결은 대기중 또는 질소 분위기하에서 수행될 수 있다.In addition, optionally, the sintering may be performed in the air or under a nitrogen atmosphere.

본 발명에 의한 질화알루미늄 세라믹스 조성물은 소결성이 크게 증대되어 대략 1700~1900℃의 온도범위로 상압에서 소결하여도 본래 질화알루미늄의 우수한 열전도도 수준을 유지하면서도 우수한 체적저항 특성을 갖는다. 따라서, 본 발명에 의한 질화알루미늄 세라믹스 조성물은 반도체 제조장치에 사용되는 정전척, 가열장치에서의 세라믹스 히터나 RF 전극 내장형 히터의 기재, 또는 전자부품이나 전기 자동차 부품의 방열을 위한 절연기판 등으로 유망하다.The aluminum nitride ceramic composition according to the present invention has greatly increased sinterability, and thus has excellent volume resistance characteristics while maintaining the original excellent thermal conductivity level of aluminum nitride even when sintered at ambient pressure in a temperature range of approximately 1700 to 1900 ° C. Therefore, the aluminum nitride ceramic composition according to the present invention is promising as an electrostatic chuck used in a semiconductor manufacturing apparatus, a ceramic heater in a heating apparatus, a base material for a heater with a built-in RF electrode, or an insulating substrate for heat dissipation of electronic parts or electric vehicle parts. do.

도 1a~1b는 각 조성물의 AlN 기본조성에 대한 (CaCO3-Al2O3-SiO2)("CAS") 첨가량의 변화에 따른 부피밀도("Bulk density")의 변화를 나타내며, 도 1a는 비교예 AlN＋(CaCO3-Al2O3-SiO2)("CAS") 조성물에서 상기 CAS 첨가량("CAS glass content") 변화에 따른 상압하의 여러 소결온도(1600℃, 1700℃, 1800℃, 1850℃ 및 1900℃)에서의 부피밀도("Bulk density") 변화를, 도 1b는 본 발명 실시예들 AlN＋(CaCO3-Al2O3-SiO2)＋1wt%(Y2O3 또는 MgO) 조성물에서 상기 CAS 첨가량 변화에 따른 상압하의 여러 소결온도(1700℃ 및 1850℃)에서의 부피밀도 변화를 각각 나타낸다.
도 2a~2b는 본 발명 실시예들에 따라 각 조성물을 1700℃에서 상압하에 소결한 후 그의 미세구조를 관찰한 전자현미경(SEM) 사진들이며, 도 2a는 AlN＋(CaCO3-Al2O3-SiO2)("CAS")＋1wt%Y2O3 조성물에서 상기 CAS 첨가량을 0.5wt%, 1wt% 및 2wt%로 각각 변화시킨 각 소결 시편들의 미세구조를, 도 2b는 AlN＋(CaCO3-Al2O3-SiO2)("CAS")＋1wt%MgO 조성물에서 상기 CAS 첨가량을 0.5wt%, 1wt% 및 2wt%로 각각 변화시킨 각 소결 시편들의 미세구조를 각각 나타낸다.
도 3a~3b는 도 2a의 AlN＋1wt%(CaCO3-Al2O3-SiO2)＋1wt%Y2O3 조성에서 관찰된 2차상 부분의 미세구조를 고해상도로 측정한 투과전자현미경(TEM) 사진들로서, 도 3a는 AlN 결정간의 삼중점(화살표)이고, 도 3b는 도 3a 영역의 고해상도 미세구조를 나타내며, 도 3c는 도 3a의 EDS 분석결과 그래프이다.
도 4a~4b는 각 조성물의 AlN 기본조성에 대한 (CaCO3-Al2O3-SiO2)("CAS") 첨가량의 변화에 따른 열전도도("Thermal conductivity")의 변화를 보이며, 도 4a는 비교예로서 AlN＋(CaCO3-Al2O3-SiO2)("CAS") 조성으로서 상압하의 여러 소결온도(1700℃, 1800℃ 및 1850℃)에서 소결된 조성물의 것을, 도 4b는 본 발명 실시예들 AlN＋(CaCO3-Al2O3-SiO2)＋1wt%(Y2O3 또는 MgO) 조성으로서 각각 상압하의 1700℃에서 소결된 조성물의 것을 각각 나타낸다.
또한, 도 5a~5b는 각 조성물의 AlN 기본조성에 대한 (CaCO3-Al2O3-SiO2)("CAS") 첨가량의 변화에 따라 각 온도대("1000/T", T: 절대온도(K))에서 측정된 체적저항("Volume resistivity")의 변화를 보이며, 도 5a는 비교예로서 AlN＋(CaCO3-Al2O3-SiO2)("CAS") 조성으로서 여러 소결온도(1700℃ 및 1850℃)에서 소결된 조성물의 것을, 도 5b는 본 발명 실시예들 AlN＋(CaCO3-Al2O3-SiO2)＋1wt%(Y2O3 또는 MgO) 조성으로서 각각 1700℃에서 소결된 조성물의 것을 각각 나타낸다.1a to 1b show the change in bulk density ("Bulk density") according to the change in the amount of (CaCO 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 ) ("CAS") added to the AlN basic composition of each composition, FIG. 1a In Comparative Example AlN+ (CaCO 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 ) ("CAS") composition, various sintering temperatures under normal pressure (1600°C, 1700°C, 1800°C) according to the change in the amount of CAS added (“CAS glass content”) , 1850 ° C. and 1900 ° C.) change in bulk density (“Bulk density”), Figure 1b is an embodiment of the present invention AlN + (CaCO 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 )+1wt% (Y 2 O 3 or MgO ) shows the change in bulk density at various sintering temperatures (1700° C. and 1850° C.) under normal pressure according to the change in the amount of CAS added in the composition, respectively.
2a to 2b are electron microscope (SEM) photographs of observing the microstructure of each composition after sintering at 1700° C. under atmospheric pressure according to embodiments of the present invention, and FIG. 2a is AlN+ (CaCO 3 -Al 2 O 3 - SiO 2 ) (“CAS”) +1 wt% Y 2 O 3 The microstructure of each sintered specimen in which the CAS addition amount was changed to 0.5 wt%, 1 wt%, and 2 wt% in the composition, Figure 2b is AlN+ (CaCO 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 )(“CAS”)+1wt%MgO The microstructure of each sintered specimen in which the amount of CAS added was changed to 0.5wt%, 1wt%, and 2wt%, respectively, is shown, respectively.
3a to 3b are transmission electron microscopy (TEM) pictures of the microstructure of the secondary phase observed in the composition of AlN+1wt% (CaCO 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 )+1wt%Y 2 O 3 of FIG. 2a at high resolution. As examples, FIG. 3A is a triple point (arrow) between AlN crystals, FIG. 3B is a high-resolution microstructure of the region of FIG. 3A, and FIG. 3C is a graph of the EDS analysis result of FIG. 3A.
4a to 4b show the change in thermal conductivity ("Thermal conductivity") according to the change in the amount of (CaCO 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 ) ("CAS") added to the AlN basic composition of each composition, FIG. 4a is an AlN+ (CaCO 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 ) (“CAS”) composition as a comparative example of a composition sintered at various sintering temperatures (1700° C., 1800° C. and 1850° C.) under normal pressure, FIG. 4b shows Inventive Examples AlN+(CaCO 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 )+1 wt% (Y 2 O 3 or MgO) compositions respectively sintered at 1700° C. under normal pressure are respectively shown.
In addition, FIGS. 5a-5b show each temperature range ("1000/T", T: absolute according to the change in the amount of (CaCO 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 ) ("CAS") added to the AlN basic composition of each composition. The change in volume resistivity ("Volume resistivity") measured at temperature (K)) is shown, and FIG. 5a is a comparative example of AlN+ (CaCO 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 ) ("CAS") composition at various sintering temperatures. (1700 ° C. and 1850 ° C.) of the sintered composition, Figure 5b is a composition of the present invention Examples AlN + (CaCO 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 )+1 wt% (Y 2 O 3 or MgO) 1700 ° C., respectively In each of the sintered compositions are shown.

본 발명은 종래 열간 가압 등의 고비용 소결 공정 없이 일반적인 상압 소결공정으로 제조하여도 양호한 소결성을 유지하여 우수한 체적저항과 열전도도 특성 모두를 확보하는 질화 알루미늄(AlN) 조성을 제공한다.The present invention provides an aluminum nitride (AlN) composition that maintains good sinterability and secures both excellent volume resistance and thermal conductivity characteristics even when manufactured by a general atmospheric pressure sintering process without a conventional high-cost sintering process such as hot pressing.

본 발명에 따르면, AlN에 CaCO3-Al2O3-SiO2 글라스 조성을 첨가함과 동시에 Y2O3 또는 MgO를 함께 첨가한 조성물을 고용시킴으로써, 상압 소결로도 그의 소결온도를 낮추어 소결할 수 있다. 또한, 상압 소결시 결정립계에서 쇼트키 장벽(Schottky barrier)이 생성되어 이로 인해 소결체의 체적저항이 크게 증가되면서도, 아울러 본래 AlN의 높은 열전도도 수준은 유지된다.According to the present invention, by adding the CaCO 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 glass composition to AlN and simultaneously adding the Y 2 O 3 or MgO composition to the solid solution, atmospheric pressure sintering can also be performed by lowering the sintering temperature. have. In addition, during atmospheric pressure sintering, a Schottky barrier is generated at the grain boundary, thereby greatly increasing the volume resistance of the sintered body, while maintaining the original high thermal conductivity level of AlN.

이러한 본 발명의 일 구현예에 따른 조성물의 조성식은 하기 식 1과 같다:The compositional formula of the composition according to one embodiment of the present invention is as follows:

AlN ＋ x(CaCO3-Al2O3-SiO2) ＋ y(Y2O3 또는 MgO) (식 1)AlN + x(CaCO 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 ) + y(Y 2 O 3 or MgO) (Formula 1)

(이때, 상기 x는 상기 조성물의 총량대비 0＜x≤5 wt%이고 바람직하게는 0＜x≤2 wt%이고, 상기 y는 상기 조성물의 총량대비 1≤x≤5 wt%이고 바람직하게는 1≤x≤3 wt%이다.)(In this case, x is 0<x≤5 wt% and preferably 0<x≤2 wt% relative to the total amount of the composition, and y is 1≤x≤5 wt% relative to the total amount of the composition, and preferably 1≤x≤3 wt%.)

위와 같은 본 발명에 따른 조성물은 일 실시예에서 대기 중에서 대략 1700~1900℃, 바람직하게는 1700~1850℃ 범위의 온도에서 상압하에 소결가능하여 고용체를 이룰 수 있다. 또한, 다른 일 실시예에서, 상기 상압 소결은 상기 온도 범위에서 대기 중이 아닌 질소 분위기하에서 진행될 수도 있다.The composition according to the present invention as described above can form a solid solution by being sintered under atmospheric pressure at a temperature in the range of about 1700-1900°C, preferably 1700-1850°C in the atmosphere in one embodiment. In addition, in another embodiment, the atmospheric pressure sintering may be performed in a nitrogen atmosphere rather than in the atmosphere in the temperature range.

그리고, 이렇게 상압 소결된 고용체는 열전도도가 대략 100W/m·K 이상, 바람직하게는 대략 100W/m·K이고, 대략 400℃ 이상의 고온에서 체적저항이 대략 108Ω·cm 이상, 바람직하게는 대략 109Ω·cm 이상의 값을 보여, 본래 AlN이 갖는 우수한 열전도도 특성을 유지하면서도 체적저항 특성이 크게 향상된다.And, the solid solution sintered under normal pressure has a thermal conductivity of about 100 W/m·K or more, preferably about 100 W/m·K, and a volume resistance of about 10 8 Ω·cm or more at a high temperature of about 400° C. or more, preferably It shows a value of about 10 9 Ω·cm or more, and the volume resistance characteristic is greatly improved while maintaining the excellent thermal conductivity characteristic of AlN.

또한, 본 발명의 일 구현예에서, 상기 CaCO3-Al2O3-SiO2 글라스 조성은 총량대비, 55~65wt% CaCO3, 30~40wt% Al2O3 및 0.5~5wt% SiO2를 포함하여 구성될 수 있다.In addition, in one embodiment of the present invention, the CaCO 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 glass composition is 55 to 65wt% CaCO 3 , 30 to 40wt% Al 2 O 3 and 0.5 to 5wt% SiO 2 relative to the total amount may be included.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예들을 첨부한 도면을 참조하며 상세히 설명한다. 다만, 본 발명이 하술하는 실시예들은 본 발명의 전반적인 이해를 돕기 위하여 제공되는 것이며, 본 발명은 하기 실시예들로만 한정되는 것은 아니다.Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, the following examples of the present invention are provided to help the overall understanding of the present invention, and the present invention is not limited only to the following examples.

질화 알루미늄 세라믹스의 제조Manufacture of aluminum nitride ceramics

먼저, CaCO3-Al2O3-SiO2 글라스를 출발원료로서 CaCO3(순도 99.9%), Al2O3(순도 99.9%) 및 SiO2(순도 99.9%)의 각 분말을 사용하여 고상법으로 제조하였다. 이를 위해, CaCO3는 55~65wt%, Al2O3는 30~40wt%, SiO2는 0.5~5wt%의 각 함량범위에 따라 칭량된 출발 원료를 지르코니아 볼을 사용하여 24시간 동안 100rpm으로 볼밀링하여 혼합하였다. 그리고, 혼합한 분말을 백금 도가니에 넣어 1400~1600℃ 범위에서 1시간 동안 유지한 후 상온으로 급냉시켜 글라스 형태를 얻었다. 제조된 글라스는 24시간 동안 건식으로 1차 분쇄한 후, 습식으로 24시간 동안 2차 밀링하여 100℃ 오븐에서 24시간 건조하였다. 건조된 글라스 파우더는 200 메쉬 시브를 사용하여 글라스 프릿 분말을 얻었다.First, using CaCO 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 glass as a starting material, CaCO 3 (purity 99.9%), Al 2 O 3 (purity 99.9%), and SiO 2 (purity 99.9%) of each powder using a solid phase method was prepared with For this, the starting raw material weighed according to each content range of 55~65wt% CaCO 3 , 30~40wt% Al 2 O 3 and 0.5-5 wt% of SiO 2 is balled at 100rpm for 24 hours using a zirconia ball. Mix by milling. Then, the mixed powder was put in a platinum crucible and maintained in the range of 1400 to 1600° C. for 1 hour, and then rapidly cooled to room temperature to obtain a glass form. The prepared glass was first crushed in dry mode for 24 hours, then secondarily milled in wet mode for 24 hours, and dried in an oven at 100° C. for 24 hours. The dried glass powder was obtained by using a 200 mesh sieve to obtain a glass frit powder.

그리고, AlN 분말(순도 99.9%)과, 첨가물로서 각각 총량대비 1~5wt% 함량범위의 Y2O3 또는 MgO 분말과 5wt% 이하 함량범위의 상기 글라스 프릿 분말을 각 함량범위에 따라 각각 칭량하고, 이들 분말을 에탄올을 용매로 지르코니아 볼을 사용하여 24시간 볼밀링으로 습식 혼합하였다. 그리고, 혼합한 분말을 100℃ 오븐에서 24시간 건조한 후, 이 분말을 1ton/㎠의 압력으로 일축 가압하여 직경 15㎜, 두께 1~2㎜ 크기로 원통상 벌크로 성형한 후, 상압 대기중에서 1700~1900℃의 온도범위에서 2시간 동안 소결하여 질화알루미늄 세라믹스의 시편들을 제조하였다.Then, AlN powder (purity 99.9%), Y 2 O 3 or MgO powder in the content range of 1 to 5 wt% relative to the total amount as an additive, and the glass frit powder in the content range of 5 wt% or less, respectively, are weighed according to each content range, , These powders were wet-mixed by ball milling for 24 hours using zirconia balls with ethanol as a solvent. Then, after drying the mixed powder in an oven at 100° C. for 24 hours, the powder was uniaxially pressurized at a pressure of 1 ton/cm 2 to form a cylindrical bulk with a diameter of 15 mm and a thickness of 1 to 2 mm, followed by 1700 in atmospheric pressure. Specimens of aluminum nitride ceramics were prepared by sintering for 2 hours in a temperature range of ~ 1900 °C.

제조된 질화 알루미늄 세라믹스의 물성 측정 및 분석Measurement and Analysis of Physical Properties of Manufactured Aluminum Nitride Ceramics

이후, 상기 제조된 시편들은 각각 소결밀도, 기계적 강도 및 열전도도를 측정하였다. 각 시편의 소결밀도는 아르키메데스법으로 측정하고, 체적저항은 High-voltage electrometer(B2985A, Keysight, USA)를 사용하여 ASTM-D257 규격으로 측정하였다. 또한, 열전도도는 상기 시편들의 표면을 연마한 후, ASTM D5470 규격에 따라 25℃에서 레이저 플래쉬(laser flash) 법으로 열확산율을 측정하였고(사용장비: LFA 447, Netzsch), 열확산율×밀도×비열[W/m·K]의 산출공식을 통해 열전도도를 산출하였다.Thereafter, the prepared specimens were measured for sintering density, mechanical strength, and thermal conductivity, respectively. The sintered density of each specimen was measured by the Archimedes method, and the volume resistance was measured according to ASTM-D257 standard using a high-voltage electrometer (B2985A, Keysight, USA). In addition, the thermal conductivity was measured by a laser flash method at 25 ℃ according to ASTM D5470 standard after grinding the surfaces of the specimens (equipment used: LFA 447, Netzsch), thermal diffusivity × density × Thermal conductivity was calculated through the formula for specific heat [W/m·K].

도 1a~1b는 각 조성물의 AlN 기본조성에 대한 (CaCO3-Al2O3-SiO2)("CAS") 첨가량의 변화에 따른 부피밀도("Bulk density")의 변화를 나타내며, 도 1a는 비교예 AlN＋(CaCO3-Al2O3-SiO2)("CAS") 조성물에서 상기 CAS 첨가량("CAS glass content") 변화에 따른 상압하의 여러 소결온도(1600℃, 1700℃, 1800℃, 1850℃ 및 1900℃)에서의 부피밀도("Bulk density") 변화를, 도 1b는 본 발명 실시예들 AlN＋(CaCO3-Al2O3-SiO2)＋1wt%(Y2O3 또는 MgO) 조성물에서 상기 CAS 첨가량 변화에 따른 상압하의 여러 소결온도(1700℃ 및 1850℃)에서의 부피밀도 변화를 각각 나타낸다.1a to 1b show the change in bulk density ("Bulk density") according to the change in the amount of (CaCO 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 ) ("CAS") added to the AlN basic composition of each composition, FIG. 1a In Comparative Example AlN+ (CaCO 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 ) ("CAS") composition, various sintering temperatures under normal pressure (1600°C, 1700°C, 1800°C) according to the change in the amount of CAS added (“CAS glass content”) , 1850 ° C. and 1900 ° C.) change in bulk density (“Bulk density”), Figure 1b is an embodiment of the present invention AlN + (CaCO 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 )+1wt% (Y 2 O 3 or MgO ) shows the change in bulk density at various sintering temperatures (1700° C. and 1850° C.) under normal pressure according to the change in the amount of CAS added in the composition, respectively.

도 1a~1b를 참조하면, 비교예의 경우(도 1a) 소결온도가 1800℃ 이상이 되어야 비로소 소결성이 양호해진다. 반면에, 본 발명 실시예들의 경우(도 1b) 조성에 Y2O3 또는 MgO가 함유됨으로써 소결성이 증진되어 비교예의 상기 소결온도보다 더 낮은 1700℃의 소결온도에서도 해당 비교예 조성물과 비슷한 수준의 소결밀도가 얻어져 소결성이 매우 양호해짐을 알 수 있다.Referring to FIGS. 1A to 1B , in the case of the comparative example ( FIG. 1A ), the sintering property becomes good only when the sintering temperature is 1800° C. or higher. On the other hand, in the case of the examples of the present invention (FIG. 1b), the sintering property is improved by containing Y 2 O 3 or MgO in the composition, so that even at a sintering temperature of 1700° C. lower than the sintering temperature of the comparative example, a level similar to that of the composition of the comparative example It can be seen that the sintering density is obtained and the sinterability is very good.

또한, 도 2a~2b는 본 발명 실시예들에 따라 각 조성물을 1700℃에서 상압하에 소결한 후 그의 미세구조를 관찰한 전자현미경(SEM) 사진들이며, 도 2a는 AlN＋(CaCO3-Al2O3-SiO2)("CAS")＋1wt%Y2O3 조성물에서 상기 CAS 첨가량을 0.5wt%, 1wt% 및 2wt%로 각각 변화시킨 각 소결 시편들의 미세구조를, 도 2b는 AlN＋(CaCO3-Al2O3-SiO2)("CAS")＋1wt%MgO 조성물에서 상기 CAS 첨가량을 0.5wt%, 1wt% 및 2wt%로 각각 변화시킨 각 소결 시편들의 미세구조를 각각 나타낸다.In addition, FIGS. 2a to 2b are electron microscope (SEM) photographs of observing the microstructure of each composition after sintering at 1700° C. under atmospheric pressure according to embodiments of the present invention, and FIG. 2a is AlN+ (CaCO 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 )(“CAS”)+1wt%Y2O3 The microstructure of each sintered specimen in which the CAS addition amount was changed to 0.5wt%, 1wt% and 2wt% in the +1wt%Y 2 O 3 composition, respectively, FIG. 2b is AlN+(CaCO 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 )(“CAS”)+1 wt% MgO composition shows the microstructure of each sintered specimen in which the amount of CAS added is changed to 0.5 wt%, 1 wt%, and 2 wt%, respectively.

그리고, 도 3a~3b는 도 2a의 AlN＋1wt%(CaCO3-Al2O3-SiO2)＋1wt%Y2O3 조성에서 관찰된 2차상 부분의 미세구조를 고해상도로 측정한 투과전자현미경(TEM) 사진들로서, 도 3a는 AlN 결정간의 삼중점(화살표)이고, 도 3b는 도 3a 영역의 고해상도 미세구조를 나타내며, 도 3c는 도 3a의 EDS 분석결과 그래프이다.And, FIGS. 3a to 3b are transmission electron microscopy (TEM) measuring the microstructure of the secondary phase observed in the composition of AlN+1wt% (CaCO 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 )+1wt%Y 2 O 3 of FIG. 2a at high resolution (TEM). ) photos, Fig. 3a is a triple point (arrow) between AlN crystals, Fig. 3b shows the high-resolution microstructure of the region of Fig. 3a, and Fig. 3c is a graph of the EDS analysis result of Fig. 3a.

도 2a~2b와 도 3a~3c를 참조하면, 전술했듯이 CaCO3-Al2O3-SiO2 글라스와 Y2O3 또는 MgO의 각 첨가로 인해 AlN의 소결성이 증진됨이 확인되고 그의 결정립계에 비정질이 형성됨이 확인되며 쇼트키 장벽(Schottky barrier)이 생성된 것으로 사료된다. 이러한 쇼트키 장벽의 생성으로 인해 본 발명 실시예 조성물들의 체적저항이 증가하는 것으로 사료된다.2a to 2b and 3a to 3c, as described above, CaCO 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 It is confirmed that the sinterability of AlN is improved due to the addition of each of CaCO 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 glass and Y 2 O 3 or MgO, and at its grain boundary It is confirmed that amorphous formation is formed, and it is considered that a Schottky barrier is generated. It is considered that the volume resistance of the compositions of the present invention is increased due to the generation of the Schottky barrier.

도 4a~4b는 각 조성물의 AlN 기본조성에 대한 (CaCO3-Al2O3-SiO2)("CAS") 첨가량의 변화에 따른 열전도도("Thermal conductivity")의 변화를 보이며, 도 4a는 비교예로서 AlN＋(CaCO3-Al2O3-SiO2)("CAS") 조성으로서 상압하의 여러 소결온도(1700℃, 1800℃ 및 1850℃)에서 소결된 조성물의 것을, 도 4b는 본 발명 실시예들 AlN＋(CaCO3-Al2O3-SiO2)＋1wt%(Y2O3 또는 MgO) 조성으로서 각각 상압하의 1700℃에서 소결된 조성물의 것을 각각 나타낸다.4a to 4b show the change in thermal conductivity ("Thermal conductivity") according to the change in the amount of (CaCO 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 ) ("CAS") added to the AlN basic composition of each composition, FIG. 4a is an AlN+ (CaCO 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 ) (“CAS”) composition as a comparative example of a composition sintered at various sintering temperatures (1700° C., 1800° C. and 1850° C.) under normal pressure, FIG. 4b shows Inventive Examples AlN+(CaCO 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 )+1 wt% (Y 2 O 3 or MgO) compositions respectively sintered at 1700° C. under normal pressure are respectively shown.

또한, 도 5a~5b는 각 조성물의 AlN 기본조성에 대한 (CaCO3-Al2O3-SiO2)("CAS") 첨가량의 변화에 따라 각 온도대("1000/T", T: 절대온도(K))에서 측정된 체적저항("Volume resistivity")의 변화를 보이며, 도 5a는 비교예로서 AlN＋(CaCO3-Al2O3-SiO2)("CAS") 조성으로서 여러 소결온도(1700℃ 및 1850℃)에서 소결된 조성물의 것을, 도 5b는 본 발명 실시예들 AlN＋(CaCO3-Al2O3-SiO2)＋1wt%(Y2O3 또는 MgO) 조성으로서 각각 1700℃에서 소결된 조성물의 것을 각각 나타낸다.In addition, FIGS. 5a-5b show each temperature range ("1000/T", T: absolute according to the change in the amount of (CaCO 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 ) ("CAS") added to the AlN basic composition of each composition. The change in volume resistivity ("Volume resistivity") measured at temperature (K)) is shown, and FIG. 5a is a comparative example of AlN+ (CaCO 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 ) ("CAS") composition at various sintering temperatures. (1700 ° C. and 1850 ° C.) of the sintered composition, Figure 5b is a composition of the invention Examples AlN + (CaCO 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 )+1 wt% (Y 2 O 3 or MgO) 1700 ° C., respectively In each of the sintered compositions are shown.

도 4a~4b와 도 5a~5b를 참조하면, 본 발명 실시예들에 따라 Y2O3 또는 MgO가 첨가된 조성에서 열전도도 특성은 대략 80~110W/m·K 범위로 양호한 수준을 보이며, 또한 대략 550℃에서 체적저항 특성은 109~1011 Ω·cm 범위로서 매우 우수한 특성을 가짐을 알 수 있다.4a to 4b and 5a to 5b, according to the embodiments of the present invention, in the composition in which Y 2 O 3 or MgO is added, the thermal conductivity property shows a good level in the range of about 80 to 110 W/m K, In addition, it can be seen that the volume resistance characteristic at approximately 550° C. has very good characteristics in the range of 10 9 to 10 11 Ω·cm.

위와 같이, 본 발명에 의한 질화알루미늄 세라믹스 조성물은 주성분인 질화알루미늄(AlN)에 Y2O3 또는 MgO를 첨가함과 동시에 CaCO3-Al2O3-SiO2 글라스를 함께 첨가한 조성을 가짐으로써 소결성이 크게 증대되어 대략 1700~1900℃의 온도범위로 상압에서 소결하여도 본래 질화알루미늄의 우수한 열전도도 수준을 유지하면서도 우수한 체적저항 특성을 갖는다.As described above, the aluminum nitride ceramics composition according to the present invention has a composition in which Y 2 O 3 or MgO is added to aluminum nitride (AlN), which is the main component, and CaCO 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 glass is added together. This is greatly increased and has excellent volume resistance characteristics while maintaining the original excellent thermal conductivity level of aluminum nitride even when sintered at normal pressure in a temperature range of about 1700 to 1900 ° C.

이상, 상술된 본 발명의 구현예 및 실시예에 있어서, 원료분말의 평균입도, 분포 및 비표면적, 순도, 불순물 함량 등의 특성과, 소스 가열온도 및 나노선 성장온도, 캐리어 가스의 종류 및 순도 등의 여러 조건에 따라 통상적인 오차범위 내에서 다소 변동이 있을 수 있음은 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에게는 지극히 당연하다. In the above-described embodiments and examples of the present invention, characteristics such as average particle size, distribution and specific surface area, purity, and impurity content of the raw material powder, source heating temperature and nanowire growth temperature, type and purity of carrier gas It is very natural for those of ordinary skill in the art that there may be some variation within the normal error range depending on various conditions such as.

아울러 본 발명의 바람직한 구현예 및 실시예는 예시의 목적을 위해 개시된 것이며, 해당 분야에서 통상의 지식을 가진 자라면 누구나 본 발명의 사상과 범위 안에서 다양한 수정, 변경, 부가 등이 가능할 것이고, 이러한 수정, 변경, 부가 등은 특허청구범위에 속하는 것으로 보아야 한다. In addition, preferred embodiments and examples of the present invention are disclosed for the purpose of illustration, and any person skilled in the art may make various modifications, changes, additions, etc. within the spirit and scope of the present invention, such modifications , changes, additions, etc. should be regarded as belonging to the scope of the claims.

Claims (8)

주성분으로서의 질화 알루미늄(AlN)과, 제1첨가제로서의 CaCO3-Al2O3-SiO2 글라스와, 제2첨가제로서의 Y2O3 또는 MgO를 포함한 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 세라믹스 조성물.An aluminum nitride ceramic composition comprising aluminum nitride (AlN) as a main component, CaCO 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 glass as a first additive, and Y 2 O 3 or MgO as a second additive. 제1항에 있어서,
상기 세라믹스 조성물은 상압 및 1700~1900℃의 온도범위에서 고용체를 이루는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 세라믹스 조성물.According to claim 1,
The ceramic composition is an aluminum nitride ceramic composition, characterized in that forming a solid solution at normal pressure and a temperature range of 1700-1900 °C. 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1첨가제의 함량은 상기 세라믹스 조성물의 총량대비 0＜x≤5 wt% 범위인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 세라믹스 조성물.3. The method of claim 1 or 2,
The content of the first additive is an aluminum nitride ceramic composition, characterized in that 0<x≤5 wt% relative to the total amount of the ceramic composition. 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제2첨가제의 함량은 상기 세라믹스 조성물의 총량대비 1≤x≤5 wt% 범위인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 세라믹스 조성물.3. The method of claim 1 or 2,
The content of the second additive is an aluminum nitride ceramic composition, characterized in that 1≤x≤5 wt% of the total amount of the ceramic composition. 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 제1첨가제는 상기 제1첨가제의 총량대비 55~65wt% CaCO3, 30~40wt% Al2O3 및 0.5~5wt% SiO2를 포함한 조성을 갖는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 세라믹스 조성물. 3. The method of claim 1 or 2,
The first additive is an aluminum nitride ceramic composition, characterized in that it has a composition comprising 55 to 65 wt% CaCO 3 , 30 to 40 wt% Al 2 O 3 and 0.5 to 5 wt% SiO 2 relative to the total amount of the first additive. 제1항 또는 제2항에 있어서,
상기 질화 알루미늄 세라믹스 조성물은 80~110W/m·K 범위의 열전도도와 400℃ 이상의 온도에서 108~1011 Ω·cm 범위의 체적저항을 갖는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 세라믹스 조성물. 3. The method of claim 1 or 2,
The aluminum nitride ceramic composition is an aluminum nitride ceramic composition, characterized in that it has a thermal conductivity in the range of 80 ~ 110W / m · K and a volume resistance in the range of 10 8 ~ 11 Ω · cm at a temperature of 400 ℃ or more. 질화 알루미늄 세라믹스 조성물의 제조방법에 있어서,
55~65wt% CaCO3, 30~40wt% Al2O3 및 0.5~5wt% SiO2의 각 분말을 혼합하고 1400~1600℃ 온도범위로 열처리하여 CaCO3-Al2O3-SiO2 조성의 글라스 프릿 분말을 얻는 단계와;
질화 알루미늄(AlN)의 분말과, 상기 질화 알루미늄 세라믹스 조성물의 총량대비 0＜x≤5 wt% 함량범위의 상기 글라스 프릿 분말과, 상기 질화 알루미늄 세라믹스 조성물의 총량대비 1≤x≤5 wt% 함량범위의 Y2O3 또는 MgO의 분말을 혼합하고, 상압하에서 1700~1900℃ 온도범위로 소결하여 상기 질화 알루미늄 세라믹스 조성물의 고용체를 제조하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 세라믹스 조성물의 제조방법.In the method for producing an aluminum nitride ceramic composition,
Each powder of 55~65wt% CaCO 3 , 30~40wt% Al 2 O 3 and 0.5~5wt% SiO 2 is mixed and heat treated in the temperature range of 1400~1600℃ to CaCO 3 -Al 2 O 3 -SiO 2 Glass composition obtaining a frit powder;
Aluminum nitride (AlN) powder, the glass frit powder in a content range of 0<x≤5 wt% relative to the total amount of the aluminum nitride ceramic composition, and 1≤x≤5 wt% content range relative to the total amount of the aluminum nitride ceramic composition Mixing the powder of Y 2 O 3 or MgO, and sintering at a temperature range of 1700-1900° C. under normal pressure to prepare a solid solution of the aluminum nitride ceramic composition. Method for producing an aluminum nitride ceramic composition. 제7항에 있어서,
상기 소결은 대기중 또는 질소 분위기하에서 수행되는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 세라믹스 조성물의 제조방법.8. The method of claim 7,
The sintering is a method for producing an aluminum nitride ceramic composition, characterized in that carried out in the atmosphere or nitrogen atmosphere.
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