KR20240000013A - 질화규소 기판의 재생 방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 질화규소 기판의 재생 방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는, 제조된 질화규소 기판들 중 사양 미달의 기판을 분류하는 단계; 및 상기 사양 미달의 기판에 재-소결 공정을 수행하는 단계를 포함한다. 상기 재-소결 공정은 1600℃ 내지 1900℃의 온도에서 수행되고, 상기 재-소결 공정은 상기 사양 미달의 기판의 열전도도를 10% 내지 30% 향상시킬 수 있다.

Description

질화규소 기판의 재생 방법{Method for Regenerating silicon nitride substrate}
본 발명은 질화규소 기판의 재생 방법에 관한 것으로, 보다 구체적으로 사양 미달의 기판을 재생하는 방법에 관한 것이다.
높은 전기절연성 및 열전도율을 가지는 세라믹 소재는, 소자의 발생열을 빠르게 전달하는 열매체로서의 사용될 수 있다. 세라믹 소재는 수송기기용 소자의 기판, 고집적 전자회로용 기판, 레이저 발진부의 방열 부품, 반도체 제조 장치의 반응 용기 부품 및 정밀 기계 부품으로 사용되고 있다.
특히, 고출력용 파워 소자에 사용되는 세라믹 기판은, 높은 절연성, 높은 내전압성, 높은 열 전도도, 높은 굽힘 강도, 및 낮은 유전율이 요구된다. 이러한 요구에 알맞은 세라믹 기판으로는, 질화알루미늄 기판, 알루미나 기판, 질화규소 기판 등이 있다.
질화규소(Si3N4) 기판은 높은 굽힘 강도(500 MPa 내지 800 MPa), 고인성(5 MPa·m 내지 8 MPa·m), 및 실리콘(Si)과의 열팽창계수 정합성이 우수하다. 나아가 질화규소(Si3N4) 기판은 높은 열전도도(70 W/mK 내지 170 W/mK)를 갖는다. 즉, 질화규소(Si3N4) 기판은 차세대 고출력 파워 소자의 소재로 적합하다.
본 발명이 해결하고자 하는 과제는 질화규소 기판을 재생하는 방법을 제공하는데 있다.
본 발명의 개념에 따른, 질화규소 기판의 재생 방법은, 제조된 질화규소 기판들 중 사양 미달의 기판을 분류하는 단계; 및 상기 사양 미달의 기판에 재-소결 공정을 수행하는 단계를 포함할 수 있다. 상기 재-소결 공정은 1600℃ 내지 1900℃의 온도에서 수행되고, 상기 재-소결 공정은 상기 사양 미달의 기판의 열전도도를 10% 내지 30% 향상시킬 수 있다.
본 발명에 따른 질화규소 기판의 재생 방법은, 제조된 질화규소 기판들 중 열전도도가 기준값에 미달하는 사양 미달의 기판을 다시 재생시킬 수 있다. 다시 말하면, 본 발명은 사양 미달의 기판을 간단한 방법으로 재생하여 기준값을 충족하는 열전도도를 갖게 할 수 있다. 이로써 제조된 질화규소 기판의 폐기량을 줄이고 기판 제조 공정의 경제성이 향상될 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 질화규소 기판의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 2는 도 1의 제1 단계를 설명하기 위한 개략도이다.
도 3a 내지 도 3c는 도 1의 제2 단계를 설명하기 위한 개략도이다.
도 4는 도 1의 제3 단계를 설명하기 위한 개략도이다.
도 5는 도 1의 제4 단계를 설명하기 위한 개략도이다.
도 6은 도 1의 제5 단계를 설명하기 위한 개략도이다.
도 7은 도 1의 제6 단계를 설명하기 위한 개략도이다.
도 8은 도 1의 제7 단계를 설명하기 위한 개략도이다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 제조된 질화규소 기판의 재생 방법을 설명하기 위한 흐름도이다.
도 10은 도 9의 제1 단계를 설명하기 위한 개략도이다.
도 11은 도 9의 제2 단계를 설명하기 위한 개략도이다.
본 발명의 구성 및 효과를 충분히 이해하기 위하여, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 바람직한 실시예들을 설명한다. 그러나 본 발명은 이하에서 개시되는 실시예들에 한정되는 것이 아니라, 여러가지 형태로 구현될 수 있고 다양한 변경을 가할 수 있다. 단지, 본 실시예들의 설명을 통해 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 본 발명이 속하는 기술 분야의 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위하여 제공되는 것이다.
본 명세서의 다양한 실시예들에서 제1, 제2, 제3 등의 용어가 다양한 구성요소들을 기술하기 위해서 사용되었지만, 이들 구성요소들이 이 같은 용어들에 의해서 한정되어서는 안 된다. 이들 용어들은 단지 어느 구성요소를 다른 구성요소와 구별시키기 위해서 사용되었을 뿐이다. 여기에 설명되고 예시되는 실시예들은 그것의 상보적인 실시예들도 포함한다.
본 명세서에서 사용된 용어는 실시예들을 설명하기 위한 것이며 본 발명을 제한하고자 하는 것은 아니다. 본 명세서에서, 단수형은 문구에서 특별히 언급하지 않는 한 복수형도 포함한다. 명세서에서 사용되는 '포함한다(comprises)' 및/또는 '포함하는(comprising)'은 언급된 구성요소는 하나 이상의 다른 구성요소의 존재 또는 추가를 배제하지 않는다.
도 1은 본 발명의 실시예들에 따른 질화규소 기판의 제조 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 1을 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 질화규소 기판의 제조 방법은, 세라믹 첨가제를 준비하는 제1 단계(S110), 질화규소 분말, 세라믹 첨가제 및 용매를 혼합하여 슬러리를 형성하는 제2 단계(S120), 슬러리를 테이프 캐스팅 공정으로 성형하여 시트를 형성하는 제3 단계(S130), 시트를 적층하고 라미네이션 공정을 수행하여 적층 시트를 형성하는 제4 단계(S140), 하부 플레이트 및 상부 플레이트 사이에 적층 시트(SSH)를 샌드위치하여 적층 구조체(SS)를 형성하는 제5 단계(S150), 적층 구조체에 탈지 공정을 수행하는 제6 단계(S160), 및 적층 구조체에 소결 공정을 수행하는 제7 단계(S170)를 포함할 수 있다.
도 2는 도 1의 제1 단계를 설명하기 위한 개략도이다. 도 1 및 도 2를 참조하면, 제1 용기(CON1) 내에 제1 볼들(BA1) 및 제1 혼합물(MI1)이 제공될 수 있다. 제1 혼합물(MI1)은, 세라믹 분말 및 용매를 포함할 수 있다. 구체적으로, 제1 용기(CON1) 내에 제1 볼들(BA1) 및 용매를 넣을 수 있다. 용매에 세라믹 분말을 넣을 수 있다. 제1 볼들(BA1)은, 지르코니아와 같은 세라믹을 포함할 수 있다. 상기 용매는 유기 용매로서, 예를 들어, 에탄올을 포함할 수 있다. 상기 세라믹 분말은, 이트륨 산화물(Y2O3) 및 마그네슘 산화물(MgO)을 포함할 수 있다.
제1 혼합물(MI1)을 혼합 장치로 혼합하여, 제1 혼합물(MI1) 내에서 상기 세라믹 분말이 균일하게 혼합될 수 있다. 제1 볼들(BA1)은 물리적으로 상기 세라믹 분말이 균일하게 혼합되는 것을 도울 수 있다. 구체적으로, 제1 혼합물(MI1) 내에서 이트륨 산화물 분말 및 마그네슘 산화물 분말이 균일하게 혼합될 수 있다.
혼합이 완료된 후, 제1 볼들(BA1)을 제거할 수 있다. 제1 혼합물(MI1)을 건조하여, 용매를 모두 증발시킬 수 있다. 결과적으로, 분말 형태의 세라믹 첨가제(SA)를 얻을 수 있다(S110). 세라믹 첨가제(SA)는 이트륨 산화물(Y2O3) 및, 마그네슘 산화물(MgO)을 포함할 수 있다.
본 발명의 일 실시예로, 상기 세라믹 분말은 이트륨 산화물(Y2O3) 및 마그네슘 산화물(MgO)만으로 구성될 수 있다. 본 발명의 다른 실시예로, 상기 세라믹 분말은 이트륨 산화물(Y2O3) 및 마그네슘 산화물(MgO)뿐만 아니라, 추가적인 산화물(예를 들어, 지르코늄 산화물)을 더 포함할 수도 있다.
세라믹 첨가제(SA)에 대한 상기 이트륨 산화물(Y2O3)의 질량 비는 0.3 내지 0.5일 수 있다. 세라믹 첨가제(SA)에 대한 상기 마그네슘 산화물(MgO)의 질량 비는 0.5 내지 0.7일 수 있다. 세라믹 첨가제(SA) 내에서 이트륨(Y)에 대한 마그네슘(Mg)의 원자비는 3 내지 5일 수 있다. 다시 말하면, 세라믹 첨가제(SA) 내의 마그네슘 원자들의 개수는 이트륨 원자들의 개수의 3배 내지 5배일 수 있다.
도 3a 내지 도 3c는 도 1의 제2 단계를 설명하기 위한 개략도이다.
도 1 및 도 3a를 참조하면, 제2 용기(CON2) 내에 용매(SV) 및 제2 볼들(BA2)이 제공될 수 있다. 용매(SV)는 유기 용매로서, 예를 들어, 이소프로필알콜 및 톨루엔을 포함할 수 있다. 이소프로필알콜 및 톨루엔은 4:6의 부피비로 혼합될 수 있다. 제2 볼들(BA2)은 질화규소를 포함할 수 있다.
제2 용기(CON2)의 용매(SV)에, 질화규소(Si3N4) 분말(SNP), 세라믹 첨가제(SA), 및 분산제(DIS)를 넣어 제2 혼합물(MI2)이 준비될 수 있다. 세라믹 첨가제(SA)는 앞서 제1 단계(S110)를 통해 준비된 것일 수 있다. 분산제(DIS)는 시중에 판매되는 분산제(DIS)를 사용할 수 있으며, 예를 들어, BYK-111을 사용할 수 있다.
용매(SV)는, 제2 혼합물(MI2)의 전체 부피에 대해 40 Vol% 내지 60 Vol%를 가질 수 있다. 질화규소 분말(SNP)은, 제2 혼합물(MI2)의 전체 부피에 대해 15 Vol% 내지 25 Vol%를 가질 수 있다. 세라믹 첨가제(SA)는, 제2 혼합물(MI2)의 질량에 대해 5 wt% 내지 10 wt%를 가질 수 있다.
제2 혼합물(MI2)에 대해 제1 볼 밀링(ball milling) 공정을 수행하여, 제2 혼합물(MI2)을 균일하게 혼합할 수 있다. 제2 볼들은 물리적으로 제2 혼합물(MI2)이 균일하게 혼합되는 것을 도울 수 있다.
구체적으로 제1 볼 밀링 공정은, 제2 혼합물(MI2)이 담긴 제2 용기를 볼 밀링기(ball milling machine)를 이용하여 일정 속도로 회전시키는 것을 포함할 수 있다. 제2 용기가 회전하면서, 제2 용기 내 제2 볼들에 의해 기계적 분쇄 및 균일 혼합이 수행될 수 있다. 볼 밀링기의 회전속도는 100 rpm 내지 500 rpm일 수 있다.
도 1 및 도 3b를 참조하면, 제1 볼 밀링 공정 후, 제2 혼합물(MI2)에 바인더(BI) 및 가소제(PL)를 첨가하여 제3 혼합물(MI3)이 준비될 수 있다. 바인더(BI)는 에틸 셀룰로오스, 메틸 셀룰로오스, 니트로 셀룰로오스, 카르복시 셀룰로오스와 같은 셀룰로오스 유도체, 폴리비닐알콜, 아크릴산에스테르, 메타크릴산에스테르, 폴리비닐부티랄과 같은 수지, 및 상기 유도체와 상기 수지의 혼합물 중 적어도 하나를 포함할 수 있다. 예를 들어, 바인더(BI)는 폴리비닐 부티랄(polyvinyl butyral, PVB)을 포함할 수 있다. 가소제(PL)는 디뷰틸 프탈레이트(Dibutyl phthalate) 또는 디옥틸 프탈레이트(Deoctyl phthalate)를 포함할 수 있다. 첨가되는 가소제(PL)의 질량은, 첨가되는 바인더(BI)의 질량의 약 50%일 수 있다. 추가적으로, 제2 혼합물(MI2)에 용매를 더 첨가할 수 있다.
제3 혼합물(MI3)에 대해 제2 볼 밀링 공정을 수행하여, 제3 혼합물(MI3)을 균일하게 혼합할 수 있다. 제2 볼 밀링 공정을 통해 제3 혼합물(MI3)이 균일하게 혼합됨으로써, 슬러리(SL)가 형성될 수 있다(S120). 제2 볼 밀링 공정은 앞서 설명한 제1 볼 밀링 공정과 실질적으로 동일하거나 유사할 수 있다. 이후 제2 볼들은 제거될 수 있다.
도 1 및 도 3c를 참조하면, 제2 볼 밀링 공정으로 형성된 슬러리(SL)를 에이징하여, 슬러리(SL)로부터 휘발성 기체를 제거할 수 있다. 슬러리(SL)를 에이징하는 동안, 교반기(SIT)를 이용해 슬러리(SL)를 교반시킬 수 있다. 에이징은 약 24시간 동안 수행될 수 있다.
도 4는 도 1의 제3 단계를 설명하기 위한 개략도이다.
도 1 및 도 4를 참조하면, 제2 단계(S120)에서 준비된 슬러리(SL)를 테이프 캐스팅 공정으로 성형하여, 시트(SH)를 형성할 수 있다(S130). 구체적으로 테이프 캐스팅 공정은, 일정한 댐 높이로 셋팅된 블레이드에 슬러리(SL)를 붓고, 움직이는 기판 필름 상에 슬러리(SL)가 도포되게 할 수 있다. 기판 필름 상에 도포된 슬러리(SL)로부터 용매를 휘발시키고 이를 떼어내어 시트(SH) 성형체를 얻을 수 있다. 상기 기판 필름은 스테인레스 스틸 테이프, 기름 종이 테이프, 또는 폴리에스테르와 같은 고분자 테이프가 사용될 수 있다. 예를 들어, 약 0.3mm의 댐 높이로 셋팅된 닥터블레이드에 슬러리(SL)를 붓고, 소정 속도(예컨대, 0.1 m/min 내지 1 m/min)로 이동하는 기판 필름을 상에 슬러리(SL)가 도포될 수 있다. 이후 건조 공정과 기판 필름을 떼어내는 공정을 수행하여 시트(SH)를 얻을 수 있다.
테이프 캐스팅 공정은 30℃ 내지 80℃에서 수행될 수 있다. 테이프 캐스팅 공정으로 형성된 시트(SH)를 적절한 크기로 커팅할 수 있다. 시트(SH)의 두께는 0.1mm 내지 0.16mm일 수 있다.
도 5는 도 1의 제4 단계를 설명하기 위한 개략도이다.
도 1 및 도 5를 참조하면, 제3 단계(S130)에서 준비된 복수개의 시트들(SH)을 적층할 수 있다. 적층된 시트들(SH) 상에 라미네이션 공정을 수행하여, 적층 시트(SSH)가 형성될 수 있다(S140). 일 예로, 3개 내지 5개의 시트들(SH)이 적층되어, 적층 시트(SSH)를 구성할 수 있다. 라미네이션 공정은 약 10 MPa의 압력 및 약 60℃의 온도에서 수행될 수 있다.
적층 시트(SSH)를 가압할 수 있다. 상기 가압 공정은, 온간정수압프레스(Warm Isostatic Press, WIP)를 이용할 수 있다. 상기 가압 공정은 약 30 MPa의 압력 및 약 70℃의 온도에서 수행될 수 있다. 최종적으로, 적층 시트(SSH)의 두께(TH)는 0.3mm 내지 4mm일 수 있다.
도 6은 도 1의 제5 단계를 설명하기 위한 개략도이다.
도 1 및 도 6을 참조하면, 적층 구조체(SS)가 준비될 수 있다. 적층 구조체(SS)는, 하부 플레이트(PLT1), 상부 플레이트(PLT2) 및 이들 사이에 개재된 적층 시트(SSH)를 포함할 수 있다. 적층 구조체(SS)를 준비하는 것은, 하부 플레이트(PLT1) 및 상부 플레이트(PLT2) 사이에 제4 단계(S140)에서 준비된 적층 시트(SSH)를 샌드위치하는 것을 포함할 수 있다(S150). 도 6에서는 하부 플레이트(PLT1) 및 상부 플레이트(PLT2) 사이에 하나의 적층 시트(SSH)가 개재되는 것을 예시하였지만, 본 발명은 여기에 제한되지 않는다. 예를 들어, 하부 플레이트(PLT1) 및 상부 플레이트(PLT2) 사이에 두 개 이상의 적층 시트들(SSH)이 개재될 수도 있다.
적층 구조체(SS)를 준비하기 전에, 보론 질화물(BN)을 적층 시트(SSH)에 고르게 도포할 수 있다. 하부 플레이트(PLT1) 및 상부 플레이트(PLT2)는 보론 질화물을 포함할 수 있다.
도 7은 도 1의 제6 단계를 설명하기 위한 개략도이다.
도 1 및 도 7을 참조하면, 제5 단계(S150)에서 준비된 적층 구조체(SS) 상에 탈지 공정(Binder Burn Out, B.B.O.)이 수행될 수 있다(S160). 이로써, 적층 시트(SSH) 내의 바인더, 분산제 및 가소제와 같은 유기물들이 모두 소각되어 제거될 수 있다. 탈지 공정은 대기로(atmospheric furnace, AF) 내에서 약 600℃의 온도에서 약 12시간 동안 수행될 수 있다. 즉, 탈지 공정은 대기(공기) 하에서 수행될 수 있다.
도 8은 도 1의 제7 단계를 설명하기 위한 개략도이다.
도 1 및 도 8을 참조하면, 제6 단계(S160) 이후, 도가니(CRU) 내에 적층 구조체(SS)가 제공될 수 있다. 도가니(CRU) 내에 베딩 분말(BNP)을 넣어, 적층 구조체(SS)가 베딩 분말(BNP) 내에 묻힐 수 있다. 베딩 분말(BNP)은 보론 질화물 분말, 질화규소 분말, 또는 이들의 혼합물을 포함할 수 있다. 베딩 분말(BNP)이 보론 질화물 분말과 질화규소 분말의 혼합물을 포함할 경우, 보론 질화물 분말과 질화규소 분말은 1:1로 혼합될 수 있다.
도가니(CRU)를 가열하여, 적층 구조체(SS)에 소결 공정이 수행될 수 있다(S170). 이로써 적층 시트(SSH)가 소결되어, 질화규소 기판이 형성될 수 있다. 상기 소결 공정은 1700℃ 내지 2000℃의 온도에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 소결 공정은 약 1900℃의 온도에서 약 6시간 동안 수행될 수 있다. 상기 소결 공정은 질소 분위기에서 수행될 수 있다. 소결이 완료된 적층 시트(SSH)를 질화규소 기판으로서 수득할 수 있다.
도 9는 본 발명의 실시예들에 따른 제조된 질화규소 기판의 재생 방법을 설명하기 위한 흐름도이다. 도 9를 참조하면, 본 발명의 실시예들에 따른 질화규소 기판의 재생 방법은, 제조된 질화규소 기판들 중 사양 미달의 기판을 분류하는 제1 단계(S210) 및 사양 미달의 기판에 재-소결 공정을 수행하는 제2 단계(S220)를 포함할 수 있다.
도 10은 도 9의 제1 단계를 설명하기 위한 개략도이다. 도 9 및 도 10을 참조하면, 앞서 도 1 내지 도 8을 참조하여 설명한 본 발명의 질화규소 기판의 제조 방법에 따라 질화규소 기판들(SNS)이 제조될 수 있다. 제조된 질화규소 기판들(SNS) 중 사양 미달의 기판(SNS')을 분류할 수 있다(S210).
질화규소 기판(SNS)은 99 wt% 이상의 SiN을 함유하지만, 불순물로 미량의 마그네슘(Mg) 및 이트륨(Y)을 함유할 수 있다. 불순물인 마그네슘(Mg) 및 이트륨(Y)은, 앞서 설명한 세라믹 첨가제(SA)에서 유래한 잔류물일 수 있다.
질화규소 기판(SNS) 내의 마그네슘(Mg)의 농도(또는 함량)은 질화규소 기판(SNS)의 물성에 영향을 줄 수 있다. 예를 들어, 질화규소 기판(SNS) 내의 마그네슘(Mg)의 농도는 질화규소 기판(SNS)의 열전도도(thermal conductivity) 및 굽힘 강도(bending strength)에 밀접한 영향을 줄 수 있다.
본 발명의 일 실시예로, 질화규소 기판(SNS) 내의 마그네슘(Mg)의 농도는 질화규소 기판(SNS)의 열전도도와 반비례할 수 있다. 다시 말하면, 질화규소 기판(SNS) 내의 마그네슘(Mg)의 농도가 높을수록 상기 열전도도는 감소할 수 있다. 본 발명의 일 실시예로, 질화규소 기판(SNS) 내의 마그네슘(Mg)의 농도는 질화규소 기판(SNS)의 굽힘 강도와 비례할 수 있다. 다시 말하면, 질화규소 기판(SNS) 내의 마그네슘(Mg)의 농도가 높을수록 상기 굽힘 강도는 증가할 수 있다.
제조된 질화규소 기판들(SNS) 중 사양 미달의 기판(SNS')은, 그의 열전도도가 제1 기준값에 미치지 못하는 기판일 수 있다. 예를 들어, 제1 기준값은 70 W/m·K일 수 있다. 그러나 상기 제1 기준값은 고객의 니즈에 따라 변경될 수 있는 것이고, 본 발명의 제1 기준값이 상기 예시에 한정되는 것은 아니다.
제조된 질화규소 기판들(SNS) 중 사양 미달의 기판(SNS')은, 그의 굽힘 강도가 제2 기준값보다 큰 기판일 수 있다. 예를 들어, 제2 기준값은 900 MPa일 수 있다. 그러나 상기 제2 기준값은 고객의 니즈에 따라 변경될 수 있는 것이고, 본 발명의 제2 기준값이 상기 예시에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 일 실시예로, 사양 미달의 기판(SNS')의 마그네슘(Mg)의 농도는 10,000 ppm보다 클 수 있다. 예를 들어, 사양 미달의 기판(SNS')의 마그네슘(Mg)의 농도는 10,000 ppm 내지 50,000 ppm일 수 있다. 사양 미달의 기판(SNS')의 열전도도는 50 W/m·K 내지 70 W/m·K일 수 있다. 사양 미달의 기판(SNS')의 굽힘 강도는 900 MPa 내지 1000 MPa일 수 있다.
본 발명의 일 실시예로, 사양을 만족하는 질화규소 기판(SNS)의 마그네슘(Mg)의 농도는 10,000 ppm보다 클 수 있다. 예를 들어, 사양을 만족하는 질화규소 기판(SNS)의 마그네슘(Mg)의 농도는 1,000 ppm 내지 10,000 ppm일 수 있다. 사양을 만족하는 질화규소 기판(SNS)의 열전도도는 70 W/m·K 내지 170 W/m·K일 수 있다. 사양을 만족하는 질화규소 기판(SNS)의 굽힘 강도는 750 MPa 내지 900 MPa일 수 있다.
제조된 질화규소 기판들(SNS) 중 열전도도 및/또는 굽힘 강도가 상술한 목적하는 사양을 만족하지 못하는 기판을 사양 미달의 기판(SNS')으로 분류할 수 있다. 본 발명의 비교예에 따르면, 사양 미달의 기판(SNS')은 폐기처분 될 수 있다. 그러나 본 발명의 실시예에 따르면, 사양 미달의 기판(SNS')을 사양을 충족하는 기판으로 재생시킬 수 있다.
도 11은 도 9의 제2 단계를 설명하기 위한 개략도이다. 도 9 및 도 11을 참조하면, 분류된 사양 미달의 기판(SNS')에 재-소결 공정이 수행될 수 있다(S220). 재-소결 공정은 실질적으로 앞서 도 8을 참조하여 설명한 적층 구조체(SS)의 소결 공정과 동일 또는 유사할 수 있다.
구체적으로, 사양 미달의 기판(SNS')을 하부 플레이트(PLT1) 및 상부 플레이트(PLT2) 사이에 샌드위치하여 적층 구조체(SS')가 다시 준비될 수 있다. 도가니(CRU) 내에 적층 구조체(SS')를 제공하고, 적층 구조체(SS')를 베딩 분말(BNP) 내에 매립할 수 있다. 도가니(CRU)를 가열하여, 적층 구조체(SS')에 재-소결 공정이 수행될 수 있다(S220).
재-소결 공정은 도 8의 소결 공정보다 낮은 온도에서 수행될 수 있다. 예를 들어, 재-소결 공정은 1600℃ 내지 1900℃의 온도에서 수행될 수 있다. 재-소결 공정은 6시간 내지 12시간 동안 수행될 수 있다.
앞서 설명한 바와 같이, 사양 미달의 기판(SNS')의 열전도도 및/또는 굽힘 강도가 목적하는 기준값을 만족시키지 못하는 이유는, 사양 미달의 기판(SNS') 내의 마그네슘(Mg)의 농도가 상대적으로 크기 때문이다.
재-소결 공정은 사양 미달의 기판(SNS') 내의 마그네슘(Mg)을 제거(또는 휘발)시킬 수 있다. 재-소결 공정을 거친 사양 미달의 기판(SNS')의 마그네슘(Mg)의 농도는, 그 전보다 감소할 수 있다. 예를 들어, 재-소결 공정을 거친 사양 미달의 기판(SNS')은 1,000 ppm 내지 10,000 ppm의 마그네슘(Mg) 농도를 가질 수 있다.
재-소결 공정을 거친 사양 미달의 기판(SNS')의 열전도도는, 그 전보다 향상될 수 있다. 예를 들어, 재-소결 공정을 거친 사양 미달의 기판(SNS')의 열전도도는 그 전보다 10% 내지 30% 향상될 수 있다. 재-소결 공정을 거친 사양 미달의 기판(SNS')의 열전도도는 70 W/m·K 내지 170 W/m·K일 수 있다.
재-소결 공정을 거친 사양 미달의 기판(SNS')의 굽힘 강도는, 그 전보다 감소할 수 있다. 예를 들어, 재-소결 공정을 거친 사양 미달의 기판(SNS')의 굽힘 강도는 그 전보다 10% 내지 30% 감소될 수 있다. 재-소결 공정을 거친 사양 미달의 기판(SNS')의 굽힘 강도는 750 MPa 내지 900 MPa일 수 있다.
본 발명에 따른 질화규소 기판의 재생 방법은, 사양 미달의 기판을 폐기하는 것이 아니라, 재-소결 공정을 통해 목적하는 사양을 만족하는 기판으로 재생(또는 재활용)이 가능할 수 있다. 이로써 제조된 질화규소 기판을 폐기하지 않고 간단한 방법으로 재생시켜 다시 사용하므로, 기판 제조 공정의 경제성이 향상될 수 있다.
실험예
본 발명의 도 1 내지 도 8에서 설명한 제조 방법을 통해 질화규소 기판을 제조하였다. 제조된 질화규소 기판의 열전도도 및 굽힘 강도를 측정하였다. 제조된 질화규소 기판의 열전도도 및 굽힘 강도는 각각 67.121 W/m·K 및 956.61 MPa이었다.
질화규소 기판에 대해 본 발명의 재-소결 공정을 수행하였다. 재-소결 공정을 1600℃에서 6시간동안 수행한 제1 기판(실험예 1) 및 1600℃에서 12시간동안 수행한 제2 기판(실험예 2)을 수득하였다. 제1 기판과 제2 기판에 대해 각각 열전도도와 굽힘 강도를 측정하여 아래 표 1에 나타내었다.
굽힘 강도(MPa) 열전도도(W/m·K)
제조된 질화규소 기판 956.61 67.121
실험예 1 838.04 (-12.4%) 83.65 (+24.6%)
실험예 2 674 (-29.5%) 81.36 (+21.2%)
표 1을 참조하면, 질화규소 기판에 대해 재-소결 공정을 수행한 결과, 열전도도가 약 20% 이상 증가하고 굽힘 강도는 약 10% 내지 약 30%까지 감소함을 확인하였다. 이로써 열전도도가 기준값에 미치지 못하는 사양 미달의 질화규소 기판이라도 재-소결 공정을 통해 열전도도를 높여 재생(또는 재활용) 가능함을 확인할 수 있다.재-소결 공정 시간이 6시간에서 12시간으로 늘어날 경우 휨 강도는 더 크게 감소하지만, 열 전도도의 변화는 큰 차이가 없음을 확인하였다.
앞서 제조된 질화규소 기판에 대해 본 발명의 재-소결 공정을 수행하였다. 재-소결 공정을 1600℃에서 6시간동안 수행한 제1 기판(실험예 1), 1700℃에서 6시간동안 수행한 제3 기판(실험예 3) 및 1800℃에서 6시간동안 수행한 제4 기판(실험예 4)을 수득하였다. 제1 기판, 제3 기판 및 제4 기판에 대해 각각 열전도도와 굽힘 강도를 측정하여 아래 표 2에 나타내었다.
굽힘 강도(MPa) 열전도도(W/m·K)
제조된 질화규소 기판 956.61 67.121
실험예 1 838.04 (-12.4%) 83.65 (+24.6%)
실험예 3 830.42 (-13.2%) 75.24 (+12.1%)
실험예 4 815.98 (-14.7%) 83.25 (+24.0%)
표 2를 참조하면, 질화규소 기판에 대해 온도를 1600℃ 내지 1800℃에서 재-소결 공정을 수행한 결과, 모두 동일하게 열전도도가 크게 증가하고 굽힘 강도가 감소함을 확인할 수 있다.
이상, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 설명하였지만, 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자는 본 발명이 그 기술적 사상이나 필수적인 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다. 그러므로 이상에서 기술한 실시예에는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적이 아닌 것으로 이해해야만 한다.

Claims (10)

  1. 제조된 질화규소 기판들 중 사양 미달의 기판을 분류하는 단계; 및
    상기 사양 미달의 기판에 재-소결 공정을 수행하는 단계를 포함하되,
    상기 재-소결 공정은 1600℃ 내지 1900℃의 온도에서 수행되고,
    상기 재-소결 공정은 상기 사양 미달의 기판의 열전도도를 10% 내지 30% 향상시키는 질화규소 기판의 재생 방법.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 재-소결 공정은 상기 사양 미달의 기판의 굽힘 강도(bending strength)를 감소시키는 질화규소 기판의 재생 방법.
  3. 제2항에 있어서,
    상기 재-소결 공정은 상기 사양 미달의 기판의 굽힘 강도를 10% 내지 30% 감소시키는 질화규소 기판의 재생 방법.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 재-소결 공정은 6시간 내지 12시간 동안 수행되는 질화규소 기판의 재생 방법.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 재-소결 공정은 상기 사양 미달의 기판 내의 마그네슘(Mg)의 농도를 감소시키는 질화규소 기판의 재생 방법.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 질화규소 기판들을 제조하는 것은, 하기의 단계들을 포함하는 질화규소 기판의 재생 방법:
    질화규소 분말, 세라믹 첨가제 및 용매를 혼합하여 슬러리를 형성하는 단계;
    상기 슬러리를 성형하여 시트를 형성하는 단계;
    하부 플레이트 및 상부 플레이트 사이에 적어도 하나의 상기 시트를 샌드위치하여, 적층 구조체를 형성하는 단계;
    상기 적층 구조체에 탈지 공정을 수행하는 단계; 및
    상기 적층 구조체에 소결 공정을 수행하는 단계.
  7. 제6항에 있어서,
    상기 소결 공정은 상기 재-소결 공정보다 높은 온도에서 수행되는 질화규소 기판의 재생 방법.
  8. 제6항에 있어서,
    상기 세라믹 첨가제는, 이트륨 산화물(Y2O3) 및 마그네슘 산화물(MgO)을 포함하고,
    상기 세라믹 첨가제 내의 이트륨(Y)에 대한 마그네슘(Mg)의 원자비는 3 내지 5인 질화규소 기판의 제조 방법.
  9. 제1항에 있어서,
    상기 사양 미달의 기판은 열전도도가 50 W/m·K 내지 70 W/m·K인 질화규소 기판의 재생 방법.
  10. 제1항에 있어서,
    상기 사양 미달의 기판은 굽힘 강도가 900 MPa 내지 1000 MPa인 질화규소 기판의 재생 방법.
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