서 론

세라믹은 일반적으로 우수한 기계적 물성과 화학적 안 정성을 가지고 있어서 반도체 공정 장치의 내구성 부품으 로 많이 사용되고 있다. 특히 반도체 공정에서는 플라즈마 형태의 불화물에 노출되기 때문에 이에 대한 저항성이 우 수한 Al₂O₃, Y₂O₃, YAG (Y₃Al₅O₁₂) 등의 세라믹이 흔히 사용되고 있다[1-6].

반도체 공정 중에는 5000~20000 V의 강한 전기장에 노 출되는 웨이퍼의 표면에 정전기가 일시적으로 축적되기 쉬운데, 이것이 이송을 위한 카세트나 로봇 팔과 접촉할 경우 정전기 방전(electrostatic discharge) 현상이 발생하기 도 한다. 이러한 정전기 방전 현상은 웨이퍼 제품 및 장비 내부에 손상이나 입자 오염을 일으킬 수 있기 때문에, 반 도체 공정 수율과 고장 관리를 위해서는 이를 억제하는 것이 매우 중요하게 여겨진다[7].

축적된 정전기를 빠르게 해소해 줄 수 있는 부품의 경 우, 통상적으로는 전도성 폴리머를 세라믹 위에 코팅을 하 는 방식을 사용하고 있다. 그러나, 전도성 폴리머는 기계 적 강도, 내열특성, 플라즈마 노출환경에 취약하여 일정 기간 사용 후에는 코팅이 손상되므로 주기적으로 교체를 해 주어야 하는 단점이 존재한다[8].

따라서, 우수한 기계적/화학적 내구성을 가진 세라믹의 전기저항을 낮춰줌으로써 전도성 폴리머를 대체하고자 하 는 시도가 있어왔다. 정전기 대전방지를 목적으로 하는 전 기저항의 범위는 10⁶~10⁹ Ω·cm로 완전한 전도체도 아니고, 절연체도 아닌 영역에 속해 있다[8]. 이러한 중간 영역의 전 기저항을 가지게 하기 위해 일반적으로 사용되는 방법은 기 지상 벌크세라믹에 전도성 세라믹 입자를 첨가하는 방식 이다. 다만, 전도성 세라믹 입자를 너무 많이 첨가하면 103 Ω·cm 이하의 완전한 전기전도성 나타나 반도체 공정 장 치에서 바람직하지 않은 전기 누설이 일어날 가능성이 높 고 너무 적게 첨가하면 절연체 수준의 저항이 나타나기 때문에 대전방지 목적을 달성할 수 없다.

Al₂O₃-SiC 세라믹 복합소재는 1 μm 미만의 미세한 크기 의 SiC 를 첨가시킴으로써 단상 Al₂O₃ 세라믹의 기계적 물 성을 증진시켜 그 응용 폭을 넓히고자 하는 목적으로 30여 년 전부터 연구되어온 소재이다[9]. 공정에 따라서 다소 차 이는 있으나 약 5 vol% 소량의 SiC 만을 첨가하여도 상온 에서 굽힘강도가 500 MPa ~ 1 GPa를 상회하게 만드는 것 이 가능하며[10-13], 고온에서의 크립 저항성 또한 최대 2 배 가량 상향되는 것으로 알려져 있다[14]. 이외에도 SiC가 가지는 우수한 열전도 특성과 반도체 성질을 이용하여 열 전도 특성이 좋지 않고, 절연체인 Al₂O₃에 새로운 특성을 부여해 줄 수 있는 것으로 알려져 있다[15, 16].

정리하면, Al₂O₃ 기지상에 SiC를 첨가하여 복합세라믹 을 만드는 목적은 첫째, 부도체인 Al₂O₃에 반도체인 SiC 를 첨가하여 전기저항을 제어하기 위하는 것과 둘째, SiC 상을 첨가하여 강도, 경도와 같은 기계적 특성을 향상시키 는 것이다. 전기 저항의 경우 percolation 이론을 따르는 것으로 알려져 있으며, 이는 SiC가 일정량 이상 첨가되어 야 하는 것을 의미한다[15]. 따라서, 최소 15 vol% 이상 대량의 SiC를 첨가해야 하는데, 대량의 SiC가 첨가될 경 우 소결성이 크게 저하되기 때문에 일반적인 상압소결 공 정으로는 치밀화가 어려워진다. 이를 해결하기 위해 소결 구동력을 증진시키는 공정인 Hot-press, Spark plasma sintering, Hot isostatic press 등 고가의 비용이 요구되는 방법들이 사용되어 왔으며[16-18], 이 방법들은 산업적 측 면에서 경제성이 다소 결여된 공정이므로 실용화에 유리 하지 않다.

상기의 고비용 공정이 아닌 상압소결을 통해 Al₂O₃-SiC 세라믹 복합소재를 제조하기 위해서 다양한 소결조제가 시도되어 왔으며, 그 예로써 MgO, Y₂O₃, MnO₂, SiO₂, B₂O₃ 등을 들 수 있다[19, 20]. 이 소결조제들은 일반적 으로 액상소결을 유도하여 소결온도를 낮추는 데 기여하 는 것으로 알려져 있다. 또한, MgO와 Y₂O₃를 함께 소결 조제로 사용하면 적은 양으로도 동일한 수준의 치밀화를 얻을 수 있는 것으로 알려져 있다[10].

다양한 공정 방법이 존재함에도 불구하고, 대부분의 소 결공정은 5 vol% 수준의 SiC를 첨가하는 데 그치고 있으 며, SiC 첨가량을 늘리기 위해서는 더 높은 온도, 압력 등 이 필요한 것으로 파악된다.

본 연구는 상기 설명한 문제점을 해결하기 위하여, 10 vol% 이상의 SiC를 함유한 Al₂O₃-SiC 복합재료를 액상 이 온으로 구성된 소결조제를 함침하는 방법을 통해 상압소 결만으로 치밀화하고자 하였으며, 이를 통해 SiC 의 첨가 량에 따른 소결거동, 기계적 강도, 전기저항, 내플라즈마 성을 평가하여 대전방지용 세라믹 부품에 적용하기 위한 기본적인 가이드라인을 제시하고자 하였다.

실험 과정

원료 Al₂O₃ 알루미나 분말은 일본 Showa Denko 사의 Al160SG3 분말(D₅₀=0.67 μm)을 사용하였고, 원료 SiC 분 말은 독일 ESK-SiC GmbH 사의 E-SINSIC15 분말(D₅₀= 0.78 μm)을 사용하였다. 상기 원료분말을 3차 증류수 (18.5 MΩ)에 혼합하고, 안정적인 슬러리를 얻기 위하여 분산제인 Darvan 821A를 1.5 wt% 첨가해 주었다. 상기 혼합된 슬러리는 고순도 알루미나 볼과 함께 48시간 동안 볼밀하여 주었다. 준비된 슬러리를 건조하고 100-mesh 체 를 이용하여 과립화시켜 주었다. 과립화된 복합세라믹 원 료를 200 MPa 압력하에서 등방정수압성형(CIP) 하였으며, 분산제 제거를 위해 공기 분위기 480°C에서 5시간 탈지 열처리하고, N₂ 분위기 1200°C에서 1시간 가소결하였다. 가소결된 Al₂O₃-SiC 복합세라믹을 Mg, Y 성분을 함유한 질산염 수용액에 데시케이터 및 로터리 펌프를 이용하여 10 mmHg 이하의 조건에서 6시간 동안 진공함침하였다. 이때 사용한 질산염 수용액은 Mg(NO₃)2·6H₂O(Sigma- Aldrich), Y(NO₃)3·6H₂O (Sigma-Aldrich)를 진공함침 후 Mg, Y 성분이 각각 0.6 wt%가 되도록 농도를 조절하여 3 차 증류수에 용해한 것이다. 진공함침 후 1500~1750°C 온 도에서 3시간 소결처리 한 뒤, 소결성을 분석하였다. 소결 성을 비교하기 위해 소결조제가 첨가되지 않은 경우도 동 일한 조건에서 함께 소결하였으며, 소결된 시편의 밀도는 ASTM 792 규격에 의거하여 Archimedes 방법으로 측정하 였다.

소결성 분석결과에 근거하여 10, 15, 17.5, 20, 30 vol% SiC를 함유한 시편을 1700°C에서 3시간 소결하여 특성 측 정을 위한 시험편을 제조하였다. 소결체를 연마 및 폴리싱 한 다음 Guarded electrode 방식을 이용하여 전기저항을 측정하였고, 3 × 4 × 36 mm로 가공하여 KS L 1591 규격에 의거하여 RB 301 UNITECH-T 만능시험기((주)R&B, 한 국)를 사용하여 3점 굽힘강도를 측정하였다. 내플라즈마 성 측정을 위해 포항 나노융합연구원에서 보유한 플라즈 마 식각장치를 이용하여 CF₄+O₂+Ar 분위기 하에서 식각 실험을 실시하였으며. 공정 조건은 통상적인 반도체의 플 라즈마 식각 조건을 적용하였다(CF₄=50 ccm, O₂=5 ccm, Ar=100 ccm, RF power=350 W). 내플라즈마성의 상대적 인 비교를 위해 Si, Sapphire wafer를 동일한 조건에서 식 각 실험을 진행하였으며, 총 100분의 플라즈마 식각 후에 시편의 면적/밀도를 고려한 무게감소를 식각률로 계산하 였다. 또한, 플라즈마 식각 후 시편에 대해 KS L 1606 규 격에 의거한 마모시험을 통해 기존의 Al₂O₃, sapphire 부 품에 비해 내마모성을 비교평가 하였다.

실험결과 및 고찰

그림 1에 SiC가 10, 20, 30 vol% 첨가된 Al₂O₃-SiC 복 합세라믹 소재의 소결온도에 따른 상대밀도 변화를 나타 내었다. 그림 1(a)는 소결조제 없이 소결한 복합세라믹의 소결거동이고, 그림 1(b)는 소결조제를 첨가한 시편의 밀 도변화를 나타내고 있다. 위 결과로 알 수 있듯이, 소결조 제를 첨가하지 않은 경우 상대적으로 적은 10 vol%의 SiC 를 첨가하였을 때에도 1750°C에서 밀도가 82% 미만에 불 과하였고, 20, 30 vol%의 SiC를 첨가한 경우 밀도는 60% 미만이었을 뿐만 아니라 소결온도의 상승에 따라 오히려 소폭 감소하기도 하였다.

Fig. 1.

Sintering behavior of Al₂O₃-SiC ceramic composites as a function of SiC amount and sintering temperature (a) without sintering additive (b) with sintering additive (Mg, Y nitrate mixture).

Jeong 등은 5 vol% SiC가 첨가된 Al₂O₃ 를 소결조제 없 이 1700°C에서 92%이상의 밀도를 얻었다고 보고한 바 있 으나, 입자크기가 0.21 μm 인 소결성이 매우 우수한 Al₂O₃ 원료분말을 사용하였기 때문에 5 vol% SiC 첨가가 소결 성을 크게 저하시키지는 않는 것으로 사료되며[10], Anya 등도 15 vol% SiC를 함유한 복합재를 상압소결할 때, 200~400 nm의 상대적으로 소결성이 좋은 미세분말을 적 용하여 1700°C 조건에서는 91.5%의 밀도를 보고한 바 있 다[11]. 본 실험에서는 0.67 μm로 상대적으로 큰 분말을 사용하여 기존 결과에 비해 소결성이 다소 부족하게 나타 난 것으로 판단되나, 상기 문헌들에서 보고된 내용을 고려 할 때 합리적인 밀도값을 나타낸 것으로 보인다.

반면, Mg 및 Y 질산염 액상 소결조제를 가소결체에 함 침한 경우에는 소결성이 매우 크게 증진되었음이 확인된 다. 상대적으로 적은 10 vol%의 SiC가 첨가된 경우 1600°C에서 이미 98.5%를 초과하는 밀도값을 가졌으며, 20, 30 vol% SiC가 첨가된 경우도 1750°C 상압소결만으 로 각각 98%, 94%를 초과하는 밀도를 가졌다. 이는 기존 에 보고된 적 없는 우수한 소결성을 나타낸 것으로 산업 적으로도 의미가 있을 것으로 기대되는 결과이다. 기존의 문헌과 비교하면, 본 실험결과의 효과를 더 확실히 알 수 있다. Rasouli 등은 B₂O₃를 적용하여 5~10 vol% SiC 를 함유한 복합재를 1700°C에서 상압소결한 바 있는데, 5 vol%인 경우 99% 밀도를 얻었으나[20], 10 vol% 에서는 92% 미만의 밀도 밖에 얻지 못하였다. 또한, Gustafsson 등은 5 vol% SiC를 함유한 복합재를 MgO 소결조제를 첨 가하여 상압소결한 바 있는데, 400 nm의 소결성이 좋은 Al₂O₃ 분말을 사용하여 1750°C에서 97.9%의 밀도를 얻었 다고 보고한 바 있다[12]. 하지만 본 연구에서는 10 vol% SiC 를 첨가한 시편이 1700°C 소결온도에서 99%를 초과 한 밀도값을 얻음으로써 그 효과가 비교적 우수하다고 볼 수 있다.

이러한 소결성의 개선은 질산염 형태로 소결조제가 매우 균일하게 첨가된 것에 기인한 것으로 사료된다. Kim 등은 난소결성 Si₃N₄에 질산염 소결조제를 사용하여 치밀화 소 결온도를 100°C 이상 낮추었다 보고한 바 있으며[21], Hirata 등은 역시 난소결성 SiC에 질산염 소결조제를 사용 하여 소결성을 크게 향상시킨 것을 보고한 바 있다[22].

그림 2에 1700°C에서 소결한 Al₂O₃-SiC 복합소재 연마 면의 미세구조를 나타내었다. 하얀색 부분이 Al₂O₃ 결정 립이고, 어두운 영역이 SiC 입자이다. 두 시편 모두 Al₂O₃ 기지상 내에 SiC가 비교적 균일하게 분산되어 있음을 확 인할 수 있었다. 또한, SiC의 첨가량 증가에 의해 Al₂O₃의 연결성이 낮아져 입자성장이 더 억제되는 경향이 나타나 고 있음을 알 수 있다. Al₂O₃와 SiC 간 고용도가 거의 없 기 때문에 상호 간 입성장을 억제하는 역할을 할 수 있는 데, Parchoviansky 등이 보고한 것과 같이, SiC 첨가량 증 가에 따라 Al₂O₃ 기지상의 결정립이 미세화된다는 결과와 부합하고 있다[16].

Fig. 2.

Polished surfaces of Al₂O₃-SiC ceramic composites (a) SiC 10 vol% (b) SiC 20 vol%.

SiC 함량이 높아져도 소결성에 문제가 없음을 확인 후, 소결조건을 1700°C 3시간으로 고정하고 SiC 첨가량을 10, 15, 17.5, 20, 30 vol% 로 조절하여 소결한 복합세라믹 시 편에 대한 소결밀도, 굽힘강도, 비저항에 대한 측정결과를 표 1에 나타내었다.

Table 1

Characteristics of sintered Al₂O₃-SiC ceramic composites with various SiC amount.

SiC content (vol%)	10%	15%	17.5%	20%	30%
Relative density (%)	99.72	99.12	98.73	96.43	90.97
Flexural strength (MPa)	623	645	619	458	376
Resistivity (Ω·cm)	>1013	4.90 × 108	1.32 × 107	0.75 × 107	1.25 × 107

위 표에서 나타나듯이 1700°C에서 소결한 결과 17.5 vol% SiC 첨가까지는 98.7% 이상의 상대밀도 값을 나타 내며 충분한 치밀화를 얻었으나, 20 vol%, 30 vol%의 경 우 치밀화가 완전히 이루어지지 않았다. 그로 인해 17.5 vol% 까지는 600 MPa 를 초과하는 높은 강도값을 얻을 수 있었던 반면, 20 vol% 초과시 강도가 점점 떨어지는 것 을 확인하였다. 이는 잔류한 기공이 결정적인 결함으로 작 용하여 강도를 저하시킨 것으로 판단된다. 그림 3에 서로 다른 SiC 함량을 가진 시편의 파단면을 나타내었다. (a)는 상대밀도가 높은 SiC 17.5 vol% 시편이고, (b)는 상대밀도 가 다소 낮은 SiC 30 vol% 시편이다. 그림에서 나타나듯 (a)는 파단면에 기공이 거의 없이 치밀한 구조를 나타내고 있는 반면, (b)는 기공이 균일하게 다수 관찰되고 있음을 알 수 있다.

Fig. 3.

Fracture surfaces of Al₂O₃-SiC sintered at 1700°C (a) SiC 17.5 vol% (b) SiC 30 vol%.

전기저항의 경우 10 vol% SiC를 첨가한 경우 10¹³ Ω·cm을 초과하는 값을 나타내어 여전히 절연체의 특성이 유지되었던 반면, 15 vol% 이상 SiC 첨가 시 전기저항이 10⁵ Ω·cm이상 큰 폭으로 감소하는 것을 확인할 수 있었다. 이는 SiC에 의한 percolation 이 일어나는 첨가 범위가 10~15 vol% 사이에 있다는 것을 의미한다. 15vol% 첨가 시 10⁸ Ω·cm 영역대의 저항을 나타내고 17.5 vol% 첨가 시 10⁷ Ω·cm 영역대로 저항이 떨어지며, 30 vol%을 첨가 해도 더 이상 저항값이 감소하지 않는 것으로 분석되었는 데, 이 역시 기공의 양이 증가하면서 SiC 입자 간 연결성 이 떨어지면서 저항값이 20 vol%에 비해 다소 증가한 것 으로 판단된다. 본 결과는 Sawaguchi 등이 보고한 기존 문 헌의 결과와 거의 동일한 경향을 나타낸 것이다[15].

위 결과를 바탕으로 소결성/전기저항/강도를 모두 만족 시킬 수 있는 최적 SiC 함량은 17.5 vol% 로 사료된다. 따 라서, Al₂O₃-17.5 vol% SiC 복합재료의 미세구조를 보다 상세하게 분석하고자 하였다. 그림 4는 복합세라믹 시편 의 파단면을 나타내고 있는데, 전반적인 파괴양상을 보면 거의 입내 파괴가 일어난 것으로 보인다. 이는 Wang 등이 보고한 것과 일치하는 결과로, 단상체 Al₂O₃에서는 입계 파괴가 일어나서 350 MPa 미만의 강도가 나타나는 반면 SiC를 소결할 때는 소결조제의 첨가에 의해 결정립계가 강화되므로 입내파괴로 전환되어 전체적인 굽힘강도가 증 가한다고 보고한 바 있다[13]. 따라서, 본 실험에서 제조된 Al₂O₃-SiC 복합세라믹 소재의 입내파괴 양상은 소결조제 첨가에 의한 계면강화에 의한 것이며 이로 인해 600 MPa 이상의 높은 굽힘강도가 나타난 것으로 판단된다. 파단면 으로부터 확인되는 평균 결정립 크기는 1 μm 내외로 170°C의 높은 소결온도에도 불구하고 입성장이 억제된 것 으로 판단되는데, Al₂O₃와 SiC 간에는 상호 고용량이 거의 없기 때문에 Grain pinning 현상이 나타난 것으로 보이며, SiC가 15 vol% 이상 첨가된 경우 Al₂O₃ 입성장이 1 μm 내 외로 보고되는 기존의 문헌과 일치하는 결과이다[17].

Fig. 4.

Fracture surfaces of Al₂O₃-17.5 vol% SiC sintered at 1700°C (a) low magnification (X2000) (b) high magnification (X10000).

SiC와 Al₂O₃ 상호간에 반응이 있었는지를 확인하기 위 해 10000배로 확대한 사진에 대해 EDX mapping을 실시 한 것을 그림 5에 나타내었다. 아래 그림과 같이 Al 원소 는 전체적으로 고르게 분포하고 있는 반면 Si 원소는 1 μm 내외 크기로 한정되어 분포하고 있는 것을 알 수 있 다. 이를 통해 알 수 있는 것은 SiC 내부에는 Al 원소가 일부 doping 되었으나 Al₂O₃ 에는 Si 원소가 들어가지 못 했다는 것이다. SiC는 반도체로 n-type, p-type dopant가 고온에서 내부로 고용될 수 있는 것으로 알려져 있다. Al 은 3+ 가를 가지는 대표적인 p-type dopant이기 때문에 1700°C의 높은 소결온도에 의해 SiC에 doping이 되었을 가능성이 있다[23]. Si₃N₄-SiC 복합재료의 경우 SiC 함량 을 아무리 높여도 10⁸ Ω·cm 수준의 저항값 이하로는 내 려가지 않는 것으로 보고된 기존 결과를 감안할 때[24], Al₂O₃-SiC 복합재의 경우에 10⁷ Ω·cm 수준으로 저항이 나 타나는 것은 Al 원소가 SiC에 dopant로 작용하여 첨가상인 SiC 자체의 전기저항을 더 낮춰주기 때문으로 판단된다.

Fig. 5.

EDX mapping on the polished surfaces of Al₂O₃-17.5 vol%SiC (a) polished surface (without etching) (b) Al mapping (c) Si mapping.

내플라즈마성 평가를 위해 10, 17.5, 20, 30 vol% 함유 된 시편과 Si, Sapphire 단결정 wafer 와 동시에 플라즈마 식각한 결과를 표 2에 나타내었다. Al₂O₃-SiC 복합소결체 는 Si 단결정 대비해서는 SiC 첨가량에 따라 4~9배 수준 의 내플라즈마 특성 향상을 나타내었으며, sapphire 단결 정에 비해서는 내플라즈마성이 다소 떨어지는 결과를 나 타내었다. 이는 알려진 바와 같이 SiC 의 불화물 플라즈 마에 대한 저항성이 Si에 비해서는 우수한 반면 Al₂O₃에 비해서는 상대적으로 약하기 때문으로 판단된다[25].

Table 2

Etch rate of Si, sapphire, Al₂O₃-SiC samples after exposure of plasma (350W, CF₄+O₂+Ar)

Specimen	Si	Sapphire	10 vol% SiC	17.5 vol% SiC	20 vol% SiC	30 vol% SiC
Etch rate (g/min)	1.09 × 10-5	1.02 × 10-6	1.28 × 10-6	2.06 × 10-6	2.25 × 10-6	2.63 × 10-6

그림 6에는 SiC 첨가량에 따른 Al₂O₃-SiC 복합세라믹 소 재의 플라즈마 식각율과 전기저항값을 함께 나타내었다. 플라즈마 식각율에 대한 추세선을 함께 표시한 결과 첨가 량이 증가함에 따라 선형적으로 식각율이 높아지는 것을 명확히 확인할 수 있다(R²=0.9466 으로 충분한 상관관계 가 있음). 그와 동시에 전기저항은 17.5 vol% 에서 대전방 지 목적에 부합하는 10⁷ Ω·cm영역에 도달한 뒤 추가적인 SiC 첨가에도 거의 동등한 수준의 전기저항을 유지하는 것을 알 수 있다. 본 결과는 내플라즈마성과 대전방지의 두 가지 목적을 동시에 만족하기 위해서는 SiC 첨가량을 최적화하는 것이 필요하다는 것을 의미한다.

Fig. 6.

Correlation of plasma etch rate and electric resistivity as a function of SiC amount.

끝으로 대전방지 소재가 사용되는 부품들은 Si 웨이퍼 와 자주 접촉하는 로봇팔 등에 사용되는 것을 감안하여 플라즈마 환경에 노출된 후의 내구성을 판단하기 위해 내 마모성 테스트를 실시하였다. 마모량 계산은 KS L 1606 에 명시되어 있는 다음의 식으로 할 수 있다.

(1)

V = 2π × r × w × d

여기서 V=마모부피, r=마모흔의 반지름, w=마모흔의 너비, d=마모흔의 깊이이며,

(2)

Wear rate(마모율) = V/(P × s)

여기서 P=마모를 위해 인가한 중량, s=총 마모거리 이다.

그림 7에 내마모 테스트가 끝난 복합세라믹 시편의 표면 단차를 Optical profiler 로 측정한 결과를 나타내었다. 그림 7(a)에서 볼 수 있듯이 마모흔이 뚜렷이 나타났으며, (b)에 서 나타낸 것처럼 마모흔의 너비와 깊이를 측정하고 상기 식에 의해 마모율을 계산하였다. 최종적으로 산출된 Al₂O₃-SiC 복합소재의 마모도를 아래 표 3에 나타내었다. Al₂O₃-SiC 복합세라믹 소결체의 경우 Al₂O₃ 대비 74.9%, sapphire 대비 73.1%의 내마모도를 나타내어 높은 내마모 개선효과를 나타내었다. 이는 첨가상인 SiC의 경도가 통상 적으로 Al₂O₃보다 높기 때문으로 사료되며, 취성 물질의 마모량을 예측하는 Evans-Marshall 식에서 경도가 높을수 록 마모량이 줄어드는 경향성과 부합하는 결과이다[26].

Fig. 7.

Optical measurement of Al₂O₃-17.5 vol% SiC after wear test (a) 3D image of wear track (b) surface profile of wear track.

Table 3

Calculation of wear rate after wear test of Al₂O₃- 17.5vol% SiC sample, Al₂O₃ and sapphire

	Width (μm)	Depth (μm)	Wear volume (mm3)	Wear rate (mm3/N·m)
Al2O3-17.5 vol% SiC	465.63	5.407	2.373 × 10-3	2.421 × 10-6
Al2O3	364.86	9.209	3.167 × 10-3	3.231 × 10-6
Sapphire	245.22	14.048	3.247 × 10-3	3.313 × 10-6

요약 및 결론

Al₂O₃-SiC 복합세라믹 소결체의 반도체 장비의 부품으 로의 적용가능성을 확인하기 위해 상압소결공정을 개발하 였으며, SiC 첨가량의 조절에 따른 소결거동, 굽힘강도, 전기저항, 내플라즈마성 등을 확인하고 최적 SiC 첨가량 을 도출하였다.

• (1) Al₂O₃-SiC 복합세라믹의 가소결체에 Mg, Y 의 질산 염 수용액을 진공함침함으로써 상압에서 소결특성을 대폭 개선하였으며, 이는 기존에 보고된 문헌에 비해 우수한 소 결특성을 나타낸 것이다. 염 형태의 소결조제를 사용함으 로써 균질하게 분포된 양이온 소결조제가 소결성을 향상 시킨 것으로 사료된다.

• (2) 제반 특성의 평가를 통해 복합세라믹의 SiC 최적첨 가량을 17.5 vol%로 도출하였다. 그 이상 SiC를 첨가하면 치밀화가 완전히 이루어지지 않아 굽힘강도가 저하되고 내플라즈마성 또한 열화되며, 너무 적은 양을 첨가하면 대 전방지 특성에 핵심인자인 전기저항이 낮아지지 않아 그 역할을 할 수 없을 것으로 판단된다.

• (3) 3) 다양한 제반 특성과 내마모성까지 종합적으로 평가 한 결과, Al₂O₃-SiC 복합세라믹 소결체는 기존에 반도체 장치의 내부 부품으로 사용되는 Si, Al₂O₃ 소재를 대체할 수 있는 후보소재로써 잠재성이 충분히 있는 것으로 판단 된다.

Acknowledgements

감사의 글

본 논문은 산업통상자원부의 전략적핵심소재개발사업(과 제번호:10053585, 과제명: 3D-1xnm급 반도체 공정용 내플 라즈마성 10¹⁶,10¹⁰,10³ ohm-cm급 세라믹 복합소재 및 온도 제어 기능성 부품 개발)의 지원으로 수행되었으며 이에 감 사드립니다.

• 1. D.M. Kim,, S.Y. Yoon,, K.B. Kim,, H.S. Kim,, Y.S. Oh,, and S.M. Lee:: J. Kor. Ceram. Soc.., 45 (2008) 707.
• 2. K.B. Kim,, D.M. Kim,, J.K. Lee,, Y.S. Oh,, H.T. Kim,, H.S. Kim,, and S.M. Lee:: J. Korean Ceram. Soc.., 46 (2009) 456.
• 3. H.K. Lee,, K.S. Cho,, and M.Y. Kim:: J. Korean. Ceram. Soc.., 46 (2009) 385.
• 4. D.M. Kim,, S.M. Lee,, S.W. Kim,, H.T. Kim,, and Y.S. Oh:: J. Korean. Ceram. Soc.., 45 (2008) 405.
• 5. M. Mitomo,, Y. Sato,, I. Yashima,, and M. Tsutsumi:: J. Mater. Sci. Lett.., 10 (1990) 83.
• 6. J. Iwasawa,, R. Nishimizu,, M. Tokita,, and M. Kiyohara:: J. Am. Ceram. Soc.., 90 (2007) 2327.
• 7. J.H. Jeong,, and D.S. Woo:: J. Korea Acad. Industr. Coop. Soc.., 19 (2018) 603.
• 8. O.H. Kwon,, C. Coureau,, R.A. Gorski,, and M.A. Simpson:, USA, US 8516857. (2013)
• 9. C.C. Anya:: J. Mater. Sci.., 34 (1999) 5557.
• 10. Y.K. Jeong,, A. Nakahira,, and K. Niihara:: J. Am. Ceram. Soc.., 82 (1999) 3609.
• 11. C.C. Anya,, and S.G. Roberts:: J. Eur. Ceram. Soc.., 17 (1997) 565.
• 12. S. Gustafsson,, L.K.L. Falk,, E. Liden,, and E. Carlstrom:: Ceram. Int.., 34 (2008) 1609.
• 13. H.Z. Wang,, L. Gao,, and L.K. Guo:: Ceram. Int.., 26 (2000) 391.
• 14. H. Reveron,, O. Zaafrani,, and G. Fantozzi:: J. Eur. Ceram. Soc.., 30 (2010) 1351.
• 15. A. Sawaguchi,, K. Toda,, and K. Niihara:: J. Ceram. Soc. Jpn.., 99 (1991) 523.
• 16. M. Parchoviansky,, D. Galusek,, P. Svancarek,, J. Sedlacek,, and P. Sajgalik:: Ceram. Int.., 40 (2014) 14421.
• 17. J. Sedlacek,, D. Galusek,, R. Riedel,, and M.J. Hoffmann:: Mater. Lett.., 65 (2011) 2462.
• 18. A. Borrell,, I. Alvarez,, R. Torrecillas,, V.G. Rocha,, and A. Fernandez:: Mater. Sci. Eng. A., 534 (2012) 693.
• 19. C.E. Borsa,, H.S. Ferreira,, and R.H.G.A. Kiminami:: J. Eur. Ceram. Soc.., 19 (1999) 615.
• 20. S. Rasouli,, and E. Taheri-Nassaj:: Ceram. Int.., 39 (2013) 3931.
• 21. J.Y. Kim,, T. Iseki,, and T. Yano:: J. Ceram. Soc. Jpn.., 105 (1997) 837.
• 22. N. Hidaka,, and Y. Hirata:, Colloidal ceramic processing of Nano-,micro-, and macro-particulate systems, Wiley & Sons, Inc., (2012) 101.
• 23. V. Heera,, D. Panknin,, and W. Skorupa:: Appl. Surf. Sci.., 184 (2001) 307.
• 24. A. Sawaguch,, K. Toda,, and K. Niihara:: J. Am. Ceram. Soc.., 74 (1991) 1142.
• 25. M.R. Jang,, Y.K. Paek,, and S.M. Lee:: J. Kor. Ceram. Soc.., 49 (2012) 328.
• 26. C.P. Dogan,, and J.A. Hawk:: Wear., 250 (2001) 256.Article

Figure & Data

References

Citations

Citations to this article as recorded by