[논문]열처리온도 및 시간에 따른 알루미늄 주조재의 고상확산 접합 특성

선주현; 신승용; 홍주화

문제 정의

알루미늄 합금의 접합 시 접합부에 취약한 금속간 화합물 및 알루미늄 산화물이 존재할 때 접합부의 강도가 저하되고 경도가 증가한다. 따라서 본 연구에서는 접합부 강도 및 경도측정을 통해 열처리 온도 및 시간에 따른 기계적 특성을 평가하였다.
본 연구에서는 반도체 공정에 사용되는 주물형 알루미늄 히터의 열전도율 및 온도 균일도를 개선하기 위하여 열처리 온도 및 시간에 따른 알루미늄 주물재인 Al AC4C 합금과 전신재인 Al 6061 합금의 고상확산 접합특성을 연구하여 다음과 같은 결론을 얻었다.
그러나 주물형 히터의 경우 주조 시 유동성을 높이기 위해 첨가된 다량의 금속원소 및 주조결함으로 인해 열전도율 및 온도균일도가 떨어지는 단점이 있어 주물형 히터의 열전도율 개선을 위한 연구개발 노력이 필요하다. 본 연구에서는 열전도율이 높은 알루미늄 전신재를 웨이퍼가 지지되는 주물히터 상부에 접합함으로써 금속히터의 열전도율 및 온도 균일도를 높이기 위한 방법을 시도하였다.
본 연구에서는 열처리 온도 및 시간에 따른 Al AC4C 합금과 Al 6061합금의 고상확산 접합특성에 대하여 평가하였다. 알루미늄 주물재의 융점(555℃) 이하에서 용가재를 삽입하지 않고 고상확산 접합실험을 실시한 결과 전 조건에서 모재의 침식은 없는 것으로 확인되었다.
본 연구에서는 주물형 알루미늄 히터의 열전도율 개선을 위해 알루미늄 주물재인 AC4C 합금과 열전도율이 높은 Al 6061 합금의 고상확산 접합 시 접합온도 및 시간에 따른 접합부 특성을 평가하였다.
2 W/m·K이었다. 본 연구의 목적은 알루미늄 주물재와 전신재의 접합을 통하여 알루미늄 주물히터의 열전도율 향상시키는 것이다. 따라서 접합시편의 열전도율을 측정하여 Al 6061합금의 열전도율과 비교함으로써 열적 특성을 확인하였다.

제안 방법

고상확산 접합한 알루미늄 히터의 온도 균일성을 측정하기 위하여 직경 300 mm의 알루미늄 주물히터를 제작한 후 상부에 Al 6061 합금을 고상확산 접합하였다. 주물형 히터 및 고상확산 접합된 각각의 히터를 이용하여 400℃의 온도로 가열시킨 후, 웨이퍼의 각 위치별 온도를 측정하여 온도편차를 구하였으며 Fig.
고상확산접합을 위하여 분당 5℃의 속도로 승온시킨 후 500, 520 및 540℃의 온도에서 접합한 후로냉시켰다. 접합시간은 각각의 온도에서 2시간 및 5시간 유지시켰으며 접합압력은 5 MPa로 고정하였다.
알루미늄 접합시 접합모재 표면에 존재하는 알루미늄 산화물은 접합공정 중에 알루미늄 모재금속과의 열팽창계수의 차이에 의해 물리적으로 분해되기 시작하며 점차 모재속으로 확산하여 가는 것으로 알려져 있다[4, 6]. 따라서 미소경도기(MHV-2000)를 사용하여 접합부 경도를 측정함으로써 접합부의 산화물의 존재 여부를 확인하였다.
본 연구의 목적은 알루미늄 주물재와 전신재의 접합을 통하여 알루미늄 주물히터의 열전도율 향상시키는 것이다. 따라서 접합시편의 열전도율을 측정하여 Al 6061합금의 열전도율과 비교함으로써 열적 특성을 확인하였다.
)을 이용하였다. 또한 X-ray 회절분석기(XRD, D8 discover, Bruker)를 이용하여 접합부의 산화물 및 생성 상을 조사하였다.
본 연구에서는 직경 300 mm의 주물형 알루미늄 히터를 제작 한 후 상부에 Al 6061 합금을 고상확산 접합하여 히터의 온도균일성을 측정하였다. 온도측정은 제조된 히터 상부에 직경 200 mm의 웨이퍼를 거치시킨 후 10개의 열전대를 이용하여 웨이퍼의 표면온도를 측정하였으며 400℃의 온도로 가열시킨 후, 웨이퍼의 각 위치별 온도를 측정하여 온도편차를 구하였다.
열전도율 증가의 원인을 분석하기 위하여 저배율 현미경을 이용하여 접합면을 관찰하였다(Fig. 8). 열처리온도가 500℃인 경우 알루미늄 주물재인 AC4C측에 1 mm 이하의 기공이 확인되었으나, 접합온도가 540℃로 증가함에 따라 주물재 내부의 기공은 현저히 감소함을 확인할 수 있다.
본 연구에서는 직경 300 mm의 주물형 알루미늄 히터를 제작 한 후 상부에 Al 6061 합금을 고상확산 접합하여 히터의 온도균일성을 측정하였다. 온도측정은 제조된 히터 상부에 직경 200 mm의 웨이퍼를 거치시킨 후 10개의 열전대를 이용하여 웨이퍼의 표면온도를 측정하였으며 400℃의 온도로 가열시킨 후, 웨이퍼의 각 위치별 온도를 측정하여 온도편차를 구하였다.
이때 대류에 의해 방출되는 열량을 최소화하기 위하여 5.0 × 10−5 torr의 진공분위기 하에서 측정하였고, 열전대로 빠져 나가는 열을 차단하기 위해 직경 75 µm의 얇은 열전대를 사용하였다.
1과 같이 접합부를 중심으로 인장시험편을 제조하였다. 인장시험은 만능재료시험기(MTS 810 series)를 이용하였으며 3 mm/min의 변형 속도로 측정하였다. 알루미늄 접합시 접합모재 표면에 존재하는 알루미늄 산화물은 접합공정 중에 알루미늄 모재금속과의 열팽창계수의 차이에 의해 물리적으로 분해되기 시작하며 점차 모재속으로 확산하여 가는 것으로 알려져 있다[4, 6].
고상확산접합을 위하여 분당 5℃의 속도로 승온시킨 후 500, 520 및 540℃의 온도에서 접합한 후로냉시켰다. 접합시간은 각각의 온도에서 2시간 및 5시간 유지시켰으며 접합압력은 5 MPa로 고정하였다. 접합장비는 100 Tonf의 최대압력을 갖는 고진공 핫프레스를 이용하였으며 접합 시 5 × 10⁻⁶ Torr의 고진공 분위기를 유지하였다.
접합장비는 100 Tonf의 최대압력을 갖는 고진공 핫프레스를 이용하였으며 접합 시 5 × 10−6 Torr의 고진공 분위기를 유지하였다.
고상확산 접합한 알루미늄 히터의 온도 균일성을 측정하기 위하여 직경 300 mm의 알루미늄 주물히터를 제작한 후 상부에 Al 6061 합금을 고상확산 접합하였다. 주물형 히터 및 고상확산 접합된 각각의 히터를 이용하여 400℃의 온도로 가열시킨 후, 웨이퍼의 각 위치별 온도를 측정하여 온도편차를 구하였으며 Fig. 9에 결과를 나타내었다. 주물히터는 397.

대상 데이터

본 연구에서는 Table 1의 화학조성을 갖는 Al AC4C 및 Al 6061합금을 사용하였으며 접합시편의 크기는 실제 알루미늄 히터와 동일한 φ200 mm × t15 mm로 제작하였다.
0 × 10⁻⁵ torr의 진공분위기 하에서 측정하였고, 열전대로 빠져 나가는 열을 차단하기 위해 직경 75 µm의 얇은 열전대를 사용하였다. 열전도도 측정을 위한 시편의 형상은 폭 5 mm, 길이 5 mm, 두께 8 mm로 하였으며 길이방향의 중심부에 접합부가 위치하도록 제작하였다.
열처리 조건에 따른 접합부 미세조직변화를 관찰하기 위하여 광학현미경(PHDT-M, Nikon)을 이용하였으며 시편의 에칭은 Keller 부식액(20 ml distilled water, 20 ml 32 HCl, 20 ml 65% HNO₃, 5 ml 40% HNO₃)을 이용하였다. 또한 X-ray 회절분석기(XRD, D8 discover, Bruker)를 이용하여 접합부의 산화물 및 생성 상을 조사하였다.
접합강도를 측정하기 위하여 Fig. 1과 같이 접합부를 중심으로 인장시험편을 제조하였다. 인장시험은 만능재료시험기(MTS 810 series)를 이용하였으며 3 mm/min의 변형 속도로 측정하였다.

이론/모형

접합재의 열전도율 측정은 Fig. 2의 장치를 이용하여 Al 6061 소재를 표준시료로 이용한 정적비교법(Static comparative method)을 이용하였다. 열전도도는 아래의 식에 의해 열류 q가 동일하다고 가정하여, 측정시료의 온도차에 의해 계산될 수 있다.

성능/효과

1. 열처리 온도 및 시간이 증가함에 따라 접합강도가 증가하였으며 540℃×5시간 및 5 MPa의 조건에서 123 MPa의 강도 및 23%의 연신율을 나타내었다.
2. XRD 분석결과 520℃ 이하 온도에서 접합부에 존재하던 알루미늄 산화물이 540℃에서는 검출되지 않았다.
3. 열처리 온도 및 시간이 증가함에 따라 Al AC4C / Al 6061 접합시편의 열전도율이 증가하였으며, 540℃×5시간 및 5 MPa 조건에서의 열전도율이 모재인 Al 6061의 열전도율 보다 높은 206 W/m·K이었다.
4. 히터의 온도 균일도를 측정한 결과 주물형 히터의 경우 11.1℃의 온도편차를 보였으며 접합형 히터의 경우 4℃의 온도편차를 보였으며, 고상확산 접합을 통한 열전도율 개선에 의해 알루미늄 히터의 온도편차를 줄이는 것이 가능함을 확인하였다.
540℃ × 5시간 열처리 조건에서의 접합부 조직은 Al, Si 및 강화상인 Mg2Si상이 존재하는 것으로 확인되었고 산화물상은 관찰되지 않았다.
8 MPa의 고강도 접합부를 얻을 수 있었다. 그러나 측정된 연신율은 10.3%로 모재의 연신율보다 낮았으며 접합부에서 파단되어 접합부 강도가 모재강도에 비해 낮았다. 따라서 2시간의 열처리시간은 접합부에서 충분한 상호확산이 형성되기에는 짧다는 것을 알 수 있었다.
3%로 모재의 연신율보다 낮았으며 접합부에서 파단되어 접합부 강도가 모재강도에 비해 낮았다. 따라서 2시간의 열처리시간은 접합부에서 충분한 상호확산이 형성되기에는 짧다는 것을 알 수 있었다. 열처리시간이 5시간인 경우, 540℃ 열처리온도에서 122.
9℃의 온도분포를 보여 온도편차는 4℃로 측정되었다. 따라서 본 연구를 통하여 접합형 알루미늄 히터의 온도 균일도가 개선됨을 확인하였다.
따라서 알루미늄 주물재의 고상확산 접합 시 알루미늄 산화물이 미세하게 분해되어 모재 속으로 완전히 확산하기 위해서는 540℃ × 5시간 이상의 조건이 되어야 한다는 것을 확인할 수 있었다.
또한 540℃ 5시간의 열처리조건에서는 206 W/m·K의 열전도율을 보여 Al 6061 모재합금의 열전도도에 비해 약 110%의 열전도율을 얻을 수 있었다.
또한 Fig. 6의 접합부의 경도 측정결과에서 확인할 수 있듯이 열처리온도가 증가하고 열처리시간이 길어질수록 접합부 경도가 감소함을 확인할 수 있었다. 500℃ ×2시간 열처리 조건에서의 경도가 H_B = 63으로 높은 것은 Fig.
본 연구에서 사용된 모재의 열전도율을 측정한 결과 알루미늄 주물재인 Al AC4C합금의 열전도율은 160.5 W/m·K이었으며 Al 6061합금의 열전도율은 176.2 W/m·K이었다.
본 연구에서는 열처리 온도 및 시간에 따른 Al AC4C 합금과 Al 6061합금의 고상확산 접합특성에 대하여 평가하였다. 알루미늄 주물재의 융점(555℃) 이하에서 용가재를 삽입하지 않고 고상확산 접합실험을 실시한 결과 전 조건에서 모재의 침식은 없는 것으로 확인되었다. Fig.
열처리시간이 5시간인 경우, 540℃ 열처리온도에서 122.5 MPa의 인장강도 및 23.2%의 연신율을 보였으며 Al AC4C 모재부위에서 파단이 발생하여 접합부 강도가 모재강도 이상으로 고강도의 접합부를 형성함을 확인하였다.
열처리온도가 500℃인 조건에서는 접합부에 약 100 µm 이하의 기공이 관찰되어 미 접합 부분이 존재하는 것을 확인하였고 열처리온도가 540℃로 증가함에 따라 기공이 없는 건전한 접합부를 형성함을 확인할 수 있었다.

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	메탈히터는 어떤 형태로 되어있는가?	CVD/PVD 등의 반도체 공정 중 반도체 웨이퍼를 지지시키면서 동시에 특정한 온도로 가열시키기 위한 목적으로 사용되는 메탈히터는 금속재질의 기지재 내부에 발열체가 몰딩된 시스히터(Sheath heater)를 내장하는 형태로 되어있다. 이중 알루미늄 히터는 400℃ 이하의 저온 공정에서 사용 되는 반도체 장비용 히터이며 제조방법으로는 주조공정을 이용하는 방법, 용접을 이용하는 방법 및 브레이징을 이용한 방법 등이 있다.
	메탈히터 중 알루미늄 히터의 제조방법에는 무엇이 있는가?	CVD/PVD 등의 반도체 공정 중 반도체 웨이퍼를 지지시키면서 동시에 특정한 온도로 가열시키기 위한 목적으로 사용되는 메탈히터는 금속재질의 기지재 내부에 발열체가 몰딩된 시스히터(Sheath heater)를 내장하는 형태로 되어있다. 이중 알루미늄 히터는 400℃ 이하의 저온 공정에서 사용 되는 반도체 장비용 히터이며 제조방법으로는 주조공정을 이용하는 방법, 용접을 이용하는 방법 및 브레이징을 이용한 방법 등이 있다. 최근 반도체용 금속히터 제조 시 중요한 고려대상으로 제조비용이 큰 비중을 차지하고 있기 때문에 제조공정이 단순한 알루미늄 주조재를 이용한 주물형 히터가 주목받고 있다[1].
	메탈히터는 어떤 목적으로 사용되는가?	CVD/PVD 등의 반도체 공정 중 반도체 웨이퍼를 지지시키면서 동시에 특정한 온도로 가열시키기 위한 목적으로 사용되는 메탈히터는 금속재질의 기지재 내부에 발열체가 몰딩된 시스히터(Sheath heater)를 내장하는 형태로 되어있다. 이중 알루미늄 히터는 400℃ 이하의 저온 공정에서 사용 되는 반도체 장비용 히터이며 제조방법으로는 주조공정을 이용하는 방법, 용접을 이용하는 방법 및 브레이징을 이용한 방법 등이 있다.

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