[논문]Y2O3-카본 복합체의 전기전도성에 미치는 소결온도의 영향

최관영; 오윤석; 김성원; 김형순; 박종훈; 이성민

doi:10.4191/kcers.2012.49.2.173

Y2O3-카본 복합체의 전기전도성에 미치는 소결온도의 영향
Effects of Sintering Temperature on the Electrical Conductivities of the Y2O3-Carbon Composites 원문보기

한국세라믹학회지 = Journal of the Korean Ceramic Society, v.49 no.2, 2012년, pp.173 - 178

최관영 (인하대학교 신소재공학부) , 오윤석 (한국세라믹기술원 이천분원 엔지니어링세라믹센터) , 김성원 (한국세라믹기술원 이천분원 엔지니어링세라믹센터) , 김형순 (인하대학교 신소재공학부) , 박종훈 ((주)코미코) , 이성민 (한국세라믹기술원 이천분원 엔지니어링세라믹센터)

Abstract ▼ AI-Helper

The $Y_2O_3$ ceramics have been widely used as plasma resistant materials in the semiconductor industry. In this study, composites made of plasma resistant $Y_2O_3$ and electrically conductive carbon have been produced. The electrical properties of this composite were measured with respect to the size, volume fraction of the conductive carbon phase, and sintering temperature. When micro-sized carbon was used, the composites were insulating up to 5 wt% addition of the carbon. However, when nano-sized carbon of around 60 ~100 nm was used, the composites became conductive over threshold volume fraction of carbon, which increased with increasing sintering temperature. This behavior of electrical conductivity of the composites was discussed in terms of the percolation theory. The percolation threshold of the conductivity seemed to be affected by the grain growth and coalescences of dispersed conductive carbon phases with grain growth of matrix $Y_2O_3$.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

대부분의 식각공정용 가스도 카본을 포함하고 있으며 카본자체를 장비용 소재로 사용하기도 한다. 본 연구에서는 크기가 서로 다른 두 종류의 카본을 사용하였고 카본의 함량과 소결온도의 변화에 따라 밀도와 전기 전도도의 변화를 고찰하였다. 특히 소결온도의 변화에 따른 percolation 임계카본량의 변화를 percolation 이론과 분산상의 변화에 초점을 두고 이해하고자 하였다.
본 연구에서는 크기가 서로 다른 두 종류의 카본을 사용하였고 카본의 함량과 소결온도의 변화에 따라 밀도와 전기 전도도의 변화를 고찰하였다. 특히 소결온도의 변화에 따른 percolation 임계카본량의 변화를 percolation 이론과 분산상의 변화에 초점을 두고 이해하고자 하였다.

가설 설정

^11-14) 두 상의 크기가 동일한 경우 전도성을 가지는 분산상의 임계 부피 분율은 약 30 vol%이고 분산상의 입자크기가 모상의 입자크기대비 1/6 일때 임계 부피 분율은 감소하여 약 13%에 불과하게 된다.¹³⁾즉 분산상의 크기가 작을수록 적은 양으로도 복합체는 전기 전도성을 가지게 된다. 그러나 임계 부피 분율은 모상과 분산상의 크기 비에만 의존하며 모상의 크기 자체에는 의존하지 않는 것으로 알려져 있다.
복합체의 입자성장에 대한 연구에 따르면 저소결상의 양이 증가할수록 모상의 입자성장이 억제되며 동시에 모상의 입자성장은 분산상의 입자합체 (coalescence) 도 유발하게 된다.^15,16) 분산상이 모상의 입계면에 무작위로 분산되어 있다면 분산상의 입자크기가 모상의 입자크기에 비례하여 증가하는 것으로 흔히 가정된다.¹⁷⁾ 이럴 경우 percolation 이론의 관점에서 보면 전도성 분산상의 임계 부피분율은 입자성장과는 무관하여야 한다.

제안 방법

1에 나타내었다. 0.2~5.0 wt%의 카본과 Y₂O₃ 분말을 무수에탄올을 용매로 Al₂O₃ 볼을 사용하여 20시간 동안 밀링하였다. 혼합이 완료된 슬러리를 교반하여 일차 건조 후 80℃ 오븐에서 12 시간 추가 건조하고 유발을 이용하여 분쇄한 뒤 체가름 하여 분말 원료를 준비하였다.
고저항 시험편의 경우 전극에 100 V 전압을 인가하여 전류를 측정하였고 저저항의 시험편의 경우 일반적인 멀티메터를 사용하여 전기전도도를 측정하였다. 결정상을 분석하기 위하여 고출력 X-선 회절기 (D/max-2500, Rigaku, Japan) 를 이용하여 분쇄한 시험편분말의 회절패턴을 얻었다. 미세구조 분석을 위하여 소결이 끝난 시험편을 1 µm 다이아몬드 페이스트를 사용하여 경면 연마하였으며 표면을 아세톤으로 세척하였다.
디스크형태로 연마된 시험편의 양면에 백금을 스퍼터링하여 전극을 형성한 후 시험편의 전기전도도를 측정하였다. 고저항 시험편의 경우 전극에 100 V 전압을 인가하여 전류를 측정하였고 저저항의 시험편의 경우 일반적인 멀티메터를 사용하여 전기전도도를 측정하였다. 결정상을 분석하기 위하여 고출력 X-선 회절기 (D/max-2500, Rigaku, Japan) 를 이용하여 분쇄한 시험편분말의 회절패턴을 얻었다.
내플라즈마성이 우수한 이트리아에 전도성을 가진 분산상으로 카본을 사용하여 전기전도성과 내플라즈마성을 동시에 가지는 복합체를 개발하였다. 전기 전도성을 발현하는데 필요한 카본의 임계분율은 카본의 크기와 소결온도에 의존하였고, 특히 크기가 상대적으로 작은 나노카본과 낮은 소결온도가 전기전도성 복합체를 만드는데 효과적이었다.
디스크형태로 연마된 시험편의 양면에 백금을 스퍼터링하여 전극을 형성한 후 시험편의 전기전도도를 측정하였다. 고저항 시험편의 경우 전극에 100 V 전압을 인가하여 전류를 측정하였고 저저항의 시험편의 경우 일반적인 멀티메터를 사용하여 전기전도도를 측정하였다.
미세구조상의 카본과 Y₂O₃를 구분하기위해 전자현미경 (JSM-6071F, Jeol, Japan) 을 이용하여 반사전자이미지 (back-scattered electron image)를 관찰하였다. 또한 시편을 focused ion beam (Helios 600, FEI Co., USA) 을 사용하여 얇게 만든 후 투과전자 현미경 (Tecnai F30, FEI, Netherlands) 으로 미세구조를 관찰하였다. 카본의 첨가에 따른 모상입자크기의 변화를 확인하기 위하여 소결체를 1 µm 다이아몬드 페이스트를 사용하여 경면 연마한 후 소결온도보다 100^oC 낮은 온도의 대기로에서 30분간 열에칭을 하였다.
미세구조 분석을 위하여 소결이 끝난 시험편을 1 µm 다이아몬드 페이스트를 사용하여 경면 연마하였으며 표면을 아세톤으로 세척하였다.
미세구조 분석을 위하여 소결이 끝난 시험편을 1 µm 다이아몬드 페이스트를 사용하여 경면 연마하였으며 표면을 아세톤으로 세척하였다. 미세구조상의 카본과 Y₂O₃를 구분하기위해 전자현미경 (JSM-6071F, Jeol, Japan) 을 이용하여 반사전자이미지 (back-scattered electron image)를 관찰하였다. 또한 시편을 focused ion beam (Helios 600, FEI Co.
혼합이 완료된 슬러리를 교반하여 일차 건조 후 80℃ 오븐에서 12 시간 추가 건조하고 유발을 이용하여 분쇄한 뒤 체가름 하여 분말 원료를 준비하였다. 준비된 분말을 각각 1400℃, 1600℃,1700℃에서 1시간 동안 20 MPa 의 압력으로 가압소결을 하거나 1400℃에서 스파크 플라즈마 소결을 하였다. 소결 밀도는 아르키메데스 법을 이용하여 측정하였다.
카본의 첨가에 따른 모상입자크기의 변화를 확인하기 위하여 소결체를 1 µm 다이아몬드 페이스트를 사용하여 경면 연마한 후 소결온도보다 100oC 낮은 온도의 대기로에서 30분간 열에칭을 하였다.

대상 데이터

복합체의 모재로 Y2O3 (0.3 µm, C-grade, H. C. Starck, Germany) 분말을 사용하였다.
본 연구에서는 내플라즈마성이 뛰어나면서도 전기전도성이 있는 복합체를 제조하고자 전도성 분산상으로 카본을 사용하였고 모상으로 내플라즈마성이 높은 Y₂O₃를 선택하였다. Y₂O₃는 절연상이며 카본은 전도상의 역할을 하게 된다.
Starck, Germany) 분말을 사용하였다. 전도성 물질로는 마이크로 카본 (8.5 g/m², Seunglim Carbon Co, Korea) 과 나노 카본 (35.4 g/m², N774, Orion Evonic Co., USA) 두 종류의 카본을 사용하였고 그 형상을 Fig. 1에 나타내었다. 0.

이론/모형

준비된 분말을 각각 1400℃, 1600℃,1700℃에서 1시간 동안 20 MPa 의 압력으로 가압소결을 하거나 1400℃에서 스파크 플라즈마 소결을 하였다. 소결 밀도는 아르키메데스 법을 이용하여 측정하였다.

성능/효과

형태적으로 보면 응집된 카본 보다는 판상의 매우 얇은 카본이 복합체의 전기전도에 더욱 영향을 준 것으로 추정할 수 있다. 따라서 본 연구에서와 같이 나노 카본의 함량을 첨가한 경우 0.6 wt% 이상에서 복합체의 전기전도성이 가능하다고 할 수 있다. 한편 YC₂ 혹은 Y₂OC 등의 흔적을 관찰하기 어려웠다.
¹⁷⁾ 이럴 경우 percolation 이론의 관점에서 보면 전도성 분산상의 임계 부피분율은 입자성장과는 무관하여야 한다. 따라서 소결온도의 증가에 따른 임계 부피분율의 증가는 분산상의 입자합체가 모상의 입자성장보다 활발히 일어났다는 의미를 가질 수 있다. 이와는 다른 해석으로 분산상의 입자형태가 입자합체중에 변화하였다고도 볼 수 있다.
본 연구 결과에서 소결온도가 1700^oC 이상으로 증가하면 전도성 확보에 필요한 전도성 분산상의 임계 부피분율이 증가하고, 소결온도가 1400^oC 낮아지면 치밀화에 어려움이 있게 된다. 따라서 전도성 내플라즈마 소재를 제조하는 데는 나노카본을 1 wt% 이내로 첨가하면서 1600^oC 이하에서 소결하는 것이 치밀화와 전기전도성을 동시에 달성하는데 최적의 조건임을 확인할 수 있었다.
그러나 카본과 같은 전도성 소재와 복합화하여 전도성을 부여한 내플라즈마성이 뛰어난 복합체를 만든다면 전도상의 양을 가능한 줄이고 높은 밀도를 달성하는 것이 바람직하다고 볼 수 있다. 본 연구 결과에서 소결온도가 1700^oC 이상으로 증가하면 전도성 확보에 필요한 전도성 분산상의 임계 부피분율이 증가하고, 소결온도가 1400^oC 낮아지면 치밀화에 어려움이 있게 된다. 따라서 전도성 내플라즈마 소재를 제조하는 데는 나노카본을 1 wt% 이내로 첨가하면서 1600^oC 이하에서 소결하는 것이 치밀화와 전기전도성을 동시에 달성하는데 최적의 조건임을 확인할 수 있었다.
2 wt%의 카본첨가에도 전도성을 나타내었다. 소결온도가 1600℃로 높아지면서 0.6 wt% 이상의 카본량에서 전도성을 나타내었고 1700℃ 소결온도에서는 1.5 wt% 이상의 카본량에서 전도성을 나타내었다. 즉 나노 카본의 경우 소결온도가 증가하면 복합체의 전기 전도성에 필요한 최소한의 카본첨가량 즉 임계 카본량도 증가하였다.
6은 3 wt% 나노 카본을 첨가하고 각각 1600℃, 1700℃에서 소결한 시험편의 반사전자이미지를 보여주고 있다. 실험적인 오차가능성 때문에 정량화가 어려웠지만 소결온도의 증가가 카본상의 크기 증가를 가져온 것이 관찰되며 1600℃에서 소결하였을 때 널리 관찰된 매우 미세한 판상형의 카본 입자들의 상당부분이 사라진 것을 알 수 있다. 즉 소결온도의 증가에 따른 전도성 발현의 임계 부피분율의 증가는 전도상 입자의 입자합체와 관련이 있는 것으로 추정되었다.
내플라즈마성이 우수한 이트리아에 전도성을 가진 분산상으로 카본을 사용하여 전기전도성과 내플라즈마성을 동시에 가지는 복합체를 개발하였다. 전기 전도성을 발현하는데 필요한 카본의 임계분율은 카본의 크기와 소결온도에 의존하였고, 특히 크기가 상대적으로 작은 나노카본과 낮은 소결온도가 전기전도성 복합체를 만드는데 효과적이었다. 복합체는 나노 카본을 사용하고 1600℃에서 소결한 경우 전기전도성을 위한 임계분율이 약 0.
전도성 입자의 모양변화 또한 복합체의 전기전도에 크게 영향을 주는 것이 확인되었다. 1 wt%의 나노 카본을 첨가하여 명목상 1400℃에서 10분간 스파크 플라즈마 소결을 하였다.
실험적인 오차가능성 때문에 정량화가 어려웠지만 소결온도의 증가가 카본상의 크기 증가를 가져온 것이 관찰되며 1600℃에서 소결하였을 때 널리 관찰된 매우 미세한 판상형의 카본 입자들의 상당부분이 사라진 것을 알 수 있다. 즉 소결온도의 증가에 따른 전도성 발현의 임계 부피분율의 증가는 전도상 입자의 입자합체와 관련이 있는 것으로 추정되었다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	반도체 공정에서 전극의 역할은?	반도체 공정에 사용되는 부품 중 전극, 포커스링 등은 내플라즈마성 이외에도 전기 전도성을 필요로 한다. 전극의 경우 플라즈마를 유지하는데 필요한 전력을 공급하는 역할을 하며 포커스링의 경우 웨이퍼위에서 플라즈마의 균일도를 확보하는 역할을 수행한다. 지금까지 Si이 주요 소재로 적용되었으나 불소계 환경에서의 낮은 내플라즈마성이 문제가 되어 최근에는 보다 내플라즈마성이 높은 SiC 소재가 점차로 보급되고 있는 중이다.
	전기전도 성이 있는 복합체를 제조할 때 전도성 분산상으로 카본을 선택한 이유는?	Y2O3는 절연상이며 카본은 전도상의 역할을 하게 된다. 전기 전도성을 띄는 다양한 소재 중에서 카본을 선택한 이유는 카본이 반도체에서 흔히 허용되는 소재이기 때문이다. 대부분의 식각공정용 가스도 카본을 포함하고 있으며 카본자체를 장비용 소재로 사용하기도 한다.
	세라믹소재가 불소계 혹은 염소계 플라즈마에 노출될 때 발생하는 문제는?	1-3) 예를 들어 Al2O3, Y2O3 등은 내플라즈마성이 요구되는 챔버내벽 등의 소재로 널리 사용되며 Si, SiC 등은 전도성이 요구되는 전극, 포커스링 등에 사용되고 있다. 이러한 세라믹소재는 불소계 혹은 염소계 플라즈마에 노출되는데 플라즈마는 세라믹소재와의 화학적, 물리적 반응을 통하여 소재의 식각을 유발한다.4-6) 내플라즈마성이 우수한 소재로는 대표적으로 Al2O3를 들 수 있으며 최근에는 보다 내플라즈마성이 뛰어난 Y2O3가 점차로 널리 보급되고 있는 상황이다.

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저자의 다른 논문 :

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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