KR100983952B1

KR100983952B1 - 복합구조물

Info

Publication number: KR100983952B1
Application number: KR1020087008410A
Authority: KR
Inventors: 쥰이치 이와사와; 료이치 니시미즈; 히로노리 하토노; 히로아키 아시자와
Original assignee: 토토 가부시키가이샤
Priority date: 2005-10-12
Filing date: 2006-10-10
Publication date: 2010-09-27
Anticipated expiration: 2026-10-10
Also published as: TW200734485A; US20090233126A1; JP2007131943A; TWI315356B; CN101283118B; US7897268B2; JP5093745B2; WO2007043520A1; CN101283118A; KR20080044335A

Abstract

[과제]

본 발명은 기재표면에 형성된 산화이트륨으로 되는 구조물의 기계적 강도를 향상시킨 복합구조물을 제공하는 것을 과제로 한다.

[해결수단]

본 발명에서는 기재표면에 형성된 산화이트륨으로 되는 구조물은 산화이트륨 다결정체가 주성분이고, 구조물을 구성하는 결정끼리의 계면에는 유리질로 되는 입계층(粒界層)이 실질적으로 존재하지 않으며, 추가로 산화이트륨 다결정체의 결정구조를 입방정계(cubic)와 단사정계(monoclinic)를 혼재시킴으로써, 기재표면에 형성된 산화이트륨으로 되는 구조물의 경도(硬度)를 산화이트륨 소결체의 경도보다도 크게 하는 것을 가능하게 하였다.

Description

복합구조물{Composite structure}

본 발명은 기재표면에 산화이트륨으로 되는 구조물을 형성한 복합구조물에 관한 것이다.

기재표면에 취성(脆性) 재료의 구조물을 가열공정 없이 형성하는 방법으로서, 에어로졸 데포지션법(aerosol deposition method)이라고 불리우는 수법이 인지되어 있다. 이 에어로졸 데포지션법은, 취성 재료 등의 미립자를 가스 중에 분산시킨 에어로졸을 노즐로부터 기재를 향해 분사하여, 금속이나 유리, 세라믹스 등의 기재에 미립자를 충돌시키고, 이 충돌의 충격에 의해 취성 재료 미립자를 변형이나 파쇄를 일으켜 이들을 접합시켜, 기재 상에 미립자의 구성재료로 되는 구조물을 다이렉트로 형성시키는 것을 특징으로 하고 있어, 특히 가열수단을 필요로 하지 않는 상온에서 구조물이 형성 가능하다. 에어로졸 데포지션법에 의해 제작한 제막체(製膜體)는 소결체와 동 정도의 치밀성을 가져, 고밀도 고강도의 제막체를 제공할 수 있다(특허문헌 1).

에어로졸 데포지션법을 사용하여 제작한 산화이트륨으로 되는 구조물에 대해서는, 특허문헌 2~5에 기재되어 있다.

특허문헌 1: 일본국 특허 제3265481호

특허문헌 2: 일본국 특허공개 제2005-158933호 공보

특허문헌 3: 일본국 특허공개 제2005-217349호 공보

특허문헌 4: 일본국 특허공개 제2005-217350호 공보

특허문헌 5: 일본국 특허공개 제2005-217351호 공보

발명의 개시

발명이 해결하고자 하는 과제

본 발명은 기재표면에 형성된 산화이트륨으로 되는 구조물의 기계적 강도를 향상시키는 것을 목적으로 한다.

과제를 해결하기 위한 수단

상기 목적을 달성하기 위해 본 발명에 의하면, 기재표면에 형성된 산화이트륨으로 되는 구조물은 산화이트륨 다결정체가 주성분이고, 구조물을 구성하는 결정끼리의 계면에는 유리질로 되는 입계층(粒界層)이 실질적으로 존재하지 않으며, 추가로 산화이트륨 다결정체의 결정구조를 입방정계(cubic)와 단사정계(monoclinic)를 혼재시킴으로써, 기재표면에 형성된 산화이트륨으로 되는 구조물의 경도(硬度)를 산화이트륨 소결체의 경도보다도 크게 하는 것을 가능하게 하였다.

또한, 본 발명의 바람직한 형태에 의하면, 기재표면에 형성된 산화이트륨으로 되는 복합구조물에 있어서, 복합구조물의 일부가 기재표면에 박히는 앵커부를 형성하여 직접 접합되고 있음으로써, 기재와 구조물의 밀착강도를 크게 하는 것을 가능하게 하였다.

발명의 효과

본 발명에 의하면, 기재표면에 형성된 산화이트륨으로 되는 구조물의 기계적 강도를 향상시킬 수 있다는 효과가 있다.

도면의 간단한 설명

도 1은 본 발명에 의해, (산화알루미늄 미립자):(산화이트륨 미립자)=1:100의 개수비로 혼합한 혼합 분체를 사용하여 제작한 산화이트륨으로 되는 구조물의 X선 회절패턴이다.

도 2는 본 발명의 산화이트륨으로 되는 구조물의 제작에 사용한 원료 분체인 산화이트륨 미립자의 X선 회절패턴이다.

도 3은 산화이트륨 소결체(HIP 처리품)의 X선 회절패턴이다.

도 4는 본 발명의 산화이트륨으로 되는 구조물을 제작하는 장치의 개략도이다.

도 5는 본 발명에 의해, (산화알루미늄 미립자):(산화이트륨 미립자)=1:10의 개수비로 혼합한 혼합 분체를 사용하여 제작한 산화이트륨으로 되는 구조물의 X선 회절패턴이다.

도 6은 본 발명의 산화이트륨 다결정체로 되는 구조물의 단면 TEM 사진이다.

발명을 실시하기 위한 최선의 형태

본 건에서 사용하는 어구의 설명을 이하에 행한다.

(결정구조)

본 발명에 있어서 결정구조란, X선 회절법이나 전자선 회절법으로 측정하고, JCPDS(ASTM) 데이터를 지표로서 동정되는 결정구조를 말한다.

(다결정)

본 발명에 있어서 다결정이란, 결정자(結晶子)가 접합·집적되어 되는 구조체를 말한다. 결정자는 실질적으로 그것 하나로 결정을 구성하고, 그 직경은 통상 5 ㎚ 이상이다. 단, 미립자가 파쇄되지 않고 구조물 중에 삽입되는 등의 경우가 드물게 발생하나, 실질적으로는 다결정이다.

(계면)

본 발명에 있어서 계면이란, 결정자끼리의 경계를 구성하는 영역을 말한다.

(입계층)

본 발명에 있어서 입계층이란, 계면 또는 소결체에서 말하는 입계에 위치하는 두께(통상 수 ㎚~수 ㎛)를 가진 층을 말하고, 통상 결정립 내의 결정구조와는 상이한 어모퍼스(amorphous) 구조를 취하며, 또한 경우에 따라서는 불순물의 편석(偏析)을 수반한다.

(앵커부)

본 발명에 있어서 앵커부란, 기재와 취성 재료 구조물의 계면에 형성된 요철을 말하며, 특히, 사전에 기재에 요철을 형성시키는 것이 아니라, 취성 재료의 구조물을 형성시킬 때, 원래 기재의 표면 정도(精度)를 변화시켜 형성되는 요철을 말한다.

(미립자)

본 발명에 있어서 미립자란, 1차입자가 치밀질 입자인 경우는, 입도분포 측정이나 주사형 전자현미경으로 동정되는 평균 입경이 10 ㎛ 이하인 것을 말한다. 또한 1차입자가 충격에 의해 파쇄되기 쉬운 다공질 입자인 경우는, 평균 입경이 50 ㎛ 이하인 것을 말한다. 분체란 전술의 미립자가 자연 응집된 상태를 말한다.

(에어로졸)

본 발명에 있어서 에어로졸이란, 헬륨, 질소, 아르곤, 산소, 건조공기, 이들의 혼합가스 등의 가스 중에 전술의 미립자를 분산시킨 것으로, 1차입자가 분산되어 있는 상태가 바람직하나, 통상은 이 1차입자가 응집된 응집립을 포함한다. 에어로졸의 가스 압력과 온도는 임의이나, 가스 중의 미립자 농도는 가스압을 1기압, 온도를 20℃로 환산한 경우에, 노즐로부터 분사되는 시점에 있어서 0.0003 mL/L~10 mL/L의 범위 내인 것이 구조물의 형성에 있어서 바람직하다.

(상온)

본 발명에 있어서 상온이란, 산화이트륨의 소결온도에 대해서 현저하게 낮은 온도로, 실질적으로는 0℃~100℃의 실온 환경을 말한다.

(주성분)

본 발명에 있어서 주성분이란, 산화이트륨이 가장 많이 포함되는 성분인 것을 말하고, 바람직하게는 산화이트륨이 90 wt% 이상인 것을 가리킨다.

(평균 결정입경)

본 발명에 있어서 평균 결정입경이란, X선 회절법에 있어서 쉐러(Scherrer)의 방법에 의해 산출되는 결정자의 사이즈를 말하고, 맥사이언스사제 MXP-18을 사용하여 측정해 산출한다. 또는, TEM(투과형 전자현미경)상으로부터 직접 결정자의 사이즈를 측정함으로써 산출된 값을 사용해도 된다.

(치밀도)

본 발명에 있어서 치밀도란, 외관비중/진비중으로 산출되는 값의 백분율(%)을 말한다. 진비중에 대해서는, 막 성분의 구성비를 고려하여, 문헌값으로부터 산출한 값을 사용한다.

(기재)

본 발명에 있어서 기재란, 그 위에 에어로졸이 분사되어 미립자가 충돌됨으로써, 미립자 원료를 분쇄 또는 변형시키는데 충분한 기계적 충격력을 부여할 수 있는 정도의 경도를 갖는 재료라면 한정되지 않는다. 바람직한 기재의 예로서는 유리, 금속, 세라믹스, 및 유기 화합물을 들 수 있고, 이들의 복합재여도 된다.

다음으로, 본 발명을 실시하기 위한 최선의 형태를 도면에 의해 설명한다. 먼저, 기재 상에 형성시키는 산화이트륨으로 되는 구조물의 제작방법에 대해서 도 4를 사용하여 설명한다.

도 4는 기재 상에 산화이트륨으로 되는 구조물을 형성하는 제작장치의 개략 구성도로, 질소, 건조공기, 헬륨의 각종 가스봄베(11)가 반송관(12)을 매개로 하여 에어로졸 발생기(13)에 연결되고, 추가로 반송관(12)을 통해 구조물 형성장치(14) 내에 노즐(15)이 배치된다. 노즐(15)의 전방에는 XY 스테이지(17)에 설치된 기재(16)가 노즐(15)에 대향하여 10 ㎜의 간격을 두고 배치된다. 구조물 형성실(14)은 배기펌프(18)에 접속되어 있다.

그리고, 원료 분체를 에어로졸 발생기(13) 내에 충전한 후, 가스봄베(11)를 열고, 가스를 반송관(12)을 통해 에어로졸 발생기(13)에 도입하여, 원료 분체를 가스 중에 분산시킨 에어로졸을 발생시킨다. 이 에어로졸을 반송관(12)을 통해 추가로 구조물 형성실(14) 방향으로 반송하고, 고속으로 가속시키면서 노즐(15)로부터 원료 분체를 기재(16)를 향해 분사한다.

다음으로, 기재 상에 형성시키는 산화이트륨으로 되는 구조물의 보다 바람직한 제작방법에 대해서 설명한다.

가스봄베(11)에 봉입(封入)하는 가스는 헬륨, 질소, 아르곤, 산소, 건조공기, 이들의 혼합가스를 사용할 수 있으나, 헬륨 또는 질소를 사용하는 것이 보다 바람직한 제작방법이다.

또한, 에어로졸 발생기(13)에 내장하는 원료 분체는, 평균입경이 서브 ㎛ 오더의 산화이트륨 미립자와 평균입경이 ㎛ 오더의 산화알루미늄 미립자를 사용하는 것이 보다 바람직한 제작방법이다.

전술의 제작장치를 사용하여 제작한 산화이트륨으로 되는 구조물의 결정구조는, X선 회절에 있어서 입방정계(cubic)의 최강선 강도에 대한 단사정계(monoclinic)의 최강선 강도의 강도비(단사정계의 최강선 강도/입방정계의 최강선 강도)가 0.5 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 0.8 이상, 더욱 바람직하게는 1 이상이다. 이에 따라 비커스 경도(Vickers hardness)가 크게 향상한다. 여기서 최강선 강도란, 최강선의 피크 높이의 강도를 가리킨다.

또한, 전술의 제작장치를 사용하여 제작한 산화이트륨으로 되는 구조물의 평균 결정입경은 10~70 ㎚인 것이 바람직하고, 보다 바람직하게는 10~50 ㎚, 더욱 바람직하게는 10~30 ㎚이다.

또한, 전술의 제작장치를 사용하여 제작한 산화이트륨으로 되는 구조물의 치밀도는 90% 이상이 바람직하고, 보다 바람직하게는 95% 이상, 더욱 바람직하게는 99% 이상이다.

전술의 제작장치를 사용하여 제작한 산화이트륨으로 되는 구조물은 챔버, 벨자(bell jar), 서셉터(susceptor), 클램프링, 포커스링, 캡처링, 섀도루링, 절연링, 더미 웨이퍼, 고주파 플라즈마를 발생시키기 위한 튜브, 고주파 플라즈마를 발생시키기 위한 돔, 고주파 투과창, 적외선 투과창, 감시창, 종점 검출 모니터, 반도체 웨이퍼를 지지하기 위한 리프트핀, 샤워판, 배플판, 벨로즈 커버, 상부전극, 하부전극 등의 플라즈마 분위기에 폭로되는 반도체 또는 액정 제조장치용 부재에 이용할 수 있다.

반도체 또는 액정 제조장치용 부재의 기재는 금속, 세라믹스, 반도체, 유리, 석영, 수지 등을 들 수 있다.

또한, 본 발명의 산화이트륨으로 되는 구조물은, 반도체 웨이퍼나 석영 웨이퍼에 미세한 가공을 시행하는 에칭장치 등의 정전 척에 이용하는 것이 가능하다.

또한, 본 발명의 산화이트륨으로 되는 구조물은 절연막, 내마모막, 유전체막, 복사막(輻射膜), 내열피막에 이용하는 것이 가능하다.

이하에, 본 발명의 실시 형태에 대해 실시예를 사용하여 설명한다. 본 실시예에 있어서는, 산화이트륨으로 되는 구조물을 형성하는 원료 분체로서 산화이트륨 미립자와 이보다도 대입경의 산화알루미늄 미립자의 혼합 분체를 사용하였다.

산화이트륨 미립자와 산화알루미늄 미립자를 준비하였다. 산화알루미늄 미립자의 체적기준에 의한 50% 평균입경은 5.9 ㎛이고, 산화이트륨 미립자의 평균입경은 0.47 ㎛였다. 여기서, 체적기준에 의한 50% 평균입경이란, 레이저 회절식 입도분포계를 사용하여 측정한 입도분포측정 데이터에 있어서, 입경이 작은 쪽부터의 미립자의 누계체적이 50%에 도달했을 때의 미립자 입경을 말한다. 또한, 산화이트륨 미립자의 평균입경은 피셔 서브시브 사이저(Fisher sub-sieve sizer)로 측정한 비표면적으로부터 산출한 입자경이다.

다음으로 이들 미립자를 (산화알루미늄 미립자):(산화이트륨 미립자)=1:100의 개수비로 혼합한 혼합 분체를 얻었다.

또한, 산화알루미늄 미립자의 체적기준에 의한 50% 평균입경이 2.1 ㎛이며, 산화이트륨 미립자의 평균입경이 0.47 ㎛인 미립자를 준비하고, 이들 미립자를 (산화알루미늄 미립자):(산화이트륨 미립자)=1:10의 개수비로 혼합하여, 혼합 분체를 얻었다.

또한, 산화알루미늄 미립자는 제막 보조입자로서 기능하여, 산화이트륨 미립자를 변형 또는 파쇄시켜 신생면을 생성시키기 위한 것으로, 충돌 후는 반사하여, 불가피적으로 혼입되는 것을 제외하고 직접 층상 구조물의 구성재료로는 되지 않으므로, 그 재료는 산화알루미늄에 한정되지 않고, 산화이트륨을 사용해도 되나, 비용면을 고려하면 산화알루미늄이 최적이다.

상기 혼합 분체를 도 4에 나타낸 제작장치의 에어로졸 발생기에 장전하고, 캐리어가스로서 질소가스를 5리터/분의 유량으로 장치 내를 흘리면서 에어로졸을 발생시켜, 알루미늄 합금기재 상에 분출시켰다. 노즐은 세로 0.4 ㎜, 가로 20 ㎜ 개구인 것을 사용하였다. 구조물 형성시의 구조물 형성장치 내의 압력은 90~120 ㎪였다. 이렇게 하여, 기재 상에 높이 25 ㎛, 면적 20 ㎜×20 ㎜의 산화이트륨으로 되는 구조물을 형성하였다.

도 1은 (산화알루미늄 미립자):(산화이트륨 미립자)=1:100의 개수비로 혼합한 혼합 분체를 사용하여 제작한 산화이트륨으로 되는 구조물의 X선 회절패턴이다. 도 5는 (산화알루미늄 미립자):(산화이트륨 미립자)=1:10의 개수비로 혼합한 혼합 분체를 사용하여 제작한 산화이트륨으로 되는 구조물의 X선 회절패턴이다. 도 2는 산화이트륨으로 되는 구조물 제작의 원료 분체에 사용한 산화이트륨 미립자의 X선 회절패턴이다. 도 3은 산화이트륨 소결체(HIP 처리품)의 X선 회절패턴이다.

상기 방법에 의해 제작한 산화이트륨으로 되는 구조물의 결정구조는 입방정계(cubic)와 단사정계(monoclinic)를 혼재시켰다. 한편, 원료 분체 및 산화이트륨 소결체의 결정구조는 입방정계(cubic)뿐이었다.

또한, 도 1에 있어서 2θ=29° 부근에 보여지는 입방정계(cubic)에 기인하는 최강 피크강도와 2θ=30° 부근에 보여지는 단사정계(monoclinic)에 기인하는 최강 피크강도로부터, 단사정계의 최강선 강도/입방정계의 최강선 강도의 강도비는 1.04였다.

또한, 도 5에 있어서, 2θ=29° 부근에 보여지는 입방정계(cubic)에 기인하는 최강 피크강도와 2θ=30° 부근에 보여지는 단사정계(monoclinic)에 기인하는 최강 피크강도로부터, 단사정계의 최강선 강도/입방정계의 최강선 강도의 강도비는 0.80이었다.

상기 시료의 비커스 경도 측정결과를 표 1에 나타낸다. 비커스 경도는 다이나믹 초미소 경도계(DUH-W201/시마즈 제작소)를 사용하고, 시험력 50 gf로 측정하였다. 입방정계(cubic)만으로 구성되어 있는 산화이트륨 소결체보다도, 본 발명에 의해 제작한 입방정계(cubic)와 단사정계(monoclinic)가 혼재되어 있는 산화이트륨으로 되는 구조물 쪽이 경도가 컸다.

본 발명에 의해 제작한 산화이트륨 다결정체로 되는 구조물(혼합비 1:100)의 밀착강도를, 이하에 나타내는 방법에 의해 측정하였다. 산화이트륨 다결정체로 되는 구조물 표면에, SUS제의 원주 로드를 에폭시 수지를 사용하여 120℃, 1시간에 경화시키고, 원주 로드를 탁상 소형시험기(EZ Graph/시마즈 제작소)를 사용하여 90° 방향으로 잡아당겨 넘어뜨려 평가하였다. 밀착강도 F는 다음 식에 의해 산출하였다.

F=(4/πr³)×h×f

여기서, r은 원주 로드의 반경, h는 원주 로드의 높이, f는 박리시의 시험력이다.

알루미늄 합금기재 상에 형성시킨 산화이트륨 다결정체로 되는 구조물의 밀착강도는 80 ㎫ 이상으로 매우 우수한 밀착강도를 갖고 있었다.

본 발명에 의해 제작한 산화이트륨 다결정체로 되는 구조물(혼합비 1:10)의 단면 TEM 사진을 도 6에 나타낸다. 산화이트륨 다결정체로 되는 구조물의 일부가, 석영 유리기재의 표면에 박혀 앵커부를 형성하고 있었다.

Claims

기재표면에 산화이트륨으로 되는 구조물이 에어로졸 데포지션법에 의해 형성되고, 플라즈마에 폭로되는 장치용 부재로서 이용되는 복합구조물로서,

상기 구조물에는 산화이트륨 다결정체가 90wt% 이상 포함되어 있고,

추가로 상기 구조물을 구성하는 산화이트륨 다결정체의 결정구조에 입방정계(cubic)와 단사정계(monoclinic)가 혼재하도록,

상기 에어로졸 데포지션법에 있어서, 상기 구조물을 형성하는 산화이트륨 미립자와, 상기 산화이트륨 미립자보다도 대입경이고, 상기 구조물의 구성재료로는 되지 않는 제막 보조입자의 혼합 분체를 포함하는 에어로졸을 생성하여 기재표면에 충돌시킴으로써,

상기 제막 보조입자는 상기 산화이트륨 미립자를 파쇄 또는 변형시켜서 신생면을 형성시키고 산화이트륨으로 되는 구조물을 기재 상에 형성시키는 동시에, 상기 제막 보조입자 자신은 기재에 충돌하여 반사됨으로써 구조물의 구성재료로는 되지 않는 것을 특징으로 하는 복합구조물.
제1항에 있어서, 상기 복합구조물의 일부가 기재표면에 박히는 앵커부로 되어 있는 것을 특징으로 하는 복합구조물.