Y₂O₃가 첨가된 AlN 세라믹스의 소결조건에 따른 전기적 특성 연구

Abstract

이론 열전도도가 320 W/m·K인 질화알루미늄(aluminum nitride)은 반도체 제조 공정에서 웨이퍼의 균일한 온도 분포를 필요로 하는 정전척 소재로서 많이 쓰이고 있다. 이 때 열적 특성도 중요하지만 AlN 기판표면에 정전기력을 발생시켜 웨이퍼를 끌어당기려면 소재의 전기적 특성 또한 매우 중요하다. 정전기력을 사용하여 웨이퍼를 고정시키는 기구에는 크게 쿨롱법과 존슨-라벡법이 알려져 있다. 기존의 존슨-라벡형의 정전척의 구동기구는 유전체의 전하운반자가 전자 혹은 정공인 경우에 발생하는 고정력으로 해석되어 있다. 그러나 실제 사용되는 유전체의 경우 전자 혹은 정공이외에도 이온이 전하 운반자가 되기도 하는데 이에 대한 분석은 매우 미진한 실정이다. 본 연구에서는 AlN에 Y2O3를 소결조제로 첨가하여 소결 온도와 소결 조건을 달리하여 생기는 미세구조 차이를 FE-SEM, STEM으로 확인하고 이에 따라 변화되는 결정립(grain)과 입계(grain boundary)에서의 전기 전도도를 impedance spectroscopy를 이용하여 분리하고자 하였다. 또한 impedance spectroscopy와 DC 전도도를 비교하여 AlN 세라믹스의 전기 전도 기구를 고찰하였으며 이러한 측정결과를 바탕으로 AlN의 전기전도기구가 AlN소재에서 정전척소재로서의 기능에 미치는 영향에 대하여 평가하고자 하였다. 복소 임피던스 스펙트럼 분석 결과 AlN 세라믹스의 결정립 저항보다 입계의 저항이 매우 큰 것으로 관찰되었으며 전극에 의한 저항이 더욱 높은 것으로 나타났다. 여러 가지 가정을 바탕에 두고 전자 전도에 의한 transference number를 구하여 보면 AlN 세라믹스는 이온전도에 의한 전도도가 전자전도에 의한 전기전도도보다 월등히 큼을 확인할 수 있었다. 이러한 결과는 AlN 세라믹스를 정전척 소재로써 사용하는 경우 이온에 의한 분극이 웨이퍼의 고정력의 중요한 역할을 함을 시사한다; Electrical properties of AlN ceramics sintered with Y2O3 have been investigated. From the impedance spectroscopy, electrical conductivity of grain boundary was found to be much lower than that of grain. DC conductivity measurement showed the electrode polarization effects caused by blocking electrode. The heat-treatment at 1700℃ of the specimen sintered at 1850℃ transformed continuous grain boundary phases along triple boundary junctions into isolated particles in grain corners. The heat-treatment induced decrease both in grain and grain boundary conductivity, and in DC electrical conductivities. From the analysis on the transference number, ionic conductivity was shown to be more dominant than electron conductivity, which was due to ion compensation mechanism during oxygen incorporation into grain.