Aluminum nitride (AlN) is a covalent chemical compound with the wurtzite crystal structure and is the only one in the system Al-N. AlN has attracted much attention for semiconductor devices, mainly because of its remarkable propertires - high thermal conductivity, excellent mechanical strength at high temperature, inertness corrosion by molten metals, low dielectrical constant, and thermal expansion coefficient match to that of silicon. Nevertheless, AlN ceramics generally feature two weak points. One is that the production of highly compacted pieces of highly pure AlN by pressureless sintering is generally very difficult. Another problem is thermal conductivity which is inferior to its theoretical value, 320 W/mK.. The low mobility of the oxygen atmos dissolved in the lattice of AlN lowers thermal conductivity.
In order to achieve the densification and high thermal conductivity of AlN, liguid-phase sintering is the typical preparation method with sintering additives. Alkaline-earth oxide or rare-earth oxide such as $Y_2O_3$, CaO were reported to be useful sintering aids for obtaining full densification and high thermal conductivity. However, sintering temperature higher than 1800 oC is required to fabricate fully dense AlN ceramics with high thermal conductivity. Furthermore, such a high sintering temperature promotes significant grain growth, causing a reduction of mechanical strength.
In this study, the primary objective is to study the sintering of AlN at low temperature with high thermal conductivity and mechanical strength. In detail, new sintering additive systems are used to achieve the low temperature and pressureless sintering. CaO was used as a based sintering additive. Transition metal oxides ($M_2O_3$) and $Li_2O$ were also added to decrease the eutectic and lowest liquidus temperature. The stability of $2^{nd}$ phase of each additive system and decreasing of eutectic temperature were assured with thermodynamics view.
Archimedes displacement method was used to define the relative density of sintered body at various sintering conditions. It was confirmed that full density was achieved at 1550 oC and addition of $Li_2O$ was effective for enhancement of densification. So, the additive systems were effective to achieve the low temperature sintering around 1550 oC which is below 100 oC than recently reported data.
Thermal diffusivity of sintered AlN was measured and thermal conductivity was calculated by laser flash method. Thermal conductivity, over 100 W/mK was attained at 1550 oC with AlN having a small grain size. In order to analysis of thermal conductivity mechanism, Raman spectroscopy and SEM analysis were conducted. The FWHM (Full Width of Half Maximum) of Raman peak is related with defect concentration. Thermal conductivity is also related with defect concentration. So, there are some reports about the relationship between Raman peak width and thermal conductivity. In this study, Raman spectroscopy was used to characterize the concentration of oxygen-related defect which is related with thermal conductivity. Based on the results, there are close relationship between thermal conductivity and oxygen-related defect. The thermal conductivity increased with decreaing of concentration of oxygen-related defect.
The distribution of $2^{nd}$ phase and microstructure were confirmed with SEM image. The $2^{nd}$ phase morphology and distribution were changed from interconnected channel through grain edge to isolated at triple junction with sintering time.
Mechanical strength was tested with 3-point bending method at various sintering conditions. Mechanical strength of all compositions showed a higher of than 300 MPa which is a value of $Al_2O_3$ strength at 1600 oC. Small grain size is attributed to high strength. In this study, flexural strength of 510 MPa was attained at 1600 oC for AlN having a high thermal conductivity of 110 W/mK.
AlN은 wurtzite 구조의 공유결합 물질로 알루미늄과 질소간의 유일한 화합물이다. AlN은 높은 열전도도, 높은 기계적 강도, 높은 전기 절연성, 낮은 유전 상수 값 및 유전 손실, 그리고 열팽창 계수가 실리콘과 비슷하다는 장점을 가져 세라믹 기판 소재 및 반도체 공정 장비 소재로써의 응용이 기대되고 많은 연구가 진행되고 있다. 그러나 이러한 AlN 세라믹스를 산업적으로 이용하기에는 극복해야 하는 두 가지의 어려운 점이 있다. 첫째는, AlN은 강한 공유 결합 물질로 상압 소결로 완전 치밀화를 시키기가 어렵다는 점이다. 또 다른 어려운 점은, AlN 소결체의 열전도도 값이 이론 값인 320W/mK에 미치지 못한다는 점이다.
AlN을 완전 치밀화 시키고 높은 열전도도를 얻기 위해서는 소결 조제를 통한 액상 소결이 이루어져야 한다. 알칼리 토금속 산화물과 희토류 금속 산화물들이 AlN 소결시 완전 치밀화 및 고 열전도도를 얻을 수 있는 널리 알려진 소결 조제이다. 그러나 고 밀도, 고 열전도도의 AlN을 얻기 위해서는 1800도의 높은 온도를 요구하고 이러한 높은 온도는 많은 입자 성장을 초래해 기계적 강도를 감소시키게 된다.
본 연구에서는 AlN의 저온 소결을 연구하고 동시에 높은 열전도도, 높은 기계적 강도를 이루고자 하였다. 새로운 소결 조제 시스템을 이용하여 저온 상압 소결을 이루고자 하였으며, CaO를 기본 소결 조제로 선정하였다. 또한 전위금속산화물 $Fe_2O_3$, $Mn_2O_3$를 선정해 공정 반응을 통해 액상이 형성되는 온도를 낮추고자 하였고, 소결 조제로 인해 남는 2차상의 영향을 줄이기 위해 $Li_2O$를 첨가하였다.
소결체의 밀도는 아르키메데스 법을 통해 측정하였다. 1550 도의 소결 온도에서 소결한 결과 모든 조성이 완전 치밀화 되는 것을 확인 하였고, $Li_2O$ 의 첨가가 소결성을 높여 밀도 향상에 도움이 되는 것을 확인하였다.
AlN 소결체의 열전도도는 laser flash method를 이용해 측정하였다. 1550도의 소결 온도에서 LFC 조성이 100 W/mK이라는 비교적 높은 열전도도를 얻었으며, 작은 입자크기를 가지는 것을 확인하였다. 열전도도 메커니즘을 분석하기 위해 라만 분광법과 SEM을 이용하였다. Raman peak의 FWHM (Full Width of Half Maximum) 은 재료 내의 결함 농도와 관련이 있다. 즉 Raman peak 의 line width와 열전도도는 서로 일정한 관계를 가짐을 확인하였다. 열전도도의 영향을 미치는 두 번째 요인인 이차상의 분포는 SEM 을 통해 분석하였는데, 이차상의 모양 및 분포가 소결 조건에 따라 변화 하는 것을 확인하였다.
AlN의 기계적 강도는 3점 굽힘 강도법으로 측정하였다. 1600도에서 소결한 모든 조성의 강도 값은 Al2O3의 강도 값인 300 MPa보다 높은 고 강도의 값을 나타내었다. 저온 소결을 통해 입자 성장이 제어된 AlN 소결체가 100 W/mK의 비교적 높은 열전도도와, 500 MPa이라는 높은 강도 값을 얻었다.
