KR101268870B1 - Rare-earth oxide-alumina ceramics having excellent plasma erosion resistance and manufacturing method of the same - Google Patents
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Abstract
본 발명은, 희토류 금속을 적게 함유하는 Y3Al5O12 조성에서 Y의 일부가 Gd로 치환되거나, LaAl11O18 조성에서 La의 일부가 Y로 치환되어 우수한 내플라즈마 특성을 가지면서도 상안정성을 갖는 희토류 산화물-알루미나계 세라믹 및 그 제조방법에 관한 것이다. 본 발명에 의하면, Al2O3와 같은 2차상이 존재하지 않거나 매우 적게 함유되기 때문에 Al2O3의 선택적인 식각이 발생하지 않고 오염입자의 발생 가능성이 적고, 가넷 결정상을 포함하므로 열적 상 안정성(phase stability)이 우수하고, 고온에서의 우수한 기계적 특성 때문에 열 차폐용 소재로 사용될 수 있다. According to the present invention, a part of Y is substituted with Gd in a Y 3 Al 5 O 12 composition containing less rare earth metal, or a part of La is substituted with Y in a LaAl 11 O 18 composition to have excellent plasma resistance and superior phase stability. It relates to a rare earth oxide-alumina ceramic having a and a method for producing the same. According to the present invention, since secondary phases such as Al 2 O 3 do not exist or are contained very little, selective etching of Al 2 O 3 does not occur, there is little possibility of generation of contaminated particles, and thermal phase stability since it contains a garnet crystal phase. It has excellent phase stability and can be used as a heat shielding material because of its excellent mechanical properties at high temperatures.
Description
본 발명은 희토류 산화물-알루미나계 세라믹 및 그 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 희토류 금속을 상대적으로 적게 포함하는 Y3Al5O12 조성에서 Y의 일부가 Gd로 치환되거나, LaAl11O18 조성에서 La의 일부가 Y로 치환되어 우수한 내플라즈마 특성을 가지면서도 상안정성을 갖는 희토류 산화물-알루미나계 세라믹 및 그 제조방법에 관한 것이다.
The present invention relates to a rare earth oxide-alumina-based ceramic and a method for manufacturing the same, and more particularly, in the Y 3 Al 5 O 12 composition containing a relatively small rare earth metal, a part of Y is substituted with Gd, or LaAl 11 O 18 The present invention relates to a rare earth oxide-alumina ceramic having a phase stability while having a portion of La replaced by Y in the composition and having excellent plasma resistance, and a method of manufacturing the same.
초미세 선폭화가 반도체 제조공정에서 널리 보급됨에 따라 플라즈마 공정이 진행되는 챔버에서 주변 소재의 수명이 크게 감소하고 오염입자가 증가하는 문제가 발생되고 있다. As ultrafine line width is widely used in semiconductor manufacturing processes, the lifetime of surrounding materials is greatly reduced and contaminant particles are increased in the chamber where the plasma process is performed.
일반적으로 플라즈마 공정은 화학적으로 활성이 높은 라디칼을 생성하여 소재와의 화학적 반응을 촉진시킬 뿐 아니라, 플라즈마에 의하여 해리된 양이온이 소재의 표면에 높은 에너지로 입사하여 반응을 촉진시키고 소재의 물리적인 식각을 유발한다. 내플라즈마 특성이 우수한 소재로서 대표적으로 Al2O3를 들 수 있으며, 최근에는 보다 내플라즈마 특성이 우수한 Y2O3가 채택되어 널리 사용되고 있는 추세이다.In general, the plasma process not only promotes chemically active radicals by generating radicals that are chemically active, but also releases cations dissociated by plasma at high energy into the surface of the material to promote the reaction and physically etch the material. Cause. Al 2 O 3 is typically used as a material having excellent plasma resistance, and in recent years, Y 2 O 3 having excellent plasma resistance has been adopted and widely used.
Y2O3가 불소계 플라즈마에서 Al2O3보다 우수한 내식각 특성을 보이는 이유로는 이트륨(Y)과 불소(F) 간의 화합물이 높은 결합 에너지를 갖고 있기 때문으로 추정되고 있다. 최근 연구에서 불소계 플라즈마에 알루미늄-이트륨계 세라믹을 노출시켰을 때 시험편 표면의 불소화가 크게 진행되었고, 따라서 불소계 화합물의 제거속도가 식각율을 결정하는 주요 요소가 된다. 일반적으로 승화반응열이 클수록 스퍼터링 속도가 낮아지는 것을 고려하면 알루미늄(Al)보다 이트륨(Y)의 불소계 화합물이 느리게 식각되는 것으로 추정된다.The reason why Y 2 O 3 shows better etching resistance than Al 2 O 3 in fluorine-based plasma is that the compound between yttrium (Y) and fluorine (F) has a high binding energy. In recent research, when aluminum-yttrium-based ceramics were exposed to fluorine-based plasma, fluorination of the specimen surface was greatly increased, and thus the removal rate of the fluorine-based compound was a major factor in determining the etching rate. In general, considering that the greater the heat of sublimation reaction, the lower the sputtering rate, the fluorine-based compound of yttrium (Y) is more slowly etched than aluminum (Al).
Y2O3가 내플라즈마 특성이 뛰어난 소재임에는 분명하나 세계적으로 수급이 불규칙한데다 최근에는 가격변동이 심하여 이를 사용하는 산업계의 어려움이 가중되고 있는 형편이다. 따라서 Y2O3를 대체할 수 있는 재료에 대한 연구가 선행될 필요가 있다. 하지만 아직까지 반도체 식각 공정에 저항할 수 있는 재료의 특성이 확립되지 않은 상황이고, 따라서 반도체 식각 공정에 사용될 수 있는 소재에 대한 개발은 미진한 상황이다.
It is obvious that Y 2 O 3 is a material with excellent plasma resistance, but the supply and demand is irregular worldwide, and the price fluctuations are severe in recent years, increasing the difficulty of the industry. Therefore, research on materials that can replace Y 2 O 3 needs to be preceded. However, the characteristics of materials that can resist the semiconductor etching process have not yet been established, and thus, the development of materials that can be used in the semiconductor etching process is insufficient.
본 발명이 해결하려는 과제는 Y3Al5O12의 결정구조 내에서 고용체를 이루고 불소계 플라즈마에 대한 우수한 내식각 특성을 보이는 희토류 원소인 Gd가 Y의 일부를 대신하여 치환되어 우수한 내플라즈마 특성을 가지면서도 상안정성을 갖는 희토류 산화물-알루미나계 세라믹 및 그 제조방법을 제공함에 있다. The problem to be solved by the present invention is that the rare earth element Gd which forms a solid solution in the crystal structure of Y 3 Al 5 O 12 and exhibits excellent corrosion resistance against fluorine-based plasma is substituted for a portion of Y to have excellent plasma resistance The present invention provides a rare earth oxide-alumina ceramic having high phase stability and a method of manufacturing the same.
본 발명이 해결하려는 다른 과제는 LaAl11O18의 결정구조 내에서 고용체를 이루고 불소계 플라즈마에 대한 우수한 내식각 특성을 보이는 희토류 원소인 Y이 La의 일부를 대신하거나 LaAl11O18 결정상과 함께 가넷 결정상이 추가로 존재하여 우수한 내플라즈마 특성을 가지면서도 상안정성을 갖는 희토류 산화물-알루미나계 세라믹 및 그 제조방법을 제공함에 있다.
Another problem to be solved by the present invention is a rare earth element Y, which forms a solid solution in the crystal structure of LaAl 11 O 18 and exhibits excellent corrosion resistance to fluorine-based plasma, replaces part of La or the garnet crystal phase together with the LaAl 11 O 18 crystal phase. The present invention further provides a rare earth oxide-alumina ceramic having superior plasma properties and phase stability, and a method of manufacturing the same.
본 발명은, A3Al5O12 조성의 희토류 산화물-알루미나계 세라믹으로서, A 사이트는 GdxY1-x(0<x≤0.8)로 이루어지며, Gd와 Y가 원자적으로 상호 치환되어 있는 구조를 갖는 고용체를 이루는 가넷 결정상을 포함하며, (GdxY1-x)3Al5O12 조성의 희토류 산화물-알루미나계 세라믹에서 가넷 구조의 회절피크 강도인 I(211)와, GdAlO3 구조의 회절피크 강도인 I(110)와, 코런덤(corundum) 구조의 회절피크 강도인 I(104)로부터 가넷 결정상, GdAlO3 결정상, 코런덤 결정상의 상대적인 양을 측정하였을 때 코런덤 결정상의 양이 전체 결정상의 양에 대하여 10% 보다 작거나 같은 것을 특징으로 하는 내플라즈마 특성을 갖는 희토류 산화물-알루미나계 세라믹을 제공한다.The present invention is a rare earth oxide-alumina-based ceramic having a composition of A 3 Al 5 O 12 , wherein the A site is composed of Gd x Y 1-x (0 <x≤0.8), and Gd and Y are atomically substituted with each other. It contains a garnet crystal phase that forms a solid solution having a solid structure, and the diffraction peak strength of the garnet structure I (211) and GdAlO 3 in a rare earth oxide-alumina ceramic of (Gd x Y 1-x ) 3 Al 5 O 12 composition The amount of corundum crystal phase when the relative amounts of the garnet crystal phase, the GdAlO 3 crystal phase and the corundum crystal phase were measured from the diffraction peak intensity I (110) of the structure and the diffraction peak intensity of the corundum structure ( I 104) . A rare earth oxide-alumina ceramic having plasma characteristics is characterized by being less than or equal to 10% with respect to the total amount of the crystal phase.
또한, 본 발명은, BAl11O18 조성의 희토류 산화물-알루미나계 세라믹으로서, B 사이트는 LaxY1-x(0<x<1)로 이루어지며, LaAl11O18 결정상과 가넷 결정상을 포함하며, 불소계 플라즈마에 대한 식각 속도가 LaAl11O18 조성의 세라믹에 비하여 작은 것을 특징으로 하는 내플라즈마 특성을 갖는 희토류 산화물-알루미나계 세라믹을 제공한다.In addition, the present invention is a rare earth oxide-alumina ceramic having a BAl 11 O 18 composition, wherein the B site is made of La x Y 1-x (0 <x <1), and includes a LaAl 11 O 18 crystal phase and a garnet crystal phase. The present invention provides a rare earth oxide-alumina-based ceramic having plasma characteristics, wherein the etching rate with respect to the fluorine-based plasma is smaller than that of the LaAl 11 O 18 composition.
상기 희토류 산화물-알루미나계 세라믹은 불소계 플라즈마 식각 조건에서 쿼츠(quartz)와 사파이어에 비하여 식각속도가 작다. The rare earth oxide-alumina ceramic has a lower etching rate than quartz and sapphire under fluorine plasma etching conditions.
상기 A3Al5O12 조성의 희토류 산화물-알루미나계 세라믹은 상기 A 사이트가 GdxY1-x(0<x≤0.5)로 이루어져서 불소계 플라즈마에 대한 식각 속도가 Y3Al5O12 조성의 세라믹에 비하여 작을 수 있다.In the rare earth oxide-alumina ceramic having the A 3 Al 5 O 12 composition, the A site is made of Gd x Y 1-x (0 < x ≦ 0.5), so that the etching rate of the fluorine plasma is Y 3 Al 5 O 12 . It may be smaller than ceramic.
(LaxY1-x)Al11O18 조성의 희토류 산화물-알루미나계 세라믹에서 0.8≤x<1 범위이고, 코런덤 구조의 회절피크 강도인 I(104)와, 가넷 구조의 회절피크 강도인 I(211)와, LaAl11O18의 회절피크 강도인 I(012)로부터 코런덤 결정상, 가넷 결정상 및 LaAl11O18 결정상의 상대적인 양을 측정하였을 때 코런덤 결정상의 양이 전체 결정상의 양에 대하여 10% 보다 작거나 같다.In the rare earth oxide-alumina-based ceramic having a (La x Y 1-x ) Al 11 O 18 composition, I (104) in the range of 0.8≤x <1 and the diffraction peak intensity of the corundum structure and the diffraction peak intensity of the garnet structure the amount of the I (211) and, LaAl 11 O nose from a diffraction peak intensity in I (012) of 18 reondeom crystal phase, garnet crystal phase and LaAl 11 O 18 as measured by the relative amount of the crystal phase co reondeom amount of the whole crystal of the crystal phase Less than or equal to 10%.
또한, 본 발명은, 상기 A3Al5O12 조성의 희토류 산화물-알루미나계 세라믹을 제조하는 방법에 있어서, (GdxY1-x)3Al5O12(0<x≤0.8) 조성을 이루도록 Al2O3, Y2O3 및 Gd2O3의 몰비를 계산하여 Al2O3 분말, Y2O3 분말 및 Gd2O3 분말을 칭량하고 혼합하는 단계와, 상기 Al2O3, Y2O3 및 Gd2O3의 혼합물을 최밀 충진이 되도록 성형하는 단계 및 성형된 결과물을 1500~1800℃의 온도에서 소결하는 단계를 포함하는 내플라즈마 특성을 갖는 희토류 산화물-알루미나계 세라믹의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention, in the method for producing a rare earth oxide-alumina ceramic of the A 3 Al 5 O 12 composition, to achieve a (Gd x Y 1-x ) 3 Al 5 O 12 (0 < x ≤ 0.8) composition. Al 2 O 3, Y 2 O 3 and Gd 2 O 3 by calculating the molar ratio of Al 2 O 3 powder, Y 2 O 3 powder and Gd 2 O 3 powder; and the Al 2 O, which were weighed and mixed for 3, Preparation of Rare Earth Oxide-Alumina Ceramics with Plasma Resistance Characteristics comprising Molding a Mixture of Y 2 O 3 and Gd 2 O 3 to Closest Fill and Sintering the Molded Result at a Temperature of 1500-1800 ° C Provide a method.
또한, 본 발명은, BAl11O18 조성의 희토류 산화물-알루미나계 세라믹을 제조하는 방법에 있어서, (LaxY1-x)Al11O18(0<x<1) 조성을 이루도록 Al2O3, Y2O3 및 La2O3의 몰비를 계산하여 Al2O3,분말, Y2O3 분말 및 La2O3 분말을 칭량하고 혼합하는 단계와, 상기 Al2O3, Y2O3 및 La2O3의 혼합물을 최밀 충진이 되도록 성형하는 단계 및 성형된 결과물을 1500~1800℃의 온도에서 소결하는 단계를 포함하는 내플라즈마 특성을 갖는 희토류 산화물-알루미나계 세라믹의 제조방법을 제공한다.In addition, the present invention, in the method for producing a rare earth oxide-alumina ceramic having a BAl 11 O 18 composition, Al 2 O 3 to achieve a (La x Y 1-x ) Al 11 O 18 (0 <x <1) composition , Y 2 O 3, and by calculating the molar ratio of La 2 O 3 Al 2 O 3, powder, Y 2 O 3 powder, and La 2 O; and the Al 2 O, which were weighed and mixed for 3 powder 3, Y 2 O It provides a method for producing a rare earth oxide-alumina ceramic having a plasma resistance characteristics comprising the step of molding the mixture of 3 and La 2 O 3 to the closest filling and sintering the molded product at a temperature of 1500 ~ 1800 ℃ do.
상기 혼합은 볼밀링 공정을 이용하고, 상기 볼밀링 공정에서 인산을 사용하여 산화물들을 분산시키며, 상기 성형은 냉간 정수압 성형기를 이용하는 것이 바람직하다. The mixing uses a ball milling process, phosphoric acid is used in the ball milling process to disperse oxides, and the molding is preferably using a cold hydrostatic press.
불소계 플라즈마에 대한 식각 속도에 있어서 상기 A3Al5O12 조성의 희토류 산화물-알루미나계 세라믹이 Y3Al5O12 조성의 세라믹에 비하여 작도록 하기 위하여 A 사이트가 GdxY1-x(0<x≤0.5)로 이루어지게 Al2O3, Y2O3 및 Gd2O3의 몰비를 계산하여 Al2O3 분말, Y2O3 분말 및 Gd2O3 분말을 칭량하고 혼합할 수 있다.In order to make the rare earth oxide-alumina ceramic of the A 3 Al 5 O 12 composition smaller than the ceramic of the Y 3 Al 5 O 12 composition in the etching rate with respect to the fluorine-based plasma, the A site has Gd x Y 1-x (0 Al 2 O 3 powder, Y 2 O 3 powder and Gd 2 O 3 powder can be weighed and mixed by calculating the molar ratios of Al 2 O 3 , Y 2 O 3 and Gd 2 O 3 so that <x≤0.5). have.
상기 BAl11O18 조성의 희토류 산화물-알루미나계 세라믹에서 알루미나(Al2O3) 결정상이 존재하지 않거나 매우 적게 함유되게 하기 위하여 B 사이트가 LaxY1-x(0.8≤x<1)로 이루어지게 Al2O3, Y2O3 및 La2O3의 몰비를 계산하여 Al2O3 분말, Y2O3 분말 및 La2O3 분말을 칭량하고 혼합할 수 있다.
B site is made of La x Y 1-x (0.8 ≦ x <1) so that the alumina (Al 2 O 3 ) crystal phase is not present or is very small in the rare earth oxide-alumina-based ceramic of BAl 11 O 18 composition. The molar ratios of fork Al 2 O 3 , Y 2 O 3 and La 2 O 3 can be calculated to weigh and mix Al 2 O 3 powder, Y 2 O 3 powder and La 2 O 3 powder.
본 발명에 의한 내플라즈마 특성을 갖는 희토류 산화물-알루미나계 세라믹에 의하면, Y와 Gd의 이온 반경이 비슷하기 때문에 Al2O3와 같은 2차상을 만들지 않고 상안정성을 가지는 (Y·Gd)3Al5O12의 고용체를 형성하는 것이 가능하다. Y3Al5O12의 결정구조 내에서 고용체를 이루고 불소계 플라즈마에 대한 우수한 내식각 특성을 보이는 희토류 원소인 Gd가 Y의 일부를 대신하여 치환되어 우수한 내플라즈마 특성을 가지면서도 상안정성을 갖는다. According to the rare earth oxide-alumina ceramic having plasma characteristics according to the present invention, since the ionic radii of Y and Gd are similar, (Y · Gd) 3 Al having phase stability without forming a secondary phase such as Al 2 O 3 It is possible to form a solid solution of 5 O 12 . The rare earth element Gd, which forms a solid solution in the crystal structure of Y 3 Al 5 O 12 and exhibits excellent corrosion resistance against fluorine-based plasma, is substituted for a portion of Y to have excellent plasma resistance and phase stability.
또한, 본 발명에 의한 내플라즈마 특성을 갖는 희토류 산화물-알루미나계 세라믹에 의하면, LaAl11O18의 결정구조 내에서 고용체를 이루고 불소계 플라즈마에 대한 우수한 내식각 특성을 보이는 희토류 원소인 Y이 La의 일부를 대신하여 치환되거나 가넷결정상과의 복합체를 이루어 우수한 내플라즈마 특성을 가지면서도 상안정성을 갖는다.In addition, according to the rare earth oxide-alumina ceramic having plasma characteristics according to the present invention, Y is a rare earth element which forms a solid solution in the crystal structure of LaAl 11 O 18 and exhibits excellent etching resistance to fluorine-based plasma. Substituted in place of or complexed with the garnet crystal phase has excellent plasma resistance and phase stability.
본 발명에 따른 내플라즈마 특성을 갖는 희토류 산화물-알루미나계 세라믹에 의하면, Al2O3와 같은 2차상이 존재하지 않거나 매우 적게 존재하기 때문에 Al2O3의 선택적인 식각이 발생하지 않고 오염입자의 발생 가능성이 적어진다.According to the rare earth oxide-alumina ceramics having plasma characteristics according to the present invention, since secondary phases such as Al 2 O 3 do not exist or are very small, selective etching of Al 2 O 3 does not occur and contaminant It is less likely to occur.
또한, 본 발명에 따른 내플라즈마 특성을 갖는 희토류 산화물-알루미나계 세라믹에 의하면, 가넷 결정상을 포함하므로 열적 상 안정성(phase stability)이 우수하고, 고온에서의 우수한 기계적 특성 때문에 열 차폐용 소재로 사용될 수 있다. In addition, according to the rare earth oxide-alumina-based ceramic having plasma characteristics according to the present invention, since it contains a garnet crystal phase, it has excellent thermal phase stability and can be used as a heat shielding material because of its excellent mechanical properties at high temperature. have.
본 발명에 의한 내플라즈마 특성을 갖는 희토류 산화물-알루미나계 세라믹의 제조방법에 의하면 1500℃ 이상의 고온에서 소결 과정을 거치기 때문에 표면층이 치밀하며 표면 식각에 의한 YF3, GdF3 또는 LaF3의 형성을 유도하여 플라즈마에 대한 내식각 특성을 증진시킬 수 있다.
According to the method of manufacturing a rare earth oxide-alumina ceramic having plasma characteristics according to the present invention, since the sintering process is performed at a high temperature of 1500 ° C. or higher, the surface layer is dense and induces the formation of YF 3 , GdF 3 or LaF 3 by surface etching. To improve the corrosion resistance to the plasma.
도 1은 본 발명에 따른 Al2O3-GdAlO3-YAlO3계에서 Y의 첨가에 따른 A3Al5O12(A는 Gd 또는 Y)의 조성변화를 보여주는 조성 삼각도이다.
도 2는 본 발명에 따른 Al2O3-LaAlO3-YAlO3계에서 Y의 첨가에 따른 BAl11O18(B는 La 또는 Y)의 조성 변화를 보여주는 조성 삼각도이다.
도 3은 본 발명에 따라 (Gd·Y)3Al5O12 조성에서 전체 희토류 원소 중에서 Y의 함량을 20mol% 씩 변화시킴에 따라 발생하는 결정상의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 4는 본 발명에 따라 Gd의 첨가량에 따른 가넷(garnet), GdAlO3 및 Al2O3의 상대적인 몰분율을 나타내는 그래프이다.
도 5와 도 6은 각각 Y의 함량이 60, 0mol%인 경우에 대하여 반사전자이미지로 측정된 미세구조를 보여주는 전계 방사 주사전자현미경(Field emission scanning electron microscope; FE-SEM) 사진이다.
도 7은 Al2O3-GdAlO3-YAlO3계에서 조성에 따른 1680℃에서의 상평형도이다.
도 8은 본 발명에 따른 불소 플라즈마의 조건에서 (Gd·Y)3Al5O12가 에치되는 속도를 보여주는 그래프이다.
도 9는 본 발명에 따라 (La·Y)Al11O18 조성에서 전체 희토류 원소 중에서 Y의 함량을 20mol% 씩 변화시킴에 따라 발생하는 결정상의 변화를 보여주는 그래프이다.
도 10은 본 발명에 따라 Y의 첨가량에 따른 (La·Y)Al11O18, 가넷 및 Al2O3의 상대적인 몰 분율을 나타내는 그래프이다.
도 11과 도 12는 각각 Y의 함량이 60, 0mol%인 경우에 대하여 반사전자이미지로 측정된 미세구조를 보여주는 주사전자현미경(Field emission scanning electron microscope; FE-SEM) 사진이다.
도 13은 Al2O3-LaAlO3-YAlO3계에서 조성에 따른 1680℃에서의 상평형도이다.
도 14는 본 발명에 따른 불소 플라즈마의 조건에서 (La·Y)Al11O18가 에치되는 속도를 보여주는 그래프이다.
도 15는 본 발명에 따른 LaAl11O18 소결체의 Al 원자의 2p의 전자에 대한 결합에너지를 보여주는 그래프이다.1 is a composition triangle showing the composition change of A 3 Al 5 O 12 (A is Gd or Y) according to the addition of Y in the Al 2 O 3 -GdAlO 3 -YAlO 3 system according to the present invention.
Figure 2 is a composition triangular diagram showing the composition change of BAl 11 O 18 (B is La or Y) with the addition of Y in the Al 2 O 3 -LaAlO 3 -YAlO 3 system according to the present invention.
3 is a graph showing a change in crystal phase generated by changing the content of Y by 20 mol% of the total rare earth elements in the composition (Gd · Y) 3 Al 5 O 12 according to the present invention.
4 is a graph showing the relative mole fraction of garnet, GdAlO 3 and Al 2 O 3 according to the amount of Gd added according to the present invention.
5 and 6 are field emission scanning electron microscope (FE-SEM) photographs showing microstructures measured by reflecting electron images for the case where the Y content is 60 and 0 mol%, respectively.
7 is a phase equilibrium diagram at 1680 ° C. according to the composition of Al 2 O 3 -GdAlO 3 -YAlO 3 system.
8 is a graph showing the rate at which (Gd · Y) 3 Al 5 O 12 is etched under the conditions of the fluorine plasma according to the present invention.
9 is a graph showing a change in crystal phase generated by changing the content of Y by 20 mol% of the total rare earth elements in the (La · Y) Al 11 O 18 composition according to the present invention.
10 is a graph showing the relative mole fraction of (La · Y) Al 11 O 18 , garnet and Al 2 O 3 according to the amount of Y added according to the present invention.
11 and 12 are field emission scanning electron microscope (FE-SEM) photographs showing microstructures measured by reflecting electron images for the case where the Y content is 60 and 0 mol%, respectively.
FIG. 13 is a phase equilibrium diagram at 1680 ° C. according to the composition of an Al 2 O 3 —LaAlO 3 —YAlO 3 system.
14 is a graph showing the rate at which (La · Y) Al 11 O 18 is etched under the conditions of fluorine plasma according to the present invention.
15 is LaAl 11 O 18 according to the present invention This graph shows the binding energy of 2p electrons of Al atoms in the sintered body.
이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명에 따른 바람직한 실시예를 상세하게 설명한다. 그러나, 이하의 실시예는 이 기술분야에서 통상적인 지식을 가진 자에게 본 발명이 충분히 이해되도록 제공되는 것으로서 여러 가지 다른 형태로 변형될 수 있으며, 본 발명의 범위가 다음에 기술되는 실시예에 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. However, it should be understood that the following embodiments are provided so that those skilled in the art will be able to fully understand the present invention, and that various modifications may be made without departing from the scope of the present invention. It is not.
본 발명은, A3Al5O12 조성의 희토류 산화물-알루미나계 세라믹으로서, A 사이트는 GdxY1-x(0<x≤0.8)로 이루어지며, Gd와 Y가 원자적으로 상호 치환되어 있는 구조를 갖는 고용체를 이루는 가넷 결정상을 포함하는 내플라즈마 특성을 갖는 희토류 산화물-알루미나계 세라믹을 제시한다. (GdxY1-x)3Al5O12 조성의 희토류 산화물-알루미나계 세라믹에서 가넷 구조의 회절피크 강도인 I(211)와, GdAlO3 구조의 회절피크 강도인 I(110)와, 코런덤(corundum) 구조의 회절피크 강도인 I(104)로부터 가넷 결정상, GdAlO3 결정상, 코런덤 결정상의 상대적인 양을 측정하였을 때 코런덤 결정상의 양이 전체 결정상의 양에 대하여 10% 보다 작거나 같으며, 코런덤 구조를 갖는 Al2O3와 같은 2차상이 존재하지 않거나 매우 적게 존재하기 때문에 Al2O3의 선택적인 식각이 발생하지 않고 오염입자의 발생 가능성이 적어진다. 상기 A3Al5O12 조성의 희토류 산화물-알루미나계 세라믹은 상기 A 사이트가 GdxY1-x(0<x≤0.5)로 이루어져서 불소계 플라즈마에 대한 식각 속도가 Y3Al5O12 조성의 세라믹에 비하여 작을 수 있다.The present invention is a rare earth oxide-alumina-based ceramic having a composition of A 3 Al 5 O 12 , wherein the A site is composed of Gd x Y 1-x (0 <x≤0.8), and Gd and Y are atomically substituted with each other. A rare earth oxide-alumina-based ceramic having plasma characteristics including a garnet crystal phase forming a solid solution having a structure present in the present invention is provided. In the rare earth oxide-alumina ceramic of (Gd x Y 1-x ) 3 Al 5 O 12 composition, I (211) which is the diffraction peak intensity of garnet structure, I (110) which is the diffraction peak intensity of GdAlO 3 structure, When the relative amounts of the garnet crystal phase, the GdAlO 3 crystal phase and the corundum crystal phase were measured from the diffraction peak intensity I (104) of the corundum structure, the amount of the corundum crystal phase was less than or equal to 10% of the total crystal phase. In addition, since secondary phases such as Al 2 O 3 having a corundum structure do not exist or are very small, selective etching of Al 2 O 3 does not occur and contaminants are less likely to be generated. In the rare earth oxide-alumina ceramic having the A 3 Al 5 O 12 composition, the A site is made of Gd x Y 1-x (0 < x ≦ 0.5), so that the etching rate of the fluorine plasma is Y 3 Al 5 O 12 . It may be smaller than ceramic.
또한, 본 발명은, BAl11O18 조성의 희토류 산화물-알루미나계 세라믹으로서, B 사이트는 LaxY1-x(0<x<1)로 이루어지며, LaAl11O18 결정상과 가넷 결정상을 포함하며, 불소계 플라즈마에 대한 식각 속도가 LaAl11O18 조성의 세라믹에 비하여 작은 내플라즈마 특성을 갖는 희토류 산화물-알루미나계 세라믹을 제시한다. (LaxY1-x)Al11O18 조성의 희토류 산화물-알루미나계 세라믹에서 0.8≤x<1 범위이고, 코런덤 구조의 회절피크 강도인 I(104)와, 가넷 구조의 회절피크 강도인 I(211)와, LaAl11O18의 회절피크 강도인 I(012)로부터 코런덤 결정상, 가넷 결정상 및 LaAl11O18 결정상의 상대적인 양을 측정하였을 때 코런덤 결정상의 양이 전체 결정상의 양에 대하여 10% 보다 작거나 같으며, 코런덤 구조를 갖는 Al2O3와 같은 2차상이 존재하지 않거나 매우 적게 존재하기 때문에 Al2O3의 선택적인 식각이 발생하지 않고 오염입자의 발생 가능성이 적어진다. In addition, the present invention is a rare earth oxide-alumina ceramic having a BAl 11 O 18 composition, wherein the B site is made of La x Y 1-x (0 <x <1), and includes a LaAl 11 O 18 crystal phase and a garnet crystal phase. In addition, the present invention provides a rare earth oxide-alumina ceramic having an etching rate with respect to fluorine-based plasma having a smaller plasma resistance than that of a ceramic having a LaAl 11 O 18 composition. In the rare earth oxide-alumina-based ceramic having a (La x Y 1-x ) Al 11 O 18 composition, I (104) in the range of 0.8≤x <1 and the diffraction peak intensity of the corundum structure and the diffraction peak intensity of the garnet structure the amount of the I (211) and, LaAl 11 O nose from a diffraction peak intensity in I (012) of 18 reondeom crystal phase, garnet crystal phase and LaAl 11 O 18 as measured by the relative amount of the crystal phase co reondeom amount of the whole crystal of the crystal phase Less than or equal to 10%, and because secondary phases such as Al 2 O 3 having a corundum structure do not exist or are very small, selective etching of Al 2 O 3 does not occur, and contaminants are less likely to occur. Lose.
본 발명에서는 세계적으로 수급이 불규칙한 Y2O3를 타 희토류 산화물로 대체하거나 사용량을 저감하고자 희토류 산화물-알루미나계의 내플라즈마성에 대하여 검토한다. In the present invention, the rare earth oxide-alumina-based plasma resistance is examined to replace Y 2 O 3, which is irregularly supplied worldwide, with other rare earth oxides, or to reduce the use amount.
예를 들어, Y2O3에 Al2O3를 첨가함에 따라 여러 가지 상이 존재하게 된다. 가장 Y2O3를 적게 포함하는 알루미나와의 화합물로는 가넷 구조를 가지는 Y3Al5O12(YAG)를 들 수 있다. 정확한 Y3Al5O12 조성보다 알루미나의 함량이 늘어나게 되면 Al2O3가 제2상으로 존재하게 되고, 플라즈마 환경에서 알루미나의 선택적인 식각이 일어나 오염입자의 발생 우려가 있다. 따라서 희토류 산화물이 적용된 화합물을 내플라즈마 소재로 사용하기 위하여서는 해당 화합물이 단일상으로 안정적으로 존재하는 영역을 선택할 필요가 있다. For example, various phases exist as Al 2 O 3 is added to Y 2 O 3 . Y 3 Al 5 O 12 (YAG) having a garnet structure is mentioned as a compound with alumina which contains the least Y 2 O 3 . If the content of alumina is increased than the correct Y 3 Al 5 O 12 composition, Al 2 O 3 is present as a second phase, there is a concern that the selective etching of the alumina occurs in the plasma environment resulting in generation of contaminated particles. Therefore, in order to use the compound to which the rare earth oxide is applied as a plasma resistant material, it is necessary to select a region where the compound is stably present in a single phase.
가넷 결정계(Garnet crystal system; A3Al5O12)는 열적 상 안정성(phase stability)이 우수하고, 고온에서의 우수한 기계적 특성 때문에 열 차폐용 소재로 사용될 수 있는 소재이다. 또한 가넷 결정계는 격자 상수(lattice constant)가 1200pm에 이르는 큰 큐빅 단위셀(cubic unit cell)을 가지고 있으며, 하나의 셀(cell)은 160여 개 정도의 원자를 포함한다. 따라서, 다양한 재료를 도핑할 수 있어 특성(properties)이 조성(compostion)으로 쉽게 조절될 수 있다는 장점을 가진다.Garnet crystal system A 3 Al 5 O 12 is a material that can be used as a heat shielding material because of excellent thermal phase stability and excellent mechanical properties at high temperatures. In addition, the Garnet crystal system has a large cubic unit cell with a lattice constant of 1200 pm, and one cell contains about 160 atoms. Thus, various materials can be doped and the properties can be easily adjusted to the composition.
특히 플라즈마 에칭(etching)에 적용되기 위한 조건으로 산화물 시험편의 표면이 완전히 불소화되어 이상적인 YF3, LaF3 및 GdF3의 조성을 가진다고 하면, 표면층이 식각되는 속도는 입사 이온에 의하여 표면층이 스퍼터링(sputtering)되는 속도에 의하여 좌우될 수 있다. 스퍼터링 속도는 스퍼터링되는 물질의 승화 잠열에 의존하게 된다. In particular, if the surface of the oxide specimen is completely fluorinated under conditions for application to plasma etching and has an ideal composition of YF 3 , LaF 3, and GdF 3 , the rate at which the surface layer is etched is due to sputtering of the surface layer by incident ions. Can be influenced by the speed being. The sputtering rate will depend on the latent heat of sublimation of the material being sputtered.
따라서 표면이 가넷 결정구조로 이루어진 산화물에 대한 플라즈마 에칭이 진행될 때 불소 이온과 표면층의 충돌이 발생하고 표면층에 불소화합물이 생성된다. 이러한 가넷 결정(A3Al5O12)을 구성하는 원소들의 경우에는 A 사이트(site)에 Y, Gd 또는 La이 위치하게 되는데, A 사이트에 위치하는 원자가 불소화합물을 구성하기 때문에 내플라즈마 특성이 우수해진다. Accordingly, when plasma etching is performed on an oxide having a garnet crystal structure, a collision between fluorine ions and the surface layer occurs and a fluorine compound is formed on the surface layer. In the case of the elements constituting the garnet crystal (A 3 Al 5 O 12 ), Y, Gd or La is located at the A site, and since the valence at the A site constitutes a fluorine compound, To be excellent.
본 발명은 불소계 플라즈마에서 Al2O3보다 우수한 내식각 특성을 가지는 Y2O3를 기반물질로 하여 가넷 결정구조를 이루면서도 내플라즈마 특성이 우수한 재료를 제시한다. The present invention proposes a material having excellent plasma resistance while forming a garnet crystal structure based on Y 2 O 3 having an etching property superior to Al 2 O 3 in a fluorine-based plasma.
또한 Al2O3와 La2O3를 혼합하여 제조하는 LaAl11O18에 있어서, LaAl11O18의 형성이 크랙 브리징(crack bridging) 현상에 의해서 파괴 인성을 증가시킨다. 이러한 파괴인성의 증가와 같은 방법으로서 La을 Y로 치환하는 방법을 사용하고 상안정성이 우수하면서도 내플라즈마 특성이 우수한 재료를 제시한다.
In addition, in LaAl 11 O 18 prepared by mixing Al 2 O 3 and La 2 O 3 , the formation of LaAl 11 O 18 increases the fracture toughness due to a crack bridging phenomenon. As a method of increasing fracture toughness, a method of substituting La with Y is used, and a material having excellent phase stability and excellent plasma resistance is proposed.
도 1은 본 발명에 따른 Al2O3-GdAlO3-YAlO3계에서 Y의 첨가에 따른 A3Al5O12(A는 Gd 또는 Y)의 조성변화를 보여주는 조성 삼각도이다. 1 is a composition triangle showing the composition change of A 3 Al 5 O 12 (A is Gd or Y) according to the addition of Y in the Al 2 O 3 -GdAlO 3 -YAlO 3 system according to the present invention.
도 1을 참조하면, 가넷에서 A를 구성하는 원자의 mol%를 100%라고 할 때, A1은 Gd가 100mol%, A2는 Gd가 80mol%, A3는 Gd가 60mol%, A4는 Gd가 40mol%, A5는 Gd가 20mol% 및 A6는 Gd가 0mol%를 나타낸다. 도 1에서 Gd100은 Gd의 mol%가 100mol%인 것을 뜻하고 Gd0은 Gd의 mol%가 0mol%인 것을 뜻한다. Referring to FIG. 1, when mol% of the atoms constituting A in the garnet is 100%, A1 is 100 mol% of Gd, A2 is 80 mol% of Gd, A3 is 60 mol% of Gd, and A4 is 40 mol% of Gd. , A5 represents 20 mol% of Gd, and A6 represents 0 mol% of Gd. In Figure 1, Gd100 means that mol% of Gd is 100mol% and Gd0 means that mol% of Gd is 0mol%.
도 1에서 A2 내지 A6의 조성까지는 소결 후에도 가넷 상만으로 구성되어 있어서, 플라즈마 에칭에 대한 테스트를 수행할 때 우수한 내플라즈마 특성을 보여줄 것이다. The composition of A2 to A6 in FIG. 1 is composed only of the garnet phase even after sintering, thus showing excellent plasma resistance when performing a test for plasma etching.
본 발명에 따른 내플라즈마 특성이 우수한 희토류 산화물-알루미나계 세라믹의 경우 조성을 A1에서 A6로 변경시켜 가면서, 결정상의 변이 추이를 관찰하였고, 불소 플라즈마에 대한 내식각 특성을 측정하였다.In the case of the rare earth oxide-alumina ceramic having excellent plasma characteristics according to the present invention, the transition of the crystal phase was observed while changing the composition from A1 to A6, and the etching resistance against fluorine plasma was measured.
본 발명에 따른 내플라즈마 특성을 갖는 희토류 산화물-알루미나계 세라믹의 경우, 가넷 결정계의 A3Al5O12 조성에서 A 사이트는 GdxY1 -x(0<x≤0.8)로 구성되어 있는 것이 바람직하다.
In the rare earth oxide-alumina ceramic having plasma characteristics according to the present invention, in the A 3 Al 5 O 12 composition of the garnet crystal system, the A site is composed of Gd x Y 1 -x (0 <x≤0.8). desirable.
도 2는 본 발명에 따른 Al2O3-LaAlO3-YAlO3계에서 Y의 첨가에 따른 BAl11O18(B는 La 또는 Y)의 조성 변화를 보여주는 조성 삼각도이다.Figure 2 is a composition triangular diagram showing the composition change of BAl 11 O 18 (B is La or Y) with the addition of Y in the Al 2 O 3 -LaAlO 3 -YAlO 3 system according to the present invention.
도 2를 참조하면, B1 내지 B6의 조성에서 B를 구성하는 원자의 mol%를 100%라고 할 때, B1은 La가 100 mol%, B2는 La가 80mol%, B3는 La가 60mol%, B4는 La가 40mol%, B5는 La가 20mol% 및 B6는 La가 0mol%를 나타낸다. 도 2에서 La100은 La의 mol%가 100mol%인 것을 뜻하고, La0은 La의 mol%가 0mol%인 것을 뜻한다. Referring to FIG. 2, when the mol% of atoms constituting B in the composition of B1 to B6 is 100%, B1 is 100 mol% of La, B2 is 80mol% of La, B3 is 60mol% of La, B4 Is 40 mol% La, B5 is 20 mol% La and B6 is 0 mol% La. In Figure 2 La100 means that mol% of La is 100mol%, La0 means that mol% of La is 0mol%.
도 2에서 B1만이 소결 후에도 단일상인 BAl11O18(B는 La 또는 Y)로 구성되어 있는 특성을 보일 것이고 Y의 첨가에 따라서 Al2O3 또는 Y3Al5O12과 같은 2차상들을 나타낼 것이다.In FIG. 2, only B1 may exhibit a single phase BAl 11 O 18 (B is La or Y) even after sintering, and may show secondary phases such as Al 2 O 3 or Y 3 Al 5 O 12 depending on the addition of Y. will be.
본 발명에 따른 내플라즈마 특성을 갖는 희토류 산화물-알루미나계 세라믹의 경우 BAl11O18 조성에서 B 사이트는 LaxY1-x(0<x<1)로 구성되어 있는 것이 바람직하다.
In the case of the rare earth oxide-alumina ceramic having plasma characteristics according to the present invention, the B site is preferably composed of La x Y 1-x (0 <x <1) in the BAl 11 O 18 composition.
이하에서, 본 발명에 따른 내플라즈마 특성을 갖는 희토류 산화물-알루미나계 세라믹의 제조방법에 대하여 설명한다.Hereinafter, a method of manufacturing a rare earth oxide-alumina ceramic having plasma characteristics according to the present invention will be described.
A3Al5O12의 조성에서 A 사이트에 첨가될 원소를 함유하는 산화물 분말을 칭량하거나, BAl11O18의 조성을 갖도록 B 사이트에 첨가될 원소를 함유하는 산화물 분말을 각각 칭량한다. The oxide powder containing the element to be added to the A site in the composition of A 3 Al 5 O 12 is weighed, or the oxide powder containing the element to be added to the B site to have the composition of BAl 11 O 18 , respectively.
상기 A3Al5O12의 조성에서 A 사이트에는 희토류 원소인 Gd 및 Y가 함께 첨가될 수 있고, 이들 원소의 소스 원료인 산화물로는 Gd2O3, Y2O3 등을 사용할 수 있다. (GdxY1-x)3Al5O12(0<x≤0.8) 조성을 이루도록 Al2O3, Y2O3 및 Gd2O3의 몰비를 계산하여 Al2O3 분말, Y2O3 분말 및 Gd2O3 분말을 칭량한다. 이때, 불소계 플라즈마에 대한 식각 속도에 있어서 상기 A3Al5O12 조성의 희토류 산화물-알루미나계 세라믹이 Y3Al5O12 조성의 세라믹에 비하여 작도록 하기 위하여 A 사이트가 GdxY1-x(0<x≤0.5)로 이루어지게 Al2O3, Y2O3 및 Gd2O3의 몰비를 계산하여 Al2O3 분말, Y2O3 분말 및 Gd2O3 분말을 칭량할 수 있다.In the composition of A 3 Al 5 O 12 , Gd and Y, which are rare earth elements, may be added together to the A site, and Gd 2 O 3 , Y 2 O 3 , and the like may be used as oxides as source materials of these elements. (Gd x Y 1-x ) 3 Al 5 O 12 (0 <x≤0.8) Calculate the molar ratio of Al 2 O 3 , Y 2 O 3 and Gd 2 O 3 to form a composition Al 2 O 3 powder, Y 2 O 3 powder and Gd 2 O 3 powder are weighed. At this time, in order to make the rare earth oxide-alumina ceramic of the A 3 Al 5 O 12 composition smaller than that of the Y 3 Al 5 O 12 composition in the etching rate with respect to the fluorine-based plasma, the A site is Gd x Y 1-x Al 2 O 3 powder, Y 2 O 3 powder and Gd 2 O 3 powder can be weighed by calculating the molar ratios of Al 2 O 3 , Y 2 O 3 and Gd 2 O 3 to (0 <x≤0.5). have.
또한, 상기 BAl11O18 조성에서 B 사이트에는 희토류 원소인 La 및 Y가 함께 첨가될 수 있으며, La의 소스 원료는 La2O3이고 Y의 소스 원료는 Y2O3를 사용할 수 있다. (LaxY1-x)Al11O18(0<x<1) 조성을 이루도록 Al2O3, Y2O3 및 La2O3의 몰비를 계산하여 Al2O3,분말, Y2O3 분말 및 La2O3 분말을 칭량한다. 이때, 상기 BAl11O18 조성의 희토류 산화물-알루미나계 세라믹에서 알루미나(Al2O3) 결정상이 존재하지 않거나 매우 적게 함유되게 하기 위하여 B 사이트가 LaxY1-x(0.8≤x<1)로 이루어지게 Al2O3, Y2O3 및 La2O3의 몰비를 계산하여 Al2O3 분말, Y2O3 분말 및 La2O3 분말을 칭량할 수 있다.In addition, in the BAl 11 O 18 composition, the rare earth elements La and Y may be added together at the B site, the source material of La may be La 2 O 3, and the source material of Y may be Y 2 O 3 . (La x Y 1-x) Al 11 O 18 (0 <x <1) the composition fulfill Al 2 O 3, Y 2 O 3 and La 2 by calculating the molar ratio of O 3 Al 2 O 3, powder, Y 2 O 3 powder and La 2 O 3 powder are weighed. At this time, the B site is La x Y 1-x (0.8 ≦ x <1) so that the alumina (Al 2 O 3 ) crystal phase does not exist or is very small in the rare earth oxide-alumina-based ceramic having the BAl 11 O 18 composition. be made of Al 2 O 3, Y 2 O 3 and it is possible to calculate the molar ratio of La 2 O 3 were weighed to the Al 2 O 3 powder, Y 2 O 3 powder, and La 2 O 3 powder.
A 사이트에 첨가될 원소 또는 B 사이트에 첨가될 원소를 함유하는 소스 원료인 산화물 분말과 Al의 소스 원료인 Al2O3 분말을 혼합한다. 상기 혼합은 볼밀링 공정을 이용할 수 있다. An oxide powder, which is a source raw material containing an element to be added to the A site or an element to be added to a B site, and an Al 2 O 3 powder, which is a source raw material of Al, are mixed. The mixing may use a ball milling process.
이하에서, 볼 밀링 공정에 대하여 상세하게 설명한다. Hereinafter, the ball milling process will be described in detail.
볼 밀링기를 이용하여 일정 속도로 회전시켜 소스 원료들을 기계화학적으로 분쇄하고 균일하게 혼합한다. 볼 밀링에 사용되는 볼은 지르코니아와 같은 세라믹으로 이루어진 볼을 사용할 수 있으며, 볼은 모두 같은 크기의 것일 수도 있고 2가지 이상의 크기를 갖는 볼을 함께 사용할 수도 있다. 볼의 크기, 밀링 시간, 볼 밀링기의 분당 회전속도 등을 조절하여 목표하는 입자의 크기로 분쇄한다. 예를 들면, 입자의 크기를 고려하여 볼의 크기는 1㎜∼10㎜ 정도의 범위로 설정하고, 볼 밀링기의 회전속도는 50∼500rpm 정도의 범위로 설정할 수 있다. 볼 밀링은 목표하는 입자의 크기 등을 고려하여 1∼100 시간 동안 실시한다. 볼 밀링에 의해 소스 원료들은 미세한 크기의 입자로 분쇄되고, 균일한 입자 크기 분포를 갖게 되며, 균일하게 혼합되게 된다. The ball mill is rotated at a constant speed to mechanically grind and uniformly mix the source raw materials. The balls used for ball milling may use balls made of ceramics such as zirconia, and the balls may be all the same size or may be used with balls having two or more sizes. The size of the balls, the milling time, and the rotation speed per minute of the ball miller are adjusted so as to be crushed to the target particle size. For example, in consideration of the particle size, the size of the ball can be set in the range of about 1 mm to 10 mm, and the rotational speed of the ball mill can be set in the range of about 50 to 500 rpm. Ball milling is performed for 1 to 100 hours in consideration of the target particle size and the like. By ball milling, the source raw materials are ground to finely sized particles, have a uniform particle size distribution, and are mixed uniformly.
혼합이 완료된 슬러리가 침전되지 않도록 마그네틱 바를 이용하여 교반시키며 건조 공정을 실시한다. 상기 건조 공정은 60~100℃ 오븐에서 2~100시간 동안 항량 건조할 수 있다.A drying process is performed while stirring using a magnetic bar so that the mixed slurry is not precipitated. The drying process may be a constant drying for 2-100 hours in an
혼합된 소스 원료들을 몰드에 장입하고 성형한다. 상기 성형은 직경이 10~20mm의 금속 몰드에 장입하고 먼저 20~100MPa의 압력으로 소정시간(예컨대, 1∼10분간) 동안 일축 성형하고, 다시 120~300MPa의 압력으로 소정시간(예컨대, 1∼10분간) 동안 냉간 정수압 성형(Cold isostatic pressing)하여 실시할 수 있다. 이러한 과정을 통해서 A3Al5O12 또는 BAl11O18의 성형체를 제조할 수 있고 열응력이 발생하지 않는 희토류 산화물-알루미나계 세라믹의 구현이 가능하다. 또한 입자 사이에서 최밀 충진이 이루어진다. The mixed source raw materials are charged into a mold and molded. The molding is charged into a metal mold having a diameter of 10 to 20 mm, first uniaxially formed at a pressure of 20 to 100 MPa for a predetermined time (for example, 1 to 10 minutes), and then again to a predetermined time (for example, 1 to 1 to 120 MPa). 10 minutes) by cold isostatic pressing. Through this process it is possible to prepare a molded body of A 3 Al 5 O 12 or BAl 11 O 18 It is possible to implement a rare earth oxide-alumina ceramic that does not generate thermal stress. Also close packing is achieved between the particles.
성형한 시편을 소결하여 희토류 산화물-알루미나계 세라믹 소재를 형성한다. 상기 소결은 1500~1800℃ 정도의 온도에서 1~48시간 정도 실시하는 것이 바람직하다. 소결 공정은 소결 온도까지 2~10℃/min의 승온 속도로 승온시킨 후, 일정시간(예컨대, 1~48시간 정도)을 유지하여 소결하고, 상온까지 로냉하여 실시할 수 있다. 이때 소결 분위기는 산화분위기에서 소결하는 것이 바람직하다.
The molded specimen is sintered to form a rare earth oxide-alumina ceramic material. It is preferable to perform the said sintering for about 1 to 48 hours at the temperature of about 1500-1800 degreeC. The sintering step can be carried out by increasing the temperature to a sintering temperature at a temperature increase rate of 2 to 10 ° C./min, maintaining the constant time (for example, about 1 to 48 hours), and sintering to normal temperature. At this time, the sintering atmosphere is preferably sintered in an oxidizing atmosphere.
이하에서, 본 발명에 따른 내플라즈마 특성을 갖는 희토류 산화물-알루미나계 세라믹의 제조방법의 실험예들을 더욱 구체적으로 제시하며, 다음에 제시하는 실험예들에 본 발명이 한정되는 것은 아니다. Hereinafter, experimental examples of the method of preparing a rare earth oxide-alumina ceramic having plasma characteristics according to the present invention will be described in more detail, and the present invention is not limited to the following experimental examples.
아래의 실험예들에서는 Gd-Y-Al계와 La-Y-Al계의 삼성분계 상태도에서 가장 희토류 산화물을 적게 사용하면서 안정된 화합물을 만드는 Y3Al5O12와 LaAl11O18에 각각 Y 대신에 Gd을, La 대신 Y을 치환하면서 상안정영역을 조사하였다. 제조된 시험편을 불소계 플라즈마에 노출시킨 후 식각율을 측정하고 표면의 조성을 X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy; XPS)을 이용하여 분석하였다.In the experiments below, Y 3 Al 5 O 12 and LaAl 11 O 18 instead of Y are used instead of Y 3 Al 5 O 12 and LaAl 11 O 18 to make stable compounds with the least rare earth oxides in the Gd-Y-Al and La-Y-Al system. The upper stable region was examined while substituting Gd and Y instead of La. After exposing the prepared specimen to fluorine-based plasma, the etch rate was measured and the composition of the surface was analyzed using X-ray photoelectron spectroscopy (XPS).
플라즈마에 노출된 시험편의 화학조성 및 화학결합 상태를 분석하기 위하여 XPS(PHI 5000, Ulvac-phi Co., Japan)를 사용하였다. 한편 소결체의 결정상을 분석하기 위하여 고출력 X-선 회절기(D/max-2500, Rigaku, Japan)를 이용하여 15kV, 30mA의 조건에서 10o/min의 속도로 분쇄된 소결체의 분말을 스캔하여 회절패턴을 얻었다. 표면의 미세구조와 성분을 관찰하기 위하여 시험편을 백금으로 코팅한 후 FE-SEM(JSM-6701F, Jeol, Japan)을 이용하여 분석하였다. 또한 시험편의 식각깊이를 표면 프로파일러(surface profiler)(surfcorder ET3000, Kosaka Lab., Japan)를 이용하여 측정하였다.
XPS (
<실험예 1><Experimental Example 1>
Al2O3(AKP-30, Sumitomo Chemical Co., Japan), Y2O3(C-grade, H.C. Stark, Germany) 및 Gd2O3(99.9%, Kojundo Chemical Co, Japan)를 소스 원료로 사용하였다. Al 2 O 3 (AKP-30, Sumitomo Chemical Co., Japan), Y 2 O 3 (C-grade, HC Stark, Germany) and Gd 2 O 3 (99.9%, Kojundo Chemical Co, Japan) as source raw materials Used.
실험에 사용된 조성은 도 1에 표시된 바와 같이, Al2O3-GdAlO3-YAlO3계에서 가넷인 A3Al5O12의 결정상을 가지는 경우, A를 구성하는 원자의 mol%를 100%라고 할 때, A1은 Gd가 100mol%, A2는 Gd가 80mol%, A3는 Gd가 60mol%, A4는 Gd가 40mol%, A5는 Gd가 20mol% 및 A6는 Gd가 0mol%가 되도록 칭량하였다. As shown in FIG. 1, the composition used in the experiment was 100% by mol% of atoms constituting A when the crystal phase of A 3 Al 5 O 12 , which is a garnet in an Al 2 O 3 -GdAlO 3 -YAlO 3 system, was used. When A1 is 100 mol% Gd, A2 is 80 mol% Gd, A3 is 60 mol% Gd, A4 is 40 mol% Gd, A5 is 20 mol% Gd and A6 is 0 mol% Gd.
준비된 소스 원료를 에탄올을 용매로 하여 분산제(RE 610, Rhodia Co., USA)를 첨가하였다. 분산제가 첨가된 에탄올의 혼합 용액에 Al2O3 볼을 사용하여 20시간 동안 밀링하였다. 혼합이 완료된 슬러리를 핫 플레이트 위에서 교반하며 일차 건조한 후, 80℃의 오븐에서 12시간 동안 추가 건조하고, 유발을 이용하여 분쇄한 분말 원료를 준비하였다. As a prepared source material, a dispersant (RE 610, Rhodia Co., USA) was added using ethanol as a solvent. The mixed solution of ethanol to which the dispersant was added was milled for 20 hours using Al 2 O 3 balls. The mixed slurry was first dried while stirring on a hot plate, and then further dried in an oven at 80 ° C. for 12 hours to prepare a powder raw material ground using a mortar.
준비된 분말을 지름 10mm의 금속 몰드에 충진하고, 저압으로 1차 성형한 후냉간 정수압 성형기(Cold isostatic press; CIP)를 사용하여 200MPa의 압력으로 두께 2mm의 성형체를 얻었다. The prepared powder was filled into a metal mold having a diameter of 10 mm, and first molded at low pressure, and then a molded product having a thickness of 2 mm was obtained at a pressure of 200 MPa using a cold isostatic press (CIP).
성형된 시험편을 대기 분위기 하에서 5℃/min로 1680℃까지 승온한 후 4시간 동안 소결하고 로냉하여 소결체를 제조하였다. The molded test piece was heated to 1680 ° C. at 5 ° C./min in an air atmosphere, sintered for 4 hours, and cooled to prepare a sintered body.
소결이 끝난 시험편을 9,3,1(㎛) 단계의 다이아몬드 페이스트를 사용하여 경면 연마하였으며, 아세톤에서 초음파를 사용하여 세척하였다. The sintered test pieces were mirror polished using a 9,3,1 (μm) diamond paste, and washed with ultrasonic waves in acetone.
연마한 시험편 표면의 중간 영역을 폭 0.3mm만 노출되도록 켑톤 테이프를 사용하여 마스킹하였다. 내플라즈마성을 평가할 식각 장치로는 ICP(Inductively coupled plasma) 형의 식각 장치(Versaline, UNAXIS Co, USA)를 사용하였다. The intermediate region of the polished test piece surface was masked using a Jabton tape so that only 0.3 mm in width was exposed. An etching apparatus of ICP type (Versaline, UNAXIS Co, USA) was used as an etching apparatus to evaluate the plasma resistance.
식각 가스로는 CF4와 O2를 사용하였고, 플라즈마에 노출시킨 시간은 10분씩 6번을 노출시켜 총 60분이었다. 표 1은 본 발명에 따른 내플라즈마 특성을 갖는 희토류 산화물-알루미나계 세라믹의 식각 조건을 나타내는 표이다.CF 4 and O 2 were used as the etching gas, and the exposure time to the plasma was 60 minutes with six exposures of 10 minutes each. Table 1 is a table showing the etching conditions of the rare earth oxide-alumina ceramic having a plasma resistance according to the present invention.
도 3은 본 발명에 따라 (Gd·Y)3Al5O12 조성에서 전체 희토류 원소 중에서 Y의 함량을 20mol% 씩 변화시킴에 따라 발생하는 결정상의 변화를 보여주는 그래프이다.3 is a graph showing a change in crystal phase generated by changing the content of Y by 20 mol% of the total rare earth elements in the composition (Gd · Y) 3 Al 5 O 12 according to the present invention.
도 3을 참조하면, Gd100의 경우를 제외하고는 가넷 결정구조를 보인다.Referring to FIG. 3, except for Gd100, the garnet crystal structure is shown.
Y의 함량을 20mol% 씩 변화시킴에 따라 발생하는 결정상의 변화를 볼 때, 희 토류 원소 중 Gd의 상대적 함량이 0~80mol%의 범위에서 가넷의 결정 구조를 가진 상만이 존재하다가 Gd의 함량이 100mol%가 될 때 가넷 상이 불안정해지고, GdAlO3 와 Al2O3로 상분리가 일어난다. 따라서 본 발명에 따른 내플라즈마 특성을 갖는 희토류 산화물-알루미나계 세라믹으로서 A3Al5O12 조성에서 A 사이트가 GdxY1-x(0<x≤0.8)인 경우 가넷의 단일상(monolithic phase) 만으로 구성되어 있다고 할 수 있다.
In view of the change of the crystal phase caused by changing the Y content by 20 mol%, only a phase having a gannet crystal structure exists in the range of 0 to 80 mol% of the relative content of Gd among the rare earth elements, and the content of Gd At 100 mol%, the garnet phase becomes unstable and GdAlO 3 Phase separation takes place with and Al 2 O 3 . Therefore, as a rare earth oxide-alumina ceramic having plasma properties according to the present invention, when the A site is Gd x Y 1-x (0 <x≤0.8) in the composition of A 3 Al 5 O 12 , the monolithic phase of the garnet It can be said that it consists only of).
도 4는 본 발명에 따라 Gd의 첨가량에 따른 가넷(garnet), GdAlO3 및 Al2O3의 상대적인 몰 분율을 나타내는 그래프이다. 4 is a graph showing the relative mole fraction of garnet, GdAlO 3 and Al 2 O 3 according to the amount of Gd added according to the present invention.
도 4를 참조하면, X선 회절에서 겹침이 적은 피크 사이의 회절강도비가 나타나고, 그 변화가 표시되어 있다. (Gd·Y)3Al5O12에서 가넷 구조의 회절피크 강도인 I(211), GdAlO3 구조의 I(110), 코런덤(corundum) 구조의 I(104)로부터 각 상의 상대적인 양을 추정하였다. 도 4로부터 가넷 구조를 가지는 (Gd·Y)3Al5O12의 고용체의 범위가 매우 넓다고 판단할 수 있다. 도 4에서 오른쪽 방향은 Gd의 mol%가 증가하는 방향이고, 상대적으로 왼쪽 방향은 Y의 mol%가 증가하는 방향이 된다. Referring to Fig. 4, the diffraction intensity ratio between peaks with little overlap in X-ray diffraction appears, and the change is indicated. Estimate the relative amounts of each phase from the diffraction peak intensities of the garnet structure I (211) , I (110) of the GdAlO 3 structure, and I (104) of the corundum structure in (Gd · Y) 3 Al 5 O 12 It was. From Figure 4 it can be determined (Gd · Y) is very wider range of 3 Al 5 O 12 solid solution having a garnet structure. In FIG. 4, the right direction is a direction in which mol% of Gd is increased, and the left direction is a direction in which mol% of Y is increased.
이러한 고용범위의 차이는 이온 크기의 변화에 따른 것으로 보인다.This difference in solid solution appears to be due to the change in ion size.
Gd3 +와 Y3 +의 이온 크기를 고찰하면, Gd3 +가 0.94Å, Y3 +가 0.9Å로서 Gd3 +는 Y3+보다 약 4.4% 큰 이온 크기를 가지고 있다. 따라서, Gd3 +는 쉽게 Y3 +로 치환될 수 있어 고용범위가 넓다.
If you consider the size of the ion Gd + 3 and Y 3 +, Gd 3 + is Gd + 3 as 0.94Å, Y 3 + a 0.9Å has a large ionic size, about 4.4% more than Y 3+. Thus, Gd + 3 is the employment wide range can be easily substituted by Y 3 +.
도 5와 도 6은 각각 Y의 함량이 60, 0mol%인 경우에 대하여 반사전자이미지로 측정된 미세구조를 보여주는 전계 방사 주사전자현미경(Field emission scanning electron microscope; FE-SEM) 사진이다. 5 and 6 are field emission scanning electron microscope (FE-SEM) photographs showing microstructures measured by reflecting electron images for the case where the Y content is 60 and 0 mol%, respectively.
도 5를 참조하면, Gd의 함량이 40mol%(Gd40)일 때 단일상으로 구성되어 있는 것을 확인할 수 있다. EDX 분석 상으로도, Y:Gd의 원자비가 65:35로 출발 조성으로부터 예상되는 값과 유사한 결과를 보여주었다.Referring to Figure 5, it can be seen that when the content of Gd is 40mol% (Gd40) is composed of a single phase. The EDX analysis also showed that the atomic ratio of Y: Gd was 65:35, similar to the value expected from the starting composition.
도 6을 참조하면, X선 회절 분석에서 예측되는 것과 같이, (Gd·Y)3Al5O12의 경우 Gd가 100mol%(Gd100)일 때 밝은 색상의 GdAlO3와 어두운 색상의 Al2O3를 확인할 수 있다. Referring to FIG. 6, in the case of (Gd · Y) 3 Al 5 O 12 , when Gd is 100 mol% (Gd100), light-colored GdAlO 3 and dark-colored Al 2 O 3 as predicted by X-ray diffraction analysis You can check.
따라서 X선 회절 분석 결과와 종합하여 보면, (Gd·Y)3Al5O12의 고용체 범위는 희토류 원소 중 Gd 함량을 기준으로 판단할 때 80mol% 이상이라고 할 수 있다.
Therefore, when combined with the results of X-ray diffraction analysis, the solid solution range of (Gd · Y) 3 Al 5 O 12 may be 80 mol% or more, based on the Gd content in the rare earth elements.
도 7은 Al2O3-GdAlO3-YAlO3계에서 조성에 따른 1680℃에서의 상평형도이다. 7 is a phase equilibrium diagram at 1680 ° C. according to the composition of Al 2 O 3 -GdAlO 3 -YAlO 3 system.
도 7을 참조하면, C에서 D까지 A3Al5O12(A는 Gd 또는 Y)가 고용체(Solid solution)의 형태를 이루며, A 사이트에 들어가는 입자로는 Gd 또는 Y이 들어가게 된다. C 지점이 Gd가 80mol%가 되는 지점이다. 이에 대하여 D 지점은 Gd가 0mol%가 되는 지점이다.Referring to FIG. 7, A 3 Al 5 O 12 (A is Gd or Y) from C to D forms a solid solution, and particles entering the A site include Gd or Y. The point C is a point at which Gd becomes 80 mol%. In contrast, the point D is a point at which Gd becomes 0 mol%.
상기 C에서 D까지는 조성의 변화에 상관없이 가넷의 단일상으로 구성되어 있다는 것은 도 3의 X선 회절 분석에서 확인한 바 있다.
It was confirmed in the X-ray diffraction analysis of Figure 3 that the C to D is composed of a single phase of the garnet irrespective of the change in composition.
도 8은 본 발명에 따른 불소 플라즈마의 조건에서 에치되는 속도를 보여주는 그래프이다. 도 8에서 가로축은 Gd의 함량을 나타낸다. 오른쪽으로 갈수록 Gd의 함량이 증가한다. 본 발명에 따른 결과와 비교하기 위해서 동일한 조건에서 쿼츠(quartz) 유리, 사파이어(sapphire) 및 Y2O3에 대한 에치 속도를 같이 기록하였다. 8 is a graph showing the rate of etching under the conditions of fluorine plasma according to the present invention. In Figure 8, the horizontal axis represents the content of Gd. To the right, the content of Gd increases. The etch rates for quartz glass, sapphire and Y 2 O 3 were reported together under the same conditions for comparison with the results according to the invention.
도 8을 참조하면, Y2O3의 에치 속도가 가장 느리다는 것을 알 수 있다. Referring to FIG. 8, it can be seen that the etch rate of Y 2 O 3 is the slowest.
플라즈마 에칭에 의한 식각 속도는 Gd나 Y의 치환보다는 희토류 금속이 포함되어 있는 비율에 따라 달라진다는 것을 알 수 있다. 예를 들어 고용체를 나타내는 (GdxY1 -x)3Al5O12(0<x≤0.8) 소결체에서 희토류 함량 중 Gd의 함량이 0~80mol% 변화함에 따라 식각 속도의 최대 편차는 ±15%에 불과하였다. A3Al5O12 조성의 희토류 산화물-알루미나계 세라믹에서 A 사이트가 GdxY1-x(0<x≤0.5)로 이루어지는 경우 불소계 플라즈마에 대한 식각 속도가 Y3Al5O12 조성의 세라믹에 비하여 작다.It can be seen that the etching rate by plasma etching is more dependent on the proportion of rare earth metals than the substitution of Gd or Y. For example, in the (Gd x Y 1 -x ) 3 Al 5 O 12 (0 <x≤0.8) sinter, which represents a solid solution, the maximum deviation of the etching rate is ± 15 as the Gd content of the rare earth content changes from 0 to 80 mol%. It was only%. In the rare earth oxide-alumina ceramic having A 3 Al 5 O 12 composition, when the A site is Gd x Y 1-x (0 < x ≦ 0.5), the etching rate with respect to the fluorine plasma is Y 3 Al 5 O 12 Small compared to
희토류 금속에 따라서 플라즈마 에칭에 의한 식각 속도가 달라지는 이유는 불소화합물의 생성과 관련이 있다고 판단된다.The reason why the etching rate by plasma etching varies depending on the rare earth metal is considered to be related to the generation of fluorine compounds.
주어진 표 1에 따른 실험 조건에서 쿼츠 유리의 식각 속도 대비 각 소재의 식각 속도를 살펴 보면, 사파이어 단결정은 약 18.6%, Y2O3는 1.5%, (GdxY1 -x)3Al5O12(0<x<1)는 2.8~3.8%의 식각율을 보였다.
In the experimental conditions according to the given Table 1, the etching rate of each material to the etching rate of quartz glass is about 18.6% for sapphire single crystal, 1.5% for Y 2 O 3 , and (Gd x Y 1 -x ) 3 Al 5 O 12 (0 <x <1) showed an etching rate of 2.8 ~ 3.8%.
<실험예 2><Experimental Example 2>
Al2O3(AKP-30, Sumitomo Chemical Co., Japan), Y2O3(C-grade, H.C. Stark, Germany) 및 La2O3(99.9%, Kojundo Chemical Co, Japan)를 소스 원료로 사용하였다. Al 2 O 3 (AKP-30, Sumitomo Chemical Co., Japan), Y 2 O 3 (C-grade, HC Stark, Germany) and La 2 O 3 (99.9%, Kojundo Chemical Co, Japan) as source raw materials Used.
실험에 사용된 조성은 도 2에 표시된 바와 같이, Al2O3-LaAlO3-YAlO3계에서 BAl11O18(B는 La 또는 Y)의 조성에서 B를 구성하는 원자의 mol%를 100%라고 할 때, B1은 La이 100 mol%, B2는 La이 80mol%, B3는 La이 60mol%, B4는 La이 40mol%, B5는 La이 20mol% 및 B6는 La이 0mol%가 되도록 칭량하였다. The composition used in the experiment is 100% mol% of the atoms constituting B in the composition of BAl 11 O 18 (B is La or Y) in the Al 2 O 3 -LaAlO 3 -YAlO 3 system, as shown in FIG. In this case, B1 is 100 mol% of La, B2 is 80mol% of La, B3 is 60mol% of La, B4 is 40mol% of La, B5 is 20mol% of La and B6 is 0mol% of La. .
준비된 소스 원료를 에탄올을 용매로 하여 분산제(RE 610, Rhodia Co., USA)를 첨가하였다. 분산제가 첨가된 에탄올의 혼합 용액에 Al2O3 볼을 사용하여 20시간 동안 밀링하였다. 혼합이 완료된 슬러리를 핫 플레이트 위에서 교반하며 일차 건조한 후, 80℃의 오븐에서 12시간 동안 추가 건조하고, 유발을 이용하여 분쇄한 분말 원료를 준비하였다. As a prepared source material, a dispersant (RE 610, Rhodia Co., USA) was added using ethanol as a solvent. The mixed solution of ethanol to which the dispersant was added was milled for 20 hours using Al 2 O 3 balls. The mixed slurry was first dried while stirring on a hot plate, and then further dried in an oven at 80 ° C. for 12 hours to prepare a powder raw material ground using a mortar.
준비된 분말을 지름 10mm의 금속 몰드에 충진하고, 저압으로 1차 성형한 후냉간 정수압 성형기(Cold isostatic press; CIP)를 사용하여 200MPa의 압력으로 두께 2mm의 성형체를 얻었다. 성형된 시험편을 대기 분위기 하에서 5℃/min으로 1680℃까지 승온한 후 4시간 동안 소결하고 로냉하여 소결체를 제조하였다. The prepared powder was filled into a metal mold having a diameter of 10 mm, and first molded at low pressure, and then a molded product having a thickness of 2 mm was obtained at a pressure of 200 MPa using a cold isostatic press (CIP). The molded test piece was heated to 1680 ° C. at 5 ° C./min in an air atmosphere, sintered for 4 hours, and cooled to prepare a sintered body.
소결이 끝난 시험편을 9,3,1(㎛) 단계의 다이아몬드 페이스트를 사용하여 경면 연마하였으며, 아세톤에서 초음파를 사용하여 세척하였다. The sintered test pieces were mirror polished using a 9,3,1 (μm) diamond paste, and washed with ultrasonic waves in acetone.
연마한 시험편 표면의 중간 영역을 폭 0.3mm만 노출되도록 켑톤 테이프를 사용하여 마스킹하였다. The intermediate region of the polished test piece surface was masked using a Jabton tape so that only 0.3 mm in width was exposed.
식각 가스로는 CF4와 O2를 사용하였고, 플라즈마에 노출시킨 시간은 10분씩 6회 노출시켜 총 60분이었다. 실험 조건은 실시예 1과 동일하게 표 1의 조건에서 실시하였다.
CF 4 and O 2 were used as the etching gas, and the exposure time to the plasma was 60 minutes with six exposures of 10 minutes each. Experimental conditions were carried out under the conditions of Table 1 in the same manner as in Example 1.
도 9는 본 발명에 따라 (La·Y)Al11O18 조성에서 전체 희토류 원소 중에서 Y의 함량을 20mol% 씩 변화시킴에 따라 발생하는 결정상의 변화를 보여주는 그래프이다.9 is a graph showing a change in crystal phase generated by changing the content of Y by 20 mol% of the total rare earth elements in the (La · Y) Al 11 O 18 composition according to the present invention.
도 9를 참조하면, La100인 경우를 제외하고는 모두 Y2O3와 가넷(Y3Al5O12)의 상이 관찰된다. (La·Y)Al11O18 조성은 희토류 원소중 La 의 상대적 함량이 80 mol % 일 때 이미 가넷(garnet)과 코런덤(corundum) 구조의 결정상이 나타나고, La가 감소함에 따라 (La·Y)Al11O18의 상이 줄어들다가 La의 함량이 0mol%가 되었을 때 가넷 구조의 Y3Al5O12와 코런덤(corundum) 구조의 Al2O3 결정상만으로 구성된다.
Referring to FIG. 9, except for
도 10은 본 발명에 따라 Y의 첨가량에 따른 (La·Y)Al11O18, 가넷 및 Al2O3의 상대적인 몰 분율을 나타내는 그래프이다. 10 is a graph showing the relative mole fraction of (La · Y) Al 11 O 18 , garnet and Al 2 O 3 according to the amount of Y added according to the present invention.
도 10을 참조하면, X선 회절에서 겹침이 적은 피크 사이의 회절강도비가 나타나고, 그 변화가 표시되어 있다. (La·Y)Al11O18에서 코런덤 구조의 회절피크 강도인 I(104), 가넷 구조의 I(211), LaAl1O18의 I(012)로부터 각 상의 상대적인 양을 추정하였다. 도 10으로부터 (La·Y)Al11O18의 고용체의 범위가 매우 좁으며 넓은 조성영역에서 세 가지 상이 공존하는 것을 확인할 수 있었다. 도 10에서 오른쪽 방향은 La의 mol%가 증가하는 방향이고, 상대적으로 왼쪽 방향은 Y의 mol%가 증가하는 방향이 된다. Referring to Fig. 10, the diffraction intensity ratio between peaks with little overlap in X-ray diffraction appears, and the change is indicated. (La · Y) Al 11 O 18 each on the relative amounts from the diffraction peak intensity in I (104), I (211 ), I (012) of LaA l1 O 18 garnet structure of the corundum structure were estimated from. 10, it was confirmed that the range of the solid solution of (La · Y) Al 11 O 18 was very narrow and three phases coexist in a wide range of composition. In FIG. 10, the right direction is a direction in which mol% of La increases, and the left direction is a direction in which mol% of Y increases.
이러한 고용범위의 차이는 La3 +, Y3 +의 이온 크기의 변화와 연관지어 생각할 수 있다. Y3 +가 0.9Å이고, La3 +는 1.03Å이다. 따라서 La3 +는 약 14.4%로 큰 이온 크기를 가지고 있다. 따라서 La3 +는 Y3 +이온과 쉽게 치환될 수 없어서 고용의 범위가 좁음을 추정할 수 있다.
These differences in employment ranges can be considered in conjunction with the change of the ion size of La 3 +, Y 3 +. And Y + 3 are 0.9Å, La 3 + is 1.03Å. Therefore, La 3 + has a larger ionic size of about 14.4%. Therefore, La 3 + cannot be easily substituted with Y 3 + ions, so it can be estimated that the range of solid solution is narrow.
도 11과 도 12는 각각 Y의 함량이 60, 0mol%인 경우에 대하여 반사전자이미지로 측정된 미세구조를 보여주는 전계 방사 주사전자현미경(Field emission scanning electron microscope; FE-SEM) 사진이다. 11 and 12 are field emission scanning electron microscope (FE-SEM) photographs showing microstructures measured by reflecting electron images for the case where the Y content is 60 and 0 mol%, respectively.
도 11을 참조하면, La의 함량이 40mol%(La40)일 때, 반사전자이미지를 살펴보면, E1, E2 및 E3의 세가지 상이 존재한다는 것을 알 수 있다. EDX 분석 결과 E1은 Y3Al5O12의 가넷 결정으로, E2는 LaAl11O18 결정으로, E3는 Al2O3로 확인되었다. Referring to FIG. 11, when the La content is 40 mol% (La40), the reflection electron image shows that three phases, E1, E2, and E3, exist. EDX analysis confirmed that E1 is a garnet crystal of Y 3 Al 5 O 12 , E2 is a LaAl 11 O 18 crystal and E3 is Al 2 O 3 .
도 12를 참조하면, La의 함량이 100mol%(La100)일 때 LaAl11O18의 단일상으로 구성되어 있다. Referring to Figure 12, when the La content is 100mol% (La100) is composed of a single phase of LaAl 11 O 18 .
상기와 같은 결과는 희토류 원소 사이의 이온 크기 차이로부터 예상한 결과와 일치하는 결과이다.
These results are in agreement with the results expected from the difference in ion size between the rare earth elements.
도 13은 Al2O3-LaAlO3-YAlO3계에서 조성에 따른 1680℃에서의 상평형도이다. FIG. 13 is a phase equilibrium diagram at 1680 ° C. according to the composition of an Al 2 O 3 —LaAlO 3 —YAlO 3 system.
도 13을 참조하면, BAl11O18(B는 La 또는 Y)가 고용체를 이루는 범위가 좁다.
Referring to FIG. 13, the range in which BAl 11 O 18 (B is La or Y) forms a solid solution is narrow.
도 14는 본 발명에 따른 불소 플라즈마의 조건에서 에치되는 속도를 보여주는 그래프이다. 도 14에서 가로축은 La의 함량을 나타낸다. 오른쪽으로 갈수록 La의 함량이 증가한다. 본 발명에 따른 결과와 비교하기 위해서 동일한 조건에서 쿼츠(quartz) 유리, 사파이어(sapphire) 및 Y2O3에 대한 에치 속도를 같이 기록하였다. 14 is a graph showing the rate of etch in the conditions of fluorine plasma according to the present invention. In Figure 14, the horizontal axis represents the content of La. To the right, the La content increases. The etch rates for quartz glass, sapphire and Y 2 O 3 were reported together under the same conditions for comparison with the results according to the invention.
도 14를 참조하면, BAl11O18(B는 La 또는 Y)의 불소 플라즈마 에치 속도가 20~40nm/min이라는 확인이 가능하다. 주어진 표 1에 따른 실험 조건에서 쿼츠 유리의 식각 속도 대비 각 소재의 식각 속도를 살펴 보면, 사파이어 단결정은 약 18.6%, Y2O3는 1.5%, (LaY)Al11O18 소결체는 8.6~11.1%의 식각율을 보였다. BAl11O18 조성의 희토류 산화물-알루미나계 세라믹에서 B 사이트가 LaxY1-x(0<x<1)로 이루어지는 경우 불소계 플라즈마에 대한 식각 속도가 LaAl11O18 조성의 세라믹에 비하여 작은 것을 확인할 수 있다.
Referring to Figure 14, it can be confirmed that the fluorine plasma etch rate of BAl 11 O 18 (B is La or Y) is 20 ~ 40nm / min. In the experimental conditions according to the given Table 1, the etching rate of each material to the etching rate of quartz glass is about 18.6% for sapphire single crystal, 1.5% for Y 2 O 3 , and 8.6 ~ 11.1 for (LaY) Al 11 O 18 sintered body. The etching rate was%. Rare earth oxides BAl 11 O 18 composition - that when the B-site in an alumina-based ceramic consisting of La x Y 1-x (0 <x <1) the etch rate for a fluorine-based plasma small compared to the ceramic of LaAl 11 O 18 composition You can check it.
도 15는 본 발명에 따른 LaAl11O18 소결체의 Al 원자의 2p의 전자에 대한 결합에너지를 보여주는 그래프이다. 15 is LaAl 11 O 18 according to the present invention This graph shows the binding energy of 2p electrons of Al atoms in the sintered body.
도 15를 참조하면, LaAl11O18 소결체는 Al 2p의 결합에너지가 위쪽으로 약간 이동되어 있다는 것을 확인할 수 있다. Referring to FIG. 15, LaAl 11 O 18 Sintered body can be seen that the binding energy of Al 2p is slightly moved upward.
X선 광전자 분광법(X-ray photoelectron spectroscopy; XPS)을 이용하여 플라즈마에 노출된 표면의 조성과 화학결합상태를 분석하였다. XPS는 X-레이를 시료의 표면에 주사하여 시료에서 나오는 전자의 운동에너지로부터 튀어나온 전자의 결합에너지를 구하기 위하여 사용되는 도구이다. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) was used to analyze the composition and chemical bonding of the surface exposed to the plasma. XPS is a tool used to scan the X-rays on the surface of the sample to find the binding energy of the electrons protruding from the kinetic energy of the electrons coming out of the sample.
표 2는 LaAl11O18 소결체의 표면 성분 분석 결과를 나타낸 것으로 조성 계산에 사용한 원자 감도 팩터(atomic sensitivity factor)를 병기하여 나타내었다. 다만, BAl11O18 소결체에 대하여 불소 플라즈마 환경에서 식각 속도 측정이 이루어진 뒤이기 때문에 표층에는 LaF3 또는 AlF3가 형성되어 있을 것이라고 판단된다. 따라서 Al에서 2p 주기에 있는 전자의 결합에너지는 F와 Al의 화합결합에 의한 것이라고 보인다. Table 2 shows LaAl 11 O 18 The surface component analysis result of the sintered compact was shown, and the atomic sensitivity factor used for composition calculation was shown together. However, BAl 11 O 18 Since back to fluorine plasma environment consisting of the etch rate measurement on the sintered body, the surface layer is determined that there is a LaF 3 or AlF 3 is formed. Therefore, the binding energy of electrons in the 2p period in Al seems to be due to the combined bonding of F and Al.
표 2를 참조하면 표면의 불소함량이 매우 높은 것을 확인 할 수 있었고, 양이온과 불소이온의 결합을 확인하기 위하여 표면 카본의 XPS 피크 위치 285 eV를 기준으로 교정된 Al 피크를 관찰하였다. Referring to Table 2, it was confirmed that the surface of the fluorine content is very high, and to confirm the binding of the cation and the fluorine ion, the Al peak calibrated based on the XPS peak position 285 eV of the surface carbon was observed.
(Atomic sensitivity factor for composition calculation)Atomic sensitivity factor
(Atomic sensitivity factor for composition calculation)
통상적인 산화물에서 관찰되는 Al2p의 위치 73.8 eV와 비교하여 플라즈마에 노출된 경우 결합에너지가 약 1.8 eV 정도 높은 쪽으로 이동한 것이 관찰되었다.It was observed that the binding energy shifted up to about 1.8 eV when exposed to plasma compared to the position 73.8 eV of Al 2p observed in the conventional oxide.
이로부터 BAl11O18(B는 La)와 F 이온의 충돌에 의하여 발생하는 불소화합물인 AlF3에서 Al 2p의 결합에너지가 74~77eV인 것으로 보인다. From these results, the binding energy of Al 2p in AlF 3 , a fluorine compound generated by the collision of BAl 11 O 18 (B is La) and F ions, is 74 ~ 77 eV.
Al2p의 결합 에너지가 증가하는 것은 전기음성도가 높은 불소가 시험편의 표면에서 알루미늄과 결합하면서 알루미늄 이온이 보다 더 양성으로 변화하여 코어 레벨(core level) 2p의 전자탈출 에너지 장벽이 높아졌기 때문으로 생각할 수 있다. 따라서 표면에서의 불소함량의 증가와 피크 위치의 변화가 동일한 경향을 보여준다고 할 수 있다.
The increase in the binding energy of Al 2p can be thought to be due to the higher electron-extraction energy barrier at core level 2p, as the electronegative fluorine binds to aluminum on the surface of the test specimen, making the aluminum ions more positive. Can be. Therefore, it can be said that the increase of the fluorine content on the surface and the change of the peak position show the same tendency.
이상, 본 발명의 바람직한 실시예를 들어 상세하게 설명하였으나, 본 발명은 상기 실시예에 한정되는 것은 아니며, 본 발명의 기술적 사상의 범위 내에서 당 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의하여 여러 가지 변형이 가능하다.While the present invention has been particularly shown and described with reference to exemplary embodiments thereof, it is to be understood that the invention is not limited to the disclosed exemplary embodiments, This is possible.
Claims (10)
A rare earth oxide-alumina ceramic having A 3 Al 5 O 12 composition, wherein the A site is composed of Gd x Y 1-x (0 <x≤0.8), and has a structure in which Gd and Y are atomically substituted with each other. In the rare earth oxide-alumina ceramic of (Gd x Y 1-x ) 3 Al 5 O 12 composition containing a solid solution garnet crystal phase, I (211) which is the diffraction peak intensity of the garnet structure and the diffraction peak of the GdAlO 3 structure When the relative amounts of the garnet crystal phase, the GdAlO 3 crystal phase, and the corundum crystal phase were measured from the intensity I (110) and the diffraction peak intensity of the corundum structure ( I 104) , the amount of the corundum crystal phase was the total crystal phase. Rare earth oxide-alumina ceramics having plasma properties, characterized in that less than or equal to 10% by weight.
Rare earth oxide-alumina ceramic with BAl 11 O 18 composition, B site consisting of La x Y 1-x (0 <x <1), containing LaAl 11 O 18 crystal phase and garnet crystal phase, Rare earth oxide-alumina-based ceramics having plasma properties, characterized in that the etching rate is smaller than that of the LaAl 11 O 18 composition.
The rare earth oxide-alumina ceramic according to claim 1 or 2, wherein the rare earth oxide-alumina ceramic has an etching rate lower than that of quartz and sapphire under fluorine plasma etching conditions. .
According to claim 1, The rare earth oxide-alumina-based ceramic of the A 3 Al 5 O 12 composition of the A site is Gd x Y 1-x (0 < x ≤ 0.5) the etching rate for the fluorine-based plasma Y 3 A rare earth oxide-alumina-based ceramic having plasma characteristics, which is smaller than that of an Al 5 O 12 composition.
3. The method of claim 2, (La x Y 1-x ) Al 11 O 18 composition of the rare earth oxide - and 0.8≤x <1 in the range of alumina-based ceramic, the nose and the diffraction peak intensity I (104) of reondeom structure, garnet amount of the diffraction peak intensity in I (211) of the structure, as from a diffraction peak intensity in I (012) of LaAl 11 O 18 as measured by the relative amount of the corundum crystalline phase, garnet crystal phase and LaAl 11 O 18 crystal corundum crystals A rare earth oxide-alumina ceramic having plasma characteristics, characterized in that less than or equal to 10% of the total crystal phase.
(GdxY1-x)3Al5O12(0<x≤0.8) 조성을 이루도록 Al2O3, Y2O3 및 Gd2O3의 몰비를 계산하여 Al2O3 분말, Y2O3 분말 및 Gd2O3 분말을 칭량하고 혼합하는 단계;
상기 Al2O3, Y2O3 및 Gd2O3의 혼합물을 최밀 충진이 되도록 성형하는 단계; 및
성형된 결과물을 1500~1800℃의 온도에서 소결하는 단계를 포함하는 내플라즈마 특성을 갖는 희토류 산화물-알루미나계 세라믹의 제조방법.
In the method for producing a rare earth oxide-alumina ceramic of A 3 Al 5 O 12 composition,
(Gd x Y 1-x ) 3 Al 5 O 12 (0 <x≤0.8) Calculate the molar ratio of Al 2 O 3 , Y 2 O 3 and Gd 2 O 3 to form a composition Al 2 O 3 powder, Y 2 O Weighing and mixing 3 powder and Gd 2 O 3 powder;
Molding the mixture of Al 2 O 3 , Y 2 O 3 and Gd 2 O 3 to form a closest fill; And
Method for producing a rare earth oxide-alumina ceramic having a plasma resistance characteristics comprising the step of sintering the molded product at a temperature of 1500 ~ 1800 ℃.
(LaxY1-x)Al11O18(0<x<1) 조성을 이루도록 Al2O3, Y2O3 및 La2O3의 몰비를 계산하여 Al2O3,분말, Y2O3 분말 및 La2O3 분말을 칭량하고 혼합하는 단계;
상기 Al2O3, Y2O3 및 La2O3의 혼합물을 최밀 충진이 되도록 성형하는 단계; 및
성형된 결과물을 1500~1800℃의 온도에서 소결하는 단계를 포함하는 내플라즈마 특성을 갖는 희토류 산화물-알루미나계 세라믹의 제조방법.
In the method for producing a rare earth oxide-alumina ceramic having a BAl 11 O 18 composition,
(La x Y 1-x) Al 11 O 18 (0 <x <1) the composition fulfill Al 2 O 3, Y 2 O 3 and La 2 by calculating the molar ratio of O 3 Al 2 O 3, powder, Y 2 O Weighing and mixing 3 powder and La 2 O 3 powder;
Shaping the mixture of Al 2 O 3 , Y 2 O 3 and La 2 O 3 to form a closest fill; And
Method for producing a rare earth oxide-alumina ceramic having a plasma resistance characteristics comprising the step of sintering the molded product at a temperature of 1500 ~ 1800 ℃.
The method of claim 6 or 7, wherein the mixing uses a ball milling process, phosphoric acid is used to disperse the oxides in the ball milling process, and the molding is performed using a cold hydrostatic molding machine. Method for producing a rare earth oxide-alumina-based ceramic having.
The method according to claim 6, wherein the A site is Gd x in order to make the rare earth oxide-alumina ceramic of the A 3 Al 5 O 12 composition smaller than that of the Y 3 Al 5 O 12 composition in the etching rate with respect to the fluorine-based plasma. Al 2 O 3 powder, Y 2 O 3 powder and Gd 2 O 3 powder by calculating the molar ratio of Al 2 O 3 , Y 2 O 3 and Gd 2 O 3 to be made of Y 1-x (0 <x≤0.5) A method for producing a rare earth oxide-alumina ceramic having plasma characteristics, characterized in that weighing and mixing.
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