KR101413653B1 - 고순도 탄화규소 분말의 제조방법 - Google Patents

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Abstract

본 발명은 고순도 탄화규소 분말의 제조방법에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 금속 규소와 이산화규소 분말로 이루어진 출발원료로부터 발생하는 기상 규소원과 고상의 탄소원을 원료로 사용하여 진공 분위기 또는 아르곤(Ar) 분위기 하에서 고온 열처리하는 공정으로 진행되며, 기상의 규소원과 고상의 탄소원의 조성변화, 열처리 온도 및 시간 조절을 통하여 탄화규소 분말의 크기 및 결정상을 제어하는 것이 용이한 고순도 탄화규소 분말의 제조방법에 관한 것이다.

Description

고순도 탄화규소 분말의 제조방법 {A method for manufacturing SiC powders with high purity}
본 발명은 금속 규소와 이산화규소 분말로 이루어진 출발원료로부터 발생하는 기상 규소원과 고상의 탄소원을 원료로 사용하여, 진공 분위기 또는 아르곤(Ar) 분위기 하에서 고온 열처리하는 공정을 수행하여 다양한 입자크기 및 결정상을 가지는 고순도 탄화규소 분말을 제조하는 방법에 관한 것이다.
일반적으로 반도체 공정에서 사용되는 소재는 고순도 및 내부식성이 요구되기 때문에, 반도체 공정용 치구 소재로서는 주로 쿼츠(Quartz)가 사용되었다. 그러나, 반도체 공정에서의 공정 온도 및 속도와 규소 웨이퍼의 크기가 증가됨에 따라 반도체 공정용 치구 소재로서 쿼츠는 많은 문제점이 있다. 즉, 쿼츠는 규소 웨이퍼와 열팽창 계수차가 많고 파괴강도가 낮기 때문에 450 mm 급 단결정 규소 웨이퍼 및 20 nm 급 초미세 선폭화가 진행될 것으로 전망되는 차세대 반도체 공정에 적용하기엔 제약이 있으므로, 대체 재료의 개발이 요구된다. 쿼츠를 대체할 수 있는 반도체 고온 공정용 소재로서 반응소결 탄화규소(reaction bonded SiC)가 대두되고 있다.
통상의 반응소결 탄화규소 제품은 금속 불순물의 함량이 10∼100 ppm 정도로 높으므로, 반도체 고온 공정용 소재로 탄화규소를 사용하기 위해서는 고순도화가 필수적으로 요구된다. 일반적으로 반도체 고온 공정용 탄화규소 제품은 금속 불순물의 함량이 0.1 ppm 이하의 순도를 갖는 탄화규소 분말을 고온에서 소결하여 제조되고 있으나, 반도체 공정에서 초집적화가 진행됨에 따라 반도체 고온 공정용 소재로 사용되는 탄화규소 분말에 요구되는 순도도 증가될 것으로 보여진다. 반도체 고온 공정용 반응소결 탄화규소를 제조하는 방법으로서, 반응소결 탄화규소 표면에 화학적증착법(CVD)으로 1 ppm 이하의 불순물 함량을 갖는 CVD SiC 층을 코팅하는 방법이 알려져 있으나, 반복되는 반도체 고온 공정으로 인하여 CVD 코팅막의 균열 등이 발생되는 문제가 있다.
일반적인 반응소결 탄화규소의 제조방법에서는 탄화규소 분말과 탄소원 물질로 만들어진 성형체에 용융 Si을 침윤하여 제조하는데, 반응소결 탄화규소의 낮은 순도를 개선하기 위해서는 원료로 사용되는 탄화규소 분말의 순도를 높이는 것이 선행되어야 한다. 최근에는 고온, 고 전력용 반도체 분야에서 Si 반도체를 대체할 수 있는 SiC 단결정 결정 기판의 적용 및 응용 가능성이 높아졌을 뿐만 아니라 GaN blue LED용 기판으로 SiC 단결정 기판이 적용되고 있다. 일반적으로 SiC 단결정의 제조방법에서는 초고온에서 원료로 사용되는 SiC 분말을 기상으로 승화하여 응축시켜 결정을 성장시킨다. SiC 단결정의 가장 큰 문제점은 제조된 SiC 결정내의 높은 농도의 결함이 있는 것이며, 결함 농도가 낮은 SiC 단결정을 제조하기 위해서는 필수적으로 고순도 SiC 분말을 사용해야 한다. 또한, 승화법에 의한 탄화규소 단결정 성장에서는 고순도의 과립상 탄화규소 분말이 일반적으로 사용되고 있다.
따라서 고순도 탄화규소 제품을 제조하기 위해서는, 이의 원료로 사용되는 탄화규소 분말의 고순도화가 필수적으로 요구된다.
현재까지 보고된 탄화규소 분말의 제조방법은 고체, 액체, 기체 상태의 규소원과 탄소원을 사용하여 고온의 진공 또는 불활성 기체 조건에서 제조되고 있다. 대표적인 탄화규소 분말의 제조방법인 에치슨(Acheson)법은 알파상 탄화규소 분말을 제조하는 공정으로 경제적인 방법이라할 수는 있지만, 순도가 99.99% 이하이고 탄화규소 덩어리(ingot)로 제조되므로 탄화규소 덩어리를 분쇄하는 분말화 공정이 추가되어야 하며, 이러한 분말화 공정은 불순물 유입의 기회를 제공하게 되어 산 세정과 같은 추가적인 정제공정이 수행되어야 한다. 따라서, 상기의 일반적인 방법으로 제조된 탄화규소 분말은 반도체 공정용 치구 및 SiC 단결정 제조에 적합하지 않다. 또한, 기상의 규소원과 탄소원을 포함하는 기체상 원료를 사용하여 기상 반응에 의해 고순도 베타상 탄화규소 분말을 제조하는 방법이 있으나, 생산성이 낮고 제조단가가 높으며 과립의 탄화규소 분말을 제조하기에 많은 어려움이 있다. 또한, 액상의 규소원과 탄소원을 동시에 포함하는 메틸하이드로겐실란계 화합물 등과 같은 유기규소 화합물을 고온 기상 열분해시켜 탄화규소 분말을 제조하는 방법[미국등록특허 제 4,571,331호 및 제4,676,966호]이 있으나, 상기 방법으로 제조된 탄화규소 분말은 고순도이지만 0.01∼1 um 크기를 갖는 미립상으로 주로 고온 가압 소결에 의한 고순도 반도체 공정용 치구 또는 LED 공정 기판 제조에 사용된다.
최근에는 고순도 탄화규소 분말의 제조를 위하여 액상의 규소원과 탄소원의 유기화합물을 사용하거나, 실리카와 같은 고상의 규소원에 액상의 탄소원을 사용하는 방법이 알려진 바 있다. 규소원과 탄소원으로서 액상의 유기화합물을 사용하여 고순도 탄화규소 분말을 제조하는 방법은 일본공개특허 제2002-326876호, 제2006-25937호, 제2006-256937호, 미국등록특허 제5,863,325호 및 제6,627,169호 등에 개시되어 있다. 상기 액상의 유기화합물을 사용하는 방법에서는 에틸 실리케이트(ethyl silicate), 실리콘알콕사이드(silicon alkoxide) 또는 실레인(Silane)과 같은 다양한 종류의 고순도의 액상 규소 화합물과 페놀 수지(Phenol resin) 또는 크시렌(Xylene)계 수지 등의 액상 탄소 화합물을 사용하여 졸-젤 공정 후, 규소원과 탄소원을 중합 또는 가교하기 위하여 열처리 공정을 거친 후, 진공 또는 아르곤(Ar) 등과 같은 불활성 기체 조건에서 고온으로 반응시켜 다양한 크기를 갖는 고순도 탄화규소 분말을 제조하는 방법이 개시되어 있다. 그러나 상기 과정은 진공 또는 불활성 기체의 조건에서 1700∼2100 ℃의 고온에서 오랜 시간 열처리 공정이 요구될 뿐만 아니라, 고온 열처리 시간이 길고 고가의 액상의 규소원을 사용한 탄화규소 분말의 제조 수율이 낮기 때문에 제조단가가 높아 아직까지 대량 생산에 의한 시장 형성이 이루어지고 있지 않은 실정이다.
최근에는 고순도 금속 규소를 고순도 고상의 탄소와 직접 반응시켜 고순도 탄화규소 과립 분말을 만드는 직접 탄화법이 미국공개특허 제2009-0220788호에 개시되어 있다. 이 방법은 고상의 규소 분말과 고상의 탄소 분말을 진공분위기 하에서 1200 ℃ 온도에서 12시간 가열한 후 10-5 torr 이하의 분위기하에서 2250 ℃에서 1∼2 시간 유지하여 질소, 보론, 및 알루미늄의 함량이 극히 낮은 초고순도 탄화규소 과립 분말 및 이를 이용하여 결함 농가 낮고 절연성이 우수한 탄화규소 단결정을 제조할 수 있다고 개시하고 있다. 이 방법은 과립의 탄화규소 분말 제조가 가능하며 초고온 및 고진공하에서 탄화규소 분말이 제조되기 때문에 대량 생산성 및 그에 따른 경제성이 문제점으로 지적되고 있다.
본 발명은 금속 규소와 이산화규소 분말로 이루어진 출발원료로부터 발생하는 기상 규소원인 규소 기체와 일산화규소 기체와 고상의 탄소원을 원료로 사용하여, 고순도의 탄화규소 분말을 제조하는 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기한 발명의 목적 달성을 위하여, 본 발명은
ⅰ) 금속 규소, 이산화규소(SiO2) 분말 및 열가소성 수지를 혼합 및 건조시켜, 기상 규소원 제조용 출발원료를 준비하는 단계; 및
ⅱ) 상기 기상 규소원 제조용 출발원료를 그레파이트(graphite) 도가니 하부에 위치시키고, 상기 기상의 규소원 출발원료 위에 그레파이트 세퍼레이터(separator)를 위치시키고, 상기 그레파이트 세퍼레이터 상부에 고상의 탄소원을 위치시킨 후에, 그레파이트 도가니의 뚜껑을 닫아 탄화규소 분말을 제조하기 위한 반응 시스템을 구성하는 단계; 및
ⅲ) 상기 반응 시스템을 진공 분위기 또는 아르곤 분위기하에서 열처리하여 탄화규소 분말을 제조하는 단계; 를 포함하는 것을 그 특징으로 한다.
본 발명의 제조방법으로 제조된 탄화규소 분말은 0.1∼100 ㎛ 범위의 평균직경을 가지며, 베타상 단일결정 또는 베타상과 알파상의 혼합결정으로 제조되며, 기상의 규소원과 고상의 탄소원의 조성변화, 열처리 온도 및 시간 조절을 통하여 탄화규소 분말의 크기 및 결정상을 제어하는 것이 가능한 효과가 있다.
본 발명의 제조방법에서는 분말상의 탄화규소를 직접 제조하므로, 탄화규소 덩어리(ingot)를 분쇄하는 분말화 공정 또는 분쇄과정 중에 불순물의 유입으로 인한 세정공정을 수행하지 않아도 되므로, 전체 제조공정이 간단하고 경제적인 효과가 있다.
본 발명의 제조방법으로 제조된 탄화규소 분말은 고순도 가압소결 탄화규소(hot pressed SiC) 치구 또는 반응소결 탄화규소(reaction bonded SiC) 치구 제조용 원료 분말로 사용될 뿐만 아니라 승화법에 의한 단결정 탄화규소 제조용 원료 분말로 사용될 수 있는 정도로 고순도를 가지는 효과가 있다.
본 발명은 고상으로 이루어진 규소원 출발원료로부터 발생된 기상의 규소원과 고상의 탄소원을 진공 분위기 또는 아르곤과 같은 불활성 분위기 하에서 열처리하는 공정으로 진행되는 고순도 탄화규소 분말의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 제조방법에서는 규소원과 탄소원의 조성변화, 열처리 온도 및 시간 조절에 의하여 탄화규소 분말의 입자크기를 다양하게 제어할 수 있고, 또한 제조되는 탄화규소 분말의 결정상을 베타상 단일결정, 또는 베타상과 알파상의 혼합결정으로 조절하는 것이 가능하다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명을 보다 구체적으로 설명하면 하기와 같다.
본 발명에 따른 ⅰ)단계 과정은, 기상 규소원을 제조하기 위한 출발원료를 준비하는 단계이다. 본 발명에서는 기상의 규소원 제조용 출발원료를 준비하기 위하여, 금속 규소, 이산화규소(SiO2) 분말, 및 열가소성 수지를 사용한다.
규소원 제조용 출발원료 중에 포함된 금속 규소와 이산화규소(SiO2) 분말은 다음에서 수행하게 되는 ⅲ)의 열처리 반응에 의해 규소(Si) 기체와 일산화규소(SiO) 기체로 전환되어, 본 발명의 제조방법에서 고순도의 기상 규소원으로 사용된다. 규소원 제조용 출발원료로 사용되는 금속 규소와 이산화규소(SiO2) 분말의 사용비는 금속 규소 : 이산화규소가 1 : 0.8∼2.0 몰비를 유지하는 것이 좋다. 이들의 사용비가 1 : 0.8 몰비 미만이면 탄화규소 분말 합성에 있어서 탄소원과 반응하여 탄화규소 분말 합성에 필요한 기상의 규소원이 남아 잔류 규소가 발생할 수 있고, 1 : 2.0 몰비를 초과하면 탄소원과 반응하여 탄화규소 분말 합성에 필요한 기상의 규소원이 부족하여 잔류 탄소가 발생할 수 있다.
또한, 본 발명에서는 규소원 제조용 출발원료로 사용되는 금속 규소와 이산화규소 분말이 열처리에 의해 규소(Si) 기체와 일산화규소(SiO) 기체로의 전환을 촉진시킬 목적으로 열가소성 수지를 출발원료 중에 포함시키는 것을 특징으로 한다. 상기 열가소성 수지로는 페놀 수지, 폴리에틸렌 수지, 아크릴수지 등으로부터 선택된 고체상 또는 액체상을 사용할 수 있으며, 좋기로는 900 ℃에서 2시간 열처리하여 잔류 탄소 함량이 20% 이상인 액상의 열가소성 수지를 사용하는 것이다. 본 발명의 실시예에서는 주로 페놀 수지를 사용한 예를 구체적으로 예시하고 있으나, 다른 열가소성 수지를 대체 사용하더라도 본 발명의 목적은 충분히 달성될 수 있다. 상기 열가소성 수지는 기상 규소원 제조용 출발원료에 대하여 5 중량% 이하, 바람직하기로는 0.2∼2 중량% 범위로 사용될 수 있으며, 그 사용량이 5 중량%를 초과하면 오히려 고온 반응에 의한 기상 규소원 생성반응을 억제시킬 수 있다.
또한, 상기에서 준비한 출원원료가 잘 혼합되도록 물 또는 에탄올을 추가로 사용할 수도 있으며, 상기 물 또는 에탄올은 기상 규소원 제조용 출발원료에 대하여 20∼40 중량% 범위로 사용하는 것이 원료의 혼합 및 건조시간을 줄이는데 바람직하다.
상기에서 준비된 금속 규소, 이산화규소 분말, 열가소성 수지, 그리고 필요에 따라 물 또는 에탄올을 혼합하고 100∼400 rpm 속도로 30분 내지 2시간 정도 교반시켜 혼합한 후, 60∼90 ℃ 온도에서 12∼24시간 건조시켜 기상 규소원 제조용 출발원료를 준비한다.
본 발명에 따른 ⅱ)단계 과정은, 탄화규소 분말을 제조하기 위한 반응 시스템을 구성하는 단계이다. 즉, 상기에서 준비한 기상 규소원 제조용 출발원료, 탄소원을 고순도 그레파이트(graphite) 도가니 내부에 위치시키는 단계이다.
좀 더 구체적으로 설명하면, 그레파이트(graphite) 도가니 최하부에 규소원 제조용 출발원료를 위치시키고, 상기 규소원 제조용 출발원료 위에 일정 거리를 두고 그레파이트 쎄퍼레이터(seperator)를 위치시키고, 상기 그레파이트 세퍼레이터 상부에 고상의 탄소원을 위치시킨 후에, 그레파이트 도가니의 뚜껑을 닫아 탄화규소 분말을 제조하기 위한 반응 시스템을 구성하는 단계이다.
본 발명에서는 반응용기로서 고순도 그레파이트 도가니를 사용한다.
또한, 본 발명에서는 규소원 제조용 출발원료와 탄소원 사이에 그레파이트 세퍼레이터를 위치시켜 반응시스템을 구축한다. 그레파이트 세퍼레이터는 두께가 0.5∼5 mm 이고, 표면에는 직경 1∼4 mm 크기의 구멍이 4∼30 개/cm2 존재하고 있어 도가니 하부에서 생성된 기상 규소원이 세퍼레이터의 구멍을 통과하여 고상 탄소원과 반응하도록 한다. 또한, 그레파이트 세퍼레이터는 도가니의 하부에 위치한 규소원 제조용 출발원료와 일정 거리를 두고 위치하는데, 그 이유는 고온 열처리에 의해 생성된 기상 규소원이 세퍼레이터의 구멍을 통과하기에 적합하도록 하기 위한 것이다.
또한, 본 발명에서는 탄소원으로서 고상의 탄소원을 사용하며, 구체적으로는 비정질 카본 블랙 분말, 그레파이트 분말 등을 사용하는 것이 바람직하다. 그레파이크 도가니에 장입되는 반응원료로서 규소원과 탄소원의 C/Si 원소 몰비는 0.7∼2.0/1 범위를 유지하는 것이 바람직한 바, C/Si 원소 몰비가 0.7 미만이면 잔류 규소가 발생할 수 있고, 2.0을 초과하면 잔류 탄소가 발생할 수 있다.
본 발명이 탄화규소 분말을 제조하기 위해서 사용하는 규소원으로서 금속 규소와 이산화규소(SiO2) 분말과 탄소원은 반도체 고온 공정에서 불순물로 유입될 수 있는 B, Fe, Cu, Ni, Na, Ca, Cr, V 등의 금속 원소가 전혀 포함되지 않거나, 최고 5 ppm 이하로 포함된 원료를 사용하는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 ⅲ)단계 과정은, 상기에서 준비한 반응 시스템을 진공 분위기 또는 아르곤 분위기하에서 열처리하여 탄화규소 분말을 제조하는 단계이다.
본 발명에서의 열처리는 1200∼2100 ℃ 범위에서 수행하며, 바람직하기로는 진공분위기하 1200∼1400 ℃ 온도에서 1∼5시간동안 1차 열처리한 후에, 진공 또는 아르곤 분위기하 1700∼2100 ℃ 온도에서 1∼5시간동안 2차 열처리하는 2단계 공정으로 진행하는 것이다. 본 발명이 온도 조건을 달리하면서 2단계 공정으로 열처리를 수행함으로써 제조된 탄화규소 분말의 입자크기 및 결정상을 제어할 수 있었다. 대체로 열처리 온도 및 시간이 증가될수록 제조되는 탄화규소분말의 크기는 증가하는 경향을 보였다. 또한, 낮은 온도 조건에서는 베타상 탄화규소 분말이 생성되었고, 온도가 증가될수록 고온 결정상인 알파상 탄화규소가 일부 생성되었다.
본 발명의 제조방법에 따라 제조된 탄화규소 분말은 불순물의 함량이 5 ppm 이하인 고순도 제품이었다. 또한, 베타상 탄화규소 분말의 평균직경은 1∼20 ㎛ 범위이었고, 베타상과 알파상의 혼합 결정상으로 이루어진 탄화규소 분말의 평균직경은 30∼50 ㎛ 범위이었다.
이하, 본 발명의 고순도 탄화규소 분말의 제조방법을 하기의 실시예들을 통하여 보다 명확히 설명하겠는바, 본 발명이 이들 실시 예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1
규소원의 출발원료는 평균직경이 10 mm인 고순도 규소 덩어리와 평균직경이 4 ㎛인 고순도 이산화규소 분말을 1:2 몰비로 하여 혼합한 후, 에탄올 30 중량%와 노블락 타입 페놀수지 1 중량%를 첨가하고 100 rpm으로 1시간동안 혼합한 후, 80 ℃ 온도에서 12시간 건조시켜 기상 규소원 제조용 출발원료를 준비하였다.
고순도 그레파이트 도가니의 하부에 상기에서 준비한 기상 규소원 제조용 출발원료를 위치시킨 후, 고순도 그레파이트 도가니에 위치시킨 후 기상의 규소원이 이동할 수 있도록 평균직경 3 mm 크기의 구멍이 9 개/cm2 존재하는 그레파이트 세퍼레이터를 건조된 기상 규소원 출발원료와 10 mm 간격을 두고 위치시켰다. 그리고, 평균직경이 20 ㎛인 고상의 고순도 그레파이트 분말을 C/Si 원소의 몰비가 0.8이 되게 세퍼레이트 위에 위치시켜 반응시스템을 구성하였다.
상기 반응시스템이 구성된 그래파이트 도가니를 진공(10-2 torr) 분위기하 1300 ℃ 온도에서 1시간 열처리한 후 아르곤 분위기하 2100 ℃ 온도에서 5시간 열처리시켜 탄화규소 분말을 제조하였다.
제조된 탄화규소 분말에 대한 XRD 분석결과 알파상과 베타상이 공존하고 있음을 알 수 있었고, 제조된 탄화규소 분말의 평균직경이 50 ㎛ 이었다. 또한, GDMS 분석한 결과 본 실시예에서 합성된 탄화규소 분말 내 불순물의 함량은 3 ppm 이하로 확인되었다.
실시예 2
규소원의 출발원료는 평균직경이 25 ㎛인 고순도 규소 분말과 평균직경이 10 ㎛인 고순도 이산화규소 분말을 1:1.1 몰비로 하여 혼합한 후, 에탄올 40 중량%와 노블락 타입 페놀수지 2 중량%를 첨가하고 100 rpm으로 1시간동안 혼합한 후, 80 ℃ 온도에서 12시간 건조시켜 기상 규소원 제조용 출발원료를 준비하였다.
고순도 그레파이트 도가니의 하부에 상기에서 준비한 기상 규소원 제조용 출발원료를 위치시킨 후, 고순도 그레파이트 도가니에 위치시킨 후 기상의 규소원이 이동할 수 있도록 평균직경 3 mm 크기의 구멍이 9 개/cm2 존재하는 그레파이트 세퍼레이터를 건조된 기상 규소원 출발원료와 5 mm 간격을 두고 위치시켰다. 그리고, 평균직경이 18 nm인 고상의 고순도 카본블랙 분말을 C/Si 원소의 몰비가 1.2이 되게 세퍼레이트 위에 위치시켜 반응시스템을 구성하였다.
상기 반응시스템이 구성된 그래파이트 도가니를 진공(10-2 torr) 분위기하 1300 ℃ 온도에서 5시간 열처리한 후, 진공(10-2 torr) 분위기하 1700 ℃ 온도에서 2시간 열처리시켜 탄화규소 분말을 제조하였다.
제조된 탄화규소 분말에 대한 XRD 분석결과 베타상 단일결정상임을 알 수 있었고, 제조된 탄화규소 분말의 평균직경이 2 ㎛ 이었다. 또한, GDMS 분석한 결과 본 실시예에서 합성된 탄화규소 분말 내 불순물의 함량은 5 ppm 이하로 확인되었다.
실시예 3
규소원의 출발원료는 평균직경이 40 ㎛인 규소 분말과 평균직경이 8 ㎛인 이산화규소 분말을 1:1 몰비로 하여 혼합한 후, 에탄올 40 중량%와 노블락 타입 페놀수지 2 중량%를 첨가하고 200 rpm으로 1시간동안 혼합한 후, 80 ℃ 온도에서 12시간 건조시켜 기상 규소원 제조용 출발원료를 준비하였다.
고순도 그레파이트 도가니의 하부에 상기에서 준비한 기상 규소원 제조용 출발원료를 위치시킨 후, 고순도 그레파이트 도가니에 위치시킨 후 기상의 규소원이 이동할 수 있도록 평균직경 3 mm 크기의 구멍이 9 개/cm2 존재하는 그레파이트 세퍼레이터를 건조된 기상 규소원 출발원료와 10 mm 간격을 두고 위치시켰다. 그리고, 평균직경이 5 ㎛인 고상의 고순도 그레파이트 분말을 C/Si 원소의 몰비가 1이 되게 세퍼레이트 위에 위치시켜 반응시스템을 구성하였다.
상기 반응시스템이 구성된 그래파이트 도가니를 진공(10-2 torr) 분위기하 1300 ℃ 온도에서 5시간 열처리한 후, 아르곤 분위기하 2050 ℃ 온도에서 3시간 열처리시켜 탄화규소 분말을 제조하였다.
제조된 탄화규소 분말에 대한 XRD 분석결과 알파상과 베타상이 함께 공존함을 알 수 있었고, 제조된 탄화규소 분말의 평균직경이 30 ㎛ 이었다. 또한, GDMS 분석한 결과 본 실시예에서 합성된 탄화규소 분말 내 불순물의 함량은 3 ppm 이하로 확인되었다.
실시예 4
규소원의 출발원료는 평균직경이 40 ㎛인 규소 분말과 평균직경이 20 ㎛인 이산화규소 분말을 1:1 몰비로 하여 혼합한 후, 에탄올 40 중량%와 노블락 타입 페놀수지 2 중량%를 첨가하고 100 rpm으로 1시간동안 혼합한 후, 80 ℃ 온도에서 12시간 건조시켜 기상 규소원 제조용 출발원료를 준비하였다.
고순도 그레파이트 도가니의 하부에 상기에서 준비한 기상 규소원 제조용 출발원료를 위치시킨 후, 고순도 그레파이트 도가니에 위치시킨 후 기상의 규소원이 이동할 수 있도록 평균직경 3 mm 크기의 구멍이 9 개/cm2 존재하는 그레파이트 세퍼레이터를 건조된 기상 규소원 출발원료와 10 mm 간격을 두고 위치시켰다. 그리고, 평균직경이 5 ㎛인 고상의 고순도 그레파이트 분말을 C/Si 원소의 몰비가 1이 되게 세퍼레이트 위에 위치시켜 반응시스템을 구성하였다.
상기 반응시스템이 구성된 그래파이트 도가니를 진공(10-2 torr) 분위기하 1300 ℃ 온도에서 5시간 열처리한 후, 아르곤 분위기하 1800 ℃ 온도에서 3시간 열처리시켜 탄화규소 분말을 제조하였다.
제조된 탄화규소 분말에 대한 XRD 분석결과 베타상 단일결정상임을 알 수 있었고, 제조된 탄화규소 분말의 평균직경이 15 ㎛ 이었다. 또한, GDMS 분석한 결과 본 실시예에서 합성된 탄화규소 분말 내 불순물의 함량은 3 ppm 이하로 확인되었다.

Claims (10)

  1. ⅰ) 금속 규소, 이산화규소(SiO2) 분말 및 열가소성 수지를 혼합 및 건조시켜, 기상 규소원 제조용 출발원료를 준비하는 단계; 및
    ⅱ) 상기 기상 규소원 제조용 출발원료를 그레파이트(graphite) 도가니 하부에 위치시키고, 상기 기상의 규소원 출발원료 위에는 두께가 0.5∼5 mm이고, 표면에는 직경 1∼4 mm 크기의 구멍이 4∼30 개/cm2 존재하는 그레파이트 세퍼레이터(seperator)를 위치시키고, 상기 그레파이트 세퍼레이터 상부에 고상의 탄소원을 위치시킨 후에, 그레파이트 도가니의 뚜껑을 닫아 탄화규소 분말을 제조하기 위한 반응 시스템을 구성하는 단계; 및
    ⅲ) 상기 반응 시스템을 진공 분위기 또는 아르곤 분위기하에서 열처리하여 탄화규소 분말을 제조하는 단계;
    를 포함하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 분말의 제조방법.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 ⅰ)단계에서 금속 규소 : 이산화규소 분말의 사용비는 1 : 0.8∼2.0 몰비 범위인 것을 특징으로 하는 탄화규소 분말의 제조방법.
  4. 제 1 항에 있어서,
    상기 ⅰ)단계에서 사용된 금속 규소와 이산화규소 분말이 상기 ⅲ)단계의 열처리에 의해 규소 기체와 일산화규소 기체를 생성시키고, 상기 생성된 규소 기체와 일산화규소 기체는 그레파이트 세퍼레이터의 구멍을 통과하여 상부에 위치한 탄소원과 반응하여 탄화규소 분말을 제조하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 분말의 제조방법.
  5. 제 1 항에 있어서,
    상기 ⅰ)단계에서 열가소성 수지는 기상 규소원 제조용 출발원료에 대하여 0.2∼2 중량% 범위로 사용하는 것을 특징으로 하는 탄화규소 분말의 제조방법.
  6. 제 1 항에 있어서,
    상기 ⅰ)단계에서 열가소성 수지는 페놀 수지류인 것을 특징으로 하는 탄화규소 분말의 제조방법.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 ⅰ)단계에서 혼합은 물 또는 에탄올 20∼40 중량%를 첨가한 후 100∼400 rpm 속도로 교반하는 공정으로 진행되며, 건조는 60∼90℃ 온도에서 진행되는 것을 특징으로 하는 탄화규소 분말의 제조방법.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 ⅱ)단계에서 도가니 내부에 장입된 규소원과 탄소원의 C/Si 원소 몰비가 0.7∼2.0/1 범위인 것을 특징으로 하는 탄화규소 분말의 제조방법.
  9. 제 1 항에 있어서,
    상기 ⅲ) 단계에서의 열처리는 진공분위기하 1200∼1400 ℃ 온도에서 1∼5시간 열처리 한 후에, 진공 또는 아르곤 분위기하 1700 ∼ 2100 ℃ 온도에서 1∼5시간 열처리하는 공정으로 수행되는 것을 특징으로 하는 탄화규소 분말의 제조방법.
  10. 제 1 항 및 제 3 항 내지 제 9 항 중에서 선택된 어느 한 항에 있어서,
    평균직경 1∼20 ㎛의 베타상 탄화규소 분말, 또는 평균직경 30∼50 ㎛의 베타상과 알파상이 혼합된 탄화규소 분말이 제조되는 것을 특징으로 하는 탄화규소 분말의 제조방법.
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