KR101425980B1 - 탄화규소 분말 제조 장치 및 탄화규소 분말 제조 방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고순도 탄화규소 분말 합성 방법 및 장치에 관한 것으로, 다공질 탄소체와 기화된 실리콘 소스와의 반응을 이용한 방법 및 장치에 관한 것이다.

Description

탄화규소 분말 제조 장치 및 탄화규소 분말 제조 방법 {An apparatus and method for preparing silicon carbide powder}

본 발명은 탄화규소 분말 제조 장치 및 탄화규소 분말 제조 방법에 관한 것으로, 다공질 탄소체와 기화된 소스와의 반응을 이용한 탄화규소 분말 제조 장치 및 탄화규소 분말 제조 방법에 관한 것이다.

SiC 결정은, 밴드갭이 크고, 또한 최대 절연 파괴 전계 및 열전도율은 실리콘(Si)과 비교하여 크며, 한편, 캐리어의 이동도는 Si와 같은 정도로 크며, 전자의 포화 드리프트 속도 및 내압도 크다. 그 때문에, 고효율화, 고내압화 및 대용량화가 요구되는 반도체 디바이스로의 적용이 기대된다. 이러한 반도체 디바이스 등에 이용되는 SiC 결정의 제조 방법은, 예컨대, 일본 특허공개 2001-114599호 공보에 개시되어 있다. 구체적으로는, 특허문헌 1에는, 아르곤 가스를 도입할 수 있는 진공용기(가열로) 속에서 히터에 의해 가열함으로써, 종결정의 온도를 SiC 원료 분말의 온도보다도 10~100℃ 정도 저온으로 유지하는 것에 의해, 종결정 상에 SiC 결정을 성장시키는 것이 개시되어 있다.

한편, 고품질 탄화규소 단결정 성장을 위해서는 원부자재의 고순화가 필수적으로 필요하다. 그 중에서도 탄화규소의 원료가 되는 탄화 규소 분말의 순도 및 사이즈 제어가 중요시되고 있다. 이에 관련한 종래의 특허 문헌으로는 PCT/JP2010/070145에서 실리콘 경화물을 비산화성 분위기 중에서 가열 분해시켜 얻어지는 탄화규소 분말 및 유기 결합제를 포함하는 탄화규소 분말 조성물로서, 소결 보조제를 포함하지 않고 상기 실리콘 경화물이

(a) 규소 원자에 결합한 알케닐기를 적어도 2개 함유하는 오르가노폴리실록산;

(b) 유기 과산화물; 및

(c) 임의 성분으로서, 규소 원자에 결합한 수소 원자를 적어도 2개 함유하는 오르가노하이드로겐폴리실록산 전체 경화성 실리콘 조성물 중의 알케닐기 1몰당 본 (c) 성분 중의 규소 원자에 결합한 수소 원자의 양이 0.1 내지 2몰이 되는 양을 함유하는 유기 과산화물 경화성 실리콘 조성물인 것을 개시하고 있다.

PCT/JP2011/059221는 화학 기상 증착법에 의하여, 탄화규소 단결정 기판 위에 탄화규소막을 에피택셜 성장시켜 성막하는 에피택셜 탄화규소 단결정 기판의 제조 방법으로서, 상기 기판 위에 상기 탄화규소막을 에피택셜 성장시키는 결정 성장 공정에 있어서, 에피택셜 성장의 주된 시간을 차지하는 결정 성장 주공정에서의 성장 온도 T1에 대하여 낮은 설정 온도 T0와 높은 설정 온도 T2의 사이에서, 성장 온도를 상하로 변화시키는 온도 변경 조작을 수반하는 결정 성장 부공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 에피택셜 탄화규소 단결정 기판의 제조 방법을 개시하고 있다.

상기와 같이 현재 대표적인 탄화규소 분말을 제조하는 방법에는 에치슨법, CVD법, 또는 졸-겔법 등이 있으나, 이러한 방법에는 분말 사이즈의 제어를 위해 추가적인 파쇄 공정, 파쇄에 의한 오염으로 세정 공정이 요구된다. 적은 비용으로 많은 량의 탄화규소 분말을 제조하기에는 에치슨법이 유리하지만, 고품질 탄화규소를 제조하기에는 어려움이 따른다. 원재료에 포함된 불순물에 의해 고순화 공정을 거치더라도, 불순물 처리에 한계를 가지게 됨으로, 일정 수준이상의 순도는 제조가 불가능하다. 그 외의 CVD법은 고품질 탄화규소를 제조할 수 있지만 CVD법 역시 파쇄 공정이 요구되기 때문에 세정 공정이 필수적이며, 제조 단가가 비싸기 때문에 사실상 결정 성장에 사용되기에는 적합하지 않다. 졸-겔법의 경우에는 파쇄 공정이 불필요하여, 고순도 분말이 제조 가능하지만, 탄화규소 단결정 성장에 적합한 입자 크기의 분말을 제조하기에는 한계가 있으며, 생산량 자체가 적기 때문에 단결정 성장에는 적합하지 않다.

고품질 단결정 탄화규소 성장을 위해서는 고순도 탄화규소 분말이 필수적으로 필요하다. 하지만, 현재 제조되는 분말은 순도가 높지 않거나, 순도가 높아도 성장 공정에 사용하기 힘들 정도로 작은 입자 사이즈이며 생산량이 적은 문제가 있다. 그 외에도 고순도 탄화 규소 분말은 저품질 탄화규소 분말보다 수배 정도의 고가이기 때문에 단결정 탄화규소의 단가가 높아지는 문제가 있다. 이에 본 발명은 다공질 탄소체를 로 내에 위치시키고, 내부에 실리콘 소스를 위치시킨 후 2000℃ 이상의 고온에서 합성을 시켜, 상기의 문제점을 해결할 수 있는 고순도 탄화규소 분말 제조장치 및 제조방법을 제공하고자 한다.

본 발명은 누출 채널을 구비한 도가니, 상기 도가니 외주면을 감싸는 다공질 탄소체, 상기 다공질 탄소체의 외주면을 감싸는 반응 챔버 및 상기 반응 챔버의 외측에 마련된 가열수단을 포함하는 탄화규소 분말 제조 장치를 제공한다.

또한, 본 발명은 실리콘 소스를 도가니 내부에 배치하는 단계, 상기 실리콘 소스를 기화시키는 단계 및 상기 기화된 실리콘 소스가 상기 도가니의 누출채널을 통과하여 상기 도가니의 외주면에 존재하는 다공질 탄소체와 반응하는 단계를 포함하는 탄화규소 분말 제조방법을 제공한다.

본 발명의 방법으로 제조한 탄화규소 분말의 입도는 단결정 탄화규소 성장에 적합는 150㎛ 정도였으며, 99.99%이상의 고순도를 나타낸다. 또한, 대량 생산이 가능하며, 단결정 탄화규소 성장용 분말 이외의 다양한 용도로 사용할 수 있는 탄화규소 분말을 제공할 수 있다.

도 1 은 본 발명의 탄화규소 분말 제조 과정을 설명하기 위한 사진이다.
도 2 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도가니의 단면도이다.
도 3 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄화규소 분말 제조 장치의 단면도이다.
도 4 는 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄화규소 분말 제조 결과를 설명하기 위한 단면도이다.
도 5 는 본 발명의 방법으로 제조한 탄화규소 분말의 순도를 측정한 그래프이다.

본 발명의 일 실시예는 누출 채널을 구비한 도가니, 상기 도가니 외주면을 감싸는 다공질 탄소체, 상기 다공질 탄소체의 외주면을 감싸는 반응 챔버 및 상기 반응 챔버의 외측에 마련된 가열수단을 포함하는 탄화규소 분말 제조 장치에 관한 것이다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 본 발명의 실시 예를 상세히 설명하기로 한다. 그러나, 본 발명은 이하에서 개시되는 실시 예에 한정되는 것이 아니라 서로 다른 다양한 형태로 구현될 것이며, 단지 본 실시 예들은 본 발명의 개시가 완전하도록 하며, 통상의 지식을 가진 자에게 발명의 범주를 완전하게 알려주기 위해 제공되는 것이다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 따른 도가니의 단면도이고, 도 3 은 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄화규소 분말 제조 장치의 단면도이다.

도 2를 참조하면, 도가니 몸체(103)의 내부에는 실리콘 소스(200)가 배치된다. 본 발명에서 도가니 몸체(103)와 도가니 뚜껑(101)를 도가니(도 3의 100)로 통칭한다. 상기 도가니 몸체(103)와 도가니 뚜껑(101)은 서로 동일한 물질로 이루어질 수도 있고 서로 다른 물질로 이루어질 수도 있다. 일례로, 금속 또는 무기물 중 어느 하나 이상을 포함하는 물질로 이루어질 수 있다. 바람직하게는 그라파이트로 이루어진 도가니를 사용할 수 있다.

실리콘 소스(200)는 실리콘(Si)을 포함하는 분말 또는 덩어리 중 어느 하나 이상을 포함할 수 있다. 예를 들어, 실리콘 분말, 실리콘 덩어리 또는 탄화규소 분말일 수 있다. 실리콘 소스(200)로 탄화규소 분말을 사용하는 경우, 저급의 탄화규소 분말을 이용하여 고순도의 탄화규소 분말을 제조할 수 있다.

누출 채널(102)은 기화된 실리콘 소스가 통과하는 채널이며, 도가니 몸체(103) 또는 도가니 뚜겅(101)을 관통하는 구멍일 수 있다. 상기 누출 채널의 위치에 제한은 없으나 도가니 몸체(103)에 형성되는 것이 바람직하다. 상기 누출 채널(102)의 형상에 제한이 있는 것은 아니다. 예를 들어, 그 단면이 원형, 타원형, 삼각형, 사각형 등의 다각형은 물론 비정형의 단면일 수 있다.

또한, 그 크기에 제한이 있는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 누출 채널(102)의 직경은 1 ~ 10mm일 수 있다. 바람직하게는 1 ~ 5mm일 수 있다. 누출 채널(102)의 직경이 너무 작으면 기화된 실리콘 소스의 누출이 어려워지는 문제점이 있고, 너무 크면 급격한 온도 구배가 형성되어, 도가니 내부에서 재결정화가 일어나, 외부로 기화된 실리콘 소스의 누출이 줄어드는 문제점이 있다.

또한, 누출 채널(102)은 도가니에 한 개 이상 설치할 수 있으며, 도가니 전체 면적(도가니 내주면의 면적)의 10 ~ 30%를 차지하는 것이 바람직하다. 상기 면적 범위 내에서 기화된 실리콘 소스의 누출이 활발하게 되는 효과가 있다.

도 3을 참조하면, 도가니(100) 외측에는 다공질 탄소체(300), 반응 챔버(403) 및 가열수단(401)이 위치한다.

다공질 탄소체(300)는 탄소를 포함하는 다공성 재료이면 제한 없이 이용할 수 있다. 예를 들어, 활성탄소, 탄소섬유 또는 흑연섬유를 포함하는 다공질 탄소체일 수 있다. 상기 다공질 탄소체(300)의 기공율은 20 ~ 90%, 바람직하게는 20 ~ 70%, 더욱 바람직하게는 30 ~ 50%일 수 있다. 기공율이 너무 작으면 기화된 실리콘 소스의 반응이 적어져 탄화규소 분말 제조의 효율이 떨어지는 문제점이 있고, 기공율이 너무 크면 제조된 분말의 크기 제어가 힘들고 원하는 크기의 분말 제조가 어려워지는 문제점이 있다.

반응 챔버(403)는 스테인레스 스틸 등의 금속제로 이루어진 챔버일 수 있으나 그 재질에 제한이 있는 것은 아니다.

가열수단(401)은 도가니(100)를 유도 가열하여 실리콘 소스(200)를 기화시키는 코일일 수 있다. 실리콘 소스(200)의 기화는 1800℃ ~ 3000℃, 바람직하게는 2000℃ ~ 2500℃에서 수행된다.

본 발명의 다른 실시예는 실리콘 소스를 도가니 내부에 배치하는 단계(A), 상기 실리콘 소스를 기화시키는 단계(B) 및 상기 기화된 실리콘 소스가 상기 도가니의 누출 채널을 통과하여 상기 도가니의 외주면에 존재하는 다공질 탄소체와 반응하는 단계(C)를 포함하는 탄화규소 분말 제조방법에 관한 것이다.

상기 실리콘 소스는 실리콘을 포함하는 분말 또는 덩어리 일 수 있다. 예를 들어, 순수한 실리콘 분말, 실리콘 덩어리일 수도 있고, 탄화규소(SiC)와 같이 실리콘과 다른 원자와의 화합물로 이루어진 분말 또는 덩어리일 수도 있다. 또는 이들 중 두 개 이상을 포함하는 분말 또는 덩어리일 수 있다. 실리콘 소스로 탄화규소를 사용하는 경우, 저순도 탄화규소 분말 또는 덩어리로부터 고순도 탄화규소 분말을 얻을 수 있다.

다공질 탄소체는 탄소를 포함하는 다공성 재료이면 제한 없이 이용할 수 있다. 예를 들어, 활성탄소, 탄소섬유 또는 흑연섬유를 포함하는 다공질 탄소체일 수 있다.

상기 다공질 탄소체의 기공율은 20 ~ 90%, 바람직하게는 20 ~ 70%, 더욱 바람직하게는 30 ~ 50%일 수 있다. 기공율이 너무 작으면 기화된 실리콘 소스의 반응이 적어져 탄화규소 분말 제조의 효율이 떨어지는 문제점이 있고, 기공율이 너무 크면 제조된 분말의 크기 제어가 힘들고 원하는 크기의 분말 제조가 어려워지는 문제점이 있다.

도가니 내부에 실리콘 소스를 위치시키고 도가니를 2000℃ 이상의 고온으로 가열하여 실리콘 소스를 기화시킴으로써 고순도 탄화규소 분말을 제조할 수 있다. 본 발명에 따른 탄화규소 분말 제조 방법은 다공질 탄소체로 이루어진 단열재 내부에서 실리콘 소스를 기화시킨 후 다공질 탄소체와 반응시켜 탄화 규소 분말을 제조하는 방법에 관한 것이다.

또한, 본 발명의 가열 방식은 유도가열 방식을 사용하는 것이 바람직하나 가열 방식에 제한이 있는 것은 아니다.

본 발명은 다공질 탄소체와 유도가열을 통해 기화된 실리콘 소스를 2000℃ 이상에서 반응시켜 고순도 탄화규소 분말을 얻는 단계를 포함하는 고순도 탄화규소 분말의 제조 방법을 그 특징으로 한다.

기화된 실리콘 소스는 도가니에 마련된 누출 채널을 통과하여 다공질 탄소체와 반응하는데, 상기 누출 채널은 도가니를 관통하는 구멍일 수 있다. 상기 누출 채널은 도가니 몸체 또는 도가니 뚜겅 중 어느 하나 이상에 형성될 수 있다.

상기 누출 채널의 형상에 제한이 있는 것은 아니다. 예를 들어, 그 단면이 원형, 타원형, 삼각형, 사각형 등의 다각형은 물론 비정형의 단면일 수 있다.

또한, 그 크기에 제한이 있는 것은 아니다. 예를 들어, 상기 누출 채널의 직경은 1 ~ 10mm일 수 있다. 바람직하게는 1 ~ 5mm일 수 있다. 누출 채널의 직경이 너무 작으면 기화된 실리콘 소스의 누출이 어려워지는 문제점이 있고, 너무 크면 급격한 온도 구배가 형성되어, 도가니 내부에서 재결정화가 일어나, 외부로 기화된 실리콘 소스의 누출이 줄어드는 문제점이 있다.

또한, 누출 채널은 도가니에 한 개 이상 설치할 수 있으며, 도가니 전체 면적(도가니 내주면의 면적)의 10 ~ 30%를 차지하는 것이 바람직하다. 상기 면적 범위 내에서 기화된 실리콘 소스의 누출이 활발하게 되는 효과가 있다.

구체적으로 본 발명은 누출 채널을 구비한 도가니 몸체에 실리콘 소스를 넣고, 도가니 뚜껑을 덮어서 도가니를 마련한다. 상기와 같이 준비된 도가니를 다공질 탄소체 내부에 배치시킨다. 이후 1000℃ 내지 1500℃의 온도와 진공의 압력으로 도가니 및 다공질 탄소체 내부에 포함된 불순물을 제거한다. 이어서 불활성 가스, 예를 들어 아르곤(Ar)을 주입하여, 내부의 분위기를 아르곤 분위기로 전환시켜 준다. 그리고, 도가니 내부를 2000℃ 내지 2500℃의 온도로 가열한다. 보다 빠른 반응을 유도하기 위하여, 압력을 고진공 상태로 유지하여 준다. 이러한 조건에서 수시간 내지 수십 시간 유지하여 주면, 도가니 내부의 실리콘 소스가 기화되어, 도가니 측면에 위치하고 있는 누출 채널을 통하여 외부로 누출되기 시작하고, 기화된 실리콘 소스와 다공질 탄소체가 반응하여, 고순도 탄화 규소 분말이 제조된다.

도 1은 다공질 탄소체로 흑연 섬유계 단열재를 이용하여 탄화규소 분말을 제조하는 과정을 나타낸 것이다. 초기(도1-1)에는 섬유질로 유지되고 있지만, 2000℃ 이상의 온도에서 기화된 실리콘 소스와 반응하여 표면에서 탄화규소 결정체로 변하게 되며, 시간이 경과 될수록 흑연 섬유계 전체가 탄화규소 결정체(도1-4)로 변화된다. 이때 형성된 탄화규소 결정체는 흑연 섬유계 틈 사이에서 분말 형태로 잔류하게 된다.

본 발명의 제조 방법에 따라 제조된 탄화규소 분말의 평균 입자 크기는 수㎛에서 수백㎛의 크기를 가지며, 이 때 실리콘 소스 및 흑연 섬유계 단열재로 보다 순도가 높은 재료를 사용할수록 보다 순도가 높은 탄화규소 분말을 제조할 수 있다.

또한 내부 온도의 가열 방식으로 유도가열 방식(401)으로 온도를 제어한다.

도 2는 본 발명의 일 실시 예에 사용되는 도가니의 단면도이고, 도 3은 실리콘 소스 공급용 도가니를 다공질 탄소체 내부에 위치 시킨 반응 챔버 내부의 단면도이다.

실시 예는 다공질 탄소체를 이용한 고순도 탄화규소 분말 제조방법으로 기화된 실리콘 소스를 다공질 탄소체와 반응시켜 탄화규소 분말을 합성시키는 방법에 관한 것이다. 이를 위해 먼저, 도가니 몸체(103) 내부에 실리콘 소스(200)인 저순도 탄화규소 분말을 넣고, 도가니 뚜껑(101)을 덮었다. 실시 예에서는 탄화규소 분말을 실리콘 소스(200)로 사용하였으나, 이에 한정되지 않고, 실리콘을 공급할 수 있는 물질(Si 덩어리, Si 분말 등등)을 마련할 수 있다. 이때 도가니의 몸체(103)에는 실리콘 소스(200)로부터 기화된 실리콘 가스가 원활하게 누출될 수 있도록, 누출 채널(102)을 만들어주었다.

도 3에서 보이는 것과 같이 실리콘 소스 공급용 도가니를 다공질 탄소체 내부에 배치시켰다. 이후 반응 챔버(403) 외부에 있는 가열 수단(401)인 유도 코일을 사용하여, 1000℃ 내지 1500℃의 온도와 진공의 압력으로 도가니(100) 및 다공질 탄소체(300) 내부에 포함된 불순물을 제거하였다. 이어서 불활성 가스 아르곤(Ar)을 주입하여, 내부의 분위기를 아르곤 분위기로 전환시켜 준다. 그리고, 가열수단(401)을 이용하여, 다시 한번 2500℃의 온도로 가열한다. 보다 빠른 반응을 유도하기 위하여, 압력을 고진공 상태로 유지하여 준다. 이러한 조건에서 수 시간 내지 수십 시간 유지하여 주면, 도가니(100) 내부의 실리콘 소스(200)가 기화되어, 도가니 측면에 위치하고 있는 누출 채널(102)을 통하여 외부로 누출되기 시작한다. 이때 누출된 기화 실리콘 소스와 다공질 탄소체(300)가 반응하여, 고순도 탄화 규소 분말(500)을 제조 할 수 있었다.

상기의 방법으로 제조한 탄화규소 분말의 입도는 150㎛ 정도였으며, 도 7에서 보이는 것과 같이 순도 분석에서는 99.99%이상의 순도를 확인하였다.

100: 도가니
101: 도가니 뚜껑
102: 실리콘 가스 누출 채널
103: 도가니 몸체
200: 실리콘 소스
300: 다공질 탄소체
401: 가열수단(유도 코일)
403: 반응 챔버
500: 합성된 탄화규소 분말
501: Si 공급원이 빠져나간 잔류물질

Claims (14)

1. 누출 채널을 구비하고, 내부에 실리콘 소스가 배치된 도가니;
   상기 도가니 외주면을 감싸며, 기화된 상기 실리콘 소스와 반응하는 다공질 탄소체;
   상기 다공질 탄소체의 외주면을 감싸는 반응 챔버; 및
   상기 반응 챔버의 외측에 마련된 가열수단
   을 포함하는 탄화규소 분말 제조 장치.
2. 삭제
3. 제1항에 있어서, 상기 다공질 탄소체는 탄소섬유 또는 흑연섬유를 포함하는 탄화규소 분말 제조 장치.
4. 제1항에 있어서, 상기 가열수단은 유도가열 코일인 탄화규소 분말 제조 장치.
5. 제1항에 있어서, 상기 다공질 탄소체의 기공율은 20 ~ 90% 인 탄화규소 분말 제조 장치.
6. 제1항에 있어서, 상기 누출 채널은 상기 도가니 면적의 10 ~ 30%인 탄화규소 분말 제조 장치.
7. 제1항에 있어서, 상기 누출 채널의 직경은 1 ~ 10mm인 탄화규소 분말 제조 장치.
8. 실리콘 소스를 도가니 내부에 배치하는 단계(A);
   상기 실리콘 소스를 기화시키는 단계(B); 및
   상기 기화된 실리콘 소스가 상기 도가니의 누출 채널을 통과하여 상기 도가니의 외주면에 존재하는 다공질 탄소체와 반응시키는 단계(C)
   를 포함하는 탄화규소 분말 제조방법.
9. 제8항에 있어서, 상기 실리콘 소스는 실리콘을 포함하는 분말 또는 덩어리 중 어느 하나 이상을 포함하는 탄화규소 분말 제조방법.
10. 제8항에 있어서, 상기 다공질 탄소체는 탄소섬유 또는 흑연섬유를 포함하는 탄화규소 분말 제조방법.
11. 제8항에 있어서, 상기 누출 채널의 직경은 1 ~ 10mm인 탄화규소 분말 제조방법.
12. 제8항에 있어서, 상기 다공질 탄소체의 기공율은 20 ~ 90%인 탄화규소 분말 제조 방법.
13. 제8항에 있어서, 상기 실리콘 소스의 기화는 유도가열방식으로 수행되는 탄화규소 분말 제조방법.
14. 제8항에 있어서, 상기 실리콘 소스의 기화는 1800~3000℃에서 수행되는 탄화규소 분말 제조방법.

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