KR101567492B1 - 탄화규소 분말 - Google Patents

Abstract

탄화규소 분말에 관한 것이다.
탄화규소 분말은, 불순물 함량이 1ppm 이하이고, 잔류 질소 농도가 200ppm이하이다.

Description

탄화규소 분말{SILICON CARBIDE POWDER}

본 발명은 탄화규소 분말에 관한 것이다.

탄화규소(silicon carbide, SiC)는 물리, 화학적으로 안정하고, 내열성과 열전도성이 좋으며, 고온 안정성, 고온 강도 및 내마모성이 우수하다. 이에 따라 탄화규소는 산업체 구조용 재료로 널리 이용되고 있으며, 최근에는 반도체 소자에도 적용되고 있다.

탄화규소 분말은 규소원(Si source)과 탄소원(Carbon source)을 합성하여 제조되며, 에치슨(Acheson) 공법, 탄소열 환원법, CVD(Chemical Vapor Deposition) 공법 등에 의하여 제조될 수 있다. 이렇게 제조된 탄화규소 분말은 반도체 소자를 만들기 위한 단결정 성장에 이용될 수 있다.

한편, P 타입의 탄화규소 단결정을 성장시키는 과정에서, 원료에 포함된 질소(N)가 도핑 되면서 N 타입의 단결정이 형성되는 문제가 발생한다. 이에 따라, P 타입의 탄화규소 단결정 성장 시 질소 도핑을 방지하기 위해, 질소가 제어된 탄화규소 분말을 제공하기 위한 방법이 요구된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는, P 타입의 단결정 성장을 위해 질소가 제어된 탄화규소 분말을 제공하는데 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 탄화규소 분말은, 불순물 함량이 1ppm 이하이고, 잔류 질소 농도가 200ppm이하이다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 고순도의 잔류 질소 함량이 제어된 탄화규소 분말의 제조가 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄화규소 분말 제조 방법을 도시한 흐름도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나, 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 가지고 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥 상 가지는 의미와 일치하는 의미를 가지는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄화규소 분말 제조 방법을 도시한 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 먼저 규소원(Si source)과 탄소원(C source)을 혼합하는 혼합 공정을 진행한다(S100).

상기 S100 단계에서, 혼합 시 규소원에 포함된 규소와 탄소원에 포함된 탄소의 몰 비는 1:1.5 내지 1:3.0일 수 있다.

규소원은 규소 제공 물질을 의미한다. 규소원은, 예를 들면 건식 실리카(fumed silica), 실리카솔(silica sol), 실리카겔(silica gel), 미세 실리카(silica), 석영 분말 및 그들의 혼합물로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상일 수 있다.

탄소원은 탄소 제공 물질을 의미한다. 탄소원은 액상의 탄소원, 고상의 탄소원, 또는 유기 탄소 화합물일 수 있다. 액상의 탄소원으로는 예를 들면, 페놀수지(phenol resin), 피치(pitch) 등이 사용될 수 있다. 고상의 탄소원으로는 예를 들면 흑연(graphite), 카본 블랙(carbon black), 탄소 나노 튜브(Carbon Nano Tube, CNT), 풀러렌(fullerene) 및 그들의 혼합물로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상이 사용될 수 있다. 탄소원으로 사용되는 유기 탄소 화합물은 페놀(phenol) 수지, 프랑(franc) 수지, 자일렌(xylene) 수지, 폴리이미드(polyimide), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐아세테이트(polyvinyl acetate), 폴리초산비닐, 셀룰로오스(cellulose), 제당, 피치(pitch), 타르(tar) 및 그들의 혼합물로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상일 수 있다.

규소원과 탄소원은 용매를 이용한 습식 혼합 공정 또는 용매를 이용하지 않은 건식 혼합 공정에 의해 혼합될 수 있다. 예를 들면, 슈퍼 믹서(Sumper Mixer), 볼 밀(ball mill), 어트리션 밀(attrition mill), 3롤 밀(3roll mill) 등을 이용하여 혼합될 수 있다.

다음으로, S100 단계를 통해 혼합된 분말을 회수하여 도가니에 수용시킨다. 또한, 혼합 분말을 도가니에 수용한 수 고온으로 열처리하여 미립(fine grain)의 탄화규소 분말을 합성한다(S110). 여기서, 합성된 미립의 탄화규소 분말은 α상의 탄화규소 분말일 수 있다.

상기 S110 단계에서, 열처리 공정은 초기 도가니의 진공도를 고진공 상태에 해당하는 5*10^-1torr 내지 5*10^-3 torr로 만들어, 대기 중의 산소 및 질소가 제거된 상태로 행해질 수 있다.

상기 S110 단계에서, 혼합 분말을 열처리하는 과정은 탄화(carbonization) 공정 및 합성(synthesis) 공정으로 나뉠 수 있다.

탄화 공정은 이로 제한되는 것은 아니지만 예를 들어, 600℃ 내지 1200℃의 온도 조건에서 소정 시간(예를 들어, 1시간 이상) 진행될 수 있다.

또한, 탄화 공정은 불활성 가스인 아르곤(Ar) 또는 산소 제어가 가능한 아르곤/수소(Ar/H2) 혼합 가스를 도가니에 소정 속도(예를 들어, 5L/min 내지 500L/min)로 주입하면서 진행될 수 있다. 이에 따라, 탄화 공정 중 도가니 내부는 불활성 기체 과압 분위기가 유지되어 질소 및 다른 불순물의 유입 및 반응을 억제하는 것이 가능하다.

합성 공정은 이로 제한되는 것은 아니지만 예를 들어, 1300℃ 내지 1900℃의 온도 조건에서 소정 시간(예를 들어, 1시간 내지 3시간) 동안 진행될 수 있다.

다음으로, 상기 S110 단계를 통해 합성한 미립의 탄화규소 분말을 회수하여 입성장시킴으로써, 조립(coarse grain)의 탄화규소 분말을 제조한다(S120).

상기 S120 단계에서, 입성장 공정은 이로 제한되는 것은 아니지만 1800℃ 내지 2300℃에서 소정 시간(예를 들어, 1시간 내지 4시간) 행해질 수 있다.

또한, 입성장 공정은 불활성 가스인 아르곤(Ar) 또는 산소 제어가 가능한 아르곤/수소(Ar/H2) 혼합 가스를 도가니에 소정 속도(예를 들어, 5L/min 내지 500L/min)로 주입하면서 진행될 수 있다. 이에 따라, 입성장 공정 중 도가니 내부는 불활성 기체 과압 분위기가 유지되어 질소 및 다른 불순물의 유입 및 반응을 억제하는 것이 가능하다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 제조되는 조립의 탄화규소 분말은, 분말 내 잔류 질소의 함유량이 200ppm 이하이고, 분말 내 잔류 산소의 함유량이 200ppm 이하이며, 분말 내 불순물 함유량이 1ppm 이하일 수 있다. 또한, 입도(D₅₀)가 100㎛ 내지 500㎛이고, 산포(D₉₀/D₁₀)가 10 이하일 수 있다.

이하, 실험예를 통하여 본 발명의 실시 예를 좀더 상세하게 설명한다. 실험예는 본 발명의 실시 예를 좀더 명확하게 설명하기 위하여 제시한 것에 불과하며, 본 발명의 실시 예가 실험예로 한정되는 것은 아니다.

비교예

비교예의 탄화규소 분말을 제조하기 위해, 규소원과 탄소원으로 각각 평균 입경 30nm인 건식 실리카 50g과 탄화 공정 후의 탄소 잔존률이 대략 60%인 페놀 수지 63g을 혼합한다. 또한, 혼합 분말을 회수하여 도가니에 수용시키고, 도가니 내부의 초기 진공도를 1 torr 로 조절한다. 이후, 도가니 내부의 승온 속도를 3℃/min로 조절하고, 850℃의 온도 조건에서 5시간을 유지하는 탄화공정을 진행하여 혼합 분말을 탄화시킨다. 탄화 공정은, 불활성 가스 분위기에서 진행되며, 이를 위해 불활성 가스인 아르곤(Ar) 가스가 3L/min의 주입 속도로 도가니에 주입된다. 탄화 공정 후, 도가니 내부가 진공인 상태에서 승온 속도를 5℃/min으로 조절하고 1700℃의 온도 조건에서 3시간을 유지하는 합성 공정을 진행하여 미립의 탄화규소 분말을 합성한다. 그리고, 합성된 미립의 탄화규소 분말을 이용하여 승온 속도가 5℃/min로 조절되고, 2100℃의 온도 조건에서 1시간을 유지하는 입성장 공정을 진행하여 조립의 탄화규소 분말을 제조한다. 이 때, 입성장 공정은, 불활성 가스 분위기에서 진행되며, 이를 위해 불활성 가스인 아르곤(Ar) 가스가 3L/min의 주입 속도로 도가니에 주입된다.

이렇게 제조된 조립의 탄화규소 분말은, 아래 표 1에 도시된 바와 같이, 순도(분말 내 불순물 함량)가 2.3 ppm이고, 분말 내 잔류한 질소의 농도가 280ppm이며, 분말 내 잔류한 산소의 농도가 240ppm이다. 또한, 분말의 입도(D₅₀)가 250㎛이고, 산포(D₉₀/D₁₀)가 3이다. 여기서, 탄화규소 분말 내에 포함되는 불순물로는 알루미늄(Al), 붕소(B), 칼슘(Ca), 코발트(Co), 크롬(Cr), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 나트륨(Na), 니켈(Ni), 티탄(Ti), 텅스텐(W), 바나듐(V) 등이 포함될 수 있다.

표 1. 비교예

실험예1.

실험예1의 탄화규소 분말을 제조하기 위해, 규소원과 탄소원으로 각각 평균 입경 30nm인 건식 실리카 50g과 탄화 공정 후의 탄소 잔존률이 대략 60%인 페놀 수지 63g을 혼합한다. 또한, 혼합 분말을 회수하여 도가니에 수용시키고, 도가니 내부의 초기 진공도를 5*10^-3torr 로 조절한다. 이후, 도가니 내부의 승온 속도를 3℃/min로 조절하고, 850℃의 온도 조건에서 5시간을 유지하는 탄화공정을 진행하여 혼합 분말을 탄화시킨다. 탄화 공정은, 불활성 기체 과압 분위기에서 진행되며, 이를 위해 아르곤/수소(Ar/H2) 혼합 가스가 100L/min의 주입 속도로 도가니에 주입된다. 탄화 공정 후, 도가니 내부가 진공인 상태에서 승온 속도를 5℃/min으로 조절하고 1700℃의 온도 조건에서 3시간을 유지하는 합성 공정을 진행하여 미립의 탄화규소 분말을 합성한다. 그리고, 합성된 미립의 탄화규소 분말을 이용하여, 승온 속도가 5℃/min로 조절되고 2100℃의 온도 조건에서 1시간을 유지하는 입성장 공정을 진행하여 조립의 탄화규소 분말을 제조한다. 이때, 입성장 공정은, 불활성 기체 과압 분위기에서 진행되며, 이를 위해 아르곤/수소(Ar/H2) 혼합 가스가 100L/min의 주입 속도로 도가니에 주입된다.

이렇게 제조된 조립의 탄화규소 분말은, 아래 표 2에 도시된 바와 같이, 순도(분말 내 불순물 함량)가 0.48 ppm이고, 분말 내 잔류 질소의 농도가 12ppm이며, 분말 내 잔류 산소의 농도가 160ppm이다. 또한, 분말의 입도(D₅₀)가 250㎛이고, 산포(D₉₀/D₁₀)가 3이다.

표 2. 실험예1

실험예2

실험예2의 탄화규소 분말을 제조하기 위해, 규소원과 탄소원으로 각각 평균 입경 30nm인 건식 실리카 50g과 탄화 공정 후의 탄소 잔존률이 대략 60%인 페놀 수지 63g을 혼합한다. 또한, 혼합 분말을 회수하여 도가니에 수용시키고, 도가니 내부의 초기 진공도를 5*10^-1torr 로 조절한다. 이후, 도가니 내부의 승온 속도를 3℃/min로 조절하고, 850℃의 온도 조건에서 5시간을 유지하는 탄화공정을 진행하여 혼합 분말을 탄화시킨다. 탄화 공정은, 불활성 기체 과압 분위기에서 진행되며, 이를 위해 아르곤(Ar) 가스가 50L/min의 주입 속도로 도가니에 주입된다. 탄화 공정 후, 도가니 내부가 진공인 상태에서 승온 속도를 5℃/min으로 조절하고 1700℃의 온도 조건에서 3시간을 유지하는 합성 공정을 진행하여 미립의 탄화규소 분말을 합성한다. 그리고, 합성된 미립의 탄화규소 분말을 이용하여, 승온 속도가 5℃/min로 조절되고 2100℃의 온도 조건에서 1시간을 유지하는 입성장 공정을 진행하여 조립의 탄화규소 분말을 제조한다. 이때, 입성장 공정은, 불활성 기체 과압 분위기에서 진행되며, 이를 위해 아르곤(Ar) 가스가 50L/min의 주입 속도로 도가니에 주입된다.

이렇게 제조된 조립의 탄화규소 분말은, 아래 표 3에 도시된 바와 같이, 순도(분말 내 불순물 함량)가 0.98 ppm이고, 분말 내 잔류 질소의 농도가 115ppm이며, 분말 내 잔류 산소의 농도가 190ppm이다. 또한, 분말의 입도(D₅₀)가 270㎛이고, 산포(D₉₀/D₁₀)가 3이다.

표 3. 실험예2

실험예3.

실험예3의 탄화규소 분말을 제조하기 위해, 규소원과 탄소원으로 각각 평균 입경 30nm인 건식 실리카 50g과 탄화 공정 후의 탄소 잔존률이 대략 60%인 페놀 수지 63g을 혼합한다. 또한, 혼합 분말을 회수하여 도가니에 수용시키고, 도가니 내부의 초기 진공도를 5*10^-2torr 로 조절한다. 이후, 도가니 내부의 승온 속도를 3℃/min로 조절하고, 850℃의 온도 조건에서 5시간을 유지하는 탄화공정을 진행하여 혼합 분말을 탄화시킨다. 탄화 공정은, 불활성 기체 과압 분위기에서 진행되며, 이를 위해 아르곤/수소(Ar/H2) 혼합 가스가 50L/min의 주입 속도로 도가니에 주입된다. 탄화 공정 후, 도가니 내부가 진공인 상태에서 승온 속도를 5℃/min으로 조절하고 1700℃의 온도 조건에서 3시간을 유지하는 합성 공정을 진행하여 미립의 탄화규소 분말을 합성한다. 그리고, 합성된 미립의 탄화규소 분말을 이용하여, 승온 속도가 5℃/min로 조절되고 2100℃의 온도 조건에서 1시간을 유지하는 입성장 공정을 진행하여 조립의 탄화규소 분말을 제조한다. 이때, 입성장 공정은, 불활성 기체 과압 분위기에서 진행되며, 이를 위해 아르곤/수소(Ar/H2) 혼합 가스가 50L/min의 주입 속도로 도가니에 주입된다.

이렇게 제조된 조립의 탄화규소 분말은, 아래 표 2에 도시된 바와 같이, 순도(분말 내 불순물 함량)가 0.86 ppm이고, 분말 내 잔류 질소의 농도가 75ppm이며, 분말 내 잔류 산소의 농도가 180ppm이다. 또한, 분말의 입도(D₅₀)가 330㎛이고, 산포(D₉₀/D₁₀)가 4이다.

표 4. 실험예3

전술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 합성 공정 초기 대기 중 질소 및 산소가 제거된 고진공 상태를 형성하여 고순도 공정을 진행한다. 또한, 합성 공정 또는 입성장 공정 중에 주입되는 가스량을 조절하여 불활성 기체 과압 분위기를 유지함으로써, 공정 중 질소 및 다른 불순물의 유입 및 반응을 억제한다.

이에 따라, 본 발명의 실시 예에 따라서 제조되는 탄화규소 분말은 분말 내 불순물, 잔류 질소 및 잔류 산소의 함유량이 감소하여 고순도로 제조될 수 있다. 또한, 입성장 공정을 포함함으로써, 단결정 성장 시 유리한 10 이하의 균일한 산포와 100μm 이상의 과립 입도를 가지는 탄화규소 분말의 제조가 가능하다.

또한, 본 발명의 실시 예에 따라서 제조되는 조립의 탄화규소 분말을 이용하여 단결정 성장 시, 원료에 질소가 도핑되는 것을 방지하여 고품질의 P 타입의 탄화규소 단결정을 성장시키는 것이 가능하다. 또한, 분말의 균일한 산포와 과립 입도로 인해 단결정 성장이 유리하고, 분말 내 불순물 함량이 낮아 불순물에 의한 결함이 감소하여 고품질의 단결정 성장이 가능하다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (7)

1. 불순물 함량이 1ppm 이하이고, 잔류 질소 농도가 50ppm이하이며, 잔류 산소 농도가 200ppm 이하이고,
   입도(D₅₀)가 100㎛ 내지 500㎛이고, 산포(D₉₀/D₁₀)가 10 이하인 탄화규소 분말.
2. 삭제
3. 삭제
4. 제1항에 있어서,
   상기 불순물 함유량이 0.5ppm 이하인 탄화규소 분말.
5. 삭제
6. 삭제
7. 삭제

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