KR101592569B1 - 반응 장치 - Google Patents

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Abstract

반응 장치가 개시된다. 반응 장치는 반응물을 수용하는 통 형상의 튜브 몸체; 상기 튜브 몸체 내측에 배치되고, 상기 반응물 및 상기 튜브 몸체 사이에 배치되는 버퍼부; 및 상기 튜브 몸체 외측에 배치되어, 상기 반응물에 열을 가하는 열원을 포함하며, 상기 튜브 몸체의 내주면 및 상기 버퍼부의 외주면이 서로 접촉한다. 버퍼부에 의해서, 반응물이 튜브 몸체 내측에 증착되는 것이 방지되고, 이에 따라서, 튜브 몸체의 손상이 방지될 수 있다. 또한, 튜브 몸체의 물질이 반응물로 확산되는 것이 방지되어, 반응 장치는 고순도의 반응 생성물을 제공할 수 있다.
버퍼, 기공, 튜브, 로

Description

반응 장치{REACTOR}
실시예는 반응 장치에 관한 것이다.
실리콘 카바이드는 최근에 다양한 전자 소자 및 목적을 위한 반도체 재료로서 사용되고 있다. 실리콘 카바이드는 특히 물리적 강도 및 화학적 공격에 대한 높은 내성으로 인해 유용하다.
이러한 실리콘 카바이드를 형성하기 위해서, 튜브 및 열선을 포함하는 튜브 로가 사용될 수 있다. 이러한 튜브 로의 내측면에 반응물 또는 생성물이 증착될 수 있고, 튜브 및 증착물 사이의 열 팽창률의 차이에 의해서 튜브의 크랙이 발생될 수 있다.
실시예는 향상된 수명을 가지고, 향상된 순도의 생성물을 형성하는 반응 장치를 제공하고자 한다.
실시예에 따른 반응 장치는 반응물을 수용하는 통 형상의 튜브 몸체; 상기 튜브 몸체 내측에 배치되고, 상기 반응물 및 상기 튜브 몸체 사이에 배치되는 버퍼부; 및 상기 튜브 몸체 외측에 배치되어, 상기 반응물에 열을 가하는 열원을 포함하며, 상기 튜브 몸체의 내주면 및 상기 버퍼부의 외주면이 서로 접촉한다.
실시예에 따른 반응 장치는 튜브 몸체 내측에 배치되어, 반응물 및 튜브 몸체 사이에 배치되는 버퍼부를 포함한다.
버퍼부에 의해서, 반응물 및/또는 생성물이 튜브 몸체 내측에 증착되는 것이 방지된다. 따라서, 증착된 반응물 및/또는 생성물 및 튜브 몸체 사이의 열팽창 계수 차이로 인한 튜브 몸체의 크랙이 방지된다.
따라서, 실시예에 따른 반응 장치는 향상된 수명 및 강도를 가진다.
또한, 버퍼부에 의해서, 튜브 몸체에 포함된 물질이 생성물로 확산되는 현상을 방지 또는 감소시킨다.
이에 따라서, 실시예에 따른 반응 장치에 의해서 형성된 생성물은 향상된 순도를 가질 수 있다.
또한, 버퍼부는 기공을 포함할 수 있다. 기공은 열팽창 계수의 차이에 따른 물리적인 충격을 흡수하기 때문에, 버퍼부는 튜브 몸체를 효율적으로 보호할 수 있다.
따라서, 실시예에 따른 반응 장치는 향상된 강도 및 수명을 가진다.
실시 예의 설명에 있어서, 각 몸체, 부, 열원 또는 면 등이 각 몸체, 부, 열원 또는 면 등의 "상(on)"에 또는 "아래(under)"에 형성되는 것으로 기재되는 경우에 있어, "상(on)"과 "아래(under)"는 "직접(directly)" 또는 "다른 구성요소를 개재하여 (indirectly)" 형성되는 것을 모두 포함한다. 또한 각 구성요소의 상 또는 아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서의 각 구성요소들의 크기는 설명을 위하여 과장될 수 있으며, 실제로 적용되는 크기를 의미하는 것은 아니다.
도 1은 실시예에 따른 반응 장치를 도시한 도면이다. 도 2는 실시예에 따른 반응 장치의 일 단면을 도시한 단면도이다. 도 3은 도 2에서 A부분을 확대하여 도시한 단면도이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 반응 장치는 튜브 로(100) 및 도가니(200)를 포함한다.
상기 튜브 로(100)는 상기 도가니(200)를 수용한다. 상기 튜브 로(100)는 상기 도가니(200)에 담겨진 반응물(30)에 균일하게 열을 가한다.
상기 튜브 로(100)는 튜브 몸체(110), 버퍼부(120) 및 열원(130)을 포함한다.
상기 튜브 몸체(110)는 튜브(tube) 형상, 즉, 통 형상을 가진다. 더 자세하게, 상기 튜브 몸체(110)는 원통 형상을 가진다.
상기 튜브 몸체(110)는 높은 내열성 및 열전도율을 가지며, 상기 튜브 몸체(110)로 사용되는 물질의 예로서는 지르코늄 옥사이드(ZrO), 실리콘 카바이드(SiC), 석영, 뮬라이트(mullite) 또는 알루미나 등을 들 수 있다.
이때, 반응 온도에 따라서, 상기 튜브 몸체(110)로 사용되는 물질의 종류가 달라질 수 있다. 예를 들어, 상기 반응 온도가 약 1000℃ 미만 일때, 상기 튜브 몸체(110)로 석영이 사용되고, 상기 반응 온도가 약 1000℃ 내지 약 1200℃ 일때, 상기 튜브 몸체(110)로 뮬라이트가 사용될 수 있다. 또한, 상기 반응온도가 약 1200℃ 내지 약 1650℃ 일때, 상기 튜브 몸체(110)로 알루미나가 사용될 수 있다.
또한, 알루미나는 상기 튜브 몸체(110)로 약 1200℃ 미만의 반응온도 범위에서도 사용될 수 있으며, 뮬라이트는 상기 튜브 몸체(110)로 1000℃ 미만의 반응온도 범위에서도 사용될 수 있다.
상기 튜브 몸체(110)는 치밀하게 형성된다. 즉, 상기 튜브 몸체(110)는 기공 등이 없도록 형성될 수 있다. 더 자세하게, 상기 튜브 몸체(110)는 상기 버퍼부(120)보다 더 치밀한 조직을 가진다.
상기 튜브 몸체(110)의 두께(T1)는 약 3㎜ 내지 약 20㎜일 수 있다. 상기 튜브 몸체(110)의 직경은 약 40㎜ 내지 약 300㎜ 일 수 있다. 상기 튜브 몸체(110)의 두께(T1) 및 상기 튜브 몸체(110)의 직경은 반응물(30)의 종류 및 공정 온도 및 공정 압력과 같은 공정 조건에 따라서, 다양하게 변형될 수 있다.
상기 튜브 몸체(110)는 양 끝단이 오픈될 수 있다. 이에 따라서, 상기 오픈된 양 끝단을 통하여, 상기 도가니(200)가 삽입될 수 있다.
상기 버퍼부(120)는 상기 튜브 몸체(110) 내측에 배치된다. 상기 버퍼부(120)는 상기 튜브 몸체(110)의 내주면(112)에 배치된다. 더 자세하게, 상기 버퍼부(120)는 상기 튜브 몸체(110)의 내주면(112)에 접촉한다. 예를 들어, 상기 버퍼부(120)의 외주면(121)은 상기 튜브 몸체(110)의 내주면(112)에 접촉할 수 있다. 더 자세하게, 상기 버퍼부(120)의 외주면(121)의 전체가 상기 튜브 몸체(110)의 내주면(112)에 접촉될 수 있다.
상기 버퍼부(120)는 튜브 형상, 즉, 통 형상을 가진다. 더 자세하게, 상기 튜브 몸체(110)는 원통 형상을 가진다. 상기 버퍼부(120)는 상기 튜브 몸체(110)와 대응하는 형상을 가진다. 더 자세하게, 상기 버퍼부(120)의 외주면(121)의 형상은 상기 튜브 몸체(110)의 내주면(112)의 형상에 대응한다.
상기 버퍼부(120)는 다수 개의 기공들(123)을 포함한다. 즉, 상기 버퍼부(120)는 상기 튜브 몸체(110)보다 덜 치밀하게 형성된다. 또한, 상기 버퍼부(120)의 부피에 대한 상기 기공들(123)의 부피의 비(이하, 기공도)는 약 10% 내지 50%이다. 더 자세하게, 상기 기공도는 약 20% 내지 40%이다. 더 자세하게, 상기 기공도는 약 25% 내지 30%이다.
이때, 상기 기공도는 반응물(30)의 종류 및 공정 온도 및 공정 압력과 같은 공정 조건에 따라서, 다양하게 변형될 수 있다.
상기 버퍼부(120)의 기공도가 10% 이하인 경우에는 상기 버퍼부(120)의 파손이 발생될 수 있고, 상기 버퍼부(120)의 기공도가 50% 이상인 경우에는 상기 튜브 몸체(110)의 물질이 반응물(30) 또는 생성물에 용이하게 확산될 수 있다.
상기 버퍼부(120)의 두께는 약 1㎜ 내지 약 30㎜이다. 더 자세하게, 상기 버퍼부(120)의 두께는 약 2㎜ 내지 10㎜일 수 있다. 더 자세하게, 상기 버퍼부(120)의 두께는 약 3㎜ 내지 5㎜일 수 있다.
이때, 상기 버퍼부(120)의 두께는 반응물(30)의 종류 및 공정 온도 및 공정 압력과 같은 공정 조건에 따라서, 다양하게 변형될 수 있다.
상기 버퍼부(120)는 높은 내열성 및 열전도율을 가진다. 또한, 상기 버퍼부(120)의 열팽창 계수는 상기 튜브 몸체(110)의 열팽창 계수에 대응할 수 있다. 상기 버퍼부(120)의 열팽창 계수는 상기 튜브 몸체(110)의 열팽창 계수와 실질적으로 동일할 수 있다.
상기 버퍼부(120)로 사용되는 물질의 예로서는 흑연, 실리콘 옥사이드(SiOx), 실리콘 카바이드(SiC), 티타늄 카바이드, 비스무트 카바이드(BiC2) 및 이들의 조합물 등을 들 수 있다.
상기 열원(130)은 상기 튜브 몸체(110)의 외측에 배치된다. 더 자세하게, 상기 열원(130)은 상기 튜브 몸체(110)의 외주면에 배치된다.
상기 열원(130)은 상기 튜브 몸체(110) 및 상기 버퍼부(120) 내측에 열을 공급한다. 즉, 상기 열원(130)은 반응물(30)에 열을 공급한다.
예를 들어, 상기 열원(130)은 상기 튜브 몸체(110) 외측에 배치되는 히팅 램프 일 수 있다. 예를 들어, 상기 열원(130)은 상기 튜브 몸체(110)의 외주면을 감싸는 열선 일 수 있다.
상기 열원(130)은 상기 버퍼부(120) 내측의 온도를 약 800℃ 내지 1800℃로 유지할 수 있다. 이때, 상기 열원(130)은 반응물(30)의 종류 및 공정 온도 및 공정 압력과 같은 공정 조건에 따라서, 상기 버퍼부(120) 내측의 온도를 다양하게 조절 할 수 있다.
상기 도가니(200)는 상기 버퍼부(120) 내측에 삽입된다. 즉, 상기 도가니(200)는 상기 버퍼부(120) 및 상기 튜브 몸체(110) 내측에 배치된다. 이에 따라서, 상기 버퍼부(120)는 상기 도가니(200) 및 상기 튜브 몸체(110) 사이에 배치된다.
상기 도가니(200)는 반응물(30)을 수용한다. 따라서, 상기 버퍼부(120)는 상기 반응물(30) 및 상기 튜브 몸체(110) 사이에 배치된다. 상기 반응물(30)은 실리콘 옥사이드 및 탄소 등을 들 수 있다. 예를 들어, 상기 도가니(200)에는 실리카 및 카본 블랙이 혼합되어 배치될 수 있다.
상기 도가니(200)는 상부가 오픈된 반원 통 형상을 가진다. 이와는 다르게, 상기 도가니(200)는 상부가 오픈된 직육면체 형상을 가질 수 있다. 상기 도가니(200)에는 상기 반응물(30)이 약 1/2 높이로 수용된다.
상기 도가니(200)는 높은 내열성을 가지며, 상기 도가니(200)로 사용되는 물질의 예로서는 흑연 등을 들 수 있다. 더 자세하게, 상기 도가니(200)는 높은 순도 의 흑연으로 이루어진다. 예를 들어, 상기 도가니(200)는 약 99.99% 내지 약 99.9999%의 순도를 가지는 흑연으로 이루어진다.
상기 버퍼부(120)는 상기 튜브 몸체(110)보다 덜 치밀하게 형성되고, 기공을 포함하기 때문에, 수축 및 팽창에 의해서, 크랙이 덜 발생된다.
이에 따라서, 반응물(30) 및/또는 생성물이 상기 버퍼부(120)에 증착되어 막이 형성될 때, 상기 증착된 막 및 상기 버퍼부(120) 사이의 열팽창 계수 차이에 의한 크랙이 더 발생된다.
따라서, 실시예에 따른 반응 장치는 상기 버퍼부(120)에 의해서, 상기 튜브 몸체(110)에 반응물(30) 및/또는 생성물이 직접 증착되는 것을 방지하거나 감소시켜, 더 향상된 강도 및 수명을 가진다.
또한, 상기 버퍼부(120)은 상기 튜브 몸체(110)를 이루는 물질이 상기 생성물에 확산되는 것을 방지한다.
이에 따라서, 실시예에 따른 반응 장치는 고순도의 생성물을 형성할 수 있다. 특히, 실시예에 따른 반응 장치는 실리콘 옥사이드 및 탄소를 반응시켜서, 고순도의 실리콘 카바이드를 형성할 수 있다.
이상에서 실시예를 중심으로 설명하였으나 이는 단지 예시일 뿐 본 발명을 한정하는 것이 아니며, 본 발명이 속하는 분야의 통상의 지식을 가진 자라면 본 실시예의 본질적인 특성을 벗어나지 않는 범위에서 이상에 예시되지 않은 여러 가지의 변형과 응용이 가능함을 알 수 있을 것이다. 예를 들어, 실시예에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응 용에 관계된 차이점들은 첨부된 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.
실험예
약 5㎜의 두께를 가지고, 직경이 약 250㎜인 원통 형상의 알루미나 튜브 몸체가 제공되었다. 또한, 상기 튜브 몸체 내측에 기공도가 약 30%이고, 약 5㎜의 두께를 가지고, 흑연으로 이루어진 버퍼부가 배치되었다.
SiO2 및 카본 블랙이 도가니에 담겨져서 상기 버퍼부에 삽입되었고, 1일 1회 약 23 시간 동안 1600℃에서 실리콘 카바이드를 합성하였다. 이러한 과정은 한 달동안 진행되었다. 상기 버퍼부 내측에 약 0.1㎜의 증착물이 형성되었다.
또한, 합성된 실리콘 카바이드에서, 약 50ppm의 알루미늄이 검출되었다.
비교예
약 5㎜의 두께를 가지고, 직경이 약 250㎜인 원통 형상의 알루미나 튜브 몸체가 제공되었다.
이후, 상기 튜브 몸체 내측에 버퍼부가 형성되지 않고, 실험예와 같은 조건으로 실리콘 카바이드를 합성하였다. 이러한 과정에서, 상기 튜브 몸체 내측에 약 0.2㎜ 두께의 증착물이 형성되었다. 또한, 상기 튜브 몸체에서 크랙이 발생되었다.
또한, 합성된 실리콘 카바이드에서, 약 500ppm의 알루미늄이 검출되었다.
비교예 및 실험예에서 살펴본 바와 같이, 버퍼부에 의해서, 튜브 로는 향상된 강도 및 수명을 가지고, 고순도의 생성물을 형성한다는 것을 알 수 있다.
도 1은 실시예에 따른 반응 장치를 도시한 도면이다.
도 2는 실시예에 따른 반응 장치의 일 단면을 도시한 단면도이다.
도 3은 도 2에서 A부분을 확대하여 도시한 단면도이다.

Claims (6)

  1. 원통 형상의 튜브 몸체;
    상기 튜브 몸체 내측에 배치되고, 원통 형상을 가지는 버퍼부;
    상기 버퍼부의 내측에 배치되고, 반응물을 수용하는 도가니; 및
    상기 튜브 몸체 외측에 배치되어, 상기 반응물에 열을 가하는 열원을 포함하며,
    상기 튜브 몸체의 내주면 및 상기 버퍼부의 외주면이 서로 접촉하고,
    상기 튜브 몸체는 상기 도가니가 삽입될 수 있는 오픈부를 포함하고,
    상기 튜브 몸체는 상기 버퍼부보다 치밀한 조직을 포함하는 반응 장치.
  2. 삭제
  3. 제 1 항에 있어서, 상기 버퍼부는 기공을 포함하는 반응장치.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 기공의 비율은 상기 버퍼부에 대하여 10 부피% 내지 50 부피%인 반응장치.
  5. 제 1 항에 있어서 상기 튜브 몸체는 석영, 뮬라이트 또는 알루미나를 포함하는 반응장치.
  6. 제 1 항에 있어서, 상기 버퍼부는 흑연, 실리콘 옥사이드, 실리콘 카바이드, 티타늄 카바이드 또는 비스무트 카바이드를 포함하는 반응장치.
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