KR101674585B1 - 탄화규소 분말의 질소함유량을 감소시키는 방법, 이에 의해 제조된 탄화규소 단결정 - Google Patents

Abstract

본 발명은 탄화규소 분말의 질소함유량을 감소시키는 방법 및 이에 의해 제조된 탄화규소 단결정에 관한 것이다.
본 발명에 따르면 탄화규소 분말의 질소함유량을 100 ppm 이하로 낮출 수 있고, 이를 이용하여 탄화규소 단결정 성장시 10³ ohm-cm 이상의 고저항 탄화규소 단결정의 수득이 가능하다.

Description

탄화규소 분말의 질소함유량을 감소시키는 방법, 이에 의해 제조된 탄화규소 단결정{Method for reducing the content of nitrogen of Silicon Carbide Powder, and Silicon carbide single crystal thereof}

본 발명은 탄화규소 분말의 질소함유량을 감소시키는 방법 및 이에 의해 제조된 탄화규소 단결정에 관한 것이다.

탄화규소(SiC) 단결정은 열적, 화학적으로 매우 안정적이며, 기계적 강도가 우수할 뿐 아니라 실리콘에 비해 높은 절연 파괴 전압, 높은 열전도율 등의 우수한 물성을 가지고 있어, 차세대 반도체 재료로서 각광받고 있다. 탄화규소 단결정이 사용되는 전자소자 분야는 1) 크게 질소가 도핑되어 저저항 기판 형태로 사용하는 전력소자 분야와 2) 질소 도핑농도를 낮추거나 바나듐을 도핑하여 고저항의 절연체와 같은 특성을 갖는 탄화규소 단결정 웨이퍼를 사용하는 RF 통신소자 부분이 있다.

탄화규소 단결정을 제조하는 방법에는 대표적으로 승화법(Physical Vapor Transport Method: PVT 법), 용액성장법(Top Seed Solution Growth Method; TSSG 법), 고온화학기상증착법(High Temperature Chemical Vapor Deposition Method: HTCVD법)등이 있으며, 그 중에서도 승화법이 가장 상용화에 근접해 있다.

승화법을 이용한 단결정 성장 방법은 도가니 상단에 시드(Seed)를 부착시키고 탄화규소분말을 원료로 사용하여 2200 ℃ 이상의 온도에서 승화시킨 후 상대적으로 온도가 낮은 시드 표면에 재결정시켜 단결정을 성장하는 방법으로 순도가 높고 입도가 큰 탄화규소 분말을 원료로 사용한다.

한편, 탄화규소 분말 격자의 카본은 합성 도중에 쉽게 질소분자로 치환이 일어나게 되어, 일반적으로 고순도 탄화규소 분말일지라도 질소함량이 300 ppm 이상이 되어 단결정 성장시 연두색을 띠는 N-Type 기판 소재가 되기 때문에 전력소자 분야의 도전성 기판으로만 사용이 가능한 단점이 있다.

따라서, 이동통신 기지국용 전력증폭기, 자동차용 전력증폭기, 해상용 레이더 등의 용도로 이용되는 RF 통신소자 부분에 사용을 위한 고저항 반절연 기판을 성장시키기 위해서는 탄화규소 분말의 질소 함량을 100 ppm 이하로 낮추는 방법에 대한 개발이 요구된다.

따라서, 본 발명이 해결하고자 하는 과제는 탄화규소 분말을 특정 압력과 온도 조건에서 열처리를 수행하여 탄화규소 분말의 질소 함유량을 100 ppm 이하로 감소시키는 방법을 제공하는 것이다.

또한, 상기 방법을 이용하여 질소함유량이 감소된 탄화규소 분말을 제공하는 것이다.

또한, 상기 질소함유량이 감소된 탄화규소 분말을 이용하여 제조된 탄화규소 단결정을 제공하는 것이다.

본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여,

탄화규소 분말을 진공 분위기에서 1650-2250 ℃의 범위에서 열처리하는 단계;를 포함하는 탄화규소 분말의 질소함유량을 감소시키는 방법을 제공한다.

본 발명의 일 실시예에 의하면, 상기 열처리 단계는 10-1000 Pa의 압력 범위에서 수행될 수 있다.

본 발명의 다른 일 실시예에 의하면, 상기 열처리 단계는 2-4회의 사이클 열처리(thermo cycle)일 수 있고, 상기 사이클 열처리는 1850-2250 ℃에서 10-60 분 동안 온도를 유지하는 제1 열처리 단계; 및 상기 제1 열처리 후, 1650-2050 ℃에서 30-90 분 동안 온도를 유지하는 제2 열처리 단계;를 포함할 수 있다.

또한, 본 발명은 상기 과제를 해결하기 위하여,

상기 탄화규소 분말의 질소함유량을 감소시키는 방법에 의해 제조된 탄화규소 분말로서, 질소 함유량이 10-100 ppm이고, 평균 입도는 5-100 ㎛인 것을 특징으로 하는 탄화규소 분말 및 이를 이용하여 제조된 탄화규소 단결정을 제공한다.

본 발명에 따르면 탄화규소 분말의 질소함유량을 100 ppm 이하로 낮출 수 있고, 이를 이용하여 탄화규소 단결정 성장시 10³ ohm-cm 이상의 고저항 탄화규소 단결정의 수득이 가능하다.

도 1은 탄화규소 분말의 압력 10 Pa, 고온 진공하에서의 다양한 안정상, 기체 분압의 변화, 전이 온도를 나타낸 그래프이다.
도 2는 탄화규소 분말의 압력 100 Pa, 고온 진공하에서의 다양한 안정상, 기체 분압의 변화, 전이 온도를 나타낸 그래프이다.
도 3은 탄화규소 분말의 압력 1000 Pa, 고온 진공하에서의 다양한 안정상, 기체 분압의 변화, 전이 온도를 나타낸 그래프이다.
도 4는 본 발명의 제조예에 따라 제조된 탄화규소 분말에 대한 X선 회절 분석 결과이다.
도 5는 본 발명의 제조예에 따라 제조된 탄화규소 분말에 대한 전자주사현미경 이미지이다.

이하, 본 발명을 보다 상세하게 설명한다.

본 발명에서는 종래 고순도의 탄화규소 분말에 함유된 질소로 인하여, 고저항 반절연 기판으로의 활용에 제한이 있었던 문제점을 해결하기 위하여, 탄화규소 분말의 질소 함유량을 감소시키는 방법을 제공하고자 한다.

이에, 본 발명에서는 질소 함량을 낮추는 방법으로, 탄화규소 분말이 진공하에서 승화-재결정 과정을 거치는 경우 탄화규소 분말에 함유된 질소의 함량이 현저히 감소 된다는 것을 확인하였는바, 본 발명은 탄화규소 분말을 진공 분위기에서 1650-2250 ℃의 범위에서 열처리하는 단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.

또한, 상기 열처리 단계는 10-1000 Pa의 압력 범위에서 수행되는 것이 바람직하다.

이때, 상기 열처리 단계는 2-4회의 사이클 열처리(thermo cycle)인 것을 특징으로 하고, 상기 사이클 열처리는 1850-2250 ℃에서 10-60 분 동안 온도를 유지하여 탄화규소 분말을 승화시키는 제1 열처리 단계; 및 상기 제1 열처리 후, 1650-2050 ℃에서 30-90 분 동안 온도를 유지하여 상기 탄화규소를 재결정시키는 제2 열처리 단계;를 포함한다.

상기 제1 열처리 단계를 통해 질소가 도핑된 탄화규소 분말을 고온 진공하에서 승화시키면 Si₂C, SiC₂, Si, C 그리고 N₂가스가 발생한다. 상기 승화 과정을 거친 후, 상기 제2 열처리 단계를 통해 열처리 온도를 100-200 ℃ 낮추어 주는 경우 탄화규소는 재결정이 일어난다. 하지만, 탄화규소 격자 내에 함유된 질소는 분자크기가 작고 가벼워 그라파이트 도가니의 작은 기공을 통하여 진공하에서 제거되고, 이들을 사이클 열처리를 통해 2-4회 반복하면 탄화규소 격자 내에 함유되는 질소의 함량은 더욱 감소하게 된다.

예를 들어, 전체압력이 100 Pa인 경우 1900 ℃ 부근에서 탄화규소의 승화가 시작되지만(도 2), 전체압력을 10 Pa로 낮추게 되면 1750 ℃ 부근의 낮은 온도에서도 탄화규소의 승화가 일어남을 열역학적 시뮬레이션을 통하여 확인할 수 있다.

따라서, 전체 압력이 10 Pa인 경우 제1 열처리의 온도 범위는 승화가 시작되는 온도인 1850-1950 ℃인 것이 바람직하고, 제2 열처리의 온도 범위는 재결정이 시작되는 온도인 1650-1750 ℃인 것이 바람직하다.

또한, 전체 압력이 100 Pa인 경우 제1 열처리의 온도 범위는 승화가 시작되는 온도인 2050-2150 ℃인 것이 바람직하고, 제2 열처리의 온도 범위는 재결정이 시작되는 온도인 1850-1950 ℃인 것이 바람직하다.

또한, 전체 압력이 1000 Pa인 경우 제1 열처리의 온도 범위는 승화가 시작되는 온도인 2150-2250 ℃인 것이 바람직하고, 제2 열처리의 온도 범위는 재결정이 시작되는 온도인 1950-2050 ℃인 것이 바람직하다.

본 발명의 상술한 방법을 이용하면, 질소 함유량이 10-100 ppm이고, 평균 입도는 5-100 ㎛인 것을 특징으로 하는 탄화규소 분말을 제조할 수 있다.

또한, 상기 탄화규소 분말을 이용하여 탄화규소 단결정을 성장시키면, 질소 함량이 감소된 10³ ohm-cm 이상의 고저항 탄화규소 단결정을 제조할 수 있다.

이하에서는 바람직한 실시예 등을 들어 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다. 그러나 이들 실시예 등은 본 발명을 보다 구체적으로 설명하기 위한 것으로, 본 발명의 범위가 이에 의하여 제한되지 않는다는 것은 당업계의 통상의 지식을 가진 자에게 자명할 것이다.

시험예 1. 압력에 따른, 열처리 단계의 최적 온도 범위 설정

진공 상태에서, 압력의 조건에 따라 탄화규소가 승화 및 재결정이 일어나는 온도가 변화하는바, 각 압력 조건에서의 최적의 열처리 조건을 설정하기 위하여 전산열역학 시뮬레이션 소프트웨어인 Factsage 6.3과 화합물 열역학 데이터베이스인 FactPS를 적용하여 각 압력에 따른 다양한 안정상, 기체분압의 변화, 전이온도 등을 계산하였으며, 진공로 내의 압력 조건이 10 Pa, 100 Pa, 1000 Pa인 경우의 결과를 도 1 내지 도 3에 나타내었다.

도 1 내지 도 3은 압력 조건이 10(도 1), 100(도 2), 1000(도 3) Pa인 경우에 존재하는 다양한 안정상, 기체 분압의 변화, 전이 온도를 나타낸 그래프이다.

이를 통해, 각 압력에서 승화되기 시작하는 온도와 재결정화되기 시작하는 온도를 150-200 ℃ 간격을 두어야 승화되는 Si₂C, SiC₂, Si, C 기체를 99.99%이상 재결정화 시킬 수 있음을 알 수 있다. 또한, 승화 후 150-200 ℃ 이상 온도를 낮추어 재결정화 하면 질소 함량이 줄어들고 수득률이 99% 이상 된다는 것을 하기의 실시예 및 시험예 등을 통해 확인하였다.

구체적으로 도 1을 통해 전체 압력이 10 Pa인 경우 제1 열처리의 온도 범위는 승화가 시작되는 온도인 1850-1950 ℃인 것이 바람직하고, 제2 열처리의 온도 범위는 재결정이 시작되는 온도인 1650-1750 ℃인 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.

또한, 도 2를 통해 전체 압력이 100 Pa인 경우 제1 열처리의 온도 범위는 승화가 시작되는 온도인 2050-2150 ℃인 것이 바람직하고, 제2 열처리의 온도 범위는 재결정이 시작되는 온도인 1850-1950 ℃인 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.

또한, 도 3을 통해 전체 압력이 1000 Pa인 경우 제1 열처리의 온도 범위는 승화가 시작되는 온도인 2150-2250 ℃인 것이 바람직하고, 제2 열처리의 온도 범위는 재결정이 시작되는 온도인 1950-2050 ℃인 것이 바람직하다는 것을 알 수 있다.

제조예. 탄화규소 분말의 제조

본 발명의 방법을 사용하기에 앞서, 본 발명의 방법에 사용할 탄화규소 분말을 제조하였다.

실리콘분말을 탄소와 혼합하여 열처리를 함으로써 탄화규소 분말을 얻을 수 있는데, 실리콘분말과 카본분말의 혼합비율은 1 : 1.2 (molar ratio)으로 하였고, 아르곤(99.999%) 분위기, 1,800 ℃의 온도조건에서 2시간 동안 열처리하여 평균 입도 10 ㎛의 탄화규소 분말을 얻었다. 탄화규소의 형성 여부는 X선 회절분석기(Rigaku Corporation, D/max 2200V/PC)를 이용하여 4 °/min의 scan speed 조건으로 2 θ 20-80 °내의 범위를 측정하여 확인하였고(도 4), 탄화규소 분말의 입자 형상은 주사현미경(JEOL, JSM-6700F)으로 관찰하였다(도 5).

실시예. 질소함유량이 감소된 탄화규소 분말의 제조

상기 제조예를 통해 제조된 탄화규소 분말 30 g을 그라파이트 도가니안에 넣고 고온진공로를 사용하여 압력 10 Pa를 유지하면서 분당 10 ℃로 상온에서부터 1950 ℃까지 온도를 올린 후 30분간 유지하였으며(제1 열처리), 이후 온도를 1700 ℃로 내려 60분간 유지(제2 열처리)하였으며, 이러한 열적 사이클을 3회 반복 수행하여 탄화규소 분말을 제조하였다. 상기의 방법을 통해 제조된 탄화규소 분말을 주사현미경으로 관찰해본 결과, 10 ㎛ 이상의 큰 입자들을 관찰할 수 있었다.

비교예.

상기 제조예를 통해 제조된 탄화규소 분말 30 g을 그라파이트 도가니안에 넣고 아르곤 가스를 흘려주면서 상압(1 기압)을 유지하고 분당 10 ℃로 1950 ℃까지 온도를 올린 후 30분간 유지하였으며(제1 열처리), 이후 온도를 1700 ℃로 내려 60분간 유지(제2 열처리)하였으며, 이러한 열적 사이클을 3회 반복 수행하여 탄화규소 분말을 제조하였다. 상기의 방법을 통해 제조된 탄화규소 분말을 주사현미경으로 관찰해본 결과, 상기 실시예와 동일하게 10 ㎛ 이상의 큰 입자들을 관찰할 수 있었다.

시험예 2. 질소 함유량의 변화 측정

상기 제조예, 실시예 및 비교예를 통해 제조된 탄화규소 분말의 질소 함유량을 N/O 분석기(LECO, TC 600)로 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.

시료	질소농도 (ppm)
제조예(원시료)	256
실시예	50
비교예	250

측정 결과, 본 발명의 방법을 거치기 전의 탄화규소 분말의 질소 농도는 질소농도는 256 ppm이었다. 또한, 본 발명의 방법을 거친 후의 질소 함유량은 50 ppm으로 측정되어(실시예), 질소 함유량이 현저히 감소된 것을 확인할 수 있었다.

그러나, 비교예에 제시된 방법을 거친 후의 질소 함유량은 250 ppm으로 측정되어, 질소 함유량이 전혀 변화하지 않았음을 확인할 수 있었다.

Claims (5)

1. 탄화규소 분말을 진공 분위기 하에서, 10-1000 Pa의 압력 범위에서 2-4회의 사이클 열처리(thermo cycle)하여 탄화규소 단결정을 수득하고,
   상기 사이클 열처리는,
   상기 10-1000 Pa의 압력 범위 중 해당 압력에서 상기 탄화규소 분말을 승화시키는 1850-2250 ℃의 온도에서 10-60 분 동안 온도를 유지하는 제1 열처리 단계; 및
   상기 제1 열처리 후, 상기 10-1000 Pa의 압력 범위 중 해당 압력에서 상기 탄화규소 분말을 재결정시키는 1650-2050 ℃에서 30-90 분 동안 온도를 유지하는 제2 열처리 단계;를 포함하는 탄화규소 분말의 질소함유량을 감소시키는 방법.
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