KR102382291B1 - 고순도 탄화규소 분체상 원료 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은 고순도 탄화규소 분체상 원료 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄화규소(SiC) 단결정의 제조 원료로 사용되는 고순도 탄화규소 분체상 원료 제조방법에 관한 것이다.
본 발명의 고순도 탄화규소 분체상 원료 제조방법은, 증착용 챔버에서 탄화규소(SiC) 전구체를 원료로 흑연 소재의 증착대 상에 탄화규소(SiC)를 증착하는 제 1단계; 상기 탄화규소가 증착된 증착대를 회수하는 제 2단계; 상기 회수된 증착대로부터 증착된 탄화규소 알갱이 또는 분말의 분체상을 분리하는 제 3단계; 상기 분리된 탄화규소 분체상의 사이즈를 조절하는 제 4단계; 상기 사이즈를 조절한 탄화규소 분체상으로부터 불순물을 제거하여 정제하는 제 5단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

Description

고순도 탄화규소 분체상 원료 제조방법{Manufacturing method of High-purity SiC particulate material}

본 발명은 고순도 탄화규소 분체상 원료 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 탄화규소(SiC) 단결정의 제조 원료로 사용되는 고순도 탄화규소 분체상 원료 제조방법에 관한 것이다.

탄화규소(SiC) 반도체는 큰 밴드갭(~3.2 eV)을 가지고 높은 절연파괴에 의한 반도체 크기감소, 낮은 전력 손실, 고온안정성을 가지므로 Si 소자의 최대 동작온도인 250℃ 보다도 훨씬 높은 온도인 300~500℃에서도 사용이 가능한 소자를 실현시킬 수 있어 Si 반도체 특성의 한계에 따른 해결책으로 기대되고 있으며, 이에 미국, 일본을 중심으로 SiC 단결정 기판이 주목되면서 SiC 기판을 사용한 제품시장이 확대되고 있는 추세이다.

이를 위해서는 전체 소비 에너지의 30 ~ 35%에 달하는 전기에너지 분야에서의 효율화 및 절약기술의 개발이 필수적이며, 이 분야에서 SiC-반도체를 이용한 전력반도체소자 (power semiconductor devices)의 개발 실용화는 현재 실리콘 wafer 반도체 변환손실 12% 수준을 3% 수준으로 낮추어 줄 것으로 예상된다. 또한 SiC로 제작한 디바이스는 정격전압 1000V 이상의 응용분야, 특히 에어컨, 태양광 발전, 전기자동차용 인버터 등에 적용되고 있다. SiC 단결정 웨이퍼는 전기자동차, 하이브리드카 등의 전력소자, 태양광소자의 에너지 변환소자, 에너지 절약이 요구되는 다양한 전자제품용 전력소자, LED/LD소자 및 고주파 소자에 응용될 것이 확실시 되며 2022년 이후 커다란 시장이 전망되는 바, 특히 미국, 일본, 유럽 등 소재 선진국을 중심으로 개발이 활발히 진행 중이다.

최근 SiC 전력반도체의 기술개발이 성숙기에 도달하고 시장이 개화하고 있어 SiC 웨이퍼의 공급량이 증가하고 있으나 아직 Si wafer 대비 제조단가가 높아 제조단가의 절감기술에 대한 니즈가 높다.

2009년 착수된 지식경제부의 WPM사업 “초고순도 SiC 소재”를 통하여 6인치급 4H-SiC 단결정성장(POSCO) 및 6N5급 고순도 분말기술개발이 진행된 바 있으며, 이에 국내에서도 복수의 기업에서 양산수준에 근접한 수준의 SiC 단결정 제조기술을 보유하고 있는 상황이다.

SiC 단결정은 통상 SiC 분말을 승화시킨후 다시 종자결정상에 재결정화시키는 PVT(승화재결정법, Physical Vapor Transport method)법으로 단결정을 제조하고 있는데, 이때 사용되는 SiC 분말의 입자크기와 순도 등 품질수준이 제조되는 단결정의 품질에 결정적인 영향을 미치므로 고순도 분말의 제조가 필요하다.

일반적으로 PVT법을 이용하여 단결정을 성장시키는 경우 원료분말의 입도가 크고 균일할수록 충전밀도(packing density)가 증가하여 장축의 단결정 성장에 유리하며 승화(sublimation)되는 양이 균일하게 많아지므로 고품질 단결정에 유리한 것으로 알려져 있다.

불순물이 다량 혼재하는 SiC 분말의 경우 결정성장과정에서 불순물의 영향에 의한 다양한 결함(기공, 동공결함(Micropipe), 전위(Dislocation), 폴리타입(Polytype), 입계(Grain Boundary))의 발생이 가능하며, 이로 인하여 성장공정 이후의 소재가공시 소재의 파손, 에피성장시 불균일한 에피박 형성, 소자형성시 누설전류의 발생으로 인한 수율 하락, 수명저하 등의 문제점이 발생되고 있다.

고순도 및 초고순도 SiC 분말의 합성을 위해 Si와 C의 direct reaction법, SiO₂ carbothermal reduction 법, Sol-gel 공정을 사용한 carbothermal reduction 법 및 organosilicon 열분해법 등이 개발되었으나, 아직까지 개발된 합성기술은 각 합성공정의 문제점으로 대량 생산 체제를 구축하지 못하고 있다.

또한, 종래에는 증착용 챔버에서 메틸트리클로로실란(methyltrichlorosilane: MTS, CH₃SiCl₃) 가스와 같은 탄화규소 전구체를 원료로 흑연부품에 SiC가 증착되도록 하는 증착공정이 실시되었으나, 이러한 경우에는 두꺼운 증착층을 균일하게 형성하도록 하는 기술이 발달되었으며, 증착법을 이용하여 고순도의 SiC 분체상을 직접적으로 제조할 수 있는 기술은 전무한 실정이다.

한국등록특허 제10-0827970호

상기와 같은 종래 기술의 문제점을 해결하기 위하여 PVT법으로 탄화규소(SiC) 단결정을 제조하는 데 적합한 크기와 경제성을 갖춘 고순도 탄화규소 분체상 또는 알갱이상(이하 분체상이라 통침함) 원료 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 종래의 SiC 후막 제조공정으로 사용되는 증착 공정을 이용하여 후막 공정이 아닌 분체상의 원료 제조가 가능하도록 하여, SiC 단결정 성장을 위해 필요한 수 밀리에서 수십 미크론 범위의 다양한 입도 분포와 고순도의 SiC 분체상을 제조할 수 있는 고순도 탄화규소 분체상 원료 제조방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

발명이 해결하고자 하는 기술적 과제들은 이상에서 언급한 기술적 과제들로 제한되지 않으며, 언급되지 않은 또 다른 기술적 과제들은 아래의 기재로부터 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 지식을 가진 자에게 명확하게 이해될 수 있을 것이다.

본 발명의 고순도 탄화규소 분체상 원료 제조방법은, 증착용 챔버에서 탄화규소(SiC) 전구체를 원료로 흑연 소재의 증착대 상에 탄화규소(SiC)를 증착하는 제 1단계; 상기 탄화규소가 증착된 증착대를 회수하는 제 2단계; 상기 회수된 증착대로부터 증착된 탄화규소 알갱이 또는 분말의 분체상을 분리하는 제 3단계; 상기 분리된 탄화규소 분체상의 사이즈를 조절하는 제 4단계; 상기 사이즈를 조절한 탄화규소 분체상으로부터 불순물을 제거하여 정제하는 제 5단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.

상기 과제의 해결 수단에 의해, 본 발명의 고순도 탄화규소 분체상 원료 제조방법은 단결정 성장용 고순도 SiC 분체상을 사용자의 목적에 따른 입도로 대량 제조가 가능한 효과가 있다.

또한, 수 미크론 정도의 작은 입도 SiC 분말을 추가로 성장시키는 공정을 별도로 추가하거나, 수율이 낮은 공정으로 고가에 제조할 필요가 없게 되어 작업의 효율성을 높일 수 있는 효과가 있다.

또한, 단결정 성장에 알맞은 충전율을 제어하기 위한 넓은 입도 분포의 SiC 분말을 용이하게 얻을 수 있으므로, 단결정 성장을 보다 경제적이고 고품질로 생산 가능하게 하는 효과가 있다.

도 1은 본 발명의 탄화규소 증착을 나타내는 도면이다.
도 2는 본 발명의 탄화규소 증착을 나타내는 또 다른 실시예의 도면이다.
도 3은 본 발명의 탄화규소 증착 시 중간층을 사용한 형태를 나타내는 도면이다.(도 3에서 거친 부분은 분체상의 탄화규소가 증착된 부분이며, 매끄러운 부분은 겹쳐져 증착되지 않은 부분이다.)

이상과 같은 본 발명에 대한 해결하고자 하는 과제, 과제의 해결 수단, 발명의 효과를 포함한 구체적인 사항들은 다음에 기재할 실시예 및 도면들에 포함되어 있다. 본 발명의 이점 및 특징, 그리고 그것들을 달성하는 방법은 첨부되는 도면과 함께 상세하게 후술되어 있는 실시예들을 참조하면 명확해질 것이다.

하기에서는 상기 고순도 탄화규소 분체상 원료 제조방법을 도면과 실시예를 이용하여 설명한다.

도 1은 본 발명의 탄화규소 증착을 나타내는 도면이고, 도 2는 본 발명의 탄화규소 증착을 나타내는 또 다른 실시예의 도면이고, 도 3은 본 발명의 탄화규소 증착 시 중간층을 사용한 형태를 나타내는 도면이다.

먼저, 제 1단계에서는 증착용 챔버에서 탄화규소(SiC) 전구체를 원료로 탄화규소(SiC)를 증착한다. 구체적으로, 증착되는 기재인 흑연 재질의 증착대를 이용하여 증착용 챔버에서 탄화규소 전구체를 원료로 탄화규소를 증착한다.

상기 증착대는 흑연봉 및 흑연재 구조재를 포함한다. 상기 흑연봉은 전류를 흘려 열원으로 사용되며, 상기 흑연재 구조재는 전류는 흐르지만 비열원으로 분체상이 증착되도록 한다.

상기 증착을 위한 흑연봉과 흑연재 구조재는 저항가열용 압출재 흑연 또는 등방성 흑연을 사용한다.

상기 증착대는 저항가열용 압출재 흑연, 등방성 흑연 뿐만 아니라 탄소섬유단열재, 플렉시블 그라파이트시트의 사용도 가능하나, 재료 특성상 강도 유지가 어려워 많은 양을 증착하기에 어려움이 있을 수 있다.

또한, 상기 증착대는 표면에 중간층을 마련할 수 있다. 상기 중간층은 탄소섬유단열재(Felt) 또는 플렉시블 그라파이트시트를 사용하여 SiC 분체상 증착물과 흑연재질인 증착대 간의 분리를 용이하게 한다.

상기 증착은 1200 내지 2100℃의 공정온도에서 0.05 내지 300A/㎠의 전류를 흘리며 5 내지 25시간 실시하는 것이 바람직하다.

SiC 증착이 이루어지는 기재인 증착대에 전류가 흐를 때 SiC의 씨드(seed)가 발생하거나, 성장하기 어려운 상태가 되어 평활한 형태의 증착이 형성되지 않는다.

따라서, 전류를 흘려줄 경우 이미 성장된 핵을 중심으로 증착이 진행되어 포도송이와 같은 형태로 성장하게 된다.

이러한 성장은 전류 및 온도에 따라 입자의 형상이 변화하므로 상기 범위 내에서 실시하는 것이 바람직하다.

보다 상세하게는, 동일한 전류의 경우에는 온도가 높을수록, 동일한 온도의 경우에는 전류밀도가 높을수록 도 1에 도시된 바와 같이 핵 생성과 성장이 억제되어 미세한 분체상의 증착이 이루어진다.

또한, 동일한 전류의 경우에는 온도가 낮을수록, 동일한 온도의 경우에는 전류밀도가 낮을수록 도 2에 도시된 바와 같이 핵 생성과 성장이 촉진되어 보다 큰 입도를 가지는 덩어리 형태의 증착이 이루어진다.

따라서, 증착 속도 및 입도를 고려하여 상기에 제시된 범위 내의 온도 및 전류로 증착을 수행하는 것이 바람직하다.

다음으로, 제 2단계에서는 상기 탄화규소가 증착된 증착대를 회수한다. 구체적으로, 상기 챔버 내의 SiC가 증착된 흑연 재질 증착대(SiC 분체 생성물 및 후막 등을 포함)를 회수한다.

다음으로, 제 3단계에서는 상기 회수된 증착대로부터 증착된 탄화규소 분체상을 분리한다. 구체적으로, 상기 회수된 증착대로부터 증착된 SiC 알갱이 또는 분말의 분체상을 분리한다.

이 때, 도 3에 도시된 바와 같이, 상기 증착대에 중간층을 포함하였을 경우 분리(거친면이 분체상이 형성된 면, 매끄러운 부분이 뒷면)를 용이하게 실시할 수 있다.

다음으로, 제 4단계에서는 상기 분리된 탄화규소 분체상의 사이즈를 조절한다. 구체적으로, 상기 분리된 탄화규소 분체상을 원료로 사용하기에 적합한 크기를 사용자의 목적에 따라 사이즈를 조절한다.

즉, 상기 탄화규소 분체상을 PVT(승화재결정법, Physical Vapor Transport method)법으로 단결정 제조를 위한 원료로 사용하기에 적합한 사이즈로 조절하는 것이 바람직하다.

상기 제 4단계는 탄화규소 분체상의 사이즈를 분류하는 제 4-1단계와, 상기 분류에 따라 탄화규소 분체상을 분쇄하는 제 4-2단계를 포함한다.

상기 제 4-1단계에서는 SiC 분체상 사이즈를 기준에 따라 분류하고, 상기 제 4-2단계에서는 분류 대상 중 입자가 큰 분체상을 분쇄하여 사이즈를 조절한다.

상기 사이즈 조절을 실시한 입자는 50㎛ 내지 15mm의 크기를 갖는 것이 바람직하다.

다음으로, 제 5단계에서는 상기 사이즈를 조절한 탄화규소 분체상으로부터 불순물을 제거하여 정제한다. 구체적으로, 상기 사이즈를 조절한 탄화규소 분체상으로부터 여분의 탄소(흑연), SiO₂, 금속분 등의 불순물을 제거하여 정제한다.

보다 상세하게, 상기 탄화규소 분체상의 정제는, 산화분위기, 중성분위기, 환원(수소)분위기 중 적어도 어느 하나에서 열처리하여 잔류하는 탄소를 가스화시켜 제거하는 단계 및 단일 또는 복합산을 이용하여 탄화규소와 금속불순물을 제거하는 단계 중 적어도 어느 하나를 포함한다.

산화분위기에서의 열처리를 통한 정제는, 카본을 대기 중의 고온에서 산화시켜 탄소를 제거할 수 있다. 상기 고온을 위한 열처리는 500 내지 950℃인 것이 바람직하다. 상기 온도에서 열처리를 실시할 경우 무게감량이 발생하는 것을 확인할 수 있어, 잔류 불순물을 제거 가능함을 알 수 있다.

또한, 중성분위기, 환원(수소)분위기 상에서도 열처리를 통한 정제를 수행할 수 있다.

(화학식 1)

C + 2H₂ →CH₄

특히, 카본을 상기 화학식 1과 같은 반응을 통해 수소가스화함으로써 불순물인 카본을 제거할 수 있다.

상기 반응에 관여하는 인자로는 H₂분압, 흑연질의 정도 및 온도를 들 수 있다. 높은 H₂분압과 낮은 흑연도는 메탄 생성 반응을 촉진시킨다. 또한, 위 반응은 기본적으로 발열반응이지만 높은 반응 속도를 얻기 위해서는 고온을 유지하는 것이 바람직하다. 상기 고온을 위한 열처리는 500 내지 950℃인 것이 바람직하다.

또한, 단일 또는 복합산을 이용하여 탄화규소와 금속불순물을 제거할 수 있다. 구체적으로는 단일 또는 복합산(질산, 염산, 불산 등)의 용액에 정제 대상을 투입한 후 상온에서 2 내지 3시간 교반한 후, 이를 Buchner Funnel로 감압 필터링하고, 오븐에서 70℃의 온도로 16시간 건조하여 정제를 수행한다.

상기와 같이 제조된 고순도 탄화규소 분체상은 적어도 5N(five-nine, 99.999%) 이상의 순도를 가지며, 정제과정에 따라 5N5에서 6N 이상의 순도를 갖는다.

이와 같이, 상술한 본 발명의 기술적 구성은 본 발명이 속하는 기술분야의 당업자가 본 발명의 그 기술적 사상이나 필수적 특징을 변경하지 않고서 다른 구체적인 형태로 실시될 수 있다는 것을 이해할 수 있을 것이다.

그러므로 이상에서 기술한 실시예들은 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로서 이해되어야 하고, 본 발명의 범위는 상기 상세한 설명보다는 후술하는 특허청구범위에 의하여 나타나며, 특허청구범위의 의미 및 범위 그리고 그 등가 개념으로부터 도출되는 모든 변경 또는 변형된 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (7)

1. 증착용 챔버에서 탄화규소(SiC) 전구체를 원료로 흑연 소재의 증착대 상에 탄화규소(SiC)를 증착하는 제 1단계;
   상기 탄화규소가 증착된 증착대를 회수하는 제 2단계;
   상기 회수된 증착대로부터 증착된 탄화규소 알갱이 또는 분말의 분체상을 분리하는 제 3단계;
   상기 분리된 탄화규소 분체상의 사이즈를 조절하는 제 4단계;
   상기 사이즈를 조절한 탄화규소 분체상으로부터 불순물을 제거하여 정제하는 제 5단계;를 포함하고,
   
   상기 증착은 1450 내지 1550℃의 공정온도에서 흑연 소재의 증착대에 0.05 내지 0.25A/㎠의 전류를 흘리며 5 내지 25시간 실시되고,
   
   상기 증착대는 흑연 재질로,
   열원으로 사용하는 원통형상의 흑연봉과, 흑연재 구조재를 포함하며,
   
   상기 흑연봉과 흑연재 구조재는 저항가열용 압출재 흑연, 등방성 흑연, 탄소섬유단열재, 플렉시블 그라파이트 시트 중 적어도 어느 하나를 사용하고,
   
   상기 증착대는 중간층인 중간재를 더 포함하고,
   상기 중간재는 탄소섬유단열재, 플렉시블 그라파이트 시트 중 적어도 어느 하나를 사용하며,
   
   상기 제 4단계는,
   탄화규소 분체상의 사이즈를 분류하는 제 4-1단계;
   상기 분류에 따라 입자의 크기가 50㎛ 내지 15mm의 크기를 갖도록 탄화규소 분체상을 분쇄하는 제 4-2단계;를 포함하고,
   
   상기 제 5단계는,
   산화분위기, 중성분위기, 환원분위기 중 적어도 어느 하나에서 열처리하여 잔류하는 탄소를 가스화시켜 제거하는 제 5-1단계; 및
   단일 또는 복합산을 이용하여 탄화규소와 금속불순물을 제거하는 제 5-2단계; 중 적어도 어느 하나를 포함하되,
   상기 제 5-1단계는,
   500 내지 950℃의 온도에서 열처리를 통한 정제가 수행되고,
   상기 제 5-2단계는,
   상기 단일 또는 복합산의 용액에 정제 대상을 투입한 후 상온에서 2 내지 3시간 교반하고, Buchner Funnel로 감압 필터링하고, 오븐에서 70℃의 온도로 16시간 건조하는 것을 특징으로 하는 고순도 탄화규소 분체상 원료 제조방법
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