KR20100128777A - 졸-젤 공정으로 제조된 탄화규소/카본/실리카 복합분말과, 이 복합분말을 사용한 고순도 및 고강도의 반응소결 탄화규소의 제조방법 - Google Patents

졸-젤 공정으로 제조된 탄화규소/카본/실리카 복합분말과, 이 복합분말을 사용한 고순도 및 고강도의 반응소결 탄화규소의 제조방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 졸-젤 공정으로 제조된 탄화규소/카본/실리카 복합분말과, 이 복합분말을 사용한 고순도 및 고강도의 반응소결 탄화규소의 제조방법에 관한 것이다.
본 발명이 제조하는 반응소결 탄화규소는 고순도 및 고강도 특성을 동시에 갖고 있으므로 차세대 반도체 고온 공정용 반응소결 탄화규소(RBSC) 치구류, 고온 진공장치용 부품 및 반도체 공정용 히터 소재 등으로 다양하게 적용된다.
복합분말, 반응소결, 탄화규소, 고순도, 고강도

Description

졸-젤 공정으로 제조된 탄화규소/카본/실리카 복합분말과, 이 복합분말을 사용한 고순도 및 고강도의 반응소결 탄화규소의 제조방법 {SiC/C/SiO2 composite powders fabricated by sol-gel process, and fabrication method of reaction bonded silicon carbide with high purity and high strength using them}
본 발명은 저온에서 졸-젤 공정으로 제조된 탄화규소/카본/실리카 복합분말과, 이 복합분말을 사용한 고순도 및 고강도의 반응소결 탄화규소의 제조방법에 관한 것이다.
반응소결 탄화규소(Reaction Bonded Silicon Carbide)는 내열, 내부식 및 기계적 특성이 우수할 뿐만 아니라 소결 후 성형체의 원래의 치수와 형상을 유지할 수 있기 때문에 최소한의 가공만으로 원하는 형태의 탄화규소 제품을 제조할 수 있고, 비교적 낮은 온도에소 소결이 가능하기 때문에 특히 대형 제품은 상업적 가치가 높은 것으로 평가되고 있다. 고순도 특성을 갖는 반응소결 탄화규소는 반도체 고온 공정에 사용되는 반응관, 서셉터(susceptor) 및 히터(heater)용 소재로 개 발되어 사용되고 있다.
반응소결 탄화규소는 우수한 고온 강도와 내열충격성 및 규소 웨이퍼와 유사한 열팽창계수를 갖고 있기 때문에, 300 ㎜ 규소 웨이퍼를 사용하는 반도체 고온 공정에서 치구 소재로 쿼츠(Quartz)를 대체하여 폭넓게 사용되고 있다. 규소 웨이퍼의 대구경화(450 ㎜) 및 초미세 선폭화(30 ㎚)가 이루어질 차세대 반도체 제조공정에서는 반도체 고온 공정용 반응소결 탄화규소 치구를 개발하기 위해서는 반응소결 탄화규소의 고강도화 및 고순도화가 요구된다.
일반적인 반도체 고온 공정용 고순도 반응소결 탄화규소 제조공정 기술에서는, 고순도의 탄화규소 분말과 탄소원을 원료로 사용하고 세라믹 제조공정에서 사용되는 분말 혼합공정 및 성형공정을 수행하여 탄화규소 및 카본으로 이루어진 성형체를 제조하였고, 불순물을 제거하기 위하여 제조된 성형체를 고온에서 고순도화 처리한 후 규소(Si)의 융점이상의 온도에서 성형체에 용융 규소(Si)를 침윤시켜 반응소결 탄화규소를 제조하였다.
미국등록특허 제6,627,169호에는 평균 입자크기가 1 ∼ 50 μm인 고순도 탄화규소를 사용하여 불순물 함량이 0.01 ppm 이하인 반도체 고온 공정용 고순도 반응소결 탄화규소를 제조하는 방법이 개시되어 있다.
일본공개특허 제2000-119079호 및 미국등록특허 제6,699,401호에는 Fe가 0.05 ppm 이하이고 Ni, Cu, Ca, Cr, K의 합계가 0.05 ppm 이하인 고순도 탄화규소 분말과 성형용 바인더의 혼련공정, 상기 혼련된 원료로부터 성형체를 만드는 성형공정, 상기 성형체를 가소하는 공정, 상기에서 사용된 가소제를 순화시키는 고순도 화 공정, 및 상기 고순도화 처리된 성형체에 유도가열 방식으로 용융 규소(Si)를 고온에서 침윤시키는 공정을 수행하여 고순도 반응소결 탄화규소를 제조하는 방법이 개시되어 있다.
미국등록특허 제6,632,761호에는 크기가 조절된 고순도 탄화규소 분말을 용매에 잘 분산시킨 후 유기 바인더와 질소화합물을 혼합하여 탄화규소 혼합 분말 슬러리(slurry)를 제조하여 몰드에 부은 후 건조시켜 성형체를 제조하고, 제조된 성형체를 진공 또는 불활성 가스(inert gas) 분위하에서 규소(Si)의 융점 이상의 온도에서 용융 규소를 침윤시켜 반응소결 탄화규소를 제조하는 방법이 개시되어 있다.
이상에서 살펴본 바와 같이, 기존의 반응소결 탄화규소 제조공정은 탄화규소 분말에 용융 규소(Si)를 침윤시키기 위해 별도의 탄소원을 사용하고 있고, 탄소원과 탄화규소 분말이 균질하게 혼합하여 반응소결 탄화규소가 균일한 미세구조를 갖도록 하는 혼합공정이 반드시 필요하였다. 하지만, 현재까지 알려진 방법은 탄화규소 분말과 탄소원의 균일한 혼합이 어려워 균일한 미세구조를 갖는 고강도 반응소결 탄화규소의 제조가 어려웠다. 또한, 고온에서 제조되는 고순도 탄화규소를 이용하여 제조되는 고순도 반응소결 탄화규소의 제조 단가가 높을 뿐만 아니라 99.999% 이상의 순도를 갖는 고순도 탄화규소 분말의 구입이 불가능한 실정이다.
이에, 기존의 고순도 반응소결 탄화규소 제조공정을 대체할 수 있는 고순도 및 고강도 특성을 갖는 반응소결 탄화규소의 새로운 저가의 제조공정이 절실히 필 요하다.
본 발명은 반응소결 탄화규소 제조에 사용되는 탄화규소로 이루어진 복합분말 내에 미반응 상태로 잔류하는 카본 및 실리카의 함량이 조절된 탄화규소/카본/실리카 복합분말을 이용한 반응소결 탄화규소의 제조방법을 제공하는 것을 발명이 해결하고자 하는 과제로 한다.
본 발명은 탄화규소 분말 또는 탄화규소/카본 복합분말을 형성시키는 온도(대략 1700℃ 이상) 보다 낮은 온도(1600℃ 이하)에서 제조된 탄화규소/카본/실리카 복합분말을 이용함으로써 원료의 제조단가를 낮추는 효과를 얻고 있는, 반응소결 탄화규소의 제조방법을 제공하는 것을 발명이 해결하고자 하는 과제로 한다.
본 발명은 고순도 반응소결 탄화규소 소결체 제조에서 요구되는 탄화규소 분말과 탄소원의 혼합공정 및 고순도화 처리공정을 생략하므로 공정 단순화에 의한 제품 단가를 낮출 수 있는 경제성이 높은 반응소결 탄화규소의 제조방법을 제공하는 것을 발명이 해결하고자 하는 과제로 한다.
본 발명은 상기한 고순도 탄화규소/카본/실리카 복합분말을 이용함으로써, 고순도 및 고강도 특성을 갖는 반응소결 탄화규소를 낮은 가격에 제공하는 것을 발명이 해결하고자 하는 과제로 한다.
본 발명은 베타상 탄화규소(β-SiC/C) 분말과, 탄소원이 열분해되어 생성된 카본 분말과, 그리고 액상의 규소원이 탄소원과 반응하고 미반응 상태로 남아 있는 실리카 분말이 균질하게 분산되어 있는 탄화규소/카본/실리카 복합분말을 제공함으로써, 본 발명의 과제를 해결한다.
또한, 본 발명은 규소원소 1 몰에 대한 카본원소의 몰비(C/Si)가 1.8∼ 3.0 범위가 되도록, 규소원과 탄소원을 알콜 용매를 사용하여 혼합하는 과정; 상기 혼합물에 가수분해 촉매를 상기 규소원 1 몰을 기준으로 0.05 ∼ 0.14 몰비로 첨가하고 젤화 및 경화하여 경화된 젤 분말을 제조하는 과정; 상기 경화된 젤 분말을 질소(N2) 분위기에서 900 ∼ 1200℃ 온도 범위로 0.5 ∼ 6시간 동안 열처리하여 실리카(silica, SiO2)와 카본으로 이루어진 탄화규소 전구체(precursor) 분말을 제조하는 과정; 상기 제조된 탄화규소 전구체 분말을 불활성 또는 진공분위기하에서 2 ∼ 5 ℃/분의 속도로 승온하고, 1300 ∼ 1600℃ 온도에서 열처리하여 베타상의 탄화규소/카본/실리카(β-SiC/C/SiO2) 복합분말을 제조하는 과정; 을 포함하여 이루어진 탄화규소/카본/실리카 복합분말의 제조방법을 제공함으로써, 본 발명의 과제를 해결한다.
또한, 본 발명은 상기한 탄화규소/카본/실리카 복합분말 100 중량부와 바인더 2 ∼ 5 중량부를 혼합한 후 가압하여, 판상의 탄화규소/카본/실리카 성형체를 제조하는 과정; 및 상기 탄화규소/카본/실리카 성형체에 1450 ∼ 1600℃ 온도 및 10-2 ∼ 10-1 torr 압력 조건에서 용융 규소를 침윤시켜 반응소결 탄화규소를 제조하는 과정; 을 포함하여 이루어지는 고순도 및 고강도의 반응소결 탄화규소의 제조방법을 제공함으로써, 본 발명의 과제를 해결한다.
또한, 본 발명은 상대밀도가 2.8 ∼ 3.01 g/cm3 범위이고, 최대 파괴강도가 530 MPa이며, 유도결합 프라즈마 분광분석(ICP) 방법으로 측정된 순도는 99.999% 이상인 고순도 및 고강도의 반응소결 탄화규소를 제공함으로써, 본 발명의 과제를 해결한다.
본 발명은 반응소결 탄화규소 제조용 원료로서 저온에서 합성된 균질한 분포를 갖는 고순도 탄화규소/카본/실리카 복합분말을 사용함으로써, 고순도 및 고강도 반응소결 탄화규소 제품의 제조단가를 낮추는 효과가 있다.
본 발명은 C/Si 원소 몰비로 정의된 탄소원과 규소원의 사용량 조절, 탄화규소 복합분말 내에 잔류하는 카본과 실리카의 함량 조절에 의해 저가의 고순도 및 고강도를 갖는 반응소결 탄화규소의 제공이 가능한 효과를 갖고 있다.
본 발명에 따른 탄화규소/카본/실리카 복합분말의 제조방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
본 발명에서 탄화규소/카본/실리카 복합분말을 합성하기 위하여 사용된 출발 원료는 반도체 고온 공정에서 불순물로 유입될 수 있는 금속 원소의 함량이 0.05 ppm 이하이거나 포함되어 있지 않은 고순도 물질을 원료로 사용한다. 규소원으로 실리콘 알콕사이드(예를 들면, 메톡시실란, 트리에톡시실란, 디메톡시디에톡시실란, 테트라메틸 오르쏘실리케이트, 테트라에틸 오르쏘실리케이트), 알킬실란(예를 들면, 에틸실란, 테트라에틸실란) 등의 고순도 액상의 규소 화합물을 사용한다. 탄소원으로는 고순도 페놀 수지를 사용한다. 가수분해 촉매로는 p-톨루엔술폰산(p-TSA), 질산, 올레익산, 말레익산, 아크릴산, 염산 등의 산을 사용한다. 규소원과 탄소원은 용매를 사용하여 혼합하는데, 이때 용매로는 지방족 알콜(예를 들면, 메탄올, 에탄올, 이소프로판올)을 사용한다.
먼저, 규소원과 탄소원은 알콜 용매를 사용하여 혼합하며, 이때 규소원소 1 몰에 대한 카본원소의 몰비(C/Si)가 1.8 ∼ 3.0 범위가 되도록 조절한다. 상기 혼합물에 가수분해 촉매를 첨가하며, 가수분해 촉매는 상기 규소원 1 몰을 기준으로 0.05 ∼ 0.14 몰비 범위로 첨가한다. 그런 다음, 균일하게 혼합될 수 있도록 40 ∼ 60℃의 온도에서 2 ∼ 24시간동안 교반하면서 젤(gel)화시켜 규소원과 탄소원을 가교화시킨 후 분말화 한 후, 50 ∼ 200℃의 항온 건조기에서 8 ∼ 24시간 동안 완전히 경화시켜 경화된 젤 분말을 만든다. 경화된 젤 분말을 고순도 쿼츠 반응관내에서 질소(N2) 분위기하에서 900 ∼ 1200℃ 온도 범위로 0.5 ∼ 6시간 동안 열처리하여 실리카(silica, SiO2)와 카본으로 이루어진 탄화규소 전구 체(precursor) 분말을 제조한다. 제조된 탄화규소 전구체 분말을 고순도 그라파이트 밀폐 용기에 담아 진공을 유지하면서 상온(20℃)으로부터 승온속도 2 ∼ 5 ℃/분의 속도로 승온한 후, 1300 ∼ 1600℃의 온도범위에서 아르곤(Ar) 등과 같은 불활성 분위기 또는 진공 하에서 0.5 ∼ 3시간 동안 열처리하여 베타상의 탄화규소/카본/실리카(β-SiC/C/SiO2) 복합분말을 제조한다.
본 발명의 제조방법으로 제조된 탄화규소/카본/실리카 복합분말은 베타상 탄화규소(β-SiC/C) 분말과, 탄소원이 열분해되어 생성된 카본(C) 분말과, 그리고 액상의 규소원이 탄소원과 낮은 온도에서 반응하여 미반응 상태로 남아 있는 실리카(SiO2) 분말이 고르게 분산되어 있다. 베타상의 탄화규소(β-SiC) 분말은 그 평균입자 크기가 5.0 μm 이하, 구체적으로는 0.1 ∼ 5.0 μm이고, 카본(C) 분말은 그 평균입자 크기가 1.0 μm 이하, 구체적으로는 0.01 ∼ 1.0 μm이며, 그리고 실리카(SiO2) 분말은 평균입자 크기가 1.0 μm 이하, 구체적으로는 0.01 ∼ 1.0 μm이다.
또한, 본 발명의 제조방법으로 제조된 탄화규소/카본/실리카 복합분말은 복합분말내 잔류 카본 함량이 15 ∼ 36 중량% 이고, 실리카 함량이 9 ∼ 27 중량% 범위로 조절되어 있다. 복합분말내 잔류 카본 함량은 탄화규소/카본/실리카 복합분말을 700℃에서 3시간 산화시킨 후 무게 감소량으로부터 측정하였다. 그리고, 복합분말내 실리카 함량은 산화시킨 분말을 불활성분위기 하에서 1800℃에서 3시간 가열하여 실리카를 결정화시킨 후 XRD 정량분석방법으로 측정하였다.
본 발명은 탄화규소/카본/실리카 복합분말을 이용하여 제조되는 반응소결 탄화규소의 제조방법을 특징으로 하는 바, 반응소결 탄화규소의 제조방법을 구체적으로 설명하면 다음과 같다.
상기에서 제조된 탄화규소/카본/실리카 복합분말 100 중량부에 바인더로서 페놀 수지 2 ~ 5 중량부를 혼합한 후 10 ∼ 30 MPa 압력으로 일축 가압한 후에, 80 ∼ 150 MPa 압력으로 정수압 가압(cold isostatic pressing)하여, 판상의 탄화규소/카본/실리카 성형체를 제조한다.
그리고, 제조된 탄화규소/카본/실리카 성형체를 고순도 그라파이트 밀폐 용기에 위치시킨 후 1450 ∼ 1600℃ 온도 및 10-1 torr 이하의 압력, 바람직하기로는 10-2 ∼ 10-1 torr의 진공 상태를 유지하면서 용융 규소를 탄화규소/카본 성형체에 침윤시켜 반응소결 탄화규소를 제조한다. 상기 용융 규소는 반도체급 초고순도 금속 규소의 용융물이다. 용융 규소 침윤공정에 사용되는 규소(Si)의 총 사용량은, 탄화규소/카본/실리카 성형체 내에 포함된 탄소원을 기준으로 110 ∼ 130 몰%와 성형체의 기공 부피를 채울 수 있는 규소양의 110 ∼ 130 중량%의 합량을 사용한다.
이로써, 외부로부터 공급된 용융 규소가 탄화규소/카본/실리카 성형체에 침윤되면서 성형체 내부에 균질하게 분산된 카본 분말과 반응하여 탄화규소가 합성되며, 탄화규소 합성시 발생되는 열에 의해 성형체내에 균질하게 분산된 실리카 분말과 카본이 낮은 온도에서도 반응하여 탄화규소를 형성하게 되며, 여분의 용융 규소 는 성형체 내부 빈공간 내부로 활성 침윤되어, 기공이 없는 치밀한 미세구조를 갖으면서 규소와 탄화규소만으로 이루어진 반응소결 탄화규소 소결체를 제조하게 된다.
상기한 바와 같은 방법으로 제조된 반응소결 탄화규소 소결체의 상대밀도는 2.8 ∼ 3.01 g/cm3 범위이며, 최대 파괴강도는 530 MPa 이다. 반응소결 탄화규소의 순도는 유도결합 프라즈마 분광분석(ICP) 방법으로 측정하였으며, 순도는 99.999% 이상이었다.
이상에서 설명한 바와 같은 본 발명은 다음의 실시예에 의거하여 더욱 상세히 설명하겠는 바, 본 발명이 이들 실시예에 의해 한정되는 것은 아니다.
[실시예]
실시예 1
1) 탄화규소/카본/실리카 복합분말의 제조
규소원으로 액상의 테트라에틸 오르쏘실리케이트(TEOS)를 사용하고, 탄소원으로 고상의 페놀 수지를 사용하고, 가수분해 촉매로 말레익 산을 사용하였다. 액상의 규소원과 고상의 탄소원은 에탄올을 사용하여 C/Si의 원소 몰비가 2.3, 2.5, 2.7, 3.0 및 4.2 되도록 각각 혼합한 후에, 가수분해 촉매를 규소원 1 몰을 기준으로 0.1 몰비로 각각 첨가하였다. 액상의 규소원과 탄소원이 균일하게 혼 합될 수 있도록 40℃의 온도에서 12시간동안 교반하면서 젤(gel)화 시켜 규소원과 탄소원을 가교화시킨 후 분말화 한 후, 100℃의 항온 건조기에서 12시간 동안 완전히 경화시켜 경화 젤 분말을 제조하였다. 경화된 젤 분말을 고순도 쿼츠 반응관내에서 질소(N2) 분위기하에서 900℃ 온도 범위로 2시간 동안 열처리하여 실리카(silica, SiO2)와 카본으로 이루어진 탄화규소 전구체(precursor) 분말을 제조하였다. 제조된 탄화규소 전구체 분말을 고순도 그라파이트 밀폐 용기에 담아 상온에서 800℃ 까지는 진공을 유지하면서 5 ℃/min의 속도로 승온시켰고, 1600℃ 온도에서 아르곤(Ar) 분위기 하에서 4시간 동안 열처리하여 베타상의 탄화규소/카본/실리카 복합분말을 제조하였다.
상기한 방법으로 제조된 베타상의 탄화규소/카본/실리카 복합분말은 베타상의 탄화규소 분말과 카본 분말과 실리카 분말이 고루 분산된 복합분말로 얻었다. 또한, 상기한 방법으로 제조된 베타상의 탄화규소/카본/실리카 복합분말내에 잔류하는 카본 함량과 실리카 함량을 측정하기 위하여, 탄화규소/카본/실리카 복합분말을 700℃에서 3시간 산화시킨 후 무게 감소량으로부터 카본 함량을 측정하였으며, 그리고 산화시킨 분말을 불활성분위기 하에서 1800℃에서 3시간 가열하여 실리카를 결정화시킨 후 XRD 정량분석방법으로 실리카 함량을 측정하였다. 측정된 잔류 카본 함량과 잔류 실리카 함량은 하기 표 1에 각각 나타내었다.
2) 반응소결 탄화규소의 제조
상기에서 제조된 탄화규소/카본/실리카 복합분말 100 중량부에 바인더로 고순도 페놀 수지 5 중량부를 혼합한 후, 20 MPa 압력으로 일축가압 후에 120 MPa 압력으로 정수압가압(cold isostatic pressing)하는 방법으로 20× 50× 5 mm 크기의 판상의 탄화규소/카본/실리카 성형체를 제조하였다. 그라파이트 진공로를 사용하여 고순도 그라파이트 밀폐 용기에 제조된 탄화규소/카본/실리카 성형체를 위치시킨 후, 반도체급 초고순도 규소 덩어리(ingot)를 사용하여 1550℃의 온도 및 10-1 torr 이하의 진공 상태에서 1시간동안 용융 규소를 탄화규소/카본 성형체에 침윤시켜 반응소결 탄화규소를 제조하였다. 이때, 용융 규소 침윤공정에 사용된 규소(Si)의 사용량은 탄화규소/카본/실리카 성형체내에 포함된 탄소원을 기준으로 110 몰%와 성형체의 기공 부피를 채울 수 있는 규소양의 120 중량%를 합한 양을 사용하였다.
상기한 방법으로 제조된 반응소결 탄화규소의 상대밀도 및 3점 굽힘강도를 측정하여 하기 표 1에 나타내었다.

C/Si몰비		 β-SiC/C/SiO2 복합분말 반응소결 탄화규소
잔류 카본 함량 잔류 실리카 함량 상대밀도 3점 굽힘강도
2.3 18.04 중량% 10.9 중량% 2.89 g/cm3 470 MPa
2.5 24.98 중량% 10.8 중량% 3.0 g/cm3 515 MPa
2.7 29.3 중량% 10.1 중량% 3.01 g/cm3 530 MPa
3.0 36 중량% 9.8 중량% 2.82 g/cm3 330 MPa
4.2 46.9 중량% 9.7 중량% 2.7 g/cm3 260 MPa
상기 표 1의 결과에 의하면 탄소원과 규소원의 C/Si 몰비가 증가함에 따라, 잔류 카본 분말의 함량은 증가하는 경향을 나타내고 있고, 잔류 실리카 분말의 함량은 감소하는 경향을 나타내고 있다. C/Si 몰비가 2.3 ∼ 4.2일 때, 반응소결 탄화규소 소결체의 상대밀도는 2.7 ∼ 3.01 g/cm3 범위, 3점 굽힘강도는 260 ∼ 530 MPa 범위로, 상대밀도 및 기계적 강도는 복합분말내의 잔류 카본 및 실리카의 함량과 밀접한 관련이 있음을 알 수 있다. 또한, 본 발명이 제안한 잔류 카본 함량을 초과하여 46.9 중량%로 과다하게 많이 포함된 복합분말을 사용하여 제조된 반응소결 탄화규소에서는 반응소결시 일어나는 탄화규소 합성에 따른 과도한 부피 팽창으로 균열이 발생되었다. 제조된 반응소결 탄화규소의 순도는 ICP 방법으로 측정되었으며 순도 99.999% 이상이었으며, 순도는 잔류 카본 및 잔류 실리카의 함량에 크게 영향을 나타내지 않았다.
실시예 2
1) 탄화규소/카본 복합분말의 제조
규소원으로 액상의 테트라에틸 오르쏘실리케이트(TEOS)를 사용하고, 탄소원으로 고상의 페놀 수지를 사용하고, 가수분해 촉매로 질산을 사용하였다. 액상의 규소원과 탄소원은 에탄올을 사용하여 C/Si 몰비가 2.3, 2.7 및 3.0 되도록 각각 혼합한 후에, 가수분해 촉매를 규소원 1 몰을 기준으로 0.08 몰비로 각각 첨가하였다. 액상의 규소원과 탄소원이 균일하게 혼합될 수 있도록 40℃의 온도에서 12시간동안 교반하면서 젤(gel)화 시켜 규소원과 탄소원을 가교화시킨 후 분말화 한 후, 100℃의 항온 건조기에서 20시간 동안 완전히 경화시켜 경화 젤 분말을 제조하였다. 경화된 젤 분말을 고순도 쿼츠 반응관내에서 질소(N2) 분위기하에서 900℃ 온도 범위로 2시간 동안 열처리하여 실리카(silica, SiO2) 및 카본으로 이루어진 탄화규소 전구체(precursor) 분말을 제조하였다. 제조된 탄화규소 전구체 분말을 고순도 그라파이트 밀폐 용기에 담아 상온에서 800℃ 까지는 진공을 유지하면서 5 ℃/min의 속도로 승온시켰고, 1400℃ 온도에서 아르곤(Ar) 분위하기 하에서 6시간 동안 열처리하여 베타상의 탄화규소/카본/실리카 복합분말을 제조하였다.
상기한 방법으로 제조된 베타상의 탄화규소/카본/실리카 복합분말은 베타상의 탄화규소 분말과, 카본 분말과, 그리고 실리카 분말이 고루 분산된 복합분말로 얻어졌다. 또한, 상기한 방법으로 제조된 베타상의 탄화규소/카본/실리카 복합분말내에 잔류하는 카본 함량과 실리카 함량을 측정하기 위하여, 탄화규소/카본/실리카 복합분말을 700℃에서 3시간 산화시킨 후 무게 감소량으로부터 카본 함량을 측정하였으며, 그리고 산화시킨 분말을 불활성분위기 하에서 1800℃에서 3시간 가열하여 실리카를 결정화시킨 후 XRD 정량분석방법으로 실리카 함량을 측정하였다. 측정된 잔류 카본 함량과 잔류 실리카 함량은 하기 표 2에 각각 나타내었다.
2) 반응소결 탄화규소의 제조
상기에서 제조된 탄화규소/카본/실리카 복합분말 100 중량부에 바인더로서 페놀 수지 3 중량부를 혼합한 후 20 MPa 압력으로 일축가압 후에 120 MPa 압력으로 정수압가압(cold isostatic pressing)하는 방법으로 20× 50× 5 mm 크기의 판상의 탄화규소/카본/실리카 성형체를 제조하였다. 그라파이트 진공로를 사용하여 고순도 그라파이트 밀폐 용기에 제조된 탄화규소/카본/실리카 성형체를 위치시킨 후, 반도체급 초고순도 규소 덩어리(ingot)를 사용하여 1500℃의 온도 및 10-1 torr 이하의 진공 상태에서 1시간동안 용융 규소를 탄화규소/카본 성형체에 침윤시켜 반응소결 탄화규소를 제조하였다. 이때, 용융 규소 침윤공정에 사용된 규소(Si)의 사용량은 탄화규소/카본/실리카 성형체내에 포함된 탄소원을 기준으로 110 몰%와 성형체의 기공 부피를 채울 수 있는 규소양의 130 중량%를 합한 양을 사용하였다. 상기한 방법으로 제조된 반응소결 탄화규소의 상대밀도 및 3점 굽힘강도를 측정하여 하기 표 2에 나타내었다.

C/Si몰비		 β-SiC/C/SiO2 복합분말 반응소결 탄화규소
잔류 카본 함량 잔류 실리카 함량 상대밀도 3점 굽힘강도
2.3 27.6 중량% 27 중량% 2.9 g/cm3 430 MPa
2.5 34.6 중량% 26.2 중량% 2.98 g/cm3 450 MPa
3.0 45.1 중량% 25.8 중량% 2.82 g/cm3 320 MPa
상기 표 2의 결과에 의하면 탄소원과 규소원의 C/Si 몰비가 증가함에 따라, 잔류 카본 분말의 함량은 증가하는 경향을 나타내고 있고, 잔류 실리카 분말의 함량은 감소하는 경향을 나타내고 있다. C/Si 몰비가 2.3 ∼ 3.0일 때, 반응소결 탄화규소 소결체의 상대밀도는 2.82 ∼ 2.98 g/cm3 범위, 3점 굽힘강도는 320 ∼ 450 MPa 범위로, 상대밀도 및 기계적 강도는 복합분말내의 잔류 카본 및 실리카의 함량과 밀접한 관련이 있음을 알 수 있다.
본 발명의 제조방법으로 제조된 반응소결 탄화규소는 고강도 및 고순도 특성이 있으므로 차세대 반도체 고온 공정용 반응소결 탄화규소(RBSC) 치구류, 고온 진공장치용 부품 및 반도체 공정용 히터 소재 등으로 적용될 수 있다.

Claims (7)

  1. 베타상 탄화규소(β-SiC/C) 분말;
    탄소원이 열분해되어 생성된 카본 분말; 및
    액상의 규소원이 탄소원과 반응하고 미반응 상태로 남아 있는 실리카 분말;
    이 균질하게 분산되어 있는 것을 특징으로 하는 탄화규소/카본/실리카 복합분말.
  2. 제 1 항에 있어서, 상기 복합분말내 잔류 카본 함량이 15 ∼ 36 중량% 이고 실리카 함량이 9 ∼ 27 중량%인 것을 특징으로 하는 탄화규소/카본/실리카 복합분말.
  3. 규소원소 1 몰에 대한 카본원소의 몰비(C/Si)가 1.8 ∼ 3.0 범위가 되도록, 규소원과 탄소원을 알콜 용매를 사용하여 혼합하는 과정;
    상기 혼합물에 가수분해 촉매를 상기 규소원 1 몰을 기준으로 0.05 ∼ 0.14 몰비로 첨가하고 젤화 및 경화하여 경화된 젤 분말을 제조하는 과정;
    상기 경화된 젤 분말을 질소(N2) 분위기에서 열처리하여 실리카(silica, SiO2)와 카본으로 이루어진 탄화규소 전구체(precursor) 분말을 제조하는 과정; 및
    상기 탄화규소 전구체(precursor) 분말을 불활성 또는 진공 분위기에서 2 ∼ 5 ℃/분의 속도로 승온하고, 1300 ∼ 1600℃ 온도에서 열처리하여 베타상의 탄화규소/카본/실리카(β-SiC/C/SiO2) 복합분말을 제조하는 과정;
    을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 탄화규소/카본/실리카 복합분말의 제조방법.
  4. 제 3 항에 있어서, 상기 규소원은 실리콘 알콕사이드 및 알킬실란 중에서 선택되는 액상의 규소 화합물인 것을 특징으로 하는 탄화규소/카본/실리카 복합분말의 제조방법.
  5. 제 3 항에 있어서, 상기 탄소원은 페놀 수지인 것을 특징으로 하는 탄화규소/카본/실리카 복합분말의 제조방법.
  6. 제 3 항에 있어서, 상기 가수분해 촉매가 p-톨루엔술폰산(p-TSA), 질산, 올레익산, 말레익산, 아크릴산 및 염산 중에서 선택된 1종 또는 2종 이상의 산인 것 을 특징으로 하는 탄화규소/카본/실리카 복합분말의 제조방법.
  7. 상기 청구항 1 또는 2항 중에서 선택된 어느 한 항의 탄화규소/카본/실리카 복합분말 100 중량부와 바인더 2 ∼ 5 중량부를 혼합한 후 가압하여, 판상의 탄화규소/카본/실리카 성형체를 제조하는 과정; 및
    상기 탄화규소/카본/실리카 성형체에 1450 ∼ 1600℃ 온도 및 10-2 ∼ 10-1 torr 압력 조건에서 용융 규소를 침윤시켜 반응소결 탄화규소를 제조하는 과정;
    을 포함하여 이루어지는 것을 특징으로 하는 반응소결 탄화규소의 제조방법.
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