KR20130077495A - 탄화 규소의 제조방법 및 제조장치 - Google Patents

Abstract

탄화 규소의 제조방법 및 제조 장치가 개시된다. 탄화 규소의 제조방법은 탄소를 포함하는 고상 탄소원 입자들을 제공하는 단계; 및 상기 탄소원 입자들에 규소를 포함하는 규소원 기체를 공급하는 단계를 포함한다.

Description

탄화 규소의 제조방법 및 제조장치{METHOD AND APPARATUS FOR FABRICATING SILICON CARBIDE}

실시예는 탄화 규소의 제조방법 및 제조장치에 관한 것이다.

탄화규소는 최근에 다양한 전자 소자 및 목적을 위한 반도체 재료로서 사용되고 있다. 탄화규소는 특히 물리적 강도 및 화학적 공격에 대한 높은 내성으로 인해 유용하다. 탄화규소는 또한 방사 경도(radiation hardness), 비교적 넓은 밴드갭, 높은 포화 전자 드리프트 속도(saturated electron drift velocity), 높은 조작 온도, 및 스펙트럼의 청색(blue), 보라(violet), 및 자외(ultraviolet) 영역에서의 높은 에너지 양자의 흡수 및 방출을 포함하는 우수한 전자적 성질을 가진다.

탄화규소 분말은 규소원(Si source)과 탄소원(C source) 등의 원료를 혼합한 후 가열하는 방법 등에 의해 제조될 수 있다. 탄화규소 분말의 제조방법으로서는 애치슨법, 탄소열환원공법, 액상고분자열분해법, 직접반응법(direct reaction) 또는 CVD 공법 등이 공지기술로서 알려져있다. 특히 고순도의 탄화규소 분말을 제조하기 위해서는 액상고분자열분해법 또는 탄소열환원공법을 이용하였다.

상기 여러 공법 중 직접반응법의 경우에는 탄소(C)와 규소(Si)를 직접 반응하여 탄화규소 분말을 합성하는 방법으로서, 다른 공법에 비해 고순도의 탄화규소 분말을 제조할 수 있는 장점이 있다.

실시예는 원하는 크기로 높은 순도의 탄화 규소 입자를 제조할 수 있는 탄화 규소의 제조방법 및 제조장치를 제공하고자 한다.

실시예에 따른 탄화 규소의 제조방법은 탄소를 포함하는 고상 탄소원 입자들을 제공하는 단계; 및 상기 탄소원 입자들에 규소를 포함하는 규소원 기체를 공급하는 단계를 포함한다.

실시예에 따른 탄화 규소 제조장치는 원료를 수용하기 위한 공간의 주위를 둘러싸는 외벽부; 및 상기 외벽부로부터 연장되는 바닥부;를 포함하고, 상기 바닥부에는 상기 원료를 수용하기 위한 공간과 통하는 관통홀이 형성된다.

실시예에 따른 탄화 규소 제조방법은 상기 탄소원 입자들에 규소원 기체를 직접 공급하여, 탄화 규소를 형성할 수 있다. 이에 따라서, 실시예에 따른 탄화 규소의 제조방법은 상기 탄소원 입자들의 직경을 적절하게 조절하여, 원하는 입도를 가지는 탄화 규소 입자들을 얻을 수 있다.

또한, 상기 탄소원 입자들로 흑연 입자들이 사용되고, 상기 규소원 기체로 실란 기체가 사용될 수 있다. 이와 같이, 흑연 및 실란이 직접 반응하여, 탄화 규소가 형성되므로, 실시예에 따른 탄화 규소의 제조방법은 향상된 순도의 탄화 규소를 제공할 수 있다.

도 1은 실시예에 따른 탄화 규소 제조장치를 도시한 도면이다.
도 2는 도가니를 도시한 사시도이다.
도 3 및 도 4는 실시예에 따른 탄화 규소의 제조공정을 도시한 도면이다.

실시예들의 설명에 있어서, 각 부, 챔버, 도가니 또는 원료가 부, 챔버, 도가니 또는 원료의 “상/위(on)”에 또는 “하/아래(under)”에 형성된다는 기재는, 직접(directly) 또는 다른 층을 개재하여 형성되는 것을 모두 포함한다. 각 층의 상/위 또는 하/아래에 대한 기준은 도면을 기준으로 설명한다. 도면에서 각 층(막), 영역, 패턴 또는 구조물들의 두께나 크기는 설명의 명확성 및 편의를 위하여 변형될 수 있으므로, 실제 크기를 전적으로 반영하는 것은 아니다. 이하, 첨부한 도면을 참조하여 본 발명의 실시예를 상세하게 설명하면 다음과 같다.

도 1은 실시예에 따른 탄화 규소 제조장치를 도시한 도면이다. 도 2는 도가니를 도시한 사시도이다. 도 3 및 도 4는 실시예에 따른 탄화 규소의 제조공정을 도시한 도면이다.

도 1 내지 도 3을 참조하면, 실시예에 따른 탄화 규소의 제조장치는 챔버(100), 도가니(200), 유도 가열부(300), 규소원 공급부(400) 및 진공부(500)를 포함한다.

상기 챔버(100)는 상기 도가니(200)를 수용한다. 상기 챔버(100)는 밀봉될 수 있다. 상기 챔버(100)의 진공에 가깝게 감압될 수 있다.

상기 도가니(200)는 상기 챔버(100) 내에 배치된다. 상기 도가니(200)는 탄화 규소를 형성하기 위한 원료를 수용한다. 또한, 상기 도가니(200)는 자체적으로 열을 발생시키는 발열체이다.

도 2를 참조하면, 상기 도가니(200)는 외벽부(210), 바닥부(220) 및 캡핑부(230)를 포함한다.

상기 외벽부(210)는 원료를 수용하기 위한 공간을 둘러싼다. 즉, 상기 외벽부(210)는 탄화 규소를 형성하기 위한 원료를 둘러싼다. 상기 외벽부(210)는 원통 형상을 가질 수 있다.

상기 바닥부(220)는 상기 외벽부(210)로부터 연장된다. 상기 바닥부(220)는 상기 외벽부(210)의 하부로부터 연장된다. 상기 바닥부(220)는 탄화 규소를 형성하기 위한 원료를 지지한다. 상기 바닥부(220)는 상기 외벽부(210)와 일체로 형성될 수 있다. 상기 바닥부(220)는 원형 플레이트 형상을 가질 수 있다.

상기 바닥부(220)에는 관통홀(221)이 형성된다. 상기 관통홀(221)은 상기 도가니(200)의 내부, 즉, 탄화 규소를 형성하기 위한 원료를 수용하는 공간까지 관통될 수 있다. 상기 관통홀(221)은 상기 바닥부(220)의 중심에 대응되는 위치에 형성될 수 있다. 즉, 상기 관통홀(221)은 상기 바닥부(220)의 중앙에 형성될 수 있다.

상기 관통홀(221)의 직경은 약 5㎜ 내지 약 10㎜일 수 있다. 상기 관통홀(221)을 통하여, 상기 도가니(200) 내부로 탄화 규소를 형성하기 위한 원료 기체가 공급될 수 있다.

상기 캡핑부(230)는 상기 외벽부(210)의 상부에 배치된다. 상기 캡핑부(230)는 상기 바닥부(220)에 대향된다. 상기 캡핑부(230)는 상기 외벽부(210)의 입구를 덮는다. 상기 캡핑부(230)는 원형 플레이트 형상을 가질 수 있다.

상기 외벽부(210), 상기 바닥부(220) 및 상기 캡핑부(230)는 흑연을 포함할 수 있다. 더 자세하게, 상기 외벽부(210), 상기 바닥부(220) 및 상기 캡핑부(230)는 흑연으로 형성될 수 있다. 또한, 상기 외벽부(210), 상기 바닥부(220) 및 상기 캡핑부(230)는 복수의 기공들을 포함할 수 있다. 즉, 상기 외벽부(210), 상기 바닥부(220) 및 상기 캡핑부(230)는 다공질의 흑연을 포함할 수 있다.

상기 유도 가열부(300)는 상기 도가니(200)를 가열시킨다. 상기 유도 가열부(300)는 전자기 유도에 의해서, 상기 도가니(200)를 가열시킬 수 있다. 상기 유도 가열부(300)는 상기 챔버(100) 외측에 배치될 수 있다.

상기 규소원 공급부(400)는 상기 챔버(100)의 하부에 구비된다. 상기 규소원 공급부(400)는 상기 도가니(200)의 내부로 원료 기체를 공급한다. 더 자세하게, 상기 규소원 공급부(400)는 노즐 등을 통하여, 상기 관통홀(221)에 원료 기체를 공급할 수 있다. 이에 따라서, 상기 도가니(200) 내부로 원료 기체가 주입될 수 있다.

상기 진공부(500)는 상기 챔버(100)의 상부에 구비될 수 있다. 상기 진공부(500)는 상기 챔버(100) 내의 압력을 감소시킨다. 상기 진공부(500)는 상기 챔버(100) 내의 기체를 빨아들일 수 있다. 상기 진공부(500)에 의해서, 상기 챔버(100) 내의 압력은 약 10mbar이하로 감소될 수 있다.

탄화 규소는 다음과 같은 공정에 의해서 형성될 수 있다.

도 3을 참조하면, 상기 도가니(200) 내에 탄소원 입자들(10)이 채워진다. 상기 탄소원 입자들(10)은 흑연 입자들일 수 있다. 상기 탄소원 입자들(10)의 직경은 약 10㎛ 내지 약 500㎛일 수 있다. 더 자세하게, 상기 탄소원 입자들(10)의 직경은 약 10㎛ 내지 약 100㎛일 수 있다. 또한, 원료 기체의 흐름 속도가 향상되기 위해서, 상기 탄소원 입자들(10)의 직경은 약 100㎛ 내지 약 500㎛일 수 있다.

상기 탄소원 입자들(10)의 직경이 약 10㎛ 미만인 경우, 상기 탄소원 입자들(10) 사이의 공간이 너무 작아서, 규소원 기체가 상기 탄소원 입자들(10)에 공급되지 않는다. 또한, 상기 탄소원 입자들(10)의 직경이 약 500㎛를 초과하는 경우, 상기 탄소원 입자들(10)의 일부는 반응되지 않을 수 있다.

이후, 상기 탄소원 입자들(10)이 채워진 도가니(200)는 상기 챔버(100) 내에 배치된다.

이후, 상기 진공부(500)에 의해서, 상기 챔버(100) 내의 압력은 약 10mbar이하로 감소되고, 상기 유도 가열부(300)에 의해서, 상기 도가니(200)의 온도는 약 1200℃ 내지 약 2400℃로 상승될 수 있다.

이후, 상기 규소원 공급부(400)를 통하여, 상기 관통홀(221)을 통하여, 상기 도가니(200) 내부에 규소를 포함하는 규소원 기체가 공급된다. 상기 규소원 기체의 예로서는 실란(SiH4), 이염화실란(dichlorosilane;SiH2Cl2), 삼염화실란(trichlorosilane;SiHCl3), 디메틸디클로로실란(dimethyldichlorosilane;Si(CH3)2Cl2), 사염화 규소(SiCl4), 팔염화규소(Si3Cl8) 또는 일산화 규소(SiO) 등을 들 수 있다. 바람직하게, 상기 규소원 기체는 실란 기체일 수 있다.

상기 규소원 기체는 약 0.1sccm 내지 약 100sccm의 속도로 공급될 수 있다. 더 자세하게, 상기 규소원 기체는 약 10sccm 내지 약 50sccm의 속도로 공급될 수 있다.

이때, 상기 규소원 기체의 공급 속도가 0.1sccm 미만인 경우, 공정 시간이 너무 길어지고, 반응이 완료되지 않고, 남은 탄소원 입자들(10)의 양이 너무 많을 수 있다. 또한, 상기 규소원 기체의 공급 속도가 100sccm을 초과하는 경우, 화학 양론 반응 제어가 어려워 고품질의 탄화 규소가 제조되기 힘들다.

이와 같은 반응 시간은 약 0.5시간 내지 약 10시간 일 수 있다. 더 자세하게, 상기 반응 시간은 약 2시간 내지 5시간 일 수 있다.

이에 따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 탄화 규소(20)가 형성된다. 이때, 상기 관통홀(221)이 상기 바닥부(220)의 중심에 대응하여 형성되는 경우, 탄화 규소(20)는 방사형 형상으로 형성될 수 있다.

특히, 상기 진공부(500)가 상기 챔버(100)의 상부에 구비되고, 상기 규소원 공급부(400)는 상기 챔버(100)의 하부에 구비된다. 이에 따라서, 탄화 규소(20)는 상기 관통홀(221)로부터 상방으로 방사 형태로 형성될 수 있다. 또한, 상기 탄소원 입자들(10)의 일부(11)는 반응되지 않고, 남아 있을 수 있다.

앞서 설명한 바와 같이, 실시예에 따른 탄화 규소 제조장치는 고상/기상 직접 반응에 의해서, 탄화 규소 분말을 제조할 수 있다. 따라서, 실시예에 따른 탄화 규소 제조장치는 상기 탄소원 입자들의 직경을 적절하게 제어하여, 최종 탄화 규소 입자들의 직경을 적절하게 제어할 수 있다.

또한, 실시예에 따른 탄화 규소 제조방법은 상기 탄소원 입자들 및 상기 규소원 기체들을 직접 반응시키므로, 추가적인 불순물이 사용되지 않는다. 따라서, 실시예에 따른 탄화 규소 제조방법은 향상된 순도의 탄화 규소를 제조할 수 있다.

상기 탄소원 입자들로 흑연 입자들이 사용되고, 상기 규소원 기체로 실란 기체가 사용될 수 있다. 이와 같이, 흑연 및 실란이 직접 반응하여, 탄화 규소가 형성되므로, 실시예에 따른 탄화 규소의 제조방법은 향상된 순도의 탄화 규소를 제공할 수 있다.

또한, 상기 진공부(500) 및 상기 규소원 공급부(400)가 서로 반대 방향에 배치되고, 상기 관통홀(221)이 상기 바닥부(220)에 형성된다. 이에 따라서, 상기 규소원 기체의 자연적인 흐름에 의해서, 탄화 규소가 효율적으로 형성될 수 있다.

상술한 실시예에 설명된 특징, 구조, 효과 등은 본 발명의 적어도 하나의 실시예에 포함되며, 반드시 하나의 실시예에만 한정되는 것은 아니다. 나아가, 각 실시예에서 예시된 특징, 구조, 효과 등은 실시예들이 속하는 분야의 통상의 지식을 가지는 자에 의하여 다른 실시예들에 대해서도 조합 또는 변형되어 실시 가능하다. 따라서 이러한 조합과 변형에 관계된 내용들은 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

또한, 이상에서 실시예들을 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, 실시예들에 구체적으로 나타난 각 구성 요소는 변형하여 실시할 수 있는 것이다. 그리고 이러한 변형과 응용에 관계된 차이점들은 첨부한 청구 범위에서 규정하는 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 할 것이다.

Claims (13)

1. 탄소를 포함하는 고상 탄소원 입자들을 제공하는 단계; 및
   상기 탄소원 입자들에 규소를 포함하는 규소원 기체를 공급하는 단계를 포함하는 탄화 규소의 제조방법.
2. 제 1 항에 있어서, 상기 탄소원 입자들은 흑연 입자들인 탄화 규소의 제조방법.
3. 제 2 항에 있어서, 상기 규소원 기체는 실란, 이염화실란, 삼염화실란, 디메틸디클로로실란, 사염화 규소, 팔염화규소 또는 일산화 규소로부터 선택되는 탄화 규소의 제조방법.
4. 제 3 항에 있어서, 상기 탄소원 입자들의 직경은 10㎛ 내지 500㎛인 탄화 규소의 제조방법.
5. 제 3 항에 있어서, 상기 탄소원 입자들은 도가니 내에 채워지고,
   상기 규소원 기체는 상기 도가니 내로 공급되는 탄화 규소의 제조방법.
6. 제 5 항에 있어서, 상기 도가니는
   상기 탄소원 입자들의 주위를 둘러싸는 외벽부; 및
   상기 외벽부로부터 연장되고, 상기 탄소원 입자들을 지지하는 바닥부를 포함하고,
   상기 규소원 기체는 상기 바닥부에 형성되는 관통홀을 통하여 상기 도가니 내부로 공급되는 탄화 규소의 제조방법.
7. 제 6 항에 있어서, 상기 도가니는 상기 바닥부에 대향되는 캡핑부를 더 포함하고,
   상기 바닥부, 상기 외벽부 및 상기 캡핑부는 복수의 기공들을 포함하는 탄화 규소의 제조방법.
8. 제 7 항에 있어서, 상기 바닥부, 상기 외벽부 및 상기 캡핑부는 흑연을 포함하는 탄화 규소의 제조방법.
9. 원료를 수용하기 위한 공간의 주위를 둘러싸는 외벽부; 및
   상기 외벽부로부터 연장되는 바닥부;를 포함하고,
   상기 바닥부에는 상기 원료를 수용하기 위한 공간과 통하는 관통홀이 형성되는 탄화 규소 제조장치.
10. 제 9 항에 있어서, 상기 관통홀의 직경은 5㎜ 내지 10㎜인 탄화 규소 제조장치.
11. 제 10 항에 있어서, 상기 원료를 수용하기 위한 공간을 사이에 두고 상기 바닥부와 마주보는 캡핑부를 포함하는 탄화 규소 제조장치.
12. 제 11 항에 있어서, 상기 외벽부, 상기 바닥부 및 상기 캡핑부는 흑연을 포함하는 탄화 규소 제조장치.
13. 제 9 항에 있어서, 상기 관통홀은 상기 바닥부의 중심에 대응되는 위치에 형성되는 탄화 규소 제조장치.

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