KR20150025504A - 탄화규소 분말 - Google Patents

Abstract

탄화규소 분말에 관한 것이다.
탄화규소 분말은, 불순물 함유량이 1ppm 이하이고, 탄화규소 격자 내 탄소의 중량 비율이 30% 내지 32%이다.

Description

탄화규소 분말{SILICON CARBIDE POWDER}

본 발명은 탄화규소 분말에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 탄소-리치 탄화규소 분말에 관한 것이다.

탄화규소(silicon carbide, SiC)는 물리, 화학적으로 안정하고, 내열성과 열전도성이 좋으며, 고온 안정성, 고온 강도 및 내마모성이 우수하다. 이에 따라 탄화규소는 산업체 구조용 재료로 널리 이용되고 있으며, 최근에는 반도체 소자에도 적용되고 있다.

탄화규소 분말은 규소원(Si source)과 탄소원(Carbon source)을 합성하여 제조되며, 에치슨(Acheson) 공법, 탄소열 환원법, CVD(Chemical Vapor Deposition) 공법 등에 의하여 제조될 수 있다. 이렇게 제조된 탄화규소 분말은 반도체 소자를 만들기 위한 단결정 성장에 이용될 수 있다.

단결정 성장 시, 탄화규소 분말을 이루는 탄소와 규소의 몰비(C/Si ratio)는 원하는 결정상(polytype)을 형성하는데 있어 중요한 요소로 작용한다.

특히, 탄소의 비율이 높은 탄소-리치(carbon-rich) 탄화규소 분말은 4H-탄화규소 단결정을 성장하는데 있어 유리하다.

이에 따라, 4H-탄화규소 단결정 성장 시 3C, 6H, 15R 등 다른 결정상의 혼입을 방지하고, 안정적으로 4H-탄화규소 단결정 성장이 가능하도록 탄화규소 격자 내 탄소의 비율을 높이는 방법이 요구된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 탄소-리치 탄화규소 분말을 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 탄화규소 분말은, 불순물 함유량이 1ppm 이하이고, 탄화규소 격자 내 탄소의 중량 비율이 30% 내지 32%이다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 탄화규소 격자 내 탄소의 중량이 증가된 탄소-리치 탄화규소 분말의 제조가 가능하다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄화규소 분말 제조 방법을 도시한 흐름도이다.

본 발명은 다양한 변경을 가할 수 있고 여러 가지 실시 예를 가질 수 있는 바, 특정 실시 예들을 도면에 예시하고 설명하고자 한다. 그러나 이는 본 발명을 특정한 실시 형태에 대해 한정하려는 것이 아니며, 본 발명의 사상 및 기술 범위에 포함되는 모든 변경, 균등물 내지 대체물을 포함하는 것으로 이해되어야 한다.

제2, 제1 등과 같이 서수를 포함하는 용어는 다양한 구성요소들을 설명하는데 사용될 수 있지만, 상기 구성요소들은 상기 용어들에 의해 한정되지는 않는다. 상기 용어들은 하나의 구성요소를 다른 구성요소로부터 구별하는 목적으로만 사용된다. 예를 들어, 본 발명의 권리 범위를 벗어나지 않으면서 제2 구성요소는 제1 구성요소로 명명될 수 있고, 유사하게 제1 구성요소도 제2 구성요소로 명명될 수 있다. 및/또는 이라는 용어는 복수의 관련된 기재된 항목들의 조합 또는 복수의 관련된 기재된 항목들 중의 어느 항목을 포함한다.

본 출원에서 사용한 용어는 단지 특정한 실시 예를 설명하기 위해 사용된 것으로, 본 발명을 한정하려는 의도가 아니다. 단수의 표현은 문맥상 명백하게 다르게 뜻하지 않는 한, 복수의 표현을 포함한다. 본 출원에서, "포함하다" 또는 "가지다" 등의 용어는 명세서상에 기재된 특징, 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것이 존재함을 지정하려는 것이지, 하나 또는 그 이상의 다른 특징들이나 숫자, 단계, 동작, 구성요소, 부품 또는 이들을 조합한 것들의 존재 또는 부가 가능성을 미리 배제하지 않는 것으로 이해되어야 한다.

다르게 정의되지 않는 한, 기술적이거나 과학적인 용어를 포함해서 여기서 사용되는 모든 용어들은 본 발명이 속하는 기술 분야에서 통상의 지식을 가진 자에 의해 일반적으로 이해되는 것과 동일한 의미가 있다. 일반적으로 사용되는 사전에 정의되어 있는 것과 같은 용어들은 관련 기술의 문맥상 가지는 의미와 일치하는 의미가 있는 것으로 해석되어야 하며, 본 출원에서 명백하게 정의하지 않는 한, 이상적이거나 과도하게 형식적인 의미로 해석되지 않는다.

이하, 첨부된 도면을 참조하여 실시 예를 상세히 설명하되, 도면 부호에 관계없이 동일하거나 대응하는 구성 요소는 동일한 참조 번호를 부여하고 이에 대한 중복되는 설명은 생략하기로 한다.

도 1은 본 발명의 일 실시 예에 따른 탄화규소 분말 제조 방법을 도시한 흐름도이다.

도 1을 참조하면, 먼저 규소원(Si source)과 탄소원(C source)을 혼합하는 혼합 공정을 진행한다(S100).

상기 S100 단계에서, 혼합 시 규소원에 포함된 규소와 탄소원에 포함된 탄소의 몰 비는 1:1.5 내지 1:3.0일 수 있다.

규소원은 규소 제공 물질을 의미한다. 규소원은, 예를 들면 건식 실리카(fumed silica), 실리카솔(silica sol), 실리카겔(silica gel), 미세 실리카(silica), 석영 분말 및 그들의 혼합물로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상일 수 있다.

탄소원은 탄소 제공 물질을 의미한다. 탄소원은 액상의 탄소원, 고상의 탄소원, 또는 유기 탄소 화합물일 수 있다. 액상의 탄소원으로는 예를 들면, 페놀수지(phenol resin), 피치(pitch) 등이 사용될 수 있다. 고상의 탄소원으로는 예를 들면 흑연(graphite), 카본 블랙(carbon black), 탄소 나노 튜브(Carbon Nano Tube, CNT), 풀러렌(fullerene) 및 그들의 혼합물로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상이 사용될 수 있다. 탄소원으로 사용되는 유기 탄소 화합물은 페놀(phenol) 수지, 프랑(franc) 수지, 자일렌(xylene) 수지, 폴리이미드(polyimide), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐아세테이트(polyvinyl acetate), 폴리초산비닐, 셀룰로오스(cellulose), 제당, 피치(pitch), 타르(tar) 및 그들의 혼합물로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상일 수 있다.

규소원과 탄소원은 용매를 이용한 습식 혼합 공정 또는 용매를 이용하지 않은 건식 혼합 공정에 의해 혼합될 수 있다. 예를 들면, 슈퍼 믹서(Sumper Mixer), 볼 밀(ball mill), 어트리션 밀(attrition mill), 3롤 밀(3roll mill) 등을 이용하여 혼합될 수 있다.

다음으로, S100 단계를 통해 혼합된 분말을 회수하고, 혼합 분말을 고온 열처리하여 미립(fine grain)의 탄화규소 분말을 합성한다(S110). 여기서, 합성된 미립의 탄화규소 분말은 β상의 탄화규소 분말일 수 있다.

상기 S110 단계에서, 혼합 분말을 가열하는 과정은 탄화(carbonization) 공정 및 합성(synthesis) 공정으로 나뉠 수 있다.

탄화 공정은 이로 제한되는 것은 아니지만 예를 들어, 800℃ 내지 900℃의 온도 조건에서 소정 시간(예를 들어, 1시간 이상) 진행될 수 있다. 또한, 합성 공정은 이로 제한되는 것은 아니지만 예를 들어, 1500℃ 내지 1800℃의 온도 조건에서 소정 시간(예를 들어, 1시간 내지 3시간) 동안 진행될 수 있다.

다음으로, 상기 S110 단계를 통해 합성한 미립의 탄화규소 분말과 탄소원을 재혼합하는 혼합 공정을 진행한다(S120).

상기 S120 단계에서, 미립의 탄화규소 분말과 혼합하는 탄소원으로는 수지 계열이 사용될 수 있다. 예를 들어, 페놀(phenol) 수지, 프랑(franc) 수지, 자일렌(xylene) 수지, 폴리이미드(polyimide), 폴리우레탄(polyurethane), 폴리비닐알콜(polyvinyl alcohol), 폴리아크릴로니트릴(polyacrylonitrile), 폴리비닐아세테이트(polyvinyl acetate), 폴리초산비닐, 셀룰로오스(cellulose), 제당, 피치(pitch), 타르(tar) 및 그들의 혼합물로 구성된 그룹에서 선택된 하나 이상이 사용될 수 있다.

상기 S120 단계에서, 미립의 탄화규소 분말에 대한 탄소원의 혼합 비율은 1wt(중량)% 내지 5wt(중량)%이며, 탄소원의 혼합 비율이 증가할수록 이후 입성장을 통해 제조되는 조립의 탄화규소 분말의 탄화규소 격자 내 탄소 중량의 비율이 증가할 수 있다.

상기 S120 단계에서, 혼합 공정은 탄소원의 뭉침을 최소화하고 미립의 탄화규소 분말 입자의 외벽에 탄소원을 균일하게 코팅하기 위해, 한셀형 혼합기(Hansel mixer), 볼 밀(ball mill) 등을 이용하여 진행될 수 있다.

볼 밀을 이용하는 경우, 불순물의 혼입을 방지하기 위해, 투입되는 원료 즉, 탄화규소 분말과 동일한 원료로 구성된 탄화규소 볼(SiC ball) 등을 사용하거나, 테프론 볼(Teflon ball)을 이용하여 진행될 수 있다. 테프론 볼을 이용하는 경우, 분쇄 공정 중 볼로부터 혼입된 불순물은 합성 공정의 열처리 과정에서 증발되어 배출될 수 있다.

상기 S120 단계의 혼합 공정에서, 볼에 투입되는 원료(탄화규소 분말 및 탄소원)와 볼의 투입량 비는 작업 효율, 볼의 수용량 등을 고려하여 1:1 내지 1:1.5일 수 있다. 혼합 공정은 이로 제한되는 것은 아니지만 100RPM ~ 250RPM의 속도로 소정 시간(예를 들어, 2시간 내지 4시간) 동안 진행될 수 있다.

전술한 바와 같이, 탄소원과 재혼합된 미립의 탄화규소 분말은, 입자 외벽에 탄소원이 균일하게 코팅될 수 있다.

다음으로, 상기 S110 단계를 통해 입자 외벽에 탄소원이 코팅된 미립의 탄화규소 분말을 회수하여 입성장시킴으로써, 조립(coarse grain)의 탄화규소 분말을 제조한다(S130).

상기 S130 단계에서, 입성장 공정은 탄화 공정 및 합성 공정으로 구분될 수 있다.

탄화 공정은 탈지 공정으로, 이로 제한되는 것은 아니지만 예를 들어, 800℃ 내지 900℃의 온도 조건에서 소정 시간(예를 들어, 1시간 이상) 진행될 수 있다. 탄화 공정이 진행됨에 따라, 미립의 탄화규소 분말의 입자 외벽에 코팅된 탄소원이 탄화되어 탄소 함유량이 증가하게 된다.

또한, 합성 공정은 이로 제한되는 것은 아니지만 예를 들어, 1800℃ 내지 2300℃에서 소정 시간(예를 들어, 1시간 내지 4시간) 행해질 수 있다. 합성 공정이 진행됨에 따라, 탄화규소 분말의 격자 내 탄소 중량(wt%)이 증가하여, 탄화규소 격자 내 탄소 중량의 비율이 증가하게 된다.

이에 따라, 본 발명의 일 실시 예에 따라 제조되는 조립의 탄화규소 분말은 탄소-리치(carbon-rich) 상태로 제조된다.

본 발명의 일 실시 예에 따라 제조되는 조립의 탄화규소 분말은 이로 제한되는 것은 아니지만 탄화규소 격자 내 탄소 중량의 비율이 30wt% 내지 32wt%일 수 있다. 또한, 분말 내 불순물 함유량은 1ppm 이하이며, 분말 내 잔류 탄소가 0.1wt(중량)%이하일 수 있다. 또한, 입도(D₅₀)가 100㎛ 내지 500㎛ 이고, 산포(D₉₀/D₁₀)가 2 내지 5일 수 있다.

이하, 실험예를 통하여 본 발명의 실시 예를 좀더 상세하게 설명한다. 실험예는 본 발명의 실시 예를 좀더 명확하게 설명하기 위하여 제시한 것에 불과하며, 본 발명의 실시 예가 실험예로 한정되는 것은 아니다.

비교예

비교예의 탄화규소 분말을 제조하기 위해, 규소원과 탄소원으로 각각 건식 실리카와 페놀 수지를 혼합하고, 혼합 분말을 850℃의 온도 조건을 2시간 유지하여 탄화시킨 후, 1700℃의 온도 조건을 3시간 유지하여 미립의 탄화규소 분말을 합성한다. 또한, 이를 850℃의 온도 조건에서 1시간 유지하고, 2150℃의 온도 조건에서 4시간 유지하는 입성장 공정을 진행하여 조립의 탄화규소 분말을 제조한다.

이렇게 제조된 조립의 탄화규소 분말은, 아래 표 1에 도시된 바와 같이, 순도(분말 내 불순물 함유량)가 0.5 ppm이고, 분말 내 잔류 탄소 함유량이 0.1wt(중량)% 이하이다. 또한, 분말의 입도(D₅₀)가 250㎛이고, 산포(D₉₀/D₁₀)가 2 내지 5이다. 또한, 탄화규소 격자 내 탄소 중량이 29%이다. 여기서, 탄화규소 분말 내에 포함되는 불순물로는 알루미늄(Al), 붕소(B), 칼슘(Ca), 코발트(Co), 크롬(Cr), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 나트륨(Na), 니켈(Ni), 티탄(Ti), 텅스텐(W), 바나듐(V) 등이 포함될 수 있다.

표 1. 비교예

실험예1.

실험예1의 탄화규소 분말을 제조하기 위해, 규소원과 탄소원으로 각각 건식 실리카와 페놀 수지를 혼합하고, 혼합 분말 을850℃의 온도 조건을 2시간 유지하여 탄화시킨 후, 1700℃의 온도 조건을 3시간 유지하여 미립의 탄화규소 분말을 합성한다. 또한, 합성된 미립의 탄화규소 분말에 탄소원인 페놀 수지를 1wt(중량)% 첨가한 후, 이를 원료 대 볼의 비율이 1:1 이도록 테프론 볼에 투입하고 200RPM의 속도로 3시간 동안 혼합하여 탄소원이 코팅된 미립의 탄화규소 분말을 얻는다. 또한, 탄소원과 혼합된 미립의 탄화규소 분말에 대해 850℃의 온도 조건에서 1시간 유지하고, 2150℃의 온도 조건에서 4시간 유지하는 입성장 공정을 진행하여 조립의 탄화규소 분말을 제조한다.

이렇게 제조된 조립의 탄화규소 분말은, 아래 표 2에 도시된 바와 같이, 순도(분말 내 불순물 함유량)가 0.48 ppm이고, 분말 내 잔류 탄소 함유량이 0.1wt(중량)% 이하이다. 또한, 분말의 입도(D₅₀)가 200㎛이고, 산포(D₉₀/D₁₀)가 3으로, 비교예에 비해 입도가 감소하였다. 또한, 탄화규소 격자 내 탄소 중량이 31%로, 비교예에 비해 탄화규소 격자 내 탄소 중량이 증가하였다.

표 2. 실험예1

실험예2

실험예2의 탄화규소 분말을 제조하기 위해, 규소원과 탄소원으로 각각 건식 실리카와 페놀 수지를 혼합하고, 혼합 분말 을850℃의 온도 조건을 2시간 유지하여 탄화시킨 후, 1700℃의 온도 조건을 3시간 유지하여 미립의 탄화규소 분말을 합성한다. 또한, 합성된 미립의 탄화규소 분말에 탄소원인 페놀 수지를 3wt(중량)% 첨가한 후, 이를 원료 대 볼의 비율이 1:1 이도록 테프론 볼에 투입하고 200RPM의 속도로 3시간 동안 혼합하여 탄소원이 코팅된 미립의 탄화규소 분말을 얻는다. 또한, 탄소원과 혼합된 미립의 탄화규소 분말에 대해 850℃의 온도 조건에서 1시간 유지하고, 2150℃의 온도 조건에서 4시간 유지하는 입성장 공정을 진행하여 조립의 탄화규소 분말을 제조한다.

이렇게 제조된 조립의 탄화규소 분말은, 아래 표 3에 도시된 바와 같이, 순도(분말 내 불순물 함유량)가 0.8 ppm이고, 분말 내 잔류 탄소 함유량이 0.1wt(중량)% 이하이다. 또한, 분말의 입도(D₅₀)가 150㎛이고, 산포(D₉₀/D₁₀)가 3으로, 비교예에 비해 입도가 감소하였다. 또한, 탄화규소 격자 내 탄소 중량이 31.5%로, 비교예에 비해 탄화규소 격자 내 탄소 중량이 증가하였다.

표 3. 실험예2

실험예3.

실험예3의 탄화규소 분말을 제조하기 위해, 규소원과 탄소원으로 각각 건식 실리카와 페놀 수지를 혼합하고, 혼합 분말 을850℃의 온도 조건을 2시간 유지하여 탄화시킨 후, 1700℃의 온도 조건을 3시간 유지하여 미립의 탄화규소 분말을 합성한다. 또한, 합성된 미립의 탄화규소 분말에 탄소원인 페놀 수지를 5wt(중량)% 첨가한 후, 이를 원료 대 볼의 비율이 1:1 이도록 테프론 볼에 투입하고 200RPM의 속도로 3시간 동안 혼합하여 탄소원이 코팅된 미립의 탄화규소 분말을 얻는다. 또한, 탄소원과 혼합된 미립의 탄화규소 분말에 대해 850℃의 온도 조건에서 1시간 유지하고, 2150℃의 온도 조건에서 4시간 유지하는 입성장 공정을 진행하여 조립의 탄화규소 분말을 제조한다.

이렇게 제조된 조립의 탄화규소 분말은, 아래 표 4에 도시된 바와 같이, 순도(분말 내 불순물 함유량)가 0.8 ppm이고, 분말 내 잔류 탄소 함유량이 0.1wt(중량)% 이하이다. 또한, 분말의 입도(D₅₀)가 125㎛이고, 산포(D₉₀/D₁₀)가 3으로, 비교예에 비해 입도가 감소하였다. 또한, 탄화규소 격자 내 탄소 중량이 32%로, 비교예에 비해 탄화규소 격자 내 탄소 중량이 증가하였다.

표 4. 실험예3

전술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 미립의 탄화규소를 합성한 후, 합성된 미립의 탄화규소 분말에 탄소원을 재혼합함으로써 탄소-리치 탄화규소 분말을 얻을 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에 따라서 제조되는 탄화규소 분말을 이용하여 4H-탄화규소 단결정을 성장 시, 원하는 폴리타입을 안정적으로 형성함으로써 다른 폴리타입의 혼입으로 인한 결함을 최소화하고, 4H-탄화규소 단결정의 수율을 향상시키는 것이 가능하다.

상기에서는 본 발명의 바람직한 실시 예를 참조하여 설명하였지만, 해당 기술 분야의 숙련된 당업자는 하기의 특허 청구의 범위에 기재된 본 발명의 사상 및 영역으로부터 벗어나지 않는 범위 내에서 본 발명을 다양하게 수정 및 변경시킬 수 있음을 이해할 수 있을 것이다.

Claims (6)

1. 불순물 함유량이 1ppm 이하이고, 탄화규소 격자 내 탄소의 중량 비율이 30% 내지 32%인 탄화규소 분말.
2. 제1항에 있어서,
   상기 탄화규소 격자 내 탄소의 중량 비율이 30% 내지 31%인 탄화규소 분말.
3. 제1항에 있어서,
   상기 불순물 함유량이 0.5ppm 이하인 탄화규소 분말.
4. 제1항에 있어서,
   상기 탄화규소 분말 내 잔류 탄소의 함유량이 0.1wt(중량)%인 탄화규소 분말.
5. 제1항에 있어서,
   입도(D₅₀)가 100㎛ 내지 500㎛ 인 탄화규소 분말.
6. 제1항에 있어서,
   산포(D₉₀/D₁₀)가 2 내지 5인 탄화규소 분말.

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