KR20150025649A - 탄화규소 분말 - Google Patents

Abstract

탄화규소 분말에 관한 것이다.
탄화규소 분말은, 불순물 함유량이 1ppm 이하이고, 잔류 규소의 함유량이 100ppm 이하이다.

Description

탄화규소 분말{SILICON CARBIDE POWDER}

본 발명은 탄화규소 분말에 관한 것으로서, 더욱 상세하게는 단결정용 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.

한편, 규소원과 탄소원을 합성하여 제조된 탄화규소 분말은, 반응 단계에서 기체 상태로 휘발되지 않고 잔류한 규소를 함유할 수 있다. 잔류 규소가 함유된 탄화규소 분말을 단결정 성장에 이용할 경우, 탄화규소 분말의 승화가 발생하기 전에 잔류 규소가 먼저 기화해 시드(seed)에 붙게 된다. 이는 단결정 성장 시 결함(defect)으로 작용하거나, 폴리타입(polytype)을 형성하여 원하는 결정상 형성을 방해할 수 있다.

이에 따라, 단결정 성장 시 결함 발생을 줄이고 원하는 결정상을 얻기 위해서는 탄화규소 분말 내 잔류 규소의 함량을 낮추는 방법이 요구된다.

본 발명이 이루고자 하는 기술적 과제는 잔류 규소 함량이 낮은 탄화규소 분말을 제공하는 데 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따른 탄화규소 분말은, 불순물 함유량이 1ppm 이하이고, 잔류 규소의 함유량이 100ppm 이하이다.

본 발명의 실시 예에 따르면, 분말 내에 불순물, 잔류 규소 및 잔류 산소 함유량이 낮은 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 혼합한다(S100).

상기 S100 단계에서, 혼합 시 규소원에 포함된 규소와 탄소원에 포함된 탄소의 몰 비는 1:1.8 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), 셀룰로오스(cellulose) 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 열처리하는 1차 가열 공정을 진행하여 미립(fine grain)의 탄화규소 분말을 합성한다(S110).

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, 600℃ 내지 1000℃의 온도 조건에서 행해질 수 있다.

합성 공정은 이로 제한되는 것은 아니지만 예를 들어, 1300℃ 내지 1700℃의 온도 조건에서 소정 시간 동안 진행되며, 원하는 온도 조건에 도달할 때까지 온도를 점차적으로 승온 시키면서 진행될 수 있다.

여기서, 승온 속도는 이로 제한되는 것은 아니지만 0.5℃/min 내지 5℃/min일 수 있다.

한편, 합성 공정 중 고온의 열이 가해짐에 따라 규소 가스(SiO)가 발생한다. 규소 가스 발생량은 온도 조건에 따라 달라지며, 소정의 온도 구간(예를 들어, 1300℃ 내지 1600℃의 온도 구간)에서 급격히 증가한다.

규소 가스 발생량이 급격히 증가할 경우, 규소 가스의 포화 상태로 이어져 불순물이 휘발되지 않고 잔류하게 되고, 이로 인해 탄화규소 분말 내 불순물, 잔류 규소, 잔류 산소 등이 증가할 수 있다.

따라서, 규소 가스 발생량이 급격히 증가하는 것을 방지함으로써, 탄화규소 분말 내 불순물, 잔류 규소, 잔류 산소 등을 감소시킬 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에서는, 상기 S110 단계의 미립의 탄화규소 분말 합성 공정에서, 승온 속도 조절을 통해 규소 가스 발생량이 급격히 증가하는 것을 방지할 수 있다.

예를 들어, 규소 가스 발생량이 급격히 증가하는 소정의 온도 구간(예를 들어, 1300℃ 내지 1600℃의 온도 구간)에서의 승온 속도를 나머지 구간에 비해 낮게(예를 들어, 0.5℃/min 내지 3℃/min) 조절함으로써, 규소 발생량이 급격히 증가하는 것을 방지할 수 있다.

한편, 승온 속도를 낮추는 경우 원하는 온도 조건에 도달하기까지의 시간이 증가하고, 규소 발생량이 적어져 합성 공정이 완료되기까지의 시간이 증가하게 된다. 공정 시간의 증가는 제조 비용의 상승을 초래할 수 있다.

따라서, 본 발명의 일 실시 예에서는, 상기 S110 단계의 미립의 탄화규소 분말 합성 공정에서, 합성 공정을 온도에 따라 복수의 구간으로 구분하고, 각 온도 구간에서의 규소 가스 증가량에 따라 승온 속도를 다르게 제어함으로써, 공정 시간을 최소화하면서 합성된 미립의 탄화규소 분말 내 불순물, 잔류 규소 및 잔류 산소를 효과적으로 감소시킬 수 있다. 즉, 규소 가스 증가량이 상대적으로 큰 구간에서는 승온 속도를 상대적으로 낮게 조절하여 규소 가스의 급격한 증가를 억제하고, 규소 가스 증가량이 상대적으로 작은 구간에서는 승온 속도를 상대적으로 높게 조절하여 공정 시간을 최소한으로 단축할 수 있다.

예를 들어, 규소 가스 발생량이 급격히 증가하는 1300℃ 내지 1600℃의 온도 구간을 규소 가스 증가량에 따라 1300℃ 내지 1400℃, 1400℃ 내지 1500℃, 1500℃ 내지 1600℃의 세 구간으로 구분하고, 각 구간에서의 승온 속도를 규소 가스 증가량에 따라 대략 1.5℃/min, 0.5℃/min 1.5℃/min으로 각각 조절함으로써, 규소 가스의 급격한 발생은 억제하면서 공정 시간을 최소화할 수 있다.

전술한 바와 같이, 1차 가열 공정에서는, 승온 속도 조절을 통해 불순물, 잔류 규소, 잔류 산소 등의 함유량이 감소된 미립의 탄화규소 분말을 합성할 수 있다. 이를 이용하여 조립(coarse grain)의 탄화규소 분말을 형성할 경우, 분말 내의 불순물 함유량, 잔류 규소량, 잔류 산소량이 감소된 조립의 탄화규소 분말의 제조가 가능하다.

다음으로, 상기 S110 단계를 통해 합성한 미립의 탄화규소 분말을 회수하여 고온으로 열처리하는 2차 가열 공정을 진행하여 조립(coarse grain)의 탄화규소 분말을 형성한다(S120).

상기 S120 단계에서, 2차 가열 공정은 2000℃ 내지 2200℃의 온도 조건에서 불활성 가스(예를 들어, 아르곤(Ar))분위기하에 진행되며, 약 3 내지 7시간 행해질 수 있다.

본 발명의 일 실시 예에 따라서 제조되는 조립의 탄화규소 분말은, 분말 내 불순물 함유량은 1ppm 이하이고, 잔류 규소의 함유량은 100ppm 이하일 수 있다. 또한, 잔류 산소의 함유량은 200ppm 이하일 수 있다.

또한, 본 발명의 일 실시 예에 따라서 제조되는 조립의 탄화규소 분말은, 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.

아래 표 1은 일반적인 제조 방법으로 제조된 탄화규소 분말과 본 발명의 실시 예에 따른 제조 방법으로 제조된 탄화규소 분말들의 분말 내 불순물, 잔류 규소 및 잔류 산소의 함유량을 비교한 것이다.

표 1. 분말 내 불순물, 잔류 규소, 잔류 산소 함유량

위 표 1에서, 비교예는 일반적인 제조 공정으로 제조된 탄화규소 분말을 나타내며, 실험예1, 실험예2 및 실험예3은 본 발명의 실시 예에 따른 제조 공정으로 제조된 탄화규소 분말들을 나타낸다.

비교예.

규소원과 탄소원으로 각각 건식 실리카와 페놀 수지를 혼합하고, 혼합 분말을850℃에서 탄화시킨 후 5℃/min의 승온 속도로 1700℃에서 합성하여 미립의 탄화규소 분말을 합성한다. 또한, 이를 불활성 분위기에서 2100℃로 열처리하여 조립의 탄화규소 분말을 제조한다. 이렇게 제조된 탄화규소 분말은, 입도(D₅₀)가 대략 280㎛이고, 산포(D₉₀/D₁₀)가 대략 3.8이다. 또한, 표 1에 도시된 바와 같이, 분말 내 불순물 함유량이 2.11ppm으로 2ppm 이상이고, 분말 내에 잔류 규소와 잔류 산소를 각각 1100ppm과 3700ppm 함유하고 있다. 여기서, 불순물은 알루미늄(Al), 붕소(B), 칼슘(Ca), 코발트(Co), 크롬(Cr), 철(Fe), 마그네슘(Mg), 나트륨(Na), 니켈(Ni), 티탄(Ti), 텅스텐(W), 바나듐(V) 등을 포함할 수 있다.

실험예1.

규소원과 탄소원으로 각각 건식 실리카와 페놀 수지를 혼합하고, 혼합 분말을850℃에서 탄화시킨 후, 5℃/min의 승온 속도로 1700℃에서 합성하여 미립의 탄화규소 분말을 합성한다. 이때 규소 가스가 급격히 발생하는 1300℃ 내지 1600℃의 온도 구간에서는 승온 속도를 3℃/min으로 감소시켜 규소 가스 발생량을 조절한다. 이렇게 제조된 미립의 탄화규소 분말을 불활성 분위기에서 2100℃로 열처리하여 조립의 탄화규소 분말을 제조한다. 이렇게 제조된 탄화규소 분말은, 입도(D₅₀)가 대략 200㎛이고, 산포(D₉₀/D₁₀)가 대략 2.9이다. 또한, 표 1에 도시된 바와 같이, 분말 내 불순물 함유량이 0.92ppm으로 1ppm 이하이고, 분말 내에 잔류 규소와 잔류 산소가 각각 100ppm과 200ppm으로 비교예에 비해 현저히 감소하였다.

실험예2.

규소원과 탄소원으로 각각 건식 실리카와 페놀 수지를 혼합하고, 혼합 분말을850℃에서 탄화시킨 후, 5℃/min의 승온 속도로 1700℃에서 합성하여 미립의 탄화규소 분말을 합성한다. 이때 규소 가스가 급격히 발생하는 1300℃ 내지 1600℃의 온도 구간에서는 승온 속도를 1.5℃/min으로 감소시켜 규소 가스 발생량을 조절한다. 이렇게 제조된 미립의 탄화규소 분말을 불활성 분위기에서 2100℃로 열처리하여 조립의 탄화규소 분말을 제조한다. 이렇게 제조된 탄화규소 분말은, 입도(D₅₀)가 대략 230㎛이고, 산포(D₉₀/D₁₀)가 대략 3이다. 또한, 표 1에 도시된 바와 같이, 분말 내 불순물 함유량이 0.72ppm으로 1ppm 이하이고, 분말 내에 잔류 규소와 잔류 산소가 각각 90ppm과 160ppm으로 비교예에 비해 현저히 감소하였다. 또한, 규소 가스가 급격히 발생하는 1300℃ 내지 1600℃의 온도 구간에서의 승온 속도가 상대적으로 높은 실험예1에 비해서도 분말 내 불순물, 잔류 규소 및 잔류 산소의 함유량이 감소하였다.

실험예3.

규소원과 탄소원으로 각각 건식 실리카와 페놀 수지를 혼합하고, 혼합 분말을850℃에서 탄화시킨 후, 5℃/min의 승온 속도로 1700℃에서 합성하여 미립의 탄화규소 분말을 합성한다. 이때 규소 가스가 급격히 발생하는 1300℃ 내지 1600℃의 온도 구간을 세 개의 온도 구간으로 세분화하고, 세분화된 각 구간에서의 승온 속도를 각각 1.5℃/min, 0.5℃/min, 1.5 ℃/min로 조절하여 규소 가스 발생량을 조절한다. 이렇게 제조된 미립의 탄화규소 분말을 불활성 분위기에서 2100℃로 열처리하여 조립의 탄화규소 분말을 제조한다. 이렇게 제조된 탄화규소 분말은, 입도(D₅₀)가 대략 330㎛이고, 산포(D₉₀/D₁₀)가 대략 4이다. 또한, 표 1에 도시된 바와 같이, 분말 내 불순물 함유량이 0.46ppm으로 0.5ppm 이하이고, 분말 내에 잔류 규소와 잔류 산소가 각각 50ppm과 110ppm으로 비교예에 비해 현저히 감소하였다. 또한, 규소 가스가 급격히 발생하는 1300℃ 내지 1600℃의 온도 구간에서의 승온 속도가 상대적으로 높은 실험예1과 실험예2 에 비해서도 분말 내 불순물, 잔류 규소 및 잔류 산소의 함유량이 감소하였다.

전술한 바와 같이, 본 발명의 실시 예에 따르면, 합성 공정에서의 승온 속도를 감소시켜 규소 가스 증가량을 조절함으로써, 분말 내 불순물, 잔류 규소 및 잔류 산소의 함유량이 낮은 조립의 탄화규소 분말을 얻을 수 있다.

따라서, 본 발명의 실시 예에 따라서 제조되는 탄화규소 분말을 이용하여 단결정 성장을 진행하는 경우, 불순물, 잔류 규소 및 잔류 산소로 인해 형성되는 결함을 억제하고 원하는 결정상을 얻는 것이 가능한 효과가 있다.

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, 잔류 규소의 함유량이 100ppm 이하인 탄화규소 분말.
2. 제1항에 있어서,
   상기 잔류 규소의 함유량이 50ppm 이하인 탄화규소 분말.
3. 제1항에 있어서,
   상기 불순물 함유량이 0.5ppm 이하인 탄화규소 분말.
4. 제1항에 있어서,
   잔류 산소의 함유량이 200ppm 이하인 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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