KR20200080605A

KR20200080605A - 탄화규소의 분말의 제조 방법

Info

Publication number: KR20200080605A
Application number: KR1020180170220A
Authority: KR
Inventors: 이규도; 이경호
Original assignee: 주식회사 케이씨인더스트리얼
Priority date: 2018-12-27
Filing date: 2018-12-27
Publication date: 2020-07-07
Also published as: KR102218607B1

Abstract

구현예는 (1) 폐 SiC를 준비하는 단계; (2) 상기 폐 SiC를 절단하는 단계; (3) 상기 절단된 폐 SiC에서 흑연을 제거하는 단계; (4) 상기 흑연이 제거된 폐 SiC를 분쇄하는 단계; (5) 상기 분쇄된 폐 SiC에서 철(Fe) 성분을 제거하는 단계; 및 (6) 상기 철(Fe) 성분이 제거된 폐 SiC를 세정하는 단계를 포함함으로써, 고순도의 SiC 분말을 제조할 수 있다.

Description

탄화규소의 분말의 제조 방법{METHOD OF SILICON CARBIDE POWDER}

탄화규소(SiC)는 내열성과 기계적 강도가 우수하고 방사선에 강한 성질을 지니며, 대구경의 기판으로도 생산 가능한 장점이 있다. 또한, 탄화규소는 물리적 강도 및 화학적 공격에 대한 높은 내성은 물론, 에너지 밴드갭(energy band gap)이 크고, 전자의 포화 드리프트 속도 및 내압도 크다. 따라서, 고전력, 고효율화, 고내압화 및 대용량화가 요구되는 반도체 디바이스는 물론, 연마재, 베어링, 내화판 등에도 광범위하게 사용되고 있다.

이러한 탄화규소 분말의 제조 방법에는 애치슨법, 반응 소결법, 상압 소결법, 또는 CVD 공법 등이 사용되고 있는데, 탄화규소가 잔류한다는 문제점이 있고, 이러한 잔류 탄화규소가 불순물로 작용해 탄화규소의 열적, 전기적 및 기계적 특성을 저하시킬 수 있는 단점이 있다.

일례로, 일본 공개특허 제2002-326876호에서는 규소원과 탄소원을 중합 또는 가교(crosslink)하기 위하여 열처리 공정을 거친 탄화규소 전구체를 아르곤(Ar) 등과 같은 불활성 기체 조건에서 고온으로 반응시켜 제조하는 방법을 개시하고 있는데, 이와 같은 공정은 진공 또는 불활성 기체의 조건에서 1,800℃ 내지 2,100℃의 고온 열처리 공정이 요구되기 때문에 제조 단가가 높고, 분말의 크기의 균일성이 떨어지는 문제점이 있다.

더욱이, 태양 전지 및 반도체 산업에서 사용되는 웨이퍼는 그라파이트 등으로 이루어진 도가니 내의 실리콘 잉곳으로부터 성장시켜 제조되는데, 제조 과정에서 실리콘 카바이드를 함유한 폐 슬러리 뿐만 아니라, 도가니 내벽에 흡착된 실리콘 카바이드 폐기물이 상당량 발생한다. 그러나, 지금까지는 이와 같은 폐기물을 매립 처리하여 환경 문제를 야기해 왔으며, 많은 폐기 비용을 발생시켜 왔다.

일본 공개특허 제2002-326876호

따라서, 구현예는 실리콘 카바이트(SiC) 폐기물을 자원으로 활용함으로써 환경 문제를 해결할 뿐만 아니라, 비용 절감은 물론, 수율 및 생산성이 높으며, 균일도가 높고 고순도의 SiC 분말의 제조 방법을 제공하고자 한다.

일 구현예에 따른 SiC 분말의 제조 방법은 (1) 폐 SiC를 준비하는 단계; (2) 상기 폐 SiC를 절단하는 단계; (3) 상기 절단된 폐 SiC에서 흑연을 제거하는 단계; (4) 상기 흑연이 제거된 폐 SiC를 분쇄하는 단계; (5) 상기 분쇄된 폐 SiC에서 철(Fe) 성분을 제거하는 단계; 및 (6) 상기 철(Fe) 성분이 제거된 폐 SiC를 세정하는 단계를 포함한다.

구현예에 따른 SiC 분말의 제조 방법은 실리콘 카바이트 폐기물(이하, 폐 SiC)을 이용함으로써, 환경 문제를 해결할 뿐만 아니라, 비용 절감을 할 수 있으며, 향상된 수율 및 생산성으로 균일도가 높은 고순도의 SiC 분말을 제공할 수 있다.

도 1은 구현예에 따른 SiC 분말의 제조 방법을 개략적으로 나타낸 것이다.

이하, 구현예를 통해 발명을 상세하게 설명한다. 구현예는 이하에서 개시된 내용에 한정되는 것이 아니라 발명의 요지가 변경되지 않는 한, 다양한 형태로 변형될 수 있다.

본 명세서에 있어서, 어떤 부분이 어떤 구성요소를 "포함" 한다고 할 때, 이는 특별히 반대되는 기재가 없는 한, 다른 구성요소를 제외하는 것이 아니라 다른 구성 요소를 더 포함할 수 있는 것을 의미한다.

본 명세서에 기재된 구성성분의 양, 반응 조건 등을 나타내는 모든 숫자 및 표현은 특별한 기재가 없는 한 모든 경우에 “약”이라는 용어로써 수식되는 것으로 이해하여야 한다.

단계 (1)

일 구현예에 따르면, 상기 단계 (1)은 폐 SiC를 준비하는 단계이다.

상기 폐 SiC는 SiC 단결정 잉곳의 성장시 사용되거나 CVD(chemical vapor deposition) 공법 등으로 제조된 SiC 코팅 물질들 중 제품 불량으로 사용할 수 없게 된 SiC 물질을 사용할 수 있다. SiC는 고가의 물질이므로, 이러한 폐 SiC를 사용하여 SiC 분말을 제조하는 경우, 비용 절감의 효과가 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 단계 (1)의 폐 SiC는 Li, Na, Mg, Al, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn 및 Mo로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 불순물을 0.1 ppm 내지 15 ppm으로 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 불순물은 0.1 내지 13 ppm, 0.3 내지 12 ppm, 0.5 내지 12 ppm, 0.5 내지 10 ppm, 0.5 내지 8 ppm, 0.8 내지 10 ppm, 1 내지 10 ppm, 1 내지 8 ppm, 1 내지 6 ppm, 0.1 내지 5 ppm, 0.5 ppm 내지 4 ppm, 0.1 ppm 내지 3 ppm, 0.5 ppm 내지 3 ppm, 0.5 ppm 내지 2 ppm일 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 단계 (1)의 폐 SiC가 흑연을 50 중량% 이하로 포함할 수 있다. 예를 들어, 상기 폐 SiC는 흑연을 45 중량% 이하, 40 중량% 이하로 포함할 수 있으며, 구체적으로는 1 중량% 내지 50 중량%, 5 중량% 내지 45 중량%, 5 중량% 내지 40 중량%, 10 중량% 내지 40 중량%, 10 중량% 내지 35 중량%, 10 중량% 내지 30 중량% 또는 10 중량% 내지 20 중량% 포함할 수 있다.

단계 (2)

일 구현예에 따르면, 상기 단계 (2)는 상기 폐 SiC를 절단하는 단계를 수행한다.

일 구현예에 따르면, 상기 단계 (2)가 폐 SiC를 0.1 mm 내지 150 mm로 절단할 수 있다. 예를 들어, 상기 폐 SiC를 0.1 mm 내지 130 mm, 0.1 mm 내지 100 mm, 0.5 mm 내지 80 mm, 1 mm 내지 80 mm, 5 mm 내지 70 mm, 10 mm 내지 70 mm 또는 20 mm 내지 50 mm로 절단할 수 있다.

상기 절단은 바 컷팅(Bar Cutting) 기기를 이용하여 원하는 길이로 절단할 수 있다.

상기 절단된 폐 SiC의 크기가 너무 큰 경우, 후속 공정에서의 흑연 제거가 원활히 이루어지지 않을 수 있으므로, 일정한 크기로 절단하는 것이 후속 공정에서의 효율적인 흑연 제거를 위해 필요하다

단계 (3)

일 구현예에 따르면, 상기 단계 (3)은 상기 절단된 폐 SiC에 흡착된 흑연을 제거하는 단계를 수행한다.

일 구현예에 따르면, 상기 단계 (3)은 쇼트 브라스팅(shot blasting)으로 수행될 수 있다.

상기 단계 (3)에서는 스틸 컷 와이어 쇼트(steel cut wire shot)를 사용할 수 있고, 상기 스틸 컷 와이어 쇼트는 탄소강(carbon steel), 스테인리스 스틸(stainless steel), 알루미늄, 아연, 니켈, 구리, 또는 이들의 합금으로 만들어진 것일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

일 구현예에 따르면, 상기 스틸 컷 와이어 쇼트의 직경은 0.2 mm 내지 0.8 mm 또는 0.4 mm 내지 0.6 mm일 수 있다.

또한, 상기 단계 (3)은 1,000 RPM 내지 5,000 RPM 및 1 KPa 내지 1 MPa의 조건에서 수행될 수 있다.

보다 구체적으로 상기 단계 (3)은 60 Hz의 회전속도(3,600 RPM)로 80분 내지 130분간 수행될 수 있다. 예를 들어, 60 Hz의 회전속도로 90분 내지 120분 또는 100분 내지 110분간 수행될 수 있다. 또한, 필요에 따라 상기 조건에서 쇼트 브라스팅을 2회 내지 4회 수행할 수 있다.

상기 범위를 만족하는 경우, 흑연을 보다 효율적으로 제거할 수 있으며, 최종 제조된 SiC의 순도를 향상시킬 수 있다.

상기 단계 (3)은 쇼트 브라스팅을 수행한 후, LED 램프를 사용하여 흑연이 제거되었는지 확인하는 단계를 더 수행할 수 있다.

또한, 상기 단계 (3)은 쇼트 브라스팅을 수행하기 전에 샌드 브라스팅(sand blasting)을 수행할 수 있다. 샌드 브라스팅을 수행함으로써, 흑연 제거율을 보다 향상시킬 수 있다.

상기 단계 (3)에 의해 흑연이 제거된 폐 SiC는 폐 SiC 총 중량을 기준으로 흑연을 0.1 중량% 이하로 포함할 수 있다. 예를 들어, 0.09 중량% 이하, 0.05중량% 이하로 포함할 수 있으며, 보다 구체적으로 0.001 중량% 내지 0.1 중량%, 0.005 중량% 내지 0.1 중량%, 0.01 중량% 내지 0.1 중량% 또는 0.05 중량% 내지 0.1 중량%로 포함할 수 있다.

단계 (4)

일 구현예에 따르면, 상기 단계 (4)는 상기 흑연이 제거된 폐 SiC를 분쇄하는 단계를 수행한다.

일 구현예에 따르면, 상기 단계 (4)는 제1 분쇄 단계 및 제2 분쇄 단계를 포함할 수 있다.

상기 제1 분쇄 단계는 조크러셔(jaw crusher)를 사용하여 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 페 SiC를 10 ㎛ 내지 100 mm의 크기로 분쇄할 수 있다. 예를 들어, 상기 페 SiC를 10 ㎛ 내지 1,000 ㎛, 100 ㎛ 내지 800 ㎛, 10 ㎛ 내지 5,000 ㎛, 50 ㎛ 내지 100 mm, 100 ㎛ 내지 100 mm, 1,000 ㎛ 내지 100 mm, 0.1 mm 내지 100 mm, 0.1 mm 내지 80 mm, 10 mm 내지 80 mm 또는 30 mm 내지 50 mm로 분쇄할 수 있다. 또한, 상기 조크러셔는 100 RPM 내지 800 RPM, 200 RPM 내지 600 RPM 또는 300 RPM 내지 500 RPM의 회전 속도로 수행될 수 있다.

상기 제2 분쇄 단계는 볼 분쇄기(ball mill)를 사용하여 수행될 수 있다. 구체적으로, 상기 페 SiC를 10 nm 내지 100 mm로 분쇄할 수 있다. 예를 들어, 상기 페 SiC는 100 nm 내지 1,000 nm, 300 nm 내지 1,000 nm, 500 nm 내지 5,000 nm, 0.1 mm 내지 100 mm, 0.1 mm 내지 80 mm, 10 mm 내지 80 mm 또는 30 mm 내지 50 mm로 분쇄할 수 있다.

또한, 상기 제2 분쇄 단계는 스틸(steel) 강구를 사용하여 수행될 수 있다. 구체적으로, 1 mm 내지 40 mm, 1 mm 내지 35 mm, 3 mm 내지 30mm 또는 5 mm 내지 30mm의 강구를 사용하여, 20분 이상, 20분 내지 60분, 20분 내지 50분, 20분 내지 40분 또는 20분 내지 30분 동안 수행될 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 단계 (4)는 폐 SiC를 0.01 mm 내지 5 mm로 분쇄할 수 있다. 예를 들어, 0.05 mm 내지 4 mm, 0.05 mm 내지 3 mm 또는 0.1 mm 내지 3 mm로 분쇄할 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 단계 (4) 이후 단계 (5) 이전에 상기 분쇄된 폐 SiC를 크기에 따라 분류하는 단계(4')를 더 포함할 수 있다.

상기 단계 (4')는 상기 분쇄된 폐 SiC를 목적하는 크기에 따라서 분류할 수 있는데, 예를 들어, 100 ㎛ 미만, 100 ㎛ 이상 150 ㎛ 미만, 150 ㎛ 이상 350 ㎛ 미만, 350 ㎛ 이상 5000 ㎛ 미만의 크기 별로 분류할 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

상기 단계 (4')는 선별기를 이용하여 분쇄된 폐 SiC의 크기 별로 분류할 수 있으며, 구체적으로 진동식 선별장치인 트위스트 스크린(Twist Screen)을 이용하여 분류할 수 있다.

상기 트위스트 스크린은 10 mm 내지 80 mm, 15 mm 내지 70 mm 또는 20 mm 내지 60 mm의 직경을 갖는 실리콘 재질을 탭핑볼을 사용할 수 있으며, 1,000 RPM 내지 3,000 RPM의 조건에서 10분 내지 100분 동안 수행될 수 있다. 또한, 분쇄된 폐 SiC를 상기 트위스트 스크린에 일정한 속도로 투입할 수 있으며, 투입속도는 1 mm/s 내지 1,000 mm/s 일 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

단계 (5)

일 구현예에 따르면, 상기 단계 (5)는 상기 분쇄된 폐 SiC에서 철(Fe) 성분을 제거하는 단계를 수행한다. 구체적으로, 상기 단계 (5)는 상기 분쇄 단계에서 폐 SiC에 흡착될 수 있는 철 성분을 제거하는 단계이며, 보다 구체적으로는 상기 제2 분쇄 단계에서 폐 SiC에 흡착될 수 있는 철 이온을 제거하는 단계이다.

상기 단계 (5)는 회전 금속 검출기(Rotary Metal Detector)를 사용하여 수행될 수 있다. 구체적으로, 자력을 이용하여 투입되는 속도를 조절함으로써, 철 이온을 효과적으로 제거할 수 있다.

상기 단계 (5)에 의해 철 성분이 제거된 폐 SiC는 Fe를 1 ppm 이하, 보다 구체적으로는 0.5 ppm 이하, 0.3 ppm 이하 또는 0.1 ppm 이하로 포함할 수 있다.

단계 (6)

일 구현예에 따르면, 상기 단계 (6)은 상기 철 성분이 제거된 폐 SiC를 세정하는 단계를 수행한다.

일 구현예에 따르면, 상기 단계 (6)이 (a) 1차 세척 단계, (b) 침출 단계, (c) 1차 침적 단계, (d) 2차 세척 단계 및 (e) 2차 침적 단계를 포함할 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 단계 (6)의 세정은 플루오르화수소를 포함하는 세정액을 사용할 수 있다.

상기 단계 (a)는 초순수 또는 순수를 사용하여 1분 내지 300분 동안 수행될 수 있다. 예를 들어, 상기 단계 (a)는 1분 내지 250분, 1분 내지 200분, 3분 내지 150분, 10분 내지 100분, 15분 내지 80분, 20분 내지 60분, 20분 내지 40분 동안 수행될 수 있다.

상기 단계 (b)는 플루오르화수소를 포함하는 세정액을 사용하여 폐 SiC를 침출하는 단계로, 교반법(agitation)을 사용할 수 있다. 예를 들어, 상기 단계 (b)는 1분 내지 300분, 1분 내지 250분, 1분 내지 200분, 3분 내지 150분, 10분 내지 100분, 15분 내지 80분, 20분 내지 60분, 20분 내지 40분 동안 수행될 수 있다.

상기 단계 (c)는 플루오르화수소를 포함하는 세정액을 사용하여 폐 SiC를 침적하는 단계이다. 예를 들어, 상기 단계 (c)는 1분 내지 300분, 1분 내지 250분, 1분 내지 200분, 3분 내지 150분, 10분 내지 100분, 15분 내지 80분, 20분 내지 60분, 20분 내지 40분 동안 수행될 수 있다.

상기 단계 (d)는 증류수를 사용하여 1분 내지 300분, 1분 내지 250분, 1분 내지 200분, 3분 내지 150분, 10분 내지 100분, 15분 내지 80분, 20분 내지 60분, 20분 내지 40분 동안 수행될 수 있다.

상기 단계 (e)는 플루오르화수소를 포함하는 세정액을 폐 SiC를 침적하는 단계이다. 예를 들어, 상기 단계 (e)는 1분 내지 300분, 1분 내지 250분, 1분 내지 200분, 3분 내지 150분, 10분 내지 100분, 15분 내지 80분, 20분 내지 60분, 20분 내지 40분 동안 수행될 수 있다.

상기 단계 (a) 내지 (e)는 2 시간 내지 5 시간 또는 3 시간 동안 수행될 수 있으며, 상기 단계 (6)은 상기 단계 (a) 내지 (e)를 3회 이상 또는 3회 내지 5회 수행할 수 있다.

상기 단계 (6)을 수행함으로써, SiC 분말의 순도를 극대화하는데 유리한 효과가 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 단계 (6) 이후에 폐 SiC에 남아 있는 철 성분의 양을 측정하는 단계를 더 포함할 수 있다.

단계 (7)

일 구현예에 따르면, 상기 단계 (7)은 SiC 분말을 수득하는 단계를 수행한다.

일 구현예에 따르면, 상기 단계 (7)의 SiC 분말의 순도는 95% 내지 99.99999%일 수 있다. 예를 들어, 상기 SiC 분말의 순도는 95% 내지 99.9%, 9% 내지 99.5%, 97% 내지 99.5%, 98% 내지 99.5%, 98% 내지 99%의 순도를 가질 수 있으나, 이에 한정되는 것은 아니다.

일 구현예에 따르면, 상기 단계 (7)의 SiC 분말이 Li, Na, Mg, Al, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn 및 Mo로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 불순물을 1 ppm 이하로 포함할 수 있다. 예를 들어, 0.8 ppm 이하, 0.7 ppm 이하, 0.1 내지 0.7 ppm 또는 0.1 내지 0.6 ppm일 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 단계 (7)의 SiC 분말의 평균 입경은 10 ㎛ 내지 100 mm일 수 있다. 예를 들어, 10 ㎛ 내지 5,000 ㎛, 50 ㎛ 내지 1,000 ㎛, 100 ㎛ 내지 2,000 ㎛ 또는 1,000 ㎛ 내지 10,000 ㎛일 수 있다.

일 구현예에 따르면, 상기 단계 (7)의 SiC 분말의 평균 입경의 표준 편차가 1 ㎛ 내지 30 ㎛ 일 수 있다. 예를 들어, 1 ㎛ 내지 25 ㎛, 3 ㎛ 내지 20 ㎛ 또는 5 ㎛ 내지 20 ㎛ 일 수 있다.

Claims

(1) 폐 SiC를 준비하는 단계;
(2) 상기 폐 SiC를 절단하는 단계;
(3) 상기 절단된 폐 SiC에서 흑연을 제거하는 단계;
(4) 상기 흑연이 제거된 폐 SiC를 분쇄하는 단계;
(5) 상기 분쇄된 폐 SiC에서 철(Fe) 성분을 제거하는 단계; 및
(6) 상기 철(Fe) 성분이 제거된 폐 SiC를 세정하는 단계;를 포함하는, SiC 분말의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 (1)의 폐 SiC가 Li, Na, Mg, Al, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn 및 Mo로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 불순물을 0.1 ppm 내지 15 ppm으로 포함하는, SiC 분말의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 (1)의 폐 SiC가 흑연을 50 중량% 이하로 포함하는, SiC 분말의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 (2)의 절단이 폐 SiC를 0.1 mm 내지 150 mm로 절단하는, SiC 분말의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 (3)의 흑연 제거가 쇼트 브라스팅(shot blasting)으로 수행되는, SiC 분말의 제조 방법.
제5항에 있어서,
상기 쇼트 브라스팅이 0.2 mm 내지 0.8 mm의 직경을 갖는 스틸 컷 와이어 쇼트(steel cut wire shot)를 사용하는, SiC 분말의 제조 방법.
제5항에 있어서,
상기 쇼트 브라스팅이 0.2 mm 내지 0.8 mm의 직경을 갖는 스틸 컷 와이어 쇼트(steel cut wire shot)를 사용하는, SiC 분말의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 (4) 이후 단계 (5) 이전에 상기 폐 SiC를 크기에 따라 분류하는 단계를 더 포함하는, SiC 분말의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 (6)의 세정이 (a) 1차 세척 단계, (b) 침출 단계, (c) 1차 침적 단계, (d) 2차 세척 단계 및 (e) 2차 침적 단계를 포함하는, SiC 분말의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 (6)의 세정이 플루오르화수소를 포함하는 세정액을 사용하여 수행되는, SiC 분말의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 단계 (6) 이후에 폐 SiC에 남아 있는 철(Fe) 성분의 양을 측정하는 단계를 더 포함하는, SiC 분말의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 SiC 분말의 순도가 95% 내지 99.99999%인, SiC 분말의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 SiC 분말이 Li, Na, Mg, Al, K, Ca, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn 및 Mo로 이루어진 군으로부터 선택되는 1종 이상의 불순물을 1 ppm 이하로 포함하는, SiC 분말의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 SiC 분말의 평균 입경이 10 ㎛ 내지 100 mm인, SiC 분말의 제조 방법.
제1항에 있어서,
상기 SiC 분말의 평균 입경의 표준편차가 1 ㎛ 내지 30 ㎛인, SiC 분말의 제조 방법.