WO2015099334A1 - 질화규소 분말 제조장치 및 제조방법 - Google Patents

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WO2015099334A1
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silicon nitride
supply
nitride powder
silicon
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정용권
구재홍
김신아
지은옥
한지현
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오씨아이 주식회사
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    • C01B21/06—Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron
    • C01B21/068—Binary compounds of nitrogen with metals, with silicon, or with boron, or with carbon, i.e. nitrides; Compounds of nitrogen with more than one metal, silicon or boron with silicon
    • C01B21/0682—Preparation by direct nitridation of silicon
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C04B35/584—Shaped ceramic products characterised by their composition; Ceramics compositions; Processing powders of inorganic compounds preparatory to the manufacturing of ceramic products based on non-oxide ceramics based on borides, nitrides, i.e. nitrides, oxynitrides, carbonitrides or oxycarbonitrides or silicides based on silicon nitride

Definitions

  • the present invention relates to a silicon nitride powder production apparatus and a manufacturing method, and more particularly, to a silicon nitride powder production apparatus and a method for producing silicon diimide synthesis and decomposition in the same reactor.
  • silicon nitride There are four methods for producing silicon nitride, namely, direct nitriding, reduction nitriding, gas phase reduction, and imide (Si (NH) 2 ) pyrolysis.
  • imide pyrolysis is a method of preparing amorphous silicon nitride through liquid phase reaction between a silane compound and ammonia and pyrolyzing the resulting silicon diimide, followed by crystallization to produce an alpha phase silicon nitride powder.
  • Imide pyrolysis can produce silicon nitride powder with higher purity and higher quality than other methods.
  • the raw material supply nozzle is blocked by ammonium chloride (NH 4 CL) generated during the synthesis of silicon diimide, and a process for separating the formed silicon diimide and ammonium chloride is required. Since the energy consumption is required to be progressed, and the process of removing the solvent used in the reaction is also required, the silicon nitride manufacturing process has a problem of being complicated.
  • NH 4 CL ammonium chloride
  • An object of the present invention is to provide a production apparatus and a method for producing a silicon diimide, which is a product for producing silicon nitride, without using a solvent at room temperature, atmospheric pressure.
  • the present invention is a reactor body for forming a reaction space therein; A source gas supply unit supplying source gas into the reactor so that source gas has a bottom-up flow in the reaction space; By-product collecting unit for collecting the by-product discharged from the reactor body; And a heating means for heating the silicon diimide, which is a product generated in the reactor, to a pyrolysis temperature.
  • the source gas supply unit has a pair of supply nozzles formed through the bottom surface of the reactor, the ammonia supply pipe connected to one of the supply nozzles of the pair of supply nozzles to supply ammonia, and the pair of It is preferable to include a silane chloride supply pipe connected to the other one of the supply nozzles to supply the silane chloride.
  • the bottom surface of the reactor may be formed detachably.
  • the pair of supply nozzles may be formed of a material having heat resistance at a pyrolysis temperature, or may be formed to be capable of lifting and lowering with respect to the bottom surface of the reactor.
  • the pair of supply nozzles is preferably the position where the upper end is 1/4 ⁇ 1/2 of the height of the reactor.
  • the by-product collecting unit is connected to the outlet of the upper portion of the reactor to provide a flow path of the gas discharged from the reactor, a receiver connected to the exhaust pipe and forming a receiving space opened in the lower portion, so as to surround the receiver It is preferable to include a collector formed and having a discharge pipe at the top.
  • the present invention is a silicon diimide synthesis step of injecting a silane chloride gas and ammonia gas in the reactor to have a bottom-up flow, so that the product silicon diimide and by-product ammonium chloride is produced in the reactor; And a pyrolysis step of converting the silicon diimide into silicon nitride and heating the reactor through the silicon diimide synthesis step to pyrolysis temperature, and vaporizing and discharging the ammonium chloride to provide the silicon nitride powder manufacturing apparatus. do.
  • a crystallization step of converting the amorphous silicon nitride produced in the pyrolysis step to a crystallization temperature to convert into alpha-phase silicon nitride may further include,
  • the silicon diimide synthesis step and the pyrolysis step are preferably performed sequentially in the same reactor.
  • the silicon nitride powder manufacturing apparatus and manufacturing method according to the present invention enables the production of silicon diimide without using a solvent at room temperature / atmospheric conditions, thereby bringing the effect of reducing the energy consumed in the production of silicon nitride.
  • the synthesis and pyrolysis process of the silicon diimide in a single reactor can be carried out in a batch, resulting in a simple process and simplified equipment.
  • the pyrolysis process may be performed in the same reactor without exposing the silicon diimide to the outside, thereby bringing the effect of solving the problem that the silicon diimide is deformed due to inflow of oxygen impurities.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a silicon nitride powder manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 is a process flow chart showing a silicon nitride manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • supply nozzle 124 ammonia supply pipe
  • silane chloride supply pipe 130 by-product collection unit
  • collector 140 heating means
  • the present invention relates to a manufacturing apparatus and a manufacturing method for producing silicon nitride by imide decomposition method.
  • Imide pyrolysis method synthesizes silicon diimide by reacting silane chloride (SiCl 4 ) with ammonia (NH 3 ) to produce silicon diimide (Si (NH) 2 ) as a product and ammonium chloride (NH 4 Cl) as a by-product.
  • SiCl 4 silane chloride
  • NH 3 ammonia
  • NH 4 Cl ammonium chloride
  • Process pyrolysis of silicon diimide into amorphous silicon nitride and ammonia by heating the synthesized silicon diimide to the pyrolysis temperature (above 1000 °C), and heat treatment of amorphous silicon nitride produced in the pyrolysis process to 1300 ⁇ 1500 °C And a crystallization process for crystallizing the alpha phase silicon nitride.
  • silicon diimide was prepared by dissolving a liquid reactant in a solvent at a low temperature / normal pressure or a normal temperature / high pressure, and decomposing and crystallizing the silicon nitride to produce silicon nitride.
  • a liquid reactant in a solvent at a low temperature / normal pressure or a normal temperature / high pressure
  • decomposing and crystallizing the silicon nitride to produce silicon nitride.
  • silicon diimide since the process of manufacturing silicon diimide and transferring it to a high temperature container has a disadvantage in that the process is cumbersome. Since the ammonium chloride, a by-product, needs to be washed off with excess liquid ammonia in the high temperature container, ammonia consumption is high, and ammonia liquefaction is performed.
  • the facilities were complicated by the need for additional facilities.
  • the present invention is to provide a silicon nitride production apparatus and a method for producing a silicon diimide without the use of a solvent at room temperature and atmospheric pressure conditions, and then to thermally decompose the resulting silicon diimide in the reactor.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a silicon nitride powder manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • Silicon nitride powder production apparatus is for producing silicon nitride by imide pyrolysis, characterized in that the synthesis process and pyrolysis process can be performed in a single reactor.
  • the silicon nitride powder manufacturing apparatus includes a reactor 110 for forming a reaction space therein, a source gas supply unit 120 for supplying a source gas into the reactor 110, It includes a by-product collecting unit 130 for collecting the by-product discharged from the reactor 110, and a heating means 140 for heating the reactor 110 to the pyrolysis temperature.
  • the reactor 110 is to provide a reaction space for reacting the silane chloride gas and the ammonia gas, and the source gas is formed to have a bottom-up flow.
  • An outlet 112 through which the by-products vaporized in the pyrolysis process may be discharged may be formed in the upper portion of the reactor 110, and the nozzle of the source gas supply unit 120 may enter through the bottom surface 114.
  • the reactor 110 is a batch type, and when the synthesis process is performed, silicon diimide as a product and ammonium chloride as a by-product are generated in the reactor.
  • ammonium chloride is vaporized and exited to the outlet 112.
  • the pyrolysis process results in pyrolysis of the silicon diimide, producing amorphous silicon nitride and ammonia gas.
  • the ammonium chloride mixed with the silicon diimide is also vaporized and discharged in the reactor 110, so that only amorphous silicon nitride powder remains in the reactor 110.
  • the reactor 110 may be formed to be openable and closeable.
  • the bottom surface may be detachably formed, or may be formed to be divided into upper and lower portions. This is to facilitate the extraction of the silicon nitride powder inside to the outside after the synthesis process and pyrolysis process.
  • the source gas supply unit 120 is configured to supply silane chloride and ammonia, which are reaction materials, into the reactor.
  • the source gas supply unit 120 is connected to a pair of supply nozzles 122 formed through the bottom surface of the reactor 110 and one supply nozzle of the pair of supply nozzles to supply ammonia ( 124 and a silane chloride supply pipe 126 connected to the other feed nozzle to supply chlorine chloride.
  • the chlorine chloride supply pipe 126 may be provided with a vaporizer (not shown) for vaporizing the silane chloride.
  • the pair of supply nozzles 122 are preferably spaced apart from each other. Silane chloride and ammonia supplied through the supply nozzle 122 react to produce silicon diimide and ammonium chloride. When the pair of supply nozzles 122 are arranged in close proximity to each other, the product adheres to the nozzle and grows. As a result, nozzle clogging problems may occur.
  • the supply nozzle 122 is preferably formed to have a bottom-up flow of the raw material gas from the bottom to the top.
  • the supply nozzle 122 is formed so that the reaction gas is introduced from the lower part to the upper part, even if natural convection is generated by the reaction heat generated during the reaction, the product is not affected. There is no problem of growing attached.
  • the height h of the supply nozzle 122 protruding from the bottom surface is preferably 1/4 to 1/2 of the height of the reactor. This is to allow the reaction space to be formed in the center of the reactor and to reduce the effect of product and byproduct deposition on the reaction space.
  • the by-product collecting unit 130 is a configuration for collecting the by-product discharged through the reactor in the pyrolysis process.
  • the by-product collection unit 130 is connected to the outlet 112 of the reactor 110, the gas discharged from the reactor (ammonia gas generated by the decomposition of ammonium chloride, hydrogen chloride gas, ammonia generated by the silicon diimide decomposition)
  • An exhaust pipe 132 for providing a flow path of a gas, a carrier gas, and the like, a receiver 134 connected to the exhaust pipe 132 and forming a receiving space having an open lower portion, and formed to surround the receiver 134.
  • a collector 136 for collecting the solidified by-products.
  • the collector 136 is provided with a discharge pipe (136a) for discharging the exhaust gas on the top.
  • the gas generated during the pyrolysis process becomes a high temperature state, and the gas in the high temperature state moves along the exhaust pipe and then collects in the receiver 134.
  • the ammonia gas and the hydrogen chloride gas are solidified with ammonium chloride and collected by the collector 136 by cooling.
  • the cooling may be natural cooling or may be forced cooling with a separate cooling means.
  • Heating means 140 is a configuration for heating the reactor 110 to the pyrolysis temperature.
  • the heating means 140 does not operate in the synthesis process, but operates to heat the reactor and its internal materials to the pyrolysis temperature in the pyrolysis process.
  • the heating means 140 may be formed to surround the reactor 110 and may use an electric furnace.
  • the pyrolysis temperature heated by the heating means 140 is a high temperature of about 1000 °C.
  • the supply nozzle 122 protrudes into the reactor 110 and is heated together during the pyrolysis process, the supply nozzle 122 is preferably formed of a material having heat resistance that is not damaged at the pyrolysis temperature.
  • Materials having heat resistance at the pyrolysis temperature include inconel, quartz, alumina and zirconia.
  • Another form for preventing damage to the supply nozzle 122 is to have a structure in which the supply nozzle 122 is capable of lifting and lowering with respect to the bottom surface of the reactor 110.
  • the supply nozzle 122 is formed to be capable of raising and lowering with respect to the bottom of the reactor 110, so that when the synthesis process is performed, the supply nozzle maintains the state protruding from the bottom of the reactor 110, and then the synthesis process ends.
  • the supply nozzle 122 is lowered to be buried in the bottom surface 114 of the reactor 110, the pyrolysis process may be performed to prevent the supply nozzle 122 from being damaged in the pyrolysis process.
  • FIG. 2 is a process flowchart showing a silicon nitride manufacturing method according to an embodiment of the present invention.
  • the silicon nitride production method according to the present invention is injected into the reactor so that the silane chloride gas and ammonia gas to have a bottom-up flow, so that the silicon diimide as a product and the ammonium chloride as a by-product is generated inside the reactor.
  • Diimide synthesis step (S100) is injected into the reactor so that the silane chloride gas and ammonia gas to have a bottom-up flow, so that the silicon diimide as a product and the ammonium chloride as a by-product is generated inside the reactor.
  • the silicon diimide synthesis step (S100) and the pyrolysis step (S200) may use the above-described manufacturing apparatus, in which case silicon diimide synthesis and pyrolysis are performed sequentially in the same reactor.
  • the silicon nitride produced in the pyrolysis step (S200) is amorphous silicon nitride, and the crystallization step (S300) may be further performed to convert the silicon nitride into alpha-phase silicon nitride.
  • the crystallization step (S300) is a process of crystallizing amorphous silicon nitride with alpha phase silicon nitride by heating the amorphous silicon nitride produced in the pyrolysis step to a crystallization temperature of 1200 ⁇ 1700 °C.

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Abstract

질화규소 분말 제조장치 및 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리콘 디이미드 합성과 분해가 동일 반응기 내에서 이루어질 수 있도록 하는 질화규소 분말 제조장치 및 제조방법에 관하여 개시한다. 본 발명은 내부에 반응 공간을 형성하는 반응기 몸체; 원료가스가 상기 반응 공간에서 상향식 흐름을 가지도록 원료가스를 반응기 내부에 각각 공급하는 원료가스 공급부; 상기 반응기 몸체에서 배출되는 부산물을 포집하기 위한 부산물 포집부; 및 상기 반응기 내부에 생성된 생성물인 실리콘 디이미드를 열분해 온도까지 가열하기 위한 가열수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화규소 분말 제조장치를 제공한다.

Description

질화규소 분말 제조장치 및 제조방법
본 발명의 질화규소 분말 제조장치 및 제조방법에 관한 것으로, 보다 상세하게는 실리콘 디이미드 합성과 분해가 동일 반응기 내에서 이루어질 수 있도록 하는 질화규소 분말 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.
질화규소를 제조하는 방법에는 크게 직접질화법, 환원질화법, 기상환원법, 이미드(Si(NH)2)열분해법 의 4가지 방법이 있다.
이러한 방법들 중 이미드 열분해법은 실란계 화합물과 암모니아를 액상 반응 시키고 생성된 실리콘 디이미드를 열분해하는 과정을 거쳐 비정질 질화규소를 제조 한 후 결정화 반응을 거쳐 알파상 질화규소 분말을 제조하는 방법이다.
이미드 열분해법은 다른 방법들에 비하여 순도가 높고 품질이 우수한 질화규소 분말을 제조할 수 있으나,
합성, 열분해, 결정화의 3단계의 공정으로 이루어져 제조 비용이 높은 문제점을 가지고 있다. 또한 실리콘 디이미드 합성시 생성되는 염화암모늄(NH4CL) 에 의해 원료 공급노즐이 막히고, 생성된 실리콘 디이미드와 염화암모늄을 분리하는 공정이 필요하게 되며, 원료의 액화를 위해 저온 또는 고압에서 반응이 진행되어야 하므로 에너지 소모량이 많고, 반응에 사용된 용매를 제거하는 공정도 필요하게 되므로 질화규소 제조 공정이 복잡해지는 문제점을 가지고 있었다.
관련선행기술로는 일본공개특허 2010-235339호 (공개일자 2010년 10월 21일) '함질소 실란 화합물 분말 및 그 제조방법'이 있다.
본 발명의 목적은 질화규소를 제조하기 위한 생성물인 실리콘 디이미드를 상온, 상압에서 용매를 사용하지 않고 제조할 수 있도록 하는 제조장치 및 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명의 다른 목적은 생성된 실리콘 디이미드를 외부에 노출시키지 않고 열분해 공정을 수행할 수 있는 제조장치 및 제조방법을 제공함에 있다.
본 발명은 내부에 반응 공간을 형성하는 반응기 몸체; 원료가스가 상기 반응 공간에서 상향식 흐름을 가지도록 원료가스를 반응기 내부에 각각 공급하는 원료가스 공급부; 상기 반응기 몸체에서 배출되는 부산물을 포집하기 위한 부산물 포집부; 및 상기 반응기 내부에 생성된 생성물인 실리콘 디이미드를 열분해 온도까지 가열하기 위한 가열수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화규소 분말 제조장치를 제공한다.
상기 원료가스 공급부는 상기 반응기의 바닥면을 관통하여 형성되는 한 쌍의 공급노즐이 존재하며, 상기 한 쌍의 공급노즐 중 하나의 공급노즐에 연결되어 암모니아를 공급하는 암모니아공급관과, 상기 한 쌍의 공급노즐 중 나머지 하나의 공급노즐에 연결되어 염화실란을 공급하는 염화실란 공급관을 포함하는 것이 바람직하다.
상기 반응기의 바닥면은 탈부착 가능하게 형성될 수 있다.
상기 한 쌍의 공급노즐은 열분해 온도에서 내열성을 가지는 재질로 형성되거나, 상기 반응기의 바닥면에 대하여 승하강 가능하게 형성되는 것이 바람직하다.
이 때, 상기 한 쌍의 공급노즐은 상단이 반응기 높이의 1/4~1/2 높이가 되는 위치인 것이 바람직하다.
그리고, 상기 부산물 포집부는 상기 반응기의 상부의 배출구에 연결되어 상기 반응기에서 배출되는 기체의 유로를 제공하는 배기관과, 상기 배기관에 연결되며 하부가 개구된 수용공간 형성하는 수용기와, 상기 수용기를 감싸도록 형성되며 상부에 배출관을 구비하는 포집기를 포함하는 것이 바람직하다.
그리고 본 발명은 반응기 내부에 염화실란 가스와 암모니아 가스가 상향식 흐름을 가지도록 주입하여, 상기 반응기 내부에 생성물인 실리콘 디이미드와 부산물인 염화암모늄이 생성되도록 하는 실리콘 디이미드 합성 단계; 및 상기 실리콘 디이미드 합성 단계를 거친 반응기를 열분해 온도로 가열하여 상기 실리콘 디이미드를 질화규소로 변환하고, 상기 염화암모늄을 기화하여 배출하는 열분해 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화규소 분말 제조장치를 제공한다.
상기 열분해 단계 이후에, 상기 열분해 단계에서 생성된 비정질 질화규소를 결정화 온도로 가열하여 알파상 질화규소로 변환하는 결정화 단계;를 더 포함할 수 있으며,
상기 실리콘 디이미드 합성 단계는 및 상기 열분해 단계는 동일 반응기 내부에서 순차적으로 수행되는 것이 바람직하다.
본 발명에 따른 질화규소 분말 제조장치 및 제조방법은 상온/상압 조건에서 용매를 사용하지 않고 실리콘 디이미드를 제조할 수 있도록 함으로써, 질화규소 제조에 소비되는 에너지를 절감할 수 있는 효과를 가져온다.
또한, 단일 반응기에서 실리콘 디이미드의 합성과 열분해 공정이 일괄적으로 수행될 수 있도록 함으로써 공정이 간편하고 설비가 간소해지는 효과를 가져온다.
아울러, 실리콘 디이미드를 제조한 후 실리콘 디이미드를 외부로 노출하지 않고, 동일 반응기에서 열분해 공정을 수행할 수 있어서, 실리콘 디이미드가 산소 불순물 유입 등에 의해 변형되는 문제점을 해결할 수 있는 효과를 가져온다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질화규소 분말 제조장치를 나타낸 구성도,
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질화규소 제조방법을 나타낸 공정순서도임.
* 도면의 주요 부분에 관한 부호의 설명 *
110 : 반응기 112 : 배출구
114 : 바닥면 120 : 반응가스 공급부
122 : 공급노즐 124 : 암모니아공급관
126 : 염화실란 공급관 130 : 부산물 포집부
132 : 배기관 134 : 수용기
136 : 포집기 140 : 가열수단
본 명세서 및 특허청구범위에 사용된 용어나 단어는 통상적이거나 사전적인 의미로 한정해서 해석되어서는 아니 되며, 발명자는 그 자신의 발명을 가장 최선의 방법으로 설명하기 위해 용어의 개념을 적절하게 정의할 수 있다는 원칙에 입각하여, 본 발명의 기술적 사상에 부합되는 의미와 개념으로 해석되어야만 한다. 또한, 본 명세서에 기재된 실시예와 도면에 도시된 구성은 본 발명의 가장 바람직한 하나의 실시예에 불과할 뿐이고, 본 발명의 기술적 사상을 모두 대변하는 것은 아니므로, 본 출원시점에 있어서 이들을 대체할 수 있는 다양한 균등물과 변형예들이 있을 수 있음을 이해하여야 한다.
본 발명은 이미드 분해법으로 질화규소를 제조하기 위한 제조장치 및 제조방법에 관한 것이다.
이미드열분해법은 염화실란(SiCl4)과 암모니아(NH3)를 반응시켜, 생성물인 실리콘 디이미드(Si(NH)2)와 부산물인 염화암모늄(NH4Cl)을 생성하는 실리콘 디이미드 합성 공정, 합성된 실리콘 디이미드를 열분해 온도(1000℃이상)로 가열하여 실리콘 디이미드를 비정질 질화규소와 암모니아로 열분해하는 열분해 공정, 열분해 공정에서 생성된 비정질 질화규소를 1300~1500℃로 열처리하여 비정질 질화규소를 알파상 질화규소를 결정화하는 결정화 공정을 포함한다.
종래에는 저온/상압 또는 상온/고압 조건에서 액상 반응물을 용매에 녹여 실리콘 디이미드를 제조하고, 이를 분해, 결정화하여 질화규소를 제조하였는데, 이러한 방법은 고온이나 고압 조건에서 반응하므로 에너지 소비량이 많고, 용매를 제거해야 하는 문제점이 있었다. 또한, 실리콘 디이미드를 제조하고 이를 고온용기에 옮겨 담아야 하므로 공정이 번거로운 단점이 있었으며, 고온용기에서 부산물인 염화암모늄을 과량의 액체 암모니아로 세척하여 분리해야 하므로 암모니아의 소비량이 많고, 암모니아 액화를 위한 부대시설들이 필요하여 설비가 복잡해지는 단점이 있었다.
본 발명은 상온.상압 조건에서 용매를 사용하지 않고 실리콘 디이미드를 생성한 후, 생성된 실리콘 디이미드를 반응기 내부에서 열분해 할 수 있도록 하는 질화규소 제조장치 및 제조방법을 제공하기 위한 것이다.
먼저 본 발명에 따른 질화규소 분말 제조장치에 관하여 살펴본다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 질화규소 분말 제조장치를 나타낸 구성도이다.
본 발명에 따른 질화규소 분말 제조장치는 이미드 열분해법으로 질화규소를 제조하기 위한 것으로, 합성 공정과 열분해 공정이 단일 반응기 내부에서 수행될 수 있도록 하는 것을 특징으로 한다.
도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에 따른 질화규소 분말 제조장치는 내부에 반응 공간을 형성하는 반응기(110)와, 상기 반응기(110) 내부로 원료가스를 공급하는 원료가스 공급부(120)와, 상기 반응기(110)에서 배출되는 부산물을 포집하기 위한 부산물 포집부(130)와, 상기 반응기(110)를 열분해 온도까지 가열하기 위한 가열수단(140)을 포함한다.
반응기(110)는 염화실란 가스와 암모니아 가스가 반응하기 위한 반응공간을 제공하기 위한 것으로, 원료가스가 상향식 흐름을 가지도록 형성된다.
반응기(110)의 상부에는 열분해 공정에서 기화된 부산물이 배출될 수 있는 배출구(112)가 형성되어 있으며, 바닥면(114)을 통해 원료가스 공급부(120)의 노즐이 진입되도록 형성되어 있다.
상기 반응기(110)는 배치 타입으로, 합성 공정을 수행하면 반응기 내부에 생성물인 실리콘 디이미드와 부산물인 염화암모늄이 생성되는데, 열분해 공정에서 염화암모늄이 기화되어 상기 배출구(112)로 빠져나가게 된다. 열분해 공정을 거치면 실리콘 디이미드가 열분해되며, 비정질 질화규소와 암모니아 가스가 생성된다. 이 때, 반응기(110) 내부에 실리콘 디이미드와 혼합되어 있는 염화암모늄도 기화되며 배출되므로 결과적으로 반응기(110) 내부에는 비정질 질화규소 분말만 남게 된다.
반응기(110)는 개폐 가능하게 형성될 수 있다. 예를 들면 바닥면이 탈부착 가능하게 형성되거나, 상부와 하부로 분할 가능하게 형성될 수 있다. 이는 합성 공정과 열분해 공정 수행후 내부의 질화규소 분말을 외부로 용이하게 인출할 수 있도록 하기 위한 것이다.
원료가스 공급부(120)는 반응원료인 염화실란과 암모니아를 반응기 내부로 공급하기 위한 구성이다.
원료가스 공급부(120)는 상기 반응기(110)의 바닥면을 관통하여 형성되는 한 쌍의 공급노즐(122)과, 한 쌍의 공급노즐 중 하나의 공급노즐에 연결되어 암모니아를 공급하는 암모니아공급관(124)과, 나머지 하나의 공급노즐에 연결되어 염화실란을 공급하는 염화실란 공급관(126)을 포함한다.
염화실란 공급관(126)에는 염화실란을 기화하기 위한 기화기(미도시)를 구비할 수 있다.
한 쌍의 공급노즐(122)은 서로 이격되게 배치되는 것이 바람직하다. 공급노즐(122)을 통해서 공급되는 염화실란과 암모니아가 반응하여 실리콘 디이미드와 염화암모늄을 생성하게 되는데, 한쌍의 공급노즐(122)이 서로 근접하게 배치되어 있으면 생성물이 노즐 주위에 부착되어 성장하게 되므로, 노즐 막힘 문제가 발생할 수 있다.
또한, 공급노즐(122)은 원료가스가 하부에서 상부로 투입되는 상향식 흐름을 가지도록 형성되는 것이 바람직하다.
원료가스가 상부에서 하부로 투입되는 하향식 흐름을 가지도록 하게 되면, 염화실란과 암모니아가 반응할 때 발생하는 반응열에 의해 반응기(110) 내부에 자연대류가 발생하게되어 반응영역이 반응기 상부에 형성되고, 이로 인해 생성물이 반응기 천정에 부착되어 성장하게 되므로 미분말을 얻을 수 없는 문제가 발생한다.
이에 반해, 본 발명의 경우 반응가스가 하부에서 상부로 투입되도록 공급노즐(122)이 형성되어 있으므로, 반응시 발생한 반응열에 의하여 자연대류가 발생한다고 하여도 그 영향을 받지 않게 되어, 생성물이 천정에 부착되어 성장되는 문제점이 발생하지 않게 된다.
바닥면으로부터 돌출된 공급노즐(122)의 높이(h)는 상기 반응기 높이의 1/4~1/2 인 것이 바람직하다. 이는 반응기의 중심부에 반응 공간이 형성되도록 하기 위함과, 생성물과 부산물 퇴적이 반응 공간에 미치는 영향을 감소시키기 위한 것이다.
합성 공정이 진행됨에 따라 반응기(110) 내부에는 생성물과 부산물이 퇴적되는데, 공급노즐의 높이(h)가 상기 높이 범위보다 낮은 높이에 형성되면 생성물과 부산물이 주입구 높이 보다 높게 퇴적되어 공정 진행에 따라 반응 공간이 좁아지는 문제가 발생하게 되고, 반대로 공급노즐의 높이(h)가 상기 높이 범위보다 높은 높이에 형성되는 경우에도 반응공간이 좁아지는 문제점이 있다.
부산물 포집부(130)는 열분해 공정에서 상기 반응기를 통해 배출되는 부산물을 포집하기 위한 구성이다.
이러한 부산물 포집부(130)는 반응기(110)의 배출구(112)에 연결되어 상기 반응기에서 배출되는 기체(염화암모늄이 분해되어 발생하는 암모니아 가스와, 염화수소 가스, 실리콘 디이미드가 분해되어 발생하는 암모니아 가스, 캐리어 가스 등)의 유로를 제공하는 배기관(132)과, 상기 배기관(132)에 연결되며 하부가 개구된 수용공간을 형성하는 수용기(134)와, 상기 수용기(134)를 감싸도록 형성되어 고화된 부산물을 포집하는 포집기(136)를 포함한다.
상기 포집기(136)는 상부에 배기 가스를 배출하기 위한 배출관(136a)을 구비한다.
열분해 공정시에 발생하는 기체는 고온 상태가 되는데, 고온 상태의 기체가 상기 배기관을 따라 이동한 후, 상기 수용기(134)에 모여지게 된다. 이 과정에서 냉각되므로 냉각에 의하여 암모니아 가스와 염화수소 가스가 염화암모늄으로 고화되어 포집기(136)로 모여지게 된다.
상기 냉각은 자연 냉각일 수 있으며, 별도의 냉각수단을 구비하여 강제냉각일 수도 있다.
가열수단(140)은 반응기(110)를 열분해 온도로 가열하기 위한 구성이다.
가열수단(140)은 합성 공정에서는 동작하지 않고, 열분해 공정에서 반응기와 그 내부 물질을 열분해 온도까지 가열되도록 동작한다.
가열수단(140)은 도시한 바와 같이, 반응기(110)를 감싸는 형태로 형성될 수 있으며, 전기로를 이용할 수 있다.
한편, 상기 가열수단(140)에 의하여 가열되는 열분해 온도는 1000℃ 정도의 고온이다. 그런데 공급노즐(122)은 반응기(110) 내부로 돌출 형성되어 있어서 열분해 공정시 함께 가열되게 되므로, 공급노즐(122)은 열분해 온도에서 손상되지 않는 내열성을 가지는 재질로 형성되는 것이 바람직하다.
열분해 온도에서 내열성을 가지는 재질로는 인코넬(inconel), 쿼츠(quarts), 알루미나 및 지르코니아 등이 있다.
공급노즐(122)의 손상을 방지하기 위한 다른 형태로는 상기 공급노즐(122)이 반응기(110)의 바닥면에 대하여 승하강 가능한 구조를 가지도록 하는 것이다. 공급노즐(122)이 반응기(110) 바닥면에 대하여 승하강이 가능하도록 형성하여, 합성 공정 수행시에는 공급노즐이 반응기(110) 바닥면에서 돌출된 상태를 유지하고 있다가, 합성 공정이 종료되면 공급노즐(122)을 반응기(110) 바닥면(114)으로 매립된 상태가 되도록 하강한 후 열분해 공정을 수행하도록 함으로써, 공급노즐(122)이 열분해 공정에서 손상되는 것을 방지할 수 있다.
다음으로 본 발명의 실시예에 따른 질화규소 제조방법에 관하여 살펴본다.
도 2는 본 발명의 실시예에 따른 질화규소 제조방법을 나타낸 공정순서도이다.
도시된 바와 같이, 본 발명에 따른 질화규소 제조방법은 반응기 내부에 염화실란 가스와 암모니아 가스가 상향식 흐름을 가지도록 주입하여, 상기 반응기 내부에 생성물인 실리콘 디이미드와 부산물인 염화암모늄이 생성되도록 하는 실리콘 디이미드 합성 단계(S100)와,
상기 실리콘 디이미드 합성 단계를 거친 반응기를 열분해 온도로 가열하여 상기 실리콘 디이미드를 질화규소와 암모니아로 열분해하고, 상기 실리콘 디이미드와 혼합되어 있는 부산물인 염화암묘늄을 기화하여 상기 반응기 외부로 배출하는 열분해 단계(S200)를 포함한다.
이 때, 상기 실리콘 디이미드 합성 단계(S100)와, 상기 열분해 단계(S200)는 상술한 제조장치를 사용할 수 있으며, 이 경우 실리콘 디이미드 합성과 열분해는 동일 반응기 내부에서 순차적으로 수행되게 된다.
상기 열분해 단계(S200)에서 생성되는 질화규소는 비정질 질화규소인데, 이를 알파상 질화규소로 변환하기 위해서는 결정화 단계(S300)를 추가로 수행할 수 있다.
결정화 단계(S300)는 열분해 단계에서 생성된 비정질 질화규소를 1200~1700℃ 의 결정화 온도로 가열하여 비정질 질화규소를 알파상 질화규소로 결정화하는 공정이다.
전술된 실시예는 모든 면에서 예시적인 것이며 한정적인 것이 아닌 것으로 이해되어야 하며, 본 발명의 범위는 전술된 상세한 설명보다는 후술될 특허청구범위에 의해 나타내어질 것이다. 그리고 후술될 특허청구범위의 의미 및 범위는 물론, 그 등가개념으로부터 도출되는 모든 변경 및 변형 가능한 형태가 본 발명의 범위에 포함되는 것으로 해석되어야 한다.

Claims (10)

  1. 내부에 반응 공간을 형성하는 반응기 몸체;
    원료가스가 상기 반응 공간에서 상향식 흐름을 가지도록 원료가스를 반응기 내부에 각각 공급하는 원료가스 공급부;
    상기 반응기 몸체서 배출되는 부산물을 포집하기 위한 부산물 포집부; 및
    상기 반응기 내부에 생성된 생성물인 실리콘 디이미드를 열분해 온도까지 가열하기 위한 가열수단;을 포함하는 것을 특징으로 하는 질화규소 분말 제조장치.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 원료가스 공급부는
    상기 반응기의 바닥면을 관통하여 형성되는 한 쌍의 공급노즐과,
    상기 한 쌍의 공급노즐 중 하나의 공급노즐에 연결되어 암모니아를 공급하는 암모니아공급관과,
    상기 한 쌍의 공급노즐 중 나머지 하나의 공급노즐에 연결되어 염화실란을 공급하는 염화실란 공급관을 포함하는 것을 특징으로 질화규소 분말 제조장치.
  3. 제 2 항에 있어서,
    상기 반응기의 바닥면은 탈부착 가능하게 형성되는 것을 특징으로 하는 질화규소 분말 제조장치.
  4. 제 2 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 공급노즐은 실리콘 디이미드의 열분해 온도에서 내열성을 가지는 재질로 형성되는 것을 특징으로 하는 질화규소 분말 제조장치.
  5. 제 2 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 공급노즐은
    상기 반응기의 바닥면에 대하여 승하강 가능하게 형성되는 것을 특징으로 하는 질화규소 분말 제조장치.
  6. 제 2 항에 있어서,
    상기 한 쌍의 공급노즐은
    상단이 상기 반응기 높이의 1/4~1/2 높이인 것을 특징으로 하는 질화규소 분말 제조장치.
  7. 제 1 항에 있어서,
    상기 부산물 포집부는
    상기 반응기의 상부의 배출구에 연결되어 상기 반응기에서 배출되는 기체의 유로를 제공하는 배기관과,
    상기 배기관에 연결되며 하부가 개구된 수용공간 형성하는 수용기와,
    상기 수용기를 감싸도록 형성되며 상부에 배출관을 구비하는 포집기를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화규소 분말 제조장치.
  8. 반응기 내부에 염화실란 가스와 암모니아 가스가 상향식 흐름을 가지도록 주입하여, 상기 반응기 내부에 생성물인 실리콘 디이미드와 부산물인 염화암모늄이 생성되도록 하는 실리콘 디이미드 합성 단계; 및
    상기 실리콘 디이미드 합성 단계를 거친 반응기를 열분해 온도로 가열하여 상기 실리콘 디이미드를 질화규소로 변환하고, 상기 염화암모늄을 기화하여 배출하는 열분해 단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 질화규소 분말 제조방법.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 열분해 단계 이후에,
    상기 열분해 단계에서 생성된 비정질 질화규소를 결정화 온도로 가열하여 알파상 질화규소로 변환하는 결정화 단계;를 더 포함하는 것을 특징으로 하는 질화규소 분말 제조방법.
  10. 제 8 항에 있어서,
    상기 실리콘 디이미드 합성 단계는 및 상기 열분해 단계는 동일 반응기 내부에서 순차적으로 수행되는 것을 특징으로 하는 질화규소 분말 제조방법.
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