JP2009256153A

JP2009256153A - 炭化珪素粉体の製造方法及び製造装置

Info

Publication number: JP2009256153A
Application number: JP2008109846A
Authority: JP
Inventors: Mari Miyano; 真理宮野
Original assignee: Bridgestone Corp
Current assignee: Bridgestone Corp
Priority date: 2008-04-21
Filing date: 2008-04-21
Publication date: 2009-11-05

Abstract

【課題】従来よりもホウ素の含有量が低い炭化珪素粉体を製造することができる炭化珪素粉体の製造方法及び製造装置を提供する。
【解決手段】低ホウ素化坩堝に炭化珪素粉体の原料を収納し、低ホウ素化坩堝を加熱する。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭化珪素粉体の製造方法及び製造装置に関する。

炭化珪素粉体の製造方法が特許文献１に記載されている。特許文献１記載の製造方法は、坩堝（特許文献１には「反応器」と記載される）内に炭化珪素粉体の原料を導入し、坩堝を加熱することで、炭化珪素粉体を製造する。炭化珪素粉体は、炭化珪素単結晶の原料といった様々な用途に使用される。
特開昭５９−２２７７０６号公報

しかし、特許文献１記載の製造方法は、坩堝に低ホウ素化処理がなんらなされていないので、製造された炭化珪素粉体に多量のホウ素が含まれるという問題があった。炭化珪素粉体に多量のホウ素が含まれていると、たとえば、その炭化珪素粉体が炭化珪素単結晶の原料として使用することができないと言った問題が生じる。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、従来よりもホウ素の含有量が低い炭化珪素粉体を製造することができる炭化珪素粉体の製造方法及び製造装置を提供することにある。

本発明に係る炭化珪素粉体の製造方法は、低ホウ素化された低ホウ素化坩堝の内部に、炭化珪素粉体の原料を供給する第１工程と、炭化珪素粉体の原料が供給された低ホウ素化坩堝を加熱することで炭化珪素粉体を製造する第２工程とを含むことを特徴とする。

本発明に係る炭化珪素粉体の製造装置は、低ホウ素化され、炭化珪素粉体の原料を収納可能な低ホウ素化坩堝を備えることを特徴とする。

本発明によれば、低ホウ素化坩堝を用いて炭化珪素粉体を製造するので、坩堝からのホウ素による汚染を低減することができ、従来よりもホウ素の含有量が少ない炭化珪素粉体を製造することができる。

図１は、本発明の実施形態に係る炭化珪素粉体の製造装置１を示す模式図である。以下、製造装置１の構成について説明する。製造装置１は、加熱炉２と、マッフル５と、収納用坩堝９と、低ホウ素化坩堝１３とを備える。

加熱炉２は、加熱室３と、ヒータ４とを備える。加熱室３の外壁３−１は断熱材で構成されており、ヒータ４は、加熱室３の外壁３−１付近に配置され、低ホウ素化坩堝１３を加熱する。

マッフル５は、黒鉛で構成されており、収納用坩堝９を収納するマッフル本体６と、マッフル本体６の開口部を覆うマッフル蓋体７とを備える。マッフル蓋体７には、排気口８が形成されている。これにより、マッフル本体６内部の気体（窒素等）がマッフル５の外部に排気される。

図２は、収納用坩堝９の構成を示す側面図である。収納用坩堝９は、黒鉛で構成されており、複数の円筒部材１０と、複数の仕切り部材１２とを備える。

円筒部材１０は、円筒形の部材であり、側面の上端部に、複数の通気口１１が形成されている。通気口１１は、円筒部材１０の内部と外部とを連通する。これにより、円筒部材１０の内部の気体（窒素等）が円筒部材１０の外部に排気される。

仕切り部材１２は、円筒部材１０の開口面よりもわずかに大きく、円筒部材１０の上下の開口面を塞ぐ。

収納用坩堝９は、複数の円筒部材１０と、複数の仕切り部材１２とにより、以下のように組み立てられる。すなわち、円筒部材１０と仕切り部材１２とを交互に２段重ね、その上に、２つの円筒部材１０を重ねたものを重ねる。そして、その上にさらに仕切り部材１２を重ねることで、収納用坩堝９が組み立てられる。収納用坩堝９は、２つの円筒部材１０を重ねた部分に形成される空間Ｂに、低ホウ素化坩堝１３を収納する。空間Ｂは、２つの円筒部材１０の中空部を連結したものである。

図３は、低ホウ素化坩堝１３の構成を示す断面図である。低ホウ素化坩堝１３は、低ホウ素化処理が施された黒鉛を低ホウ素化坩堝１３の形状に成形するか、低ホウ素化坩堝１３の形状に成形された黒鉛を低ホウ素化処理を行うことで構成される。黒鉛の低ホウ素化処理は、黒鉛を２０００度以上の高温で４０時間以上焼成することで行われる。本実施の形態では、このような低ホウ素化坩堝１３として、ＹＳ−３３０ＨＵＶ（東洋炭素（株）製）を使用する。もちろん、低ホウ素化坩堝はこれに限定されない。

低ホウ素化坩堝１３は、坩堝本体１４と、蓋体１８とを備える。坩堝本体１４は、円筒の一方の開口面が塞がれた形状となっており、収納部１５と、開口部１６と、第１ねじ山１７とを備える。

収納部１５は、炭化珪素粉体の原料、具体的には、原料の炭化物２２を収納する。開口部１６は、収納部１５に連通し、内周面が円筒形となっている。第１ねじ山１７は、開口部１６の内周面に形成されている。

蓋体１８は、蓋本体１９と、凸部２０と、第２ねじ山２１とを備える。蓋本体１９は円盤形状となっており、その径は、坩堝本体１４の開口面の径と同一となっている。凸部２０は、蓋本体１９の裏面に形成される。凸部２０の外周面は、開口部１６の内周面と同じ径の円筒形となっている。第２ねじ山２１は、凸部２０の外周面に形成され、第１ねじ山１７とかみ合う。第２ねじ山２１の高さＢ２は、第１ねじ山１７の高さＢ１に等しい。

したがって、第１ねじ山１７と第２ねじ山２１とをかみ合わせた状態で蓋体１８を回転させると、凸部２０が開口部１６に進入し（すなわち、下方に移動し）、最終的に、蓋本体１９が開口部１６を密封する（覆う）。一方、凸部２０が開口部１６に進入した状態で、蓋本体１８を逆回転させると、凸部２０が開口部１６から離れていき（すなわち、上方に移動し）、最終的に、蓋体１８が坩堝本体１４から外れる。なお、本実施の形態では、凸部２０を開口部１６に進入させ、蓋本体１９と坩堝本体１４との間に隙間Ａが形成されるようにする。隙間Ａの高さは、第１ねじ山１７の高さＢ１の半分程度である（もちろん、これ以外の高さであってもよい）。したがって、本実施の形態では、蓋体１８は、半分だけ閉められる。

次に、炭化珪素粉体の製造方法について、図４に示すフローチャートに沿って説明する。

ステップＳ１において、炭化珪素粉体の原料となるカーボン源（たとえば、フェノール樹脂）及びシリコン源（たとえば、アルコキシシラン）と、触媒（たとえば、マレイン酸水溶液）とを混合し、アルゴンガスでバブリングし、減圧下（たとえば、１０Ｐａ程度）で３時間マイクロウェーブ乾燥を行う。これにより、原料の乾燥物を生成する。

ステップＳ２において、原料の乾燥物を石英製容器に封入し、これを加熱炉（図１の加熱炉２とは異なる。以下、「前処理用加熱炉」とも称する。）に導入する。この石英製容器は、内部と外部とを連通する通気孔が複数形成されている。次いで、前処理用加熱炉内を真空引きし、精製アルゴンで置換し、８００〜１０００度程度に加熱する。この温度を５〜１０時間維持する一方で、前処理用加熱炉内を真空引きし、次いで精製アルゴンで置換する処理を数回（たとえば、３回）繰り返して行う。以下、前処理用加熱炉または加熱炉２内を真空引きし、次いで精製アルゴンで置換する処理を、置換処理とも称する。加熱炉２に対する置換処理は、ステップＳ３にて行われる。精製アルゴンとしては、たとえば、ガスボンベ内のアルゴンガスを希ガス精製装置を通すことにより酸素、窒素、炭化水素等の不純物を１０〜１ｐｐｍ以下に減少させたものを使用することができる。前処理用加熱炉の外壁を構成する断熱材や、石英製容器は、いずれも、高純度品を用いることが望ましい。このような断熱材としては、たとえば、クレハ製、Ｒ５００を使用することができ、石英製容器としては、たとえば、住金セラミックス・アンド・クネツ製、半導体グレードを使用することができる。

ステップＳ３において、図３に示すように、原料の炭化物２２を坩堝本体１４の収納部１５に供給し、蓋体１８を半分だけ閉める。これにより、隙間Ａの他、第１ねじ山１７と第２ねじ山２１との間にも隙間ができる。次いで、収納用坩堝９に低ホウ素化坩堝１３を収納し、収納用坩堝９をマッフル５に収納する。具体的には、加熱室３にマッフル本体６を設置し、マッフル本体６の内部に、円筒部材１０と仕切り部材１２とを交互に２段重ね、その上に、２つの円筒部材１０を重ねたものを重ねる。次いで、空間Ｂに、低ホウ素化坩堝１３を設置し、２つの円筒部材１０を重ねたものの上に、仕切り部材１２を重ねる。その後、マッフル蓋体７により、マッフル本体６の開口面を塞ぐ。これにより、図１に示すように、製造装置１が形成される。

次いで、低ホウ素化坩堝１３の温度を１３００〜１９００度とし、この温度を２〜４時間保持する。これにより、炭化物が一次焼成粉となる（ＳｉＣ化）。さらに、低ホウ素化坩堝１３の内部の圧力は、低ホウ素化坩堝１３の外部の圧力よりも高くなる。

この処理と並行して、置換処理を数回繰り返して行う。低ホウ素化坩堝１３の内部の圧力が、低ホウ素化坩堝１３の外部の圧力よりも高くなっており、かつ、置換処理が繰り返して行われるので、炭化物や一次焼成粉に含まれる不純物（ホウ素や窒素等）が、第１ねじ山１７と第２ねじ山２１との隙間、隙間Ａ、通気口１１、排気口８を通って、加熱室３の外部に排出される。

ステップＳ４において、低ホウ素化坩堝１３の温度を２０００〜２３００度とし、この温度を１〜１０時間保持する。これにより、一次焼成粉が二次焼成粉となる（粒成長及び純化）。二次焼成粉が目的の炭化珪素粉体となる。

なお、ステップＳ２の温度を９００度、ステップＳ２の温度を維持する時間を１０時間、ステップＳ２の置換処理の回数を３回、ステップＳ３の温度を１９００度、ステップＳ３の温度を維持する時間を２時間、ステップＳ３の置換処理の回数を２回、ステップＳ４の温度を２３００度、ステップＳ４の温度を維持する時間を８時間とした場合、二次焼成粉に含まれるホウ素及び窒素は、いずれも０．１ｐｐｍ未満となった。

以上により、本実施の形態に係る製造方法は、低ホウ素化坩堝１３を用いて炭化珪素粉体を製造するので、坩堝からのホウ素による汚染を低減することができ、従来よりもホウ素の含有量が少ない炭化珪素粉体を製造することができる。

さらに、本実施の形態に係る製造方法は、蓋本体１９と坩堝本体１４との間に隙間Ａが形成された状態で、低ホウ素化坩堝１３を加熱するので、炭化物２２等に含まれる不純物が、この隙間Ａや第１ねじ山１７と第２ねじ山２１との隙間から低ホウ素化坩堝１３の外部に排出される。したがって、この点でも、従来よりもホウ素の含有量が少ない炭化珪素粉体を製造することができる。

さらに、本実施の形態に係る製造方法は、低ホウ素化坩堝１３を、収納用坩堝９に収納された状態で加熱されるので、低ホウ素化坩堝１３周辺の温度分布を収納用坩堝９が無い場合よりも均一にすることができる。これにより、炭化物２２等にまんべんなく熱を伝えることができるので、均一な品質の炭化珪素粉体を製造することができる。なお、この効果は、空間Ｂと低ホウ素化坩堝１３との大きさが近いほど大きくなる。したがって、空間Ｂと低ホウ素化坩堝１３とは同じ大きさであることが望ましい。

さらに、本実施の形態に係る製造方法は、収納用坩堝９に通気口１１が形成されているので、低ホウ素化坩堝１３に形成される隙間（上述した隙間Ａ等）から排出された不純物が、この通気口１１を通って、収納用坩堝９の外部に排出される。したがって、いったん低ホウ素化坩堝１３から排出された不純物が、低ホウ素化坩堝１３の内部に戻ることを防止することができるので、この点でも、従来よりもホウ素の含有量が少ない炭化珪素粉体を製造することができる。

さらに、本実施の形態に係る製造方法は、低ホウ素化坩堝１３を加熱する一方で、置換処理を繰り返して行うので、低ホウ素化坩堝１３から排出された不純物を、スムーズに加熱室３の外部に排出することができる。したがって、いったん低ホウ素化坩堝１３から排出された不純物が、低ホウ素化坩堝１３の内部に戻ることを防止することができるので、この点でも、従来よりもホウ素の含有量が少ない炭化珪素粉体を製造することができる。

以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。

本発明の実施形態に係る炭化珪素粉体の製造装置を示す模式図である。本発明の実施形態に係る収納用坩堝を示す側面図である。本発明の実施形態に係る低ホウ素化坩堝を示す断面図である。本発明の実施形態に係る炭化珪素粉体の製造方法を示すフローチャートである。

符号の説明

１：炭化珪素粉体の製造装置
２：加熱炉
３：加熱室
４：ヒータ
５：マッフル
６：マッフル本体
７：マッフル蓋体
８：排気口
９：収納用坩堝
１０：円筒部材
１１：通気口
１２：仕切り部材
１３：低ホウ素化坩堝
１４：坩堝本体
１５：収納部
１６：中空部
１７：第１ねじ山
１８：蓋体
１９：蓋本体
２０：凸部
２１：第２ねじ山
２２：炭化物

Claims

低ホウ素化された低ホウ素化坩堝の内部に、炭化珪素粉体の原料を供給する第１工程と、
前記炭化珪素粉体の原料が供給された低ホウ素化坩堝を加熱することで炭化珪素粉体を製造する第２工程とを含むことを特徴とする炭化珪素粉体の製造方法。
前記低ホウ素化坩堝は、
前記炭化珪素粉体の原料が収納される収納部と、前記収納部に連通し、内周面が円筒形となっている開口部と、前記開口部の内周面に形成される第１ねじ山とを備える坩堝本体と、
前記開口部を覆うことが可能な蓋本体と、前記蓋本体に形成され、前記開口部に挿入され、外周面が前記開口部の内周面と同じ径の円筒形となっている凸部と、前記凸部の外周面に形成され、前記第１ねじ山にかみ合う第２ねじ山とを備える蓋体とを備え、
前記第１工程は、
前記炭化珪素粉体の原料を、前記坩堝本体の開口部を通して、前記坩堝本体の収納部に供給し、次いで、前記第１ねじ山と前記第２ねじ山とをかみ合わせた状態で前記蓋体を回転させることで、前記凸部を前記開口部に進入させ、前記蓋本体と前記坩堝本体との間に隙間が形成された状態とする工程を含むことを特徴とする請求項１記載の炭化珪素粉体の製造方法。
前記炭化珪素粉体の原料が供給された低ホウ素化坩堝は、収納用坩堝に収納された状態で加熱されることを特徴とする請求項１または２記載の炭化珪素粉体の製造方法。
前記収納用坩堝には、その内部と外部とを連通する通気口が形成されていることを特徴とする請求項３記載の炭化珪素粉体の製造方法。
前記第２工程は、前記炭化珪素粉体の原料が供給された低ホウ素化坩堝を加熱する一方で、前記低ホウ素化坩堝周辺の空間を真空引きし、次いで不活性ガスで置換する処理を繰り返して行う工程を含む請求項１〜４のいずれか１項に記載の炭化珪素粉体の製造方法。
低ホウ素化され、炭化珪素粉体の原料を収納可能な低ホウ素化坩堝を備えることを特徴とする炭化珪素粉体の製造装置。
前記低ホウ素化坩堝は、
前記炭化珪素粉体の原料が収納される収納部と、前記収納部に連通し、内周面が円筒形となっている開口部と、前記開口部の内周面に形成される第１ねじ山とを備える坩堝本体と、
前記開口部を覆うことが可能な蓋本体と、前記蓋本体に形成され、前記開口部に挿入され、外周面が前記開口部の内周面と同じ径の円筒形となっている凸部と、前記凸部の外周面に形成され、前記第１ねじ山にかみ合う第２ねじ山とを備える蓋体とを備えることを特徴とする請求項６記載の炭化珪素粉体の製造装置。
前記低ホウ素化坩堝を収納する収納用坩堝を備えることを特徴とする請求項６または７記載の炭化珪素粉体の製造装置。
前記収納用坩堝には、その内部と外部とを連通する通気口が形成されていることを特徴とする請求項８記載の炭化珪素粉体の製造装置。