JP2540132B2 - 立方晶SiCの製造方法 - Google Patents

立方晶SiCの製造方法

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【発明の詳細な説明】 (産業上の利用分野) 本発明は、立方晶SiCの製造方法に関するものであ
る。
(従来の技術) SiCの工業的製造方法は1891年にアチソンによって発
明された。SiCの結晶構造は立方晶と六方晶の2つある
ことが知られ、立方晶(β−SiC)は低温安定型で、加
熱により高温安定型の六方晶(α−SiC)に転移するこ
とが知られている。現在SiCは炭素とSiあるいはSiO2
を1600℃以上の温度で反応させて製造されている。六方
晶SiCはアチソンの前記方法により、SiO2と炭素の混合
粉体を電気炉に装入し、中心に装入された黒鉛棒に電気
を流して発熱させると、発熱体の周囲は2500℃に達す
る。六方晶SiCは発熱体に近い高温領域に生成し、それ
より温度の低い周辺領域にわずかの量の立方晶SiCが生
成することが知られている。立方晶のみからなるSiCは
例えば特公昭60-24048号記載の竪型炉を用いて1600℃近
傍の温度に加熱し、炭素とSiまたSiO2とを混合した原料
を上部より連続的に投入する方法により工業的に製造さ
れ、β−SiCとして市販されている。
ところで、六方晶SiCには種々の多形が存在すること
が知られている。多形のそれぞれの六方晶SiCは熱的安
定性が異なっており、例えば2H-SiCは1400〜1600℃,4H-
SiCは1800〜2400℃,6H-SiCは2200〜2600℃,8H-SiCは240
0℃以上の温度領域で安定である。そのためアチソン法
により製造されるSiCは6H-SiCを主とし、他の六方晶の
多形を含む混合物である。
(発明が解決しようとする問題点) 上記混合物を原料にしてSiC焼結成形体を製造する
と、6H-SiCのみでなく、他の低温安定型の例えば4H-SiC
が生成するため、SiC粒に多くの面欠陥を含む焼結成形
体が製造される。
ところで、SiCは共有結合からなる化合物であるた
め、面欠陥の多いSiC粒よりなる従来の焼結成形体の強
度ならびに靱性は十分でないという問題点があった。さ
らにまた電子材料用単結晶を製造する際に、従来の六方
晶SiCを原料とするとその中に熱安定性の異なる多くの
多形が存在するとその中に熱安定性の異なる多くの多形
が存在するため、面欠陥のない大きい単結晶を製作する
ことは極めて困難であった。
(問題点を解決するための手段) 本発明は、従来の六方晶SiCの有する前記問題点を除
去,改善した面欠陥のない立方晶SiCの製造方法を提供
することを目的とするものであり、特許請求の範囲記載
の方法を提供することによって、前記目的を達成するこ
とができる。すなわち、本発明は、シリコンオキシカー
バイドを2200〜2600℃に加熱・脱酸することを特徴とす
る立方晶SiCの製造方法を特定発明とするものである。
次に本発明を詳細に説明する。
現在市販されているβ−SiCは1600℃近傍の温度で製
造あるいは合成されている。これを原料にしてSiC焼結
成形体を製造すると、SiC粒は六方晶に変わり、多くの
面欠陥を含むようになる。
本発明者らは、前記従来のSiCの製造方法と、SiCの結
晶について詳細に検討した上で研究した結果本発明に想
到した。すなわちアチソン法で製造されたSiC結晶であ
って、立方晶SiCが生成する温度領域で生成されたSiCに
は、結晶形は立方晶であるが、第1図に示すように赤外
吸収スペクトルの異なる(1),(2)の曲線で示され
る2種類のものが存在していることがわかった。上記2
種類のもののうち、曲線(2)で示される黄色の立方晶
SiCは酸素をわずかに含む化合物であり、曲線(1)で
示される青色の立方晶SiCは定比のSiC結晶のものである
ことが分析の結果わかった。そして黄色立方晶SiCを230
0℃以上に加熱すると、赤外吸収スペクトルは青色立方
晶SiCのそれに類似してくることがわかった。また青色
の結晶は窒素が結晶中に侵入したために青色されたもの
であることを本発明者らは分析により知見した。さらに
また1600℃近傍の低温で製造・市販されているβ−SiC
の赤外吸収スペクトルは第2図に示すように上記青色お
よび黄色の立方晶SiCとも異なるスペクトルであること
を新規に知見した。同図において、(1)は上記低温で
製造された市販のβ−SiCであり、酸素を0.5〜3.0重量
%含有するシリコンオキシカーバイドであることを本発
明者らは分析により確認した。上記低温製造のβ−SiC
を1700℃,1800℃,1900℃,2200℃で1時間それぞれ熱処
理すると同図に示すように、1700℃処理のものは
(2),1800℃のものは(3),1900℃のものは(4),2
200℃のものは(5)のような赤外吸収スペクトルを示
し、2200℃で熱処理したもの(5)の赤外吸収スペクト
ルは第1図に示す青色の立方晶SiC(1)のそれと等し
くなることがわかった。
上記研究より、SiCとCとOからなるシリコンオキシ
カーバイドは、熱処理温度を上昇させると、次第に酸素
が抜け出して、結晶形は立方晶そのままでありながら、
SiとCのみからなるSiCになることがわかった。このこ
とからわかるように上記従来の低温で製造されたシリコ
ンオキシカーバイドは工業的には通常炭素とSiO2の反応
によって製造されるため、酸素の混入は避けられなかっ
た。
ところで、従来1600℃近傍の低温でも全く酸素の混入
しない定比のSiCが生成すると従来考えられていたが、
炭素とSiとを反応させる場合といえども、空気または酸
素を完全に除去せずに加熱反応をさせると、高温におい
てSiは酸化されて酸素が含有される結果、定比のSiCは
生成されずにシリコンオキシカーバイドが生成されるこ
とを本発明者らは新規に知見した。
すなわち、従来立方晶SiCと考えられていた結晶中に
は、赤外吸収スペクトルの異なる3種類のSiC化合物が
存在しており、これらのうちの2種のSiC化合物には酸
素が含有されている。かかる酸素を含有しているSiC化
合物を原料にして焼結成形体を製造すると、酸素が抜け
出ることにより新しい結晶が生成し、その際種々の多形
が生成されることにより面欠陥が生ずることを本発明者
らは知見した。
ところで、第1図の赤外吸収スペクトルで示される定
比の立方晶SiC(1)の安定性を調べたところ、2400℃
以上において分解するまでは安定であって、六方晶SiC
へ相転移することのない安定な相であることがわかっ
た。このことからしても、SiC焼結成形体あるいは電子
材料用としては酸素を含有しない立方晶SiCが好ましい
ことがわかる。
次に本発明の酸素を含有しない立方晶の製造方法を説
明する。
シリコン源として、Si,SiO2,SiOを用いて、1600〜180
0℃で炭素と反応させると、SiとCと酸素からなる立方
晶のシリコンオキシカーバイドが生成する。このシリコ
ンオキシカーバイドを低くとも2200℃に1時間加熱する
と、酸素が除去されて、SiとCのみからなる立方晶SiC
が生成する。その際の外気の侵入を遮断して作り出され
る雰囲気は非酸化性あるいは非酸化性でかつシリコン蒸
気雰囲気である。なお非酸化性雰囲気とするには真空あ
るいはHe,Ne,Ar,Kr,Xe,N2,CO,H2ガスの何れかを使用す
るか、もしくは黒鉛または炭素製容器中において上記反
応を行わせることができる。また上記非酸化性でかつシ
リコン雰囲気とするためには、非酸化性雰囲気中でSiC
の定比より多い量のSiを原料中に加えればよく、あるい
はSiを加えずにSiOガスの形で加えてもよく、その理由
はこの場合SiOは2000℃以上の温度で炭素およびSiCによ
り還元されてSiとなるためである。この他に、黒鉛容器
を用いて過剰のSi源を原料と一緒に装入し、蓋をして外
気が侵入しない状態で加熱すると効果的にシリコン雰囲
気とすることができ、このようにシリコン雰囲気にする
と立方晶SiCの生成収率が高いので有利である。
ところで、脱酸素のためシリコンオキシカーバイドに
混合添加されるSi,SiO量はSi換算で0.5〜70重量%であ
り、0.5重量%より少ないとSi添加の効果が小さく、一
方70重量%より多いとSiの添加効果はあるが、経済的で
ない。なお前記脱酸素のためにSiO2をシリコンオキシカ
ーバイドに添加・混合することもできる。すなわちシリ
コンオキシカーバイド99.5〜30重量%とSiO2をSi換算で
0.5〜70重量%とを合計で100重量%となるように混合
し、黒鉛るつぼに入れて2200℃を下廻らぬ温度に加熱す
ると、SiO2はSiに還元されて雰囲気中に酸素の存在がな
くなって、全くのシリコン雰囲気となるので、酸素を含
有しない立方晶SiCを生成させることができる。ところ
で、非酸化性ガス雰囲気下では、加熱温度は2200℃以上
が好ましく、さらに非酸化性でかつシリコン雰囲気下で
は、より低い温度である2100℃以上であれば、良好な結
果を得ることができる。
本発明のさらに他の製造方法によれば、シリコンオキ
シカーバイドとして六方晶SiCをシリコン雰囲気中で加
熱して六方晶SiCを分解し、新たにSiと炭素とを反応さ
せると、立方晶SiCが生成する。Si,SiO,SiO2のなかから
選ばれる何れか少なくとも1種Si換算で1〜70重量%,
残部六方晶SiCよりなる混合物を黒鉛るつぼ中で外気の
侵入を遮断して2200℃に加熱すると、効果的にSi雰囲気
が作り出されて、立方晶SiCが生成する。六方晶SiCに混
合されるSi,SiO,SiO2のなかから選ばれる何れか少なく
とも1種がSi換算で1重量%より少ないとSi雰囲気が作
り出せないので、立方晶SiCが生成されず、一方70重量
%より多いと、立方晶SiCの生成収率が低いので、Si,Si
O,SiO2のSi換算重量%は1〜70重量%の範囲内にするこ
とが好ましい。
本発明の立方晶SiCの製造方法において、Si雰囲気を
長時間保持すると、生成する立方晶SiCの結晶粒形を大
きくすることができ、さらにまた立方晶SiC単結晶を製
造することができる。Si雰囲気を長時間保持するために
は、炭素1モルに対し、1モル以上のSiを混合した原料
を黒鉛るつぼ中で蓋をして加熱することが有利であり、
高い加熱温度のもとで、Siは黒鉛るつぼと反応して消失
するので、細長い黒鉛るつぼを使用してるつぼの温度の
高い部分で、炭素とSiとを反応させ、るつぼの低温部に
はSiが蒸発凝集し、上記低温部では温度が低いため、Si
が長時間残留するので、長時間Si雰囲気とすることがで
き、大きい立方晶SiCの単結晶を製造することができ
る。
本発明の製造方法において、窒素ガス雰囲気内で加熱
すると、窒素がSiC結晶内に取り込まれてn型半導体が
生成される。また電子材料用単結晶を製造するには、ア
ルゴン,ヘリウムガスなどのSiC結晶中に取り込まれな
いようなガス雰囲気にする必要がある。
次に本発明を実施例について説明する。
実施例1. 炭素とSiO2とを1600℃で反応させて得られるの立方晶
SiC(シリコンオキシカーバイド)粉を黒鉛るつぼに詰
めて蓋をし、高周波を用い、N2ガス雰囲気中で、2200
℃まで1.5時間で昇温し、2200℃に1時間保持し、シリ
コンオキシカーバイド中の酸素を除き、全部が立方晶Si
CであるSiC結晶を生成させた。
実施例2. 実施例1で使用した立方晶SiC粉90gとSi 10gとを混合
し、それを黒鉛るつぼにつめて蓋をし、2100℃まで2時
間で昇温し、2100℃で4時間保持し、全部が立方晶SiC
であるSiC結晶を生成させた。
実施例3. 実施例1で使用した立方晶SiC 100gとSiO2100gとを混
合し黒鉛るつぼにつめて蓋をし、高周波加熱装置を用
い、2350℃まで2時間で昇温し、2350℃に1時間保持し
て、全部が立方晶SiCであるSiC結晶を生成させた。
実施例4. 炭素とSiO2とを反応させて得られる六方晶SiC 80gとS
iO260gとを混合し、長さ30cmの黒鉛るつぼの底から5cm
の高さまでつめ蓋をし、高周波加熱の炉に入れ、縦にお
き、真空にして空気を除いた後、アルゴン雰囲気にし、
黒鉛るつぼ下部の試料部を2400℃に加熱し、上部が2100
℃になるように調整して10時間加熱を続けて10mm長さの
柱状の立方晶SiC単結晶と、それより小さい全部が立方
晶SiCからなるSiC結晶を生成させた。
実施例5. 実施例4で使用した六方晶SiC 100gとSi 50gの粉体と
を混合し、黒鉛るつぼに入れてから高周波炉の中に設置
し、真空にした後、アルゴンガス雰囲気とした。2200℃
まで3時間で昇温し、2200℃に2時間保持して、全部が
立方晶SiCの平均100μmの結晶を生成させた。
実施例6. 実施例1で使用した立方晶SiC 500gとSiO 50gとを混
合し、黒鉛るつぼに入れて蓋をし、高周波炉を用い、ア
ルゴン雰囲気とした後、2200℃まで2時間で昇温し、22
00℃に4時間保持して、全部が立方晶SiCであるSiC結晶
を生成させた。
実施例7. 実施例4で使用した六方晶SiC 100gとSiO 50gとを混
合し、黒鉛るつぼに入れて蓋をし、それを高周波炉に入
れ、アルゴン雰囲気としてから、2200℃まで1時間で昇
温し、2200℃で0.5時間保持し、2400℃まで0.5時間で昇
温し、2400℃に1時間保持して、全部が立方晶SiCから
なるSiC結晶を生成させた。
(発明の効果) 本発明の立方晶SiCは高靱性のセラミックス焼結成形
体の粉末原料,研削用粒粉体,研磨用粉体,プラスチッ
クス強化用粉体,ICや発光ダイオードなどの電子材料用
単結晶,その他セラミックスを使用しているところに使
用することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図はアチソン法で製造された立方晶SiCの赤外吸収
スペクトルを示す図、第2図は市販の立方晶SiCを種々
の温度で処理したものの赤外吸収スペクトルを示す図で
ある。

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】シリコンオキシカーバイドを、外気の侵入
    を遮断して2200〜2600℃に加熱することを特徴とする立
    方晶SiCの製造方法。
  2. 【請求項2】Si,SiO,SiO2の何れか少なくとも1種をSi
    量換算で0.5〜70重量%と残部が実質的にシリコンオキ
    シカーバイドである混合物を、黒鉛るつぼ中で外気の侵
    入を遮断して2100〜2600℃に加熱することを特徴とする
    立方晶SiCの製造方法。
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