JP3482480B2 - 耐酸化性に優れた黒鉛−炭化珪素複合体及びその製造方法 - Google Patents

耐酸化性に優れた黒鉛−炭化珪素複合体及びその製造方法

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JP3482480B2
JP3482480B2 JP02972393A JP2972393A JP3482480B2 JP 3482480 B2 JP3482480 B2 JP 3482480B2 JP 02972393 A JP02972393 A JP 02972393A JP 2972393 A JP2972393 A JP 2972393A JP 3482480 B2 JP3482480 B2 JP 3482480B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は耐酸化性が優れた黒鉛−
炭化珪素複合体に関し、より詳しくは特に石英ガラス焼
成用炉芯管又はアルミ等非鉄金属溶解用ルツボ、湯温測
定用熱電対保護管、移動用パイプ、ラドル、ストーク等
のアルミ等非鉄金属の鋳造用治具及び半導体製造用治具
として有用な気密性を持ち、耐酸化性に優れ、更に炭化
珪素焼結体に比べて高純度で耐熱衝撃性に優れた黒鉛−
炭化珪素複合体を提供することをその目的とする。
【0002】
【従来の技術】従来黒鉛−炭化珪素複合体としては次の
ものが知られている。
【0003】そのひとつは、特開平1−249679号
であり、これは嵩密度1.70〜1.90g/cm3、全
細孔容積10〜20cm3/g、平均ポアー半径1.0〜
2.0μmの比較的多孔性の小さい黒鉛材を基材とし、
この黒鉛基材の全細孔容積の5〜60%が炭化珪素で含
浸されるように溶融珪素を浸透し、反応させて製造され
た黒鉛−炭化珪素複合体に関するものである。そしてこ
の複合体は、表面層がほぼ均一な状態で、黒鉛と炭化珪
素とから成っており、内部は黒鉛である。
【0004】この用途としては、集積回路の製造プロセ
ス中での半導体ウェハーを熱処理するために使用される
耐酸化性、耐食性構造物、エピタキシャル成長用サセプ
ター、拡散炉用部品、プラズマCVD用部品、ボート等
となっている。
【0005】また他のもうひとつは特開平1−2424
08号に開示されており、これは嵩密度1.60g/cm3
以下、気孔率20%以上、全細孔容積0.2cm3以上、平
均ポアー半径2.0μm以上、ショアー硬度30以上の
多孔質黒鉛を基材とし、この黒鉛基材に真空加熱炉内に
おいて、0.1〜13Pa、1750〜2500Kの
条件にて溶融珪素を浸透し、反応させて得られる黒鉛−
炭化珪素複合体およびその製造方法が開示されている。
【0006】この黒鉛−炭化珪素複合体は、ほぼ全体が
黒鉛と炭化珪素とから成っており、Hgポロシメーター
で測定した気孔率が0であり、黒鉛と炭化珪素の割合
が、黒鉛35〜85重量%、炭化珪素15〜65重量%
である。
【0007】用途としては、電子部品用熱処理用治具、
ガラス封着用治具、機械摺動材料等である旨記載されて
いる。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】これ等いずれの黒鉛−
炭化珪素複合体も、耐酸化性が劣るという難点がある。
即ち前者の複合体は、図1に示す通りその内部は黒鉛質
であり、この黒鉛部分が酸化される問題があり、また後
者の複合体の場合には、図2に示す通り黒鉛基材全体中
に炭化珪素が含浸された構造を有しているが、なお黒鉛
部分がやはり酸化性雰囲気に直接接触するので酸化され
てしまう傾向がある。但し図1〜2中(1)は炭化珪素
と黒鉛、(2)は黒鉛、(3)は黒鉛と炭化珪素とが均
一に混在する構造を示す。
【0009】
【問題を解決するための手段】本発明者らは前述した従
来技術が持つ問題点についてこれを解決すべく研究を重
ねた結果、まず基材となる黒鉛成形体表面を炭化珪素に
転化し、次いでこの複合体に溶融珪素を浸透させ反応せ
しめて、内部も黒鉛と炭化珪素とがほぼ均一な構造とな
させしめると、得られる黒鉛−炭化珪素複合体は著しく
その耐酸化性が向上することを見出し本発明を解決する
に至った。
【0010】
【発明の構成並びに作用】以下に本発明をその製造工程
にしたがって説明する。
【0011】本発明においてはまず第1工程で、基材と
なる黒鉛成形体表面を炭化珪素に転化させる。その方法
としては黒鉛成形体とSiOガスを反応せしめる方法が
ある。その具体的な方法を挙げると次の通りである。
【0012】(a)珪酸と炭素との反応
【0013】
【化1】
【0014】(b)珪酸と珪素との反応
【0015】
【化2】
【0016】(c)珪酸と炭化珪素との反応
【0017】
【化3】
【0018】上記(a)〜(c)のいずれの反応におい
ても実質的にSiOガスが発生し、これが黒鉛成形体の
表面と反応して炭化珪素となる。
【0019】また上記(a)〜(c)の反応において使
用する珪酸としては、純度の極めて高いもの、望ましく
通常高純度石英粉を使用する。更に珪素、炭化珪素と
しても純度の高いものが望ましく、特に珪素としては金
属珪素を使用し、塊状、粉末状等その形状に何等制約は
ないが、純度の点からは塊状のものを使用することが望
ましい。
【0020】SiOガスを発生させるには、上記(a)
〜(c)のいずれの場合においても、それら各原料の混
合物を、通常1900〜2500K好ましくは2000
〜2300Kに加熱する。これにより生成したSiOガ
スが黒鉛成形体と接触し、反応が生じて炭化珪素とな
る。この際の時間は通常5〜20時間、好ましくは10
〜15時間であり、不活性雰囲気中にて行われる。この
際の炭化珪素層の厚みは通常1mm程度である。
【0021】このようにして黒鉛成形体表面を炭化珪素
とすることにより、直接黒鉛部分が酸化されることを防
ぐと共に、次の溶融珪素を浸透させる工程において珪素
と炭化珪素との濡れが非常に良くなり、珪素の基材への
浸透が容易になるという効果を生む。
【0022】次に本発明の第2の工程において、上記
(a)〜(c)の反応により得られた黒鉛−炭化珪素複
合体内部に珪素を浸透させ、黒鉛と反応せしめる。その
方法としては、溶融珪素中に上記表層のみ炭化珪素化さ
れた複合体を浸すことにより珪素を浸透させる方法、あ
るいはCVD法又は珪素蒸気により上記複合体表面に珪
素被覆を行い、次いで珪素の融点以上の温度で熱処理を
行ってもよい。
【0023】CVD法としてはSiCl4又はSiHC
3のようなハロゲン化シラン又はSiH4のような水素
化シランを、水素ガスをキャリアガスとして、1300
〜1600Kで上記複合体表面に蒸着させる。続いて温
度を珪素の融点以上好ましくは1750〜2100Kで
熱処理を行うと、珪素が上記複合体の気孔の中へ浸透
し、黒鉛と反応して炭化珪素となる。しかしながらCV
D法による場合にはコストが高くなるため前者の金属珪
素を用いる方法が経済的には好ましい。
【0024】金属珪素と上記表層部分が炭化珪素化され
た複合体とを反応せしめるに際しては、通常該複合体1
00重量部に対して金属珪素100〜500重量部、好
ましくは200〜300重量部の割合で、黒鉛ルツボに
入れ真空減圧下で加熱する。この際の真空度は0.01
〜1.3Pa、温度は1750〜2500Kが好まし
い。真空度が0.01Paよりも低くなりすぎたり、
あるいは温度が2500Kよりも高くなり過ぎた場合に
は、珪素の蒸発量が多くなりすぎて好ましくない。また
真空度が13Paよりも高くなりすぎると、珪素が該
複合体中に充分浸透せず、また温度が1750Kよりも
低くなりすぎた場合には、珪素と該複合体中の黒鉛との
反応速度が遅くなり、複合体内部で未反応の珪素が残留
してしまう恐れがある。更にこの時使用される金属珪素
としては、その形状に何ら制約はないものの、純度の点
からは粉末よりも塊状のものを使用するのが望ましい。
【0025】本発明においては基材となる黒鉛成形体と
して高純度化品を用いることにより、得られる黒鉛−炭
化珪素複合体として更に高純度な製品が収得できる。高
純度黒鉛成形体の純度としては、不純物(灰分)が10
ppm以下、特に好ましくは2ppm以下であることが
望ましい。高純度化の方法としては特に制限されるもの
ではなく、各種の方法が任意に適用される。好ましい方
法としては特願昭61−224311号に記載の方法を
例示することができる。
【0026】かくして得られる本発明の複合体はこれを
模擬的に示せば図3にも示す通り、表面には全面に炭化
珪素から成る層(4)があり、その内部(5)はほぼ均
一な状態で黒鉛と炭化珪素とが混在する相から構成され
ることを特徴としている。また後で述べる実施例1の本
発明の複合体の断面の走査型電子顕微鏡写真(50倍)
でも、図4に示す通り上記構造は、はっきりと確認出来
る。
【0027】
【実施例】以下に本発明の実施例および比較例について
説明する。
【0028】
【実施例1】黒鉛ルツボに、石英粉末1000重量部を
入れ、その上に高純度化された黒鉛成形体(32×20
×12.5mm、IG−110U東洋炭素株式会社製、不
純物全灰分量2ppm)を入れた。このルツボを不活性
雰囲気中で2300Kに加熱し、5時間の反応を行い、
発生したSiOガスと表面炭素が反応し、表面(厚み1
mm)が炭化珪素に転化された複合体を得た。次いで冷却
後この複合体を取り出し、別の黒鉛ルツボに金属珪素2
00重量部と共に入れ、2000K、0.1Paで5
時間の含浸及び珪化反応を行い、表面が炭化珪素、内部
が黒鉛と炭化珪素とからなる黒鉛−炭化珪素複合体を得
た。このものの断面の走査型電子顕微鏡写真(50倍)
を図4に示す。
【0029】
【比較例1】実施例1と同様に黒鉛ルツボに石英粉末1
000重量部を入れ、その上に高純度化された黒鉛成形
体を入れた。このルツボを不活性雰囲気中で2300K
に加熱し5時間の反応を行い、表面(厚み1mm)が炭化
珪素に転化された黒鉛−炭化珪素複合体を得た。
【0030】
【比較例2】黒鉛ルツボに、高純度化された黒鉛成形体
を金属珪素200重量部と共に入れ、2000K、0.
Paで5時間の反応を行い、ほぼ全体が黒鉛と炭化
珪素とからなる黒鉛−炭化珪素複合体を得た。
【0031】<酸化消耗試験> 上記実施例1および比較例1、2で得た複合体につい
て、酸化消耗試験を行った。結果を図5に示した。図中
1は基材(IG−110U)、2は実施例1、3は比較
例1、4は比較例2である。但し図5は973K、空気
雰囲気中という酸化条件での測定結果である。実施例1
の本発明の黒鉛−炭化珪素複合体は、比較例1、2の複
合体に比べて耐酸化性に優れていることは明らかであ
る。尚比較のため、全く未処理の基材(黒鉛成形体IG
−110U)について同条件下での酸化消耗試験結果を
1として併記した。
【0032】
【発明の効果】以上述べた通り、本発明の黒鉛−炭化珪
素複合体は、耐酸化性に極めて優れており、従ってこの
優れた耐酸化性が要求される分野例えば石英ガラス焼成
用炉芯管又はアルミ等非鉄金属鋳造用治具、半導体製造
用治具等として極めて好適な材料であると言える。
【0033】
【図面の簡単な説明】
【0034】
【図1】
【0035】従来の黒鉛−炭化珪素複合体(特開平1−
249679号)の断面の模擬的な説明図である。
【0036】
【図2】
【0037】従来の黒鉛−炭化珪素複合体(特開平1−
242908号)の断面の模擬的な説明図である。
【0038】
【図3】
【0039】本発明による黒鉛−炭化珪素複合体の構造
を模擬的に示した説明図である。
【0040】
【図4】実施例1の黒鉛−炭化珪素複合体の断面の走査
型電子顕微鏡写真(50倍)である。
【0041】
【図5】
【0042】実施例1および比較例1、2で示した黒鉛
−炭化珪素複合体と未処理の黒鉛成形体の酸化消耗試験
結果である。
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) C04B 35/52 C04B 41/87

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】黒鉛と炭化珪素とから成る複合体であっ
    て、その表面は転化法によって転化された炭化珪素の層
    から成り、その内部は黒鉛と炭化珪素とが混在して成る
    ことを特徴とする黒鉛−炭化珪素複合体。
  2. 【請求項2】基材となる黒鉛成形体の表面を先ず炭化珪
    素に転化し、次いで溶融珪素を内部に浸透させて反応せ
    しめることを特徴とする、その表面は炭化珪素の層から
    成り、その内部は黒鉛と炭化珪素とが混在して成る黒鉛
    −炭化珪素複合体の製造方法。
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FR2935636B1 (fr) * 2008-09-05 2011-06-24 Commissariat Energie Atomique Materiau a architecture multicouche, dedie a une mise en contact avec du silicium liquide

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