JP4278802B2 - Method for producing sintered silicon carbide - Google Patents

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    • C04B41/5096Silicon

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、炭化ケイ素焼結体の製造方法に関し、詳しくは高純度、且つ高強度な炭化ケイ素焼結体の製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来より、炭化ケイ素は1000℃を超える高温下においても良好な強度、耐熱性、耐熱衝撃性、耐摩耗性等を有することから高温領域で使用される材料として注目されおり、近年、半導体の製造冶具として石英の代替材料として使用されている。
【0003】
このように炭化ケイ素は、非常に良好な強度、耐熱性、耐熱衝撃性、耐摩耗性等を有するが、近年、より高性能な炭化ケイ素が求められており、特に半導体関連部品用として炭化けい素焼結体を用いる場合には、高い純度、強度が求められ、さらなる向上が望まれている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記従来の技術に鑑みてなされたものであり、即ち、高純度、且つ高強度な炭化ケイ素焼結体の製造方法を提供することを目的とする。
【0005】
【課題を解決するための手段】
本発明者らは、上記目的を達成するために、鋭意研究した結果、本発明に至った。即ち、本発明は、
【0006】
<1>炭化ケイ素粉末を溶媒中に溶解、分散してスラリー状の炭化ケイ素混合粉体を製造する工程と、該スラリー状の炭化ケイ素混合粉体を成形型に流し込み、乾燥して、グリーン体を製造する工程と、該グリーン体を、真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気下、溶融した金属シリコン中に浸漬し、金属シリコンをグリーン体中の気孔に浸透させて充填する工程と、該気孔に金属シリコンを充填したグリーン体を、アルカリ水溶液或いは酸水溶液中に浸漬した後、加熱して、該金属シリコンを気孔から除去する工程と、該気孔から金属シリコンを除去したグリーン体を、真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気下、溶融した金属シリコン中に浸漬し、金属シリコンをグリーン体中の気孔に浸透させて充填する工程とを有することを特徴とする炭化ケイ素焼結体の製造方法である。
【0007】
<2>前記炭化ケイ素粉末が、ケイ素化合物と、加熱により炭素を発生する有機化合物とを溶媒中で溶解し、乾燥し、得られた粉末を非酸化性雰囲気下で焼成する工程を有する製造方法により得られたものであること特徴とする前記<1>に記載の炭化ケイ素焼結体の製造方法である。
【0008】
<3>前記グリーン体を、真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気下、溶融した金属シリコン中に浸漬し、金属シリコンをグリーン体中の気孔に浸透させて充填する工程、及び気孔から金属シリコンを除去したグリーン体を、真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気下、溶融した金属シリコン中に浸漬し、金属シリコンをグリーン体中の気孔に浸透させて充填する工程において、該グリーン体を、1450〜1700℃で加熱して溶融した金属シリコン中に浸漬することを特徴とする前記<1>又は<2>に記載の炭化ケイ素焼結体の製造方法である。
【0009】
<4>前記グリーン体を、真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気下、溶融した金属シリコン中に浸漬し、金属シリコンをグリーン体中の気孔に浸透させて充填する工程、及び気孔から金属シリコンを除去したグリーン体を、真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気下、溶融した金属シリコン中に浸漬し、金属シリコンをグリーン体中の気孔に浸透させて充填する工程において、該金属シリコンが、総不純物含有量が1ppb未満の高純度金属シリコンであることを特徴とする前記<1>〜<3>のいずれかに記載の炭化ケイ素焼結体の製造方法である。
【0010】
<5>前記気孔に金属シリコンを充填したグリーン体を、アルカリ水溶液或いは酸水溶液中に浸漬した後、加熱して、該金属シリコンを気孔から除去する工程において、該グリーン体を、1450〜1700℃で加熱することを特徴とする前記<1>〜<4>のいずれかに記載の炭化ケイ素焼結体の製造方法である。
【0011】
<6>前記気孔に金属シリコンを充填したグリーン体を、アルカリ水溶液或いは酸水溶液中に浸漬した後、加熱して、該金属シリコンを気孔から除去する工程において、該グリーン体を、真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気下で加熱することを特徴とする前記<1>〜<5>のいずれかに記載の炭化ケイ素焼結体の製造方法である。
【0012】
本発明の炭化ケイ素焼結体の製造方法は、グリーン体中の気孔に、一旦、金属シリコンを充填し、この充填した金属シリコンを除去して、再び金属シリコンを充填することにより、高純度、且つ高強度な炭化ケイ素焼結体を製造することができる。
【0013】
【発明の実施の形態】
本発明の炭化ケイ素焼結体の製造方法は、炭化ケイ素粉末を溶媒中に溶解、分散してスラリー状の炭化ケイ素混合粉体を製造する工程(以下、炭化ケイ素混合粉体製造工程という。)と、
該スラリー状の炭化ケイ素混合粉体を成形型に流し込み、乾燥して、グリーン体を製造する工程(以下、グリーン体製造工程という。)と、
該グリーン体を、真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気下、溶融した金属シリコン中に浸漬し、金属シリコンをグリーン体中の気孔に浸透させて充填する工程(以下、シリコン充填工程という。)と、
該気孔に金属シリコンを充填したグリーン体を、アルカリ水溶液或いは酸水溶液中に浸漬した後、加熱して、該金属シリコンを気孔から除去する工程(以下、シリコン除去工程という。)と、
該気孔から金属シリコンを除去したグリーン体を、真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気下、溶融した金属シリコン中に浸漬し、金属シリコンをグリーン体中の気孔に浸透させて充填する工程(以下、シリコン再充填工程という。)と
を有する。
【0014】
(炭化ケイ素混合粉体製造工程)
前記炭化ケイ素混合粉体製造工程は、炭化ケイ素粉末を溶媒中に溶解、分散して、スラリ−状の炭化ケイ素混合粉体を製造する工程であるが、溶媒中に溶解、分散時に、十分に攪拌混合することにより、グリーン体中に均一に気孔を分散させることができる。
【0015】
前記炭化ケイ素混合粉体製造工程において、前記溶媒としては、水でもよいが、例えば好適な加熱により炭素を生成する有機化合物であるフェノール樹脂に対しては、エチルアルコール等の低級アルコール類やエチルエーテル、アセトン等が挙げれる。また、この炭素源からなる有機物質、炭素粉末、及び溶媒についても不純物の含有量が低いものを使用することが好ましい。
【0016】
前記炭化ケイ素混合粉体製造工程においては、炭化ケイ素粉末と共に、有機バインダーを添加してもよい。この有機バインダーとしては、解膠剤、粉体粘着剤等が挙げられ、解膠剤としては、導電性を付与する場合、その効果をさらに上げる点で窒素系の化合物が好ましく、例えばアンモニア、ポリアクリル酸アンモニウム塩等が好適に用いられる。粉体粘着剤としては、ポリビニルアルコール、ウレタン樹脂(例えば水溶性ポリウレタン)等が好適に用いられる。また、その他、消泡剤を添加してもよい。消包剤としては、シリコーン消泡剤等が挙げられる。
【0017】
前記炭化ケイ素混合粉体製造工程において、攪拌混合は、公知の攪拌混合手段、例えば、ミキサー、遊星ボールミルなどによって行うことができる。攪拌混合は、10〜30時間、特に、16〜24時間にわたって行うことが好ましい。
【0018】
以下に炭化ケイ素粉末について詳しく説明する。
−炭化ケイ素粉末−
前記炭化ケイ素粉末は、α型、β型、非晶質或いはこれらの混合物等のいずれでもよい。また、高純度のグリーン体、或いは炭化ケイ素焼結体を得るためには、原料の炭化ケイ素粉末として、高純度の炭化ケイ素粉末を用いることが好ましい。
【0019】
前記炭化ケイ素粉末のグレードとしては、特に制限はなく、例えば一般に市販されているβ型炭化ケイ素粉末を用いることができる。
【0020】
前記炭化ケイ素粉末の粒径は、高密度化の観点からは、小さいことが好ましく、具体的には、0.01〜10μm程度、さらに好ましくは、0.05〜5μmである。粒径が、0.01μm未満であると、計量、混合等の処理工程における取扱いが、困難となり易く、10μmを超えると、比表面積が小さく、即ち、隣接する粉末との接触面積が小さくなり、高密度化し難くなるため、好ましくない。
【0021】
−炭化ケイ素粉末の製造方法−
前記炭化ケイ素粉末は、ケイ素化合物と、加熱により炭素を発生する有機化合物と、必要に応じて重合又は架橋触媒と、を溶媒中で溶解し、乾燥し、得られた粉末を非酸化性雰囲気下で焼成する工程(以下、「炭化ケイ素粉末製造工程」ということがある)を有する製造方法により製造することが好ましい。
【0022】
前記ケイ素化合物(以下、「ケイ素源」ということがある)としては、加熱によりケイ素を発生する化合物であれば特に制限はなく、液状のケイ素化合物及び固体状のケイ素化合物のいずれであってもよいが、高純度化、及び均一分散させる観点から、少なくとも1種が液状のケイ素化合物であるのが好ましい。
【0023】
前記液状のケイ素化合物としては、(モノ−、ジ−、トリ−、テトラ−)アルコキシシラン、及び、テトラアルコキシシランの重合体等が好適に挙げられる。
【0024】
前記(モノ−、ジ−、トリ−、テトラ−)アルコキシシランとしては、テトラアルコキシシランが好適に挙げられる。テトラアルコキシシランとしては、具体的には、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトラブトキシシラン等が好適に挙げられ、取り扱い性に優れる点から、テトラエトキシシランが特に好ましい。
【0025】
前記テトラアルコキシシランの重合体としては、重合度が2〜15程度の低分子量重合体(オリゴマー)(例えば、テトラメトキシシラン、テトラエトキシシラン、テトラプロポキシシラン、テトラブトキシシラン等の低分子量重合体(オリゴマー))や、液状の高重合度ケイ酸ポリマー等が好適に挙げられる。
【0026】
前記固体状のケイ素化合物としては、酸化ケイ素等が好適に挙げられる。ここで、本発明における酸化ケイ素とは、SiOのほか、シリカゾル(コロイド状超微粉体シリカ含有液、内部にOH基やアルコキシル基を含む)、や二酸化ケイ素(シリカゲル、微粉体シリカ、石英粉体)等をも含む。
【0027】
前記ケイ素化合物のうち、均質性や取り扱い性に優れる点から、テトラエトキシシランの低分子量重合体(オリゴマー)、及び、該テトラエトキシシランの低分子量重合体(オリゴマー)と微粉体シリカとの混合物等が特に好ましい。また、これらのケイ素化合物は、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
【0028】
前記ケイ素化合物における不純物元素の総含有量としては、20ppm以下が好ましく、5ppm以下がより好ましい。但し、加熱・焼結の際における純化の許容範囲内であれば必ずしも前記数値範囲内の数値に限定されるものではない。
【0029】
前記加熱により炭素を発生する有機化合物(以下、「炭素源」ということがある)としては、特に制限はなく、液状の及び固体状のいずれの有機化合物を用いてもよいが、高純度化、及び均一分散させる観点から、少なくとも1種が液状の有機化合物であるのが好ましい。
【0030】
前記加熱により炭素を発生する有機化合物としては、残炭率が高く、触媒の存在及び/又は加熱によって、重合・架橋する有機化合物が好ましい。このような有機化合物としては、例えば、フェノール樹脂、フラン樹脂、ポリイミド、ポリウレタン、ポリビニルアルコール等の樹脂のモノマーやプレポリマー等や、セルロース、蔗糖、ピッチ、タール等の液状有機化合物が好適に挙げられる。これらの中でも、フェノール樹脂が好ましく、特にレゾール型フェノール樹脂が好ましい。これらの有機化合物は、1種単独で使用してもよいし、2種以上を併用してもよい。
【0031】
前記加熱により炭素を発生する有機化合物における不純物元素の総含有量としては、目的により適宜制御選択することができるが、特に高純度の炭化ケイ素粉末を得るためには、5ppm以下のものが好ましい。
【0032】
前記炭化ケイ素粉末製造工程においては、さらに重合又は架橋触媒加えて、ケイ素源と炭素源とを溶媒中に溶解し、乾燥して粉末を得るために、ケイ素源と炭素源との混合物を硬化して炭化ケイ素粉末とすることも必要に応じて行われる。硬化の方法としては、加熱により架橋する方法、硬化触媒により硬化する方法の他、電子線や放射線による方法等が挙げられる。
【0033】
前記重合又は架橋触媒としては、炭素源に応じて適宜選択できるが、フェノール樹脂やフラン樹脂の場合には、トルエンスルホン酸、トルエンカルボン酸、酢酸、しゅう酸、塩酸、硫酸、マレイン酸等の酸類、ヘキサミン等のアミン類等を用いる。これらの混合触媒を溶媒に、溶解又は分散させて混合させる。溶媒としては、低級アルコール(例えばエチルアルコール等)、エチルエーテル、アセトン等が挙げられる。これらの中でも、トルエンスルホン酸が好適に用いられる。
【0034】
前記炭化ケイ素粉末製造工程において、炭素とケイ素の比(以下、C/Si比という)は、混合物を1000℃にて炭化して得られる炭化物中間体を、元素分析することにより定義される。化学量論的には、C/Si比が3.0の時に生成炭化ケイ素中の遊離炭素が0%となるはずであるが、実際には同時に生成するSiOガスの揮散により低C/Si比において遊離炭素が発生する。この生成炭化ケイ素粉末中の遊離炭素量が焼結体等の製造用途に適当でない量にならないように予め配合を決定することが重要である。通常、1気圧近傍で1600℃以上での焼成では、C/Si比を2.0〜2.5にすると遊離炭素を抑制することができ、この範囲を好適に用いることができる。C/Si比を2.5以上にすると遊離炭素が顕著に増加するが、この遊離炭素は粒成長を抑制する効果を持つため、粒子形成の目的に応じて適宜選択してもよい。
但し、雰囲気の圧力を低圧又は高圧で焼成する場合は、純粋な炭化ケイ素を得るためのC/Si比は変動するので、この場合は必ずしも前記C/Si比の範囲に限定するものではない。
【0035】
前記炭化ケイ素粉末製造工程において、焼成は、ケイ素源と炭素源とを、溶媒中に溶解し、乾燥した粉末を、アルゴン等の非酸化性雰囲気中1350℃〜2000℃で加熱して炭化ケイ素を生成させることにより行うことが好ましい。焼成温度と時間は希望する粒径等の特性に応じて適宜選択できるが、より効率的な生成のためには1600℃〜1900℃での焼成が特に好ましい。
【0036】
前記炭化ケイ素粉末製造工程において、前述の焼成前に、ハンドリング性向上、揮発性ガス及び水分の除去を目的として、前記ケイ素源と前記炭素源とを、溶媒中に溶解し、乾燥した粉末を、加熱炭化させてもよい。加熱炭化は、窒素又はアルゴン等の非酸化性雰囲気中800℃〜1000℃にて30分〜120分間、該粉末を加熱することにより行われることが好ましい。
【0037】
前記炭化ケイ素粉末製造工程において、前述の焼成時に、より高純度の炭化ケイ素粉末を得る目的として、1900〜2100℃にて5〜20分間加熱処理を施してもよく、この加熱処理により不純物をさらに除去することができる。
【0038】
前記炭化ケイ素粉末製造工程において、攪拌混合は、公知の攪拌混合手段、例えば、ミキサー、遊星ボールミルなどによって行うことができる。攪拌混合は、10〜30時間、特に、16〜24時間にわたって行うことが好ましい。
【0039】
前記炭化ケイ素粉末製造工程において、特に高純度の炭化ケイ素粉末を得たい場合は、本願出願人が先に出願した特開平9−48605号の単結晶の製造方法に記載の原料粉末の製造方法、即ち、高純度のテトラアルコキシシラン、テトラアルコキシシラン重合体から選択される1種以上をケイ素源とし、加熱により炭素を生成する高純度有機化合物を炭素源とし、これらを均質に混合して得られた混合物を非酸化性雰囲気下において加熱焼成して炭化ケイ素粉末を得る炭化ケイ素生成工程と、得られた炭化ケイ素粉末を、1700℃以上2000℃未満の温度に保持し、該温度の保持中に、2000℃〜2100℃の温度において5〜20分間にわたり加熱する処理を少なくとも1回行う後処理工程とを含み、前記2工程を行うことにより、各不純物元素の含有量が0.5ppm以下である炭化ケイ素粉末を得ること、を特徴とする高純度炭化ケイ素粉末の製造方法等を利用することもできる。
【0040】
以上の様にして得られた炭化ケイ素粉末は、大きさが不均一であるため、解粉、分級により、所望の炭化ケイ素粉末が得られる。
【0041】
(グリーン体製造工程)
前記グリーン体製造工程は、前記スラリー状の炭化ケイ素混合粉体を成形型に流し込み、乾燥して、グリーン体を製造する工程である。なお、グリーン体とは、多くの気孔が内在する炭化ケイ素の成形体を示す。
【0042】
前記グリーン体製造工程は、前記スラリー状の炭化ケイ素混合粉体を石膏或いは樹脂の成形型に鋳込み、放置、脱型した後、50〜60℃の温度条件下で加熱乾燥又は自然乾燥して溶媒を除去することにより、規定寸法のグリーン体を製造する工程であることが好ましい。また、必要に応じて、得られたグリーン体を、微量の水分、解膠剤、結合剤等を除去する、或いはグリーン体中の炭化ケイ素粉体間の接触を十分に促進させ接触強度を得る目的で、1200℃〜2400℃程度の範囲で焼成を行ってもよい(これにより得られたグリーン体を「仮焼グリーン体」ということがある.)。
【0043】
(シリコン充填工程)
前記シリコン充填工程は、グリーン体を、真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気下、溶融した金属シリコン中に浸漬し、金属シリコンを吸入によりグリーン体中の気孔に浸透させて充填する工程である。
【0044】
前記シリコン充填工程においては、グリーン体を、真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気下、金属シリコンの融点以上、好ましくは1450〜1700℃迄加熱して溶融した金属シリコン中に浸漬する。このようにグリーン体を溶融金属シリコーン中に浸漬することにより、液状になった金属シリコンが、吸入、例えば毛細管現象によりグリーン体中の気孔に浸透し、グリーン体中の気孔が金属シリコンによって充填される。
【0045】
前記シリコン充填工程において、グリーン体を溶融金属シリコン中に浸漬する時間は、特に限定されなく、大きさ等により適宜決定する。
【0046】
前記シリコン充填工程において、前記金属シリコンは、1450〜1700℃迄、好ましくは、1550〜1650℃迄加熱して溶融させるが、この溶融温度が1450℃未満であると、金属シリコンの粘性が上昇するため、吸入によりグリーン体に浸透し難くなる場合があり、また1700℃を超えると蒸発が著しくなり炉体等に損傷を与えてしまう場合ある。
【0047】
前記シリコン充填工程において、前記金属シリコンとしては、粉末、顆粒、塊状の金属シリコンが等が挙げられ、2〜5mmの塊状の金属シリコンが好適に用いられる。また、前記金属シリコンは、総不純物含有量が1ppb未満の高純度金属シリコンであることが好ましい。
【0048】
前記シリコン充填工程において、グリーン体は、気孔中に金属シリコンを充填した後、一旦、室温まで冷却させることが好ましい。
【0049】
(シリコン除去工程)
前記シリコン除去工程は、気孔に金属シリコンを充填したグリーン体を、アルカリ水溶液或いは酸水溶液中に浸漬した後、加熱して、該金属シリコンを気孔から除去する工程である。この気孔に金属シリコンを充填したグリーン体を、加熱することにより、該金属シリコンが溶融或いは蒸発して、気孔から除去される。
【0050】
前記シリコン除去工程においては、グリーン体を、アルカリ水溶液或いは酸水溶液中に浸漬した後、加熱して、真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気下、金属シリコンの融点以上、好ましくは1450〜1700℃迄で加熱することにより、グリーン体中の金属シリコンを除去することが好ましい。
【0051】
前記シリコン除去工程において、アルカリ水溶液としては、水酸化アルカリ水溶液等が挙げられる。また、酸水溶液としては、フッ化水素酸水溶液、硝酸水溶液、硫酸水溶液、塩酸水溶液、過酸化水素水、オゾン水及びこれらの混合酸水溶液等が挙げられる。前記混合酸水溶液としては、フッ硝酸水溶液、フッ硝酸と硫酸との混合酸水溶液、フッ酸と塩酸との混合酸水溶液等が挙げられる。
【0052】
前記シリコン除去工程において、グリーン体は、1450〜1700℃迄、好ましくは、1550〜1650℃迄加熱して、グリーン体中の金属シリコンを除去するが、この溶融温度が1450℃未満であると、金属シリコンの粘性が上昇するため、グリーン体から除去し難くなる場合があり、また1700℃を超えると蒸発が著しくなり炉体等に損傷を与えてしまう場合ある。
【0053】
(シリコン再充填工程)
シリコン再充填工程は、気孔から金属シリコンを除去したグリーン体を、真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気下、溶融した金属シリコン中に浸漬し、金属シリコンをグリーン体中の気孔に浸透させて充填する工程であり、前記シリコン充填工程と同様に行うことが好ましい。
【0054】
(その他)
本発明の炭化ケイ素焼結体の製造方法により得られる炭化ケイ素焼結体は、導電性を付与する目的で、窒素を含有さてもよい。窒素を導入する方法としては、前記炭化ケイ素粉末製造工程、又は前記炭化ケイ素混合粉体製造工程において、少なくとも1種以上の窒素含有化合物(以下、「窒素源」ということがある)を添加することにより導入できる。
【0055】
前記窒素源としては、加熱により窒素を発生する物質が好ましく、例えば、高分子化合物(具体的には、ポリイミド樹脂、及びナイロン樹脂等)、有機アミン(具体的には、ヘキサメチレンテトラミン、アンモニア、トリエチルアミン等、及びこれらの化合物、塩類)の各種アミン類が挙げられ、これらの中でも、ヘキサメチレンテトラミンが好ましい。また、ヘキサミンを触媒として合成したフェノール樹脂であり、その合成工程に由来する窒素を樹脂1gに対して2.0mmol以上含有するフェノール樹脂も、窒素源として好適に用いることができる。これら窒素源は、単独で用いてもよいし、2以上併用してもよい。
【0056】
前記窒素源を、前記炭化ケイ素粉末製造工程において導入する場合、ケイ素源、炭素源と同時に、窒素源を添加することが好ましい。また、この窒素源の添加量としては、ケイ素源1gあたり窒素が1mmol以上含有することが好ましいので、ケイ素源1gに対して80μg〜1000μgが好ましい。
【0057】
前記窒素源を、前記炭化ケイ素混合粉体製造工程において導入する場合、炭化ケイ素粉末とを溶媒中に溶解、分散する際に、窒素源を同時に溶媒中に添加し、溶解、分散する方法が好ましい。また、この窒素源の添加量としては、炭化ケイ素粉末1gあたり窒素が0.7mmol以上含有することが好ましいので、炭化ケイ素粉末1gに対して200μg〜2000μgが好ましく、1500μg〜2000μgがさらに好ましい。
【0058】
本発明の炭化ケイ素焼結体の製造方法において、前記加熱条件を満たしうるものであれば、特に製造装置等に制限はなく、公知の加熱炉内や反応装置を使用することができる。
【0059】
以上のようにして製造された炭化ケイ素焼結体は、通常、所定の形状に加工し、研磨、洗浄等の処理が行われる。この加工方法としては、前記炭化ケイ素焼結体が良好な導電性を有することから、放電加工等が好適に用いられる。
【0060】
本発明の炭化ケイ素焼結体の製造方法は、グリーン体中の気孔に、一旦、金属シリコンを充填し、この充填した金属シリコンを除去して、再び金属シリコンを充填することにより、炭化ケイ素焼結体を高純度化することができ、例えば、不純物元素の総含有量が、好ましくは10ppm以下、より好ましくは5ppm以下、より好ましくは1.5ppm以下である炭化ケイ素焼結体を製造することも可能である。これはグリーン体中に不純物が、充填した金属シリコン中に移行し、これを除去することにより、不純物を共に除去されるため高純度化することができると考えられる。
【0061】
前記不純物元素の総含有量は、化学的な分析による不純物含有量は参考値としての意味を有するに過ぎない。実用的には、不純物が均一に分布しているか、局所的に偏在しているかによっても、評価が異なってくるが、本発明においては、溶液ICP−MS法によって測定した値を用いる。
【0062】
前記不純物元素とは、1989年IUPACの無機化学命名法改訂版の周期律表における1族から16族元素に属し、且つ原子番号3以上であり、原子番号6〜8及び同14を除く元素をいう。
【0063】
本発明の炭化ケイ素焼結体の製造方法は、グリーン体中の気孔に、一旦、金属シリコンを充填し、この充填した金属シリコンを除去して、再び金属シリコンを充填することにより、炭化ケイ素焼結体を高強度化することができ、例えば、曲げ強度が、好ましくは、350〜380MPaの炭化ケイ素焼結体を製造することも可能である。
【0064】
本発明の炭化ケイ素焼結体の製造方法により製造される炭化ケイ素焼結体のその他の好適な物性について検討すると、例えば、ヤング率は3.5×104〜4.5×104、ビッカース硬度は204MPa(2000kgf/mm2)以上、ポアソン比は0.14〜0.21、熱膨張係数は3.8×10-6〜4.2×10-6(℃-1)、熱伝導率は150W/m・K以上、比熱は0.68〜0.76j/g・℃(0.15〜0.18cal/g・℃)、耐熱衝撃性はΔTが500〜700℃である。
【0065】
【実施例】
以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明するが、本発明の主旨を超えない限り本実施例に限定されるものではない。
【0066】
(比較例1)
炭化ケイ素粉末として、中心粒径0.8μmの高純度炭化ケイ素粉末(特開平9−48605号に記載の製造方法に準じて製造された不純物含有量5ppm以下の炭化珪素:1.5重量%のシリカを含有)850gを、解膠剤としてポリアクリル酸アンモニウム9gを溶解した水500gに入れ16時間ボールミルにて分散混合した後、粉体粘着剤として水溶性ポリウレタン(三洋化成製「ユーコート」)30gと、シリコーン消泡剤(信越化学(株)製「KM72A」)1gを添加し、さらに10分間ボールミルで分散混合し、粘度0.09Pa・s(0.9ポイズ)のスラリ−状の混合粉体を製造した。
【0067】
このスラリ−状の混合粉体を長さ70mm、径10mmの石膏モールドに鋳込み、6時間放置した後、脱型し、12時間乾燥(50℃)させて、グリーン体を製造した。
【0068】
得られたグリーン体を、内径60mm、高さ80mmのカーボンるつぼ内で、アルゴン雰囲気下で1550℃まで昇温して溶融させた2〜5mmの塊の高純度金属シリコン(株式会社オクヤマ製:総不純物量1ppb以下)に浸漬し、30分保持することにより、溶融した金属シリコンをグリーン体中の気孔に浸透させて充填し、比較例1の炭化ケイ素焼結体を製造した。
【0069】
(実施例1)
比較例1の炭化ケイ素焼結体(気孔に金属シリコンを充填したグリーン体)を、アルカリ水溶液或いは酸水溶液に浸漬した後、アルゴン雰囲気下で1550℃まで昇温して、該気孔中の金属シリコンを除去した。
【0070】
得られた気孔から金属シリコンを除去したグリーン体を、内径60mm、高さ80mmのカーボンるつぼ内で、アルゴン雰囲気下で1550℃まで昇温して溶融させた2〜5mmの塊の高純度金属シリコン(株式会社オクヤマ製:総不純物量1ppb以下)に浸漬し、30分保持することにより、溶融した金属シリコンをグリーン体中の気孔に浸透させて充填し、実施例1の炭化ケイ素焼結体を製造した。
【0071】
<評価>
得られた実施例1及び比較例1の炭化ケイ素焼結体について、それぞれ下記評価、3点曲げ試験、純度の測定を行った。結果を表1に示す。
【0072】
(3点曲げ試験)
炭化ケイ素焼結体の3点曲げ試験は、JIS R1601に従って行った。
【0073】
(純度の測定)
炭化ケイ素焼結体の純度の測定は、ICP−質量分析装置を用いて、各不純物元素の含有量を測定することにより行った。
【0074】
【表1】

Figure 0004278802
【0075】
表1より、本発明の炭化ケイ素焼結体の製造方法を行うと、炭化ケイ素焼結体の純度、強度が向上することがわかる。
【0076】
【発明の効果】
以上により、本発明によれば、高純度、且つ高強度な炭化ケイ素焼結体の製造方法を提供することができる。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a silicon carbide sintered body, and more particularly to a method for manufacturing a silicon carbide sintered body having high purity and high strength.
[0002]
[Prior art]
Conventionally, silicon carbide has attracted attention as a material used in a high temperature region because it has good strength, heat resistance, thermal shock resistance, wear resistance, etc. even at high temperatures exceeding 1000 ° C. It is used as an alternative material for quartz as a jig.
[0003]
As described above, silicon carbide has very good strength, heat resistance, thermal shock resistance, wear resistance, and the like. However, in recent years, higher performance silicon carbide has been demanded, especially for semiconductor-related parts. When using a sintered body, high purity and strength are required, and further improvements are desired.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
This invention is made | formed in view of the said prior art, ie, provides the manufacturing method of a silicon carbide sintered compact with high purity and high intensity | strength.
[0005]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive studies to achieve the above object, the present inventors have reached the present invention. That is, the present invention
[0006]
<1> A step of producing a slurry-like silicon carbide mixed powder by dissolving and dispersing silicon carbide powder in a solvent, and pouring the slurry-like silicon carbide mixed powder into a mold, followed by drying. A step of immersing the green body in molten metal silicon in a vacuum atmosphere or an inert gas atmosphere to infiltrate and fill the pores in the green body with a metal in the pores. The green body filled with silicon is immersed in an alkaline aqueous solution or an acid aqueous solution, and then heated to remove the metallic silicon from the pores, and the green body from which the metallic silicon has been removed from the pores is subjected to a vacuum atmosphere or in a non-volatile state. A step of immersing in molten metal silicon under an active gas atmosphere, and infiltrating the metal silicon into pores in the green body and filling the silicon carbide. A method for producing a sintered body.
[0007]
<2> A production method in which the silicon carbide powder includes a step in which a silicon compound and an organic compound that generates carbon by heating are dissolved in a solvent and dried, and the obtained powder is fired in a non-oxidizing atmosphere. The method for producing a silicon carbide sintered body according to <1>, wherein the silicon carbide sintered body is obtained.
[0008]
<3> A step of immersing the green body in molten metal silicon in a vacuum atmosphere or an inert gas atmosphere to infiltrate and fill the pores in the green body, and removing the metal silicon from the pores The green body is heated at 1450 to 1700 ° C. in a step of immersing the green body in molten metal silicon in a vacuum atmosphere or an inert gas atmosphere and infiltrating the metal silicon into the pores of the green body and filling it. Then, the silicon carbide sintered body according to <1> or <2>, wherein the silicon carbide sintered body is immersed in molten metal silicon.
[0009]
<4> The step of immersing the green body in molten metal silicon in a vacuum atmosphere or an inert gas atmosphere to infiltrate and fill the pores in the green body, and removing the metal silicon from the pores In the step of immersing the green body in molten metal silicon in a vacuum atmosphere or an inert gas atmosphere and infiltrating the metal silicon into the pores in the green body, the metal silicon has a total impurity content of 1 ppb. It is a manufacturing method of the silicon carbide sintered compact in any one of said <1>-<3> characterized by being less high purity metal silicon.
[0010]
<5> After the green body filled with metal silicon in the pores is immersed in an alkaline aqueous solution or an acid aqueous solution, the green body is heated at 1450 to 1700 ° C. in the step of removing the metal silicon from the pores by heating. The method for producing a silicon carbide sintered body according to any one of <1> to <4>, wherein the silicon carbide sintered body is heated by heating.
[0011]
<6> In the step of removing the metal silicon from the pores by immersing the green body in which the pores are filled with metallic silicon in an alkaline aqueous solution or an acid aqueous solution, The method for producing a silicon carbide sintered body according to any one of <1> to <5>, wherein heating is performed in an active gas atmosphere.
[0012]
The method for producing a silicon carbide sintered body of the present invention has a high purity by once filling the pores in the green body with metallic silicon, removing the filled metallic silicon, and filling with metallic silicon again. In addition, a high-strength silicon carbide sintered body can be produced.
[0013]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
In the method for producing a silicon carbide sintered body of the present invention, a silicon carbide powder is dissolved and dispersed in a solvent to produce a slurry-like silicon carbide mixed powder (hereinafter referred to as a silicon carbide mixed powder production process). When,
The slurry-like silicon carbide mixed powder is poured into a mold and dried to produce a green body (hereinafter referred to as a green body production process);
A step of immersing the green body in molten metal silicon in a vacuum atmosphere or an inert gas atmosphere and infiltrating the metal silicon into pores in the green body (hereinafter referred to as a silicon filling step);
A step of immersing the green body in which the pores are filled with metallic silicon in an alkaline aqueous solution or an aqueous acid solution and then heating to remove the metallic silicon from the pores (hereinafter referred to as a silicon removal step);
A step of immersing the green body from which the metal silicon has been removed from the pores in molten metal silicon in a vacuum atmosphere or an inert gas atmosphere and infiltrating the metal silicon into the pores in the green body (hereinafter referred to as silicon refilling). Called filling process).
Have
[0014]
(Silicon carbide mixed powder manufacturing process)
The silicon carbide mixed powder manufacturing process is a process of manufacturing a slurry-like silicon carbide mixed powder by dissolving and dispersing silicon carbide powder in a solvent. By stirring and mixing, the pores can be uniformly dispersed in the green body.
[0015]
In the silicon carbide mixed powder manufacturing process, the solvent may be water. For example, for a phenol resin that is an organic compound that generates carbon by suitable heating, lower alcohols such as ethyl alcohol and ethyl ether are used. , Acetone and the like. Moreover, it is preferable to use the organic substance, carbon powder, and solvent made of the carbon source having a low impurity content.
[0016]
In the silicon carbide mixed powder manufacturing process, an organic binder may be added together with the silicon carbide powder. Examples of the organic binder include a deflocculant and a powder pressure-sensitive adhesive. As the deflocculant, a nitrogen-based compound is preferable in terms of further enhancing the effect when imparting conductivity, for example, ammonia, Ammonium acrylate is preferably used. As the powder adhesive, polyvinyl alcohol, urethane resin (for example, water-soluble polyurethane) and the like are preferably used. In addition, an antifoaming agent may be added. Examples of the defoaming agent include a silicone antifoaming agent.
[0017]
In the silicon carbide mixed powder manufacturing process, the stirring and mixing can be performed by a known stirring and mixing means such as a mixer or a planetary ball mill. The stirring and mixing is preferably performed for 10 to 30 hours, particularly 16 to 24 hours.
[0018]
The silicon carbide powder will be described in detail below.
-Silicon carbide powder-
The silicon carbide powder may be α-type, β-type, amorphous, or a mixture thereof. In order to obtain a high-purity green body or a silicon carbide sintered body, it is preferable to use a high-purity silicon carbide powder as the raw material silicon carbide powder.
[0019]
There is no restriction | limiting in particular as a grade of the said silicon carbide powder, For example, the beta-type silicon carbide powder generally marketed can be used.
[0020]
The particle size of the silicon carbide powder is preferably small from the viewpoint of densification, specifically about 0.01 to 10 μm, and more preferably 0.05 to 5 μm. When the particle size is less than 0.01 μm, handling in processing steps such as weighing and mixing tends to be difficult, and when it exceeds 10 μm, the specific surface area is small, that is, the contact area with the adjacent powder is small, Since it becomes difficult to increase the density, it is not preferable.
[0021]
-Manufacturing method of silicon carbide powder-
The silicon carbide powder is prepared by dissolving a silicon compound, an organic compound that generates carbon by heating, and, if necessary, a polymerization or cross-linking catalyst in a solvent and drying the resulting powder in a non-oxidizing atmosphere. It is preferable to manufacture by the manufacturing method which has the process (henceforth a "silicon carbide powder manufacturing process") baked by.
[0022]
The silicon compound (hereinafter sometimes referred to as “silicon source”) is not particularly limited as long as it is a compound that generates silicon by heating, and may be either a liquid silicon compound or a solid silicon compound. However, from the viewpoint of high purity and uniform dispersion, at least one of them is preferably a liquid silicon compound.
[0023]
Preferred examples of the liquid silicon compound include (mono-, di-, tri-, tetra-) alkoxysilanes and polymers of tetraalkoxysilanes.
[0024]
Preferred examples of the (mono-, di-, tri-, tetra-) alkoxysilane include tetraalkoxysilane. Specific examples of the tetraalkoxysilane include tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetrapropoxysilane, tetrabutoxysilane, and the like, and tetraethoxysilane is particularly preferable from the viewpoint of excellent handleability.
[0025]
The tetraalkoxysilane polymer may be a low molecular weight polymer (oligomer) having a degree of polymerization of about 2 to 15 (for example, a low molecular weight polymer such as tetramethoxysilane, tetraethoxysilane, tetrapropoxysilane, tetrabutoxysilane ( Suitable examples include oligomers)) and liquid high-polymerization silicic acid polymers.
[0026]
A preferable example of the solid silicon compound is silicon oxide. Here, the silicon oxide in the present invention refers to silica sol (liquid containing colloidal ultrafine powder silica, containing OH group or alkoxyl group inside), silicon dioxide (silica gel, fine powder silica, quartz powder) in addition to SiO. Body) and the like.
[0027]
Among the silicon compounds, from the viewpoint of excellent homogeneity and handleability, a low molecular weight polymer (oligomer) of tetraethoxysilane, a mixture of the low molecular weight polymer (oligomer) of tetraethoxysilane and fine powder silica, etc. Is particularly preferred. Moreover, these silicon compounds may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.
[0028]
The total content of impurity elements in the silicon compound is preferably 20 ppm or less, and more preferably 5 ppm or less. However, the value is not necessarily limited to the numerical value within the numerical range as long as it is within the allowable range of purification during heating and sintering.
[0029]
The organic compound that generates carbon by heating (hereinafter sometimes referred to as “carbon source”) is not particularly limited, and any organic compound in liquid or solid form may be used. From the viewpoint of uniform dispersion, at least one kind is preferably a liquid organic compound.
[0030]
The organic compound that generates carbon by heating is preferably an organic compound that has a high residual carbon ratio and that is polymerized / crosslinked by the presence of a catalyst and / or heating. Suitable examples of such organic compounds include monomers and prepolymers of resins such as phenol resins, furan resins, polyimides, polyurethanes, and polyvinyl alcohols, and liquid organic compounds such as cellulose, sucrose, pitch, and tar. . Among these, a phenol resin is preferable, and a resol type phenol resin is particularly preferable. These organic compounds may be used individually by 1 type, and may use 2 or more types together.
[0031]
The total content of impurity elements in the organic compound that generates carbon by heating can be appropriately controlled and selected according to the purpose, but in order to obtain high-purity silicon carbide powder, the total content is preferably 5 ppm or less.
[0032]
In the silicon carbide powder production process, a mixture of a silicon source and a carbon source is cured in order to further add a polymerization or crosslinking catalyst, dissolve the silicon source and the carbon source in a solvent, and dry to obtain a powder. The silicon carbide powder is also formed as necessary. Examples of the curing method include a method of crosslinking by heating, a method of curing with a curing catalyst, and a method using an electron beam or radiation.
[0033]
The polymerization or crosslinking catalyst can be appropriately selected according to the carbon source, but in the case of a phenol resin or furan resin, acids such as toluenesulfonic acid, toluenecarboxylic acid, acetic acid, oxalic acid, hydrochloric acid, sulfuric acid, maleic acid, etc. Amines such as hexamine are used. These mixed catalysts are dissolved or dispersed in a solvent and mixed. Examples of the solvent include lower alcohols (for example, ethyl alcohol), ethyl ether, acetone and the like. Among these, toluenesulfonic acid is preferably used.
[0034]
In the silicon carbide powder manufacturing process, the ratio of carbon to silicon (hereinafter referred to as C / Si ratio) is defined by elemental analysis of a carbide intermediate obtained by carbonizing the mixture at 1000 ° C. Stoichiometrically, when the C / Si ratio is 3.0, the free carbon in the generated silicon carbide should be 0%. However, in practice, the low C / Si ratio is caused by volatilization of the SiO gas generated at the same time. Free carbon is generated in It is important to determine the blending in advance so that the amount of free carbon in the generated silicon carbide powder does not become an amount that is not suitable for manufacturing applications such as sintered bodies. Usually, in firing at 1600 ° C. or more near 1 atm, free carbon can be suppressed when the C / Si ratio is set to 2.0 to 2.5, and this range can be suitably used. When the C / Si ratio is 2.5 or more, free carbon significantly increases. However, since this free carbon has an effect of suppressing grain growth, it may be appropriately selected according to the purpose of grain formation.
However, when the atmosphere is fired at a low pressure or a high pressure, the C / Si ratio for obtaining pure silicon carbide varies, and in this case, it is not necessarily limited to the range of the C / Si ratio.
[0035]
In the silicon carbide powder manufacturing process, the baking is performed by dissolving a silicon source and a carbon source in a solvent and heating the dried powder at 1350 ° C. to 2000 ° C. in a non-oxidizing atmosphere such as argon. It is preferable to carry out by generating. The firing temperature and time can be appropriately selected according to the desired characteristics such as particle size, but firing at 1600 ° C. to 1900 ° C. is particularly preferred for more efficient production.
[0036]
In the silicon carbide powder manufacturing process, prior to the aforementioned firing, for the purpose of improving handling properties, removing volatile gas and moisture, the silicon source and the carbon source are dissolved in a solvent, and dried powder, Heat carbonization may be performed. The heating carbonization is preferably performed by heating the powder at 800 ° C. to 1000 ° C. for 30 minutes to 120 minutes in a non-oxidizing atmosphere such as nitrogen or argon.
[0037]
In the silicon carbide powder manufacturing process, at the time of firing, for the purpose of obtaining a higher purity silicon carbide powder, heat treatment may be performed at 1900 to 2100 ° C. for 5 to 20 minutes. Can be removed.
[0038]
In the silicon carbide powder production process, the stirring and mixing can be performed by a known stirring and mixing means such as a mixer or a planetary ball mill. The stirring and mixing is preferably performed for 10 to 30 hours, particularly 16 to 24 hours.
[0039]
In the silicon carbide powder production process, when it is particularly desired to obtain a high-purity silicon carbide powder, the raw material powder production method described in the method for producing a single crystal of JP-A-9-48605 filed earlier by the applicant of the present application, That is, one or more selected from high-purity tetraalkoxysilane and tetraalkoxysilane polymer is used as a silicon source, and a high-purity organic compound that generates carbon by heating is used as a carbon source. A silicon carbide production step of obtaining a silicon carbide powder by heating and firing the obtained mixture in a non-oxidizing atmosphere, and maintaining the obtained silicon carbide powder at a temperature of 1700 ° C. or higher and lower than 2000 ° C. And a post-treatment step of performing at least one heat treatment for 5 to 20 minutes at a temperature of 2000 ° C. to 2100 ° C. The content of each impurity element to obtain a silicon carbide powder is less than 0.5 ppm, can be used a method of manufacturing such a high-purity silicon carbide powder wherein the.
[0040]
Since the silicon carbide powder obtained as described above is non-uniform in size, a desired silicon carbide powder can be obtained by pulverization and classification.
[0041]
(Green body manufacturing process)
The green body manufacturing step is a step of manufacturing the green body by pouring the slurry-like silicon carbide mixed powder into a mold and drying. The green body is a silicon carbide molded body in which many pores are inherent.
[0042]
The green body manufacturing process involves casting the slurry-like silicon carbide mixed powder into a gypsum or resin molding die, leaving it to be removed, and then drying by heating or natural drying at a temperature of 50 to 60 ° C. It is preferable that the step is a step of producing a green body having a specified size by removing. Further, if necessary, the obtained green body is freed from trace amounts of moisture, peptizer, binder, etc., or contact between silicon carbide powders in the green body is sufficiently promoted to obtain contact strength. For the purpose, firing may be performed in a range of about 1200 ° C. to 2400 ° C. (the green body obtained thereby may be referred to as “calcined green body”).
[0043]
(Silicon filling process)
The silicon filling step is a step in which the green body is immersed in molten metal silicon in a vacuum atmosphere or an inert gas atmosphere, and the metal silicon is infiltrated into the pores in the green body and filled.
[0044]
In the silicon filling step, the green body is immersed in molten metal silicon by heating to a temperature equal to or higher than the melting point of metal silicon, preferably 1450 to 1700 ° C., in a vacuum atmosphere or an inert gas atmosphere. By soaking the green body in the molten metal silicone, the liquid metal silicon penetrates into the pores in the green body by inhalation, for example, capillary action, and the pores in the green body are filled with the metal silicon. The
[0045]
In the silicon filling step, the time for immersing the green body in the molten metal silicon is not particularly limited and is appropriately determined depending on the size and the like.
[0046]
In the silicon filling step, the metal silicon is heated to 1450 to 1700 ° C., preferably 1550 to 1650 ° C., and melted. If the melting temperature is lower than 1450 ° C., the viscosity of the metal silicon increases. Therefore, it may be difficult to penetrate into the green body by inhalation, and when it exceeds 1700 ° C., evaporation may become remarkable and damage the furnace body and the like.
[0047]
In the silicon filling step, examples of the metal silicon include powder, granule, and bulk metal silicon, and a bulk metal silicon of 2 to 5 mm is preferably used. The metal silicon is preferably high-purity metal silicon having a total impurity content of less than 1 ppb.
[0048]
In the silicon filling step, the green body is preferably once cooled to room temperature after filling the pores with metallic silicon.
[0049]
(Silicon removal process)
The silicon removing step is a step of removing the metallic silicon from the pores by immersing a green body having pores filled with metallic silicon in an alkaline aqueous solution or an aqueous acid solution and then heating the green body. By heating the green body in which the pores are filled with metallic silicon, the metallic silicon is melted or evaporated to be removed from the pores.
[0050]
In the silicon removal step, the green body is immersed in an alkaline aqueous solution or an acid aqueous solution, and then heated, and heated at a temperature equal to or higher than the melting point of metal silicon, preferably 1450 to 1700 ° C. in a vacuum atmosphere or an inert gas atmosphere. By doing so, it is preferable to remove the metal silicon in the green body.
[0051]
In the silicon removal step, examples of the aqueous alkali solution include an aqueous alkali hydroxide solution. Examples of the acid aqueous solution include hydrofluoric acid aqueous solution, nitric acid aqueous solution, sulfuric acid aqueous solution, hydrochloric acid aqueous solution, hydrogen peroxide water, ozone water, and mixed acid aqueous solutions thereof. Examples of the mixed acid aqueous solution include a hydrofluoric acid aqueous solution, a mixed acid aqueous solution of hydrofluoric acid and sulfuric acid, and a mixed acid aqueous solution of hydrofluoric acid and hydrochloric acid.
[0052]
In the silicon removing step, the green body is heated to 1450 to 1700 ° C., preferably 1550 to 1650 ° C., to remove metallic silicon in the green body. When the melting temperature is less than 1450 ° C., Since the viscosity of the metal silicon increases, it may be difficult to remove from the green body, and when the temperature exceeds 1700 ° C., evaporation may become remarkable and the furnace body and the like may be damaged.
[0053]
(Silicon refilling process)
The silicon refilling step is a step of immersing the green body from which the metal silicon has been removed from the pores in molten metal silicon in a vacuum atmosphere or an inert gas atmosphere, and infiltrating the metal silicon into the pores in the green body to fill the pores. It is preferable to carry out in the same manner as the silicon filling step.
[0054]
(Other)
The silicon carbide sintered body obtained by the method for producing a silicon carbide sintered body of the present invention may contain nitrogen for the purpose of imparting electrical conductivity. As a method for introducing nitrogen, at least one nitrogen-containing compound (hereinafter sometimes referred to as “nitrogen source”) is added in the silicon carbide powder manufacturing step or the silicon carbide mixed powder manufacturing step. Can be introduced.
[0055]
The nitrogen source is preferably a substance that generates nitrogen by heating, such as a polymer compound (specifically, polyimide resin, nylon resin, etc.), organic amine (specifically, hexamethylenetetramine, ammonia, And various amines such as triethylamine and the like, and compounds and salts thereof. Among these, hexamethylenetetramine is preferable. A phenol resin synthesized using hexamine as a catalyst and containing 2.0 mmol or more of nitrogen derived from the synthesis step with respect to 1 g of the resin can also be suitably used as a nitrogen source. These nitrogen sources may be used alone or in combination of two or more.
[0056]
When the nitrogen source is introduced in the silicon carbide powder production process, it is preferable to add the nitrogen source simultaneously with the silicon source and the carbon source. The amount of the nitrogen source added is preferably 80 μg to 1000 μg with respect to 1 g of the silicon source because it is preferable to contain 1 mmol or more of nitrogen per 1 g of the silicon source.
[0057]
In the case where the nitrogen source is introduced in the silicon carbide mixed powder production step, a method of simultaneously adding and dissolving the nitrogen source in the solvent when dissolving and dispersing the silicon carbide powder in the solvent is preferable. . Further, the nitrogen source is preferably added in an amount of 0.7 mmol or more per 1 g of silicon carbide powder, and is preferably 200 μg to 2000 μg, more preferably 1500 μg to 2000 μg, per 1 g of silicon carbide powder.
[0058]
In the method for producing a silicon carbide sintered body of the present invention, there is no particular limitation on the production apparatus and the like as long as the heating conditions can be satisfied, and a known heating furnace or reaction apparatus can be used.
[0059]
The silicon carbide sintered body produced as described above is usually processed into a predetermined shape and subjected to treatments such as polishing and cleaning. As this processing method, since the silicon carbide sintered body has good conductivity, electric discharge machining or the like is preferably used.
[0060]
In the method for producing a silicon carbide sintered body of the present invention, the silicon carbide is sintered by once filling the pores in the green body with metallic silicon, removing the filled metallic silicon, and filling with metallic silicon again. For example, a silicon carbide sintered body having a total content of impurity elements of preferably 10 ppm or less, more preferably 5 ppm or less, and more preferably 1.5 ppm or less can be obtained. Is also possible. It is considered that the impurity is transferred into the metal silicon filled in the green body, and by removing this, the impurity is removed together, so that it can be highly purified.
[0061]
As for the total content of the impurity elements, the impurity content by chemical analysis has only a meaning as a reference value. Practically, the evaluation differs depending on whether the impurities are uniformly distributed or locally distributed, but in the present invention, values measured by the solution ICP-MS method are used.
[0062]
The impurity element is an element that belongs to group 1 to group 16 in the periodic table of the 1989 IUPAC Inorganic Chemical Nomenclature Revision and has an atomic number of 3 or more, excluding atomic numbers 6 to 8 and 14. Say.
[0063]
In the method for producing a silicon carbide sintered body of the present invention, the silicon carbide is sintered by once filling the pores in the green body with metallic silicon, removing the filled metallic silicon, and filling with metallic silicon again. For example, it is possible to produce a silicon carbide sintered body having a bending strength of preferably 350 to 380 MPa.
[0064]
When other suitable physical properties of the silicon carbide sintered body produced by the method for producing a silicon carbide sintered body of the present invention are examined, for example, Young's modulus is 3.5 × 10. Four ~ 4.5 × 10 Four Vickers hardness is 204 MPa (2000 kgf / mm 2 ), Poisson's ratio is 0.14 to 0.21, and thermal expansion coefficient is 3.8 × 10 -6 ~ 4.2 × 10 -6 (℃ -1 ), Thermal conductivity is 150 W / m · K or more, specific heat is 0.68 to 0.76 j / g · ° C. (0.15 to 0.18 cal / g · ° C.), and thermal shock resistance is ΔT of 500 to 700 ° C. It is.
[0065]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be specifically described with reference to examples. However, the present invention is not limited to these examples as long as the gist of the present invention is not exceeded.
[0066]
(Comparative Example 1)
As silicon carbide powder, high-purity silicon carbide powder having a center particle diameter of 0.8 μm (silicon carbide having an impurity content of 5 ppm or less produced according to the production method described in JP-A-9-48605: 1.5 wt% 850 g of silica (containing silica) was placed in 500 g of water in which 9 g of ammonium polyacrylate was dissolved as a peptizer and dispersed and mixed in a ball mill for 16 hours, and then 30 g of water-soluble polyurethane (“Yukot” manufactured by Sanyo Kasei) as a powder adhesive And 1 g of a silicone antifoaming agent (“KM72A” manufactured by Shin-Etsu Chemical Co., Ltd.), and further dispersed and mixed with a ball mill for 10 minutes to form a slurry-like mixed powder having a viscosity of 0.09 Pa · s (0.9 poise) The body was manufactured.
[0067]
This slurry-like mixed powder was cast into a gypsum mold having a length of 70 mm and a diameter of 10 mm, left for 6 hours, then demolded and dried (50 ° C.) for 12 hours to produce a green body.
[0068]
The obtained green body was melted in a carbon crucible having an inner diameter of 60 mm and a height of 80 mm by raising the temperature to 1550 ° C. under an argon atmosphere (2-5 mm lump high-purity metal silicon (manufactured by Okuyama Corporation: total) The silicon carbide sintered body of Comparative Example 1 was manufactured by immersing it in an impurity amount of 1 ppb or less and holding it for 30 minutes so that the molten metal silicon penetrates and fills the pores in the green body.
[0069]
(Example 1)
The silicon carbide sintered body of Comparative Example 1 (a green body in which pores are filled with metallic silicon) was immersed in an aqueous alkali solution or an aqueous acid solution, and then heated to 1550 ° C. in an argon atmosphere, and the metallic silicon in the pores Was removed.
[0070]
The green body obtained by removing metallic silicon from the pores was melted in a carbon crucible having an inner diameter of 60 mm and a height of 80 mm in an argon atmosphere by raising the temperature to 1550 ° C. (Okuyama Co., Ltd .: total impurity amount of 1 ppb or less) immersed in and held for 30 minutes to infiltrate and fill the pores in the green body with the silicon carbide sintered body of Example 1 Manufactured.
[0071]
<Evaluation>
For the obtained silicon carbide sintered bodies of Example 1 and Comparative Example 1, the following evaluation, three-point bending test, and purity measurement were performed, respectively. The results are shown in Table 1.
[0072]
(3-point bending test)
A three-point bending test of the silicon carbide sintered body was performed according to JIS R1601.
[0073]
(Measurement of purity)
The purity of the silicon carbide sintered body was measured by measuring the content of each impurity element using an ICP-mass spectrometer.
[0074]
[Table 1]
Figure 0004278802
[0075]
From Table 1, it can be seen that when the method for producing a silicon carbide sintered body of the present invention is performed, the purity and strength of the silicon carbide sintered body are improved.
[0076]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, a method for producing a silicon carbide sintered body with high purity and high strength can be provided.

Claims (6)

炭化ケイ素粉末を溶媒中に溶解、分散してスラリー状の炭化ケイ素混合粉体を製造する工程と、
該スラリー状の炭化ケイ素混合粉体を成形型に流し込み、乾燥して、グリーン体を製造する工程と、
該グリーン体を、真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気下、溶融した金属シリコン中に浸漬し、金属シリコンをグリーン体中の気孔に浸透させて充填する工程と、
該気孔に金属シリコンを充填したグリーン体を、アルカリ水溶液或いは酸水溶液中に浸漬した後、加熱して、該金属シリコンを気孔から除去する工程と、
該気孔から金属シリコンを除去したグリーン体を、真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気下、溶融した金属シリコン中に浸漬し、金属シリコンをグリーン体中の気孔に浸透させて充填する工程と
を有することを特徴とする炭化ケイ素焼結体の製造方法。
A step of producing a slurry-like silicon carbide mixed powder by dissolving and dispersing silicon carbide powder in a solvent;
Pouring the slurry-like silicon carbide mixed powder into a mold and drying to produce a green body;
Immersing the green body in molten metal silicon under a vacuum atmosphere or an inert gas atmosphere, and infiltrating the metal silicon into pores in the green body, and filling,
A step of removing the metallic silicon from the pores by immersing the green body in which the pores are filled with metallic silicon, in an alkaline aqueous solution or an acid aqueous solution, and then heating;
Dipping the green body from which the metal silicon has been removed from the pores into molten metal silicon in a vacuum atmosphere or an inert gas atmosphere, and infiltrating the metal silicon into the pores in the green body and filling the pores. A method for producing a silicon carbide sintered body.
前記炭化ケイ素粉末が、ケイ素化合物と、加熱により炭素を発生する有機化合物とを溶媒中で溶解し、乾燥し、得られた粉末を非酸化性雰囲気下で焼成する工程を有する製造方法により得られたものであること特徴とする請求項1に記載の炭化ケイ素焼結体の製造方法。The silicon carbide powder is obtained by a production method having a step of dissolving a silicon compound and an organic compound that generates carbon by heating in a solvent and drying, and firing the obtained powder in a non-oxidizing atmosphere. The method for producing a silicon carbide sintered body according to claim 1, wherein 前記グリーン体を、真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気下、溶融した金属シリコン中に浸漬し、金属シリコンをグリーン体中の気孔に浸透させて充填する工程、及び気孔から金属シリコンを除去したグリーン体を、真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気下、溶融した金属シリコン中に浸漬し、金属シリコンをグリーン体中の気孔に浸透させて充填する工程において、該グリーン体を、1450〜1700℃で加熱して溶融した金属シリコン中に浸漬することを特徴とする請求項1又は2に記載の炭化ケイ素焼結体の製造方法。A step of immersing the green body in molten metal silicon in a vacuum atmosphere or an inert gas atmosphere to infiltrate and fill the pores in the green body, and a green body from which the metal silicon has been removed from the pores. In the step of immersing in molten metal silicon in a vacuum atmosphere or inert gas atmosphere and infiltrating the metal silicon into the pores in the green body, the green body is heated and melted at 1450 to 1700 ° C. 3. The method for producing a silicon carbide sintered body according to claim 1 or 2, wherein the silicon carbide sintered body is immersed in the metal silicon. 前記グリーン体を、真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気下、溶融した金属シリコン中に浸漬し、金属シリコンをグリーン体中の気孔に浸透させて充填する工程、及び気孔から金属シリコンを除去したグリーン体を、真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気下、溶融した金属シリコン中に浸漬し、金属シリコンをグリーン体中の気孔に浸透させて充填する工程において、該金属シリコンが、総不純物含有量が1ppb未満の高純度金属シリコンであることを特徴とする請求項1〜3のいずれかに記載の炭化ケイ素焼結体の製造方法。A step of immersing the green body in molten metal silicon in a vacuum atmosphere or an inert gas atmosphere to infiltrate and fill the pores in the green body, and a green body from which the metal silicon has been removed from the pores. In the step of immersing in molten metal silicon in a vacuum atmosphere or inert gas atmosphere and infiltrating the metal silicon into the pores in the green body, the metal silicon has a high total impurity content of less than 1 ppb. It is a purity metal silicon, The manufacturing method of the silicon carbide sintered compact in any one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned. 前記気孔に金属シリコンを充填したグリーン体を、アルカリ水溶液或いは酸水溶液中に浸漬した後、加熱して、該金属シリコンを気孔から除去する工程において、該グリーン体を、1450〜1700℃で加熱することを特徴とする請求項1〜4のいずれかに記載の炭化ケイ素焼結体の製造方法。The green body in which the pores are filled with metal silicon is immersed in an alkaline aqueous solution or an acid aqueous solution and then heated to remove the metal silicon from the pores, and the green body is heated at 1450 to 1700 ° C. The manufacturing method of the silicon carbide sintered compact in any one of Claims 1-4 characterized by the above-mentioned. 前記気孔に金属シリコンを充填したグリーン体を、アルカリ水溶液或いは酸水溶液中に浸漬した後、加熱して、該金属シリコンを気孔から除去する工程において、該グリーン体を、真空雰囲気又は不活性ガス雰囲気下で加熱することを特徴とする請求項1〜5のいずれかに記載の炭化ケイ素焼結体の製造方法。In the step of removing the metal silicon from the pores by immersing the green body in which the pores are filled with metal silicon in an alkaline aqueous solution or an acid aqueous solution and then heating the green body, the green body is subjected to a vacuum atmosphere or an inert gas atmosphere. It heats under, The manufacturing method of the silicon carbide sintered compact in any one of Claims 1-5 characterized by the above-mentioned.
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