JPH04149017A - 炭化珪素粉末及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 １薯」１１月１立野 本発明は炭化珪素粉末及びその製造方法に関し、より詳
細には耐熱セラミックス成形体材料として有用な高純度
の炭化珪素粉末及びその製造方法に関するものである。

従屋四ｌえ街 炭化珪素粉末は、極めて優れた化学的及び物理的性質を
有しており、近年、耐熱セラミックス材料として注目さ
れている。耐熱セラミックス材料としての炭化珪素質材
料は、高純度で焼結性がよく、かつサブミクロンオーダ
ーの微粒子での供給が要望されており、また特に半導体
製造用治工具等に用いられる炭化珪素質材料では、高純
度でジノコンウェハ等の汚染源とならないことが要求さ
れている。

従来の炭化珪素粉末の製造法としては、例えばアチソン
法により最も普通に製造されるα型の炭化珪素を粉砕し
、粒度分級して得る方法がある（特開昭５３−８４０１
３号公報）。

しかしこの方法で得られる炭化珪素粉体は、高温安定タ
イプのα型炭化珪素であり、焼結に際して結晶型の変態
転移を伴わず、焼結速度が遅いため、高密度な焼結体を
得るためには焼結温度を極めて高温にする必要がある。

またこの方法で得られる炭化珪素粉末には、粉砕工程や
原料である珪砂、コークスに起因する不純物が数％程度
存在してしまうため、半導体製造用としては用いること
ができず、しかも不純物の残存が破壊の発生源となり、
この炭化珪素粉末より得られる焼結体に強度のばらつき
等が生じる。

これに対して特開昭５０−１６０２００号公報によれば
、ハロゲン化珪素及び炭化水素等の気相反応によりサブ
ミクロンオーダーのβ型炭化珪素を製造する方法が、ま
た特開昭５４．−６７５９９号公報によれば、有機珪素
化合物を熱分解して得られる高純度のβ型炭化珪素の製
造方法が開示されている。

が　決しようとする課 しかしながら前者のハロゲン化珪素及び炭化水素等の気
相反応により炭化珪素粉体を得る方法では、反応副生成
物として腐食性のハロゲン化水素ガス等が系内に存在す
るため、このガスが配管等を腐食し、その際に生成する
ハロゲン化金属ガスが炭化珪素粉末を汚染する恐れがあ
る。

また後者の有機珪素化合物の熱分解により炭化珪素粉体
を得る方法では、有機珪素化合物の種類や熱分解条件等
により気相中に遊離炭素が残留するため、酸化雰囲気下
で焼成する等の方法により、用途に応じてこの遊離炭素
を除去する必要がある。

しかも前者、後者いずれの方法で炭化珪素粉体を得る場
合においても、気相から析出する炭化珪素粉末を分離、
回収する必要があり、このことが歩留の低下や汚染の原
因となる。

本発明は上記した課題に鑑みなされたものであり、耐熱
セラミックス成形体材料として有用であり、かつ歩留ま
り良く、容易に製造することができる高純度の炭化珪素
粉末及びその製造方法を提供することを目的としている
。

課１を解“するためのｌ 上記した課題を達成するために、本発明に係る炭化珪素
粉末は、不純物として存在する遷移金属、両・扉金属、
アルカリ金属及びアルカリ土類金属の含有量が１０ｐｐ
ｍ＋以下であり、平均粒子径が０．０１〜１０μｍ、比
表面積が１０〜７０ｍ２７ｇであることを特徴とし。

また本発明に係る炭化珪素粉末の製造方法は、ＶＡＤ法
を用いて形成された合成石英ガラス多孔体中に、炭化水
素ガスあるいはハロゲン化炭素ガスの熱分解により炭素
／二酸化珪素のモル比が１以上かつ３以下となる炭素を
析出させ、この後１６００〜２５００℃で焼成する工程
を含むことを特徴している。

作」 上記した炭化珪素粉末によれば、不純物として存在する
遷移金属、両性金属、アルカリ金属及びアルカリ土類金
属の含有量が１０ｐｐｍ以下であり、平均粒子径が０．
０１〜１０％ｍ、比表面積が１０〜７０ｍ”／ｇである
ので、この炭化珪素粉末を使用すると、高密度で均一な
高強度の焼結体が得られることとなる。

また上記炭化珪素粉末の製造方法によれば、Ｖ　Ａ、　
Ｄ法を用いて形成された合成石英ガラス多孔体中に、炭
化水素ガスあるいはハロゲン化炭素ガスの熱分解により
炭素／二酸イヒ珪素のモル比がＩ１以上かつ３以下とな
る炭素を析出させ、この後１６００〜２５００℃で焼成
する工程を含むので、不純物として存在する遷移金属、
両性金属、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の含有量
がｉｏｐｐｍ以下であり、平均粒子径が０．０１〜１０
ＬＬｍ、比表面積が１０〜７０ｍ２／ｇである高純度で
焼結性が良いサブミクロンオーダーのβ型炭化珪素が、
粉砕工程を必要とすることなく容易に、かつ歩留まり良
く製造される。

以下、上記理由について説明する。

Ｖ　Ａ　Ｄ　（Ｖａｐｏｒ−ｐｈａｓｅ　Ａｘｉａｌ　
Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎｌ法を用いて形成された合成石英
ガラスは、平均粒径０７０１〜ｌＯμｍの二酸化珪素微
粒子で構成され、空隙率は４０〜８０％であり、不純物
含有量の合計がｌ　ｐｐｍ以下と高純度である。またバ
インダー混合・プレス等の成形工程を必要とすることな
く製造されるため、これらのプロセスからの汚染を受け
ることが無い。

この多孔質合成石英ガラスを、例えばＣＨ４、ｃ２Ｈｅ
、ＣＪｓ、Ｃ４１（、ｏ、　Ｃ，Ｈ４及びＣ２Ｈ２等の
炭化水素ガスあるいはＣ２Ｈ４Ｃｆｆ２．　Ｃ２Ｈ３（
Ｊ３．　Ｃ２Ｈ，ＣＩ！及びＣＪ２ｃｐ、等のハロゲン
化炭化水素ガス中の少なくとも１種類よりなるガス雰囲
気中で、用いたガス種の分解温度以上、１４００℃以下
の温度で熱処理すると、多孔質合成石英ガラス内部まで
の二酸化珪素微粒子の表面に、数±ｎｍの熱分解炭素が
析出する。なおこのとき、用いたガス種の分解温度以下
の熱処理では熱分解による炭素析出が起こらず、１４０
０℃以上の温度では前記多孔質合成石英ガラスの緻密化
により、内部までの炭素析出が不可能となる。

この炭素析出量は、基材である多孔質合成石英ガラス中
の二酸化珪素に対し、モル比で１以上かつ３以下である
必要がある。その理由は、二酸化珪素と炭素との反応は ＳｉＯ□＋３Ｃ−１ＳｉＣ＋２Ｃ○　・・・（１）で表
わされるため、炭素析出量が多孔質合成石英ガラス中の
二酸化珪素に対してモル比で３以上あるときには、過剰
の遊離炭素が残存してこの遊離炭素を除去する必要がａ
るためである。また遊離炭素が残存する場合には、多孔
質合成石英ガラスの炭素還元によって得られる炭化珪素
は、粉末状ではなく多孔体となる。従って粉末状の炭化
珪素を得るには、粉砕などの工程が必要となり、汚染の
原因となる。

一方、炭素析出量がモル比で１未満であるときには、析
出した炭素が二酸化珪素粒子の表面を十分に覆うことが
できないため、熱処理の昇温過程中に二酸化珪素粒子同
士の融雪が生じ、粒子が粗大化すると共に、過剰の二酸
化珪素が緻密化してＣＯガスの脱離が不可能となる。

またより高温域では、過剰の二酸化珪素はＳｉＯガスと
なって揮発するため、原料の歩留まりは低下する。

従って、炭素析出量は二酸化珪素に対するモル比で、１
以上かつ３以下であることが必要であり、より好ましい
範囲は２．５以上かつ３以下である。

そして熱分解炭素を析出させた後、合成石英ガラス−炭
素複合体を非酸化性雰囲気下、例えばヘノラム、ネオン
、アルゴン、水素等の中から選ばれる何れか少なくとも
１種類よりなるガス雰囲気下あるいは真空中で、１６０
０〜２５００　’Ｃの温度で焼成すると、熱分解炭素超
微粒子によって酸化珪素微粒子は極めて速やかに還元さ
れ、完全に炭化珪素化される。

この熱分解炭素は上記したように、数＋ｎｍの非常に微
細な粒子であり、二酸化珪素粒子の表面に均一に析出す
るため、上記還元工程においては二酸化珪素の粒成長が
起こらず、微細な炭化珪素粒子が得られる。また、合成
石英ガラス−炭素複合体は多孔質であるため、生成する
ＣＯガスは容易に系外に排出される６ なお焼成時における温度は、１６００°Ｃ以下でると炭
化珪素の生成が起こらず、また２５００°Ｃ以上である
と、エネルギ、装置コストの面などから好ましくない。

また本発明に係る方法によれば、上記したようにβ型結
晶の炭化珪素粉末が主に得られる。通常β型結晶以外の
炭化珪素結晶としては、β型結晶よりも低温で安定な２
Ｈ型結晶、あるいはβ型結晶よりも高温で安定な４Ｈ１
６Ｈ型のα型結晶がある。前記２Ｈ型炭化珪素は、通常
の焼結反応の生じる温度域においては極めて不安定であ
り、焼結に際して異常粒成長の原因となる。一方、４Ｈ
および６Ｈ型等のα型炭化珪素の存在 は、焼結中にβ型結晶からα型結晶への相変態を促進す
るため、α型炭化珪素の粗大な板状結晶が生成して焼結
を阻害し、高密度で均一な高強度の焼結体を得ることが
困難となる。従って得られる炭化珪素はβ型結晶である
ことが好ましい。

Ｋ血五及ヱル敷困 以下、本発明に係る炭化珪素粉末及びその製造方法の実
施例及び比較例を説明する。

実施例Ｉ ＶＡＤ法により合成した５かさ密度的０゜３ｇ／ｃｍ”
　、比表面積的１２ｍ２７ｇ、平均粒子径的０．２Ｈｍ
の多孔質合成石英ガラスを、メタンガス１００％の雰囲
気下で１ＯＯＯ℃、１時間処理し、炭素／二酸化珪素の
モル比が約２．８である多孔質合成石英ガラス−炭素複
合体を得た。ついでこの複合体を２０００℃、真空下で
３時間焼成したところ、第１表及び第２表に示したよう
に、不純物の含有量が極僅かでかつ微細なβ型結晶の炭
化珪素粉末が得られた６ 実施例２ 実施例１と同様の多孔質合成石英ガラスを、メタンガス
２０％、水素ガス９０％の雰囲気下で１０００℃、１．
５時間処理したところ、炭素／二酸化珪素のモル比が約
１．２である多孔質合成石英ガラス−炭素複合体を得た
。ついでこの複合体を２０００℃、真空下で３時間処理
したところ、第１表に示したようにやや粗大なβ型結晶
の炭化珪素粒子が得られた。

比較例１ 実施例１と同様の多孔質合成石英ガラスを、メタンガス
１００％の雰囲気下で１０００℃、１．５時間処理した
ところ、炭素／二酸化珪素のモル比が約３．７である多
孔質合成石英ガラス−炭素複合体を得た。ついでこの複
合体を２０００℃、真空下で３時間処理したところ、第
１表に示したように塊状の多孔質炭化珪素が得られ、粉
末状の炭化珪素は得られなかった。また不純物として炭
素が存在していた。

比較例２ 実施例１と同様の多孔質合成石英ガラスを、メタンガス
２０％、水素ガス９０％の雰囲気で１０００℃、１時間
処理したところ、炭素／二酸化珪素のモル比が約０．８
である多孔質合成石英ガラス−炭素複合体を得た。つい
でこの複合体を２０００℃、真空下で３時間処理したと
ころ、第１表に示したようにかなり粗大な炭化珪素粒子
が得られ、また収率は約２２％と他と比べて低かった。

なお、５ｉ（Ｊ、とｃｃｌｌ、どの気相反応により得ら
れる炭化珪素粉末の純度を比較例３として第２表に併言
己する。

（以　下　余　白） 第１表及び第２表から明らかなように、炭素／二酸化珪
素のモル比が１以上かつ３以下の範囲内にない比較例１
及び比較例２の炭化珪素では、塊状のあるいは粗大な炭
化珪素粒子が得られているのに対し、炭素／二酸化珪素
のモル比が１以上かつ３以下である実施例１及び２では
、不純物の含有量が極僅かであり、平均粒子径が０．０
１〜１０μｍ、比表面積が１０〜７０ｍ”ｇ　Ｏ’）範
囲内にある高純度で焼結性が良いサブミクロンオーダー
のβ型炭化珪素が得られている。

従って上記実施例に係る方法は、高純度で焼結性が良い
サブミクロンオーダーのβ型炭化珪素を容易にかつ歩留
まり良く製造する上で有効であり、このβ型炭化珪素を
使用することによって高密度で均一な高強度の焼結体が
得られることとなる。

及ユ五盈１ 以上の説明より明らかなように、本発明に係る炭化珪素
粉末においては、不純物として存在する遷移金属、両性
金属、アルカリ金属及びアルカリ土類金属の含有量が１
０ｐｐｍｌＪ下であり、平均粒子径が０，０１〜１０μ
ｍ、比表面積が１０〜７０ｍ２７ｇであるので、この炭
化珪素粉末を用いることにより、高密度で均一な高強度
の焼結体を得ることができる。

また上記炭化珪素粉末の製造方法においては、ＶＡＤ法
を用いて形成された合成石英ガラス多孔体中に、炭化水
素ガスあるいはハロゲン化炭素ガスの熱分解により炭素
／二酸化珪素のモル比が１以上かつ３以下となる炭素を
析出させ、この後１６００〜２５００℃で焼成する工程
を含むので、特に耐熱セラミックス成形体材料として有
用な高純度で焼結性が良いサブミクロンオーグーのβ型
炭化珪素を、粉砕工程を必要とすることなく容易に、か
つ歩留まり良く製造することができる。

特許出願人：住友金属工業株式会社

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）不純物として存在する遷移金属、両性金属、アル
   カリ金属及びアルカリ土類金属の含有量が１０ｐｐｍ以
   下であり、平均粒子径が０．０１〜１０μｍ、比表面積
   が１０〜７０ｍ＾２／ｇであることを特徴とする炭化珪
   素粉末。
2. （２）ＶＡＤ法を用いて形成された合成石英ガラス多孔
   体中に、炭化水素ガスあるいはハロゲン化炭素ガスの熱
   分解により炭素／二酸化珪素のモル比が１以上かつ３以
   下となる炭素を析出させ、この後１６００〜２５００℃
   で焼成する工程を含むことを特徴とする請求項１記載の
   炭化珪素粉末の製造方法。