JPS62216981A - 炭化珪素質複合材料の製造方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、炭化珪素質複合材料の製造方法に関し、特に
本発明は、電子工業用の耐熱性治具のうち例ば半導体の
拡散・酸化処理などに使用されるプロセス／ｆｆ等のガ
ス不浸透性か要求される用途及びウェハーポート等の強
度の要求される用途に適したシリコン滲み出しのない炭
化珪素質複合材料を容易に製造することのできる炭化珪
素質複合材料の製造方法に関する。

（従来の技術） 従来、電子工学用の耐熱性治具のうち特にガス不浸透性
か要求される用途に対しては、士として石英ガリス質の
治具か用いられていた。この石英ガラス質の治具は極め
て高純度のものを容易に入手することができ、しかもａ
ｎｒ＋であることから内容物の観察かできる等１種ノ？
の利点を有しているが、耐熱性がやや低いため軟化変形
し易く、また極めて高純度の環境を維持するために必要
とされるフッ化水素酸での洗浄に対する耐性に劣る欠点
を４１するものであったつ ところで、最近になってこのような欠点を解決し得る材
料として多孔質炭化珪素焼結体の開放気孔中に金属シリ
コンが充填された炭化珪素質複合材料か開発され使用さ
れている。

Ｉｒ１述の如き炭化珪素質複合材料に充填される金属シ
リコンは一般に溶融状通で多孔質炭化珪素焼結体の開放
気孔中へ含浸することにより充填される６しかしながら
、前記金属シリコンは凝固時に体積膨張を伴うことがら
含浸後の冷却東回時に多孔質炭化珪素焼結体から−Ｕ含
含浸れた金属シリコンの一部か滲み出して表層に金属シ
リコン層が生成し付着する欠点かあった。

上述の如き表層に金属シリコン層の存在しない炭化針Ｊ
質複合材料を製造する方法としては、例えば表層の金属
シリコン層を機械的に研削除去する方法あるいは水酸化
ナトリウム水溶液中で煮沸して溶解除去する方法等が知
られている。

〔発明か解決しようとする問題点〕

しかしながら、前述の如き方法はいずれも一旦生成した
金属シリコン層を除去するための工程を必要とする方法
であり、工程上煩雑であるばかりでなく、前者の機械的
に研削除去する方法は４．１Ｆに複雑な形状を有する治
具を製造することが困難であり、−劣後者の水酸化ナト
リウム木溶液中で煮沸する方法は治具にナトリウムが残
存し易く特に高純度の要求される治具に適用するには好
ましくない方法であった。

木発明者は、上述の如き問題点を解決すべく種々研究し
た結果、多孔質炭化珪素焼結体から冷却時に滲み出す量
に和光する金属シリコンを凝固過程において炭化珪素質
複合材料から極めて容易に除去せしめることのできる方
法を新規に知見するに至り、金属シリコンの滲み出しの
ない炭化珪素質複合材料を得ることができる本発明を完
成した。

（問題点を解決するだめの手段） 本発明によれば、）硬化珪素粉末を成形して生成形体と
なし、非酸化性雰囲気下で焼結した後、前記焼結して得
られた多孔質炭化珪素焼結体の開放気孔中に金属シリコ
ンを充填して炭化珪素質複合材料を製造する方法におい
て、少なくとも前記多孔Ｉｌ！ｊ炭化珪素焼結体の開放
気孔中に金属シリコンを溶融させて含浸し充填した後、
前記多孔？！炭化珪素焼結体にカーボン１１１維成形物
を接触させた状態で冷却して金属シリコンを凝固せしめ
ることにより、シリコン滲み出しのない炭化珪素質複合
材料を製造することができる。

次に本発明の詳細な説明する。

本発明によれば、前記多孔質炭化珪素焼結体の開放気孔
中に金属シリコンを溶融させて含浸し充填した後、前記
多孔質炭化珪素焼結体にカーボン繊維成形物を接触させ
た状態で冷却して金属シリコンを凝固せしめることが必
要である。

その理由は、前記多孔Ｉｌ！を炭化珪素焼結体に金属シ
リコンが含浸された時点でカーボン繊維成形物中にも金
属シリコンが含浸されているか、冷却時において、多孔
質炭化珪素焼結体に含浸されている金属シリコンの凝固
時期かカーボン繊維成形物に含浸されている金属シリコ
ンの凝固時期よりも早いことから、凝固に伴って多孔質
炭化珪素焼結体から滲み出した余分の金属シリコンがカ
ーボン繊維成形物中に収容されることにより、多孔質炭
化珪素焼結体の表層に滲み出しに起因する金属シリコン
層の付着を防ＩＬすることかできるからである。

なお、前記金属シリコンを凝固せしめた後の多孔質炭化
珪素焼結体とカーボン繊維成形物の分離は、前記多孔質
炭化珪素焼結体とカーボン繊維成形物との接触面積を適
宜調整することにより、格別の手段を用いることなく容
易に分離せしめることかできる。

本発明によれば、前記カーボン繊維成形物は、かさ比重
が０．１−１．０ｇ／ｃばの範囲内のものであることが
好ましい。その理由は、かさ比重が１．Ｏｇ／ｃｔｎ’
よりも低いと溶融状態の金属シリコンの保持性に劣るた
め、実質的に多孔！！１炭化珪素焼結体から滲み出す金
属シリコンを収容することが困難であるからてあり、一
方１．０ｇ／ａｍ’よりも高いとカーボン１１雄成形物
が収容することのできる金属シリコン量が少なく、金属
シリコンの滲み出し量に見合うだけのカーボン１１雄成
形物の贋が極めて多くなり経済的てなくなるからである
。

本発明によれば、前記多孔質炭化珪、に焼結体は、前記
炭化珪素粉末として平均粒径か５ルｍ以下の粉末を使用
し、少なくとも１．１２　ｇ／ｃｒｒＩ′のかさ比重を
有する生成形体となした後、　１４００〜２１００℃の
温度で焼成することにより製造したものであることか好
ましい。

前記炭化珪素粉末として平均粒径か５＋ｔｍ以下の粉末
を使用することか好ましい理由は、モ均粒径が５ｇｍよ
り大きい粒度の炭化珪素粉末な使用すると焼結体内の粒
と粒との結合箇所が少なくなるため、高強度の多孔質体
を得ることが困難になるからである。

前記生成形体のかさ比重を、少なくとも１．１２ｇ／Ｃ
ｒｎ′とすることか好ましい理由は、前記がさ比重が１
．１２　ｇ／ｃｒｎ’よりも小さいと炭化珪素粒子相丁
の結合箇所が少なくなるため、得られる多孔質体の強度
が低く堰扱い性に劣るからである。

前記焼成温度を１４００〜２１００℃とすることが好ま
しい野山は、前記温度が１４０口°Ｃよりも低いと粒と
粒とを結合するネックを充分に発達させることが困難で
、高い強度を有する多孔質体を得ることができず、−力
２１００℃よりも高いと一旦成長したネックのうち一定
の大きさよりも小さなネックがくびれた形状となったり
、著しい場合には消失したりして、むしろ強度か低くな
るからである。

次に本発明を実施例および比較例によって現用する。

実施例１ 出発原料として使用した炭化珪素粉末は９６重量％がβ
型結晶よりなる炭化珪素粉末であって、０．１：１重量
％の遊離炭素、　０．：１６毛μ％の酸ぶを含有し、１
．１　ｇｍの平均粒径な有していた。

前記炭化珪素粉末１００重量部に対し、ポリビニルアル
コール５重量部、モノエタノールアミン０．３重量部と
水１００重量部を配合し、ボールミル中で５時間混合し
た後凍結乾燥した。

この乾燥混合物を適量採取し、顆粒化した後、静水圧プ
レス機を用いて１３００ｋｇ／ｃｍ″の圧力で生成形体
を成形した。この生成形体の形状は直径が３０■２長さ
が３０（１■１の円柱状で、かさ比重は１．７３ｇ／Ｃ
ゴ（５４容積％）であった。

前記生成形体を黒鉛製ルツボに装入し、タンマン型焼結
炉を用いて１気圧の主としてアルゴンガス雰囲気中で焼
結した。昇温過程は４５０’Ｃ／時間で２０００℃まで
昇温し、最高温度２０００℃で１５分間保持した。焼結
中のＣＯガス分圧は室温〜１７ｔｌＯ℃か８０Ｐａ以下
、　１７００℃よりも高温域では３００±５０Ｐ３Ｑ）
範囲内となるようにアルゴンガス流量を適宜調整して制
御した。

得られた焼結体は密度が１．７０　ｇ／ｃｒｎ’、開放
気孔率が４７容積％の多孔質体（２０）で、β型炭化珪
素の含有率が９２重着％で残部は主として４Ｈ型と６Ｈ
型のα型炭化珪素てあった。またこの結晶構造は走査型
電子ｗＩ微鏡によって観察したところ１粒状の炭化珪素
納品か比較的太いネックによって複重に絡み合って結合
された三次元構造を有しており、生成形体に対する線収
縮率はいずれの方向に対しても０．３±ｆ１．１％の範
囲内で、この焼結体の平均曲げ強度は１３．８ｋｇ／　
ｍ　ｍ’と高い強度を有していた。

次いで、前記多孔質体（２０）とカーボン繊維成形物（
１１）とを、第１−　Ａ図及び第１−Ｂ図に示すように
黒鉛ルツボ（１０）中に設置し、周囲に純度が９９．９
９重量％以ヒの塊状金属シリコン（１２）を配置した後
１４５（１”ｃに加熱して、金属シリコン（１２）を多
孔質体（２０）の開放気孔中へ浸透させた。

なお、前記カーボン繊＃Ｉ成形物（１１）は、５０×：
ｌｌＯＸ　ＩＱａｍの直方体であり、かさ比重は０．２
ｇ／ｃｍ’である。

得られた炭化珪素質複合材料は１表面層への金属シリコ
ン（１２）の滲み出しによる金属シリコン層が全く認め
られず、極めて良好な表面性状を有しており、平均曲げ
強度は４２．３ｋｇｆ／ｍ　ｒｎ’と強く、熱伝導率は
０．２３ｃａｌ　／ｃｍ　−ｓｅｃ　℃と極めて良好で
あり、耐熱性治具としての用途に極めて優れていること
か認められた。

比較例！ 実施例１とほぼ同様であるが、カーボン繊維成形物に代
えて黒鉛を使用して多孔質体の開放気孔中へ金属シリコ
ンを浸透させた。

なお、前記黒鉛は、かさ比重が１．７ｇ／ｃｍ’のもの
を使用した。

得られた炭化珪素質複合材料は、その表面層に金属シリ
コンの滲み出しによる金属シリコン層か形成されていた
。

Ｘ１例２、比較性ｌ 実施例１と同様であるが、第１表に示す如くかさ比重の
異なったカーボン繊ｒＩａ成形物を使用して多孔質体の
開放気孔中へ金属シリコンを浸透させた。

得られた炭化珪素質複合材料は、比較例２で得られたも
のを除いて、いずれも金属シリコンの滲み出しが全く認
められず、極めて良好な表面性状をイＩしていた。

第１表 なお、木発Ｉ刀の実施例において製造された炭化珪素質
複合材料は、いずれもカーボンｍ１ｇ成形物から容易に
分離することかできた。

本実施例においては、β型結晶を主体とする炭化珪素粉
末を出発原料として製造された多孔￥Ｌ　ｋＲ化珪素焼
結体を使用して説明したが、本発明はα型結晶を主体と
する炭化珪素粉末を出９Ｊ原料として製造された多孔質
炭化珪素焼結体を使用する場合においても適用すること
かできることはもちろんのこと、反応焼結法に３ける金
属シリコンの含浸時に３いても適用することができる。

また、図面の第２図以降においては、多孔質体（２０）
の形状をそれぞれ変えるとともに、この多孔質体（２０
）の縦横関係とカーボン繊維成形物（１１）に対する位
置関係を変えて１本発明に係る方法をそれぞれ実施した
状態か示しである。

第２図にあっては、平板状（通常は円板状である）の多
孔質体（２０）をカーボン繊維成形物（１１）上に横に
して配置した状態が示してあり、第３図は棒状の多孔質
体（２０）をカーボン繊維成形物（１］）の中央部に立
設した状態か示しである。第４−Ａ図及び第４−Ｂ図は
、径の＆なる円板状の多孔質体（２０）を複数カーボン
繊維成形物（１１）、ヒに固定した状態が示しである。

また、第５−Ａ図及び第５−Ｂ図に示した多孔質体（２
０）は棒状ではあるが、その上面側に多数の切込みを有
するものであり、これをカーボン繊維成形物（１１）上
に横置きにしたものであるが、第６図の場合はこの切込
みを有する多孔質体（２０）をカーボンｍ維戊形物（１
１）の中央部に立設した状態が示しである。

」−記の第２図〜第６図に示した状態で本発明を実施し
たところ、いずれも前記実施例と同様な好結果を得るこ
とができた。

〔発明の効果〕

以上述べた如く１本発明によれば、電子工学用の＃熱性
治具１例えば半導体の拡散・酸化処理などに使用される
プロセス管やウェハーポート等の用途に適したシリコン
滲み出しのない炭化珪素質複合材料を格別の処理を必要
とすることなく容易に！Ａ造することかてきるものであ
って産業ｉ：極めて有用である。

【図面の簡単な説明】

各図はシ（発明に係る方法を実施するにあたって実際に
採られる状態を示す縦断面図であり。 第１−Ａ図及び第１−Ｂ図は棒状の炭化珪素質多孔質体
を寝かせた状態を示す縦断面図、第２図は平板状の炭化
珪素質多孔質体を平らにといた状態を示す縦断面図、第
３図は棒状の炭化珪素質多孔質体を立設した状態を示す
縦断面図、第４−Ａ図及び第４−Ｂ図は径の異なる円板
状の１に化珪素質多孔質体を複数縁に置いた状態を示す
縦断面図、第５−Ａ図及び第５−Ｂ図は多数の切込みを
有する）ｋ化珪素質多孔質体を察かぜだ状態を示す縦断
面図、第６１−２１は多数の切込みを有する炭化珪素質
多孔質体を立設した状態を示す縦断面図である。 符　　　号　　　の　　　説　　　明 １Ｄ・・・黒鉛ルツボ、１］−カー；ｉｅンｍＭＮ＆形
物、　１２−金属シリコン、２０・・・多孔質体。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）、炭化珪素粉末を成形して生成形体となし、非酸化
   性雰囲気下で焼結した後、前記焼結して得られた多孔質
   炭化珪素焼結体の開放気孔中に金属シリコンを充填して
   炭化珪素質複合材料を製造する方法において、 少なくとも前記多孔質炭化珪素焼結体の開放気孔中に金
   属シリコンを溶融させて含浸し充填した後、前記多孔質
   炭化珪素焼結体にカーボン繊維成形物を接触させた状態
   で冷却して金属シリコンを凝固せしめることを特徴とす
   る炭化珪素質複合材料の製造方法。 ２）、前記カーボン繊維成形物は、かさ比重が０．１〜
   １．０ｇ／ｃｍ＾３の範囲内である特許請求の範囲第１
   項記載の製造方法。 ３）、前記多孔質炭化珪素焼結体は、前記炭化珪素粉末
   として平均粒径が５μｍ以下の粉末を使用し、少なくと
   も１．１２ｇ／ｃｍ＾３のかさ比重を有する生成形体と
   なした後、１４００〜２１００℃の温度で焼成すること
   により製造したものである特許請求の範囲第１あるいは
   ２項記載の製造方法。