JPS62260772A - 高純度炭化珪素焼結体の製造方法 - 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 本発明は高純度炭化珪素焼結体及びその製造方法、更に
詳しくは焼結助剤を用いることのない高密度の炭化珪素
焼結体及びその製造方法に関する。

炭化珪素は耐熱性、耐摩耗性、耐腐蝕性に優れ、高温に
おける強度も高い特性を有するため、その焼結体はガス
タービン部品、エンジン部品、熱交換器部品、耐摩耗ラ
イナ一部品、化学プラントの耐腐蝕部品などの構造材料
としての応用研究が行われている。一方、半導体分野に
おいても炭化珪素の持つ熱伝導の良さを利用してその焼
結体を放熱部品としてまた■、■族元素をドーピングし
て半導体素子としての応用研究がなされている。

の元素の１種または２種以上を焼結助剤として原料粉末
に数％含ませて使用することが必要であった。ところが
これらの焼結助剤を含ませると、焼結体の粒界に焼結助
剤が不純物として析出し、その不純物が炭化珪素に比べ
て低融点で低強度であるため、本来の炭化珪素が有して
いる高温における高強度であると言う優れた性能を低下
させる原因となっていた。また高純度を要求される半導
体分野ではこの不純物が電気特性を悪化させ、そのよう
な分野へは応用できなかった。この欠点を改善するため
には、焼結助剤の含有量を出来る限り少なくする必要が
あるが、焼結助剤の含有量が微量であれば前述のように
高密度化し得ない。もし焼結助剤を全く含まないか、ま
たは微量しか含まない原料粉末を高密度に焼結させよう
とするには、超高圧力を利用するなど特殊な方法を用い
ない限り不可能であった。

発明の目的 本発明は従来の炭化珪素焼結方法における問題点を解消
すべくなされたもので、その目的は焼結助剤を実質的に
全く含ませないか、または極微量の焼結助剤ですむ高密
度の炭化珪素焼結体及びその製造方法を提供するにある
。

発明の構成 本発明者らは前記目的を達成すべく鋭意研究の結果、気
相反応法で合成された炭化珪素のなかで、焼結活性度０
．５〜１．０と高く、平均粒径０．１　μｍ以下の微粉
末を従来の炭化珪素粉末に混合して焼結させたところ、
焼結助剤を必要とせず高密度な高純度炭化珪素焼結体が
得られることを究明し得た。この知見に基いて本発明を
完成した。

本発明の要旨は、 通常の炭化珪素粉末に気相反応法で合成された焼結活性
度０．５〜１．０の活性の貰い炭化珪素微粉末を混合し
た混合誼粉末を作り、これを成型、加５．．ミニ焼結体
。にある。

本発明において言う通常の炭化珪素粉末とは、（１）黒
鉛と珪素を１１５０℃以上で反応させる方法。

（２）黒鉛とシリカを１４７５℃以上で反応させる方法
。

（３）珪砂、コークス、のこくず、塩を電気炉中で２２
００〜２５００℃で反応させて不純物を除去する方法。

などの方法で合成した炭化珪素を総称したものであ（１
）原料としてＳ　ｉ　Ｈ４とＣｚ　Ｈ４を高周波等にぶ
ζ°２：：丁り励起されたＡｒ熱プラスマ中に渾大して
合成する方法 ！２）Ａｒ雰囲気中にＣＯ□レーザーを照射し、そのビ
ーム中に原料ガスとしてＳ　ｉ　ＨａとＣＺ　Ｈａを導
入して合成する方法。

等ガス状態又はプラズマ状態の分子、原子、イオンの反
応により合成されたものを総称する。

この気相反応法で合成すれば、平均粒径は０．１μｍ以
下で焼結活性度は０．５〜１．０と活性が高い炭化珪素
微粉末を得ることができる。

ここに言う焼結活性度とは、 で表わされる。

ただし、理論密度とは炭化珪素の真比重３．２ｇ／　ｃ
ｍ　３を１００％とする値で、１００と言う定数である
。成型体密度比とは、焼結前の成型体のかさ密倍した値
である。成型体密度比及び焼結体密度比を測定する際に
は、成型条件例えば成型バインダー等の成型のための添
加物の種類や量、成型圧力。

成型方法などや焼結条件例えば温度９時間、圧力。

雰囲気などを一敗させて測定するものとする。

本発明において使用する通常の炭化珪素粉末は、その結
晶相がα相、β相、非晶質相あるいはそれらの混合相で
あってもよい。またその粒度は平均粒径５μｍ以下、好
ましくは１μｍ以下であることがよい。粒度が大きいと
表面応力が小さく、焼１０ｊ゛ あってもよい。通常の炭化珪素粉末と気相反応法で合成
された炭化珪素微粉末の混合割合は、後者の混合割合が
０．１〜５０重景％重量ることが好ましい。

０．１重量％より少ないと混合効果が発揮できなく、５
０重量％以上では、気相反応で合成された炭化珪素は一
般的に高価であるため、製品が高価となるばかりで、か
つ密度をあげるためには、それ以上必要としない。

本発明においては、焼結助剤を実質的に全く含ませない
で、高密度な高純度炭化珪素焼結体を製造しうろことが
、最大の特長であるが、該混合物に極微量の焼結助剤を
添加してもさしつかえない。

はいうまでもない。　　　　　　　　　　　　　　′ニ
ーさらに、炭化珪素粉末の製造中に、不可避的に混入す
る微量の不純物は、わざわざ精製する必要はない。

本発明の方法で高密度の炭化珪素が得られるのは、従来
から言われているような、成型体中の粗粒間に出来る幾
何学的な空隙を微粒で埋めて成型体密度を向上させ、引
いては高密度となすのではない。本発明においては、通
常の炭化珪素粉末の表面に気相反応法で合成された炭化
珪素微粉末を分散させ、この分散微粉末の活性な焼結力
を試料全体の焼結性の向上に寄与させるものである。

を向上させると言うのであれば、従来から言わ−いない
。このことは粗粒間に出来る幾何学的な空隙を微粒で埋
めると言った効果ではなく、気相反応法で合成された炭
化珪素の焼結活性度の高いことに起因し、その焼結力が
試料全体の焼結力を高め得たことを示している。

粉を用いても、焼結活性の低い粉末であれば高密度の焼
結体となし得ない。

以上の事実からも、本発明の高密度化の起因が、前記の
通りであることが分かる。

本発明における両粉末の混合方法は均一に混合できれば
どのような混合法でもよい。また成型方法は従来から知
られて悟るプレス成型法、アイソスタティク成型法、い
こみ成型法、テープ成型法。

カレンダーロール成型法、押出し成型法、射出成型法等
どのような方法でもよい。

焼結に使用する焼結装置は常圧焼結装置、雰囲気加圧焼
結装置、加圧焼結装置（ホットプレス）。

静水圧加圧焼結装置など従来から使用されている一般的
な装置で良く、特別な装置を必要としないし、焼結時の
雰囲気としても、従来から知られている真空、不活性ガ
ス、還元性ガスが使用でき特殊な雰囲気を必要としない
。

実施例１ 市販の平均粒径０．３μｍのβ−３ｉＣ粉末（不純物Ｆ
ｅ＜４００ＰＰＭ、ＡＩ＜３００ＰＰＭ、Ｂ＜１１０Ｐ
Ｐ　）　７０部と、気相反応法（原料ガスとしてＳ　ｉ
Ｈ４とＣ２Ｈ４を、高周波により励起されたＡｒ熱プラ
ズマ中に導入して合成した。）により製造した平均粒径
７ｎｍの活性度の高い炭化珪素徽扮末（焼結活性度＝０
．８　、不純物Ｆｅ＜　１０ＰＰＰＩ　、　Ａｌ＜　１
０ＰＰＭ　、　　Ｂ＜　ｌ　ＯＰＰ門）３０部と、成型
バインダとしてｐｖｐ　＜ポリビニルピロリドン）２部
と、溶媒としてメチルアルコールをポリエチレン類の容
器に入れて遊星型ボールミルで１２時間混合した後、乾
燥・解砕し、通常の一軸プレス機で円板状に成型した。

その重量と寸法を測定し成型体密度を求めたところ相対
密度＝５０．６％（理論密度−３，２１８／ｃｍ″を１
００％として計算した。以下同様。）であった。さらに
、その成型体を解砕し目開き１２５μｍの篩を通した後
、黒鉛製のホットプレス容器に詰め、４０ＭＰａの加圧
下、Ａｒｔａｔｍの雰囲気中で、５０°Ｃ／ｍｉｎの昇
温速度で昇温し、２２００℃で３０分間保持して焼結し
、その後、放冷した。冷却後、取り出した試料の密度を
アルキメデス法で測定したところ相対密度＝９３．８％
であった。焼結体のエツチング面をＳＥＭ写真にとり平
均粒径を求めたところ平均粒径＝３μｍの微細な微構造
をした高密度な高純度炭化珪素焼結体であったＯ 実施例２゜ 実施例１と同じ市販の炭化珪素粉末９６部と、実施例１
と同じ活性の高い炭化珪素微粉末４部と、成型バインダ
としてＰＶＰ２部と、溶媒としてエチルアルコールをポ
リエチレン類の容器に入れて、実施例１と同様に混合・
乾燥・解砕・成型したところ、成型体の相対密度＝５３
．３％であった。さらにその成型体を解砕し目開き１２
５μｍの篩を通した後、黒鉛製のホットプレス容器に詰
め、４０ＭＰａの加圧下、Ａｒｌａｔｍの雰囲気中で、
５０’Ｃ／ｍｉｎの昇温速度で昇温し、２２００°Ｃで
３０分間保持して焼結し、その後、放冷した。冷却後、
取出した試料の密度をアルキメデス法で測定したところ
相対密度＝９８．８％であった。

実施例３ 市販の平均粒径０．７μｍのα−５ｉＣ粉末９５部と、
実施例１と同じ活性の高い炭化珪素微粉末５部と、成型
バインダとしてＰＶＰ２部と、溶媒としてエチルアルコ
ールをポリエチレン類の容器に入れて、実施例１と同様
に混合・乾燥・解砕・成型したところ、成型体の相対密
度＝５０．６％であった。さらにその成型体を解砕し目
開き１２５μｍの篩を通した後、黒鉛製のホットプレス
容器に詰め、４０１ａの加圧下、Ａｒ１ａｔｎ＋の雰囲
気中で、５０℃／ｍｉｎの昇温速度で昇温し、２２００
℃で３０分間保持して焼結し、その後、放冷した。冷却
後、取出した試料の密度をアルキメデス法で測定したと
ころ相対密度＝９８．９％であった。

実施例４ 実施例１と同じ市販の炭化珪素粉末９５部と、実施例１
と同じ活性の高い炭化珪素微粉末５部と、チルアルコー
ルをポリエチル−製の容器’ｌ。

った。その成型体を、Ａｒｌａｔｍの雰囲気中で、５０
℃／ｍｉｎの昇温速度で昇温し、２３００℃で３０分間
保持して常圧焼結し、その後、放冷した。冷却後、取出
した試料の密度をアルキメデス法で測定したところ相対
密度＝８５．７％であった。

実施例５ 実施例１と同じ市販の炭化珪素粉末９５部と、気相反応
法（Ａｒ雰囲気中にＣＯ□レーザーを照射しそのビーム
中に、原料ガスとしてＳｉＨ，とＣ２Ｈ４を導入して合
成した。）により製造した平均粒径２０ｎｍの活性の高
い炭化珪素微粉末（焼結活性度＝０．７５．不純物Ｆｅ
＜ＩＯＰＰＭ、ＡＩ＜１０ＰＰＭ　、　　Ｂ＜　１０Ｐ
ＰＭ　＞　　５部と、成型バインダとしてＰＶＰＺ部と
、溶媒としてエチルアルコールをポリエチレン類の容器
に入れて、実施例１と同様に混合・乾燥・解砕・成型し
たところ、成型体の相対密度＝５５．８％であった。そ
の成型体を、Ａｒｌａｔｍの雰囲気中で、５０℃／ｍｉ
ｎの昇温速度で昇温し、２２００℃で３０分間保持して
常圧焼結し、その後、放冷した。冷却後、取出した試１
’４の密度をアルキメデス法で測定したところ相対密度
＝８６．５％であった。

比較例１ 実施例１と同じ市販の炭化珪素粉末１００部と、成型バ
インダとしてＰＶＰ２部と、溶媒としてメチルアルコー
ルをポリエチレン製の容器に入れて、実施例１と同様に
混合・乾燥・解砕・成型したところ、成型体の相対密度
＝５６．５％であった。その成型体を、４０ＭＰａの加
圧下、Ａｒｌａｔｍの雰囲気中で、５０℃／ｍｉｎの昇
温速度で昇温し、２２００℃で３０分間保持して焼結し
、その後、放冷した。

冷却後、取出した試料の密度をアルキメデス法で測定し
たところ相対密度＝７５．９％であった。

この場合は、焼結活性の高い炭化珪素微粉末を含んでい
ないので、焼結体の密度は低密度になっている。

発明の効果 本発明によると次のような優れた効果を奏し得られる。

（１）得られる焼結体は高密度であり、しかも焼結助剤
を全く含まないか、または微量しか含まないので、焼結
体の粒界に不純物が析出せず、粒内にも含まれない高純
度で構造欠陥のない焼結体が得られる。

（２）焼結を従来より低温で行い得られ、そのため粒成
長が抑制され、微細構造をした焼結体が得られ、高強度
のものとなる。

（３）従来、焼結助剤を使用せず、高密度の焼結体を得
るためには超高圧力で加圧するなどの特殊な方法を必要
としたが、そのような特殊方法を使用せず、容易に高密
度、高純度の炭化珪素焼結体が得られるので、設備的及
び操業条件で有利である。

（４）焼結助剤を必要としないか、あるいは極微量です
むので、生産コストからも有利である。

（５）焼結助剤を含まない高純度のものとなし得るので
、従来使用し難かった半導体分野にも容易に利用するこ
とが可能となった。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １）通常の炭化珪素粉末に気相反応法で合成された焼結
   活性度０．５〜１．０の活性の高い炭化珪素微粉末を混
   合し、これを成型、加熱焼結することによって得られる
   高純度炭化珪素焼結体。 ２）活性度の高い炭化珪素微粉末の混合割合が０．１〜
   ５０重量％である特許請求の範囲第１項記載の高純度炭
   化珪素焼結体。 ３）焼結体の密度が理論密度の８５％以上である特許請
   求の範囲第１項記載の高純度炭化珪素焼結体。 ４）通常の炭化珪素粉末に気相反応法で合成された焼結
   活性度０．５〜１．０の活性の高い炭化珪素微粉末を混
   合した混合粉末を作り、これを圧密化した成型体を不活
   性ガス、還元性ガスもしくは真空雰囲気中で加熱、焼結
   することを特徴とする高純度炭化珪素焼結体の製造方法
   。 ５）活性度の高い炭化珪素微粉末の混合割合が０．１〜
   ５０重量％である特許請求の範囲第４項記載の高純度炭
   化珪素焼結体の製造方法。 ６）焼結体の密度が理論密度の８５％以上である特許請
   求の範囲第４項記載の高純度炭化珪素焼結体の製造方法
   。