JPS63149142A - 多層成形断熱体並びにその製造方法 - 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】 〔産業上の利用分野〕 本発明は金属の焼入れ、焼鈍、ろう付は等の金属熱処理
や粉末金属の焼結、金属の蒸着、セラミックス原料の精
製、焼結等減圧下又は不活性ガス雰囲気下に於いて、高
温処理を行う炉に使用する断熱材、半導体製造用結晶引
上げ装置や化学又は物理蒸着装置、プラズマ処理装置等
に於いて用いられる断熱材、並びにその製造方法に関す
る。

〔従来の技術及びその問題点〕

従来、真空炉のような高温で使用する炉の断熱材として
は古くは耐火レンガが、最近はセラミック系、鉱サイ系
、ロックウール系繊維束フェルト等が用いられて来た。

このような無機繊維材料は可撓性があり、厚さも殆んど
均一なものとして提供されるため、炉内に装着する容易
さと確実な断熱性を得やすいことや、嵩高で熱容量が小
さく昇温や冷却の時間も短縮される等の有用性が認めら
れているが、これ等を上記の用途分野へ適用する場合い
くつかの欠点が指摘されている。

欠点として先づ耐熱性の欠点が挙げられる。即ち、これ
等無機繊維系フェルトを用いた場合の耐熱性は通常１０
００℃程度であり、特に優れたものでも１５００℃が限
界である。

このような無機繊維系の欠点を補なうために炭素系のフ
ェルト、或いは膨張黒鉛粉を圧縮、成型、適当な外被物
にて被覆した形式の断熱材が提案された。このような炭
素系材料を用いた場合、耐熱性は約３０００℃と極めて
高く、且つ嵩高な形で成型出来るので、高い断熱性も付
与出来る。例えば膨張黒鉛を用いたものとして実開昭５
１−１５７６７号公報、炭素繊維を用いた断熱材として
、例えば実開昭５０−３９５７１号公報に示される炭素
フェルトと炭素繊維からなる布、トウ、紙の組み合わせ
断熱材、特公昭５０−３５９３０号公報に係る炭素フェ
ルトをフェノール樹脂で固定したもの、或いは実公昭５
８−２９１２９号公報Ｇこ示されている様に、炭素質フ
ェルトを気密性を持つ厚さ１ｍｍ以下の黒鉛シートで、
炭素質結合体を用いて接合して積層構造となしたる断熱
体等が提案されている。

これ等炭素フェルトを断熱主体とした材料は、耐熱性、
断熱性共に優れた点があるが、最近の高度に管理された
厳しい反応及び操作条件下で使用するにはいまなお次に
示す様ないくつかの欠点が指摘され始めた。

第１の欠点はこれ等断熱材は不純物レベルが高く、高温
下での反応雰囲気下にて使用中に、断熱材から発生ずる
不純物が、製品を汚染し、品質の劣化、歩留りの低下等
を招く要因となることである。

第２の欠点として、これ等断熱材は多くの場合減圧又は
高真空下で使用されることが多いが、炉内圧を昇降させ
る度に、フェルトを包む黒鉛シート材の気密性が高い場
合には断熱体内部のガスの逃散や流入が排気速度に追従
出来ず、膨れたり、凹んだりして、これが繰り返され、
遂には断熱体の破損を惹起し、内部のフェルト折損片が
炉内に吹き出し、炭素の細粉で製品が汚染される等の二
次的欠点が指摘されている。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明が解決しようとする問題点は、従来のこの種断熱
体の上記欠点を解消することであり、更に詳しくは不純
物レベルの低い、且つ炉内圧の昇降に際しても破壊され
ない、高品質の断熱体並びにその製造方法を提供しよう
とすることである。

〔発明の構成並びに作用〕

先づ本発明に係る断熱体の構成について説明する。

本発明に係る断熱体は、通気性を有する炭素繊維フェル
トと、通気性を有する黒鉛シートとを、炭素質の結合材
を介して接着させた接合面を少なくとも１面以上持つ積
層された構造を有する多層成形断熱体であり、基本的に
は通気性を有する黒鉛シートにて通気性のある炭素質フ
ェルトを包んだ形式の断熱材であることを特徴としてお
り、そのいくつかの具体例は第１〜４図に示す通りであ
る。

但し第１〜４図中（１）は通気性を有する黒鉛シート、
（２）は通気性を有する炭素質フェルトを示す。

このように本発明断熱体に於いては外側を通気性を有す
る黒鉛シートで被覆することにより、内部の炭素質フェ
ルトの折損片の逃散、逸出による炉内雰囲気の汚染を防
止し、且つ操業時に炉内圧力を昇降せしめた際に断熱材
内部のガスが容易に外部に出入出来る構造とし、よって
断熱材の外、内圧による破壊を防ぐ作用を有する。

一般に膨張黒鉛を圧延して製造される黒鉛シートは、非
常に気密性が高く、従来市販されている「グラフオイル
Ｊ（ＵＣＣ社製）、ｒＰＡＰＹＥＸＪ（Ｌｕ　Ｃａｒｂ
ｏｎ社製）、ｒｓＩＧｌ？ＡＦＬＥＸ　Ｊ　　（ジ−ク
リ社製）を例にとってみても、そのガス透過率は共に１
０−５〜１０＝ｃ＋（／ｓｅｃの範囲にあり、実質的に
殆んどガスを透過しない高気密性のものである。

これに対し、本発明に於いて使用する黒鉛シートは実質
的に通気性を有するものであり、従来から使用されてい
る黒鉛シートとは、この点で明確に区別されうるちので
ある。

このような実質的に通気性を有する黒鉛シートとしては
、例えば多数の細孔を有せしめたものを例示出来、所望
のガス透過率を満足するように細孔の径と数を調整すれ
ば良い。この細孔を設ける手段自体は本発明に於いては
、何等重要ではないが、例えば従来から使用されて来た
各種の気密性を有する黒鉛シートに対して針状のピン又
はパンチで表裏に貫通した細孔を穿つ機械的方法や、黒
鉛シートを製造する際に原料膨張黒鉛に対して熱分解に
よって揮散、消失する有機質物質例えば繊維を混ぜた後
圧延、シート化したのち、このシートを加熱して有機質
物質を除去して貫通孔を生じさせる化学的方法が採られ
る。

本発明断熱体を構成する素材としては上記の黒鉛シート
の他に、炭素質フェルトと炭素質接合剤がある。

この炭素質フェルトとしては従来から使用されて来たも
のがいずれも使用出来、より具体的には例えば有機質繊
維を出発原料とするもの、石炭系や石油系タール、ピン
チ等を原料としたもの等が挙げられる。またこれ等原料
から得られた糸状物を、フェルト状となした後、不融化
、焼成して得られる炭素繊維マットも多量に市販されて
いるので好都合である。また本発明に於いては炭素質フ
ェルトとして、これを黒鉛化したものも使用出来る。

また炭素質接着剤としては、焼成することにより炭化し
うる材質の接着剤を炭化したものであり、上記炭化しう
る材質の接着剤として、各種有機質接着剤が例示出来、
更に具体的には合成又は天然樹脂系、ピッチやタール系
接着剤、澱粉、デキストリン、コーンスターチ、稠密等
の多糖類系接着剤を例示出来る。尚本発明に於いては炭
素質接着剤としては実質的に使用時に炭化しておれば良
く、上記炭化しうる接着剤で未だ炭化していないものも
包含され、使用時の高温に依り実質的に炭素質接着剤と
なるものも包含される。

本発明のｌＩｉ熱体の最も好ましい態様としては第６図
に示すような周囲がすべて通気性を有する黒鉛シート（
１）で炭素質フェルト（２）が被覆さた形状のものを例
示出来るが、これが２個以上積層されたもの或いはまた
通気性黒鉛シートを適宜の間隔で仕切り補強したものも
また好ましいものとして挙げることが出来る。その化４
辺のうち少なくとも１辺が削除されたものも包含される
。

黒鉛シートの厚みとしては通常０．２〜１．５　ｍｍ好
ましくは０．４〜１．　Ｏｍｍ程度であり、また炭素質
フェルトの厚みとしては特に強制的に圧縮しないものと
して２０〜２００ｍｍ好ましくは３０〜１００ｍｍ程度
である。本発明に於いては黒鉛シートを１枚以上数枚例
えば２〜５枚程度積層した場合も包含され、上記黒鉛シ
ートの厚みは１枚の厚みを即ち単位黒鉛シートの厚みを
指している。また炭素質フェルトの厚みとしては強制的
に押圧を加えずにそのま＼の状態の厚みを指し、本発明
に於いてはこのフェルトを強制的に厚さ方向に圧押して
使用しても良い。接着剤の使用量は黒鉛シートと炭素質
フェルトとが、また炭素質フェルト自体が移動しないよ
うに或いは繊維と繊維の接点にたまってフェルトの剛性
を若干高める程度に、固着、接着される量で良い。

本発明の断熱体として、これ等を構成する黒鉛シート、
炭素質接着剤及び炭素質フェルトの少なくとも１種、特
に最小限黒鉛シートが、高純度化されていることが好ま
しい。またこれ等３者のすべてが高純度化されているこ
とも好ましい。この際の高純度化とは、無機質不純物の
含有量が少ないことを意味し、上記構成素材の夫々一つ
一つが、又は全体の通常上記不純物の量が１１００ｐｐ
以下が好ましい。

この際の高純度化方法は、上記構成素材を減圧、高温下
にて、ハロゲン含有ガスに接触せしめ、不純物として含
まれる金属類を、より蒸気圧の高いハロゲン化物に変え
て除去する手段を例示出来るが、これに限定されるもの
ではない。またこの際使用するハロゲン含有ガスとして
は塩素又はフノ素化合物のガスやハロゲンガスを例示出
来、具体例としては２フン化エタン、フン素ガス等が挙
げられる。また水素ガスを併用しても良い。但し炭素質
接着剤の高純度化に際しては、黒鉛シート及び炭素質フ
ェルトを接着した後、炭化する関係上、断熱体とした後
に高純度化することとなる。

而して炭素質フェルトを、或いは（及び）黒鉛シートを
予め高純度化した後に、断熱体を作製しても良く、また
断熱体とした後に高純度化しても良い。後者の方法によ
り高純度化する際には黒鉛シートが実質的に通気性を有
するために、外部からハロゲンガスを供給しても、内部
の炭素質フェルトや接着剤もそのま−で高純度化するこ
とが出来る大きな利点があり、従来の気密性の黒鉛シー
トを使用したこの種断熱材では、この方法に依ってはハ
ロゲンガスが通過しないので高純度化出来ないし、また
接着剤を高純度化することも出来ない。

この高純度化の最も好ましい態様は、上記断熱体を同時
に高純度化するに際して、この断熱体を一つの炉で取り
出すことなく連続して焼成、黒鉛化、高純度化を行う態
様である。

ここに重要なことは、断熱体内部まで高純度化を進める
ためには、ハロゲン化合物が内部まで進入し、且つハロ
ゲン化され気化した不純物が断熱体外部にまで排除され
なければ効果は極めて少ない。このためには気密性の高
い従来の黒鉛シートでは実質的に高純度化され難く、本
発明にか＼る通気性を有する黒鉛シートを用いることが
不可欠の要因となって来ることである。

また高純度化をより迅速に確実に進めるために、ハロゲ
ンガスの内部への浸透、ハロゲン化された不純物ガスの
外部への拡散を早めるために反応容器内の圧力を変動さ
せて高くしたり低くしたりすることが好ましい場合があ
り、このような場合には黒鉛シートが通気性を有するこ
とが不可欠となる。

またこの細孔を設けず、実質的に通気性のない黒鉛シー
トを使用した場合には反応容器内の圧変動によって、膨
れたり、凹んだりし、接合面特に角（カド）の部分の接
合面が繰り返し応力で破損し、内部の炭素塵が断熱材成
型体外部へ噴出し、使用途中で製品の汚染につながる二
次的欠陥現象を惹起する原因にもつながる。

この現象は、実際に真空炉中で、製品製造工場に於いて
も、絶えず常圧（原料、製品の出し入れ）、真空（製造
工程操業時）の繰り返し力が加えられ、黒鉛シートの剥
落、炭塵の噴出等の誘発遠因ともなっている。

一般に、高純度化は反応系内を減圧条件、例えば１０−
１〜１０−５に全圧を保ちつつ、黒鉛又は炭素材断熱体
を１５００〜２０００℃に保ち、前記のハロゲン化合物
を流通せしめる。必要に応じ反応系内の圧を上、下させ
る。第１表に、２０００℃にて５分間保って高純度化し
た断熱材の不純物量測定値を参考値としてか＼る高純度
化しない材料の不純物量を示す。

この高純度化処理のための高温焼成によって内部の炭素
材フェルト層が黒鉛化され強化される副次的な好結果も
もたらされる。

若し高い純度の断熱材が要求される場合には３０００℃
まで高められた温度下にて高純度化処理を行うと、実質
的に不純物量を２　ｐｐｍ以下にまで下げることが出来
る。

但し、この第１表で使用した断熱材は中国産黒鉛を原料
とする黒鉛シートと、石炭系タールを原料とするフェル
トの組み合わせ断熱材の例であり、他の産地の黒鉛、石
油系原料のフェルトを用いた場合不純物の種類が異なる
ことがあるが、何れの場合も本発明方法によって不純物
量を５０ｐｐｍ以下に容易に下げることが出来るもので
ある。

第１表 本発明の断熱体を製造する方法としては、炭素質フェル
ト又はこれを予め高純度化したもの、と黒鉛シート又は
これを予め高純度化したものとを、上記焼成により炭素
化しうる接着剤を用いて接着固定し、必要に応じて該接
着剤が炭化後高純度化する。

また構成素材がすべて高純度化した断熱体を調製する方
法としては、高純度化されていない各素材から調製した
断熱体を前記した高純度化法により高純度化すれば良い
。

〔実施例〕 以下に実施例を示して本発明を具体的に説明する。

実施例１ 第５図上に示す構造の断熱体を作製した。但し第５図は
斜面図を、第６図は第５図のＸ−Ｘ軸断面を示す。

尚、炭素質フェルトとして、石炭系ピンチから得られた
市販炭素量マントを使用した。

また黒鉛シートは膨張黒鉛を圧延して得られた厚さ０．
８ｍｍ、比重０．８〜１．６　ｇ　／ｃｃのものを使用
した。これの表面に５ｍｍ間隔で、約０．１１径の針で
全面に貫通孔を設は通気性を付与した。

先づ上記炭素量マントを糊化コーンスターチ熔Ｇ 液（濃度３５％）に浸漬して引き上げ、マントを形成す
る繊維と繊維との各接点に稠密を付着せしめる。次いで
引き上げた後、上記黒鉛シート面に積層し接合する。

これを六方から圧接硬化せしめて第５図に示す形状の断
熱材を得た。

実施例２ 上記実施例１にて得られた断熱材を多数、誘導電気加熱
炉内に積み上げ予備焼成、炭化、（必要に応じて黒鉛化
）、高純度化処理を行う。その条件は約１０Ｔｏｒｒの
減圧下、予備焼成は約３００〜５００℃にて行い、炭素
質接着剤として使用した不飽和ポリエステルが炭化する
ことを目的とする。

約３時間保ったのち、炉はそのま＼昇温を続け８００〜
１０００℃にて３時間加熱して炭化反応を完結せしめる
。

実施例３ 上記実施例２に於いて、炭化工程が完結した状態から引
続いて更に２０００°Ｃに昇温を行い、３〜５時間減圧
下にて加熱を続けて、黒鉛化した。

次いでこの状態から降温、圧力を常圧に戻したのち、放
冷した。

実施例４ 上記実施例３に於いて、上記黒鉛化工程を進める途中で
、２７フ化エタンを焼成炉中に導入する。

不純物は蒸気圧の高いハロゲン化物となって反応系外に
除去された。

【図面の簡単な説明】

第１〜６図はいずれも本発明の断熱体の一例を示す図面
である。 ■・・・・・・黒鉛シート ２・・・・・・炭素質フェルト （以上） 第１図 第２図 第３図 第４図 第５図

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. （１）通気性をもつ炭素質フェルトと、通気性を有する
   厚さ１ｍｍ以下の黒鉛シートとを、炭素質の結合剤を介
   して接着させた接合面を少なくとも１面以上持つ積層さ
   れた構造を有する多層成形断熱体。
2. （２）無機質元素不純物を減少せしめて高純度化された
   特許請求の範囲第１項記載の断熱体。
3. （３）通気性を有する黒鉛シートが多数の貫通細孔を有
   するものである特許請求の範囲第１項又は第２項記載の
   断熱体。
4. （４）高純度化の程度が不純物が１００ｐｐｍ以下であ
   る特許請求の範囲第２項記載の断熱体。
5. （５）多層成形断熱体を製造するに際し、これを焼成、
   黒鉛化、高純度化を同一炉中で炉中から取り出すことな
   く連続して行うことを特徴とする多層成形断熱体の製造
   方法。
6. （６）多層成形断熱体を減圧下、ハロゲンガスと接触せ
   しめて高純度化することを特徴する特許請求の範囲第５
   項記載の多層成形断熱体の製造方法。