特表 2025-503121 炭化ケイ素含有ワークピースの製造方法および製造装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2025-01-30

(54)【発明の名称】炭化ケイ素含有ワークピースの製造方法および製造装置

(51)【国際特許分類】

   C23C 16/42 20060101AFI20250123BHJP

   C01B 32/963 20170101ALI20250123BHJP

【ＦＩ】

C23C16/42

C01B32/963

【審査請求】未請求

【予備審査請求】未請求

(21)【出願番号】P 2024543521

(86)(22)【出願日】2023-01-27

(85)【翻訳文提出日】2024-07-29

(86)【国際出願番号】 EP2023052015

(87)【国際公開番号】W WO2023144312

(87)【国際公開日】2023-08-03

(31)【優先権主張番号】102022102091.6

(32)【優先日】2022-01-28

(33)【優先権主張国・地域又は機関】DE

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】524159192

【氏名又は名称】ザ イエロー シック ホールディング ゲーエムベーハー

【氏名又は名称原語表記】ＴＨＥ ＹＥＬＬＯＷ ＳＩＣ ＨＯＬＤＩＮＧ ＧＭＢＨ

(74)【代理人】

【識別番号】100104570

【弁理士】

【氏名又は名称】大関 光弘

(72)【発明者】

【氏名】グルーリッヒ＝ウェーバー・ジークムント

【テーマコード（参考）】

4G146

4K030

【Ｆターム（参考）】

4G146MA14

4G146MB05

4G146NA30

4G146NB08

4G146QA06

4K030BA27

4K030BA29

4K030BA36

4K030BA37

4K030BA48

4K030JA10

(57)【要約】

炭化ケイ素含有ワークピースを製造するための以下の方法および装置が開示される。第一の反応器(１)内で、炭素含有の成形体(２)が、成形体(２)から炭化ケイ素含有ワークピースへの変換が可能な第一の温度で保持される。炭素およびシリコンを含有する前駆体を、第一の温度よりも高温の第二の温度に維持されて前駆体をＳｉ－Ｃ含有ガスに変換する第二の反応器(３)に供給される。Ｓｉ－Ｃ含有ガスが、第二の反応器(３)から第一の反応器(１)へと、第一の反応器(１)内で第一の温度で保持された成形体(２)に向けて供給され、それにより、成形体(２)が炭化ケイ素含有ワークピースに変換される。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

炭化ケイ素含有ワークピースを製造するための方法であって
第一の反応器(１)内で、炭素含有の成形体(２)を、前記成形体(２)から前記炭化ケイ素含有ワークピースへの変換が可能な第一の温度で保持し、
炭素およびシリコンを含有する前駆体を、前記第一の温度よりも高温の第二の温度に維持され、当該前駆体を、シリコンおよび炭素を含有するガスに変換する第二の反応器(３)へ供給し、
前記シリコンおよび炭素を含有するガスを、前記第二の反応器(３)から前記第一の反応器(１)へと、前記第一の反応器(１)内で前記第一の温度で保持された前記成形体(２)に向けて供給し、それにより、前記成形体(２)を前記炭化ケイ素含有ワークピースに変換させる方法。

【請求項2】

請求項１記載の方法であって、
前記第一の温度は１５００°Ｃから１７００°Ｃの範囲内であり、前記第二の温度は１６００°Ｃから１８００°Ｃの範囲内である方法。

【請求項3】

請求項１または２に記載の方法であって、
前記シリコンおよび炭素を含有するガスが、前記第二の反応器(３)から前記第一の反応器(１)に連続的に供給される方法。

【請求項4】

請求項１ないし３のいずれか一項に記載の方法であって、
前記前駆体が前記第二の反応器(３)に連続的に供給される方法。

【請求項5】

請求項１ないし４のいずれか一項に記載の方法であって、
前記前駆体は、粉末状であり、粉体コンベア(６)により前記第二の反応器(３)に搬送される方法。

【請求項6】

請求項１ないし５のいずれか一項に記載の方法であって、
不活性ガスが、前記第二の反応器(３)を介して前記第一の反応器(１)に供給されて、前記シリコンおよび炭素を含有するガスを、前記第二の反応器(３)から前記第一の反応器(１)に連続的に流す方法。

【請求項7】

請求項１ないし６のいずれか一項に記載の方法であって、
前記第二の反応器(３)は、
前記第二の温度に加熱され、前記前駆体および任意に前記不活性ガスが導入されるＳｉＣ含有材料製のチューブを備える方法。

【請求項8】

請求項１ないし７のいずれか一項に係る方法により炭化ケイ素を製造するための装置であって、
炭素を含有する成形体(２)を、前記成形体(２)から前記炭化ケイ素含有ワークピースへの変換を可能とする第一の温度で保持する第一の反応器(１)と、
内部に搬送された、炭素およびシリコンを含有する前駆体を、前記第一の温度よりも高温の第二の温度に加熱し、前記前駆体を、シリコンおよび炭素を含有するガスに変換する第二の反応器(３)と、を備え
前記第一および第二の反応器(１，３)は、
前記シリコンおよび炭素を含有するガスが、前記第二の反応器(３)から前記第一の反応器(１)へ、前記第一の反応器(１)内で前記第一の温度で保持された前記成形体(２)に向けて供給され、それにより、前記成形体(２)が前記炭化ケイ素含有ワークピースに変換されるように互いに接続されている装置。

【請求項9】

請求項８記載の装置であって、
前記前駆体を前記第二の反応器(３)に連続的に搬送する搬送装置(６)を備える装置。

【請求項10】

請求項８または９に記載の装置であって、
不活性ガスを、前記第二の反応器(３)を介して前記第一の反応器(１)に連続的に供給する装置を備える装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、炭化ケイ素含有ワークピースを製造するための方法および装置に関する.

【背景技術】

【0002】

欧州特許第２０９４６２２号明細書には、炭化ケイ素を含有するワークピースの製造方法が開示されており、この方法では、製造される炭化ケイ素含有ワークピースの形状および寸法を実質的に有する炭素含有材料の成形体（ブランク）が、炉内に配置され、炭素を含有するＳｉＯ_２を含む前駆体で囲まれる。成形体の炭素含有材料は、例えば、機械加工が容易で、製造されるワークピースの形状で供給可能なグラファイトとすることができる。前駆体は、カーボンリッチなＳｉＯ_２の顆粒とすることができる。

【0003】

あるいは、成形体を、前駆体としての炭素含有ＳｉＯ_２ゲルでコーティングすることもできる

【0004】

欧州特許第２０９４６２２号明細書から知られる技術において、成形体は、カーボンリッチなＳｉＯ_２前駆体に埋め込まれるか、その前駆体により少なくとも部分的に取り囲まれる。それから、前駆体および成形体は、炉内の保護ガス（Ｓｃｈｕｔｚｇａｓ）雰囲気中で約１８００°Ｃの温度にさらされる。出発材料は特に炭化ケイ素に変換されて、成形体から、炭化ケイ素を含有するワークピースが作成される。

【0005】

この変換は、以下の炭素熱反応にしたがって起こる。

【化1】

【0006】

それらの反応の過程において、Ｓｉ－Ｃ含有ガスが前駆体から成形体に拡散するはずである。しかし、ＳｉＯ_２前駆体および成形体は炉内で同温レベルにあるため、Ｓｉ－Ｃ含有ガスは前駆体からあらゆる空間方向に拡散し、これにより、ＳｉＯ_２と成形体の炭素原子との化学反応はかなりランダムに起こる。とりわけ、このプロセスでは、ＳｉＯ_２前駆体が常に高温にさらされ、成形体における炭素熱反応の時間が大幅に制限される。これは、前駆体は、すぐにすなわち実際には数秒内に使い尽されるとともに、利用可能な前駆体の約９０％は、結局炉のわずかに低温の領域に行き着き、そこで反応して、ワークピースの製造に利用できずにＳｉＣを形成するからである。成形体で反応してＳｉＣを生成するのは、ごく一部だけである。したがって、成形体の少なくとも表面近くでＳｉＣ化を達成するには、プロセスを何回も繰り返さなければならず、これは、前駆体の再充填および炉の冷却・加熱に必要な時間のために、非常に時間およびエネルギーを消費する。全体として、提案されたプロセスは、あらゆる点で非常に非効率的である。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【特許文献1】欧州特許第２０９４６２２号明細書

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

したがって、本発明の目的は、炭化ケイ素を含むワークピースを製造するための、より効果的な技術を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0009】

この目的は、添付の特許請求の範囲に記載された方法および装置により達成される。

【0010】

本発明が根本的な課題の解決に成功したのは２つの反応器の存在によるものであり、それらの反応器のうち、第一の反応器は、成形体を受け入れ、第二の反応器は、前駆体をガスに変換するのに用いられ、ガスは、そこから直接第一の反応器に供給される。これにより、前駆体の継続的な連続供給と成形体への制御された供給とが可能となり、ひいては、成形体を炭化ケイ素含有ワークピースに変える効率的な製造工程が可能となる。

【発明を実施するための形態】

【0011】

以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について説明する。図１に、本発明の実施形態に係る炭化ケイ素含有ワークピースを製造するための装置を模式的に示す。

【0012】

図１に示す炭化ケイ素含有ワークピースの製造装置は、加熱可能な第一の反応器１として炉を備え、これは、炭素含有材料で作製された成形体２を収容する。成形体２は、基本的に製造対象の炭化ケイ素含有ワークピースの形状および寸法を有するブランクである。好適な炭素含有材料はグラファイトであり、機械加工が容易で、製造されるワークピースの形状で提供することができる。

【0013】

第二の反応器３は、これも加熱可能であり、第一の反応器１に接続され、管形状を有している。管形状の第二の反応器３は、一端にアウトレット４を有しており、このアウトレット４は、第一の反応器１内で成形体２近くに配置される。第一の反応器３の外側にある他端にはインレット５を有し、このインレット５は、搬送装置６に接続されている。搬送装置６には、矢印７の方向から前駆体が充填され、矢印８の方向から不活性ガスの制御された流れが供給される。

【0014】

前駆体は、シリコンおよび炭素を含有する。前駆体は、好ましくは固体、特に、炭素を含有する、すなわち、炭素または炭素化合物と混合されたＳｉＯ_２の粉末または顆粒として存在し、このとき、図に示すように、搬送装置６として粉体コンベア６が使用される。あるいは、ＳｉおよびＣを含有する前駆体は液体または気体の形態で供給することもでき、その場合、搬送装置６としてポンプが使用される。製造されるワークピースのためのどのようなドーパントおよび合金も、前駆体への添加剤の形でプロセスに導入することができる。

【0015】

不活性ガスは例えばアルゴンである。搬送装置６を用いて、前駆体を、必要に応じて不活性ガスとともにインレット５から第二の反応器３に供給する。不活性ガスは、第二の反応器３に、独立して供給することもできる。

【0016】

第二の反応器３は、供給された前駆体を加熱して気相に変態させるために用いられ、それにより、ＳｉおよびＣを含有するガスが生成される。このようにして気相に変態した前駆体は、不活性ガスの流れによりサポートされながら、第一の反応器１内の成形体２に直接供給され、それにより、成形体が、炭化ケイ素を含有するワークピースに変換される。これらのプロセスは、上述の炭素熱反応にしたがって行われる。

【0017】

第二の反応器３は、管状であり、第一の反応器１に直接つながっているので、炭素熱反応を引き起こす加熱反応器の機能だけでなく、気相に変態した前駆体を第一の反応器１に導入する導管の機能も果たす。

【0018】

第二の反応器３は、炭化ケイ素製のチューブまたはパイプで形成されることが好ましく、その結果、搬送装置６により搬送されて第二の反応器３内で気相に変わった物質は、他の材料と接触せず、汚染されない。第二の反応器３は、この炭化ケイ素チューブに電流を流すことによって加熱されることが好ましい。

【0019】

第二の反応器３は、上述の特徴を有するように変更された流出セルとして理解することもできる。

【0020】

Ｓｉ－Ｃ含有ガスを効率的に成形体２へと導くために、第二の反応器３または流出セルのアウトレット４は成形体２に向けられる。また、第二の反応器３または流出セルを複数設けて、成形体２を可能な限り完全にＳｉ－Ｃ含有ガスにさらすために、それらのアウトレット４を、異なる方向から成形体２の異なる側面に向けることもできる。

【0021】

装置の作動中、以下のプロセスが実行されて、炭素含有の成形体２が、炭化ケイ素含有のワークピースに変換される。

【0022】

炭素含有の成形体２は、成形体２を炭化ケイ素含有のワークピースに変える温度、好ましくは１５００°Ｃから１７００°Ｃの範囲の温度で第一の反応器１内に保持される。第二の反応器３は、成形体２の温度よりも高い温度、好ましくは、１６００°Ｃから１８００°Ｃの範囲の温度に加熱される。前駆体は、搬送装置６から、継続的に、インレット５を介して第二の反応器３に計量供給され、同時に、不活性ガスも、インレット５を介して第二の反応器３に導入される。本明細書で述べた温度では、前駆体が第二の反応器３内で気相に変態してＳｉ－Ｃ含有ガスを生成し、このガスが不活性ガスとともにアウトレット４を介して成形体２へ流され、成形体２の炭素がＳｉ－Ｃ含有ガスによって炭化ケイ素に変換される。前駆体の気相への変態および炭素の炭化ケイ素への変換は、上記で指定した炭素熱反応にしたがって指定の温度で起こる。このプロセスにおいて、炭素含有の成形体２は、好適にはグラファイト製であり、ＣＶＤまたはＰＶＤプロセスにおいてのように炭化ケイ素で単に薄く被覆されるだけではなく、その深部において炭化ケイ素へ変換（変態）される。

【0023】

本実施形態は、以下の有利な特性を有している。

【0024】

第二の反応器３または流出セルは、連続的または継続的な前駆体の外部補充が可能であり、第二の反応器３に補充された前駆体の部分だけが気相に熱的に転移できるように設計されている。この前駆体の連続的な供給は搬送装置６により行われる。成形体２および第二の反応器３の幾何学的配置は、両者間の温度勾配によって成形体２へのＳｉ－Ｃ含有ガスの高効率の搬送および成形体２内での高効率のＳｉＣ変換がもたらされるように選択される。前駆体が気相へ転移する前に、成形体２と前駆体とが直接接触する必要はない。

【0025】

搬送装置６によって前駆体が不活性ガスとともに第二の反応器３を介して搬送されるため、このガスの流れは、方向性を持って有利に適用することができ、その結果、熱流または対流が炭素含有の成形体２にガスを適用するために用いられるだけでなく、方向性のあるＳｉ－Ｃ含有ガスの流れで成形体２が洗浄される。

【0026】

固体として供給されたＳｉ－Ｃ前駆体のガス化は、第一の反応器１とは別の第二の反応器３内で起こり、生じるガスは、加熱された供給ラインを介してグラファイト成形体２に供給される。第二の反応器３と、第一の反応器への加熱された供給ラインとは、互いに異なっていてもよい。ただし、加熱された供給ライン自体は第二の反応器３または流出セルとして機能することが有利である。

【0027】

プロセスでは、第二の反応器３への不活性ガスおよび前駆体の供給を調整すること、および、第二の反応器３の温度を調整することにより、成形体２に供給されるガスの精密な圧力制御および質量流量調整が可能である。成形体２または得られるワークピースの温度および第一の反応器１内または炉内の温度分布は、第二の反応器３内の前駆体ガス化温度とは無関係に選択することができる。このようにして、最適な条件、特に、前駆体がそのガス化の場所ではＳｉＣに変換されないが、生成された炭素化合物およびシリコン化合物の混合ガスが、早期の反応でＳｉＣを形成せずにワークピース２に供給される条件を設定することができる。必要に応じて、少量の酸素を混合ガスに添加することができる。

【0028】

第一および第二の反応器１，３間の、加熱されたガス供給ライン、またはそれ自体がガス供給ラインとして機能する第二の反応器３は、それ自体が電熱体として機能するＳｉＣチューブで作製されている。このＳｉＣチューブを流れる電流によってチューブの温度を調整することができ、このように設定された温度によって第一の反応器１内のガス圧も制御することができる。

【0029】

ＣＶＤまたはＰＶＤなどのガスデポジション法と比べて、搬送装置６によって継続的に供給される粒子の流れ、したがって第一の反応器１へのガスの流れはかなり高い。本発明は、成形体２上に薄いＳｉＣ表面層を堆積させるのに適しているだけでなく、成形体そのものを、炭化ケイ素を含有するワークピースに効率的に変換させるのにも適している。

【図1】

【国際調査報告】