JP2008184349A - Cylindrical member and silicon deposition apparatus using the same - Google Patents
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Abstract
【課題】 筒状部材は、上部より下部の方が析出したシリコンが堆積しやすく、下部の損傷が進むと全体を交換しなければならなかった。また、交換作業が容易ではなく、捕集効率が低下しシリコンを安価に製造することが困難であった。
【解決手段】 その内面でシラン系ガスを接触させてシリコン5を析出させる複数の反応部材6a〜6dが上下に積み重なって構成されているとともに、その内面が下方に拡がって傾斜している筒状部材6である。上側の反応部材に析出したシリコン5は下側の反応部材に接触しながら落下することがほとんどなくなり、そのまま鉛直方向に落下するため、下側の反応部材の損傷が抑制され長寿命化が図れる。また、反応部材6a〜6dの交換は損傷が進んだもののみを取り替えればよいため、部品コストが低減でき、短時間で容易に交換することができるので稼働率を低下させることなくシリコン5を安価に製造することができる。
【選択図】 図1PROBLEM TO BE SOLVED: To deposit silicon deposited on the lower part of the cylindrical member more easily than the upper part, and the whole of the cylindrical member has to be replaced when the damage on the lower part proceeds. In addition, the replacement work is not easy, the collection efficiency is lowered, and it is difficult to manufacture silicon at low cost.
A cylindrical shape in which a plurality of reaction members 6a to 6d for depositing silicon 5 by contacting a silane-based gas on the inner surface is stacked up and down, and the inner surface extends downward and is inclined. This is the member 6. The silicon 5 deposited on the upper reaction member hardly falls while contacting the lower reaction member, and falls in the vertical direction as it is, so that damage to the lower reaction member is suppressed and the life can be extended. In addition, since the reaction members 6a to 6d need to be replaced only after the damage has progressed, the cost of parts can be reduced, and the replacement can be easily performed in a short time. It can be manufactured at low cost.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、半導体または太陽電池の原料であるシリコンを製造するための装置に用いる筒状部材およびこれを用いたシリコン析出用装置に関する。 The present invention relates to a cylindrical member used in an apparatus for producing silicon, which is a raw material for semiconductors or solar cells, and a silicon deposition apparatus using the cylindrical member.
従来より、半導体または太陽電池の原料であるシリコンの製造方法としては種々の方法が知られており、その代表的なものとしてジーメンス法や溶融析出法が挙げられる。 Conventionally, various methods are known as methods for producing silicon as a raw material for semiconductors or solar cells, and typical examples thereof include the Siemens method and the melt precipitation method.
ジーメンス法は、主に半導体の原料として用いられるシリコンの製造方法であり、この方法は析出の基材であるフィラメントを反応容器内に配置して通電により加熱し、トリクロロシランやモノシランを導入して、フィラメントに接触させてシリコンを析出させる方法である。この方法は、高純度のシリコンが得られるものの、析出したシリコンの回収に多大な労力を要し、析出効率が悪く、フィラメントの加熱に多くの電力を消費することから、シリコンが高価になるという問題があった。そのため、安価なシリコンを製造する方法が望まれていた。このような要望に応えて考え出された溶融析出法は、画期的な製造方法と言われており、ジーメンス法に比べてシリコンの析出速度が1桁速く、主に太陽電池の原料として用いられるシリコンの製造方法である。 The Siemens method is a method for producing silicon that is mainly used as a raw material for semiconductors. In this method, a filament, which is a base material for deposition, is placed in a reaction vessel and heated by energization, and trichlorosilane or monosilane is introduced. In this method, silicon is deposited by contacting the filament. Although this method can obtain high-purity silicon, it requires a lot of labor to collect the deposited silicon, the deposition efficiency is poor, and a large amount of power is consumed to heat the filament, which makes the silicon expensive. There was a problem. Therefore, a method for manufacturing inexpensive silicon has been desired. The melt deposition method devised in response to such a demand is said to be an epoch-making manufacturing method, and the deposition rate of silicon is one order of magnitude faster than the Siemens method, and is mainly used as a raw material for solar cells. This is a method for producing silicon.
図7は、特許文献1で提案された溶融析出法を用いたシリコン析出用装置の主要部を示す概念図であり、(a)は筒状部材の表面にシリコンが析出した状態を示し、(b)は筒状部材の表面から溶融したシリコンが落下した状態を示している。 FIG. 7 is a conceptual diagram showing the main part of a silicon deposition apparatus using the melt deposition method proposed in Patent Document 1, wherein (a) shows a state in which silicon is deposited on the surface of a cylindrical member, b) shows a state in which molten silicon has dropped from the surface of the cylindrical member.
このシリコン析出用装置20は、トリクロロシランやジクロロシラン等のシラン系ガスを供給する原料ガス供給口21と、電磁波を発生させる加熱手段23と、この加熱手段23によって加熱され、内面上にシラン系ガスを接触させシリコン24を析出させる筒状部材25と、電磁波を遮らずに筒状部材25の存在する雰囲気から加熱手段23を隔離する隔壁部材26と、析出して落下したシリコン24を回収する回収部27および排ガス出口28を備えたケーシング22とから構成されている。
The
そして、筒状部材25の析出領域である内面以外の表面にシリコン24が析出しないように、筒状部材25と原料ガス供給口21との間に備えられたシールガス供給口29よりシールガスを供給して、シラン系ガスとの接触を防いでいる。
The sealing gas is supplied from the sealing
このようなシリコン析出用装置20を用いてシリコン24を製造する場合には、加熱手段23によって筒状部材25を加熱して、筒状部材25の内面の温度がシリコン24の融点未満の温度、例えば1400℃になるように保持する。次いで、シラン系ガスを原料ガス供給口21より供給し、筒状部材25の内面の加熱された部位にシリコン24を固体の状態で析出させる。併せて、シールガス供給口29からシールガスである水素やアルゴン等を供給して、筒状部材25の加熱された内面以外の表面にシリコン24が析出するのを防止する。
When manufacturing
シリコン24を析出させた後、シラン系ガスの供給を停止し、シールガスの供給量を少なくした後、筒状部材25の内面の温度がシリコン24の融点よりやや高い温度、例えば1500℃で保持すると、筒状部材25上に析出していたシリコン24は、筒状部材25と接触していた部分のみが溶融し、大部分が塊状となって回収部27に落下する。
After the
なお、反応に寄与しなかった排ガスは、排ガス出口28より順次排出され、これを回収して精製することにより原料ガスとして再利用されるというものである。
The exhaust gas that has not contributed to the reaction is sequentially discharged from the
また、図8は、特許文献2に記載された筒状部材を示す斜視図である。この筒状部材30は、台形の板状パーツ同士をシリコン融液との接触角度が45°以上であるセラミック材料の粉末を含むシール剤で接合することにより、八角錐台状に形成されている。また、大型の筒状部材を一体的に成形するのは困難であることから、円筒や六角筒のパーツをシール剤による接合で複数個積み重ねた筒状部材が提案されている。
しかしながら、特許文献1で提案されたシリコン析出用装置20を用いると、ジーメンス法を利用した装置に比べてシリコン24を効率的かつ安価に製造することができるものの、シリコン24の析出を重ねると、筒状部材25の内面の上部より下部の方が析出したシリコン24が堆積しやすいため、筒状部材25の下部の損傷が大きくなるが、部分的な交換はできないため筒状部材25全体を交換しなければならなかった。また、シリコン24の析出量を増やすためにシリコン析出用装置20が大型化してきていることから、この筒状部材25も大きくなってきており、このような大きな筒状部材25はコストが高く、さらには交換作業が容易ではないことから捕集効率が低下し、これらに伴いシリコン24の製造コストが上がるという問題があった。
However, when the
また、特許文献2に記載された図8に示す筒状部材30を特許文献1に記載されたシリコン析出用装置20に用いると、筒状部材30が円筒である場合よりは下部における損傷は小さくなるものの、やはり下部の損傷が大きく、下部が損傷した場合には筒状部材30全体を交換しなければならなかった。また、円筒や六角筒のパーツをシール剤による接合で複数個積み重ねた筒状部材も、特許文献1の筒状部材25と同様の問題があった。
Moreover, when the
本発明は、上記課題を解決すべく案出されたものであり、筒状部材の損傷ばらつきを抑えることにより長寿命化を図り、損傷が進んで交換が必要となっても部分的な交換が容易にできることにより、高純度のシリコンを効率的かつ安価に製造することができる筒状部材を提供することを目的とするものである。また、本発明は、この筒状部材を用いた、高純度のシリコンを効率的かつ安価に製造することができるシリコン析出用装置を提供することを目的とするものである。 The present invention has been devised in order to solve the above-mentioned problems, and by extending the life by suppressing the variation in damage of the cylindrical member, partial replacement is possible even if the damage has progressed and needs to be replaced. An object of the present invention is to provide a cylindrical member capable of producing high-purity silicon efficiently and inexpensively because it can be easily performed. Another object of the present invention is to provide a silicon deposition apparatus that can efficiently and inexpensively produce high-purity silicon using this cylindrical member.
本発明の筒状部材は、電磁波を発生させる加熱手段を備えたシリコン析出用の反応槽内に配置される筒状部材であって、該筒状部材はその内面がシラン系ガスを接触させてシリコンを析出させる複数の反応部材が上下に積み重なって構成されているとともに、前記反応部材は、その内面が下方に拡がって傾斜していることを特徴とするものである。 The cylindrical member of the present invention is a cylindrical member disposed in a reaction chamber for silicon deposition provided with a heating means for generating electromagnetic waves, and the cylindrical member has an inner surface in contact with a silane-based gas. A plurality of reaction members for depositing silicon are stacked one above the other, and the reaction member is characterized in that its inner surface extends downward and is inclined.
また、本発明の筒状部材は、上記構成において、前記反応部材が円錐台状であることを特徴とするものである。 The cylindrical member of the present invention is characterized in that, in the above configuration, the reaction member has a truncated cone shape.
また、本発明の筒状部材は、上記構成において、前記反応部材が角錐台状であることを特徴とするものである。 Moreover, the cylindrical member of the present invention is characterized in that, in the above configuration, the reaction member has a truncated pyramid shape.
また、本発明の筒状部材は、上記各構成において、上下に隣接している前記反応部材は、上側の前記反応部材の下面の内縁が下側の前記反応部材の上面の内縁より内側に位置していることを特徴とするものである。 In the tubular member of the present invention, in each of the above-described configurations, the reaction members adjacent to each other in the upper and lower sides are positioned such that the inner edge of the lower surface of the upper reaction member is located inside the inner edge of the upper surface of the lower reaction member It is characterized by that.
また、本発明の筒状部材は、上記各構成において、上下に隣接している前記反応部材は、上側の前記反応部材が下側の前記反応部材にかみ合わされていることを特徴とするものである。 Moreover, the cylindrical member of the present invention is characterized in that, in each of the above-described configurations, the reaction member adjacent to the upper and lower sides is such that the upper reaction member is engaged with the lower reaction member. is there.
また、本発明の筒状部材は、上記各構成において、前記反応部材が窒化珪素質焼結体からなることを特徴とするものである。 Moreover, the cylindrical member of the present invention is characterized in that, in each of the above configurations, the reaction member is made of a silicon nitride sintered body.
また、本発明の筒状部材は、上記各構成において、前記反応部材は、内面が研磨されていることを特徴とするものである。 Moreover, the cylindrical member of the present invention is characterized in that, in each of the above-described configurations, the reaction member has an inner surface polished.
さらに、本発明のシリコン析出用装置は、上記いずれかの構成の本発明の筒状部材が電磁波を発生させる加熱手段を備えたシリコン析出用の反応槽内に配置されていることを特徴とするものである。 Furthermore, the silicon deposition apparatus of the present invention is characterized in that the cylindrical member of the present invention having any one of the above configurations is disposed in a reaction tank for silicon deposition having heating means for generating electromagnetic waves. Is.
本発明の筒状部材によれば、この筒状部材は電磁波を発生させる加熱手段を備えたシリコン析出用の反応容器内に配置され、筒状部材はその内面でシラン系ガスを接触させてシリコンを析出させる複数の反応部材が上下に積み重なって構成されているとともに、この反応部材は、その内面が下方に拡がって傾斜していることから、上側の反応部材に析出したシリコンは下側の反応部材に接触しながら落下することがほとんどなく、そのまま鉛直方向に落下するため、下側の反応部材の損傷が抑制され、損傷ばらつきが少ないことから寿命を延ばすことができる。また、損傷した反応部材を交換する場合には、損傷が進んだ反応部材のみを取り替えればよいため、部品コストを削減することができる。 According to the cylindrical member of the present invention, this cylindrical member is disposed in a reaction vessel for silicon deposition having heating means for generating electromagnetic waves, and the cylindrical member is contacted with silane-based gas on its inner surface to form silicon. The reaction member is formed by stacking up and down, and the reaction member is inclined so that the inner surface extends downward, so that the silicon deposited on the upper reaction member is the lower reaction. Since it falls almost while falling in contact with the member and falls in the vertical direction as it is, damage to the reaction member on the lower side is suppressed, and since the damage variation is small, the life can be extended. In addition, when replacing a damaged reaction member, it is only necessary to replace the damaged reaction member, so that the part cost can be reduced.
また、本発明の筒状部材によれば、反応部材が円錐台状であるときには、シラン系ガスの接触する内面が下方に拡がって傾斜しており、水平断面が円形状であり損傷が集中するような箇所が無いので、1つの反応部材の中での損傷ばらつきを生じることが少ない。さらに、個々の反応部材については複数パーツに対する接合等を必要とせず、容易に成形できるため、成形コストを削減することができる。 Further, according to the cylindrical member of the present invention, when the reaction member is in the shape of a truncated cone, the inner surface that the silane-based gas contacts is inclined downward, the horizontal section is circular, and damage is concentrated. Since there is no such part, damage variation in one reaction member is less likely to occur. Furthermore, since the individual reaction members do not require joining to a plurality of parts and can be easily molded, the molding cost can be reduced.
また、本発明の筒状部材によれば、反応部材が角錐台状であるときには、単純形状である板状体を接合して反応部材を形成することができるので、この反応部材を用いれば反応部材の成形コストを削減することができる。 Further, according to the cylindrical member of the present invention, when the reaction member is in the shape of a truncated pyramid, the reaction member can be formed by joining plate-like bodies having a simple shape. The molding cost of the member can be reduced.
また、本発明の筒状部材によれば、上下に隣接している反応部材は、上側の反応部材の下面の内縁が下側の反応部材の上面の内縁より内側に位置しているときには、溶融して液滴状になったシリコンを上側の反応部材の下面の内縁より鉛直方向に落下させることができるので、上下の反応部材間の隙間に容易に浸透せず、反応部材の損傷ばらつきが小さくなり、シリコンの捕集効率がほとんど低下しないものとすることができる。 Further, according to the cylindrical member of the present invention, the reaction members adjacent in the vertical direction are melted when the inner edge of the lower surface of the upper reaction member is located inside the inner edge of the upper surface of the lower reaction member. Since the silicon in the form of droplets can be dropped in the vertical direction from the inner edge of the lower surface of the upper reaction member, it does not easily penetrate into the gap between the upper and lower reaction members, and the damage variation of the reaction members is small. Thus, the silicon collection efficiency can be hardly lowered.
また、本発明の筒状部材によれば、上下に隣接している反応部材は、上側の反応部材が、下側の反応部材にかみ合わされているときには、反応部材の部分的な交換が容易であるとともに、接合剤を用いて反応部材同士を接合しなくて済むため、シリコンの析出を重ねても、接合剤の劣化に伴う筒状部材の破損は発生しなくなる。 Further, according to the cylindrical member of the present invention, when the upper reaction member is engaged with the lower reaction member, the reaction members adjacent in the vertical direction can be easily replaced partially. In addition, since it is not necessary to bond the reaction members using a bonding agent, the cylindrical member is not damaged due to deterioration of the bonding agent even if silicon is deposited repeatedly.
また、本発明の筒状部材によれば、反応部材は窒化珪素質焼結体からなるときには、高温での熱伝導性および機械的特性に優れ、かつシリコンの純度が低下する原因となる炭素成分を含まないため、高純度のシリコンを効率的に析出することができる。 Further, according to the cylindrical member of the present invention, when the reaction member is made of a silicon nitride-based sintered body, the carbon component that is excellent in thermal conductivity and mechanical properties at high temperature and causes a decrease in the purity of silicon. Therefore, high-purity silicon can be efficiently deposited.
また、本発明の筒状部材によれば、反応部材の内面が研磨されているときには、反応部材の内面は平滑になり、アンカー効果の影響が抑制されるので、反応部材の内面に析出していたシリコンは落下しやすくなるため、シリコンの捕集効率を上げることができる。 Further, according to the cylindrical member of the present invention, when the inner surface of the reaction member is polished, the inner surface of the reaction member becomes smooth and the influence of the anchor effect is suppressed, so that the reaction member is deposited on the inner surface of the reaction member. Since silicon easily falls, the silicon collection efficiency can be increased.
さらに、本発明のシリコン析出用装置は、上記いずれかの構成の筒状部材が電磁波を発生させる加熱手段を備えたシリコン析出用の反応槽内に配置されていることから、高純度のシリコンを効率的かつ安価に製造することができるとともに、耐用性に優れた析出用装置とすることができる。 Furthermore, the silicon deposition apparatus according to the present invention has a high-purity silicon because the cylindrical member having any one of the above-described structures is disposed in a reaction tank for silicon deposition having heating means for generating electromagnetic waves. While being able to manufacture efficiently and inexpensively, it can be set as the apparatus for precipitation excellent in durability.
以下、本発明の筒状部材およびこれを用いたシリコン析出用装置の実施の形態の例について説明する。 Hereinafter, an example of an embodiment of a cylindrical member of the present invention and a silicon deposition apparatus using the same will be described.
図1は、本発明の筒状部材およびこれを用いたシリコン析出用装置の実施の形態の一例を示す、(a)は本発明の筒状部材およびシリコン析出用装置の実施の形態の一例を示す断面図であり、(b)は(a)におけるS部の拡大断面図である。 FIG. 1 shows an example of an embodiment of a cylindrical member of the present invention and a silicon deposition apparatus using the same, and FIG. 1A shows an example of an embodiment of a cylindrical member and a silicon deposition apparatus of the present invention. It is sectional drawing shown, (b) is an expanded sectional view of the S section in (a).
図1(a)に示すシリコン析出用装置1は、トリクロロシランやジクロロシラン等のシラン系ガスを供給する原料ガス供給口2を有する反応槽3と、電磁波を発生させるヒーター等の加熱手段4と、この加熱手段4によって加熱され、内面上にシラン系ガスを接触させてシリコン5を析出させる筒状部材6と、電磁波を遮らずに筒状部材6の存在する雰囲気から加熱手段4を隔離する隔壁部材7と、析出したシリコン5を回収する回収部8と、反応に寄与しなかったシラン系ガスを排出する排ガス出口9とから構成されている。
A silicon deposition apparatus 1 shown in FIG. 1A includes a reaction tank 3 having a source
また、筒状部材6の析出領域である内面以外の表面にシリコン5が析出しないように、シールガス供給口10よりシールガスを供給し、シラン系ガスとの接触を防いでいる。
Further, a seal gas is supplied from the seal
このシリコン析出用装置1を用いたシリコン5の析出方法は、加熱手段4によって筒状部材6を加熱して、筒状部材6の内面の温度がシリコン5の融点以上の温度、例えば1500℃になるように保持し、次いで、シラン系ガスを原料ガス供給口2より反応槽3に供給し、併せて、筒状部材6の内面以外の表面にシリコン5が析出するのを防止するためにシールガス供給口10からシールガスである水素やアルゴン等のガスを供給し、加熱された筒状部材6にシラン系ガスを接触させてシリコン5を析出させる方法である。
In the
なお、反応に寄与しなかったシラン系ガスは、排ガスとして排ガス出口9より順次排出され、回収して精製することにより原料ガスとして再利用される。
Note that the silane-based gas that has not contributed to the reaction is sequentially discharged as exhaust gas from the
本発明の筒状部材6は、その内面でシラン系ガスを接触させてシリコン5を析出させる複数の反応部材6a〜6dが、図1(b)に示すように、上下に積み重なって構成されているとともに、これら反応部材6a〜6dは、その内面が下方に拡がって傾斜していることが重要である。
As shown in FIG. 1B, the
特に、鉛直方向と反応部材6a〜6dの内面とのなす角度は、いずれも1°以上10°以下であることが好適である。この範囲では、例えば、上側に配置した反応部材6aに析出したシリコン5は下側の反応部材6bに沿ってその内面に接触しながら落下することがほとんどなくなり、そのまま鉛直方向に落下するため、反応部材6aで析出したシリコン5が下側の反応部材6b〜6dに沿って接触することが少ないので各反応部材6a〜6d間の損傷ばらつきが抑制される。また、繰り返しの使用によって損傷が進み反応部材6a〜6dの交換の必要が生じても、損傷が進んだ反応部材6a〜6dのいずれかのみを取り替えればよいため、部品コストを削減することができる。さらに、複数の反応部材6a〜6dが円錐台状であるときには、個々の反応部材6a〜6dについては複数パーツに対する接合等を必要とせず、容易に成形できるため、工程数が少ないことから成形コストを削減することができる。
In particular, the angle between the vertical direction and the inner surfaces of the
このような円錐台状の反応部材6a〜6dが上下に積み重なって構成される筒状部材6の大きさは、例えば反応部材6aの最上面における内径が300〜350mmであり、反応部材6dの最下面における内径が328〜385mmであり、高さが800〜1000mmである。
The
次に、図2は、図1に示す反応部材の実施の形態の他の例を示す斜視図である。 Next, FIG. 2 is a perspective view showing another example of the embodiment of the reaction member shown in FIG.
図2に示す反応部材6eは、角錐台状であり、内面は下方に拡がって傾斜している。この場合には、単純形状である板状体61を接合剤62により接合して反応部材6eを形成することができるので、成形コストを削減することができる。また、この反応部材6eは八角錐台状の例であるが、六角錐台状や四角錐台状や十二角錐台状等の他の角錐台状の反応部材であっても構わない。板状体61と板状体61とを接合する接合剤62は、シリコン5に対する耐食性に優れるという点から、セラミックスである窒化珪素またはサイアロンを含むものが好適である。
The reaction member 6e shown in FIG. 2 has a truncated pyramid shape, and the inner surface extends downward and is inclined. In this case, since the plate-
このような角錐台状の反応部材6eが上下に積み重なって構成される筒状部材6の大きさは、例えば最上面における内縁を結ぶ対角線の長さが300〜350mmであり、最下面における内縁を結ぶ対角線の長さが328〜385mmであり、高さが800〜1000mmである。
The size of the
図3は、本発明の筒状部材およびシリコン析出用装置の実施の形態の他の例を示す、(a)は本発明の筒状部材およびシリコン析出用装置の実施の形態の他の例の断面図であり、(b)は(a)におけるS部の拡大断面図である。なお、以下の図面においては、図1と同様の部材には同じ符号を用いて示す。 FIG. 3 shows another example of the embodiment of the cylindrical member and silicon deposition apparatus of the present invention. FIG. 3A shows another example of the embodiment of the cylindrical member and silicon deposition apparatus of the present invention. It is sectional drawing, (b) is an expanded sectional view of the S section in (a). In the following drawings, the same members as those in FIG. 1 are denoted by the same reference numerals.
図3(a)に示すように、本発明の筒状部材6を構成する反応部材6a〜6dにおいては、図3(b)のS部の拡大断面図に示すように、上下に隣接している上側の反応部材6aの下面の内縁が下側の反応部材6bの上面の内縁より内側に位置していることが好ましい。これにより、溶融して液滴状になったシリコン5であっても、上側の反応部材6aの下面の内縁より鉛直方向に落下させることができるので、シリコン5が上下の反応部材6a,6b間の隙間に容易に浸透せず、各反応部材6a,6bの損傷ばらつきが小さくなり、交換頻度が少なくなるとともにシリコン5の捕集効率がほとんど低下しないものとなる。
As shown in FIG. 3A, in the
このとき、上側の反応部材6aの下面の内縁および下側の反応部材6bの上面の内縁間の距離(図3(b)中に示すd)は、0.2〜0.4mmであることが好適である。
At this time, the distance between the inner edge of the lower surface of the
図4は、本発明のシリコン析出用装置の実施の形態の他の例を示す、(a)はシリコン析出用装置の断面図であり、(b)は(a)におけるS部の拡大断面図である。 4A and 4B show another example of the embodiment of the silicon deposition apparatus of the present invention. FIG. 4A is a sectional view of the silicon deposition apparatus, and FIG. 4B is an enlarged sectional view of the S part in FIG. It is.
本発明の筒状部材6を構成する反応部材6a〜6dは、図4(b)のS部の拡大断面図に示すように、上側の反応部材6aが、下側の反応部材6bにかみ合わされていることが好ましい。これにより、反応部材6a〜6dの部分的な交換が容易であるとともに、複数の反応部材6a〜6dを積み重なった状態で安定したものとするのに接合剤を用いて反応部材6a〜6d同士を接合しなくて済むため、シリコン5の析出を継続して行なっても、接合剤の劣化に伴う筒状部材6の破損等が発生しないものとなる。
In the
また、この場合にも、図3に示す例と同様に、上下に隣接している上側の反応部材6aの下面の内縁が下側の反応部材6bの上面の内縁より内側に位置していることが好ましい。これにより、溶融して液滴状になったシリコン5であっても、上側の反応部材6aの下面の内縁より鉛直方向に落下させることができるので、シリコン5が上下の反応部材6a,6b間の隙間に容易に浸透せず、各反応部材6a,6bの損傷ばらつきが小さくなり、交換頻度が少なくなるとともにシリコン5の捕集効率がほとんど低下しないものとなる。
Also in this case, as in the example shown in FIG. 3, the inner edge of the lower surface of the
このときの上側の反応部材6aの下面の内縁および下側の反応部材6bの上面の内縁間の距離(図4(b)中に示すd)も、0.2〜0.4mmであることが好適である。
The distance between the inner edge of the lower surface of the
次に、図5(a)および(b)は、それぞれ本発明の筒状部材およびシリコン析出用装置の実施の形態の他の例を示す断面図である。 Next, FIGS. 5A and 5B are cross-sectional views showing other examples of embodiments of the cylindrical member and the silicon deposition apparatus of the present invention, respectively.
図5(a)に示す例のように、筒状部材6を構成する反応部材6a〜6dが上側より下側に向かって順次高さが高くなるように積み重ねてもよい。このような構成とすると、例えば反応部材6bの交換の際に必ず取り外さなければならない上側の反応部材6aが軽量なので、各反応部材6a〜6dの交換がより容易である。
As in the example illustrated in FIG. 5A, the
また、図5(b)に示す例のように、筒状部材6の外面と内面の傾斜角度を変更して反応部材6a〜6dを積み重ねてもよい。このような構成とすると、損傷を受けやすい各反応部材6a〜6dの下側が厚いので、より反応部材6a〜6dの寿命を延ばすことができるものとなる。
Moreover, like the example shown in FIG.5 (b), you may stack
次に、図6は、本発明の筒状部材およびシリコン析出用装置の実施の形態の他の例を示す断面図である。 Next, FIG. 6 is a cross-sectional view showing another example of the embodiment of the cylindrical member and silicon deposition apparatus of the present invention.
この図6に示す例のように、筒状部材6の外側に配置される隔壁部材7として、複数の隔壁部材7a〜7dを積み重ねて隔壁部材7を構成してもよい。このような構成とすると、隔壁部材7に部分的な損傷があっても、損傷の進んだ隔壁部材7a〜7dのいずれかのみを交換すればよいので、隔壁部材7についても交換部品のコストを削減することができる。
As in the example shown in FIG. 6, the
また、筒状部材6は窒化珪素質焼結体からなることが好適である。窒化珪素質焼結体は高温での熱伝導性および機械的特性に優れ、かつシリコン5の純度が低下する原因となる炭素成分を含まないため、高純度のシリコン5を効率的に析出させて捕集することができる。
The
シリコン5の析出の際、筒状部材6は約1500℃程度の高温で用いられるため、この温度範囲における熱伝導率および強度が高いことが好ましいことから、筒状部材6は、組成式Si6−ZAlZOZN8−Z(z=0.1〜1)で表されるβ−サイアロンを主相とし、Al,Si,RE(REは周期表第3族元素)の構成比率がそれぞれAl2O3,SiO2,RE2O3換算でAl2O3が5〜50質量%,SiO2が5〜20質量%,残部が主としてRE2O3であるRE−Al−Si−O−Nからなる粒界相を、主相と粒界相とからなる焼結体に対して4〜20体積%の範囲で含み、かつFeの珪化物粒子をFe換算で焼結体に対して0.02〜3質量%含む窒化珪素質焼結体で形成することがさらに好適である。
During deposition of the
組成式Si6−ZAlZOZN8−Z(z=0.1〜1)で表されるβ−サイアロンの主相はβ−Si3N4内にAl,O,N成分が固溶した結晶から構成される主相であり、固溶量zの値は窒化珪素質焼結体の熱伝導率や強度に影響を与える。固溶量zが小さい場合は、焼結性が低下するため、緻密化を促進しようとして焼成温度を上げざるを得ず、この結果、異常な粒成長が発生し、高温における強度が低下するおそれがある。一方、固溶量zが大きいと、β−Si3N4の結晶対称性が損なわれて、結晶の熱伝導性が低下するため、窒化珪素質焼結体の高温における熱伝導率が低下する。その結果、筒状部材6の放熱特性が低くなるため、シリコン5を繰り返して析出させると、残留熱応力が蓄積しやすく、筒状部材6は増加した残留熱応力により破壊しやすくなる。このような観点から、固溶量zは0.1〜1とすることにより、高温における熱伝導率および強度がともに高い窒化珪素質焼結体を得ることができる。特に、固溶量zは0.35〜0.70であることがより好適である。
Composition formula Si 6-Z Al Z O Z N 8-Z main phase of which represented β- SiAlON by (z = 0.1 to 1) is Al in the β-Si 3 N 4, O , is N components in solid solution The main phase is composed of crystals, and the value of the solid solution amount z affects the thermal conductivity and strength of the silicon nitride sintered body. When the solid solution amount z is small, the sinterability is lowered, so the firing temperature has to be increased in an attempt to promote densification, and as a result, abnormal grain growth occurs and the strength at high temperature may be reduced. There is. On the other hand, if the solid solution amount z is large, the crystal symmetry of β-Si 3 N 4 is impaired and the thermal conductivity of the crystal is lowered, so that the thermal conductivity at high temperature of the silicon nitride sintered body is lowered. . As a result, since the heat dissipation characteristics of the
ここで、固溶量zは、次のようにして算出することができる。すなわち、窒化珪素質焼結体を粒度200メッシュ以下に粉砕し、得られた粉末に対して粉末X線回折法における回折角の角度補正用サンプルとして高純度α−窒化珪素粉末(宇部興産製E−10グレード、Al含有量は20ppm以下)を60質量%添加して乳鉢にて均一混合し、粉末X線回折法により解析範囲2θを33〜37°とし、走査ステップ幅を0.002°として、Cu−Kα線(λ=1.54056Å)にてプロファイル強度を測定する。角度の補正は、角度補正用サンプルより得られるピークの最大値を用いて補正する。 Here, the solid solution amount z can be calculated as follows. That is, a silicon nitride-based sintered body is pulverized to a particle size of 200 mesh or less, and a high-purity α-silicon nitride powder (E product made by Ube Industries, Ltd.) is used as a sample for correcting the diffraction angle in the powder X-ray diffraction method. -10 grade, Al content of 20 ppm or less) is added and mixed uniformly in a mortar, and the analysis range 2θ is set to 33 to 37 ° by the powder X-ray diffraction method, the scanning step width is set to 0.002 °, Cu -Measure the profile intensity with the Kα line (λ = 1.54056 mm). The angle is corrected using the maximum peak value obtained from the angle correction sample.
すなわち、2θ=34.565°付近に現れるα(102)の0.002°毎に得られるピーク強度の上位10点の平均2θと34.565°との差(Δ2θ1)、および2θ=35.333°付近に現れるα(210)の0.002°毎に得られるピーク強度の上位10点の平均2θと35.333°との差(Δ2θ2)をそれぞれ求め、その差の平均(Δ2θ1+Δ2θ2)/2を補正Δ2θとする。次に、2θ=36.055°付近に現れるβ(210)の0.002°毎に得られるピーク強度の上位10点の平均2θを補正Δ2θによって補正した角度を内筒2のβ(210)のピーク位置(2θβ)とする。そして、ピーク位置(2θβ),λ=1.54056Å,(hkl)=(210)を以下の数式に代入して格子定数a(Å)を算出する。 That is, the difference (Δ2θ 1 ) between the average 2θ of the top 10 points of α (102) appearing every 0.002 ° of α (102) appearing near 2θ = 34.565 ° and 34.565 ° (α2θ 1 ), and α appearing near 2θ = 35.333 ° 210), the difference (Δ2θ 2 ) between the average 2θ of the top 10 peak intensities obtained every 0.002 ° and 35.333 ° (Δ2θ 2 ) is obtained, and the average (Δ2θ 1 + Δ2θ 2 ) / 2 of the difference is taken as the corrected Δ2θ. Next, the angle obtained by correcting the average 2θ of the top 10 peak intensities obtained every 0.002 ° of β (210) appearing near 2θ = 36.055 ° by the correction Δ2θ is the peak position of β (210) of the inner cylinder 2 ( 2θ β ). Then, the lattice constant a (Å) is calculated by substituting the peak position (2θ β ), λ = 1.40556Å, and (hkl) = (210) into the following equation.
sin2θβ=λ2(h2+hk+k2)/(3a2)+λ2l2/(4c2)
この数式で、算出した格子定数a(Å)と、K. H. Jack,J. Mater. Sci.,11(1976)1135−1158,Fig. 13に記載された格子定数a(Å)−固溶量zのグラフとから、固溶量zを求めることができる。
sin 2 θ β = λ 2 (h 2 + hk + k 2 ) / (3a 2 ) + λ 2 l 2 / (4c 2 )
In this equation, the calculated lattice constant a (Å) and the lattice constant a (Å) −solid solution amount z described in KH Jack, J. Mater. Sci., 11 (1976) 1135-1158, FIG. From this graph, the solid solution amount z can be determined.
そして、粒界相はRE−Al−Si−O−Nからなり、Al,Si,REの構成比率がAl2O3,SiO2,RE2O3換算でAl2O3が5〜50質量%,SiO2が5〜20質量%,残部が主としてRE2O3であり、主相と粒界相とからなる焼結体に対して4〜20体積%の範囲で含むことが好適である。なお、本発明では、Al2O3,SiO2,RE2O3およびNの総和を100質量%として粒界相の構成比率を表現する。 The grain boundary phase consists RE-Al-SiO-N, Al, Si, the component ratio of RE is Al 2 O 3, SiO 2, RE 2 O 3 in terms of in Al 2 O 3 is from 5 to 50 mass %, SiO 2 is 5 to 20% by mass, and the balance is mainly RE 2 O 3 , and it is preferable that the content is 4 to 20% by volume with respect to the sintered body composed of the main phase and the grain boundary phase. . In the present invention, the composition ratio of the grain boundary phase is expressed with the sum of Al 2 O 3 , SiO 2 , RE 2 O 3 and N being 100 mass%.
ここで一般的に、RE−Al−Si−Oを含む酸化物は、窒化珪素やサイアロンの緻密化を促進するものである。Al2O3,SiO2,RE2O3等の粉末原料は温度上昇に伴って反応し、1400℃以上で窒化珪素やサイアロンと濡れの良い液相を生成した後、窒化珪素やサイアロンを溶解することで、RE−Al−Si−O−Nからなる粒界相を形成する。 Here, in general, an oxide containing RE-Al-Si-O promotes densification of silicon nitride and sialon. Powder materials such as Al 2 O 3 , SiO 2 , and RE 2 O 3 react as the temperature rises, generate a liquid phase that wets well with silicon nitride and sialon above 1400 ° C, then dissolve silicon nitride and sialon By doing so, a grain boundary phase composed of RE-Al-Si-O-N is formed.
この粒界相におけるAlの構成比率は、窒化珪素質焼結体の熱伝導率や強度に影響を与える。Alの構成比率が低過ぎたり高過ぎたりすると、RE2O3−Al2O3−SiO2系の最低液層生成組成(以下、低融点組成という。)から外れる可能性が高くなる。このため、焼成温度を高くしなければならず、焼成温度を高くすると、β−Si3N4内にAl,O,N成分が固溶した結晶は粗大化し、高温における強度が低下する。併せて、Alの構成比率が高過ぎる場合には、固溶量zが1より大きくなりやすく、窒化珪素質焼結体の高温における熱伝導率も低下して、粒界相は浸食されやすくなる。 The composition ratio of Al in the grain boundary phase affects the thermal conductivity and strength of the silicon nitride sintered body. If the composition ratio of Al is too low or too high, there is a high possibility that the composition will be deviated from the RE 2 O 3 —Al 2 O 3 —SiO 2 -based lowest liquid layer generation composition (hereinafter referred to as “low melting point composition”). For this reason, the firing temperature must be increased, and when the firing temperature is increased, crystals in which Al, O, and N components are dissolved in β-Si 3 N 4 are coarsened, and the strength at high temperatures is reduced. At the same time, when the Al composition ratio is too high, the solid solution amount z tends to be larger than 1, the thermal conductivity of the silicon nitride sintered body is lowered, and the grain boundary phase is easily eroded. .
また、粒界相のSiの構成比率も、窒化珪素質焼結体の熱伝導率や強度に影響を与える。Siの構成比率が低いと、低融点組成から外れる可能性が高くなり、Alの場合と同様に、高温における強度が低下する。一方、Siの構成比率が高いと、低融点組成に近づくが、そのために粒界相を構成する原子同士の高温における結合力が弱くなるため、高温におけるフォノンの伝搬の低下により、高温における熱伝導率および強度がともに低下する。 Further, the composition ratio of Si in the grain boundary phase also affects the thermal conductivity and strength of the silicon nitride sintered body. When the composition ratio of Si is low, the possibility of deviating from the low melting point composition increases, and the strength at a high temperature decreases as in the case of Al. On the other hand, when the composition ratio of Si is high, the composition approaches a low melting point composition. For this reason, the bonding force at high temperatures between atoms constituting the grain boundary phase is weakened. Both rate and strength decrease.
このような観点から、Al,Si,RE(REは周期表第3族元素)の構成比率はそれぞれAl2O3,SiO2,RE2O3換算でAl2O3が5〜50質量%,SiO2が5〜20質量%,残部が主としてRE2O3であることが好適であり、この構成比率は焼結性の向上だけではなく、高温においても粒界相の原子間結合力を保持できるので、高温における熱伝導率および強度の改善に効果的である。 From this viewpoint, Al, Si, RE (RE is a Group 3 element of the Periodic Table) Each component ratio Al 2 O 3, SiO 2, RE 2 O 3 in terms of in Al 2 O 3 5 to 50 wt% , SiO 2 is preferably 5 to 20% by mass, and the balance is mainly RE 2 O 3 , and this constituent ratio not only improves the sinterability but also increases the interatomic bonding force of the grain boundary phase even at high temperatures. Since it can hold | maintain, it is effective in the improvement of the heat conductivity and intensity | strength in high temperature.
また、粒界相の焼結体に対する体積比率は、窒化珪素質焼結体の耐食性や強度に影響を与える。粒界相の体積比率が高過ぎると粒界相に被加工物Wの金属粉が固着しやすく、低過ぎると強度が低下する。粒界相の焼結体に対する体積比率は、4〜20体積%であることが好適であり、この範囲にすることで金属粉の固着が少なく、しかも強度の高い窒化珪素質焼結体を得ることができる。 The volume ratio of the grain boundary phase to the sintered body affects the corrosion resistance and strength of the silicon nitride sintered body. If the volume ratio of the grain boundary phase is too high, the metal powder of the workpiece W tends to adhere to the grain boundary phase, and if it is too low, the strength decreases. It is preferable that the volume ratio of the grain boundary phase to the sintered body is 4 to 20% by volume. By setting the volume ratio within this range, a silicon nitride-based sintered body with less metal powder sticking and high strength is obtained. be able to.
このようなAl2O3,SiO2,RE2O3の構成比率および粒界相の体積比率は次のようにして求めることができる。先ず、ICP(Inductivity Coupled Plasma)分光分析法により焼結体中のREおよびAlの各比率(質量%)を測定し、この比率(質量%)をそれぞれRE2O3およびAl2O3にした場合の比率(質量%)に換算する。次に、酸素分析法によりLECO社製酸素分析装置(TC−136型)を用いて焼結体中のすべての酸素の比率を測定し、RE2O3およびAl2O3の酸素の比率を差し引き、残りの酸素の比率をSiO2の比率(質量%)に換算する。焼結体中の残部をSi3N4とみなし、各比率(質量%)をそれぞれの理論密度(Y2O3:5.02g/cm3,Er2O3:8.64g/cm3,Yb2O3:9.18g/cm3,Lu2O3:9.42g/cm3,Al2O3:3.98g/cm3,SiO2:2.65g/cm3,Si3N4:3.18g/cm3)で除して、粒界相の体積比率を算出する。 Such a composition ratio of Al 2 O 3 , SiO 2 , RE 2 O 3 and a volume ratio of the grain boundary phase can be obtained as follows. First, each ratio (mass%) of RE and Al in the sintered body was measured by ICP (Inductivity Coupled Plasma) spectroscopy, and this ratio (mass%) was set to RE 2 O 3 and Al 2 O 3 , respectively. Convert to the ratio (mass%). Next, the ratio of all oxygen in the sintered body was measured by an oxygen analysis method using an oxygen analyzer (TC-136 type) manufactured by LECO, and the ratio of oxygen in RE 2 O 3 and Al 2 O 3 was determined. The ratio of the remaining oxygen is subtracted and converted into the ratio (mass%) of SiO 2 . The balance in the sintered body is regarded as Si 3 N 4, and each ratio (mass%) is set to the respective theoretical density (Y 2 O 3 : 5.02 g / cm 3 , Er 2 O 3 : 8.64 g / cm 3 , Yb 2). O 3 : 9.18 g / cm 3 , Lu 2 O 3 : 9.42 g / cm 3 , Al 2 O 3 : 3.98 g / cm 3 , SiO 2 : 2.65 g / cm 3 , Si 3 N 4 : 3.18 g / cm 3 ) To calculate the volume ratio of the grain boundary phase.
次に、エネルギー分散型X線分光分析法(EDS)を用いて粒界相に含まれる窒素(N)の比率(質量%)を算出し、Al2O3,SiO2,RE2O3および窒素(N)の各比率(質量%)の総和を100%として粒界相の構成比率を算出する。但し、本発明で用いられる窒化珪素質焼結体の粒界相に含まれる窒素の構成比率は微量であり、通常は0.1質量%以下であるので、以降ではRE2O3に含んで表記する。 Next, the ratio (mass%) of nitrogen (N) contained in the grain boundary phase is calculated using energy dispersive X-ray spectroscopy (EDS), and Al 2 O 3 , SiO 2 , RE 2 O 3 and The composition ratio of the grain boundary phase is calculated with the sum of the ratios (mass%) of nitrogen (N) as 100%. However, since the composition ratio of nitrogen contained in the grain boundary phase of the silicon nitride-based sintered body used in the present invention is a very small amount and is usually 0.1% by mass or less, it will be referred to as RE 2 O 3 hereinafter. .
なお、粒界相中のREは周期表第3族元素、例えばEr,Yb,Lu等であっても構わないが、REがYであることが好ましい。これは、Yが周期表第3族元素の中でも軽元素であるためフォノンの伝搬が良く、粒界相の熱伝導率の向上に効果的であるからである。また、温度1400〜1500℃における4点曲げ強度および熱伝導率は、それぞれJIS R 1604−1995およびJIS R 1611−1997に準拠して測定すればよい。 The RE in the grain boundary phase may be a Group 3 element of the periodic table, such as Er, Yb, Lu, etc., but RE is preferably Y. This is because Y is a light element among the Group 3 elements of the periodic table, so that phonon propagation is good and effective in improving the thermal conductivity of the grain boundary phase. Further, the four-point bending strength and thermal conductivity at temperatures of 1400 to 1500 ° C. may be measured in accordance with JIS R 1604-1995 and JIS R 1611-1997, respectively.
また、焼結体中のFeの珪化物粒子は、焼結体の破壊靱性,耐熱衝撃性,熱伝導率,強度に影響を与えるため、Feの珪化物粒子をFe換算で焼結体に対して0.02〜3質量%含む窒化珪素質焼結体を構成することが好適である。 In addition, the Fe silicide particles in the sintered body affect the fracture toughness, thermal shock resistance, thermal conductivity, and strength of the sintered body. It is preferable to constitute a silicon nitride sintered body containing 0.02 to 3% by mass.
Feの珪化物は、熱膨張係数が大きく、β−サイアロン粒子や粒界相に対して残留応力を発生させていると思われ、焼結体の破壊靱性を向上させる効果があり、耐熱衝撃性の向上にも有効である。また、高温における破壊の形態である粒界滑りが発生する際に、β−サイアロン粒子の滑りを妨げる楔のような働きをしており、高温における強度を向上させる効果があり、耐熱衝撃性の向上にも有効である。また、Feの珪化物は、焼成時の液相成分の一つとして作用し、焼結性の向上に効果的である。Feの珪化物粒子がFe換算で焼結体に対して0.02質量%より少ないと、焼結体の破壊靱性および高温における強度を十分高くすることができない。また、Feの珪化物は熱伝導率が低いため、Feの珪化物粒子をFe換算で焼結体に対して3質量%を超えると、焼結体の熱伝導率が低下する。なお、Feの珪化物は粉末X線回折法やX線マイクロアナライザー(EPMA)による元素分析によってその形態を確認することができる。また、ICP分光分析法により定量化することができる。 Fe silicide has a large coefficient of thermal expansion and is thought to generate residual stress on β-sialon particles and grain boundary phase, and has the effect of improving the fracture toughness of the sintered body. It is also effective for improving. In addition, it acts as a wedge that prevents the sliding of β-sialon particles when grain boundary sliding, which is a form of fracture at high temperature, occurs, and has the effect of improving strength at high temperature. It is also effective for improvement. The Fe silicide acts as one of the liquid phase components during firing, and is effective in improving the sinterability. If Fe silicide particles are less than 0.02% by mass in terms of Fe with respect to the sintered body, the fracture toughness and strength at high temperatures of the sintered body cannot be sufficiently increased. In addition, since Fe silicide has a low thermal conductivity, if the Fe silicide particles exceed 3% by mass in terms of Fe with respect to the sintered body, the thermal conductivity of the sintered body decreases. The form of Fe silicide can be confirmed by powder X-ray diffraction or elemental analysis using an X-ray microanalyzer (EPMA). It can also be quantified by ICP spectroscopy.
なお、Feの珪化物は、β−サイアロンの粒子間またはRE−Al−Si−O−Nからなる粒界相中に粒径が50μm以下、望ましくは粒径が2〜30μmの粒子として点在して、FeSi2,FeSi,Fe3Si,Fe5Si3の形態で存在することが好ましく、特にFeSi2(JCPDS#35−0822)であることが好ましい。 Note that Fe silicide is interspersed as particles having a particle size of 50 μm or less, preferably 2 to 30 μm in the grain boundary phase composed of β-sialon particles or RE-Al—Si—O—N. and, FeSi 2, FeSi, Fe 3 Si, is preferably present in the form of Fe 5 Si 3, it is preferable that particularly FeSi 2 (JCPDS # 35-0822).
また、筒状部材6は、内面がセラミックスの焼き肌面等であるよりも研磨されていることが好適である。内面が研磨されていると、平滑になり、アンカー効果の影響が抑制されるので、筒状部材6の内面に析出したシリコン5が落下しやすくなるため、シリコン5の捕集効率を上げることができる。
Further, it is preferable that the
また、隔壁部材7は、筒状部材6と同様に、組成式Si6−ZAlZOZN8−Z(z=0.1〜1)で表されるβ−サイアロンを主相とし、Al,Si,RE(REは周期表第3族元素)の構成比率がそれぞれAl2O3,SiO2,RE2O3換算でAl2O3が5〜50質量%,SiO2が5〜20質量%,残部が主としてRE2O3であるRE−Al−Si−O−Nからなる粒界相を、主相と粒界相とからなる焼結体に対して4〜20体積%の範囲で含み、かつFeの珪化物粒子をFe換算で焼結体に対して0.02〜3質量%含む窒化珪素質焼結体から形成することが好適である。
Further, the
このような本発明の筒状部材6を得るための製造方法を説明する。
A manufacturing method for obtaining such a
先ず、窒化珪素質粉末のβ化率が40%以下であって、組成式Si6−ZAlZOZN8−Zにおける固溶量zが0.5以下である窒化珪素質粉末と、添加物成分としてAl2O3,SiO2,RE2O3,Fe2O3の各粉末とを、バレルミル,回転ミル,振動ミル,ビーズミル等を用いて湿式混合し、粉砕してスラリーとする。 First, a silicon nitride powder in which the β conversion ratio of the silicon nitride powder is 40% or less and the solid solution amount z in the composition formula Si 6-Z Al Z O Z N 8-Z is 0.5 or less, and an additive Each component of Al 2 O 3 , SiO 2 , RE 2 O 3 , and Fe 2 O 3 as components is wet-mixed using a barrel mill, a rotary mill, a vibration mill, a bead mill or the like, and pulverized into a slurry.
ここで、添加成分であるAl2O3,SiO2,RE2O3の各粉末の合計は、窒化珪素質粉末とこれら添加成分の粉末の合計との総和を100体積%としたときに、4〜20体積%になるようにすればよい。 Here, the total of the powders of Al 2 O 3 , SiO 2 , and RE 2 O 3 that are additive components is, when the total sum of the silicon nitride powder and the powder of these additive components is 100% by volume, What is necessary is just to make it 4-20 volume%.
窒化珪素には、その結晶構造の違いにより、α型およびβ型という2種類の窒化珪素が存在する。α型は低温で、β型は高温で安定であり、1400℃以上でα型からβ型への相転移が不可逆的に起こる。 There are two types of silicon nitride, α-type and β-type, due to the difference in crystal structure of silicon nitride. The α type is stable at low temperatures, the β type is stable at high temperatures, and the phase transition from α type to β type occurs irreversibly at 1400 ° C or higher.
ここで、β化率とは、X線回折法で得られたα(102)回折線とα(210)回折線との各ピーク強度の和をIα、β(101)回折線とβ(210)回折線との各ピーク強度の和をIβとしたときに、次の式によって算出される値である。 Here, the β conversion is the sum of the peak intensities of the α (102) diffraction line and the α (210) diffraction line obtained by the X-ray diffraction method, I α , β (101) diffraction line and β ( 210) This is a value calculated by the following equation, where I β is the sum of the peak intensities with the diffraction line.
β化率={Iβ/(Iα+Iβ)}×100 (%)
窒化珪素質粉末のβ化率は、窒化珪素質焼結体の強度および破壊靱性値に影響する。β化率が40%以下の窒化珪素質粉末を用いるのは、強度および破壊靱性値をともに高くすることができるからである。β化率が40%を超える窒化珪素質粉末は、焼成工程で粒成長の核となって、粗大で、しかもアスペクト比の小さい結晶となりやすく、強度および破壊靱性値とも低下する。特に、β化率が10%以下の窒化珪素質粉末を用いるのが好ましく、これにより、固溶量zを0.1以上にすることができる。
β conversion rate = {I β / (I α + I β )} × 100 (%)
The β conversion rate of the silicon nitride powder affects the strength and fracture toughness value of the silicon nitride sintered body. The reason why silicon nitride powder having a β conversion rate of 40% or less is used is that both strength and fracture toughness values can be increased. Silicon nitride-based powders with a β conversion ratio exceeding 40% become the core of grain growth in the firing step, tend to be coarse crystals with a low aspect ratio, and both strength and fracture toughness values decrease. In particular, it is preferable to use a silicon nitride-based powder having a β conversion rate of 10% or less, whereby the solid solution amount z can be made 0.1 or more.
また、固溶量zは、窒化珪素質焼結体の熱伝導率に影響し、固溶量zが0.5以下の粉末を用いるのは、焼結後にアスペクト比5以上の針状結晶組織が得られ、窒化珪素質焼結体の強度および熱伝導率をともに高くすることができるからである。固溶量zが0.5を超える場合は、窒化珪素質粉末が焼成工程で粒成長の核となり、焼結後の主相となるβ−サイアロンの固溶量zが1を超えやすく、熱伝導率が低下するおそれがある。 Further, the solid solution amount z affects the thermal conductivity of the silicon nitride sintered body, and using a powder having a solid solution amount z of 0.5 or less results in an acicular crystal structure having an aspect ratio of 5 or more after sintering. This is because both the strength and the thermal conductivity of the silicon nitride sintered body can be increased. When the solid solution amount z exceeds 0.5, the silicon nitride powder becomes the nucleus of grain growth in the firing step, and the solid solution amount z of β-sialon that becomes the main phase after sintering tends to exceed 1, and the thermal conductivity. May decrease.
窒化珪素質粉末の粉砕で用いるメディアは、窒化珪素質,ジルコニア質,アルミナ質等の各種焼結体からなるメディアを用いることができるが、不純物が混入しにくい材質、あるいは同じ材料組成の窒化珪素質焼結体からなるメディアが好適である。 The media used for pulverizing the silicon nitride-based powder can be media composed of various sintered bodies such as silicon nitride, zirconia, and alumina. However, a material that does not easily contain impurities, or silicon nitride having the same material composition. A medium made of a sintered material is suitable.
なお、窒化珪素質粉末の粉砕は、粒度分布曲線の累積体積の総和を100%としたときの累積体積が90%となる粒径(D90)が3μm以下となるまで粉砕することが、焼結性の向上および結晶組織の針状化の点から好ましい。粉砕によって得られる粒度分布は、メディアの外径,メディアの量,スラリーの粘度,粉砕時間等で調整することができる。スラリーの粘度を下げるには分散剤を添加することが好ましく、短時間で粉砕するには、予め累積体積50%となる粒径(D50)が1μm以下の粉末を用いることが好ましい。 Note that the silicon nitride powder is pulverized until the particle size (D 90 ) at which the cumulative volume is 90% when the total cumulative volume of the particle size distribution curve is 100% is 3 μm or less. This is preferable from the viewpoints of improvement in cohesion and acicularization of the crystal structure. The particle size distribution obtained by grinding can be adjusted by the outer diameter of the media, the amount of the media, the viscosity of the slurry, the grinding time, and the like. In order to reduce the viscosity of the slurry, it is preferable to add a dispersant, and in order to pulverize in a short time, it is preferable to use a powder having a particle size (D 50 ) of 1 μm or less with a cumulative volume of 50% in advance.
次に、得られたスラリーを粒度200メッシュより細かいメッシュを通した後に乾燥させて顆粒を得る。また、スラリーの段階でパラフィンワックスやポリビニルアルコール(PVA),ポリエチレングリコール(PEG)等の有機バインダを粉末100質量%に対して1〜10質量%を混合することが、成形性のために好ましい。乾燥は、スプレードライヤーで乾燥させてもよく、他の方法であっても何ら問題ない。 Next, the obtained slurry is passed through a mesh having a particle size smaller than 200 mesh and then dried to obtain granules. Moreover, it is preferable for moldability to mix organic binders, such as paraffin wax, polyvinyl alcohol (PVA), and polyethyleneglycol (PEG), with respect to 100 mass% of powder at the stage of a slurry. Drying may be performed with a spray dryer, and there is no problem even if other methods are used.
次に、得られた顆粒を、冷間等方圧加圧法(CIP)を用いて相対密度が45〜60%の円錐台状の成形体とする。成形圧力は50〜300MPaの範囲であれば、成形体の密度の向上や顆粒の潰れ性の観点より好適である。得られた成形体は、反応部材6aであれば下部に、反応部材6b,6cであれば上下に、反応部材6dであれば上部にかみ合わせるための段差を切削加工により施す。そして、窒素雰囲気中、あるいは真空雰囲気中などで脱脂した方がよい。脱脂温度は添加した有機バインダの種類によって異なるが、900℃以下がよく、特に500〜800℃とすることが好適である。
Next, the obtained granule is formed into a truncated cone-shaped body having a relative density of 45 to 60% by using a cold isostatic pressing method (CIP). If the molding pressure is in the range of 50 to 300 MPa, it is preferable from the viewpoint of improving the density of the molded body and the collapsibility of the granules. The obtained molded body is cut by a step for engaging with the lower portion if the
次に、一般的な窒化珪素質成形体の焼成に用いる黒鉛抵抗発熱体を使用した焼成炉内に成形体を配置し、焼成する。焼成炉内には成形体の含有成分の揮発を抑制するためにAl2O3,SiO2,RE2O3等の成分を含んだ共材を配置してもよい。 Next, the molded body is placed in a firing furnace using a graphite resistance heating element used for firing a general silicon nitride shaped body and fired. In the firing furnace, a co-material containing components such as Al 2 O 3 , SiO 2 , and RE 2 O 3 may be disposed in order to suppress volatilization of the components contained in the compact.
また、成形体の配置方法として、成形体を窒化珪素質粉末中または炭化珪素質粉末中に埋設する方法を用いれば、電気炉において大気中で焼成することも可能である。このような方法を用いると、成形体をそれら粉末中に埋設したことにより大気中の酸素ガスは遮断され、実質的に焼成雰囲気は窒素雰囲気となる。温度については、室温から300〜1000℃までは真空雰囲気中にて昇温し、その後、窒素ガスを導入して、窒素分圧を50〜300kPaに維持する。このとき成形体の開気孔率は40〜55%程度であるため、成形体中には窒素ガスが十分充填される。1000〜1400℃付近では添加物成分であるAl2O3やRE2O3が固相反応を経て、液相成分を形成し、約1400℃以上の温度域で、β−サイアロンを析出し、緻密化が開始する。β−サイアロンはβ−Si3N4のSi4+位置にAl3+,N3−,O2−が置換固溶したものであり、Si3N4−AlN−Al2O3−SiO2系の多くの状態図(例えば、K. H. Jack,J. Mater. Sci.,11(1976)1135−1158,Fig. 11)にあるように、β−サイアロン相の安定領域はSi3N4−Al2O3−SiO2系に対してN3−が価数の安定には不足しており、外部からN3−の供給が必要となる。これは、成形体中に充填された窒素ガスがN3−となるからであり、窒素分圧を低く抑えることによってβ−サイアロンの固溶量zを低くすることができるからである。 Further, as a method of arranging the molded body, if a method of embedding the molded body in a silicon nitride powder or a silicon carbide powder is used, it can be fired in the air in an electric furnace. When such a method is used, since the molded body is embedded in the powder, oxygen gas in the atmosphere is shut off, and the firing atmosphere is substantially a nitrogen atmosphere. About temperature, it heats up in a vacuum atmosphere from room temperature to 300-1000 degreeC, Then, nitrogen gas is introduce | transduced and nitrogen partial pressure is maintained at 50-300 kPa. At this time, since the open porosity of the compact is about 40 to 55%, the compact is sufficiently filled with nitrogen gas. In the vicinity of 1000 to 1400 ° C., additive components Al 2 O 3 and RE 2 O 3 undergo a solid phase reaction to form a liquid phase component, and β-sialon is precipitated in a temperature range of about 1400 ° C. or higher. Densification starts. β-sialon is a solution in which Al 3+ , N 3− and O 2− are substituted and dissolved in the Si 4+ position of β-Si 3 N 4 , and Si 3 N 4 -AlN—Al 2 O 3 —SiO 2 type As shown in many phase diagrams (for example, KH Jack, J. Mater. Sci., 11 (1976) 1135-1158, Fig. 11), the stable region of the β-sialon phase is Si 3 N 4 -Al 2 O. N 3− is insufficient to stabilize the valence with respect to the 3- SiO 2 system, and it is necessary to supply N 3− from the outside. This is because the nitrogen gas filled in the molded body becomes N 3 −, and the solid solution amount z of β-sialon can be lowered by keeping the nitrogen partial pressure low.
すなわち、開気孔率が40〜55%から5%に達するまでの段階はできるだけ窒素分圧を低く設定する必要があり、50〜300kPaとすることが重要である。窒素分圧が300kPaを超えると、β−Si3N4に対しAl3+,N3−,O2−の置換固溶が進み、固溶量zが1を超えやすくなり、熱伝導率が低下する。窒素分圧が50kPaより小さくなると、β−サイアロンの平衡窒素分圧より小さくなり、β−サイアロンの分解反応が進行して、Siが溶融するため、正常な窒化珪素質焼結体にならない。また、温度が1800℃を超えるとAl3+,N3−,O2−の置換固溶が進行し、固溶量zが1を超えやすくなり、熱伝導率が低下する。焼結が進行し、開気孔率が5%未満となった場合は、窒化珪素質焼結体中への窒素ガスの供給量が少なくなるため、300kPaを超える窒素分圧であっても構わないし、1800℃以上の温度で焼成しても構わない。最終的には相対密度96%以上まで緻密化を進行させることで、高温における強度および熱伝導とも高い窒化珪素質焼結体からなる円錐台状の反応部材6a〜6dを得ることができる。
That is, in the stage until the open porosity reaches from 40 to 55% to 5%, it is necessary to set the nitrogen partial pressure as low as possible, and it is important to set it to 50 to 300 kPa. When the nitrogen partial pressure exceeds 300 kPa, substitutional solid solution of Al 3+ , N 3− , and O 2− progresses with respect to β-Si 3 N 4 , the solid solution amount z tends to exceed 1, and the thermal conductivity decreases. To do. When the nitrogen partial pressure is less than 50 kPa, the equilibrium nitrogen partial pressure of β-sialon is reduced, and the decomposition reaction of β-sialon proceeds to melt Si, so that a normal silicon nitride sintered body cannot be obtained. Further, when the temperature exceeds 1800 ° C., substitutional solid solution of Al 3+ , N 3− , and O 2− advances, the solid solution amount z tends to exceed 1, and the thermal conductivity decreases. When the sintering progresses and the open porosity is less than 5%, the supply amount of nitrogen gas into the silicon nitride sintered body is reduced, so the nitrogen partial pressure may exceed 300 kPa. It may be fired at a temperature of 1800 ° C. or higher. Ultimately, by proceeding densification to a relative density of 96% or more, the truncated cone-shaped
また、図2に示すような角錐台状の反応部材6eを得るには、単純形状である板状の窒化珪素質焼結体によって板状体61を上述のような方法で形成し、この板状体61同士を接合剤62により接合することで得られる。
Further, in order to obtain a truncated pyramidal reaction member 6e as shown in FIG. 2, a plate-
なお、窒化珪素質焼結体において微細な結晶組織を得るには、焼成温度を1700℃以上1800℃未満にすればよい。また、真空雰囲気中にて昇温後、窒素分圧は150kPa以下とした方が経済的観点からも望ましい。より緻密化を促進するには、開気孔率が5%以下となった段階で200MPa以下のガス圧焼結処理または熱間等方加圧(HIP)処理を施しても構わない。この場合、開気孔率1%以下で、相対密度が97%以上、さらには99%以上まで焼結を促進させた後に、ガス圧焼結処理または熱間等方加圧(HIP)処理を施すことが好適である。 In order to obtain a fine crystal structure in the silicon nitride sintered body, the firing temperature may be set to 1700 ° C. or higher and lower than 1800 ° C. Further, it is desirable from the economical viewpoint that the nitrogen partial pressure is set to 150 kPa or less after the temperature is raised in a vacuum atmosphere. In order to promote further densification, a gas pressure sintering process or a hot isostatic pressing (HIP) process of 200 MPa or less may be performed when the open porosity becomes 5% or less. In this case, after promoting the sintering to an open porosity of 1% or less and a relative density of 97% or more, further 99% or more, a gas pressure sintering process or a hot isostatic pressing (HIP) process is performed. Is preferred.
また、添加したFe2O3粉末は焼成で主相であるβ−サイアロンと反応して、酸素成分を脱離し、Feの珪化物粒子を生成する。 In addition, the added Fe 2 O 3 powder reacts with β-sialon, which is the main phase, by firing to release oxygen components and produce Fe silicide particles.
そして、上述した製造方法で得られた筒状部材6を構成する複数の反応部材6a〜6dに対して、内筒研磨機等で内面を研磨することが好ましく、算術平均高さRaを0.5μm以下とするとさらに好ましい。この算術平均高さRaは、JIS B 0601−2001に準拠して測定することができる。このように反応部材6a〜6dを研磨することにより内面が平滑になり、アンカー効果の影響が抑制されるので、反応部材6a〜6dの内面に析出したシリコン5が落下しやすくなるため、シリコン5の捕集効率を上げることができる。
And it is preferable to grind | polish an inner surface with an internal cylinder grinder etc. with respect to
最後に、反応部材6a〜6dを下から反応部材6d,6c,6b,6aの順に積み重ねることにより、内面が下方に拡がって傾斜した筒状部材6を得ることができる。この筒状部材6は、例えば上側の反応部材6aの内面に析出したシリコン5は下側の反応部材6bに接触しながら落下することがほとんどなく、そのまま鉛直方向に落下するため、下側の反応部材6bの損傷を抑制することができ、反応部材6a〜6dの損傷ばらつきが少ないことから筒状部材6の寿命を延ばすことができる。また、反応部材6a〜6dを交換する場合には、損傷が進んだ部位のみを取り替えればよいため、筒状部材6およびシリコン析出装置1の部品コストを削減することができる。
Finally, the
さらに、このように優れた筒状部材6が電磁波を発生させる加熱手段4を備えたシリコン析出用の反応槽3内に配置されている本発明のシリコン析出用装置1は、高純度のシリコン5を効率的かつ安価に製造することができるとともに、耐用性に優れた装置とすることができる。
Furthermore, the silicon deposition apparatus 1 of the present invention in which the excellent
以下、本発明の実施例について詳細を説明する。 Details of the embodiments of the present invention will be described below.
(実施例1)
先ず、本発明の筒状部材6の作製を以下の手順で行なった。筒状部材6の形状として、試料1は、図1に示すような、複数の反応部材6a〜6dが上下に積み重なっているとともに、内面が下方に拡がって傾斜しているもの、試料2は、図3に示すような、上側の反応部材6aの下面の内縁が下側の反応部材6bの上面の内縁より内側に位置しているもの、試料3は、図4に示すような、上側の反応部材6aが下側の反応部材6bにかみ合わされているものとした。
(Example 1)
First, the
窒化珪素質粉末(平均粒径D50=3μm,Al含有量は200ppm,酸素含有量は0.9質量%),Y2O3粉末(平均粒径D50=0.9μm),Al2O3粉末(平均粒径D50=0.5μm),SiO2粉末(平均粒径D50=1.9μm)を所定量調合し、振動ミルを用いて72時間粉砕混合し、D90=1.5μmの混合粉末からなるスラリーを作製した。次に、混合粉末100質量%に対してポリビニルアルコール(PVA)を5質量%添加し、これを#400のメッシュに通して異物を除去し、脱鉄器にて脱鉄した後、乾燥し、顆粒を得た。そして、この顆粒を冷間等方圧加圧法(CIP)により各試料形状の成形体とし、必要に応じて切削加工を施した。そして、600℃の窒素雰囲気中でポリビニルアルコール(PVA)を除去後、黒鉛抵抗発熱体を使用した焼成炉内に配置し、窒素分圧を110kPaに維持した状態で、1750℃,15時間で焼成し、焼結体を得た。アルキメデス法にてこの焼結体の気孔率を測定した結果、気孔率はすべて2%以下となっていた。さらに、300kPaの窒素中にて1800℃,5時間で再度焼成して、相対密度が97%以上の窒化珪素質焼結体からなり、反応部材6aの最上面における内径が350mm、反応部材6dの最下面における内径が380mm、高さが850mmの筒状部材6を得た。
Silicon nitride powder (average particle diameter D 50 = 3 μm, Al content is 200 ppm, oxygen content is 0.9 mass%), Y 2 O 3 powder (average particle diameter D 50 = 0.9 μm), Al 2 O 3 powder ( A predetermined amount of an average particle diameter D 50 = 0.5 μm) and SiO 2 powder (average particle diameter D 50 = 1.9 μm) are prepared, pulverized and mixed for 72 hours using a vibration mill, and composed of a mixed powder of D 90 = 1.5 μm. A slurry was prepared. Next, 5% by mass of polyvinyl alcohol (PVA) is added to 100% by mass of the mixed powder, and this is passed through a # 400 mesh to remove foreign matter. Got. And this granule was made into the molded object of each sample shape by the cold isostatic pressing method (CIP), and it cut as needed. Then, after removing polyvinyl alcohol (PVA) in a nitrogen atmosphere at 600 ° C., it is placed in a firing furnace using a graphite resistance heating element and fired at 1750 ° C. for 15 hours with the nitrogen partial pressure maintained at 110 kPa. As a result, a sintered body was obtained. As a result of measuring the porosity of this sintered body by the Archimedes method, the porosity was 2% or less. Further, it is fired again at 1800 ° C. for 5 hours in nitrogen of 300 kPa, and is made of a silicon nitride sintered body having a relative density of 97% or more. The inner diameter of the uppermost surface of the
なお、窒化珪素質焼結体を用いて形成した筒状部材6は、いずれも組成式Si5.92Al0.08O0.08N7.92で表されるβ−サイアロンを主相とし、Al,Si,Yの構成比率がそれぞれAl2O3,SiO2,Y2O3換算でAl2O3が2質量%,SiO2が15質量%,残部が主としてY2O3であるY−Al−Si−O−Nからなる粒界相を、主相と粒界相とからなる焼結体に対して10体積%の範囲で含み、かつFeの珪化物粒子をFe換算で焼結体に対して0.8質量%含む窒化珪素質焼結体から形成されたものである。
Incidentally, the
また、比較例として、一体に形成された円筒形状のカーボン製筒状部材を用意した。 As a comparative example, an integrally formed cylindrical carbon cylindrical member was prepared.
これらの各筒状部材6をシリコン析出用装置1に配置し、加熱手段4によって筒状部材6を加熱して、筒状部材6の内面の温度がシリコン5の融点以上の温度である1500℃になるように保持し、次いで、シラン系ガスを原料ガス供給口2より反応槽3に供給し、併せて、筒状部材6の内面以外の表面にシリコン5が析出するのを防止するためにシールガス供給口10からシールガスである水素ガスを供給し、筒状部材6の加熱された内面にシラン系ガスを接触させてシリコン5を析出させた。
These
その結果、比較例は、溶融したシリコン5がカーボン製筒状部材の内面を沿ってカーボン製筒状部材の下方から落下するために下方の損傷が激しく、最初に交換が必要となった。これに対し、本発明の筒状部材6を用いた試料1〜3は、上側の反応部材に析出したシリコン5は、下側の反応部材の内面に接触しながら落下することがほとんどなく、そのまま鉛直方向に落下するため、各反応部材6a〜6dの損傷が少なく、また損傷のばらつきも小さくて、寿命が長かった。
As a result, in the comparative example, the melted
また、コストの面においても、比較例は、カーボン製筒状部材の下方は損傷が激しいものの上方は特に損傷が見られなかったが、部分的な交換ができないためにカーボン製筒状部材全体を交換しなければならなかった。これに対して、本発明の筒状部材6である試料1〜3は、いずれも損傷の進んだ反応部材6a〜6dのいずれかのみを取り替えればよいため、部品コストを削減できることが確認できた。さらに、比較例は、カーボン製筒状部材全体を交換しなければならないため、交換には多くの時間と労力を要したが、本発明の筒状部材6である試料1〜3は、損傷の進んだ反応部材6a〜6dのいずれかのみを交換すればよいので、短時間で容易に交換することができた。
Also, in terms of cost, the comparative example shows that the lower part of the carbon tubular member is severely damaged, but the upper part was not particularly damaged, but since the partial replacement is not possible, the entire carbon tubular member is Had to be replaced. On the other hand, since it is only necessary to replace any of the damaged
また、比較例のカーボン製筒状部材は、析出したシリコン5に炭素成分が含まれており、筒状部材の材料に起因してシリコン5の純度を低下させた。これに対し、本発明の筒状部材6である試料1〜3は、窒化珪素質焼結体からなるので、高温での熱伝導性および機械的特性に優れ、かつシリコン5の純度が低下する原因となる炭素成分を含まないため、純度が高いシリコン5を得ることができた。
Moreover, the carbon cylindrical member of the comparative example contained the carbon component in the deposited
また、本発明の筒状部材6の試料1〜3を再度作製し、その内面を研磨した。なお、JIS B 0601−2001に準拠して測定した筒状部材6の内面の算術平均高さは0.45μmであった。この内面を研磨した筒状部材6をシリコン析出用装置1に配置し、同様のシリコン5の析出を行なったところ、未研磨の試料1〜3に対してさらに寿命が延び、2000時間を超える稼働に耐えることができた。これは、内面が研磨されていることから、平滑になり、アンカー効果の影響が抑制されるので、反応部材6a〜6dの内面に析出していたシリコン5が落下しやすくなったことから損傷をさらに抑制できたことによると考えられる。
Moreover, the samples 1-3 of the
以上により、このように優れた本発明の筒状部材6を配置したシリコン析出用装置1は、高純度のシリコン5を効率的かつ安価に製造することができるとともに、耐用性に優れた装置とすることが確認できた。
As described above, the silicon deposition apparatus 1 in which the
1:シリコン析出用装置
2:原料ガス供給口
3:反応槽
4:加熱手段
5:シリコン
6:筒状部材
6a,6b,6c,6d,6e:反応部材
7:隔壁部材
7a,7b,7c,7d:隔壁部材
8:回収部
9:排ガス出口
10:シールガス供給口
1: Silicon deposition apparatus 2: Source gas supply port 3: Reaction tank 4: Heating means 5: Silicon 6:
10: Seal gas supply port
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