(57)【要約】【課題】耐熱性と強度に優れ、かつ、高い熱伝導率を有する炭化ケイ素セラミックスを提供する。【解決手段】本発明に係る炭化ケイ素セラミックスは、α−ＳｉＣとβ−ＳｉＣからなる炭化ケイ素を主成分として、さらに金属シリコンと炭素成分を含み、前記金属シリコンが０．２重量％以上２重量％以下、かさ比重が２．９ｇ／ｃｍ３以上３．０ｇ／ｃｍ３以下、平均気孔径３μｍ以下の開気孔が全気孔容積の８５体積％以上であることを特徴とする。このような構成によれば、耐熱性と強度に優れ、使用目的に応じた熱伝導率を有する炭化ケイ素セラミックスを提供することができる。また、熱伝導率が２４０Ｗ／ｍＫ以上２５５Ｗ／ｍＫ以下であると、より好ましい。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
α−ＳｉＣとβ−ＳｉＣからなる炭化ケイ素を主成分として、さらに金属シリコンと炭素成分を含み、前記金属シリコンが０．２重量％以上２重量％以下、かさ比重が２．９ｇ／ｃｍ３以上３．０ｇ／ｃｍ３以下、平均気孔径３μｍ以下の開気孔が全気孔容積の８５体積％以上であることを特徴とする炭化ケイ素セラミックス。
【請求項２】
熱伝導率が、２４０Ｗ／ｍＫ以上２５５Ｗ／ｍＫ以下であることを特徴とする請求項１に記載の炭化ケイ素セラミックス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、耐熱性と強度に優れ、かつ高い熱伝導率を有する炭化ケイ素セラミックスに関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化ケイ素は、高温でも安定した強度を有し、比較的高い熱伝導率を有するセラミックス材料である。例えば、半導体基板の放熱材や、半導体処理装置としての加熱用ヒータ、あるいは断熱材等の用途において、炭化ケイ素の使用温度における強度、密度、熱伝導率、熱膨張係数等の物性を、適切な範囲になるように設計して用いられる。
【０００３】
例えば、特許文献１には、熱応力による割れを抑制することができる炭化ケイ素セラミックス、および、該炭化ケイ素セラミックスを用いた半導体プロセス用治具を提供することを目的として、本発明による炭化ケイ素セラミックスは、炭化ケイ素の純度が９９．９９９９重量％以上で、かつ、密度が２．０〜３．０ｇ／ｃｍ３である半導体プロセス用治具が記載されている。
【０００４】
また、特許文献２には、実際の電子部品等で求められる熱膨張率と熱伝導率とのバランスに適合した特性を有するとともに、より高い熱伝導性を有することができる放熱材として、実質的にα−ＳｉＣ及びβ−ＳｉＣからなる炭化珪素と金属シリコンから構成され、且つ該炭化珪素の結晶がお互いに結合し合ってできた空隙に該金属シリコンが含浸されてなるものであり、含浸された金属シリコンが４〜８重量％で、且つ嵩比重が３．１〜３．１８ｇ／ｃｃであり、熱伝導率が２６５〜２８２Ｗ／ｍＫである放熱材が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１１−１６８４２６号公報
【特許文献２】特開２００４−２８１８５１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記特許文献１に記載された炭化ケイ素セラミックスは、熱伝導率は６０〜１００Ｗ／ｍＫ、室温における曲げ強度は約２００ＭＰａ、としている。しかし、強度を保ちつつより高い熱伝導率を得るには、十分対応できているとは言い難い。
【０００７】
上記特許文献２に記載された放熱材は、金属シリコンの含有量が高いので、シリコン融点付近の高温で使用すると、該金属シリコンが溶け出し、放熱材の強度が著しく低下するという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、耐熱性と強度に優れ、かつ、高い熱伝導率を有する炭化ケイ素セラミックスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る炭化ケイ素セラミックスは、α−ＳｉＣとβ−ＳｉＣからなる炭化ケイ素を主成分として、さらに金属シリコンと炭素成分を含み、前記金属シリコンが０．２重量％以上２重量％以下、かさ比重が２．９ｇ／ｃｍ３以上３．０ｇ／ｃｍ３以下、平均気孔径３μｍ以下の開気孔が全気孔容積の８５体積％以上であることを特徴とする。
【００１０】
このような構成によれば、耐熱性と強度に優れ、使用目的に応じた熱伝導率を有する炭化ケイ素セラミックスを提供することができる。
【００１１】
また、本発明に係る炭化ケイ素セラミックスは、熱伝導率が、２４０Ｗ／ｍＫ以上２５５Ｗ／ｍＫ以下であると、より好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、耐熱性と強度に優れ、使用目的に応じた熱伝導率を有する炭化ケイ素セラミックスを得られるので、特に、例えば１０００℃以上の高温域でかつ酸化雰囲気という使用条件においても、耐熱性と強度に優れ、かつ、高い熱伝導率を有する炭化ケイ素セラミックスとして広く用いることが可能となる。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明についてより詳細に説明する。本発明に係る炭化ケイ素セラミックスは、α−ＳｉＣとβ−ＳｉＣからなる炭化ケイ素を主成分として、さらに金属シ
リコンと炭素成分を含み、前記金属シリコンが０．２重量％以上２重量％以下、かさ比重が２．９ｇ／ｃｍ３以上３．０ｇ／ｃｍ３以下、平均気孔径３μｍ以下の開
気孔が全気孔容積の８５体積％以上である。
【００１４】
α−ＳｉＣとβ−ＳｉＣからなる炭化ケイ素を主成分とすることで、α−ＳｉＣのみからなる場合よりも高強度にすることができ、かつ、β−ＳｉＣのみからなる場合よりも、強度はほぼ同等でありながら大型化と肉厚化にも容易に対応できる。
【００１５】
このような炭化ケイ素セラミックスは、好適には、α−ＳｉＣである炭化ケイ素粒子を成形、焼成してなる多孔質体の気孔部に対して、炭素と金属ケイ素とのケイ化からなるβ−ＳｉＣが充填される方法で製造される。従って、作製する炭化ケイ素セラミックスの気孔率やかさ比重、熱伝導率、強度に応じて、α−ＳｉＣとβ−ＳｉＣの存在比率は、適時設定される。
【００１６】
本発明において、主成分とは、炭化ケイ素セラミックス全重量の大部分を構成する成分を指しており、全重量に対する比率が具体的に限定されることを要するものではないが、後述する金属シリコンの比率との兼ね合いで、９７重量％以上であればよい。
【００１７】
さらに、炭化ケイ素セラミックスは、金属シリコンと炭素成分を含む。これにより、炭化ケイ素のみで構成される場合に比べて、熱伝導率と強度のバランスが適切に調整された炭化ケイ素セラミックスとすることができる。
【００１８】
炭化ケイ素と金属シリコン以外の残分は、炭素成分である。ここで、製造過程で不可避的に混入する不純物、一例として、鉄、銅、クロム等の金属元素について
は、極めて微量であることと、完全除去を含めた存在比率の制御が困難であることから、本発明では、炭化ケイ素と金属シリコン以外の残分は、これらの不純物と合わせた炭素成分が該当するものとして扱う。
【００１９】
炭素成分の含有率は、特に限定されないが、好ましくは、製造が容易で物性の制御も容易な含浸法、すなわち、炭化ケイ素の成形体を焼結した焼結体に金属シリコンを含浸して製造した場合の、０．０５重量％〜０．１重量％である。
【００２０】
金属シリコンは、炭化ケイ素セラミックス全体の０．２重量％以上２重量％以下である。金属シリコンが２重量％超では、炭化ケイ素より強度に劣るシリコンの存在比率が高いことで、強度が低下傾向にあり、好ましいものではない。
【００２１】
ところで、金属シリコンは、融点が１４００℃付近であるので、これ以上の温度域で使用すると、融解、蒸発して消失する。これにより空孔部が増加して炭化ケイ素セラミックスの強度を低下させる。さらに、酸化性雰囲気では、金属シリコンと酸素が反応して生成した二酸化ケイ素が分解，離脱するので、やはり空孔部が増加して強度低下の原因となる。
【００２２】
上記理由により、金属シリコンの含有率は小さいほうが好ましい。しかしながら、金属シリコンの含有率を０．２重量％未満にしても、上記作用効果はほとんど変化しない一方で、０．２重量％未満にすることは、実際の製造上極めて困難である。
【００２３】
なお、金属シリコンは、含有率が炭化ケイ素セラミックス全体の０．５重量％以上１重量％以下であると、より好ましい。金属シリコンの含有率がこの範囲にあると、融解や酸化による空孔生成の影響は無視できるほど小さい一方で、適度な金属シリコンの分散により、炭化ケイ素のみに比べて破壊靭性の向上の効果が発揮されるためである。
【００２４】
本発明に係る炭化ケイ素セラミックスは、かさ比重が２．９ｇ／ｃｍ３以上３．０ｇ／ｃｍ３以下である。かさ比重が２．９ｇ／ｃｍ３未満では、気孔の存在比が高く強度が十分でない。一方、３．０ｇ／ｃｍ３超では、強度は十分であるが、熱伝導率の制御が困難であり、かつ緻密であるため、靭性が低下する傾向にあるので、好ましいものではない。
【００２５】
本発明に係る炭化ケイ素セラミックスは、平均気孔径３μｍ以下の開気孔が全気孔容積の８５体積％以上である。このようにすることで、熱伝導率を所定の範囲に収めつつ、耐酸化性に優れた炭化ケイ素セラミックスとすることができる。
【００２６】
平均気孔径３μｍ以下の開気孔が存在することで、かさ比重の増加、すなわち気孔率を低下させることで熱伝導率を高い値にすることができる。閉気孔のみでは、熱伝導率が大きく下がる傾向にあり、強度と熱伝導率をバランスよく両立させることが困難である。
【００２７】
平均気孔径３μｍ超では、かさ比重を２．９ｇ／ｃｍ３以上にすることが困難である。また、熱伝導率が低下する傾向にあり、所定の熱伝導率を高い範囲、具体的には２４０Ｗ／ｍＫ以上にすることが困難となるので、好ましいものではない。
【００２８】
平均気孔径については、３μｍ以下であれば本発明の効果が得られるが、極端に小さい気孔では、均一かつ精度よく形成することが困難であること、気孔同士が焼結してつぶれる懸念があることから、これらを考慮すると０．５μｍ以上がより好ましい。
【００２９】
なお、平均気孔径３μｍ以下の開気孔の割合があまり高くても、本発明の効果はほとんど変わらないことから、製造上の容易さとの兼ね合いで、全気孔容積の８５体積％以上であればよい。
【００３０】
本発明に係る炭化ケイ素セラミックスは、熱伝導率が２４０Ｗ／ｍＫ以上２５５Ｗ／ｍＫ以下であると、より好ましい。
【００３１】
炭化ケイ素は、組成や構造により、熱伝導率はだいたい１００〜３５０Ｗ／ｍＫの範囲の値をとるといわれている。熱伝導率を下げるには、気孔率を上げるとよいが、強度の点では劣る。また、金属シリコン等の他の材料と合わせて、特性値を制御する方法も考えられるが、製造工程の複雑化やコスト高、完成品の形状に制約が出る、等の問題があった。
【００３２】
本発明に係る炭化ケイ素セラミックスは、かさ比重が高いので、強度に優れる。また、適切な形態で気孔を有するので、熱伝導率を下げることなく強度の低下を抑
制できる。さらに、少量の金属シリコンを含むことで、靭性にも優れている。そして、大部分が炭化ケイ素で構成されている緻密なセラミックスであるので、耐酸化性、耐熱性も当然優れたものとなっている。
【００３３】
なお、熱伝導率が２４０Ｗ／ｍＫ以上２５５Ｗ／ｍＫ以下の範囲であれば、強度、耐酸化性が高い次元で達成されるので、高温、酸化雰囲気で、高い熱伝導率を要求される用途に対しては、より好適なものとなる。
【実施例】
【００３４】
以下、本発明の好ましい実施形態を実施例に基づいて説明するが、本発明は、下記実施例により限定されるものではない。
【００３５】
［実施例１〜６、比較例１〜４］
炭化ケイ素粉末（スタルク社製ＢＦ−１５）にエタノールを適量混合し、スラリーを調製した。このスラリーを、５０℃で５時間乾燥後、一軸プレスにより１００Ｎ／ｃｍ2で加圧成形して厚さ２０ｍｍの３００ｍｍ四方の成形体を得た。この成形体に対して、不活性雰囲気下２３００℃で１時間の再結晶化熱処理を行い、一次焼成体を得た。この一次焼成体に対して、フェノール樹脂４０重量部からなるエタノール溶液を用いて樹脂含浸処理を行い、続けて、不活性雰囲気下１２００℃で１時間の炭化熱処理を行った。この、樹脂含浸処理と炭化熱処理において、樹脂の種類やエタノールでの希釈率、樹脂含浸と炭化熱処理の繰り返し回数を適時変更して、各種の二次焼成体を得た。そして、得られた二次焼成体に、減圧下、１６００℃で金属シリコンを含浸させる金属シリコン含浸処理を行ったのち、前記再結晶化熱処理を行って、評価用の各試料を作製した。そして、樹脂含浸処理と炭化熱処理において、樹脂の種類やエタノールでの希釈率、樹脂含浸と炭化熱処理の繰り返し回数を適時変更することで、実施例１〜６、比較例１〜４の試料を作製した。なお、かさ密度・気孔率については、ＪＩＳ  Ｒ  １６３４によるアルキメデス法で測定し、実施例比較例ともに、平均気孔径３μｍ以下の開気孔が全気孔容積の８５体積％以上になるよう、製造プロセス中で調整した。
【００３６】
上記において作製した各試料について、以下のような各種評価を行った。そして、表１に、各試料の作製条件と評価結果を合わせて示す。
[曲げ強さ］
試料から３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍの試験片を作製し、ＪＩＳ  Ｒ  １６０１により、クロスヘッドスピードを０．５ｍｍ／ｍｉｎとして、３点曲げ強さを測定した。
[熱伝導率]
レーザーフラッシュ法で測定、評価を行った。
[耐酸化性]
ＪＩＳ  Ｒ  １６０９を参考に、９ｍｍ×１２ｍｍ×１２０ｍｍに加工した試料について、１０００℃における耐酸化性評価を行い、酸化後の重量減少率を求めた。なお、減少率が５ｗｔ％未満を〇（優）、５〜１０ｗｔ％を△（良）、１０ｗｔ％超（劣）を×と評価した。
【００３７】
【表１】
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【００３８】
表１の結果から、本発明の実施範囲にあるものは、強度、耐酸化性が共に優れているが、本発明の範囲を外れたものは、強度、耐酸化性のうち、少なくともいずれか一つにおいて、実施例に見劣りするものであった。
【００３９】
また、平均気孔径３μｍ以下の開気孔が全気孔容積の８０体積％となるように製造プロセスを調整し、それ以外は実施例１に準じたものを、比較例５とした。この場合は、実施例１と比べて耐酸化性の面で劣っていた。
【００４０】
なお、熱伝導率が２５８Ｗ／ｍＫとなるように製造プロセスを調整し、それ以外は実施例１に準じたものを、実施例７とした。この場合は、強度と耐酸化性については本発明の実施例の範囲ではあるものの、実施例１と比べると、耐酸化性の面でやや見劣りするものであった。