(57)【要約】      （修正有）【課題】複雑な立体形状を備える炭化ケイ素ヒータの製造方法を提供する。【解決手段】炭素繊維に炭素源を含浸させる工程と、炭素源を含浸させた前記炭素繊維に溶融したケイ素源を含浸させ、炭素源と前記ケイ素源を反応させて炭化ケイ素ヒータを得る工程と、を含む炭化ケイ素ヒータの製造方法。更には、炭素繊維に炭素源を含浸させる工程において、円柱状に成形したシート状の炭素繊維或いはコイル状に成形した炭素繊維に炭素源を含浸させる工程を含む。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素繊維に炭素源を含浸させる工程と、
前記炭素源を含浸させた前記炭素繊維に溶融したケイ素源を含浸させ、前記炭素源と前記ケイ素源を反応させて炭化ケイ素ヒータを得る工程と、
を含むことを特徴とする炭化ケイ素ヒータの製造方法。
【請求項２】
前記炭素繊維に前記炭素源を含浸させる工程において、円柱状に成形したシート状の炭素繊維に前記炭素源を含浸させることを特徴とする請求項１に記載の炭化ケイ素ヒータの製造方法。
【請求項３】
前記炭素繊維に前記炭素源を含浸させる工程において、コイル状に成形した炭素繊維に前記炭素源を含浸させることを特徴とする請求項１に記載の炭化ケイ素ヒータの製造方法。
【請求項４】
前記ケイ素源は、金属ケイ素もしくはケイ素化合物であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の炭化ケイ素ヒータの製造方法。
【請求項５】
前記炭素源は、フェノール樹脂であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の炭化ケイ素ヒータの製造方法。
【請求項６】
炭素源を含浸させたプリプレグに溶融したケイ素源を含浸させ、前記炭素源と前記ケイ素源を反応させて炭化ケイ素ヒータを得る工程を含むことを特徴とする炭化ケイ素ヒータの製造方法。
【請求項７】
円柱状に成形した前記プリプレグに前記ケイ素源を含浸させることを特徴とする請求項６に記載の炭化ケイ素ヒータの製造方法。
【請求項８】
複数枚重ね合わせた前記プリプレグに前記ケイ素源を含浸させることを特徴とする請求項６に記載の炭化ケイ素ヒータの製造方法。
【請求項９】
前記ケイ素源は、金属ケイ素もしくはケイ素化合物であることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の炭化ケイ素ヒータの製造方法。
【請求項１０】
前記炭素源は、フェノール樹脂であることを特徴とする請求項６〜９のいずれかに記載の炭化ケイ素ヒータの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、炭化ケイ素ヒータの製造方法に関する。さらに詳しくは、本発明は複雑な立体形状を備える炭化ケイ素ヒータの製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化ケイ素焼結体から構成されたヒータは、使用可能雰囲気が制限されずしかも急速昇温・降温特性に優れているため、半導体ウェハの各種熱処理用ヒータとして提案されている。
炭化ケイ素焼結体ヒータの製造方法の一態様としては、炭化ケイ素を含むスラリーを得る工程と、スラリーを成形型に加え溶媒を乾燥除去してグリーン体を得る工程と、グリーン体を焼成して仮成形体を得る工程と、仮成形体をさらに加熱して炭化ケイ素焼結体を得る工程と、を含むホットプレス法がある。
【０００３】
ところが、炭化ケイ素焼結体はダイヤモンドに次ぐ高い強度を有することから成形加工を行うことが極めて困難である。そのため、立体形状の炭化ケイ素焼結体を得る方法として、グリーン体に成形加工を行った後に所定の工程を行うホットプレス法の変法が提案されている。かかるホットプレス法の変法によれば、成形加工の簡易化と成形加工時間の短縮化を図ることができる（例えば、特許文献１参照。）。
【０００４】
しかしながら、グリーン体は強度が弱いことから、複雑な立体形状を備える物、例えばコイル状の細い物を作製することは極めて困難であった。
【０００５】
【特許文献１】国際公開ＷＯ０３／０７６３６３A１公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
複雑な立体形状を備える炭化ケイ素ヒータの製造方法が求められていた。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
即ち、本発明は、以下の記載事項に関する。
（１）炭素繊維に炭素源を含浸させる工程と、炭素源を含浸させた前記炭素繊維に溶融したケイ素源を含浸させ、炭素源と前記ケイ素源を反応させて炭化ケイ素ヒータを得る工程と、を含む炭化ケイ素ヒータの製造方法。
（２）炭素繊維に炭素源を含浸させる工程において、円柱状に成形したシート状の炭素繊維に炭素源を含浸させる上記（１）に記載の炭化ケイ素ヒータの製造方法。
（３）炭素繊維に炭素源を含浸させる工程において、コイル状に成形した炭素繊維に炭素源を含浸させる上記（１）に記載の炭化ケイ素ヒータの製造方法。
（４）ケイ素源は、金属ケイ素もしくはケイ素化合物である上記（１）〜（３）のいずれかに記載の炭化ケイ素ヒータの製造方法。
（５）炭素源は、フェノール樹脂である上記（１）〜（４）のいずれかに記載の炭化ケイ素ヒータの製造方法。
（６）炭素源を含浸させたプリプレグに溶融したケイ素源を含浸させ、炭素源とケイ素源を反応させて炭化ケイ素ヒータを得る工程を含む炭化ケイ素ヒータの製造方法。
（７）円柱状に成形したプリプレグにケイ素源を含浸させる上記（６）に記載の炭化ケイ素ヒータの製造方法。
（８）複数枚重ね合わせたプリプレグにケイ素源を含浸させる上記（６）に記載の炭化ケイ素ヒータの製造方法。
（９）ケイ素源は、金属ケイ素もしくはケイ素化合物である上記（６）〜（８）のいずれかに記載の炭化ケイ素ヒータの製造方法。
（１０）炭素源は、フェノール樹脂である上記（６）〜（９）のいずれかに記載の炭化ケイ素ヒータの製造方法。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、複雑な立体形状を備える炭化ケイ素ヒータの製造方法が提供される。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
以下に実施形態を挙げて本発明を説明するが、本発明が以下の実施形態に限定されないことはいうまでもない。
【００１０】
〔炭化ケイ素焼結体の製造方法に用いられる成分〕
本発明の実施形態にかかる炭化ケイ素ヒータの製造方法に用いられる成分について説明する。
（炭素繊維）
炭素繊維としては、特に制限はなく、ポリアクリルニトリル系、レーヨン系、ピッチ系など各種のカーボン繊維の表面を酸化処理したものを用いることができる。炭素繊維の径は太すぎると未反応の炭素繊維が残り易いため１０μｍ以下が好ましい。なお、原料の混合粉体中におけるシリコン粉末の割合は炭素源由来の炭素量およびカーボン繊維をケイ素化する化学当量以上になるように設定することがより好ましい。
【００１１】
（炭素源）
炭素源としては、加熱により炭素を生ずる有機化合物を用いることが好ましい。炭素源としては例えばフェノール樹脂、エポキシ樹脂等の熱硬化性樹脂を用いることができる。
【００１２】
（ケイ素源）
ケイ素源としては金属ケイ素粉末を用いることができる。ケイ素化合物を含むケイ素源（以下、「ケイ素源」という。）としては、液状のものと固体のものとを併用することができるが、少なくとも１種は液状のものから選ばれなくてはならない。液状のものとしては、アルコキシシラン（モノ−、ジ−、トリ−、テトラ−）及びテトラアルコキシシランの重合体が用いられる。アルコキシシランの中ではテトラアルコキシシランが好適に用いられ、具体的には、メトキシシラン、エトキシシラン、プロポキシシラン、ブトキシシラン等が挙げられるが、ハンドリングの点からは、エトキシシランが好ましい。また、テトラアルコキシシランの重合体としては、重合度が２〜１５程度の低分子量重合体（オリゴマー）及びさらに重合度が高いケイ酸ポリマーで液状のものが挙げられる。これらと併用可能な固体状のものとしては、酸化ケイ素が挙げられる。上記反応焼結法において酸化ケイ素とは、ＳｉＯの他、シリカゲル（コロイド状超微細シリカ含有液、内部にＯＨ基やアルコキシル基を含む）、二酸化ケイ素（シリカゲル、微細シリカ、石英粉末）等を含む。これらケイ素源は、単独で用いてもよいし、２種以上併用してもよい。
【００１３】
これらケイ素源の中でも、均質性やハンドリング性が良好な観点から、テトラエトキシシランのオリゴマー及びテトラエトキシシランのオリゴマーと微粉末シリカとの混合物等が好適である。また、これらのケイ素源は高純度の物質が用いられ、初期の不純物含有量が２０ｐｐｍ以下であることが好ましく、５ｐｐｍ以下であることがさらに好ましい。
【００１４】
炭素源として用いられる物質は、酸素を分子内に含有し、加熱により炭素を残留する高純度有機化合物であることが好ましい。具体的には、フェノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂、フェノキシ樹脂やグルコース等の単糖類、蔗糖等の少糖類、セルロース、デンプン等の多糖類などの等の各種糖類が挙げられる。これらはケイ素源と均質に混合するという目的から、常温で液状のもの、溶媒に溶解するもの、熱可塑性あるいは熱融解性のように加熱することにより軟化するものあるいは液状となるものが主に用いられる。なかでも、レゾール型フェノール樹脂やノボラック型フェノール樹脂が好適である。特に、レゾール型フェノール樹脂が好適に使用される。
【００１５】
（炭化ケイ素ヒータの製造方法）
（実施形態）
実施形態にかかる炭化ケイ素ヒータの製造方法は、（イ）炭素繊維を所望の形状に成形する工程と、（ロ）炭素繊維に炭素源を含浸させる工程と、（ハ）炭素源を含浸させた炭素繊維に溶融したケイ素源を含浸させ、炭素源とケイ素源を反応させて炭化ケイ素ヒータを得る工程と、を含む。各工程毎に詳細に説明する。
【００１６】
（イ）炭素繊維を所望の形状に成形する。例えばシート状の炭素繊維を棒状体に巻きつけることにより、炭素繊維を円柱状に成形することができる。その他にも、紐状又は帯状の炭素繊維を棒状体に巻きつけることにより、コイル状に成形することも可能である。
（ロ）炭素繊維に炭素源を含浸させる。その後、真空炉もしくは雰囲気炉において炭素繊維に含浸させた炭素源を炭化する。炭素源としてはフェノール樹脂及びエポキシ樹脂のいずれか一方を用いることが好ましい。この場合、炭素繊維に炭素源を含浸させた後に炭素源を加熱又は放射線により硬化させた後に炭化させることが好ましい。
（ハ）炭素源を含浸させた炭素繊維に溶融したケイ素源を含浸させる。そして、炭素繊維や含浸した樹脂の炭化物とケイ素源を反応させる。ケイ素源としては、金属ケイ素もしくはケイ素化合物を用いることができる。炭素源を含浸させた炭素繊維に溶融したケイ素源を含浸させる他にも、ケイ素ガスを炭素繊維に吹き付ける方法もある。
【００１７】
実施形態にかかる炭化ケイ素ヒータの製造方法によれば、従来困難であった円筒状やコイル状等といった複雑な立体形状を備える炭化ケイ素ヒータを製造することができる。（ロ）工程で得られた成形品は炭素繊維と樹脂で出来ているため破損しにくくハンドリングしやすい。
【００１８】
上記のように、本発明は実施形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。以下に実施形態の変形例を例示する。
【００１９】
（実施形態の変形例１）
例えば、実施形態にかかる炭化ケイ素ヒータの製造方法の変形例１としては、（イ）炭素源を含浸させたプリプレグを所望の形状に成形する工程と、（ロ）炭素源を含浸させたプリプレグに溶融したケイ素源を含浸させ、炭素源とケイ素源を反応させて炭化ケイ素ヒータを得る工程と、を含む炭化ケイ素ヒータの製造方法が挙げられる。各工程毎に詳細に説明する。
【００２０】
（イ）プリプレグを所望の形状に成形する。例えば実施形態の（イ）工程と同様にして円柱状、コイル状に成形する。またプリプレグを複数枚重ね合わせた後プレス成形し、硬化後機械で精密に加工することにより目的の形状としても構わない。その後、実施形態の（ロ）工程と同様にして炭素源を炭化する。
（ロ）実施形態の（ハ）工程と同様にして、炭素源を含浸させたプリプレグに溶融したケイ素源を含浸させ、そして炭素繊維や含浸した樹脂の炭化物とケイ素源を反応させる。
【００２１】
実施形態においては、炭素繊維を所望の形状に成形した後に、炭素繊維に炭素源を含浸させていた。ところが、実施形態の変形例においては、予め炭素源を含浸させておいたプリプレグを所望の形状に成形する。そのため、炭素源を含浸させる工程を省略できることから生産工程の簡略化と生産時間の短縮を図ることができる。
【００２２】
（実施形態の変形例２）
実施形態においては、円筒状やコイル状等といった複雑な立体形状を備える炭化ケイ素ヒータの製造方法を例示した。しかし、織物状の炭素繊維を重ね合わせた後に樹脂を含浸させて炭素繊維同士を接合させた後に面状のヒータに切り出しても構わない。更に切り出したヒータの電極用にパイプ状の炭化ケイ素ヒータを接合しても良い。
実施形態を変形することにより、炭化ケイ素ヒータの形状を自由に設計することができることにより、炭化ケイ素ヒータの用途が拡大する。
【００２３】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【００２４】
（炭化ケイ素ヒータ）
上記の製造方法により得られる炭化ケイ素ヒータの主な物性について列記すると以下の通りである。例えば、曲げ強度は１００ＭＰａ以上、好ましくは１５０ＭＰａ以上である。熱伝導率は１００Ｗ／ｍｋ以上、密度は２．０〜３．０ｇ／ｃｍ3以上、好ましくは２．２〜２．９ｇ／ｃｍ3、体積固有抵抗は室温において０．０１〜０．１Ω・ｃｍであり、１０００℃において０．０１〜０．００１Ω・ｃｍある。
【実施例】
【００２５】
（実施例１）
直径１ｍｍの炭素繊維製組紐（繊維径７μｍ）を直径８ｍｍの丸棒に巻き付けフィラメント状にした。炭素繊維製組紐の両端部を１００ｍｍ程度真直ぐに伸ばして固定した。固定した炭素繊維製組紐にフェノール樹脂を１０ｗｔ．％溶解したエタノール溶液を含浸させた。その後、フェノール樹脂を含浸した炭素繊維製組紐を温度１３０℃に設定された乾燥機に入れフェノール樹脂を熱硬化させ、炭素繊維製組紐の形状をフィラメント状に固定した。炭素繊維製組紐の両端部を金属シリコンを入れた坩堝内に置き、雰囲気炉中で１５００℃、窒素圧力１００Ｐａで３時間加熱し溶融したシリコンを含浸し炭素繊維と反応させ炭化ケイ素化した。出来上がったフィラメント状の炭化ケイ素ヒータは大部分が炭化ケイ素から成り、一部が反応し残った炭素繊維と炭素繊維の隙間に入った金属シリコンから成っていた。
【００２６】
（実施例２）
シート状炭素繊維に樹脂を含浸したプリプレグを用意した。プリペレグを内径８ｍｍ、外径１０ｍｍ、長さ３００ｍｍの型に巻いて円筒状とした。更にプリプレグの両端の１００ｍｍにプリプレグを巻き付け外径１４ｍｍとし、乾燥機で１３０℃で加熱し樹脂を熱硬化し棒状のヒータ形状とした。両端にケイ素を含浸するための炭素繊維紐を取り付け、炭素繊維紐を金属ケイ素を入れた坩堝内に置き、雰囲気炉で１５００℃、窒素圧力１００Ｐａで３時間加熱し溶融したケイ素を含浸し炭素繊維と反応させて炭化ケイ素ヒータを得た。得られた棒状の炭化ケイ素ヒータは実施例１と同様の組織であった。
【００２７】
（実施例３）
シート状炭素繊維に樹脂を含浸したプリプレグを用意した。用意したプリペレグを重ね合わせて厚さ１ｍｍのシートとした。その後乾燥機で１３０℃で加熱し樹脂を熱硬化させた。熱硬化させたプリプレグを平面状のエレメント形状に加工した。次にシートを内径８ｍｍ、外径１２ｍｍに丸め、長さ１００ｍｍの円筒状の丸棒を作製した。その後乾燥機で１３０℃に加熱し樹脂を熱硬化させた。エレメント両端部に丸棒を接着しヒータ形状とした。丸棒の両端にシリコンを含浸するための炭素繊維紐を取り付け、炭素繊維紐を金属シリコンを入れた坩堝内に置き、雰囲気炉中で１５００℃、窒素圧力１００Ｐａで３時間加熱し溶融したシリコンを含浸し炭素繊維と反応させ炭化ケイ素ヒータを得た。得られた炭化ケイ素ヒータは実施例１と同様の組織であった。