(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素発熱体を配置し、窒素分圧０．０８ＭＰａ以上、水素分圧０．０１ＭＰａ以下の成分を有するガス雰囲気中で熱処理を行うために使用する電気炉の操炉において、炉内温度が１４７３〜１６００Ｋの温度域においては酸素濃度を１０-18 以上に制御し、炉内温度が１６００Ｋを越え１７７３Ｋ以下の温度域においては酸素濃度を１０-17 以上に制御することを特徴とする操炉方法。
【請求項２】
前記電気炉の操炉において、炉内温度が１４７３〜１６００Ｋの温度域においては酸素濃度を１０-18 〜１０-6に制御し、炉内温度が１６００Ｋを越え１７７３Ｋ以下の温度域においては酸素濃度を１０-17 〜１０-6に制御することを特徴とする請求項１記載の操炉方法。
【請求項３】
炭化珪素発熱体を配置し、窒素分圧０．０８ＭＰａ以上、水素分圧０．０１ＭＰａ以下の成分を有するガス雰囲気中で熱処理を行うために使用する電気炉において、炉内温度に応じて炉内ガス雰囲気中の酸素濃度を制御するための制御機構を備え、炉内温度が１４７３〜１６００Ｋの温度域においては酸素濃度を１０−１８以上、炉内温度が１６００Ｋを越え１７７３Ｋ以下の温度域においては酸素濃度を１０−１７以上に制御し得るよう構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の操炉方法を実施するための電気炉。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、操炉方法、詳しくは、窒素、水素の混合ガス雰囲気中で熱処理を行うために使用する炭化珪素発熱体を使用した電気炉の操炉方法、および該操炉方法を実施するための電気炉に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、炭化珪素発熱体を配置した電気炉は熱処理炉として広く使用されてきたが、近年、技術革新による材料の高性能化の要求に伴って、材料を従来のように大気雰囲気中で熱処理するのではなく、窒素、水素の混合ガスからなる還元性ガス雰囲気で熱処理することが要求され、加熱温度についても、炉内温度１６７３Ｋ程度までの温度域で使用される熱処理炉（焼成炉）が増加している。
【０００３】
炭化珪素発熱体は、表面に保護膜（ＳｉＯ2 被膜）を形成することにより安定して使用し得るものであるが、窒素、水素の還元性ガス雰囲気中では、この保護膜が破壊されるため、炭化珪素発熱体の寿命が短くなり使用できなくなる。このため、窒素、水素の還元性ガス雰囲気下、１５００Ｋ未満の温度域での使用においては、表面にＳｉＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 、ＭｏＳｉ2 などを主成分とする保護被膜を施すことにより使用されており、炉内温度が１５００Ｋを越える高温域においては、炭化珪素発熱体の使用は困難で、二珪化モリブデンの発熱体が使用される場合が多かった。
【０００４】
炭化珪素発熱体の表面に前記の保護被膜を施すことにより発熱体の寿命は改善されるが、この保護被膜を形成した場合でも１５００Ｋ未満の低温度域でしか使用できず、且つ寿命の点でも必ずしも十分でない。また、高温域で使用される二珪化モリブデンの発熱体は高価であり、被熱処理製品のコスト上昇をもたらす。このため、窒素、水素の還元性雰囲気中において、炉内温度が１６７３Ｋ程度の温度域まで使用できる炭化珪素発熱体使用電気炉が強く要求されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
発明者は、この要求に答えるために、以下のような基礎的な実験、考察を行った。一般に、大気雰囲気のように酸素濃度が高い場合には、下記（１）〜（２）式に示すように、炭化珪素発熱体の表面に酸化膜（ＳｉＯ2 ）が生成し、これが保護膜となって炭化珪素発熱体は安定して使用することが可能となる。（以下、この状態をケース１という）
ＳｉＣ＋２Ｏ2 ＝ＳｉＯ2 ＋ＣＯ2 （１）
ＳｉＣ＋（３／２）Ｏ2 ＝ＳｉＯ2 ＋ＣＯ（２）
【０００６】
しかしながら、窒素、水素の還元性ガスのように酸素濃度が低い雰囲気中においては、酸化膜（ＳｉＯ2 ）は保護膜とはなり得ず、酸化膜が飛散して、次々にＳｉＣが酸化される（アクティブ酸化）。この状態では、炭化珪素発熱体の抵抗増加が生じ、ケース１の場合より寿命は短くなるが、まだ使用できる状態にはある。（以下、この状態をケース２という）
【０００７】
さらに酸素濃度が低くなると、酸化膜（ＳｉＯ2 ）は形成されず、下記（３）式に示すように、ＳｉＣから直接ＳｉＯガスを生成する化学反応が生じアクティブ酸化が起こる。この状態においては、ケース２の場合より著しい酸化が生じるため、炭化珪素発熱体の使用は困難となる。（以下、この状態をケース３という）
ＳｉＣ＋Ｏ2 ＝ＳｉＯ（ｇ）＋ＣＯ（ｇ）（３）
【０００８】
すなわち、ケース１は、炭化珪素発熱体を問題なく使用できる環境であり、ケース２は、酸化がある程度は進行するが炭化珪素発熱体が使用できる雰囲気であるが、ケース３では、著しい酸化反応が生じるため炭化珪素発熱体の使用は困難となる。
【０００９】
熱力学的計算によれば、上記各式に示される反応は、温度および酸素濃度により変わり、例えば、発熱体の表面温度が１６００Ｋの場合には、ＳｉＣの酸化挙動は、表１に示すように、酸度濃度によって変化する。すなわち、表１によれば、発熱体の表面温度が１６００Ｋの場合、ケース１とケース２の境界の酸素濃度はｌｏｇＰO2＝−２０．４９３であり、この酸素濃度値が、炭化珪素発熱体が使用できるか否かの目安となる。また、上記境界の酸素濃度は、表２に示すように、温度によって変化する。
【００１０】
【表１】
0004379553.tif 000002
《表注》ＰO2：酸素分圧（atm)
【００１１】
【表２】
0004379553.tif 000003
【００１２】
炉内温度が１６７３Ｋの場合、発熱体の表面温度は、表面負荷にもよるが、一般的な表面負荷の場合には１７７３Ｋと、炉内温度より１００℃程度高くなる。実用炉において、窒素、水素の還元性ガス雰囲気の場合、酸素濃度は１０-20 （体積分率−酸素ガスの体積と混合ガス全体の体積の比）程度であるから、表２により、発熱体の表面温度が１６００Ｋ（炉内温度で１５００Ｋ相当）以上の高温域ではケース３の条件での酸化が生じ、これまでは炭化珪素発熱体の使用が困難となっていた。
【００１３】
しかしながら、発明者による上記の実験、考察に示すように、ＳｉＣの酸化は温度のみに影響されるものではなく、酸素濃度に大きく依存していることが認められ、酸素濃度を制御することにより酸化を抑制することができることが見出された。
【００１４】
本発明は、上記の知見に基づいて、温度、酸素濃度とＳｉＣの酸化挙動の関係について、さらに検討を加えた結果としてなされたものであり、その目的は、窒素、水素の混合ガス雰囲気のような低酸素の還元性雰囲気を使用した場合においても、温度域に応じて酸素濃度を特定範囲に制御することによって、炉内温度が１７７３Ｋ程度の温度域まで炭化珪素発熱体の使用を可能とする炭化珪素発熱体を使用した電気炉の操炉方法を提供することにある。また、本発明の他の目的は、当該操炉方法を実施するための電気炉を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明の請求項１による操炉方法は、炭化珪素発熱体を配置し、窒素分圧０．０８ＭＰａ以上、水素分圧０．０１ＭＰａ以下の成分を有するガス雰囲気中で熱処理を行うために使用する電気炉の操炉において、炉内温度が１４７３〜１６００Ｋの温度域においては酸素濃度を１０-18 以上に制御し、炉内温度が１６００Ｋを越え１７７３Ｋ以下の温度域においては酸素濃度を１０-17 以上に制御することを特徴とする。
【００１６】
請求項２による操炉方法は、請求項１による電気炉の操炉において、炉内温度が１４７３〜１６００Ｋの温度域においては酸素濃度を１０-18 〜１０-6に制御し、炉内温度が１６００Ｋを越え１７７３Ｋ以下の温度域においては酸素濃度を１０-17 〜１０-6に制御することを特徴とする。
【００１７】
また、請求項１または２に記載の操炉方法を実施するための電気炉は、炭化珪素発熱体を配置し、窒素分圧０．０８ＭＰａ以上、水素分圧０．０１ＭＰａ以下の成分を有するガス雰囲気中で熱処理を行うために使用する電気炉において、炉内温度に応じて炉内ガス雰囲気中の酸素濃度を制御するための制御機構を備え、炉内温度が１４７３〜１６００Ｋの温度域においては酸素濃度を１０−１８以上、炉内温度が１６００Ｋを越え１７７３Ｋ以下の温度域においては酸素濃度を１０−１７以上に制御し得るよう構成されていることを特徴とする。
【００１８】
【発明の実施の形態】
前記表２によれば、発熱体の表面温度が１６００Ｋ未満では、ケース３の状態となる酸素分圧がきわめて低いため、実用炉におけるガス雰囲気ではケース３の酸化を生じることはない。一般的に、炉内温度は炭化珪素発熱体の表面温度より１００℃低いことを考慮すると、炭化珪素発熱体を窒素、水素の還元性雰囲気中で使用するためには、炉内温度が１５００Ｋから１６００Ｋまでの温度域（発熱体の表面温度が１６００〜１７００Ｋに相当）においては、酸素濃度を１０-18 以上に制御し、炉内温度が１６００Ｋから１７７３Ｋまでの温度域（発熱体の表面温度が１７００〜１８７３Ｋに相当）においては、酸素濃度を１０-17 以上に制御することが必要となる。
【００１９】
しかしながら、炉内雰囲気中の酸素濃度が大きくなると、被加熱材料（被処理物）に所望の優れた特性を与えることができなくなるため、炉内温度が１５００Ｋから１６００Ｋまでの温度域においては、酸素濃度を１０-18 〜１０-6の範囲に制御し、炉内温度が１６００Ｋから１７７３Ｋまでの温度域においては、酸素濃度を１０-17 〜１０-6の範囲に制御するのが好ましい。
【００２０】
上記のように酸素濃度を制御するための好ましい制御機構について説明する。図１は、円筒状の炉体４の内壁部に炭化珪素発熱体１を配置し、ガス導入管２を通じて、窒素、水素の混合ガスを炉内に導入して、被処理物３を熱処理するようにした電気炉Ｆである。
【００２１】
図２は、ガスの導入系統を示す図であり、窒素ガスおよび水素ガスは、それぞれマスフロを通じて予め設定された流量に調節され、混合器で混合された後、含湿器に導入される。
【００２２】
含湿器は、図３に示すように、混合ガスの導入管６、発熱体５、冷却器８を備えてなり、含湿器Ｍに純水９を入れ、混合ガスは導入管６を通じて純水９中に導入され、純水９内を通って所定量の酸素を含んだ混合ガスは、排出管７を通じて炉内に導入されるようになっている。発熱体５および冷却器８は純水９の温度を調整するためのもので、水温の調整と、前記ガス導入系統におけるガスの流量調節の組合わせによって混合ガス中の酸素濃度の制御が行われる。含湿器に取付けられた水温計（図示せず）を介して所定の酸素濃度を得るための水温となるよう発熱体５と冷却器８を制御する。
【００２３】
電気炉Ｆには酸素濃度計（図２）が取付けられ、所定の酸素濃度を得るための自動制御が行えるように、窒素ガスおよび水素ガスの流量調節機構、含湿器Ｍの水温調整機構を含む制御系を構成することもできる。なお、含湿器によらず、酸素供給装置と微量の酸素量を制御し得る機構を介して、炉体内の酸素濃度を制御することもできる。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。なお、この実施例は本発明の一実施態様を示すものであり、本発明がこれに限定されるものではない。
【００２５】
実施例
図１〜３に示す装置を使用し、炭化珪素発熱体を通常の実用炉と同様に配置して、表３に示す条件で操炉し、炉内雰囲気の酸素分圧を変化させた場合における炭化珪素発熱体の抵抗増加率を測定した。なお、炭化珪素発熱体としては、表面保護被膜の無いものおよび表面にＳｉＯ2 、Ａｌ2 Ｏ3 、ＭｏＳｉ2 などを主成分とする保護被膜を施したものを使用し、炉内雰囲気中の酸素濃度を１０-20 および１０-17 と変えた。抵抗増加率を表４に示す。
【００２６】
【表３】
0004379553.tif 000004
【００２７】
【表４】
0004379553.tif 000005
《表注》バッチ回数：表３に示す操炉条件で昇温−保持−冷却を繰り
返した回数
【００２８】
表４に示すように、炉内温度１６７３Ｋにおいては、炉内還元ガス雰囲気中の酸素濃度が１０−１７の場合、酸素濃度が１０−２０の場合に比べて、保護被膜の無いものでも、大気雰囲気の場合と同様、炭化珪素発熱体の抵抗増加率が１／２〜１／３となっており、酸素濃度を１０−１７以上に制御した場合には、炭化珪素発熱体にケース３の酸化を生じることなく、炭化珪素発熱体の使用が十分に可能であることが認められる。
【００２９】
これに対して、炉内温度が１６７３Ｋで、炉内還元ガス雰囲気中の酸素濃度が１０-20 の場合には、ケース３の酸化が生じて、炭化珪素発熱体の抵抗増加率が大きくなっており、炭化珪素発熱体の表面の保護被膜の有り、無しは抵抗増加にほとんど効果を持たないことがわかる。
【００３０】
なお、炉内温度を１５５０Ｋとし、炉内還元性雰囲気中の酸素濃度を１０-18 と１０-20 にした場合を比較した場合にも、同様の結果が得られた。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、窒素、水素の混合ガス雰囲気のような低酸素の還元性雰囲気を使用した場合においても、炉内温度が１７７３Ｋ程度の温度域まで炭化珪素発熱体の使用を可能とする炭化珪素発熱体を使用した電気炉の操炉方法および当該操炉方法を実施するための電気炉が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による電気炉の略式断面図である。
【図２】本発明の電気炉に雰囲気ガスを供給するためのガス系統図である。
【図３】雰囲気ガス中の酸素濃度を調整するための含湿器の略式断面図である。
【符号の説明】
１  炭化珪素発熱体
２  ガス導入管
３  被処理物
４  炉体
５  発熱体
６  混合ガス導入管
７  ガス排出管
８  冷却器
９  純水
Ｆ  電気炉
Ｍ  含湿器
【図１】
0004379553.tif 000006
【図２】
0004379553.tif 000007
【図３】
0004379553.tif 000008