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JP2024094924A - Method for producing molded product with high silicon carbide content, and method for producing silicon carbide single crystal using molded product with high silicon carbide content - Google Patents

Method for producing molded product with high silicon carbide content, and method for producing silicon carbide single crystal using molded product with high silicon carbide content Download PDF

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JP2024094924A
JP2024094924A JP2022211848A JP2022211848A JP2024094924A JP 2024094924 A JP2024094924 A JP 2024094924A JP 2022211848 A JP2022211848 A JP 2022211848A JP 2022211848 A JP2022211848 A JP 2022211848A JP 2024094924 A JP2024094924 A JP 2024094924A
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JP
Japan
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silicon carbide
molded product
sic
producing
thermosetting
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JP2022211848A
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Japanese (ja)
Inventor
咲子 川西
Sakiko Kawanishi
吉之 中山
Yoshiyuki Nakayama
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Tohoku University NUC
Original Assignee
Tohoku University NUC
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Publication date
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Abstract

【課題】溶液法によるSiC単結晶の製造において、前記SiC単結晶のC源かつSi源として用いるSiC高含有成型品の製造方法であって、反応性含浸法を適用しながらも、所望の形状で、空隙も抑えた緻密なSiC高含有成型品を得ることができるSiC高含有成型品の製造方法を提供する。
【解決手段】溶液法による炭化ケイ素単結晶の製造において、炭素源かつケイ素源として用いる炭化ケイ素高含有成型品の製造方法であって、前記製造方法は、炭化ケイ素粉末と熱硬化性樹脂とを含む造粒物を加圧成型し、硬化反応してなる成型体の炭化処理物に、溶融ケイ素を含浸させることにより、前記熱硬化性樹脂由来の炭素と前記溶融ケイ素とを反応させて炭化ケイ素を生成することを含む、炭化ケイ素高含有成型品の製造方法。
【選択図】図1

[Problem] To provide a method for producing a high-SiC molded product that is used as a C source and a Si source for a SiC single crystal in the production of a SiC single crystal by a solution process, the method for producing a high-SiC molded product being capable of obtaining a dense high-SiC molded product in a desired shape with reduced voids even while applying a reactive impregnation method.
[Solution] A method for producing a molded product with a high silicon carbide content, which is used as a carbon source and a silicon source in the production of silicon carbide single crystals by a solution process, comprising: pressurizing a granulated material containing silicon carbide powder and a thermosetting resin; impregnating the carbonized product produced by a curing reaction into a molded product with molten silicon, thereby reacting carbon derived from the thermosetting resin with the molten silicon to produce silicon carbide.
[Selected Figure] Figure 1

Description

本発明は、炭化ケイ素単結晶の製造において、炭素源かつケイ素源として好適な炭化ケイ素高含有成型品の製造方法に関する。また、本発明は、炭化ケイ素高含有成型品を炭素源かつケイ素源として用いる炭化ケイ素単結晶の製造方法に関する。 The present invention relates to a method for producing a molded product with a high silicon carbide content that is suitable as a carbon source and a silicon source in the production of silicon carbide single crystals. The present invention also relates to a method for producing silicon carbide single crystals using a molded product with a high silicon carbide content as a carbon source and a silicon source.

炭化ケイ素(SiC)は次世代パワー半導体材料として期待されている。例えば、SiCパワーデバイス市場は、世界的にみて年平均成長率30%で拡大することが予想され、特に電気自動車(EV)のモータドライブ等の車載分野では年率100%超の成長率が予想されている。しかし、SiC基板はSi基板に比べて高価であり、また、SiC単結晶基板の欠陥の低減には現状の技術では制約がある。したがって、SiC単結晶基板の高品質化が課題となっている。 Silicon carbide (SiC) is expected to be a next-generation power semiconductor material. For example, the SiC power device market is expected to expand at an average annual growth rate of 30% worldwide, and in particular in the automotive field, such as motor drives for electric vehicles (EVs), an annual growth rate of over 100% is expected. However, SiC substrates are more expensive than Si substrates, and current technology has limitations in reducing defects in SiC single crystal substrates. Therefore, improving the quality of SiC single crystal substrates is an issue.

Si単結晶基板の場合には、Siの融点が常圧下で1414℃であるため、Si融液から、チョクラルスキー法(CZ法)や浮遊帯域溶融法(FZ法)により高品質で大口径の単結晶を得ることができる。これに対し、SiCは常圧下では融解せず、加熱すると2000℃程度の温度で昇華してしまうため、CZ法やFZ法を適用することができない。そのため、SiC単結晶は、主として昇華法により製造されている。昇華法は現時点で、SiC単結晶の量産化の唯一の方法であり、この方法で製造された6インチ径のSiC単結晶基板が市販されている。また、8インチ径のSiC単結晶基板の量産化に向けて開発が進められている。しかし、昇華法は結晶成長速度が遅く、結晶成長環境の精密な温度管理が難しいこともあり、更なる欠陥低減は困難な状況にある。また、RAF法(Repeated A-Face成長法)を適用することにより、原理的には高品質化が可能であるものの、コスト面で制約が生じてしまう。 In the case of Si single crystal substrates, since the melting point of Si is 1414°C under normal pressure, high-quality, large-diameter single crystals can be obtained from Si melt by the Czochralski method (CZ method) or the floating zone melting method (FZ method). In contrast, SiC does not melt under normal pressure, and when heated, it sublimes at a temperature of about 2000°C, so the CZ method and FZ method cannot be applied. Therefore, SiC single crystals are mainly manufactured by the sublimation method. At present, the sublimation method is the only method for mass-producing SiC single crystals, and 6-inch SiC single crystal substrates manufactured by this method are commercially available. In addition, development is underway to mass-produce 8-inch SiC single crystal substrates. However, the sublimation method has a slow crystal growth rate and precise temperature control of the crystal growth environment is difficult, making it difficult to further reduce defects. Furthermore, while it is theoretically possible to achieve higher quality by using the Repeated A-Face (RAF) method, this creates cost constraints.

昇華法に代わるSiC単結晶の結晶成長技術として、溶液法(種付け溶液成長法、TSSG:Top Seeded Solution Growth)が提案されている。溶液法によるSiC単結晶の製造では、黒鉛坩堝内にSi融液を収容し、坩堝からCをSi融液中に溶解せしめ、このSi-C溶液に、SiC種結晶を接触させ、SiC種結晶上への溶液成長によってSiC単結晶を得ている。溶液法では、SiCの結晶成長が熱平衡に近い状態で進行し、昇華法に比べて低欠陥で高品質なSiC単結晶を得ることができる。上記のSi融液へのCの溶解度は1at%程度と極めて小さいため、一般に、Cの溶解量を高めるためにSi融液中に遷移金属などを添加する。添加元素としては、TiやCr,Ni、Feなどの遷移金属などが挙げられる。 As an alternative to the sublimation method, a solution method (TSSG: Top Seeded Solution Growth) has been proposed as a crystal growth technique for SiC single crystals. In the production of SiC single crystals by the solution method, a Si melt is placed in a graphite crucible, C is dissolved from the crucible into the Si melt, a SiC seed crystal is brought into contact with this Si-C solution, and a SiC single crystal is obtained by solution growth on the SiC seed crystal. In the solution method, the crystal growth of SiC progresses in a state close to thermal equilibrium, and a high-quality SiC single crystal with fewer defects can be obtained compared to the sublimation method. Since the solubility of C in the above-mentioned Si melt is extremely low at about 1 at%, transition metals are generally added to the Si melt to increase the amount of C dissolved. Examples of added elements include transition metals such as Ti, Cr, Ni, and Fe.

溶液法は高品質なSiC単結晶の製造技術として有望視されているが、課題もいくつか指摘されている。SiCの単結晶成長につれて、Si-C溶液から徐々にSi成分が失われる一方で、Cは継続的に坩堝から供給される。また、Si-C溶液に含まれる遷移金属などの添加元素量は変動しないため、溶液中のSiの割合は減少してしまう。そのため、Si-C溶液のC溶解度が高まり、経時的にCが過剰に融け込むことになり、溶液中のSi/C組成比が変化してしまう。結果、SiCの単結晶成長を、長時間、安定して継続することは難しくなる。また、Si-C溶液中へのCの過剰な融け込みは、坩堝の内壁に微細なSiC多結晶を生じ、このSiC多結晶がSi-C溶液中を浮遊し、単結晶成長を阻害する問題も指摘されている。 The solution method is considered promising as a manufacturing technology for high-quality SiC single crystals, but some problems have been pointed out. As the SiC single crystal grows, the Si component is gradually lost from the Si-C solution, while C is continuously supplied from the crucible. In addition, the amount of added elements such as transition metals contained in the Si-C solution does not change, so the proportion of Si in the solution decreases. This increases the solubility of C in the Si-C solution, and over time, C is dissolved in excess, causing the Si/C composition ratio in the solution to change. As a result, it becomes difficult to continue the stable growth of SiC single crystals for a long period of time. In addition, excessive dissolution of C into the Si-C solution produces fine SiC polycrystals on the inner wall of the crucible, and it has been pointed out that these SiC polycrystals float in the Si-C solution and hinder single crystal growth.

溶液法において、上記のようなSi-C溶液の組成変動を抑え、また、坩堝内壁に析出する多結晶の発生も抑える技術が提案されている。例えば特許文献1には、酸素含有量が100ppm以下の、SiCを主成分とする坩堝をSi-C溶液の収容部として用いて、この坩堝を加熱して、前記Si-C溶液と接触する坩堝表面の高温領域から該坩堝の主成分であるSiCを源とするSiとCの両方を前記Si-C溶液中に溶出せしめ、前記坩堝の上部から、前記Si-C溶液にSiC種結晶を接触させて、該SiC種結晶上にSiC単結晶を成長させるSiC単結晶の製造方法が記載されている。特許文献1記載の技術によれば、Si-C溶液の収容部である坩堝がSiとCの両元素の供給源となり、溶液中のSi/C組成比が安定し、SiC単結晶を安定して長時間成長させることができる。また、坩堝の酸素含有量が100ppm以下であるため、Si-C溶液中でのガス発生が抑制され、低欠陥で高品質なSiC単結晶を、長時間に亘って安定的に製造することが可能になるとされる。なお、特許文献1は、SiCを主成分とする坩堝を、必要により、Siを含浸させる熱処理に付しても良いことを記載しているが、含浸させたSiを坩堝内に存在する炭素(C)原料と反応させてSiCを生成させることは記載されていない。 In the solution method, a technique has been proposed to suppress the compositional fluctuation of the Si-C solution as described above and to suppress the occurrence of polycrystals precipitated on the inner wall of the crucible. For example, Patent Document 1 describes a method for producing a SiC single crystal in which a crucible containing SiC as the main component and having an oxygen content of 100 ppm or less is used as a container for the Si-C solution, the crucible is heated, and both Si and C originating from the SiC, the main component of the crucible, are dissolved into the Si-C solution from the high-temperature region of the crucible surface that contacts the Si-C solution, and a SiC seed crystal is brought into contact with the Si-C solution from the top of the crucible to grow a SiC single crystal on the SiC seed crystal. According to the technique described in Patent Document 1, the crucible, which is the container for the Si-C solution, becomes a supply source of both Si and C elements, the Si/C composition ratio in the solution is stabilized, and a SiC single crystal can be stably grown for a long period of time. In addition, since the oxygen content of the crucible is 100 ppm or less, gas generation in the Si-C solution is suppressed, making it possible to stably produce high-quality SiC single crystals with few defects over a long period of time. Patent Document 1 describes that a crucible mainly composed of SiC may be subjected to a heat treatment to impregnate it with Si if necessary, but does not describe reacting the impregnated Si with a carbon (C) raw material present in the crucible to produce SiC.

SiCを主成分とする成形品の製造に係る技術として、C原料を含む成型体にSi融液を含浸させてSiCを生成する方法(反応性含浸法)が知られている。例えば、非特許文献1には、SiC粉末とC粉末の混合圧粉体にSi融液を含浸させて、SiCを高含有する構造体を得たことが記載されている。また、非特許文献2には、結晶セルロースとフェノール樹脂とを混合し、これを炭化したカーボンプリフォームにSi融液を含浸させてSiCを高含有する構造体を得たことが記載されている。いずれの技術においても、SiCの含有量が80%以上の構造体が得られている。なお、これらの技術において、SiCを除いた残部の大半はSiで構成され、僅かに未反応のCが残存する場合もある。 As a technique for manufacturing molded products whose main component is SiC, a method (reactive impregnation method) is known in which a molded body containing a C raw material is impregnated with a Si melt to produce SiC. For example, Non-Patent Document 1 describes a method of impregnating a mixed compact of SiC powder and C powder with a Si melt to obtain a structure with a high SiC content. In addition, Non-Patent Document 2 describes a method of impregnating a carbon preform obtained by mixing crystalline cellulose and phenolic resin and carbonizing the mixture with a Si melt to obtain a structure with a high SiC content. In both techniques, structures with a SiC content of 80% or more are obtained. In these techniques, the majority of the remainder excluding SiC is composed of Si, and in some cases, a small amount of unreacted C remains.

特開2017-31036号公報JP 2017-31036 A

Suyama et al.,Diamond and Related Materials,2003年,第12巻,p.1201-1204Suyama et al., Diamond and Related Materials, 2003, Vol. 12, pp. 1201-1204 Margiotta et al.,J.Mater.Res.2008年,第23巻,p.1237-1248Margiotta et al., J. Mater. Res. 2008, Vol. 23, pp. 1237-1248

非特許文献1に記載されるC粉末としては黒鉛を用いることが想定されるが、本発明者らが検討したところ、黒鉛が溶融Siと反応してSiCを生成すると体積膨張が生じ、圧粉体の形状維持が困難となることがわかってきた。
また、非特許文献2記載の技術に関し本発明者らが検討を進めたところ、有機原料を炭化してC原料としているためにC原料のかさ密度を小さくでき、Siと反応してSiCを生じた際に体積膨張を生じにくいこと、他方で、フェノール樹脂の硬化反応(脱水縮合)の際に生じる水分(水蒸気)の影響で、得られる成形品には多数の空隙が生じ、やはり所望の形状を精度高く維持することが難しいことがわかってきた。
It is assumed that graphite is used as the C powder described in Non-Patent Document 1, but the inventors have found through their investigations that when graphite reacts with molten Si to produce SiC, volume expansion occurs, making it difficult to maintain the shape of the green compact.
Furthermore, as the inventors furthered their studies on the technology described in Non-Patent Document 2, they found that since the organic raw material is carbonized to produce the C raw material, the bulk density of the C raw material can be reduced and volume expansion is unlikely to occur when it reacts with Si to produce SiC, but on the other hand, due to the influence of moisture (water vapor) generated during the curing reaction (dehydration condensation) of the phenolic resin, numerous voids are generated in the obtained molded product, making it difficult to maintain the desired shape with high precision.

本発明は、溶液法によるSiC単結晶の製造において、前記SiC単結晶のC源かつSi源として用いるSiC高含有成型品の製造方法であって、反応性含浸法を適用しながらも、所望の形状で、空隙も抑えた緻密なSiC高含有成型品を得ることができるSiC高含有成型品の製造方法を提供することを課題とする。また、本発明は、溶液法によるSiCの単結晶成長を、より長時間、安定して継続することができるSiC単結晶の製造方法を提供することを課題とする。 The present invention aims to provide a method for producing a high-SiC content molded product that is used as both a C source and a Si source for the SiC single crystal produced by a solution process, and that can obtain a dense high-SiC content molded product with a desired shape and reduced voids even while applying a reactive impregnation method. The present invention also aims to provide a method for producing a SiC single crystal that can stably continue the growth of a SiC single crystal by a solution process for a longer period of time.

本発明者らは上記課題に鑑み鋭意検討を重ねた。その結果、SiC粉末と熱硬化性樹脂とを混合(混練)して均一な組成物の状態とし、この混合物を造粒して造粒物を得て、この造粒物を加圧成型し、次いで硬化反応させた成型体を炭化して、この炭化物に溶融Siを含浸させることにより、熱硬化性樹脂由来のCと溶融Siとの反応によりSiCを生成し、得られる成形品は溶融Siを含浸させる前の加圧成型体の形状を実質的に維持でき、また、硬化反応時に生じる水蒸気等のガスは、成型体を構成する粒子間の微細な空隙から外部へと逃がすことができるため、空隙も生じにくく、結果として、所望の形状で緻密なSiC高含有成形品が得られることを見出した。
本発明は、これらの知見に基づきさらに検討を重ねて完成されるに至ったものである。
The present inventors have conducted extensive research in view of the above problems. As a result, they have found that a SiC powder and a thermosetting resin are mixed (kneaded) to obtain a homogeneous composition, the mixture is granulated to obtain a granulated product, the granulated product is pressure molded, and the molded product is cured and carbonized, and the carbide is impregnated with molten Si, thereby producing SiC by the reaction between the C derived from the thermosetting resin and the molten Si, and the molded product obtained can substantially maintain the shape of the pressure molded product before being impregnated with molten Si, and gas such as water vapor generated during the curing reaction can be released to the outside through fine voids between the particles constituting the molded product, so that voids are unlikely to be generated, and as a result, a dense SiC-rich molded product with a desired shape can be obtained.
The present invention has been completed through further investigation based on these findings.

本発明の上記課題は、下記の手段により解決された。
〔1〕
溶液法による炭化ケイ素単結晶の製造において、炭素源かつケイ素源として用いる炭化ケイ素高含有成型品の製造方法であって、
前記製造方法は、炭化ケイ素粉末と熱硬化性樹脂とを含む造粒物を加圧成型し、硬化反応してなる成型体の炭化処理物に、溶融ケイ素を含浸させることにより、前記熱硬化性樹脂由来の炭素と前記溶融ケイ素とを反応させて炭化ケイ素を生成することを含む、炭化ケイ素高含有成型品の製造方法。
〔2〕
前記熱硬化性樹脂が次の(a)~(f)の少なくとも1種を含む、〔1〕に記載の炭化ケイ素高含有成型品の製造方法:
(a)熱硬化性フェノール樹脂
(b)熱硬化性エポキシ樹脂
(c)熱硬化性ウレタン樹脂
(d)熱硬化性尿素樹脂
(e)熱硬化性アクリル樹脂、
(f)熱硬化性アルキド樹脂
〔3〕
前記熱硬化性樹脂が炭素元素と水素元素と酸素元素で構成される、〔1〕又は〔2〕に記載の炭化ケイ素高含有成型品の製造方法。
〔4〕
前記造粒物中の前記炭化ケイ素粉末の含有量を90質量%以下とする、〔1〕~〔3〕のいずれかに記載の炭化ケイ素高含有成型品の製造方法。
〔5〕
前記炭化処理物の残炭率を15質量%以上とする、〔1〕~〔4〕のいずれかに記載の炭化ケイ素高含有成型品の製造方法。
〔6〕
前記炭化ケイ素高含有成型品が、前記の溶液法による炭化ケイ素単結晶の製造において、溶液を収容する坩堝として用いられるものである、〔1〕~〔5〕のいずれかに記載の炭化ケイ素高含有成型品の製造方法。
〔7〕
溶液法による炭化ケイ素単結晶の製造において、〔1〕~〔6〕のいずれかに記載の炭化ケイ素高含有成型品の製造方法により得られた炭化ケイ素高含有成型品を、溶液を収容する坩堝として用いることにより、前記坩堝を前記炭化ケイ素単結晶の炭素源かつケイ素源として機能させることを含む、炭化ケイ素単結晶の製造方法。
The above-mentioned problems of the present invention have been solved by the following means.
[1]
A method for producing a silicon carbide-rich molded product used as a carbon source and a silicon source in the production of silicon carbide single crystals by a solution process, comprising the steps of:
The manufacturing method is a method for manufacturing a molded product with a high silicon carbide content, which includes pressure molding a granule containing silicon carbide powder and a thermosetting resin, and impregnating the carbonized product obtained by a curing reaction with molten silicon to react carbon derived from the thermosetting resin with the molten silicon to produce silicon carbide.
[2]
The method for producing a silicon carbide-rich molded product according to [1], wherein the thermosetting resin contains at least one of the following (a) to (f):
(a) thermosetting phenolic resin, (b) thermosetting epoxy resin, (c) thermosetting urethane resin, (d) thermosetting urea resin, (e) thermosetting acrylic resin,
(f) Thermosetting alkyd resin [3]
The method for producing a silicon carbide-rich molded product according to [1] or [2], wherein the thermosetting resin is composed of carbon, hydrogen and oxygen elements.
[4]
The method for producing a silicon carbide-rich molded product according to any one of [1] to [3], wherein the content of the silicon carbide powder in the granules is 90 mass% or less.
[5]
The method for producing a silicon carbide-rich molded product according to any one of [1] to [4], wherein the carbonization treatment product has a residual carbon rate of 15 mass% or more.
[6]
The method for producing a silicon carbide-rich molded product according to any one of [1] to [5], wherein the silicon carbide-rich molded product is used as a crucible for containing a solution in the production of a silicon carbide single crystal by the solution method.
[7]
A method for producing a silicon carbide single crystal, comprising using a high silicon carbide content molded product obtained by the method for producing a high silicon carbide content molded product according to any one of [1] to [6] as a crucible for containing a solution, thereby allowing the crucible to function as a carbon source and a silicon source for the silicon carbide single crystal.

本発明のSiC高含有成型品の製造方法によれば、反応性含浸法を適用しながらも、所望の形状で、空隙も抑えた、緻密なSiC高含有成型品を得ることができる。すなわち、溶液法によるSiC単結晶の製造において、C源かつSi源として好適なSiC高含有成型品を得ることができる。また、本発明のSiC単結晶の製造方法によれば、溶液法によるSiCの単結晶成長を、より長時間、安定して継続することができ、欠陥を抑えたSiC単結晶を安定的に得ることができる。 According to the manufacturing method of high SiC content molded products of the present invention, it is possible to obtain dense high SiC content molded products with the desired shape and reduced voids, even while applying the reactive impregnation method. In other words, it is possible to obtain high SiC content molded products that are suitable as a C source and a Si source in the production of SiC single crystals by the solution method. Furthermore, according to the manufacturing method of SiC single crystals of the present invention, it is possible to stably continue the growth of SiC single crystals by the solution method for a longer period of time, and it is possible to stably obtain SiC single crystals with reduced defects.

図1は、本発明の炭化ケイ素高含有成型品の製造方法の好ましい一実施形態の各工程を時系列に示すフロー図である。FIG. 1 is a flow chart showing the chronological steps of a preferred embodiment of the method for producing a high silicon carbide content molded product of the present invention. 図2は、本発明の炭化ケイ素高含有成型品の製造方法において、炭化ケイ素粉末と熱硬化性樹脂とを含む造粒物を加圧成型し、この加圧成型品を硬化反応してなる成型体の炭化処理物に、溶融Siを含浸させた直後の状態(左図)と、その後、SiとCとが反応してSiCが生成した状態(右図)とを模式的に示す説明図である。FIG. 2 is an explanatory diagram showing the state immediately after impregnation of the carbonized molded product obtained by pressure-molding a granulated material containing silicon carbide powder and a thermosetting resin and subjecting the pressure-molded product to a curing reaction in the manufacturing method of a molded product with a high silicon carbide content of the present invention (left diagram), and the state after that in which Si and C have reacted to produce SiC (right diagram). 図3は、溶液法によるSiC単結晶の製造方法を模式的に示す説明図である。左図はSi-C溶液に種結晶を接触させた状態を示し、右図は溶液成長によって種結晶からSiC単結晶が育成した状態を示す。3 is an explanatory diagram that shows a schematic diagram of a method for producing a SiC single crystal by a solution method. The left diagram shows a state in which a seed crystal is in contact with a Si-C solution, and the right diagram shows a state in which a SiC single crystal is grown from the seed crystal by solution growth. 図4は、実施例1のSiC高含有成形品の断面の光学顕微鏡写真である。FIG. 4 is an optical microscope photograph of a cross section of the high SiC content molded article of Example 1. 図5は、実施例1のSiC高含有成形品の断面の電子顕微鏡写真である。FIG. 5 is an electron microscope photograph of a cross section of the high SiC content molded article of Example 1. 図6は、実施例2のSiC高含有成形品の断面の電子顕微鏡写真である。FIG. 6 is an electron microscope photograph of a cross section of the high SiC content molded article of Example 2. 図7は、実施例3のSiC高含有成形品の断面の電子顕微鏡写真である。FIG. 7 is an electron microscope photograph of a cross section of the high SiC content molded article of Example 3. 図8は、比較例1と比較例2のSiC含有成形品の外観写真である。FIG. 8 is a photograph showing the appearance of the SiC-containing molded articles of Comparative Example 1 and Comparative Example 2. 図9は、比較例1と比較例2のSiC含有成形品の断面の電子顕微鏡写真である。FIG. 9 is an electron microscope photograph of a cross section of the SiC-containing molded articles of Comparative Example 1 and Comparative Example 2. 図10は、比較例3のSiC含有成形品の外観写真である。FIG. 10 is a photograph showing the appearance of the SiC-containing molded article of Comparative Example 3.

本発明の好ましい実施形態について説明するが、本発明は、本発明が規定すること以外は、下記の実施形態に限定されるものではない。 A preferred embodiment of the present invention will be described below, but the present invention is not limited to the following embodiment except as specified by the present invention.

[炭化ケイ素高含有成型品の製造方法]
本発明のSiC高含有成型品の製造方法(以下、「本発明の成型品の製造方法」とも称す。)は、SiC粉末と熱硬化性樹脂とを含む造粒物を加圧成型し、硬化反応してなる成型体の炭化処理物に、溶融Siを含浸させることを含む。一実施形態では、炭化処理物を得るための炭化処理を独立して行わなくても、溶融Siの含浸に供するための昇温段階にて炭化を進めることもできる。本発明において「SiC高含有成型品」とは、成形品の断面の、互いに重ならない3つのエリアを観察し、各エリアの面積(10000μmの矩形枠内)の合計(30000μm)に占めるSiC部分の面積の割合が75%以上(好ましくは80%以上、より好ましくは85%以上)である成形品を意味する。
本発明の成型品の製造方法で得られるSiC高含有成型品は、溶液法によるSiC単結晶の製造において、C源かつSi源として好適である。すなわち、SiC高含有成型品を、Si-C溶液を収容する坩堝として用いることができる。また、SiC高含有成型品をSi-C溶液中に浸漬してC源かつSi源として用いることもできる。本発明において、SiC高含有成型品を坩堝として用いる形態には、坩堝をSiC高含有成型品のみで構成する形態と、SiC高含有成型品以外の坩堝(例えば黒鉛坩堝)の内壁に沿って、SiC高含有成型品を配する形態(ライナーとしての使用)の両方が包含されるものとする。
[Method for producing molded products with high silicon carbide content]
The method for producing a molded product with a high SiC content of the present invention (hereinafter also referred to as the "method for producing a molded product of the present invention") includes pressure molding a granulated product containing SiC powder and a thermosetting resin, and impregnating the carbonized product of the molded product obtained by a curing reaction with molten Si. In one embodiment, carbonization can be advanced in a temperature increase stage for impregnation with molten Si without performing a carbonization process for obtaining a carbonized product separately. In the present invention, the "molded product with a high SiC content" refers to a molded product in which the ratio of the area of the SiC portion to the total area (30,000 μm 2 ) of the areas of the three non-overlapping areas (within a rectangular frame of 10,000 μm 2 ) of the areas of the respective areas is 75% or more (preferably 80% or more, more preferably 85% or more) when three non-overlapping areas of the cross section of the molded product are observed.
The high SiC content molded product obtained by the molded product manufacturing method of the present invention is suitable as a C source and a Si source in the production of SiC single crystals by the solution method. That is, the high SiC content molded product can be used as a crucible for containing a Si-C solution. The high SiC content molded product can also be immersed in a Si-C solution and used as a C source and a Si source. In the present invention, the form in which the high SiC content molded product is used as a crucible includes both a form in which the crucible is composed only of the high SiC content molded product and a form in which the high SiC content molded product is arranged along the inner wall of a crucible other than the high SiC content molded product (for example, a graphite crucible) (use as a liner).

<炭化ケイ素粉末と熱硬化性樹脂とを含む造粒物の調製>
SiC粉末と熱硬化性樹脂とを含む造粒物は、SiC粉末と熱硬化性樹脂とを混合(混練)して均一な組成物の状態とし、この混合物(組成物)を造粒処理に付して得ることができる。熱可塑性樹脂が溶媒に溶解している溶液状である場合には、SiC粉末と混合後、乾燥して溶媒を除去することが好ましい。乾燥処理は溶媒種や熱硬化性樹脂の種類にもよるが、硬化反応を生じないように、例えば120℃以下で加熱乾燥することができ、100℃以下で加熱乾燥することがより好ましい。乾燥時間は特に制限されず、所望の乾燥状態になるまで乾燥させればよい。
SiC粉末と熱硬化性樹脂(溶媒を除く)との混合比は、SiC粉末/熱硬化性樹脂(質量比)が10/1~1/5が好ましく、8/1~1/3がより好ましく、6/1~1/1がさらに好ましく、5/1~2/1が特に好ましい。また、造粒処理に付して得られる造粒物中のSiC粉末の含有量を、90質量%以下とすることが好ましい。換言すれば、C源となる熱硬化性樹脂をある程度多量に配合することが好ましい。
造粒処理は特に制限されず、混合物を粉砕可能な種々の方法を採用することができる。例えば、乳鉢、石臼、スタンプミル、自生粉砕機、カッターミル、ミキサーミル、クライオミル、スプレードライヤーなどを用いる方法が挙げられる。この造粒処理によって得られた造粒物を、篩を用いて分級し、所望の粒径のものを次工程の加圧成型(プレス成型)に付すことが好ましい。次工程の加圧成型に付す造粒物の粒径(造粒により形成された二次粒子の粒径)は、篩によって600μm以下に調整する(目開き600μmの篩を通過した造粒物を用いる)ことが好ましく、500μm以下に調整することがより好ましく、400μm以下に調整することがさらに好ましい。この粒径は通常は0.5μm以上であり、1μm以上が好ましく、5μm以上がより好ましい。造粒物の粒径を好ましい範囲として示すと、0.5~600μmが好ましく、1~500μmがより好ましく、5~500μmがさらに好ましく、5~400μmがさらに好ましい。また、目開きが10~100μmの間にある篩を用いて、この篩を通過しない造粒物を用いることにより、造粒物の粒径の下限を制御することも好ましい。
<Preparation of granules containing silicon carbide powder and thermosetting resin>
Granules containing SiC powder and thermosetting resin can be obtained by mixing (kneading) SiC powder and thermosetting resin to form a uniform composition, and subjecting this mixture (composition) to a granulation process. When the thermoplastic resin is in a solution state dissolved in a solvent, it is preferable to mix it with the SiC powder and then dry it to remove the solvent. The drying process depends on the type of solvent and the type of thermosetting resin, but it can be heated and dried at, for example, 120°C or less so as not to cause a curing reaction, and it is more preferable to heat and dry at 100°C or less. The drying time is not particularly limited, and it is sufficient to dry it until it reaches the desired dry state.
The mixing ratio of the SiC powder and the thermosetting resin (excluding the solvent) is preferably SiC powder/thermosetting resin (mass ratio) of 10/1 to 1/5, more preferably 8/1 to 1/3, even more preferably 6/1 to 1/1, and particularly preferably 5/1 to 2/1. The content of the SiC powder in the granulated product obtained by the granulation process is preferably 90 mass% or less. In other words, it is preferable to mix a relatively large amount of the thermosetting resin as a C source.
The granulation process is not particularly limited, and various methods capable of pulverizing the mixture can be adopted. For example, methods using a mortar, a stone mill, a stamp mill, an autogenous grinder, a cutter mill, a mixer mill, a cryomill, a spray dryer, etc. can be mentioned. It is preferable to classify the granulated material obtained by this granulation process using a sieve, and to subject those with a desired particle size to the next step of pressure molding (press molding). The particle size of the granulated material to be subjected to the next step of pressure molding (the particle size of the secondary particles formed by granulation) is preferably adjusted to 600 μm or less by a sieve (using a granulated material that has passed through a sieve with an opening of 600 μm), more preferably adjusted to 500 μm or less, and even more preferably adjusted to 400 μm or less. This particle size is usually 0.5 μm or more, preferably 1 μm or more, and more preferably 5 μm or more. The particle size of the granulated product is preferably in the range of 0.5 to 600 μm, more preferably 1 to 500 μm, even more preferably 5 to 500 μm, and even more preferably 5 to 400 μm. It is also preferable to use a sieve with an opening size of 10 to 100 μm and use granulated product that does not pass through this sieve to control the lower limit of the particle size of the granulated product.

(炭化ケイ素粉末)
上記の原料として用いるSiC粉末は、粉末状のSiCであれば特に制限されない。例えば、体積基準のメディアン径(d50)が20μm以下のSiC粉末を用いることができ、成型体中の過度な空隙の発生を抑える観点から、15μ以下のSiC粉末を用いることが好ましく、10μm以下のSiC粉末を用いることがより好ましく、6μm以下のSiC粉末を用いることがさらに好ましい。SiC粉末のd50は通常は0.2μm以上であり、0.3μm以上であることが好ましく、0.5μm以上であることがより好ましく、1μm以上であることも好ましい。このようなSiC粉末は市場から入手することができる。SiC粉末のd50を好ましい範囲として示すと、0.2~20μmが好ましく、0.3~20μmがより好ましく、0.5~15μmがさらに好ましく、0.5~10μmがさらに好ましく、1~6μmがさらに好ましい。
(Silicon carbide powder)
The SiC powder used as the raw material is not particularly limited as long as it is powdered SiC. For example, SiC powder having a volume-based median diameter (d50) of 20 μm or less can be used. From the viewpoint of suppressing the generation of excessive voids in the molded body, it is preferable to use SiC powder of 15 μm or less, more preferably to use SiC powder of 10 μm or less, and even more preferably to use SiC powder of 6 μm or less. The d50 of the SiC powder is usually 0.2 μm or more, preferably 0.3 μm or more, more preferably 0.5 μm or more, and also preferably 1 μm or more. Such SiC powder can be obtained from the market. The preferred range of d50 of the SiC powder is preferably 0.2 to 20 μm, more preferably 0.3 to 20 μm, more preferably 0.5 to 15 μm, even more preferably 0.5 to 10 μm, and even more preferably 1 to 6 μm.

(熱硬化性樹脂)
熱硬化性樹脂は、熱により硬化反応を生じて3次元網状構造の硬化物を生じる樹脂を意味する。単に「熱硬化性樹脂」という場合、硬化反応前の状態、あるいは硬化反応が一定程度生じているが完全に硬化する前の状態の熱硬化性樹脂を意味する。熱硬化性樹脂として、例えば、プレポリマーと硬化剤(架橋剤、硬化触媒、熱重合開始剤等)との組み合わせ、プレポリマーとモノマーと硬化剤との組み合わせ、反応性基を有するプレポリマーなどが挙げられる。
上記熱硬化性樹脂は、上記の造粒処理や加圧成型時に結着剤(バインダー)として機能して二次粒子ないし成型体の形状安定性に寄与し、また、SiC生成反応の前には炭化され、SiC生成反応におけるC源となるものである。
熱硬化性樹脂の種類は特に制限されず、一般的な熱硬化性樹脂を広く用いることができる。例えば、次の(a)~(f)の少なくとも1種を熱硬化性樹脂として用いることができる。
(Thermosetting resin)
Thermosetting resin means a resin that undergoes a curing reaction by heat to produce a cured product with a three-dimensional network structure. When simply referred to as "thermosetting resin", it means a thermosetting resin in a state before the curing reaction, or in a state in which the curing reaction has occurred to a certain extent but has not yet completely cured. Examples of thermosetting resins include a combination of a prepolymer and a curing agent (crosslinking agent, curing catalyst, thermal polymerization initiator, etc.), a combination of a prepolymer, a monomer, and a curing agent, and a prepolymer having a reactive group.
The thermosetting resin functions as a binder during the granulation process and pressure molding, contributing to the shape stability of the secondary particles or molded body, and is carbonized before the SiC production reaction, serving as a C source in the SiC production reaction.
The type of thermosetting resin is not particularly limited, and a wide variety of general thermosetting resins can be used. For example, at least one of the following (a) to (f) can be used as the thermosetting resin.

(a)熱硬化性フェノール樹脂
(b)熱硬化性エポキシ樹脂
(c)熱硬化性ウレタン樹脂
(d)熱硬化性尿素樹脂
(e)熱硬化性アクリル樹脂
(f)熱硬化性アルキド樹脂
(a) thermosetting phenolic resin (b) thermosetting epoxy resin (c) thermosetting urethane resin (d) thermosetting urea resin (e) thermosetting acrylic resin (f) thermosetting alkyd resin

(a)熱硬化性フェノール樹脂は、熱硬化反応により3次元網状構造のフェノール樹脂を形成するものである。通常はプレポリマーと硬化剤との組み合わせからなり、モノマーであるフェノール化合物を含んでいてもよい。熱硬化性樹脂としてフェノール樹脂は広く知られており、市販品を広く用いることができる。
(b)熱硬化性エポキシ樹脂は、熱硬化反応によりエポキシ基の開環重合反応を生じて3次元網状構造を形成するものである。例えば、エポキシ化合物と硬化剤との組合せからなるものを用いることができる。熱硬化性樹脂としてエポキシ樹脂は広く知られており、市販品を広く用いることができる。
(c)熱硬化性ウレタン樹脂は、熱硬化反応により3次元網状構造のウレタン樹脂を形成するものである。一般的にはポリイソシアネート化合物とポリオールとの組み合わせである。このポリイソシアネート化合物はプレポリマーでもよい。また、ポリオールはポリエーテルポリオール、ポリエステルポリオールなどのプレポリマーであってもよい。熱硬化性樹脂としてウレタン樹脂は広く知られており、市販品を広く用いることができる。
(d)熱硬化性尿素樹脂は、熱硬化反応により3次元網状構造の尿素樹脂を形成するものである。一般的にはポリイソシアネート化合物とポリアミンとの組み合わせである。このポリイソシアネート化合物はプレポリマーでもよい。また、ポリアミンはポリエーテルポリアミン、ポリエステルポリアミンなどのプレポリマーであってもよい。熱硬化性樹脂として尿素樹脂は広く知られており、市販品を広く用いることができる。
(e)熱硬化性アクリル樹脂は、熱硬化反応により3次元網状構造のアクリル樹脂を形成するものである。例えば、アクリル系モノマーと熱重合開始剤との組合せ、あるいはアクリル系プレポリマーと硬化剤との組合せで構成される。熱硬化性樹脂としてアクリル樹脂は広く知られており、市販品を広く用いることができる。
(f)熱硬化性アルキド樹脂は、熱硬化反応により3次元網状構造のアルキド樹脂を形成するものである。熱硬化性アルキド樹脂は熱硬化性樹脂として広く知られており、市販品を広く用いることができる。
なかでも本発明の成型品の製造方法に用いる熱硬化性樹脂は、炭化処理により炭素以外の元素を除去しながら炭素のみを高効率に残留させる観点から、炭素元素と水素元素と酸素元素で構成されることが好ましい。この観点で、熱硬化性フェノール樹脂は、本発明の成型品の製造方法に用いる熱硬化性樹脂として好適である。
(a) Thermosetting phenolic resin is a resin that forms a three-dimensional network structure by a thermosetting reaction. It is usually made of a combination of a prepolymer and a curing agent, and may contain a phenolic compound as a monomer. Phenol resin is widely known as a thermosetting resin, and commercially available products can be widely used.
(b) Thermosetting epoxy resins form a three-dimensional network structure by a ring-opening polymerization reaction of epoxy groups due to a thermosetting reaction. For example, a combination of an epoxy compound and a curing agent can be used. Epoxy resins are widely known as thermosetting resins, and a wide variety of commercially available products can be used.
(c) Thermosetting urethane resin is a urethane resin that forms a three-dimensional network structure by a thermosetting reaction. It is generally a combination of a polyisocyanate compound and a polyol. This polyisocyanate compound may be a prepolymer. The polyol may be a prepolymer such as a polyether polyol or a polyester polyol. Urethane resin is widely known as a thermosetting resin, and commercially available products can be widely used.
(d) Thermosetting urea resin is a urea resin that forms a three-dimensional network structure by a thermosetting reaction. It is generally a combination of a polyisocyanate compound and a polyamine. This polyisocyanate compound may be a prepolymer. The polyamine may be a prepolymer such as polyether polyamine or polyester polyamine. Urea resin is widely known as a thermosetting resin, and commercially available products can be widely used.
(e) Thermosetting acrylic resin is an acrylic resin that forms a three-dimensional network structure by a thermosetting reaction. For example, it is composed of a combination of an acrylic monomer and a thermal polymerization initiator, or a combination of an acrylic prepolymer and a hardener. Acrylic resin is widely known as a thermosetting resin, and a wide variety of commercially available products can be used.
(f) Thermosetting alkyd resins are those that form alkyd resins with a three-dimensional network structure by a thermosetting reaction. Thermosetting alkyd resins are widely known as thermosetting resins, and commercially available products can be widely used.
Among them, the thermosetting resin used in the method for producing a molded article of the present invention is preferably composed of carbon, hydrogen, and oxygen elements from the viewpoint of efficiently leaving only carbon while removing elements other than carbon by carbonization treatment. From this viewpoint, a thermosetting phenolic resin is suitable as the thermosetting resin used in the method for producing a molded article of the present invention.

<加圧成型>
上記加圧成型により、造粒物を所望の形状に成型する。加圧成型における圧力は、造粒物同士が結着して所望の成型物が得られれば特に制限されない。例えば、10~60MPa程度とすることができる。加圧成型それ自体は広く知られた成型方法であり、一般的な加圧成型装置を適宜に用いることができる。細かな造粒物を加圧成型するため、得られる成型体は、多数の微細孔を有した状態にあり、熱硬化反応により生じるガスを外部へと逃がすことができる。
<Pressure molding>
The granulated material is molded into a desired shape by the above-mentioned pressure molding. The pressure in the pressure molding is not particularly limited as long as the granulated material is bonded to each other to obtain a desired molded product. For example, the pressure can be about 10 to 60 MPa. Pressure molding itself is a widely known molding method, and a general pressure molding device can be used as appropriate. Since fine granulated material is pressure molded, the molded product obtained has many fine pores, which allow gas generated by the thermosetting reaction to escape to the outside.

<硬化反応>
上記硬化反応により、熱硬化性樹脂が3次網目構造を形成し、強固な成型体を得ることができる。硬化反応の温度と時間は熱硬化性樹脂の種類等に応じて適宜に設定することができる。例えば、フェノール樹脂であれば200℃程度で30分ほど保持することで、硬化反応を十分に進めることができる。硬化反応の雰囲気は特に制限されない。通常は大気中で硬化反応をさせることができる。また、加圧成型しながら加熱することにより、硬化反応を生じながら加圧成型することもできる。
<Curing reaction>
The above-mentioned curing reaction allows the thermosetting resin to form a tertiary network structure, and a strong molded body can be obtained. The temperature and time of the curing reaction can be appropriately set according to the type of thermosetting resin, etc. For example, in the case of a phenolic resin, the curing reaction can be sufficiently promoted by holding the resin at about 200°C for about 30 minutes. The atmosphere of the curing reaction is not particularly limited. The curing reaction can usually be carried out in the air. In addition, by heating the resin while pressing it, it is also possible to perform pressure molding while the curing reaction is occurring.

<炭化処理>
本発明の成型品の製造方法では、上記硬化反応後の成型体を、溶融Siを含浸させる前に、炭化処理に付す。この炭化処理は、不活性ガス、還元性ガス、あるいは真空中で、500~600℃程度まで加熱することにより行うことができる。加熱時間は炭化が十分に進行すればよく、例えば、1~10時間程度とすることができる。この炭化処理により熱硬化性樹脂が炭化してC原子となり、後工程のSi含浸によるSiC生成反応におけるC源となる。この炭化処理によって、成型体の残炭率を10質量%以上とすることが好ましく、13質量%以上とすることがより好ましく、15質量%以上とすることがさらに好ましく、17質量%以上とすることがさらに好ましい。残炭率の算出方法は後述の実施例に記載する。
なお、炭化処理物を得るための炭化処理を独立して行わなくても、溶融Siの含浸に供するための昇温段階(高温)にて炭化を進めることもできる。
<Carbonization treatment>
In the method for producing a molded product of the present invention, the molded body after the curing reaction is subjected to a carbonization treatment before being impregnated with molten Si. This carbonization treatment can be performed by heating to about 500 to 600 ° C. in an inert gas, a reducing gas, or in a vacuum. The heating time may be set to about 1 to 10 hours, for example, as long as the carbonization proceeds sufficiently. This carbonization treatment carbonizes the thermosetting resin to carbon atoms, which become a C source in the SiC generation reaction by Si impregnation in the subsequent process. This carbonization treatment preferably makes the carbon residue rate of the molded body 10% by mass or more, more preferably 13% by mass or more, even more preferably 15% by mass or more, and even more preferably 17% by mass or more. The method for calculating the carbon residue rate will be described in the examples below.
Incidentally, even if the carbonization treatment for obtaining the carbonized product is not carried out separately, the carbonization can be advanced during the temperature increase stage (high temperature) for the impregnation with molten Si.

<ケイ素含浸による炭化ケイ素の生成>
上記炭化処理物に、溶融Siを含浸させることにより、熱硬化性樹脂由来のCと溶融Siとが反応して成型体の内部ないし表面においてSiCが生成し、緻密なSiC成形品を得ることができる。
Siの融点が1414℃なので、溶融Siの温度はそれよりも高温となる。例えば、1500℃程度の溶融Siを上記炭化処理物に含浸させ、数分から数時間(例えば、10分~5時間、好ましくは20分~3時間)、SiC生成反応を生じさせることができる。この反応は不活性ガス、還元性ガス、あるいは真空中で行うことができる。
溶融Siを含浸させる上記炭化処理物は、炭化処理前の状態では細かな造粒物が結着して構成されているため、微細な空隙を有しており、また、熱硬化性樹脂の硬化物の炭化によっても微細孔が生じる。したがって、毛細管現象によって溶融Siが上記炭化処理物全体に速やかに均質に行きわたり、より均一で緻密なSiC成形品を高効率に得ることができる。
<Generation of silicon carbide by silicon impregnation>
By impregnating the carbonized product with molten Si, the C derived from the thermosetting resin reacts with the molten Si to generate SiC inside or on the surface of the molded product, and a dense SiC molded product can be obtained.
Since the melting point of Si is 1414°C, the temperature of the molten Si is higher than that. For example, the carbonized material is impregnated with molten Si at about 1500°C, and the SiC generating reaction can be caused for several minutes to several hours (for example, 10 minutes to 5 hours, preferably 20 minutes to 3 hours). This reaction can be carried out in an inert gas, a reducing gas, or in a vacuum.
The carbonized material to be impregnated with molten Si has fine voids because it is made up of fine granules bound together before carbonization, and fine pores are also generated by carbonization of the cured thermosetting resin. Therefore, the molten Si spreads uniformly throughout the carbonized material quickly by capillary action, and a more uniform and dense SiC molded product can be obtained with high efficiency.

図1は、上述した本発明の成形品の製造方法の好ましい一実施形態について、各工程を時系列に示すフロー図である。また、図2は、炭化処理物にSiを含浸させた直後の状態と、その後、SiとCとが反応してSiCが生成した状態とを模式的に示す説明図である。 Figure 1 is a flow diagram showing the chronological order of each step in a preferred embodiment of the method for producing the molded product of the present invention described above. Also, Figure 2 is an explanatory diagram showing the state immediately after the carbonization treatment product is impregnated with Si, and the state after that in which Si and C react to produce SiC.

[炭化ケイ素単結晶の製造方法]
本発明のSiC単結晶の製造方法は、溶液法によるSiC単結晶の製造において、本発明の成形品の製造方法により得られたSiC高含有成型品を、Si-C溶液を収容する坩堝として用いることにより、前記坩堝を前記SiC単結晶のC源かつSi源として機能させることを含む。溶液法によるSiC単結晶の製造方法それ自体は公知であり、例えば、特開2017-31036号公報などを適宜に参照することができる。本発明のSiC単結晶の製造方法は、Si融液を収容する坩堝として、本発明の成形品の製造方法により得られたSiC高含有成型品を用いることに、従来技術にはない特徴がある。
[Method for producing silicon carbide single crystal]
The method for producing a SiC single crystal of the present invention includes using a high SiC content molded product obtained by the method for producing a molded product of the present invention as a crucible for containing a Si-C solution in the production of a SiC single crystal by a solution method, thereby allowing the crucible to function as a C source and a Si source for the SiC single crystal. The method for producing a SiC single crystal by a solution method is itself publicly known, and for example, JP 2017-31036 A and the like can be appropriately referred to. The method for producing a SiC single crystal of the present invention has a feature not found in the prior art in that a high SiC content molded product obtained by the method for producing a molded product of the present invention is used as a crucible for containing a Si melt.

図3は、本発明のSiC単結晶の製造方法の一実施形態を模式的に示す説明図である。図3に示す形態では、黒鉛坩堝2の内壁に沿ってSiC高含有成型品1(SiC坩堝1)をライナーとして配している。このSiC高含有成型品1に、遷移金属等を添加したSi融液3を収容し、SiC坩堝からSiとCの両方を上記Si融液3中に溶解せしめてSi-C溶液3とし、このSi-C溶液3に、保持具5によって保持されたSiC種結晶4を接触させ、SiC種結晶上への溶液成長によってSiC単結晶6を得る。溶液成長(育成)の条件としては、例えば、不活性ガス中で、1800~2200℃で1~48時間、引き上げ速度0.1~0.5mm/時間とすることができる。 Figure 3 is an explanatory diagram showing a schematic diagram of one embodiment of the method for producing a SiC single crystal of the present invention. In the embodiment shown in Figure 3, a high SiC content molded product 1 (SiC crucible 1) is arranged as a liner along the inner wall of a graphite crucible 2. A Si melt 3 to which transition metals and the like have been added is contained in this high SiC content molded product 1, and both Si and C from the SiC crucible are dissolved in the Si melt 3 to obtain a Si-C solution 3. A SiC seed crystal 4 held by a holder 5 is brought into contact with this Si-C solution 3, and a SiC single crystal 6 is obtained by solution growth on the SiC seed crystal. The solution growth (growth) conditions can be, for example, in an inert gas at 1800 to 2200°C for 1 to 48 hours with a pulling speed of 0.1 to 0.5 mm/hour.

本発明を、実施例に基づき更に詳細に説明する。本発明は、本発明で規定すること以外は、以下の実施例に限定して解釈されるものではない。 The present invention will be described in more detail with reference to the following examples. The present invention should not be construed as being limited to the following examples except as provided for in the present invention.

[炭化ケイ素含有成形品の作製]
<実施例>
SiC原料粉(太平洋ランダム社製、商品名:GMF、粒径(d50):2.3μm)と、フェノール樹脂溶液(群栄化学工業社製、商品名:PL2211、熱硬化性樹脂溶液)とを混合して均一な混合物を得た。混合物中のSiC原料粉とフェノール樹脂溶液との混合比は質量比でSiC:フェノール樹脂溶液=3:2とした。このとき、SiC:フェノール樹脂(フェノール樹脂溶液の固形分)=7:3(質量比)である。
次に、上記混合物を大気中、80℃にて30分乾燥させて溶媒を除去した後、乳鉢を用いて造粒し、造粒物を得た。続いて、この造粒物を粒径212~75μm(実施例1、目開き212μmの篩を通過し目開き75μmの篩を通過しないもの)、粒径75~53μm(実施例2、目開き75μmの篩を通過し目開き53μmの篩を通過しないもの)、粒径53~25μm(実施例3、目開き53μmの篩を通過し目開き25μmの篩を通過しないもの)に分級し、分級された造粒物を40MPaの圧力で一軸加圧することで、実施例1~3の成形体(直径:8mm、高さ:3mm)を得た。
次に、上記各成形体を大気中、90℃にて1分保持してから、1℃/minの昇温速度で200℃まで加熱し、200℃にて30分保持することでフェノール樹脂を硬化させ、各成型体の硬化体を得た。続いて、これらの硬化体をアルゴンガス雰囲気中、600℃にて2時間加熱してフェノール樹脂の硬化物を炭化させることで、SiCとCからなるプリフォームを得た。これらのプリフォームの全質量(A1)に占める炭素の質量(A2)の割合(残炭率、(A2/A1)×100)は、いずれも19質量%であった。
次に、上記各プリフォームの上部に、各プリフォーム中のCと反応してSiCを生成するのに十分な量のSi塊を載置し、真空中、1450℃にて10分保持した。これにより、溶融状態となったSiがプリフォームに含浸し、このSiとプリフォームのCとが反応することでSiCが生成する。続いて、真空を維持した状態で自然冷却することで、実施例1~3のSiC高含有成形品を得た。
[Preparation of silicon carbide-containing molded articles]
<Example>
A homogeneous mixture was obtained by mixing SiC raw material powder (manufactured by Pacific Random Corporation, product name: GMF, particle size (d50): 2.3 μm) with a phenolic resin solution (manufactured by Gun-ei Chemical Industry Co., Ltd., product name: PL2211, thermosetting resin solution). The mixing ratio of the SiC raw material powder and the phenolic resin solution in the mixture was SiC:phenolic resin solution = 3:2 in mass ratio. At this time, SiC:phenolic resin (solid content of the phenolic resin solution) = 7:3 (mass ratio).
Next, the mixture was dried in air at 80°C for 30 minutes to remove the solvent, and then granulated using a mortar to obtain a granulated product. The granulated product was then classified into particle sizes of 212 to 75 μm (Example 1, passed through a sieve with a mesh size of 212 μm but not through a sieve with a mesh size of 75 μm), 75 to 53 μm (Example 2, passed through a sieve with a mesh size of 75 μm but not through a sieve with a mesh size of 53 μm), and 53 to 25 μm (Example 3, passed through a sieve with a mesh size of 53 μm but not through a sieve with a mesh size of 25 μm), and the classified granulated product was uniaxially pressed at a pressure of 40 MPa to obtain the molded bodies (diameter: 8 mm, height: 3 mm) of Examples 1 to 3.
Next, each of the molded bodies was held at 90°C for 1 minute in air, then heated to 200°C at a heating rate of 1°C/min, and held at 200°C for 30 minutes to harden the phenolic resin, thereby obtaining a hardened body of each molded body. Next, these hardened bodies were heated at 600°C for 2 hours in an argon gas atmosphere to carbonize the hardened phenolic resin, thereby obtaining a preform made of SiC and C. The ratio of the mass (A2) of carbon to the total mass (A1) of these preforms (residual carbon ratio, (A2/A1) x 100) was 19 mass% in all cases.
Next, a sufficient amount of Si chunks was placed on top of each preform to react with the C in each preform to generate SiC, and the preforms were held in a vacuum at 1450°C for 10 minutes. As a result, the preforms were impregnated with molten Si, and the Si reacted with the C in the preforms to generate SiC. Next, the preforms were naturally cooled while maintaining the vacuum, and the SiC-rich molded products of Examples 1 to 3 were obtained.

<比較例>
SiC原料粉(太平洋ランダム社製、商品名:GMF、粒径(d50):2.3μm)と、黒鉛粉末(伊藤黒鉛工業社製、商品名:GE-1、粒径(d50):2.7μm)と、結着剤としてポリカルボシラン(日本カーボン社製、商品名:NIPSI-HU)とを混合して均一な混合物を得た。この際、SiC原料粉と黒鉛粉末の全重量(D1)に占める黒鉛粉末の質量(D2)の割合((D2/D1)×100)を6質量%(比較例1)、13質量%(比較例2)、23質量%(比較例3)とした3種の混合物を調製した。また、混合物中のポリカルボシランの含有量はいずれも3質量%とした。
次に、上記各混合物を大気中、80℃にて30分乾燥させた後、40MPaの圧力で一軸加圧することで、成形体(直径:8mm、高さ:3mm)を得た。続いて、これらの成形体をアルゴンガス雰囲気中、1000℃にて2時間加熱することでポリカルボシランをSiCとし、SiCと炭素とからなるプリフォームを得た。これらのプリフォームの残炭率は、それぞれ6質量%(比較例1)、13質量%(比較例2)、23質量%(比較例3)であった。
次に、上記各プリフォームの上部に各プリフォーム中のCと反応してSiCを生成するのに十分な量のSi塊を載置し、真空中、1450℃にて10分保持した。これにより、溶融状態となったSiがプリフォームに含浸し、このSiとプリフォームのCとが反応することでSiCが生成する。続いて、真空を維持した状態で自然冷却することで、比較例1~3のSiC含有成形品を得た。
Comparative Example
A homogeneous mixture was obtained by mixing SiC raw material powder (manufactured by Pacific Random Corporation, trade name: GMF, particle size (d50): 2.3 μm), graphite powder (manufactured by Ito Graphite Industries, trade name: GE-1, particle size (d50): 2.7 μm), and polycarbosilane (manufactured by Nippon Carbon Co., Ltd., trade name: NIPSI-HU) as a binder. At this time, three types of mixtures were prepared in which the ratio ((D2/D1)×100) of the mass (D2) of the graphite powder to the total weight (D1) of the SiC raw material powder and the graphite powder was 6 mass% (Comparative Example 1), 13 mass% (Comparative Example 2), and 23 mass% (Comparative Example 3). The content of polycarbosilane in each mixture was 3 mass%.
Next, each mixture was dried in air at 80°C for 30 minutes, and then uniaxially pressed at a pressure of 40 MPa to obtain a molded body (diameter: 8 mm, height: 3 mm). Next, these molded bodies were heated in an argon gas atmosphere at 1000°C for 2 hours to convert polycarbosilane to SiC, and a preform made of SiC and carbon was obtained. The residual carbon ratios of these preforms were 6% by mass (Comparative Example 1), 13% by mass (Comparative Example 2), and 23% by mass (Comparative Example 3), respectively.
Next, a sufficient amount of Si chunks was placed on top of each preform to react with the C in each preform to generate SiC, and the preform was held in a vacuum at 1450°C for 10 minutes. As a result, the preform was impregnated with molten Si, and this Si reacted with the C in the preform to generate SiC. Next, the preform was naturally cooled while maintaining the vacuum, and the SiC-containing molded products of Comparative Examples 1 to 3 were obtained.

図4及び図5はそれぞれ、実施例1のSiC高含有成形品の断面の光学顕微鏡写真、及び当該断面を拡大した電子顕微鏡写真である。SiC高含有成形品はSiCと残留Siで構成されており、画像解析により評価したところ、当該断面の観察面積(互いに重ならない3つのエリア(各エリアの面積:10000μmの矩形枠内)の合計:30000μm)に占めるSiCの面積率は88%であり、SiCを高含有する成形品であることがわかった。
また、図6は実施例2、図7は実施例3のSiC高含有成形品の断面の電子顕微鏡写真である。いずれもSiCと残留Siで構成されており、当該断面の観察面積(互いに重ならない3つのエリア(各エリアの面積:10000μmの矩形枠内)の合計:30000μm)に占めるSiCの面積率は、実施例2が91%、実施例3が90%であり、いずれもSiCを高含有する成形品であることがわかった。
4 and 5 are respectively an optical microscope photograph of a cross section of the SiC-rich molded product of Example 1 and an electron microscope photograph of the cross section enlarged. The SiC-rich molded product is composed of SiC and residual Si, and when evaluated by image analysis, the area ratio of SiC in the observed area of the cross section (total of three non-overlapping areas (area of each area: within a rectangular frame of 10,000 μm 2 ): 30,000 μm 2 ) was 88%, indicating that the molded product has a high SiC content.
6 is an electron microscope photograph of a cross section of a molded article with a high SiC content in Example 2, and Fig. 7 is an electron microscope photograph of a cross section of a molded article with a high SiC content in Example 3. Both are composed of SiC and residual Si, and the area ratio of SiC to the observed area of the cross section (total of three non-overlapping areas (area of each area: within a rectangular frame of 10,000 µm2): 30,000 µm2 ) was 91% in Example 2 and 90% in Example 3, indicating that both were molded articles with a high SiC content.

図8及び図9はそれぞれ、比較例1と比較例2のSiC含有成形品の外観写真と、断面の電子顕微鏡写真である。溶融Siの含浸は進行したものの、当該断面の観察面積(互いに重ならない3つのエリア(各エリアの面積:10000μmの矩形枠内)の合計:30000μm)に占めるSiCの面積率は低く、比較例1では59%、比較例2では66%であった。比較例2でややSiCの面積率が増加したのは、黒鉛の添加割合の増加に伴いプリフォーム中の空隙のより多くが生成したSiCで充填されたためと考えられる。
黒鉛のかさ密度(等方性黒鉛では1.7~1.9g/cm程度)を考慮すると、Siとの反応によるSiC(密度3.2g/cm)の生成時には体積膨張を伴うことになる。図10は、比較例3のSiC含有成形品の外観写真である。溶融Si含浸によるSiC生成時に、局所的に過度な体積膨張を生じた結果、成型体の形状が維持できなかったと考えられる。
このように、黒鉛粉末をC原料に用いてSiC含有成形品を得る場合には、所望の形状を維持しながらSiCを高含有させようとしても、成形品中のSiC含有量の向上は限定的となってしまうことがわかる。
8 and 9 are external and cross-sectional electron microscope photographs of the SiC-containing molded articles of Comparative Example 1 and Comparative Example 2, respectively. Although the impregnation of molten Si progressed, the area ratio of SiC in the observed area of the cross section (total of three non-overlapping areas (area of each area: within a rectangular frame of 10,000 μm 2 ): 30,000 μm 2 ) was low, being 59% in Comparative Example 1 and 66% in Comparative Example 2. The reason why the area ratio of SiC increased slightly in Comparative Example 2 is considered to be that more of the voids in the preform were filled with the generated SiC as the graphite addition ratio increased.
Considering the bulk density of graphite (approximately 1.7 to 1.9 g/ cm3 for isotropic graphite), the generation of SiC (density 3.2 g/ cm3 ) through reaction with Si is accompanied by volume expansion. Figure 10 is a photograph of the appearance of the SiC-containing molded product of Comparative Example 3. It is believed that the shape of the molded product could not be maintained as a result of localized excessive volume expansion occurring during the generation of SiC through molten Si infiltration.
Thus, when graphite powder is used as the C raw material to obtain a SiC-containing molded article, even if an attempt is made to increase the SiC content while maintaining the desired shape, it is found that the increase in the SiC content in the molded article is limited.

上記の通り、実施例1~3のSiC高含有成形品では、所望の形状を維持し、かつSiC高含有を実現できることが示された。炭化処理により得られるプリフォームを水銀圧入法で分析した結果、実施例1~3のいずれも樹脂の炭化部分のかさ密度は1.0g/cmであった。これは、Siと反応した際に体積変化を殆ど伴わずにSiC(密度3.2g/cm)を生成することが可能なかさ密度である。加えて、実施例1~3では硬化および炭化の工程で、形状を維持しながらも体積収縮を生じ、成型時に発生した空隙が、樹脂の効果により適度に縮小したと考えられる。これにより、実施例1~3ではプリフォームにおける空隙率が、比較例1~3と比べて小さく、かつ、含浸時のSiCの生成に伴う体積変化を生じなかったため、形状維持と高いSiC率が両立できたと考えられる。 As described above, it was shown that the SiC-rich molded products of Examples 1 to 3 could maintain the desired shape and achieve a high SiC content. As a result of analyzing the preforms obtained by the carbonization treatment using mercury porosimetry, the bulk density of the carbonized part of the resin in each of Examples 1 to 3 was 1.0 g/cm 3. This is a bulk density that can generate SiC (density 3.2 g/cm 3 ) with almost no volume change when reacting with Si. In addition, in Examples 1 to 3, volume shrinkage occurred while maintaining the shape during the curing and carbonization processes, and it is considered that the voids generated during molding were appropriately reduced due to the effect of the resin. As a result, it is considered that the porosity in the preforms in Examples 1 to 3 was smaller than that in Comparative Examples 1 to 3, and no volume change occurred due to the generation of SiC during impregnation, so that both shape maintenance and a high SiC rate were achieved.

実施例1~3及び比較例1~3の、原料の種類、プリフォームの残炭率、SiC含有成形品のSiC面積率を下表に整理した。下記表1中、比較例1~3のプリフォームの残炭率は、SiC原料粉と黒鉛粉末の全重量(D1)に占める黒鉛粉末の質量(D2)の割合を示した。 The table below summarizes the types of raw materials, the residual carbon ratios of the preforms, and the SiC area ratios of the SiC-containing molded products for Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 to 3. In Table 1 below, the residual carbon ratios of the preforms for Comparative Examples 1 to 3 indicate the ratio of the mass (D2) of the graphite powder to the total weight (D1) of the SiC raw material powder and graphite powder.

Figure 2024094924000002
Figure 2024094924000002

1 SiC高含有成型品
2 黒鉛坩堝
3 Si融液(Si-C溶液)
4 SiC種結晶
5 種結晶の保持具
6 SiC単結晶

1 SiC high content molded product 2 Graphite crucible 3 Si melt (Si-C solution)
4 SiC seed crystal 5 Seed crystal holder 6 SiC single crystal

Claims (7)

溶液法による炭化ケイ素単結晶の製造において、炭素源かつケイ素源として用いる炭化ケイ素高含有成型品の製造方法であって、
前記製造方法は、炭化ケイ素粉末と熱硬化性樹脂とを含む造粒物を加圧成型し、硬化反応してなる成型体の炭化処理物に、溶融ケイ素を含浸させることにより、前記熱硬化性樹脂由来の炭素と前記溶融ケイ素とを反応させて炭化ケイ素を生成することを含む、炭化ケイ素高含有成型品の製造方法。
A method for producing a silicon carbide-rich molded product used as a carbon source and a silicon source in the production of silicon carbide single crystals by a solution process, comprising the steps of:
The manufacturing method is a method for manufacturing a molded product with a high silicon carbide content, which includes pressure molding a granule containing silicon carbide powder and a thermosetting resin, and impregnating the carbonized product obtained by a curing reaction with molten silicon to react carbon derived from the thermosetting resin with the molten silicon to produce silicon carbide.
前記熱硬化性樹脂が次の(a)~(f)の少なくとも1種を含む、請求項1に記載の炭化ケイ素高含有成型品の製造方法:
(a)熱硬化性フェノール樹脂
(b)熱硬化性エポキシ樹脂
(c)熱硬化性ウレタン樹脂
(d)熱硬化性尿素樹脂
(e)熱硬化性アクリル樹脂、
(f)熱硬化性アルキド樹脂
The method for producing a silicon carbide-rich molded product according to claim 1, wherein the thermosetting resin contains at least one of the following (a) to (f):
(a) thermosetting phenolic resin, (b) thermosetting epoxy resin, (c) thermosetting urethane resin, (d) thermosetting urea resin, (e) thermosetting acrylic resin,
(f) Thermosetting alkyd resin
前記熱硬化性樹脂が炭素元素と水素元素と酸素元素で構成される、請求項1又は2に記載の炭化ケイ素高含有成型品の製造方法。 The method for producing a molded product with a high silicon carbide content according to claim 1 or 2, wherein the thermosetting resin is composed of carbon, hydrogen, and oxygen elements. 前記造粒物中の前記炭化ケイ素粉末の含有量を90質量%以下とする、請求項1又は2に記載の炭化ケイ素高含有成型品の製造方法。 The method for producing a molded product with a high silicon carbide content according to claim 1 or 2, wherein the content of the silicon carbide powder in the granules is 90 mass% or less. 前記炭化処理物の残炭率を15質量%以上とする、請求項1又は2に記載の炭化ケイ素高含有成型品の製造方法。 The method for producing a molded product with a high silicon carbide content according to claim 1 or 2, in which the carbonization treatment product has a residual carbon ratio of 15 mass% or more. 前記炭化ケイ素高含有成型品が、前記の溶液法による炭化ケイ素単結晶の製造において、溶液を収容する坩堝として用いられるものである、請求項1又は2に記載の炭化ケイ素高含有成型品の製造方法。 The method for producing a molded product with a high silicon carbide content according to claim 1 or 2, wherein the molded product with a high silicon carbide content is used as a crucible for containing a solution in the production of silicon carbide single crystals by the solution method. 溶液法による炭化ケイ素単結晶の製造において、請求項1又は2に記載の炭化ケイ素高含有成型品の製造方法により得られた炭化ケイ素高含有成型品を、溶液を収容する坩堝として用いることにより、前記坩堝を前記炭化ケイ素単結晶の炭素源かつケイ素源として機能させることを含む、炭化ケイ素単結晶の製造方法。


3. A method for producing a silicon carbide single crystal, comprising using a high silicon carbide content molded product obtained by the method for producing a silicon carbide single crystal by a solution process as described in claim 1 or 2 as a crucible for containing a solution, thereby allowing the crucible to function as a carbon source and a silicon source for the silicon carbide single crystal.


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