JP6297812B2 - 炭化珪素の製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、炭化珪素の製造方法に関する。
炭化珪素（ＳｉＣ）は、研磨・研削材、セラミックス焼結体及び導電性材料等の工業用材料として、従来から幅広く使用されている。特に、最近では、省エネルギー志向の強まりや、脱原発による自然再生エネルギーの活用への期待等の社会的背景により、パワー半導体等に用いられる単結晶材料として、より高い純度を有する炭化珪素が求められている。
炭化珪素を工業的に量産する技術としては、珪素（Ｓｉ）を含む珪酸質原料（例えば、珪砂）と炭素を含む炭素質原料（例えば、石油コークス）を原料とし、アチソン炉において１６００℃以上で加熱することで、直接還元反応によって炭化珪素を製造する方法が知られている。
炭化珪素を工業的に量産する技術としては、珪素（Ｓｉ）を含む珪酸質原料（例えば、珪砂）と炭素を含む炭素質原料（例えば、石油コークス）を原料とし、アチソン炉において１６００℃以上で加熱することで、直接還元反応によって炭化珪素を製造する方法が知られている。
アチソン法を用いて、高純度の炭化珪素を製造する方法として、特許文献１には、アチソン炉を用いて、粒子内にシリカとカーボンの各々が全体的に分布しており、かつ、Ｂ及びＰの各々の含有率が１ｐｐｍ以下である、シリカとカーボンからなる粒子を加熱して、高純度炭化珪素粉末を得る、高純度炭化珪素粉末の製造方法が記載されている。
アチソン炉を用いて炭化珪素を製造する方法において、アチソン炉内で生成した炭化珪素の中でも、発熱体から離れた領域に存在する炭化珪素は、発熱体の近くの領域に存在する炭化珪素に比べて、不純物や原料（炭化珪素とならずに原料のまま残存したもの）の含有率が大きいため、高純度の炭化珪素であることが要求される用途において使用することができないという問題があった。また、アチソン炉内で生成した炭化珪素のうち、発熱体の近くの領域に存在するものだけを、分別して取り出して、高純度の炭化珪素として扱うことは、分別および取り出しの手間を要し、煩雑であった。さらに、アチソン炉内で生成した炭化珪素の中の高純度の炭化珪素の割合を大きくすることができれば、該割合が小さい場合に比べて、同量の原料を用いて、高純度の炭化珪素をより大量に製造しうることになるので、高純度の炭化珪素の製造の効率の面でも有利である。
本発明は、高純度の炭化珪素を大量に製造する方法を提供することを目的とする。
本発明は、高純度の炭化珪素を大量に製造する方法を提供することを目的とする。
本発明者は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、ＣとＳｉのモル比（Ｃ／Ｓｉ）が特定の数値範囲内となるように珪酸質原料及び炭素質原料を含む混合物からなる炭化珪素製造用原料を、アーク炉を用いて加熱すれば、生成物のほぼ全てを高純度の炭化珪素として得ることができることを見出し、本発明を完成した。
すなわち、本発明は、以下の［１］〜［３］を提供するものである。
［１］ アーク炉を用いて、珪酸質原料及び炭素質原料を含む混合物からなる炭化珪素製造用原料を加熱して、炭化珪素を得る炭化珪素の製造方法であって、上記炭化珪素製造用原料中のＣとＳｉのモル比（Ｃ／Ｓｉ）が２．０以上であることを特徴とする炭化珪素の製造方法。
［２］ 上記炭化珪素製造用原料である混合物が、シリコンの含有率が９９．０質量％以上であるシリコン質原料を含む、上記［１］に記載の炭化珪素の製造方法。
［３］ 上記炭化珪素製造用原料中、Ｂ、Ｐ、Ａｌ、Ｆｅ、及びＴｉの含有率が、各々、２．０ｐｐｍ以下、２．０ｐｐｍ以下、１０ｐｐｍ以下、４０ｐｐｍ以下、２．０ｐｐｍ以下である、上記［１］または［２］に記載の炭化珪素の製造方法。
すなわち、本発明は、以下の［１］〜［３］を提供するものである。
［１］ アーク炉を用いて、珪酸質原料及び炭素質原料を含む混合物からなる炭化珪素製造用原料を加熱して、炭化珪素を得る炭化珪素の製造方法であって、上記炭化珪素製造用原料中のＣとＳｉのモル比（Ｃ／Ｓｉ）が２．０以上であることを特徴とする炭化珪素の製造方法。
［２］ 上記炭化珪素製造用原料である混合物が、シリコンの含有率が９９．０質量％以上であるシリコン質原料を含む、上記［１］に記載の炭化珪素の製造方法。
［３］ 上記炭化珪素製造用原料中、Ｂ、Ｐ、Ａｌ、Ｆｅ、及びＴｉの含有率が、各々、２．０ｐｐｍ以下、２．０ｐｐｍ以下、１０ｐｐｍ以下、４０ｐｐｍ以下、２．０ｐｐｍ以下である、上記［１］または［２］に記載の炭化珪素の製造方法。
本発明の炭化珪素の製造方法によれば、高純度の炭化珪素を大量に製造することができる。特に、アーク炉内の生成物のほぼ全てが、高純度の炭化珪素であるため、アチソン炉内で生成した炭化珪素のうち、純度の高いものと純度の低いものを分別して取り出す必要がなく、高純度の炭化珪素を、高い製造効率で容易に製造することができる。
本発明の炭化珪素の製造方法は、アーク炉を用いて、珪酸質原料及び炭素質原料を含む混合物からなる炭化珪素製造用原料を加熱して、炭化珪素を得る炭化珪素の製造方法であって、上記炭化珪素製造用原料中のＣとＳｉのモル比（Ｃ／Ｓｉ）が２．０以上であることを特徴とするものである。
以下、本発明の炭化珪素の製造方法について、図１を参照しながら説明する。
図１は、本発明の製造方法で用いられるアーク炉の一例を示す断面図である。アーク炉１の炉体２は、黒鉛やジルコニア等の耐火材からなるものである。炉体２の内部空間には、炭化珪素製造用原料３が収容される。電極４は、炭化珪素製造用原料３に電極４が埋め込まれた状態となるように、炭化珪素製造用原料３に挿入される。電極４の数は、通常１〜３本、好ましくは２〜３本である。また、還元反応を促進する観点から、電極４として、炭素電極を用いることが好ましい。
電極４を通電することで、アーク放電が発生し、炭化珪素製造用原料３が加熱されて、下記式（１）で示される還元反応が起こり、炭化珪素（ＳｉＣ）が生成される。
ＳｉＯ２＋３Ｃ→ＳｉＣ＋２ＣＯ （１）
以下、本発明の炭化珪素の製造方法について、図１を参照しながら説明する。
図１は、本発明の製造方法で用いられるアーク炉の一例を示す断面図である。アーク炉１の炉体２は、黒鉛やジルコニア等の耐火材からなるものである。炉体２の内部空間には、炭化珪素製造用原料３が収容される。電極４は、炭化珪素製造用原料３に電極４が埋め込まれた状態となるように、炭化珪素製造用原料３に挿入される。電極４の数は、通常１〜３本、好ましくは２〜３本である。また、還元反応を促進する観点から、電極４として、炭素電極を用いることが好ましい。
電極４を通電することで、アーク放電が発生し、炭化珪素製造用原料３が加熱されて、下記式（１）で示される還元反応が起こり、炭化珪素（ＳｉＣ）が生成される。
ＳｉＯ２＋３Ｃ→ＳｉＣ＋２ＣＯ （１）
上記反応が行われる際のアーク炉の加熱温度は、好ましくは１６００〜２６００℃、より好ましくは１６５０〜２１００℃である。加熱温度が１６００℃以上であると、上記式（１）の還元反応が十分に行われ、高純度の炭化珪素を得ることができる。
本発明の製造方法で得られる炭化珪素の性状は、アーク炉の加熱温度に影響される。具体的には、上記加熱温度が２１００℃を超える場合、得られる炭化珪素は、塊状物を含むため、回収後に粉砕を行う必要がある。また、上記加熱温度が２１００℃を超える場合、α型炭化珪素が優先的に生成する。上記加熱温度が２１００℃以下の場合、得られる炭化珪素は、粉末状であるため、アーク炉からの回収が容易になるとともに、回収後に粉砕を行う必要がない。また、上記加熱温度が２１００℃以下の場合、β型炭化珪素が優先的に生成する。
本発明の製造方法では、アーク炉を用いているため、加熱温度の調整が容易である。
本発明の製造方法で得られる炭化珪素の性状は、アーク炉の加熱温度に影響される。具体的には、上記加熱温度が２１００℃を超える場合、得られる炭化珪素は、塊状物を含むため、回収後に粉砕を行う必要がある。また、上記加熱温度が２１００℃を超える場合、α型炭化珪素が優先的に生成する。上記加熱温度が２１００℃以下の場合、得られる炭化珪素は、粉末状であるため、アーク炉からの回収が容易になるとともに、回収後に粉砕を行う必要がない。また、上記加熱温度が２１００℃以下の場合、β型炭化珪素が優先的に生成する。
本発明の製造方法では、アーク炉を用いているため、加熱温度の調整が容易である。
アーク炉１内に、炉体２の内部空間の底面を覆うように黒鉛粉末５を敷いた後、黒鉛粉末５の上に炭化珪素製造用原料３を収容してもよい。底面の上に敷かれた黒鉛粉末５の厚みは、好ましくは１０ｍｍ以上、より好ましくは１０〜３０ｍｍである。黒鉛粉末５を敷くことで、アーク放電による炉体２の底面の損傷を防止するとともに、アーク放電によって、黒鉛粉末５に電気が流れることで、黒鉛粉末５が発熱し、炭化珪素の生成を促進することができる。
アーク炉１は大気開放型でもよく、炉蓋を有する密閉型でもよい。炉蓋を有する密閉型のアーク炉を用いた場合、アーク炉内を容易に非酸化性雰囲気とすることができる。加熱を非酸化性雰囲気下で行うことで、不純物（Ｂ、Ｐ、Ｏ等）の含有率、特に酸素（Ｏ）の含有率の低い炭化珪素を得ることができる。具体的には、アーク炉内の空気を、非酸化性のガス（例えば、Ａｒ（アルゴン）ガス等）で置換して、加熱を行えばよい。
本発明の製造方法に用いられる珪酸質原料としては、例えば、天然の珪砂、天然の珪石粉、人造珪石粉等の結晶質シリカや、シリカフューム、シリカゲル等の非晶質シリカが挙げられる。これらは１種を単独で又は２種以上を組み合わせて使用することができる。中でも、反応性の観点から、非晶質シリカが好ましい。
珪酸質原料中、Ｂ、Ｐ、Ａｌ、Ｆｅ、及びＴｉのそれぞれの含有率は、好ましくは２．０ｐｐｍ以下、より好ましくは１．０ｐｐｍ以下である。珪酸質原料中のＢ等の含有率を上記範囲内とすることで、製造される炭化珪素中の不純物の含有率を、より小さくすることができる。
なお、上記不純物とは、炭化珪素の製造過程で除去される酸素（Ｏ）を除く全元素中、Ｓｉ及びＣ以外でＳｉＣ半導体用の忌避成分に該当するものである。具体的には、Ｂ、Ｐ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ等が挙げられる。
また、本明細書中、ｐｐｍは質量基準である。
珪酸質原料の粒度は、平均粒子径が好ましくは１０００μｍ以下、より好ましくは８００μｍ以下、特に好ましくは６００μｍ以下の粒度分布となるような粒度であることが好ましい。該平均粒子径が１０００μｍ以下であると、反応性が良くなり、生産性を向上することができる。
なお、上記平均粒子径は、「ＪＩＳ Ｒ １６２９：１９９７（ファインセラミックス原料のレーザ回折・散乱法による粒子径分布策定方法）」に準拠して測定される。具体的には、レーザー回折散乱粒度分布測定装置（例えば、ベックマンコールター社製、「モデルＬＳ−２３０」）を用いて粒子の粒径を測定し、その測定された粒子の粒径に基づいて得られた体積累積分布５０％における粒径（メジアン径；ｄ５０）を平均粒子径とする。
珪酸質原料中、Ｂ、Ｐ、Ａｌ、Ｆｅ、及びＴｉのそれぞれの含有率は、好ましくは２．０ｐｐｍ以下、より好ましくは１．０ｐｐｍ以下である。珪酸質原料中のＢ等の含有率を上記範囲内とすることで、製造される炭化珪素中の不純物の含有率を、より小さくすることができる。
なお、上記不純物とは、炭化珪素の製造過程で除去される酸素（Ｏ）を除く全元素中、Ｓｉ及びＣ以外でＳｉＣ半導体用の忌避成分に該当するものである。具体的には、Ｂ、Ｐ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ等が挙げられる。
また、本明細書中、ｐｐｍは質量基準である。
珪酸質原料の粒度は、平均粒子径が好ましくは１０００μｍ以下、より好ましくは８００μｍ以下、特に好ましくは６００μｍ以下の粒度分布となるような粒度であることが好ましい。該平均粒子径が１０００μｍ以下であると、反応性が良くなり、生産性を向上することができる。
なお、上記平均粒子径は、「ＪＩＳ Ｒ １６２９：１９９７（ファインセラミックス原料のレーザ回折・散乱法による粒子径分布策定方法）」に準拠して測定される。具体的には、レーザー回折散乱粒度分布測定装置（例えば、ベックマンコールター社製、「モデルＬＳ−２３０」）を用いて粒子の粒径を測定し、その測定された粒子の粒径に基づいて得られた体積累積分布５０％における粒径（メジアン径；ｄ５０）を平均粒子径とする。
本発明の製造方法に用いられる炭素質原料としては、例えば、石油コークス、石炭ピッチ、カーボンブラック、各種有機樹脂等が挙げられる。これらは、１種を単独で又は２種以上を組み合わせて使用することができる。中でも、純度の観点から、カーボンブラックが好ましい。
炭素質原料中、Ｂ、Ｐ、Ａｌ、Ｆｅ、及びＴｉの含有率は、各々、好ましくは２．０ｐｐｍ以下、１０ｐｐｍ以下、２０ｐｐｍ以下、１００ｐｐｍ以下、２．０ｐｐｍ以下、より好ましくは１．０ｐｐｍ以下、５．０ｐｐｍ以下、１０ｐｐｍ以下、５０ｐｐｍ以下、１．０ｐｐｍ以下である。炭素質原料中のＢ等の含有率が上記範囲内であれば、製造される炭化珪素中の不純物の含有率を、より小さくすることができる。
炭素質原料の粒度は、珪酸質原料との反応性の観点から、好ましくは１ｍｍ以下、より好ましくは０．５ｍｍ以下である。
炭素質原料がカーボンブラックである場合、カーボンブラックの粒度は、一次粒子の平均粒子径が好ましくは１５０ｎｍ以下、より好ましくは７５ｎｍ以下の粒度分布となるような粒度であることが好ましい。該平均粒子径が１５０ｎｍ以下であると、反応性が良くなり、生産性を向上することができる。
また、炭素質原料の粒度は、二次粒子の平均粒子径が好ましくは１２５０μｍ以下、より好ましくは５００μｍ以下の粒度分布となるような粒度であることが好ましい。該平均粒子径が１２５０μｍ以下であると、炭素質原料と珪酸質原料を均質に混合することが容易となり、製品の反応性が向上する。
なお、「二次粒子」とは、一次粒子が凝集してなる凝集体を意味する。また、上記一次粒子の平均粒子径及び二次粒子の平均粒子径は、透過型電子顕微鏡の観察によって測定された算術平均の直径である。
炭素質原料中、Ｂ、Ｐ、Ａｌ、Ｆｅ、及びＴｉの含有率は、各々、好ましくは２．０ｐｐｍ以下、１０ｐｐｍ以下、２０ｐｐｍ以下、１００ｐｐｍ以下、２．０ｐｐｍ以下、より好ましくは１．０ｐｐｍ以下、５．０ｐｐｍ以下、１０ｐｐｍ以下、５０ｐｐｍ以下、１．０ｐｐｍ以下である。炭素質原料中のＢ等の含有率が上記範囲内であれば、製造される炭化珪素中の不純物の含有率を、より小さくすることができる。
炭素質原料の粒度は、珪酸質原料との反応性の観点から、好ましくは１ｍｍ以下、より好ましくは０．５ｍｍ以下である。
炭素質原料がカーボンブラックである場合、カーボンブラックの粒度は、一次粒子の平均粒子径が好ましくは１５０ｎｍ以下、より好ましくは７５ｎｍ以下の粒度分布となるような粒度であることが好ましい。該平均粒子径が１５０ｎｍ以下であると、反応性が良くなり、生産性を向上することができる。
また、炭素質原料の粒度は、二次粒子の平均粒子径が好ましくは１２５０μｍ以下、より好ましくは５００μｍ以下の粒度分布となるような粒度であることが好ましい。該平均粒子径が１２５０μｍ以下であると、炭素質原料と珪酸質原料を均質に混合することが容易となり、製品の反応性が向上する。
なお、「二次粒子」とは、一次粒子が凝集してなる凝集体を意味する。また、上記一次粒子の平均粒子径及び二次粒子の平均粒子径は、透過型電子顕微鏡の観察によって測定された算術平均の直径である。
本発明の製造方法で用いられる炭化珪素製造用原料は、さらに、シリコン（Ｓｉ）質原料を含んでいてもよい。本発明の製造方法では、炭化珪素のＳｉの供給源として、珪酸質原料が使用されているが、珪酸質原料の一部をシリコン質原料に替えることで、珪酸質原料の使用量を減らすことができる。シリコン質原料の単位Ｓｉ質量当たりの体積は、珪酸質原料の単位Ｓｉ質量当たりの体積よりも小さいことから、炭化珪素製造用原料において、珪酸質原料の一部をシリコン質原料に替えることで、アーク炉内に、より多くの原料を投入することができる。その結果、アーク炉を用いて一度に製造することができる炭化珪素の量を増やすことができる。
また、炭化珪素製造用原料において、珪酸質原料の一部をシリコン質原料に替えることで、シリカ（ＳｉＯ２）を還元するために必要なエネルギーを減らすことができることから、炭化珪素を製造するために必要な電力量を減らすことができる。
また、炭化珪素製造用原料において、珪酸質原料の一部をシリコン質原料に替えることで、シリカ（ＳｉＯ２）を還元するために必要なエネルギーを減らすことができることから、炭化珪素を製造するために必要な電力量を減らすことができる。
上記シリコン質原料としては、例えば、金属グレードシリコン、太陽電池グレードシリコン、半導体グレードシリコン等が挙げられる。また、シリコン質原料として、金属グレードシリコンの不良品、太陽電池グレードシリコンの不良品、半導体グレードシリコンの不良品、使用済みの太陽電池用シリコンウェハ、使用済みの半導体用シリコンウェハ、太陽電池用シリコンウェハの製造工程で発生する太陽電池グレードシリコンの端材（シリコンインゴットからウェハを切り出す際に発生する切りくず等）、及び半導体用シリコンウェハの製造過程で発生する半導体用シリコンウェハの端材等を用いてもよい。これらは１種を単独で又は２種以上を組み合わせて使用することができる。
中でも、コストの低減や入手の容易性の観点からは、金属グレードシリコン、金属グレードシリコンの不良品の中から選ばれる少なくとも１種を用いることが好ましい。また、高純度の炭化珪素を製造する観点からは、太陽電池グレードシリコン、太陽電池グレードシリコンの不良品、太陽電池グレードシリコンの端材、半導体グレードシリコン、半導体グレードシリコンの不良品、及び半導体グレードシリコンの端材の中から選ばれる少なくとも１種を用いることが好ましい。
中でも、コストの低減や入手の容易性の観点からは、金属グレードシリコン、金属グレードシリコンの不良品の中から選ばれる少なくとも１種を用いることが好ましい。また、高純度の炭化珪素を製造する観点からは、太陽電池グレードシリコン、太陽電池グレードシリコンの不良品、太陽電池グレードシリコンの端材、半導体グレードシリコン、半導体グレードシリコンの不良品、及び半導体グレードシリコンの端材の中から選ばれる少なくとも１種を用いることが好ましい。
また、シリコン質原料中のＳｉの含有率は、好ましくは９９．０質量％以上、より好ましくは９９．９質量％以上、特に好ましくは９９．９９質量％以上である。該含有率が９９．０質量％以上であると、製造される炭化珪素の純度を、非常に高くすることができる。
また、シリコン質原料中、Ｂ、Ｐ、Ａｌ、Ｆｅ、及びＴｉのそれぞれの含有率は、好ましくは２．０ｐｐｍ以下、より好ましくは１．０ｐｐｍ以下である。これらの含有率を上記範囲内とすることで、製造される炭化珪素中の不純物の含有率を、より小さくすることができる。
また、シリコン質原料中、Ｂ、Ｐ、Ａｌ、Ｆｅ、及びＴｉのそれぞれの含有率は、好ましくは２．０ｐｐｍ以下、より好ましくは１．０ｐｐｍ以下である。これらの含有率を上記範囲内とすることで、製造される炭化珪素中の不純物の含有率を、より小さくすることができる。
シリコン質原料としては、反応性の観点から、予め粉砕された粉体状のものが好ましい。シリコン質原料の平均粒子径は、好ましくは６００μｍ以下、より好ましくは５００μｍ以下、特に好ましくは４００μｍ以下である。該平均粒子径が６００μｍ以下であると、反応性をより良好にし、生産性を向上させることができる。
なお、上記シリコン質原料の平均粒子径は、上述した珪酸質原料の平均粒子径と同様の方法によって測定される。
炭化珪素製造用原料に、シリコン質原料が珪酸質原料と等モル量含まれる場合、電極４を通電することで、アーク放電が発生し、炭化珪素製造用原料３が加熱されて、下記式（２）で示される還元反応が起こり、炭化珪素（ＳｉＣ）が生成される。
ＳｉＯ２＋Ｓｉ＋４Ｃ→２ＳｉＣ＋２ＣＯ （２）
シリコン質原料中のＳｉ（珪素原子）のモルと珪酸質原料中のＳｉ（珪素原子）のモルの合計（１００％）に対する、シリコン質原料中のＳｉ（珪素原子）のモルの割合は、好ましくは２０〜６０％、より好ましくは３０〜５５％、特に好ましくは４０〜５０％である。該割合が２０％以上であれば、炭化珪素の生産量が増加し、かつ、炭化珪素を製造するために必要な電力量が減少する。該割合が６０％以下であれば、反応せずに残存するＳｉ（珪素原子）の量が少なくなる。
なお、上記シリコン質原料の平均粒子径は、上述した珪酸質原料の平均粒子径と同様の方法によって測定される。
炭化珪素製造用原料に、シリコン質原料が珪酸質原料と等モル量含まれる場合、電極４を通電することで、アーク放電が発生し、炭化珪素製造用原料３が加熱されて、下記式（２）で示される還元反応が起こり、炭化珪素（ＳｉＣ）が生成される。
ＳｉＯ２＋Ｓｉ＋４Ｃ→２ＳｉＣ＋２ＣＯ （２）
シリコン質原料中のＳｉ（珪素原子）のモルと珪酸質原料中のＳｉ（珪素原子）のモルの合計（１００％）に対する、シリコン質原料中のＳｉ（珪素原子）のモルの割合は、好ましくは２０〜６０％、より好ましくは３０〜５５％、特に好ましくは４０〜５０％である。該割合が２０％以上であれば、炭化珪素の生産量が増加し、かつ、炭化珪素を製造するために必要な電力量が減少する。該割合が６０％以下であれば、反応せずに残存するＳｉ（珪素原子）の量が少なくなる。
炭化珪素製造用原料中のＣ（炭素原子）とＳｉ（珪素原子）のモル比（Ｃ／Ｓｉ）は、２．０以上、好ましくは２．０〜３．５、特に好ましくは２．０〜３．０である。該モル比が２．０未満では、アーク炉内で得られる炭化珪素中に未反応の珪酸質原料が多く残存し、高純度の炭化珪素を得ることが困難である。
なお、上記「炭化珪素製造用原料中のＣ（炭素原子）とＳｉ（珪素原子）のモル比（Ｃ／Ｓｉ）」とは、炭素質原料と、珪酸質原料と、任意で添加されるシリコン質原料を混合して、炭化珪素製造用原料を調製する場合における、炭素質原料中の炭素原子のモルと、珪酸質原料中の珪素原子のモルと任意で添加されるシリコン質原料中の珪素原子のモルの合計との比（Ｃ／Ｓｉ）をいう。
なお、上記「炭化珪素製造用原料中のＣ（炭素原子）とＳｉ（珪素原子）のモル比（Ｃ／Ｓｉ）」とは、炭素質原料と、珪酸質原料と、任意で添加されるシリコン質原料を混合して、炭化珪素製造用原料を調製する場合における、炭素質原料中の炭素原子のモルと、珪酸質原料中の珪素原子のモルと任意で添加されるシリコン質原料中の珪素原子のモルの合計との比（Ｃ／Ｓｉ）をいう。
また、炭化珪素製造用原料中、Ｂ、Ｐ、Ａｌ、Ｆｅ、及びＴｉの含有率は、各々、好ましくは２．０ｐｐｍ以下、２．０ｐｐｍ以下、１０ｐｐｍ以下、４０ｐｐｍ以下、２．０ｐｐｍ以下、より好ましくは１．０ｐｐｍ以下、１．０ｐｐｍ以下、５ｐｐｍ以下、２０ｐｐｍ以下、１．０ｐｐｍ以下である。炭化珪素製造用原料中のＢ等の含有率が上記範囲内であれば、製造される炭化珪素中の不純物の含有率を、より小さくすることができる。
アーク炉を用いて、炭化珪素製造用原料を加熱することで、炭化珪素が生成される。生成された炭化珪素は、アーク炉内の生成された場所にかかわらず高純度である。本発明では、生成された炭化珪素のほぼ全てを高純度の炭化珪素として回収することができる。
また、得られた炭化珪素を、鉱酸を用いて洗浄してもよい。鉱酸を用いて洗浄することで、より高純度の炭化珪素を得ることができる。使用する鉱酸の例としては、塩酸、硫酸、硝酸等が挙げられる。
本発明の製造方法で製造された炭化珪素は、高純度であり、また、Ｂ、Ｐ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ等の不純物の含有率が小さいものである。
具体的には、本発明の製造方法で製造された生成物（微量の不純物を含む炭化珪素）中の炭化珪素（ＳｉＣ）の含有率は、好ましくは９９．０質量％以上、より好ましくは９９．９質量％以上である。
また、本発明の製造方法で製造された生成物（微量の不純物を含む炭化珪素）中の、Ｂ、Ｐ、Ａｌ、Ｆｅ、及びＴｉの含有率は、各々、好ましくは０．１ｐｐｍ以下、０．１ｐｐｍ以下、２．０ｐｐｍ以下、２．０ｐｐｍ以下、０．１ｐｐｍ以下である。
また、得られた炭化珪素を、鉱酸を用いて洗浄してもよい。鉱酸を用いて洗浄することで、より高純度の炭化珪素を得ることができる。使用する鉱酸の例としては、塩酸、硫酸、硝酸等が挙げられる。
本発明の製造方法で製造された炭化珪素は、高純度であり、また、Ｂ、Ｐ、Ａｌ、Ｆｅ、Ｔｉ等の不純物の含有率が小さいものである。
具体的には、本発明の製造方法で製造された生成物（微量の不純物を含む炭化珪素）中の炭化珪素（ＳｉＣ）の含有率は、好ましくは９９．０質量％以上、より好ましくは９９．９質量％以上である。
また、本発明の製造方法で製造された生成物（微量の不純物を含む炭化珪素）中の、Ｂ、Ｐ、Ａｌ、Ｆｅ、及びＴｉの含有率は、各々、好ましくは０．１ｐｐｍ以下、０．１ｐｐｍ以下、２．０ｐｐｍ以下、２．０ｐｐｍ以下、０．１ｐｐｍ以下である。
以下、本発明を実施例により具体的に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されるものではない。
使用材料としては、以下に示す材料を使用した。
（１）珪酸質原料：非晶質シリカ（太平洋セメント社製、商品名：シレックスピュア、平均粒子径：５００μｍ）
（２）炭素質原料：カーボンブラック（東海カーボン社製、商品名：シーストＶ、一次粒子の平均粒子径：６２ｎｍ、二次粒子の平均粒子径：４５０μｍ）
（３）シリコン質原料：金属グレードシリコン（エルケム・ジャパン社製、Ｓｉの含有率：９９．９９％、平均粒子径：３００μｍ）
（４）黒鉛粉末：伊藤黒鉛工業社製、商品名「ＳＧ−ＢＨ８」
（５）黒鉛電極：東海カーボン社製、特注品
珪酸質原料及び炭素質原料中、Ｂ、Ｐ、Ａｌ、Ｆｅ、及びＴｉの含有率を、ＩＣＰ−ＡＥＳを用いて測定した。
また、シリコン質原料中、Ｂ、Ｐ、Ａｌ、Ｆｅ、及びＴｉの含有率を、ＧＤ−ＭＳを用いて測定した。
結果を表１に示す。
使用材料としては、以下に示す材料を使用した。
（１）珪酸質原料：非晶質シリカ（太平洋セメント社製、商品名：シレックスピュア、平均粒子径：５００μｍ）
（２）炭素質原料：カーボンブラック（東海カーボン社製、商品名：シーストＶ、一次粒子の平均粒子径：６２ｎｍ、二次粒子の平均粒子径：４５０μｍ）
（３）シリコン質原料：金属グレードシリコン（エルケム・ジャパン社製、Ｓｉの含有率：９９．９９％、平均粒子径：３００μｍ）
（４）黒鉛粉末：伊藤黒鉛工業社製、商品名「ＳＧ−ＢＨ８」
（５）黒鉛電極：東海カーボン社製、特注品
珪酸質原料及び炭素質原料中、Ｂ、Ｐ、Ａｌ、Ｆｅ、及びＴｉの含有率を、ＩＣＰ−ＡＥＳを用いて測定した。
また、シリコン質原料中、Ｂ、Ｐ、Ａｌ、Ｆｅ、及びＴｉの含有率を、ＧＤ−ＭＳを用いて測定した。
結果を表１に示す。
［実施例１］
図１に記載されたアーク炉１（アンドー工業所社製、商品名「ＡＬＦ−ＴＹＰＥ」：容積０．５１ｍ３）内に、黒鉛粉末３ｋｇをアーク炉１の内部空間の底面全体を覆うように敷いた。アーク炉１の底面に敷いた黒鉛粉末５の厚みは、２０ｍｍであった。その後、表２に示す配合に従って、珪酸質原料と炭素質原料を混合し、炭化珪素製造用原料を得た。炭化珪素製造用原料中、Ｂ、Ｐ、Ａｌ、Ｆｅ、及びＴｉの各含有率を、ＩＣＰ−ＡＥＳを用いて測定した。結果を表１に示す。
その後、得られた炭化珪素製造用原料３をアーク炉１内に収容した。３本の黒鉛電極４を炭化珪素製造用原料３に挿入して、１０時間アーク放電を行い、炭化珪素粉末を得た。なお、アーク放電中のアーク炉内の温度は、約２０００℃であった。得られた炭化珪素粉末を酸処理して、炭化珪素粉末２４ｋｇを得た。
得られた炭化珪素粉末について、Ｂ、Ｐ、Ａｌ，Ｆｅ、及びＴｉの各含有率を、ＩＣＰ−ＡＥＳを用いて測定した。また、得られた炭化珪素粉末について、炭化珪素の含有率を、「ＪＩＳ Ｒ １６１６：２００７（ファインセラミックス用炭化けい素微粉末の化学分析方法）」に準拠して測定した全珪素、全炭素、遊離珪素、遊離二酸化珪素、及び遊離炭素等の含有率の結果から算出した。
それぞれの結果を表１および表３に示す。
図１に記載されたアーク炉１（アンドー工業所社製、商品名「ＡＬＦ−ＴＹＰＥ」：容積０．５１ｍ３）内に、黒鉛粉末３ｋｇをアーク炉１の内部空間の底面全体を覆うように敷いた。アーク炉１の底面に敷いた黒鉛粉末５の厚みは、２０ｍｍであった。その後、表２に示す配合に従って、珪酸質原料と炭素質原料を混合し、炭化珪素製造用原料を得た。炭化珪素製造用原料中、Ｂ、Ｐ、Ａｌ、Ｆｅ、及びＴｉの各含有率を、ＩＣＰ−ＡＥＳを用いて測定した。結果を表１に示す。
その後、得られた炭化珪素製造用原料３をアーク炉１内に収容した。３本の黒鉛電極４を炭化珪素製造用原料３に挿入して、１０時間アーク放電を行い、炭化珪素粉末を得た。なお、アーク放電中のアーク炉内の温度は、約２０００℃であった。得られた炭化珪素粉末を酸処理して、炭化珪素粉末２４ｋｇを得た。
得られた炭化珪素粉末について、Ｂ、Ｐ、Ａｌ，Ｆｅ、及びＴｉの各含有率を、ＩＣＰ−ＡＥＳを用いて測定した。また、得られた炭化珪素粉末について、炭化珪素の含有率を、「ＪＩＳ Ｒ １６１６：２００７（ファインセラミックス用炭化けい素微粉末の化学分析方法）」に準拠して測定した全珪素、全炭素、遊離珪素、遊離二酸化珪素、及び遊離炭素等の含有率の結果から算出した。
それぞれの結果を表１および表３に示す。
［実施例２］
炭化珪素製造用原料３として、表２の配合に従って、珪酸質原料と炭素質原料とシリコン質原料を混合してなる原料を用いた以外は、実施例１と同様にして、粉末状の炭化珪素を得た。得られた炭化珪素粉末を酸処理して、炭化珪素粉末４１ｋｇを得た。
炭化珪素製造用原料、及び、得られた炭化珪素粉末について、Ｂ、Ｐ、Ａｌ，Ｆｅ、及びＴｉの各含有率、並びに炭化珪素の含有率を、実施例１と同様にして測定した。
それぞれの結果を表１および表３に示す。
炭化珪素製造用原料３として、表２の配合に従って、珪酸質原料と炭素質原料とシリコン質原料を混合してなる原料を用いた以外は、実施例１と同様にして、粉末状の炭化珪素を得た。得られた炭化珪素粉末を酸処理して、炭化珪素粉末４１ｋｇを得た。
炭化珪素製造用原料、及び、得られた炭化珪素粉末について、Ｂ、Ｐ、Ａｌ，Ｆｅ、及びＴｉの各含有率、並びに炭化珪素の含有率を、実施例１と同様にして測定した。
それぞれの結果を表１および表３に示す。
［比較例１］
表２に示す配合に従って、珪酸質原料と炭素質原料を混合し、得られた炭化珪素製造用原料および発熱体としての黒鉛粉末を、アチソン炉（容積０．５１ｍｍ３）の中へ収容した後、約２５００℃で約１０時間通電加熱を行い、炭化珪素の塊状物を得た。得られた炭化珪素の塊状物を粉砕した後、酸処理して、炭化珪素粉末２０．０ｋｇを得た。
炭化珪素製造用原料、及び、得られた炭化珪素粉末について、Ｂ、Ｐ、Ａｌ，Ｆｅ、及びＴｉの含有率、並びに炭化珪素の含有率を、実施例１と同様にして測定した。
それぞれの結果を表１および表３に示す。
表２に示す配合に従って、珪酸質原料と炭素質原料を混合し、得られた炭化珪素製造用原料および発熱体としての黒鉛粉末を、アチソン炉（容積０．５１ｍｍ３）の中へ収容した後、約２５００℃で約１０時間通電加熱を行い、炭化珪素の塊状物を得た。得られた炭化珪素の塊状物を粉砕した後、酸処理して、炭化珪素粉末２０．０ｋｇを得た。
炭化珪素製造用原料、及び、得られた炭化珪素粉末について、Ｂ、Ｐ、Ａｌ，Ｆｅ、及びＴｉの含有率、並びに炭化珪素の含有率を、実施例１と同様にして測定した。
それぞれの結果を表１および表３に示す。
表３中、実施例１と比較例１の結果から、同じ量の炭化珪素製造用原料を用いて炭化珪素を製造した場合、アチソン炉を用いた場合（比較例１）よりも、アーク炉を用いた場合（実施例１）の方が炭化珪素の製造量が多くなることがわかる。
また、表３中、実施例２では、炭化珪素製造用原料の一部にシリコン質原料を用いているので、比較例１に比べて原料の合計量が減少しているのにもかかわらず、炭化珪素の製造量が増大するとともに、使用電力量が減少することがわかる。
また、表３中、実施例２では、炭化珪素製造用原料の一部にシリコン質原料を用いているので、比較例１に比べて原料の合計量が減少しているのにもかかわらず、炭化珪素の製造量が増大するとともに、使用電力量が減少することがわかる。
１ アーク炉
２ アーク炉の炉体
３ 炭化珪素製造用原料（珪酸質原料と炭素質原料の混合物）
４ 電極
５ 黒鉛粉末
２ アーク炉の炉体
３ 炭化珪素製造用原料（珪酸質原料と炭素質原料の混合物）
４ 電極
５ 黒鉛粉末
Claims (2)
- アーク炉を用いて、珪酸質原料である非晶質シリカ、炭素質原料であるカーボンブラック、及び、シリコンの含有率が９９．０質量％以上であるシリコン質原料を含む混合物からなる炭化珪素製造用原料を、１６００〜２６００℃で加熱して、炭化珪素を得る炭化珪素の製造方法であって、
上記炭化珪素製造用原料中のＣとＳｉのモル比（Ｃ／Ｓｉ）が２．０〜３．５であり、上記シリコン質原料中のＳｉのモルと上記珪酸質原料中のＳｉのモルの合計（１００％）に対する、上記シリコン質原料中のＳｉのモルの割合が、２０〜６０％であることを特徴とする炭化珪素の製造方法。 - 上記炭化珪素製造用原料中、Ｂ、Ｐ、Ａｌ、Ｆｅ、及びＴｉの含有率が、各々、２．０ｐｐｍ以下、２．０ｐｐｍ以下、１０ｐｐｍ以下、４０ｐｐｍ以下、２．０ｐｐｍ以下である、請求項１に記載の炭化珪素の製造方法。
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2013
- 2013-10-30 JP JP2013225842A patent/JP6297812B2/ja active Active
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