JP2013035741A

JP2013035741A - 原料ガス供給用炭化けい素発熱体

Info

Publication number: JP2013035741A
Application number: JP2011285125A
Authority: JP
Inventors: Masataka Yamamoto; 将隆山本
Original assignee: Tokai Konetsu Kogyo Co Ltd
Current assignee: Tokai Konetsu Kogyo Co Ltd
Priority date: 2011-07-11
Filing date: 2011-12-27
Publication date: 2013-02-21

Abstract

【課題】通気性の良好な原料ガス供給用炭化けい素発熱体を提供する。
【解決手段】炭化けい素からなり通電により発熱する気体透過性発熱部材２と該気体透過性発熱部材２への通電を行う端部部材３からなり、一端が閉じられた構造のパイプ形状を有する原料ガス供給用炭化けい素発熱体１であって、該気体透過性発熱部材の気孔率が２０％以上３５％未満かつ気体透過性が、0.04slpm・cm/torr・cm²以上であることを特徴とする原料ガス供給用炭化けい素発熱体１。
【選択図】図１

Description

本発明は、電気炉用の原料ガス供給用炭化けい素発熱体に関するものである。更に詳しくは、パイプ状の炭化けい素発熱体の片端から半導体原料などを投入して加熱して高温ガス化すると共に発熱部表面からガスを供給することができる原料ガス供給用炭化けい素発熱体に関するものである。

太陽電池等、半導体を基板上に成膜する工程における原料ガスの供給は、一般にインジェクターと呼ばれ、二重パイプ状の構造となっている。この内側パイプに原料ガス吹き出し口を設け、外側パイプにスリットまたは丸穴を内側パイプの吹き出し口と対抗する側に設けた形状になっている。内側パイプと外側パイプの間の空間がバッファとなって外側パイプから均等の流速で原料ガスが流れ出る構造になっている（特許文献1：特開2007-63575号公報）。

また、内側パイプに、ガス透過性炭化けい素発熱体を用い通電して原料ガスを加熱しながら外側パイプへ放出させることが、特許文献2：特許第３５０４６１３号公報に開示されている。

しかし、一般に炭化けい素発熱体は電気炉の熱源として使用され、（１）式により劣化するため発熱体内部への酸素拡散を防ぐ目的で、気孔率はできるだけ小さいことが求められている。通常炭化けい素発熱体の気孔率は25％程度である。(非特許文献1)
（１） SiC+2O_２→SiO₂+CO₂
炭化けい素発熱体の気孔率が25％程度であると内径から原料ガスを放出させるためには圧力損失が大きく片端と他端との圧力差が生じ、原料ガスが均一に放出できないという問題があった。

原料ガスを加熱供給する炭化けい素発熱体に求められる気体透過性として、0.04slpm・cm/torr・cm²以上であり、好ましくは0.07slpm・cm/torr・cm²以上である。炭化けい素発熱体の気孔率が25％程度であると気体透過性は0.01〜0.02slpm・cm/torr・cm²であり、気体透過性が低いという問題点があった。

また、気体を透過させる炭化けい素発熱体として、排気ガス浄化用ハニカムヒーター（例えば特許文献3：特開2010-106735号公報）が提案されている。しかし、このハニカムヒーターは気孔率が90％以上であり単位断面積当たりの電流容量が小さく、したがって、発熱量（ｋW）が小さいため、電気炉用の原料ガス供給用発熱体とはなりえない。

特開２００７−６３５７５号公報特許第３５０４６１３号公報特開２０１０−１０６７３５号公報

新版工業炉ハンドブック（日本工業炉協会）ｐ７０７〜ｐ７０９

発明が解決しようとする課題は、通気性の良好な原料ガス供給用炭化けい素発熱体を提供することである。

本発明の要旨は下記のとおりである。
（１）炭化けい素からなり通電により発熱する気体透過性発熱部材と該気体透過性発熱部材への通電を行う端部部材からなり、一端が閉じられた構造のパイプ形状を有する原料ガス供給用炭化けい素発熱体であって、該気体透過性発熱部材の気孔率が２０％以上３５％未満かつ気体透過性が、0.04slpm・cm/torr・cm²以上であることを特徴とする原料ガス供給用炭化けい素発熱体。
（２）気体透過性が、0.07slpm・cm/torr・cm²以上であることを特徴とする（１）項に記載の原料ガス供給用炭化けい素発熱体。
（３）炭化けい素原料粉に、平均粒子径が５０〜１５０ミクロンの二酸化けい素粉末０．５〜７重量％を混合し、パイプ状に成形・焼成して気体透過性発熱部材を製造し、端部部材を接合することを特徴とする（１）項または（２）項に記載の気体透過性炭化けい素発熱部材の製造方法。
（４）さらに、二酸化けい素粉末に対し２０〜６０重量％の炭素質粉末を混合することを特徴とする（３）項に記載の気体透過性炭化けい素発熱部材の製造方法。
（５）炭化けい素原料粉に、平均粒子径が８０〜１５０ミクロンのアクリル樹脂系球状微粒子を混合し、パイプ状に成形・焼成して気体透過性発熱部材を製造し、端部部材を接合することを特徴とする（１）項または（２）項に記載の気体透過性炭化けい素発熱部材の製造方法。

本発明の原料ガス供給用炭化けい素発熱体は、太陽電池等、半導体を基板上に成膜する工程における原料ガスの加熱供給に適している。

本発明の原料ガス供給用発熱体の正面図である。本発明の原料ガス供給用発熱体の断面図である。

図１及び図２は、本発明の実施の形態に係る原料ガス供給用炭化けい素発熱体の構成を示す図であり、図１は正面図、図２は断面図である。

図１において、原料ガス供給用炭化けい素発熱体１はパイプ状であり、図２から明らかなようにその一端が閉じられている。

原料ガス供給用炭化けい素発熱体１の長手方向中央部に位置する炭化けい素発熱部材２は気体透過性である。

気体透過性炭化けい素発熱部材２に通電を行うための端部部材３は、原料ガス供給用炭化けい素発熱体１の長手方向両端部に位置する。

パイプ状の原料ガス供給用炭化けい素発熱体１の解放端から供給された原料ガスは、気体透過性発熱部材を透過し加熱供給される。

気体透過性発熱部材は、気孔率が２０％以上３５％未満かつ気体透過性が0.04slpm・cm/torr・cm²以上好ましくは0.07slpm・cm/torr・cm²以上である。

気体透過性発熱部材の気孔率が２０％未満であると、気体透過性が0.01slpm・cm/torr・cm^２以下になるので、好ましくなく、気孔率が３５％を超えると、発熱部の強度が低下してハンドリングに問題が出てくるので好ましくない。

また気体透過性発熱部材の気体透過性が0.04slpm・cm/torr・cm²未満であると、圧力損失が大きくなり原料ガスが均一に供給できなくなるので好ましくない。

気孔率が２０％以上３５％未満かつ気体透過性が0.04slpm・cm/torr・cm²以上の気体透過性発熱部材を製造するには、再結晶用炭化けい素原料粉に、平均粒子径が５０〜１５０ミクロンの二酸化けい素粉末０．５〜7重量％を混合成形するか、再結晶用炭化けい素原料粉に、平均粒子径が８０〜１５０ミクロンのアクリル樹脂系球状微粒子を混合形成すればよい。

二酸化けい素粉末を配合して、気体透過性発熱部材を製造する方法において、二酸化けい素粉末の平均粒子径が５０ミクロン未満であると、気体透過性炭化けい素発熱部材に形成される気孔径が小さくなり気体透過性の改善効果が小さくなるので好ましくなく、平均粒子径が１５０ミクロンを超えると、気孔径が大きくなり、発熱部の強度低下が大きくなるので好ましくない。

また二酸化けい素粉末の添加率が０．５重量％未満であると、気体透過性の改善効果が小さくなるので好ましくなく、添加率が７重量％を超えると、発熱部の強度低下が大きくなるので好ましくない。

気体透過性発熱部材の成形には、バインダーを配合すればよく、バインダーとは、例えば、PVAやセルロース系の有機バインダーなど、通常のセラミックスの成形に使われるものでよい。

気体透過性発熱体部材の強度を向上させる目的で、気体透過性発熱部材の成形の際に、二酸化けい素粉末に炭素質粉末を配合しても良い。

炭素質粉末の配合量は、二酸化けい素粉末に対して２０〜６０重量％である。炭素質粉末の配合量が２０重量％未満であると、気体透過性発熱体部材の強度の向上が認められず、６０重量％を超えて配合しても、炭素が残留するだけである。

二酸化けい素粉末を配合して、気体透過性発熱部材を製造する方法の場合、成形後の焼成は、２２００〜２６００℃の範囲内で行えばよい。

アクリル樹脂系球状微粒子を配合して気体透過性発熱部材を製造する方法は、アクリル樹脂系球状微粒子は、形状が真球状にそろっているためアクリル樹脂系球状微粒子が仮焼または焼成によって消失して形成される空孔の形状も真球状になる。すなわち、気体透過性炭化けい素発熱部材の気体透過性が均一となる。

さらに、２００〜４００℃の比較的低温で消失することから、焼成温度付近で焼成を阻害するガスを発生しないので、焼成が容易になる。

本発明におけるアクリル樹脂系球状微粒子とは、ポリメタクリル酸メチル(PMMA)、ポリアクリロニトリル(PAN)などを主成分とする樹脂である。架橋PMMA系微粒子、ポリアクリロニトリル系微粒子などがあり、塗料・インキの艶消し剤、流動性改良剤に使用されている。特にPMMAには真球状で水に対する分散性が高い物がある。

例えば、東洋紡績株式会社製「タフチックＡＲ６５０」シリーズを挙げることができる。

配合するアクリル樹脂系球状微粒子の平均粒子径が８０ミクロン未満では、気体透過性炭化けい素発熱部材に形成される気孔径が小さくなり気体透過性の改善効果が小さくなるので好ましくなく、また、アクリル樹脂系球状微粒子の平均粒子径が１５０μｍを超えると、気孔径が大きくなり、発熱部の強度低下が大きくなるので好ましくない。

アクリル樹脂系球状微粒子は、炭化けい素原料粉末に対して、１〜７重量％配合すればよい。

アクリル樹脂系球状微粒子の配合量が１重量％未満のときは、添加率が１重量％未満であると、気体透過性の改善効果が小さくなるので好ましくなく、７重量％を超える場合は、発熱部の強度低下が大きくなるので好ましくない。

アクリル樹脂系球状微粒子を配合して、気体透過性発熱部材を製造する方法の場合、成形後の焼成は、２２００〜２６００℃で行えばよい。

また、焼成前に仮焼してもよい。

本発明の端子部材は、反応焼結炭化けい素（炭化けい素とけい素の複合材料）や再結晶炭化けい素にけい素を含浸したものなど、非特許文献１に記載の通常の炭化けい素発熱体の端部材質であればよい。

二酸化けい素を用いて原料ガス供給用炭化けい素発熱体を成形するには、再結晶用炭化けい素原料粉末に所定の二酸化けい素、炭素および有機バインダーを加え、乾式混合した後、適量の水を加え湿式混錬する。その後、押出成形によりパイプ状に成形し、乾燥する。乾燥した成形体を非酸化性雰囲気にて２２００℃から２６００℃で焼成し、再結晶炭化けい素発熱部、すなわち、気体透過性発熱部材とすることができる。添加した二酸化けい素は、焼成により消失する。

気体透過性発熱部材として好適な物性として、比抵抗は0.06〜0.12Ωcmであり、曲げ強さは20MPa以上好ましくは30MPa以上である。

再結晶炭化けい素発熱部（気体透過性発熱部材）を所定の長さに切断し、端部を溶接することによって、原料ガス供給用炭化けい素発熱体とすることができる。

実施例１
常法による再結晶用炭化けい素原料粉末に対し、平均粒子径８０ミクロンの二酸化けい素粉末を１重量％と有機バインダー２．５重量％を添加し乾式混合後、添加水を８．５％加え混練後、外径５０ｍｍ、内径３３ｍｍのパイプ状に成形した。

成形体を乾燥後、２４００℃で焼成し、再結晶炭化けい素発熱体の気体透過性炭化けい素発熱部材を作成した。発熱部材の比抵抗は0.08Ωcmであった。

また、図２に示したように、同一の外径、内径の炭化けい素/けい素質端部と接合し、原料ガス供給用炭化けい素発熱体５０×１２００×３５０（外径×発熱部長さ×端部長さ）とした。この原料ガス供給用炭化けい素発熱体の1,000℃定格は146V、186Aであった。

評価は、発熱部の気孔率、曲げ強さ、外観(亀裂の有無)および原料ガス供給用炭化けい素発熱体の気体透過性試験を実施した。結果を表１に示した。

実施例２
二酸化けい素の添加量を７重量％とした他は、実施例１と同様に原料ガス供給用炭化けい素発熱体を作成した。

比較例１
二酸化けい素を添加しないで、実施例１と同様に原料ガス供給用炭化けい素発熱体を作成した。

比較例２
二酸化けい素の添加量を１０重量％とした他は実施例１と同様に原料ガス供給用炭化けい素発熱体を作成した。

実施例３
二酸化けい素の添加量を０．６重量％とし、炭素質粉末を二酸化けい素に対して５０重量%（炭化けい素に対して０．３重量％）添加とした他は、実施例１と同様にして原料ガス供給用炭化けい素発熱体を作成した。

実施例４、５、比較例３、４
二酸化けい素と炭素の配合を表１とした他は実施例１と同様にして原料ガス供給用炭化けい素発熱体を作成した。

実施例１、２、３、４、５は、気体透過性が0.04slpm・cm/torr・cm²以上であり、気孔率も２０〜３５％であり原料ガス供給用炭化けい素発熱部材として好適なものであった。

比較例１、３は、気体透過性が低く、原料ガス供給用炭化けい素発熱体としては不適なものであった。

比較例２、４は気体透過性が高いが、亀裂を経由して気体が漏れたものであり、曲げ強さも低く電気炉に装着しての使用に耐えないものであった。

実施例６
常法による再結晶用炭化けい素原料粉末に対し、平均粒子径８０ミクロンのアクリル樹脂系球状微粒子を７重量％と有機バインダー２．５重量％を添加し乾式混合後、添加水を７．３％加え混練後、外径５０ｍｍ、内径３３ｍｍのパイプ状に成形した。

成形体を乾燥後、２３５０℃で焼成し、再結晶炭化けい素発熱体の気体透過性炭化けい素発熱部材を作成した。発熱部材の比抵抗は0.09Ωcmであった。
その他は、実施例1と同様にして、原料ガス供給用炭化けい素発熱体を作成した。この原料ガス供給用炭化けい素発熱体の1,000℃定格は146V、173Aであった。

なお、気体透過性の値がほぼ同等の実施例６のサンプルと実施例５のサンプルを用い、目視にてスモークテストを行なったところ、実施例６の方が一端を封じた側の発熱部境界近くまでスモークが均一に噴出していた。

実施例７
平均粒子径１００ミクロンのアクリル樹脂系球状微粒子を３重量％、添加水を７．６％とした他は、実施例６と同様に原料ガス供給用炭化けい素発熱体を作成した。

実施例８
平均粒子径１６０ミクロンのアクリル樹脂系球状微粒子を１重量％、添加水を８．０％とし、５００℃で仮焼した他は、実施例６と同様に原料ガス供給用炭化けい素発熱体を作成した。

実施例６、７、８は、気体透過性が0.04slpm・cm/torr・cm²以上かつ、気孔率２０〜３５％であり原料ガス供給用炭化けい素発熱部材として好適なものであった。

また、二酸化けい素添加より低い温度で焼成可能であり、ガスの透過が均一であった。

太陽電池等、半導体を基板上に成膜する工程における原料ガスの供給に適した原料ガス供給用炭化けい素発熱体を提供できる。

１原料ガス供給用発熱体
２気体透過性炭化けい素発熱部材
３端部部材

Claims

炭化けい素からなり通電により発熱する気体透過性発熱部材と該気体透過性発熱部材への通電を行う端部部材からなり、一端が閉じられた構造のパイプ形状を有する原料ガス供給用炭化けい素発熱体であって、該気体透過性発熱部材の気孔率が２０％以上３５％未満かつ気体透過性が、0.04slpm・cm/torr・cm²以上であることを特徴とする原料ガス供給用炭化けい素発熱体。
気体透過性が、0.07slpm・cm/torr・cm²以上であることを特徴とする請求項１に記載の原料ガス供給用炭化けい素発熱体。
炭化けい素原料粉に、平均粒子径が５０〜１５０ミクロンの二酸化けい素粉末０．５〜７重量％を混合し、パイプ状に成形・焼成することを特徴とする請求項１または２に記載の気体透過性炭化けい素発熱部材の製造方法。
さらに、二酸化けい素粉末に対し２０〜６０重量％の炭素質粉末を混合することを特徴とする請求項３に記載の気体透過性炭化けい素発熱部材の製造方法。
炭化けい素原料粉に、平均粒子径が８０〜１５０ミクロンのアクリル樹脂系球状微粒子を混合し、パイプ状に成形・焼成することを特徴とする請求項１または２に記載の気体透過性炭化けい素発熱部材の製造方法。