JPH1036183A - 多結晶セラミックス膜の製造方法および多結晶セラミックス部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】良質かつ高純度の多結晶セラミックス薄膜を形
成する方法であって、膜の堆積速度が早く、製造工程数
が少なく、原料コストも低減できるような新しい方法を
提供することである。 【解決手段】セラミックス原料２を加熱して気化させ、
セラミックス原料２の蒸気を基体７上に堆積させること
によって、多結晶セラミックス膜４を得る。または、セ
ラミックス原料２を加熱して気化させ、原料２の蒸気
を、目的形状の型上に堆積させることによって多結晶セ
ラミックス膜を得、次いで型を除去して、セラミックス
部材を製造する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、多結晶セラミックス膜
を形成する新規な方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在、ガスタービン等、高温雰囲気で使
用されるセラミックス部材の表面耐酸化膜として、緻密
質の炭化珪素膜の被膜が有効であることが知られてい
る。また、他にも幾つかの用途において、セラミックス
部材の表面を緻密質の炭化珪素薄膜や窒化珪素薄膜によ
って被覆することが知られている。こうしたセラミック
ス薄膜を形成する方法としては、化学的気相成長法、電
気化学的気相成長法、スパッタリング法、溶射法等が知
られている。このうち、いわゆる気相法によると、緻密
質の良質な薄膜を形成できるので、現在のところ多用さ
れている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかし、気相法によっ
てセラミックス薄膜を形成した場合には、堆積速度が著
しく遅いという問題がある。この堆積速度は、通常数十
〜百μｍ／時間程度に過ぎない。また、製造工程数が多
く、複雑であるし、原料の価格が高く、収率が低いため
に原料コストが高い。

【０００４】本発明の課題は、良質かつ高純度のセラミ
ックス薄膜を形成する方法であって、膜の堆積速度が速
く、製造工程数が少なく、原料コストも低減できるよう
な新しい方法を提供することである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、セラミックス
原料を加熱して気化させ、このセラミックス原料の蒸気
を基体上に堆積させることによって多結晶セラミックス
膜を得ることを特徴とする方法に係るものである。

【０００６】また、本発明は、多結晶セラミックス部材
を製造するのに際して、セラミックス原料を加熱して気
化させ、このセラミックス原料の蒸気を、目的形状の型
上に堆積させることによって多結晶セラミックス膜を
得、次いで型を除去することを特徴とする方法に係るも
のである。

【０００７】本発明者は、多結晶のセラミックス膜を高
速度で形成する方法を模索していたが、この過程で、単
結晶の製造方法として知られている昇華法に着目した。
そして、基板等を種々変更して実験を重ねた結果、セラ
ミックス原料を加熱して気化させ、このセラミックス原
料の蒸気を基体上に堆積させることによって、高純度の
多結晶セラミックス膜が得られることを発見し、本発明
に到達した。

【０００８】また、本発明によれば、セラミックス原料
を気化させて、基体上に堆積させているので、原料中の
不純物を清浄化する効果がある。特に、揮発性の高い元
素に対して効果がある。また、多結晶セラミックス膜を
一層高純度化するためには、原料の高純度化が効果的で
ある。

【０００９】図１は、本発明の方法を実施するための装
置の一例を模式的に示す断面図である。図１を適宜参照
しつつ、本発明の方法を説明する。ルツボ１の内側空間
３は、隔壁５によって２つに仕切られている。本実施形
態では、隔壁５の上側の空間３ａを原料室として使用
し、隔壁５の下側の空間３ｂを成膜室として使用する。
隔壁５は、原料室３ａと成膜室３ｂとを区分している。
隔壁５は、原料の蒸気が通過できるものであることが必
要であり、このために通気孔が設られているか、あるい
は蒸気の通過が可能なほどに十分に多孔質でなければな
らない。

【００１０】原料室３ａは蓋６によって密閉されてお
り、原料室３ａ内にセラミックス原料２が収容されてい
る。成膜室３ｂの下端部に基体７が固定されている。蓋
６および基体７は、原料室３ａ、成膜室３ｂ中の蒸気が
外に漏れることを、妨げる役割をしている。

【００１１】ルツボ１内において、原料室３ａ側は相対
的に温度が高く、基体７側の成膜室３ｂは、相対的に温
度が低い。原料２からの蒸気が、矢印Ａのように隔壁５
を通過して、低温側である成膜室へと移動し、基体７の
表面に多結晶セラミックス膜４が形成される。

【００１２】セラミックス原料２は、昇華し易さの点か
らは粉末であることが好ましいが、粉末に限定はされな
い。粉末の成形体を使用すると、原料室３ａ内に充填で
きる原料粉末の重量を多くできるし、原料の取り扱いも
容易となるため、好ましい。

【００１３】また、セラミックス原料２の種類は、昇華
し易い材料であること、即ち蒸気圧が高く、昇華点が低
い材料であることが、実際の生産性の点から重要であ
る。原料によっては、液体を経由して気化するものや、
分解後に気化するものもあるが、これらを用いることも
できる。

【００１４】この観点から見ると、１０^{- 4} Ｔｏｒｒ蒸
気圧を示す温度が、２０００℃以下のものが好ましく、
１６００℃以下のものが特に好ましい。具体的には、Ｚ
ｒＢ₂ 、ＴｉＢ₂ 、ＴｉＢ、ＶＣ、Ｂ₄ Ｃ、ＴｉＣ、Ｓ
ｉＣ、ＰｕＣ₂ 、Ｃｒ₃ Ｃ₂ 、ＡｌＮ、ＺｒＮ、Ｈｆ
Ｎ、Ｔｈ₃ Ｎ₄ 、ＵＮ、ＴｉＮ、ＴａＮ、ＬａＮ、Ｂ
Ｎ、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 、ＮｂＮ、Ａｌ₂ Ｏ₃ 、ＢｅＯ、Ｌａ₂
Ｏ₃ 、ＴｉＯ₂、ＶＯ₂ 、ＣａＯ、ＰｕＯ₂ 、ＶＯ、Ｗ
Ｏ₂ 、ＴｉＯ、ＳｉＯ₂ 、ＭｇＯ、ＳｒＯ、ＦｅＯ、Ｍ
ｎＯ、ＣｏＯ、ＢａＯ、ＭｏＯ₂ 、ＮｉＯ、Ｌｉ₂ Ｏ、
ＷＯ₃ 、Ｂ₂ Ｏ₃ 、ＺｎＯ、ＭｏＯ₂ 等がある。また、
これらの混合物であっても良い。

【００１５】基体７は、多様な材料で作製できるが、多
結晶セラミックスからなっていることが、良質な多結晶
セラミックス膜を生成させるために好ましい。基体の材
質としては、例えば、ＳｉＣ、Ｓｉ₃ Ｎ₄ 、ＡｌＮ，Ａ
ｌ₂ Ｏ₃ 、ＺｒＯ ₂ 、ＳｉＯ₂ 、ＭｇＯ、Ｃ、Ｓｉおよ
びこれらの複合体を例示できる。

【００１６】また、炉の低温部分と高温部分とは、いず
れが上になっていても良い。しかし、図１に示すよう
に、高温部分（セラミックス原料のある部分）の方を上
にすると、下側から上方へと向かって熱が上昇してくる
ために、低温部分（基体７のある部分）と高温部分との
間の温度差を一定に保つことが容易になるため、好まし
い。また、高温部分と低温部分とが水平になるように、
配置しても良い。

【００１７】原料の加熱方法としては、いろいろな方法
が適用できるが、比較的手軽に高温状態を生成できる抵
抗加熱法や高周波加熱法が好ましい。高周波加熱法によ
る場合には、高周波の放電が生じない圧力以上で、反応
を行わせる必要がある。多結晶セラミックス膜の結晶性
および成膜速度を向上させるためには、１０Ｔｏｒｒ以
下の圧力とすることが好ましく、０．５Ｔｏｒｒ以下の
圧力とすることが、更に好ましい。このような低い圧力
下で成膜を行う場合には、抵抗加熱法によって原料を加
熱することが好ましい。

【００１８】また、均質な膜質を有する膜や、均一な膜
厚を有する膜を形成できるようにするためには、基体の
温度を均一に保つ必要がある。この点から、基体温度分
布は±２０℃以内にすることが好ましく、±５℃以内と
することが、更に好ましい。

【００１９】本発明によって、基体上にセラミックス膜
が形成されたセラミックス部材を提供できる。また、型
上にセラミックス膜を形成した後に、型を除去すること
によって、セラミックス部材を作製することができる。

【００２０】本発明によって製造されるセラミックス部
材は、各種の製品に対して適用することができる。こう
した製品として、ガスタービン等の高温雰囲気で使用さ
れるセラミックス部品があげられる。具体的にはガスタ
ービン用の燃焼器、静翼、動翼、熱交換器、燃焼ガス通
路部品に、本方法で作製したセラミックス膜を有した基
体および部材を使用することができる。また、電磁波透
過体にも適用できる。これには、電磁波透過窓、高周波
電極装置、高周波プラズマを発生させるためのチュー
ブ、高周波プラズマを発生させるためのドームを例示で
きる。また、本発明によって製造されるセラミックス部
材は、半導体ウエハーを設置するためのサセプターに対
して適用できる。こうしたサセプターとしては、セラミ
ック静電チャック、セラミックスヒーター、高周波電極
装置を例示することができる。この他、ダミーウエハ
ー、シャドーリング、半導体ウエハーを支持するための
リフトピン、シャワー板等の各半導体製造用装置の基材
として、使用することができる。

【００２１】

【実施例】以下、更に具体的な実験結果について述べ
る。図２に示す成膜装置を使用し、カーボン（Ｃ）から
なる基体７の上に炭化珪素膜４を形成する実験を行っ
た。ただし、図２において、図１に示した部材と同じ部
材には同じ符号を付け、その説明は省略する。

【００２２】ルツボ１は円筒形をしており、ルツボの材
質は高密度のカーボン（Ｃ）からなっている。基体７の
寸法は、直径１００ｍｍ、厚さ５ｍｍの円板形状とし
た。平均粒径０．６μｍの炭化珪素粉末を、１００ｋｇ
ｆ／ｃｍ² の荷重で一軸プレスし、直径φ３０ｍｍ×厚
さ５ｍｍの円板状成形体を得た。この成形体２を、ルツ
ボ１内の原料室３ａに充填した。原料２を充填したルツ
ボ１を、図２に示す真空加熱炉中に設置した。ただし、
８は炉床であり、９は炉壁である。

【００２３】炉内に抵抗加熱ヒーター１０を設置し、ヒ
ーター１０の内側を２２００℃に加熱した。なお、加熱
温度は、ＳｉＣの昇華が始まる２０００℃以上とする必
要があり、２２００〜２４００℃が好ましい。この時、
炉内の雰囲気はアルゴンとし、圧力は０．０１Ｔｏｒｒ
とした。温度制御を原料室３ａの近傍で行っていること
から、原料室３ａの温度は２２００℃となっているが、
ヒーター１０の無い成膜室３ｂは、原料室よりも若干低
い温度となっている。炉床８に接している基体７は、基
体７から炉床へと熱が逃げるために、成膜室３ｂ内より
も一層低い温度となっている。本実施例では、原料室の
温度と基体の温度との差を５０℃とした。なお、原料室
の温度と基体の温度との差は、２０℃以上、５００℃以
下とすることが好ましい。

【００２４】ルツボ１内を多結晶の成長温度まで昇温す
る際には、基体７上に不安定な結晶核の成長が起こらな
いように、ルツボ１内にアルゴン雰囲気を満たした。所
定の成長温度に到達した後に、ルツボ１内を減圧し、多
結晶の成長を開始させた。

【００２５】この結果、粒径１ｍｍ程度の緻密質の多結
晶炭化珪素膜４が基体７上に堆積した。この膜４の表面
は、滑らかで透明感があった。また、成膜速度は、０．
５ｍｍ／時間〜１ｍｍ／時間と極めて高速であった。

【００２６】

【発明の効果】以上述べてきたように、本発明によれ
ば、良質かつ高純度の多結晶セラミックス薄膜を形成す
ることができ、膜の堆積速度が早く、製造工程数が少な
く、原料コストも低減できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の製造方法を実施するための装置の一例
を模式的に示す断面図である。

【図２】本発明の製造方法を実施するための装置の一例
を模式的に示す断面図である。

【符号の説明】

１ ルツボ ３ ルツボ１の内側空間 ５ 隔壁
３ａ原料室 ３ｂ 成膜室 ６ 蓋 ７ 基体
８ 炉床 ９ 炉壁 １０ ヒーター

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 相原 靖文 愛知県名古屋市瑞穂区須田町２番56号 日 本碍子株式会社内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】セラミックス原料を加熱して気化させ、こ
   のセラミックス原料の蒸気を基体上に堆積させることに
   よって多結晶セラミックス膜を得ることを特徴とする、
   多結晶セラミックス膜の製造方法。
2. 【請求項２】前記多結晶セラミックス膜が炭化珪素膜で
   あることを特徴とする、請求項１記載の多結晶セラミッ
   クス膜の製造方法。
3. 【請求項３】多結晶セラミックス部材を製造するのに際
   して、セラミックス原料を加熱して気化させ、このセラ
   ミックス原料の蒸気を、目的形状の型上に堆積させるこ
   とによって多結晶セラミックス膜を得、次いで前記型を
   除去することを特徴とする、多結晶セラミックス部材の
   製造方法。
4. 【請求項４】前記多結晶セラミックス部材が炭化珪素で
   あることを特徴とする、請求項３記載の多結晶セラミッ
   クス部材の製造方法。