JPS5825045B2 - ＳｉＣ超微粒子の製造方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明はＳｉＣ超微粒子の製造方法に関するものであり
、詳しくは、気相において、原料ガスをプラズマにより
反応させることにより、高純度のＳｉＣ超微粒子を製造
する方法に関するものである。

従来、このようなＳｉＣ微粒子粉末を製造する方法には
（ａ） ８ ｉ Ｃ粗粒子の粉砕、（ｂ）ケイ素粉末と
炭素粉末の固相反応、（ｃ）酸化ケイ素粉末と炭素粉末
の固相反応、そして、（ｄ）種々の気相反応などの方法
が知られている。

しかしながら、（ａ） Ｓ ｉ Ｃ粗粒子を粉砕する方
法においては、超微粒子を製造することは極めて困難で
あり、ＩＰｍ以下の超微粒子を製造するのはほとんど不
可能である。

また、（ｂ）ケイ素粉末と炭素粉末の固相反応、（ｃ）
酸化ケイ素粉末と炭素粉末の固相反応などの固相反応の
場合は、前述の値）ＳｉＣ粗粒子の粉砕の方法よりも微
粒子が得られ、ザブミクロンの粒子の製造も可能である
がそれでも充分、粒子径が小寸法とは言えず、加えて、
高温で製造しなければならないため、周囲より不純物が
混入しやすいと言う欠点があった。

このような前述の方法に比較して、（ｄ）気相反応を用
いる方法は、ＳｉＣ超微粒子が得られること、雰囲気制
御が容易であること、高純度生成物が得やすいこと、分
散性の良好なことなどの利点がある。

しかしながら、この気相反応を用いる方法においては、
一般に原料ガスを高温に加熱しなければならない。

たとえば、ＳｉＣを昇華して超微粒子を得る方法が気相
法の一つにあるが、この場合、加熱を行なわないと、Ｓ
ｉＣ超微粒子は極く少量えられるにすぎない。

加熱手段としては、従来、アークもしくはプラズマジェ
ットを用いてきた。

しかし、これらの方法では大電力、多量のプラズマ用気
体および大型の装置を必要とし、かつ電極に使用される
炭素もしくは金属等よりの不純物の混入等を防止しえな
いと言う欠点があった。

本発明はこのような欠点を除去することを目的とする。

詳しくは、プラズマ気相反応において、小型装置、少ガ
ス量および少電力で１日あたり、数グラムより数十グラ
ムの中規模の高純度ＳｉＣ超微粒子を製造する方法を提
供することを目的とする。

したがって、本発明によるＳｉＣ超微粒子の製造方法は
、反応系にプラズマを発生させた後、この反応系に原料
ガスを導入することを特徴とするものである。

このような本発明によるＳｉＣ超微粒子の製造方法によ
れば、反応系にあらかじめ安定性のあるプラズマを発生
させてお（ので、即ちアークなどを用いる方法と異なり
、反応中、放電を繰り返さず、プラズムの発生後、電極
を反応系より除去するため、電極などの不純物が混入す
ることがなくなる。

しかもガス量も電力も少な（てすむと言う利点があり、
加えて装置も小型化しえると言う長所がある。

本発明を更に詳しく説明すると、本発明におけるＳｉＣ
超微粒子の製造方法は、まず反応系にプラズマを発生さ
せる。

プラズマ発生およびその安定法は本発明において限定さ
れるものではないが、たとえば、第１図に断面図を示す
反応トーチを用いて行なうことができる。

第１図は本発明におけるＳｉＣ超微粒子の製造方法を実
施するための反応トーチの一例の断面図であり、図中、
１は反応トーチ、２は外部石英ガラス管、３は中間石英
ガラス管、４は内部石英ガラス管、５は反応室、６は水
冷金型、７はプラズマ用ガス導入口、８は原料ガス導入
口、９は黒鉛棒、１０はワークコイル、１１は粉末沈積
室である。

第１図より明かなように、この反応トーチ１は外部石英
ガラス管２に同心状に、かつ離間して挿入された中間石
英ガラス管３、内部石英ガラス管４とを備え、この中間
石英ガラス管３、内部石英ガラス管４の下部終端下に反
応室５を有し、また外部石英ガラス管２、中間石英ガラ
ス管３、内部石英ガラス管４の上端は階段状に水冷金型
６に被われ、石英ガラスで一体化されている。

また、この水冷金型６には、中間石英ガラス管３内壁と
内部石英ガラス管４外壁とで構成されるガス路にプラズ
マ用ガスを導入するためのプラズマ用ガス導入ロアが穿
設され、更に、外部石英ガラス管２内壁と中間石英ガラ
ス管３外壁とで構成されるガス路に原料ガスを導入する
ための原料ガス導入口８が穿設されている。

電電極である黒鉛棒９は水冷金型６の最上部より内部ガ
ラス管４内に、上下に移動可能に挿通され、もう一方の
電極のワークコイル１０は反応室５に相当する外部石英
ガラス管２の部分に捲回されている。

反応室５の下方には生成したＳｉＣ超微粒子を沈積させ
るための粉末沈積室１１がある。

この反応トーチ１を用いるには、まず、プラズマ用ガス
導入ロアよりプラズマ用ガス（たとえばアルゴンなど）
を反応室５に導入し、黒鉛棒９を内部石英ガラス４内よ
り反応室５に突出させ、ワークコイル１０との作用によ
り、プラズマを発生させる。

その後、黒鉛棒９を引き上げ反応室５より除去し、原料
ガス導入口８より原料ガスを導入する。

原料ガス導入により、反応室５で反応が生じ、生成した
ＳｉＣ超微粒子は粉末沈積室１１に沈積する。

このようにして、プラズマを発生させ、安定化するわけ
であるが、プラズマの安定性は反応トーチ１の形状、ワ
ークコイル１０の形状、電源周波数、出力、出力インピ
ーダンス、プラズマ用ガスの種類、流量によって影響を
受けるがなかでもこの反応トーチ１の形状が最も重要で
ある。

上述の反応トーチ１を用いた場合のプラズマ安定の具体
的条件の一例をあげると、プラズマ用ガスとしてアルゴ
ンを用いた場合、内部石英ガラス管４を２３５朋φ、中
間石英ガラス管３を３５ｍｍφ、外部石英ガラス管２を
４５朋φとし、電源の周波数を４ＭＨｚ、ワークコイル
１０の巻数を４とした場合に、アルゴンガスをプラズマ
用ガス導入ロアに１３＃／ｍ以上流すと、ＩＫＷ以上の
出力で安定したプラズマが得られる。

このアルゴンガス（プラズマ用ガス）の一部はプラズマ
と外部石英ガラス管２の間の断熱と外部石英ガラス管２
の冷却の役目を果す。

このため、外部石英ガラス管２の劣化を小とし、かつ長
時間にわたってプラズマを発生させることを可能とする
。

この反応トーチ１を用いた場合、原料ガスの濃度もしく
は流量は適当に変えることが可能である。

しかし過高濃度であるとプラズマが消失する恐れがある
が、これはプラズマ用ガスの流量、印加電力量などによ
って変化する。

また、この反応トーチ１においては、黒鉛棒９の挿通し
ている内部ガラス管４内より原料ガスを導入することも
可能である。

この場合、プラズマの安定性は原料ガス導入口８より原
料ガスを導入した場合と変化はないが、流量が犬となる
と安定性が低下する。

このようにプラズマの安定性は前述の具体的条件のほか
種々の条件において、得ることができる。

また、反応トーチ１は中間石英ガラス管３を省いた形状
のものでも、安定なプラズマが得られる。

反応トーチ１を２重構造とし、石英ガラス管の直径を小
さくするこさによってプラズマ用ガスの流量を減少でき
るのである。

たとえば第１図の内部石英ガラス管４を２２ｒｔｙｎφ
、外部石英ガラス管２を３５＋＋ｍφとすると、アルゴ
ンガスを用いた場合２１３／一以上の流量、１．４ Ｋ
Ｗ以上の電力でプラズマが安定する。

ただし、外部石英ガラス管２の直径が過小であるとプラ
ズマの熱が外部石英ガラス管２に影響を及ぼし、条件が
悪い場合は失透あるいは熔解に迄至らしめる。

この二重構造のプラズマトーチを用いる場合、プラズマ
を発生させておき、原料ガスは反応トーチ１の手前でプ
ラズマ用ガスに混合し反応トーチ１に導入して、プラズ
マ気相反応を行わせる。

この場合も前記三重構造反応トーチ（第１図）と同様に
原料ガスの流量もしくは濃度を適宜変えることが可能で
あり得られた粒子の直径も同様の値である。

本発明においては、このようにプラズマ中に原料ガスを
導入するわけであるがこの原料ガスは熱力学的にＳｉＣ
を生成するものであればいかなるものでもよい。

たとえばメチルトリクロロシラン、ジメチルジクロロシ
ラン、トリメチルクロロシラン、などの一種以上である
こともでき、またシラン、四塩化ケイ素の一種以上とメ
タン、エタンの一種以上との組合せなどを用いることが
できるほか、ケイ素と炭素を含む多くの化合物および化
合物の組合せを用いることができる。

次に本発明の方法の実施の概略図を図面に基づいて説明
する。

第２Ａ図は本発明によるＳｉＣ超微粒子の製造方法を実
施するための装置の概略図であり１２は高周波電源、１
３は排気管、１４はプラズマ用ガス導入管、１５は流量
計、１６は原料ガス導入管、１７は恒温槽、１８は液体
原料槽を示し、他は第１図と同様のものを示す。

反応トーチ１は前述の第１図の三重構造ないし二重構造
の反応トーチであり、黒鉛棒９、ワークコイル１０、粉
末沈積室１１を備え、ワークコイル１０は高周波電源１
２に接続している。

また反応トーチ１の粉末沈積室１１の下部には排気管１
３がある。

またプラズマ用ガス導入管１４は流量計１５を介し、反
応トーチ１に接続している。

原料ガス導入管１６は流量計１５を介し恒温槽１７で温
度調整された液体原料槽１８を通り、反応トーチ１に接
続する。

まず、プラズマ用ガス導入管１４より、流量を流量計１
５によって調整したプラズマ用ガスを反応トーチ１に導
入し、黒鉛棒９、ワークコイル１０、高周波電源１２に
より、反応トーチ１内にプラズマを発生させる。

次いで黒鉛棒９を引き上げ、原料ガス導入管１６より、
流量計１５により流量調整されたキャリヤーガスを流が
し、液体原料槽１８内の液体原料を気化し、反応トーチ
１に導入する。

反応トーチ１内で生成したＳｉＣ超微粒子は粉末沈積室
１１に沈積し、一方ガスは排気管１３より排気される。

第２Ｂ図は原料が当初より気体の場合の製造装置の概略
図であり、原料ガス導入管１６は流量計１５を介し、直
接反応トーチ１に接続している。

この場合、原料は当初より気体であるので、恒温槽１７
および液体原料槽１８、は不要となる。

他は第２Ａ図の装置と同様であり、また同様に作動する
。

次に実施例を説明する。

実施例 １ 原料にはケイ素と炭素を１対１の割合で含む液体のメチ
ルトリクロロシランを用い、アルゴンガスをキャリアー
にして１．Ｉ Ｘ １０ ”ｍｏｌ／ｍｖｔ を、プラ
ズマ用ガスにはアルゴンガス１５１／７１ｕ！ｔを前記
第１図に示した３重構造反応トーチに導入し、４ＭＨｚ
の高周波電源および直径５０７ｎｍφで４巻数のワーク
コイルを用いて、出力３．５ ＫＷでプラズマ気相反応
を行い、トーチの下方に固体生成物を沈積させた。

これをアルゴンガス雰囲気中で約１２００℃、引続いて
空気中で約６５０℃で熱処理すると淡灰色の粉末が得ら
れた。

この粉末の透過電子顕微鏡観察によると、粉末の粒子径
は１００人から１０００人であり、熱処理による粒子径
の増加は認められなかった。

粉末Ｘ線回析によるとこの粉末は主としてβ−３ｉＣを
含んでいた。

同様の結果は気体原料としてシランとメタンを用いた場
合にも得られた。

実施例 ２ アルゴンガスをキャリアにしてメチルトリクロロシラン
１． Ｉ Ｘ １０−”ｍｏｌ ／順をアルゴンガスＩ
ＱＡ／ｍｖｔに混入し、これを前記２重構造反応トーチ
に導入し、４ＭＨｚの高周波電源、直径３８ｍＷφで４
．５巻数のワークコイルを用いて、出力２．９ ＫＷで
１時間プラズマ気相反応を行い、トーチの下方に固体生
成物を沈積させた。

実施例１の場合と同様の熱処理を行った後の粉末は淡灰
色であり、粒子径は１５０人から７５０人の間であり、
主としてβ−３ｉＣであった。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明によるＳｉＣ超微粒子の製造方法を実施
するための反応トーチの一例の断面図であり、第２Ａ図
、第２Ｂ図は本発明によるＳｉＣ超微粒子の製造方法を
実施するための装置の概略図である。 １・・・・・・反応トーチ、２・・・・・・外部石英ガ
ラス管、３・・・・・・中間石英ガラス管、４・・・・
・・内部石英ガラス管、５・・・・・・反応室、６・・
・・・・水冷金型、７・・・・・・プラズマ用ガス導入
口、８・・・・・・原料ガス導入口、９・・・・・・黒
鉛棒、１０・・・・・・ワークコイル、１１・・・・・
・粉末沈積室、１２・・・・・・高周波電源、１３・・
・・・・排気管、１４・・・・・・プラズマ用ガス導入
管、１５・・・・・・流量計、１６・・・・・・原料ガ
ス導入管、１７・・・・・・恒温槽、１８・・・・・・
液体原料槽。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. １ 反応系にワークコイル及び電極を用いて勝運放電に
   より安定的にプラズマを発生させ前記反応系より電極を
   引き抜いた後、この反応系に硅素と炭素を含有する原料
   ガスを導入することを特徴とするＳｉＣ超微粒子の製造
   方法。