1 炭素/炭素熱場材料におけるシリコンカーバイドコーティングの応用と研究の進歩
1.1 るつぼ作製における応用と研究の進歩
単結晶熱場において、炭素/炭素るつぼ主にシリコン材料の運搬容器として使用され、石英るつぼ図2に示すように、炭素/炭素るつぼの使用温度は約1450℃で、固体シリコン（二酸化ケイ素）とシリコン蒸気の二重の侵食を受け、最終的にるつぼが薄くなったり、リング状の亀裂が生じたりして、るつぼが破損します。
化学蒸着法とin-situ反応により、複合コーティングを施した炭素/炭素複合るつぼを作製しました。複合コーティングは、炭化ケイ素コーティング（100～300μm）、シリコンコーティング（10～20μm）、窒化ケイ素コーティング（50～100μm）で構成されており、炭素/炭素複合るつぼ内面におけるシリコン蒸気の腐食を効果的に抑制します。製造工程において、複合コーティングを施した炭素/炭素複合るつぼの損失は1炉あたり0.04mmで、使用寿命は180炉回に達します。
研究者らは、高温焼結炉内で二酸化ケイ素と金属ケイ素を原料とし、一定の温度条件とキャリアガスの保護下で化学反応法を用いて炭素／炭素複合材料るつぼの表面に均一な炭化ケイ素コーティングを生成した。その結果、高温処理によって炭化ケイ素コーティングの純度と強度が向上するだけでなく、炭素／炭素複合材料表面の耐摩耗性も大幅に向上し、単結晶シリコン炉内のSiO蒸気と揮発性酸素原子によるるつぼ表面の腐食を防ぐことができることが示された。るつぼの耐用年数は、炭化ケイ素コーティングを施していないるつぼと比較して20%増加した。
1.2 フローガイドチューブの応用と研究の進歩
ガイドシリンダーはるつぼの上部に配置されています（図1参照）。結晶引き上げプロセスでは、炉内外の温度差が大きく、特に底面は溶融シリコン材料に最も近いため温度が最も高く、シリコン蒸気による腐食が最も深刻になります。
研究者らは、簡便なプロセスと優れた耐酸化性を備えたガイドチューブ用酸化防止コーティングとその製造方法を発明した。まず、ガイドチューブの母材上に炭化ケイ素ウィスカー層をin-situ成長させ、次に緻密な炭化ケイ素外層を作製することで、図3に示すように、母材と緻密な炭化ケイ素表面層との間にSiCw遷移層を形成する。熱膨張係数は母材と炭化ケイ素の中間値であり、熱膨張係数の不一致に起因する熱応力を効果的に低減できる。
分析の結果、SiCw含有量の増加に伴い、コーティング中のクラックのサイズと数が減少することがわかりました。1100℃の空気中で10時間酸化処理した後、コーティングサンプルの重量減少率はわずか0.87%～8.87%に抑えられ、炭化ケイ素コーティングの耐酸化性と耐熱衝撃性が大幅に向上しました。また、製造プロセス全体が化学蒸着法によって連続的に完了するため、炭化ケイ素コーティングの製造が大幅に簡素化され、ノズル全体の総合的な性能が向上しました。
研究者らは、チョーア単結晶シリコングラファイトガイドチューブのマトリックス強化と表面コーティング法を提案した。得られた炭化ケイ素スラリーを刷毛塗りまたはスプレー塗装法でグラファイトガイドチューブの表面に30～50μmのコーティング厚さで均一に塗布し、高温炉に入れてin-situ反応させた。反応温度は1850～2300℃、保温時間は2～6時間であった。得られたSiC外層は24インチ（60.96cm）単結晶育成炉で使用でき、使用温度は1500℃で、1500時間経過後もグラファイトガイドチューブの表面に割れや粉落ちがないことを確認した。
1.3 断熱筒の応用と研究の進歩
単結晶シリコン熱場システムの主要部品の一つである断熱筒は、主に熱損失を低減し、熱場環境の温度勾配を制御するために使用されます。単結晶炉の内壁断熱層の支持部品として、シリコン蒸気腐食はスラグの落下や製品の割れを引き起こし、最終的には製品の故障につながります。
C/C-SiC複合絶縁管の耐シリコン蒸気腐食性をさらに高めるため、研究者らは製造したC/C-SiC複合絶縁管製品を化学気相反応炉に投入し、化学気相堆積法によりC/C-SiC複合絶縁管製品の表面に緻密な炭化ケイ素コーティングを施した。その結果、このプロセスはC/C-SiC複合管の芯材にある炭素繊維のシリコン蒸気による腐食を効果的に抑制し、シリコン蒸気の耐腐食性は炭素/炭素複合管と比較して5～10倍向上し、絶縁管の耐用年数と熱場環境の安全性が大幅に向上することが示された。
2.結論と展望
シリコンカーバイドコーティング高温における優れた耐酸化性から、炭素／炭素系熱場材料への応用がますます広がっています。単結晶シリコン製造に使用される炭素／炭素系熱場材料の大型化に伴い、熱場材料表面における炭化ケイ素コーティングの均一性を向上させ、炭素／炭素系熱場材料の耐用年数を延ばすことが喫緊の課題となっています。
一方、単結晶シリコン産業の発展に伴い、高純度炭素/炭素熱場材料の需要も高まっており、反応中に内部の炭素繊維上にもSiCナノファイバーが成長しています。実験で調製したC / C-ZRCおよびC / C-sic ZrC複合材料の質量アブレーション速度と線アブレーション速度は、それぞれ-0.32 mg / sと2.57 μm / sです。C / C-sic -ZrC複合材料の質量アブレーション速度と線アブレーション速度は、それぞれ-0.24mg / sと1.66 μm / sです。SiCナノファイバーを含むC / C-ZRC複合材料は、より優れたアブレーション特性を備えています。その後、異なる炭素源がSiCナノファイバーの成長に及ぼす影響、およびSiCナノファイバーがC / C-ZRC複合材料のアブレーション特性を強化するメカニズムについて研究します。
化学蒸着法とin-situ反応により、複合コーティングを施した炭素/炭素複合るつぼを作製しました。複合コーティングは、炭化ケイ素コーティング（100～300μm）、シリコンコーティング（10～20μm）、窒化ケイ素コーティング（50～100μm）で構成されており、炭素/炭素複合るつぼ内面におけるシリコン蒸気の腐食を効果的に抑制します。製造工程において、複合コーティングを施した炭素/炭素複合るつぼの損失は1炉あたり0.04mmで、使用寿命は180炉回に達します。
投稿日時: 2024年2月22日