単結晶シリコン-2の炭素/炭素熱場材料におけるSiCコーティングの応用と研究の進捗

1. 炭素／炭素熱場材料における炭化ケイ素コーティングの応用と研究の進捗

1.1 るつぼ製造における応用と研究の進捗状況

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搬送容器として使用され、石英るつぼ図2に示すように、炭素/炭素るつぼの動作温度は約1450℃であり、固体シリコン（二酸化ケイ素）とシリコン蒸気の二重侵食を受け、最終的にるつぼが薄くなったり、リングクラックが発生したりして、るつぼが破損します。

化学気相浸透法とin-situ反応により、炭素／炭素複合るつぼの複合コーティングを作製した。この複合コーティングは、炭化ケイ素コーティング（100～300μm）、ケイ素コーティング（10～20μm）、窒化ケイ素コーティング（50～100μm）から構成されており、炭素／炭素複合るつぼの内面におけるケイ素蒸気の腐食を効果的に抑制できる。製造工程において、この複合コーティングを施した炭素／炭素複合るつぼの摩耗量は炉1回あたり0.04mmであり、耐用年数は炉180回に達する。

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て、特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、高温処理は炭化ケイ素コーティングの純度と強度を向上させるだけでなく、炭素／炭素複合材表面の耐摩耗性を大幅に向上させ、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わかった。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、るつぼの耐用年数は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捗状況

ガイドシリンダーはるつぼの上部に位置します（図1参照）。結晶引き上げの過程では、内部と外部の温度差が大きく、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、ガイドチューブの酸化防止コーティングの簡便なプロセスと優れた耐酸化性を発明した。まず、ガイドチューブのマトリックス上に炭化ケイ素ウィスカー層をその場で成長させ、次に緻密な炭化ケイ素外層を作製することで、マトリックスと緻密な炭化ケイ素表面層の間にSiCw遷移層を形成させた（図3参照）。この遷移層は、マトリックスと炭化ケイ素の熱膨張係数が等しく、熱膨張係数の不一致によって生じる熱応力を効果的に低減できる。

分析結果によると、SiCw含有量の増加に伴い、コーティング中の亀裂のサイズと数が減少することがわかった。1100℃の空気中で10時間酸化させた後のコーティングサンプルの重量減少率はわずか0.87%～8.87%であり、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た。全製造工程は化学気相堆積法により連続的に行われ、炭化ケイ素コーティングの製造が大幅に簡素化され、ノズル全体の総合性能が強化された。

研究者らは、チョーア単結晶シリコン用のグラファイトガイドチューブのマトリックス強化および表面コーティング方法を提案した。得られた炭化ケイ素スラリーを、ブラシコーティングまたはスプレーコーティング法により、コーティング厚さ30～50μmでグラファイトガイドチューブの表面に均一にコーティングし、その後、高温炉に入れてその場で反応させた。反応温度は1850～2300℃、保持時間は2～6時間であった。SiC外層は、24インチ（60.96cm）単結晶成長炉で使用でき、使用温度は1500℃であり、1500時間後もグラファイトガイドシリンダーの表面に亀裂や粉の落下が見られないことが確認された。

1.3 断熱シリンダーの応用と研究の進捗状況

単結晶シリコン熱処理システムの主要構成要素の一つである断熱シリンダーは、主に熱損失を低減し、熱処理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を支える部品として、シリコン蒸気腐食はスラグの落下や製品のひび割れを引き起こし、最終的には製品の故障につながります。

C/C-sic複合断熱管のシリコン蒸気腐食耐性をさらに向上させるため、研究者らは作製したC/C-sic複合断熱管製品を化学気相反応炉に入れ、化学気相堆積法によってC/C-sic複合断熱管製品の表面に緻密な炭化ケイ素コーティングを形成した。その結果、このプロセスはC/C-sic複合材のコア部分の炭素繊維のシリコン蒸気による腐食を効果的に抑制し、シリコン蒸気に対する耐食性は炭素/炭素複合材と比較して5～10倍向上し、断熱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

炭化ケイ素コーティング炭化ケイ素は、高温での優れた耐酸化性から、炭素／炭素系熱処理材料にますます広く使用されています。単結晶シリコン製造に使用される炭素／炭素系熱処理材料のサイズが大きくなるにつれて、熱処理材料表面の炭化ケイ素コーティングの均一性を向上させ、炭素／炭素系熱処理材料の耐用年数を向上させる方法が、解決すべき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、高純度カーボン/カーボン熱場材料の需要も増加しており、反応中に内部カーボンファイバー上にSiCナノファイバーも成長している。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および2.57 μm/sである。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-0.24 mg/sおよび1.66 μm/sである。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有する。後ほど、異なる炭素源がSiCナノファイバーの成長に及ぼす影響と、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する。

化学気相浸透法とin-situ反応により、炭素／炭素複合るつぼの複合コーティングを作製した。この複合コーティングは、炭化ケイ素コーティング（100～300μm）、ケイ素コーティング（10～20μm）、窒化ケイ素コーティング（50～100μm）から構成されており、炭素／炭素複合るつぼの内面におけるケイ素蒸気の腐食を効果的に抑制できる。製造工程において、この複合コーティングを施した炭素／炭素複合るつぼの摩耗量は炉1回あたり0.04mmであり、耐用年数は炉180回に達する。