Método y aparato para fabricar cuerpo sinterizado de nitruro de silicio
Descripción general
 El nitruro de silicio sinterizado cuerpo de capa alterado excelente en propiedades mecánicas y poco superficie densa es proporcionar un procedimiento estable para la preparación de la misma y su aparato de fabricación. ] El cuerpo moldeado 1 hecha de polvo mezclado de polvo de nitruro de silicio y un auxiliar de sinterización durante la sinterización en una atmósfera de gas inerte que contiene gas N2 o gas N2, la concentración de CO en la atmósfera en contacto con el cuerpo moldeado 1 el proceso para la fabricación de nitruro de silicio sinterizado a 30 ppm o menos, por ejemplo, al menos la superficie interior se introduce directamente el gas atmosférico en la cámara de núcleo del horno 10 formado por las paredes de partición 9 hechas de un material resistente al calor distinto del material basado en carbono Por un dispositivo provisto de un horno de cocción.
Campo técnico
La presente invención se refiere a un método para producir un cuerpo sinterizado de nitruro de silicio (Si _ {3} N _ {4}), y a un aparato para fabricar el mismo.
Antecedentes de la técnica
En la producción de nitruro de silicio sinterizado, Y2 O3 en polvo de nitruro de silicio de la materia prima, Al2O3, añade a y se mezcla con adyuvantes de sinterización, tales como MgO, después de formar el polvo mixto, el cuerpo moldeado que incluye gas N2 o gas N2 Se sinteriza a una alta temperatura de aproximadamente 1800ºC en una atmósfera de gas inerte. Además, puesto que la sinterización se realiza a una temperatura elevada como se describe anteriormente, disparando horno utilizado para la sinterización como un horno de sinterización se ilustra en la Fig. 2, el calor de material 4 aislante tal como un material del horno, la fuente de calor, tal como el calentador 5, y la moldura La plantilla 2 o similar para sujetar el cuerpo generalmente está compuesta de un material basado en carbono.
Recientemente, para obtener un denso y la fuerza y ​​las características como excelente nitruro de silicio sinterizado, se han hecho varios estudios sobre las condiciones de polvo y sinterización de materiales y similares. Con respecto a la cocción atmósfera en el mismo, por ejemplo, en la Publicación de Patente Japonesa 58 cuarenta-nueve mil de cinco centenar de y nueve JP, con el fin de suprimir la descomposición térmica del nitruro de silicio a alta temperatura, sinterización a una presión de nitrógeno de 1,5 50 kg / cm @ 2 presuriza atmósfera de gas N2 El método ha sido revelado.
También, el Kokoku 3 1270 JP, para mejorar las propiedades superficiales de la evaporación y evita que el cuerpo de nitruro de sinterizado de SiO2 contenido en la superficie del polvo de nitruro de silicio como materia prima, y ​​el gas CO2 o gas CO2 a la atmósfera de gas N2 gas CO se mezcla, al aumentar el oxígeno se genera presión parcial de O2 por reacción de separación del gas de CO2, se describe un método de supresión de la evaporación y la nitruración el SiO2 contenido en el polvo de nitruro de silicio.
Tarea de solución
El nitruro de silicio cuerpo sinterizado producido por el método convencional descrito anteriormente, incluso la superficie del cuerpo sinterizado no es una pequeña alteración en contacto con la atmósfera de sinterización en cada caso, dicen que degradan el problema propiedades mecánicas Había.
Por lo tanto Convencionalmente, la capa deteriorado se eliminó por trituración o la, nitruro de silicio sinterizado como no es fácil de eliminar la capa alterado para una menor capacidad de trabajo. Además, puesto que el espesor de la estado afectado, capas alteradas, y en diferentes lotes por sinterizado deben aumentar la tolerancia de mecanizado mayor es la variación en el espesor de capa tan gruesa alterado también capa afectada aumenta el coste y la producción Causó un severo deterioro del sexo.
En vista de las circunstancias convencionales, tales un método para producir una capa de nitruro de silicio sinterizado alterado excelente en propiedades mecánicas y poco superficie densa de forma estable, y proporciona un aparato de fabricación simple que se utilizará para la Está dirigido a hacer.
Solución
Para lograr el objeto anterior, en el método de fabricación de nitruro de silicio cuerpo sinterizado de la presente invención, mediante la formación de un polvo mixto de polvo de nitruro de silicio y la sinterización ayuda, el gas inerte compacto que contiene gas N2 o gas N2 , La concentración de CO en la atmósfera en contacto con el cuerpo moldeado durante la sinterización es de 30 ppm o menos.
El aparato para producir un cuerpo sinterizado de nitruro de silicio que tiene un horno de sinterización de la presente invención comprende una cámara de núcleo del horno, que se compone de material del horno y la fuente de calor de la cocción horno de la pared de separación dispuesta en el interior, gas directamente N2 en la cámara de núcleo del horno o N2 y una tubería de introducción de gas atmosférico para introducir un gas inerte que contiene un gas, al menos una superficie del lado de la cámara de núcleo del horno de la pared de separación está hecha de un material resistente al calor distinto del material basado en carbono, colocando directamente el cuerpo en forma de en la cámara de núcleo del horno O una plantilla hecha de un material resistente al calor que no sea un material a base de carbono.
Los presentes inventores [] encontró que el resultado convencional la superficie del cuerpo sinterizado de nitruro de silicio obtenido por el proceso se repite la investigación sobre la causa del deterioro, el análisis de los componentes de la atmósfera de cocción durante la sinterización, precipita en el horno Análisis, tasa de reducción de peso de cuerpos sinterizados, etc., descubrimos que el CO contenido en la atmósfera de gas de combustión está muy involucrado en la formación de la capa alterada en la superficie.
Es decir, puesto que el horno de cocción convencional utilizando un material de grafito o carbono, tales como fibra de carbono como un calentador normal o material de horno, oxígeno y estos materiales a base de carbono de agua o en el aire que queda en el horno por succión o similar Reaccionan entre sí a alta temperatura para producir CO. Además, este CO es una función de reducción de un SiO2 que actúa como figura sinterización ayuda ayudas de sinterización y polvo de nitruro de silicio es un óxido tal como Y2O3 o Al2O3, es gasificado. Como resultado, la cantidad y composición de la ayuda de sinterización y SiO2 son variados en la superficie del cuerpo moldeado en contacto con el gas ambiente, es la capa alterada en la superficie del cuerpo sinterizado obtenido se forma.
Por ejemplo, en el caso de SiO2 en el polvo de Si3N4, se vaporiza un SiO reacciona con CO en la atmósfera que la reacción mostrada por la siguiente fórmula química 1, que de nuevo CO se reduce por un material a base de carbono en el horno por reacción de 2 Generar:
El CO2 producido en la fórmula química 1 anterior también se reduce con el material basado en carbono como se muestra en la siguiente fórmula química 3 para generar CO de nuevo. Además, incluso cuando el cuerpo moldeado se sinteriza en contacto con la plantilla del material a base de carbono, la siguiente fórmula 4 SiO2 para generar SiO y CO se reducen directamente por el carbono:
Cuando se produce una ayuda tal vez la sinterización y la volatilización SiO2, ya que la cantidad de CO en la cadena a la atmósfera se incrementa gradualmente, la reacción de CO y sinterización de ayuda o similar se hace avanzar al interior del cuerpo moldeado Es facil Además, la cantidad de humedad y el aire residual en el horno de cocción, la velocidad de flujo del gas atmosférico, la cantidad y similares del artículo moldeado, ya que se cambia la concentración de CO producido durante el horno de cocción, el espesor y la condición de la capa de alteración de la superficie de cocción para cada lote Como resultado, las propiedades mecánicas fluctúan.
Los presentes inventores [] encontraron que para romper la cadena de reacción se muestra en la fórmula química 1 a la fórmula 4, considerar la reducción de la concentración de CO en la atmósfera en contacto con el cuerpo moldeado durante la sinterización, se utiliza como la atmósfera de sinterización por la concentración de CO en el gas inerte que contiene gas N2 o gas N2 a 30 ppm o menos, es posible eliminar la volatilización de SiO2 y la ayuda de sinterización del cuerpo moldeado, la capa afectada en la superficie del cuerpo sinterizado obtenido La generación está muy suprimida, lo que conduce a la presente invención.
Dicho sea de paso, la concentración de CO en la atmósfera de gas de sinterización excede 30 ppm, el deterioro de la superficie del cuerpo sinterizado es progresado rápidamente, el espesor de los aumentos de capa afectadas. Según la concentración de CO se incrementa aún más, se convierte en la volatilización severa del auxiliar de sinterización o el SiO2 desde el interior como superficie bien, de sinterización para cambios de fase de líquido formadas por estos se baja, totalmente denso No se puede obtener un cuerpo sinterizado.
Además, de acuerdo con la presente invención, ya que no hay evaporación de SiO2 de la ayuda de sinterización y polvo de Si3N4, es posible para sinterizar a una temperatura baja en comparación con el método convencional. Es decir, convencionalmente, la temperatura de sinterización tan alto como 1700 1900 ° C para compensar la disminución de la capacidad de sinterización eran comunes, la temperatura de sinterización del presente proceso es adecuadamente 1300 1800 ° C, incluso 1,400 1,750 ℃ preferiblemente, puede ajustarse la temperatura de sinterización de acuerdo con el tipo y cantidad de la sinterización ayuda de manera que la densidad relativa del cuerpo sinterizado en este rango de temperatura es de 96% o más. Cuando la temperatura de sinterización es inferior a 1300ºC, el auxiliar de sinterización no forma fase líquida y no se produce la sinterización.
Además, puesto que la presente invención un método de realizar la sinterización a 1800 ° C por debajo de la temperatura a la que la descomposición térmica comienza nitruro de silicio, la presión de la atmósfera de cocción que contiene gas N2 o gas N2 puede a presión atmosférica, o 1,0 1,1 atm Por ejemplo. Por lo tanto, en comparación con el uso de que ha sido hasta ahora no se requiere común a presión atmósfera de gas N2, equipos y operaciones para presurizar la atmósfera, es muy ventajoso en términos de coste y productividad.
El nitruro de silicio cuerpo sinterizado obtenido mediante el método anterior, por sinterización secundaria a una temperatura de 1300 1800 ° C. En todavía atmósfera de gas N2 encima de la presión atmosférica 10, para mejorar las propiedades mecánicas lograr una mayor densificación Tu puedes No en esta sinterización secundaria, la temperatura se se obtiene el efecto de densificación en el caso de menos de 10 atm 1.300 ° C. menor o atmósfera de gas N2, granos de cristal de temperatura de crecimiento desigual al mismo tiempo que la densificación sobrepasa 1800 ° C. Y la microestructura cambia, lo cual no es preferible. A propósito, la concentración de CO en la atmósfera en la sinterización secundaria no necesita controlarse particularmente.
A continuación, se describirá un aparato para producir un cuerpo sinterizado de nitruro de silicio de la presente invención. material convencional horno calcinador 4 tal material aislante del calor tal como se muestra en la Fig. 2, un calentador 5, y la plantilla 2 y similares se utiliza para mantener el cuerpo moldeado 1 según sea necesario se compone de todo el material a base de carbono pero cuando la configuración de ellos en el horno de cocción de toda la presente invención o que constituye un material resistente al calor distinto del material basado en carbono, o un material a base de carbono, por reacción con agua o aire y un material a base de carbono restante Al evitar que el CO generado entrara en contacto con el cuerpo moldeado, se hizo posible suprimir la concentración de CO en la atmósfera en contacto con el compacto a 30 ppm o menos.
Por ejemplo, como se muestra en la Figura 1, la pared de separación 9 entre la fuente de calentamiento del material del horno y el calentador como 5, tal como un material aislante del calor 4 previsto en el lado interior de la pared exterior 3 del cuerpo moldeado 1 de aislamiento y el horno de cocción para ser sinterizado instalado, que constituye la superficie interior de la cámara de núcleo interior del horno 10 en la pared de separación 9 en su totalidad o septum 9 con un material resistente al calor distinto del material basado en carbono. Como material resistente al calor que no sea el material basado en carbono, son preferibles el carburo de silicio, el nitruro de silicio, el nitruro de boro y similares. Cuando la plantilla 2 se usa para sujetar el cuerpo moldeado 1, la plantilla 2 también está hecha de un material resistente al calor que no sea el material basado en carbono.
Además, el horno de cocción de la Fig. 1, se introduce directamente gas inerte que contiene gas N2 o gas N2 de la tubería de introducción de gas atmosférico 6 en la cámara de núcleo del horno 10. gas atmosférico es para ser descargado desde el tubo de escape de gas atmosférico 7 a través del hueco de la pared divisoria 9, mediante el establecimiento de la presión Roshinshitsu 10 a más alta que la presión en el horno, el material a base de carbono y aire o similar fuera del Roshinshitsu 10 Para evitar que el gas de CO generado en la reacción entre en la cámara 10 del núcleo del horno. concentración de CO en la atmósfera en contacto con el cuerpo moldeado 1 en Roshinshitsu 10 está constantemente muestreo del gas atmosférico del orificio de medición de gas de la atmósfera 8 es continuamente mediciones analíticas.
Además, en caso de que no forma la cámara de núcleo del horno 10 por una pared de separación 9, un material de horno como el aislamiento, la fuente de calentamiento tal como calentador, mediante la formación de un material resistente al calor distinto de cualquier plantilla tales como materiales a base de carbono, CO Y es posible reducir la concentración de CO en la atmósfera en contacto con el compacto a 30 ppm o menos. Por ejemplo, el aislamiento y alto contenido de alúmina, pero usando un calentador tal como SiC o tungsteno, en este caso de la durabilidad del calentador o la vida de los problemas en la atmósfera de cocción se emplea la siguiente temperatura de sinterización 1500 ° C. .
Ejemplo 1
La partícula media (96% proporción de alfa cristalización) Si3 N4 polvo de diámetro 0,4 um a 91% en peso, diámetro medio de partícula Y2O3 polvo 4,5% en peso de 0.8μm como auxiliar de sinterización, un tamaño medio de partícula de 0,4 um Al2 O3 polvo de 2,5% en peso, diámetro medio de partícula en polvo 0,5 [mu] m AlN 1,0% en peso y 1,0% en peso de polvo de MgO que tiene un diámetro medio de partícula de 0,5 m [mu] se añadió en, de 100 horas en etanol por molino de bolas de nylon Se mezcló en húmedo y se secó para obtener un polvo mixto. El polvo mixto obtenido se sometió a moldeo CIP a 3000 kg / cm2 para producir un producto moldeado que tiene una longitud de 65 mm y un espesor de 6,2 mm.
El uso de dos tipos de horno de sinterización que muestra el cuerpo moldeado en la Fig. 1 o 2, y el uso de un material de plantilla se muestra en la Tabla 1, el gas de N2 en la concentración inicial de CO que muestra el tubo de introducción de gas atmosférico en la siguiente Tabla 1 Mientras se introducía, la sinterización se llevó a cabo a 1450ºC durante 4 horas a una presión atmosférica de 1,0 atm y posteriormente durante 2 horas a 1580ºC. Dicho sea de paso, utilice uno del calentador de grafito hornos de cocción y un material aislante del calor a base de carbono, se usó SiC es la pared de separación 9 del horno de cocción de la figura 1. La cámara de núcleo del horno de gas de la atmósfera durante la cocción continuamente mide la concentración de CO fue tomada desde el orificio de medición de gas atmosférico 8, y los resultados se muestran conjuntamente en la Tabla 1.
ID = 000003 HE = 055 WI = 077 LX = 1115 LY = 0600
(Nota) El ejemplo marcado con * en la tabla es un ejemplo comparativo (el mismo a continuación).
La densidad de la resultante pérdida de peso corporal cada sinterizado después de la sinterización, y para medir la resistencia a la flexión de tres puntos a temperatura ambiente y los resultados se muestran en la Tabla 2. La densidad relativa es un valor obtenido dividiendo la densidad aparente densidad teórica obtenida por la fuerza método de Arquímedes, de tres puntos de flexión según la norma JIS R1601, y cuando la tensión superficial es una superficie sinterizada en estado sinterizado superficie (# 800) a una profundidad de 0.1 mm, 0.3 mm, 0.5 mm y 1.0 mm desde la superficie de molienda de la superficie de molienda.
Fuerza de flexión de tres puntos del cuerpo sinterizado del cuerpo sinterizado (kg / mm2)
Velocidad de reducción de densidad relativa Superficie de molienda sin rectificar (tolerancia de eliminación de proceso de molienda)
Muestra (%) (%) Superficie sinterizada 0.1 mm 0.3 mm 0.5 mm 1.0 mm
a 98,2 0,15 85,4 105,2 108,0 104,2 105,0
b 98,2 0,15 85,5 103,6 103,0 106,7 105,1
c 97.8 0.18 79.3 101.3 102.5 99.8 101.0
d 97.9 0.20 79.8 101.2 99.5 100.4 102.9
e 97.4 0.25 78.7 97.9 100.0 98.5 100.3
f * 97.0 0.89 75.4 83.2 98.3 98.0 97.6
g * 94.5 2.37 49.8 53.0 62.4 75.5 83.9
h * 96.5 1.45 67.5 65.4 75.7 95.8 96.3
i * 95.5 2.00 53.2 56.8 67.8 89.8 95.4
Como es evidente a partir de la Tabla 2, casi como una muestra de un correo en, 0.1mm efectivo fuerza interna cuerpo sinterizado mediante la molienda que se necesita de la presente invención para controlar la concentración de CO en la atmósfera a 30 ppm o menos durante la sinterización Se puede ver que la alteración de la superficie es extremadamente leve. En contraste, la capa de la muestra alterado f i en la superficie de la concentración de ejemplo CO comparativo excede 30ppm es gruesa, y en particular a la disminución de la resistencia interna debido a una muestra grande g y i la alteración de la pérdida de peso del cuerpo sinterizado, pero La densificación también es inadecuada y se observa una disminución de la capacidad de sinterización. En particular, si se compara la muestra A y muestra típica i usando un horno de cocción convencional que los ejemplos de la presente invención, alteración efecto de prevención de la acción de reducción y la superficie del cuerpo sinterizado de la concentración de CO de acuerdo con la invención es evidente.
Ejemplo 2
El cuerpo sinterizado de la muestra A e obtenido en el Ejemplo 1, somete además a sinterización secundaria durante 2 horas a 1650 ° C en una atmósfera de gas N2 a 100 atm, respectivamente, para obtener un cuerpo sinterizado de la muestra A 'e' . Cada cuerpo sinterizado se sometió a la misma medición que en el Ejemplo 1, y la densidad relativa obtenida y la resistencia a la flexión de tres puntos se muestran en la Tabla 3. A partir de los resultados de la Tabla 3, se puede mejorar aún más la resistencia del cuerpo sinterizado por sinterización secundaria, y la alteración de la superficie por sinterización secundaria no cambia la interna extremadamente baja, tomada por molienda intensidad 0.1mm algebraica Puede ser obtenido
Resistencia a la flexión en tres puntos (kg / mm2) del cuerpo sinterizado
Densidad relativa Superficie de rectificado sin pavimentar (capacidad de eliminación del proceso de molienda)
Muestra (%) Superficie sinterizada 0.1 mm 0.3 mm 0.5 mm 1.0 mm
a '100 87.0 155.1 152.3 153.0 154.5
b '100 85.5 154.0 153.4 151.6 153.8
c '99 .9 80.0 154.2 151.5 152.2 152.5
d '99 .9 79.3 152.8 152.0 153.9 153.0
e '99 .9 79.4 153.5 151.7 151.0 152.6
Ejemplo 3
Dar a los cuerpos moldeados producidos de la misma manera que en el Ejemplo 1, se sometió a repetidos 5 veces sinterizadas bajo las mismas condiciones que la muestra A y i de la Tabla 1, un montón de cinco muestras diferentes a 1 a 5 y i 1 i 5 respectivamente Lo fue Con la concentración de CO en la atmósfera se midió durante la sinterización para cada lote, el resultado obtenido mediante la realización de la misma medición que en el Ejemplo 1 para cada uno de los cuerpos sinterizados obtenidos se muestran en la Tabla 4.
Fuerza de flexión de tres puntos del cuerpo sinterizado de CO sinterizado durante la sinterización (kg / mm2)
Concentración (ppm) Tasa de reducción de la densidad relativa Superficie de molienda (capacidad de eliminación del proceso de molienda)
Valor máximo de la muestra (%) (%) 0.1 mm 0.5 mm 1.0 mm
a 1 2 98.2 0.15 104.3 106.7 105.2
a 2 2 98.3 0.14 105.0 104.9 103.0
a 3 4 98.2 0.15 103.8 106.0 104.2
a 4 3 98.1 0.16 105.6 103.3 108.9
a 5 2 98.2 0.15 107.0 106.5 109.4
i 1 * 165 95,9 1,78 60,2 90,5 94,3
i 2 * 200 95.1 2.05 54.3 66.6 93.8
i 3 * 79 97.1 0.87 82.7 97.0 96.4
i 4 * 100 96.6 1.30 65.4 96.0 97.1
i 5 * 138 96,0 1,59 63,5 94,9 95,1
De la Tabla 4, en el método convencional utilizando el horno de cocción se muestra en la Fig. 2, la concentración de CO en la atmósfera para cada sinterizado varía, grandes corresponde al espesor de la capa de alteración de la superficie del cuerpo sinterizado obtenido con ella contrastar las variaciones que se producen menos variación en la concentración de CO en el proceso de la presente invención, por lo tanto, puede verse que el cuerpo sinterizado de la variación de la calidad es puede obtenerse extremadamente pequeño estable entre lotes.
Efecto de la invención
Según la presente invención, mediante la reducción de la concentración de CO en la atmósfera en contacto con el cuerpo moldeado durante la sinterización a 30 ppm o menos, una superficie afectada capa causa disminución de la resistencia mecánica es propiedades mecánicas extremadamente pequeñas y densas Es posible obtener establemente un cuerpo sinterizado de nitruro de silicio excelente en el cuerpo sinterizado.
Puesto que la capa resultante superficie cuerpo sinterizado afectada es extremadamente pequeña, la carga requerida para la molienda de eliminar esta se reduce considerablemente, y puesto que es posible sinterizar a baja temperatura y baja presión en comparación con el convencional, el costo Y se puede obtener un gran efecto en la mejora de la productividad.
Breve descripción de los dibujos
Es una vista en sección esquemática que muestra un ejemplo de un aparato para producir nitruro de silicio sinterizado según la figura 1 la presente invención.
La figura 2 es una vista en sección esquemática que muestra un aparato convencional para fabricar un cuerpo sinterizado de nitruro de silicio.
1 cuerpo moldeado
2 Jig
3 Pared exterior
4 Aislamiento térmico
5 Calentador de calefacción
6 tubería de introducción de gas ambiente
7 Tubo de descarga de gas atmosférico
8 orificio de medición de gas atmosférico
9 mamparo
Cámara del núcleo 10 horno
Reclamo
Moldear el polvo mezclado de la reivindicación 1 de silicio polvo de nitruro y sinterización de ayuda, el método de fabricación de un compacto de nitruro de silicio cuerpo sinterizado se sinteriza en una atmósfera de gas inerte que contiene gas N2 o gas N2, al horno Caracterizado porque la concentración de CO en la atmósfera en contacto con el cuerpo moldeado se establece en 30 ppm o menos durante la sinterización.
La presión de la reivindicación 2 dicha atmósfera en el intervalo de presión atmosférica o 1,0 1,1 atm, caracterizado por sinterización a una temperatura de 1300 1800 ° C, El método según la reivindicación cuerpo sinterizado de nitruro de silicio 1 de acuerdo .
Reivindicación 3 obtenido por el método de la reivindicación 1 o 2 cuerpo sinterizado de 1300 1800 ° C. nitruro de silicio sinterizado, caracterizado porque la sinterización secundaria a una temperatura en una atmósfera de gas N2 por encima de 10 atmósferas Método de producción
costillas de barrera artículo moldeado que comprende polvo mezclado de polvo de la reivindicación 4 de nitruro de silicio y sinterización de ayuda en el aparato de fabricación de nitruro de silicio cuerpo sinterizado que tiene un horno de sinterización para la sinterización, en el lado interior del material del horno y la fuente de calor del horno de cocción una cámara de núcleo del horno que se forma proporcionando un una tubería de introducción de gas atmosférico para la introducción de un gas inerte que contiene un gas N2 directo o gas N2 en la cámara de núcleo del horno, al menos una superficie del lado de la cámara de núcleo del horno es un material a base de carbono de la pared de separación Se compone de un material resistente al calor que no sea la cámara de núcleo del horno para colocar el cuerpo en forma directa o nitruro de silicio, caracterizado porque para organizar para mantener una plantilla hecha de un material resistente al calor distinto del material basado en carbono Equipo para la fabricación de lazos.
Dibujo :
Application number :1994-001664
Inventors :住友電気工業株式会社
Original Assignee :筑木保志、山形伸一、山川晃