JP7664952B2 - 高温用途のための断熱材 - Google Patents

Description

本発明は、特に、単結晶を製造するための装置、特に結晶成長のためのシステムにおける使用のための、高温用途のための断熱材及び高温用途のための断熱材の製造に関する。さらに、本発明は、単結晶を製造するための装置、特に結晶成長のためのシステムに関し、特に単結晶を製造するための装置のための、特に結晶成長のためのシステムのための、高温用途のための断熱材において適している材料又は原材料の使用に関する。

上に記載されている種類の断熱材は先行技術から周知であり、典型的には、単結晶を製造するための装置において、特に結晶成長のためのシステムにおいて使用される。一般に、そのような断熱材は、グラファイトからなるフェルトによって実現され、そのような断熱材が使用されている結晶成長のためのシステムにおける、過酷な卓越する条件、特に高温の影響のために、断熱材は、典型的には、動作寿命又は耐用年数が比較的、短い。よって、先行技術から既知である断熱材又はフェルトは、典型的には、断熱材が使用されている結晶成長のためのシステムのそれぞれの操作の後、又は結晶製造のそれぞれのプロセスの後に交換されなければならず、それは特に、結晶成長のためのシステムの運用コストの増加につながる。

グラファイトからなるフェルトが、単結晶を製造するための装置又は結晶成長のためのシステムにおいて断熱材として使用されるとき、以下の事実により問題はさらに複雑になる。すなわち、単結晶を製造するための誘導加熱装置の場合、又は結晶成長のためのシステムの場合、加熱のために設けられている、結晶成長のためのそのような装置又はシステムのコイルによって生成される電磁場は、典型的にはグラファイトからなる、結晶成長のためのそのような装置又はシステムのるつぼに結合するだけでなく、典型的にはコイルとるつぼとの間に配置されるフェルトに結合し、それは結晶成長のための装置又はシステムのための追加の運用コストにつながるという事実である。

さらに、グラファイト又は炭素からなる断熱材のために、結晶製造の、稼働中のプロセスに炭素が制御不能に混入される恐れがあり、それは、プロセスにおいて製造されるべき結晶、例えば、シリコン又はシリコンカーバイドからなる結晶に汚染をもたらす可能性がある。

さらに、先行技術から既知である断熱材についての欠点は、典型的には最大で１週間を要する可能性がある結晶製造のプロセスの間、断熱材が断熱効果を維持しないことである。それどころか、断熱材は、断熱効果に関して着実に減少し、よって、断熱材が使用される、結晶成長のためのシステムの運用コストをさらに増加させる。

したがって、本発明の目的は、単結晶を製造するための装置、特に結晶成長のための、断熱材を持つシステムにおける、高温用途のための断熱材、高温用途のための断熱材において適している材料又は原材料の使用、及び高温用途のための断熱材を製造するための方法を提案することであり、それは先行技術から既知である欠点を克服する。

この目的は、請求項１の特徴を有する断熱材、請求項１１の特徴を有する装置、請求項１３の特徴を有する使用、及び請求項１４の特徴を有する方法によって達成される。

特に、単結晶を製造するための装置における、特に、結晶成長のためのシステムにおける使用のための、本発明による高温用途のための断熱材は、少なくとも部分的に、好ましくは完全に、炭化タンタルからなる。

したがって、本発明は、以下の考えに基づく。すなわち、断熱材は、少なくとも部分的に、好ましくは完全に、グラファイトと比較して実質的にはより耐熱性が高く、したがって、断熱材が使用される結晶成長のためのシステムにおける、過酷な卓越する条件によって受ける影響、特に高温の影響が著しく少ない炭化タンタルからなるという考えである。その結果、本発明による断熱材の耐用年数又は動作寿命は著しく向上され得るので、本発明による断熱材は、結晶製造プロセスの複数回にわたって使用され得る。この場合、単結晶製造が１回終わるごとに断熱材を交換する必要は、もはやない。加えて、本発明による断熱材は、典型的には最大で１週間を要する可能性がある結晶製造のプロセスの間、断熱効果を維持し、さらにいえば、断熱材の断熱効果は、当該プロセスの間、又は一連のプロセス群の間、変化しない。よって、プロセスの間、温度分布は変化せず、それによって、プロセスは、より簡単に制御され得て、不良品の発生が少なくなる。結果として、本発明による断熱材を有する、単結晶を製造するための装置、特に結晶成長のシステムは、より費用対効果が良好に運用され得る。加えて、本発明による断熱材自体は、断熱効果に関して非常に改善されるので、本発明による断熱材を有する結晶成長のためのシステムは、より省エネルギーになるように運用され得る。

さらに、断熱材が完全に炭化タンタルからなる場合、２つの、より重要な利点がある。一方では、結晶成長のためのシステムの運用コストはさらに減少し得る。それは、誘導加熱のために設けられている、結晶成長のためのシステムのコイルによって生成されている電磁場が、当該電磁場が、結晶成長のためのシステムのグラファイトのるつぼに結合するところの電磁場の周波数／周波数群において、本発明による断熱材とは実質的に結合しないからである。他方では、断熱材が完全に炭化タンタルからなる、本発明による断熱材を使用することによって、炭素が、結晶製造の、稼働中のプロセスに制御不能に混入されることが防止され得て、それによって、例えばシリコン又はシリコンカーバイドからなる結晶が、高い純度で製造され得る。

本発明のある実施形態において、断熱材は、炭素からなる繊維を有する繊維部材から得られてもよく、当該炭素は、化学気相反応によって、少なくとも部分的に、好ましくは完全に炭化タンタルに転化される。よって、断熱材は、その製造に追加のステップを必要としないので、特に、簡単で費用対効果の高い方法で製造され得る。

本発明の代替の実施形態において、断熱材は、炭素からなる繊維を有する繊維部材から得られてもよく、この場合、繊維部材は熱分解炭素を浸透させ得て、この場合、熱分解炭素は、少なくとも部分的に、好ましくは完全に、化学気相反応によって、浸透の後に炭化タンタルに転化され得る。繊維は、化学気相反応において残り得て、当該化学気相反応においては、熱分解炭素のみが炭化タンタルに転化され得て、その後、前記炭化タンタルは、残った炭素繊維を有利に保護することができる。よって、断熱材は、特に安定するように形成され得る。

有利には、浸透は、化学蒸気浸透（chemical vapor infiltration、ＣＶＩ）によって行われ得る。この場合、熱分解炭素は、繊維部材に浸透し、繊維の間の空間を、少なくとも部分的に、好ましくは完全に満たし、繊維を完全に囲み得る。同時に、繊維部材は、化学気相成長（chemical vapor deposition、ＣＶＤ）によって、熱分解炭素のみで表面が覆われることが意図され得て、それによって、熱分解炭素によって形成される表面皮膜を形成することができる。さらに、前記表面皮膜は、化学気相反応によって、部分的に、又は完全に、炭化タンタルに転化されることが意図され得る。

加えて、炭素は、化学気相反応によって、少なくとも部分的に、好ましくは完全に、炭化タンタルに転化されることが意図され得る。換言すれば、炭素は、熱分解炭素とともに、部分的に、又は完全に、炭化タンタルに転化され得るので、断熱材は、部分的に、又は完全に炭化タンタルからなってもよい。

代替として、炭素は、化学気相反応によって炭化タンタルに転化されないよう意図されてもよい。この場合、炭素からなる繊維は、化学気相反応において残る。

その結果、炭素は、化学気相反応の実行の後、温度処理によって燃え尽くされ得る。この場合、断熱材は、空洞又は中空繊維を有し得て、その結果、断熱材の断熱効果はさらに改善され得る。この場合、断熱材は、結晶製造のプロセスに、制御不能に混入される炭素もグラファイトも含まない。加えて、断熱材は炭素もグラファイトも含まないので、電磁場が完全に炭化タンタルからなる断熱材と結合する限り、電磁場の異なる周波数又は異なる周波数群において、電磁場における断熱材の挙動は変化する。もし断熱材が、それから、グラファイトからなる、るつぼを有する結晶成長のためのシステムにおいて使用されるなら、その場合断熱材は、るつぼと、電磁場を生成するコイルとの間に配置され得て、周波数は、電磁場がるつぼと結合するように選択され得て、それによって、るつぼにおいて渦電流が形成され、るつぼを加熱することができる。しかしながら、電磁場は、当該周波数において断熱材と実質的に結合しないので、断熱材における渦電流の形成又は断熱材の加熱が強く抑制されて、結晶成長のためのシステムは、より省エネルギーになるように運用され得る。

有利には、化学気相反応のための反応ガスとしては、ハロゲン化タンタルが使用され得る。反応ガスとしては、例えば、塩化タンタル、ヨウ化タンタル、臭化タンタル、又はフッ化タンタルが使用され得る。この場合、繊維部材は、反応ガスが供給され得る処理チャンバ内に配置され得る。正確なプロセスパラメータ、特に、処理チャンバにおける温度、又は処理チャンバ内の圧力、及び／又は反応ガスが処理チャンバ内に供給され得る速度を設定することによって、化学気相反応又は反応プロセスは制御され得て、熱分解炭素及び／又は炭素は、選択に従って、部分的に、又は完全に、炭化タンタルに転化され得る。

本発明の実施形態において、繊維部材は、織物、非捲縮布、不織布、及び／又はフェルトからなってもよい。繊維は、よって、織物、非捲縮布、不織布、及び／又はフェルトの形で存在し得る。

有利には、断熱材又は繊維部材は、確定された幾何学形状を有し得る。この場合、繊維部材は、熱分解炭素による可能な浸透の前又は後に、又は化学気相反応の前に処理され得る。化学気相反応の後に、所望の幾何学形状を有するように断熱材を形成することも考えられる。例えば、繊維部材又は断熱材は、円筒形状を有してもよい。

単結晶を製造するための、本発明による装置、特に、結晶成長のためのシステムは、本発明による断熱材を備える。本発明による装置の有利な効果についての、さらなる詳細のために、本発明による絶縁体の利点の説明を参照されたい。装置の、さらに有利な実施形態は、請求項１を参照する従属項の特徴の記載から明らかである。

本装置は、粉末のかたちのシリコンカーバイドを昇華することによって、又はシリコンからなる、るつぼから引き上げることによって、単結晶の製造のために実現され得る。例えばシリコンカーバイドからなる単結晶は、物理気相輸送による昇華によって製造され得る。この方法を用いて、種結晶の直径から始まり、25 mm（3H-SiC）、50 mm（4H-SiC）、75 mm（6H-SiC）まで、100 mmmまで、200 mmまで、300 mmまで、又はそれ以上の直径を有する単結晶が製造され得る。代替として、単結晶は、チョクラルスキー法又はゾーンメルティングプロセスを用いて、溶融シリコンをるつぼから引き上げることによって製造され得る。

本発明によれば、炭化タンタルは、高温用途のための断熱材、特に単結晶を製造するための装置、特に結晶成長のためのシステムにおいて使用される。換言すれば、炭化タンタルは、高温用途のための断熱材において適している材料又は原材料として提案される。一般に、炭化タンタルからなる多孔質体は、他の適している目的、例えばフィルター体又は類似のものとして使用されてもよい。よって、炭化タンタルからなる多孔物質を使用することは、高温用途のための断熱材に必ずしも限定されない。本発明による使用の有利な効果に対する、さらなる詳細のために、本発明による絶縁体の利点の説明を参照されたい。使用の、さらに有利な実施形態は、請求項１を参照する従属項の特徴の記載から明らかである。

特に単結晶の製造のための装置における使用のための、特に結晶成長のためのシステムのための、高温用途のための断熱材を製造するための本発明による方法において、断熱材は、少なくとも部分的に、好ましくは完全に炭化タンタルからなる。本発明による方法の有利な効果に対する、さらなる詳細のために、本発明による絶縁体の利点の説明を参照されたい。方法の、さらに有利な実施形態は、請求項１を参照する従属項の特徴の記載から明らかである。

以下に、添付の図面を参照して、本発明の好ましい実施形態が、より詳細に説明される。
本発明による結晶成長のためのシステムを示す。

図は、本発明による断熱材１１、グラファイトからなる、るつぼ１２を備える、結晶成長のための本発明によるシステム１０を示し、それは、シリコンカーバイドからなる粉末１３、及びるつぼ１２を誘導加熱するためのコイル１４を含む。断熱材１１は、コイル１４及びるつぼ１２の間に配置される。さらに、結晶成長のためのシステム１０は、るつぼの蓋１５を備え、その下面１７上に種結晶１８が配置される。種結晶１８は、その上で結晶１６が形成し得る結晶核として機能する。この目的のために、粉末のかたちのシリコンカーバイドは、るつぼ１２において、１５００℃－３０００℃、好ましくは２２００℃－２５００℃に加熱されて、昇華し、つまり気体になる。気体のシリコンカーバイドは、種結晶１８上又は結晶１６上で結晶化する。結晶１６は、粉末１３がなくなるまで成長する。

Claims (11)

1. 単結晶を製造するための装置における使用のための、高温用途のための断熱材（１１）であって、
   内部に空間を有する繊維部材と、
   前記繊維部材の前記空間を満たす炭化タンタルと、
   を備える断熱材。
2. 前記空間には、熱分解炭素が含まれていない、
   請求項１に記載の断熱材。
3. 前記繊維部材は、織物、非捲縮布、不織布、及び／又はフェルトからなることを特徴とする、
   請求項１又は２に記載の断熱材。
4. 前記断熱材（１１）又は前記繊維部材は、確定された幾何学形状を有することを特徴とする、
   請求項１－３のいずれか１項に記載の断熱材。
5. 単結晶を製造するための装置であって、前記装置は、請求項１－４のいずれか１項に記載の断熱材（１１）を有する、
   装置。
6. 単結晶を製造するための装置における使用のための、高温用途のための断熱材（１１）における炭化タンタルの使用であって、
   前記断熱材は、内部に空間を有する繊維部材を備え、
   前記繊維部材の前記空間を前記炭化タンタルによって満たす、
   炭化タンタルの使用。
7. 単結晶を製造するための装置における使用のための、高温用途のための断熱材（１１）を製造する方法であって、
   炭素からなる繊維を有する繊維部材に、熱分解炭素を浸透させることと、
   前記浸透させることの後に、化学気相反応によって、前記熱分解炭素を炭化タンタルに転化させることと、
   を含む断熱材（１１）を製造する方法。
8. 化学気相反応によって、前記炭素を炭化タンタルに転化させることをさらに含む、
   請求項７に記載の断熱材（１１）を製造する方法。
9. 前記浸透させることは、化学蒸気浸透（ＣＶＩ）によって行われる、
   請求項７又は８に記載の断熱材（１１）を製造する方法。
10. 前記化学気相反応の後に、前記炭素が燃え尽きるように温度処理することをさらに含む、
    請求項７－９のいずれか１項に記載の断熱材（１１）を製造する方法。
11. 前記化学気相反応において、反応ガスとしてハロゲン化タンタルを使用することをさらに含む、
    請求項７－１０のいずれか１項に記載の断熱材（１１）を製造する方法。