JP2023015602A - 窒化タンタル被覆炭素材料及び化合物半導体成長装置 - Google Patents

Abstract

【課題】炭化タンタル被覆炭素材料と同等程度の耐久性を有しながら、炭化タンタル被覆炭素材料よりも高い熱放射率を有する窒化タンタル被覆炭素材料、及びその窒化タンタル被覆炭素材料を使用した化合物半導体成長装置を提供する。【解決手段】本発明は、炭素基材１３と、炭素基材１３の少なくとも一部を被覆する窒化タンタル被覆膜１１とを含む窒化タンタル被覆炭素材料であり、窒化タンタル被覆膜１１が、ＴａＮｘ（０＜ｘ≦１．６７）で表される窒化タンタルを含む。本発明の化合物半導体成長装置は本発明の窒化タンタル被覆炭素材料を使用したものである。【選択図】図１

Description

本発明は、炭素基材の表面を窒化タンタル被覆膜で被覆した窒化タンタル被覆炭素材料、及びその窒化タンタル被覆炭素材料を使用した化合物半導体成長装置に関する。

ＳｉＣ（炭化ケイ素）、ＧａＮ（窒化ガリウム）などの半導体単結晶は２０００℃以上の環境下で製造することがあり、これらの製造装置内を構成する部材や使用される治具には、炭素基材の表面を炭化ケイ素などで被覆してある炭素複合材料が利用されていた。
特許文献１には、炭素基材の表面を耐ＮＨ_３に優れた炭化ケイ素で被覆した炭化ケイ素被覆炭素材料が記載されている。
特許文献２および特許文献３には、炭素基材を被覆する炭化タンタルの結晶配向性を制御することによって化学的安定性を高めた炭化タンタル被覆炭素材料が記載されている。

特開２００２－４７５７０号公報 特開２００４－８４０５７号公報 特開２０１９－９９４５３号公報

しかしながら、特許文献１に記載されている炭化ケイ素被覆炭素材料は、１３００℃以上の高温下ではＮＨ_３などの腐食性ガスによって腐食されてしまい、使用可能温度が低く、耐久性が乏しいという課題がある。
また、特許文献２及び３に記載されている炭化タンタル被覆炭素材料は、炭化ケイ素被覆炭素材料に比べて、使用可能温度が高く、耐久性に優れているものの、表面の炭化タンタル層の熱放射率が低く、製造装置の高温環境における加熱部材として使用する場合、電力から熱へのエネルギー変換効率が低いという課題がある。
そこで、本発明は、炭化タンタル被覆炭素材料と同等程度の耐久性を有しながら、炭化タンタル被覆炭素材料よりも高い熱放射率を有する窒化タンタル被覆炭素材料及びその窒化タンタル被覆炭素材料を使用した化合物半導体成長装置を提供することを目的とする。

本発明者らは、鋭意検討の結果、炭素基材表面を窒化タンタル膜で被覆することで、１３００℃以上の高温下における腐食性ガスへの優れた耐久性を及び高い熱放射率を炭素基材に付与できることを見出し、本発明を完成させた。本発明の要旨は、以下のとおりである。
［１］炭素基材と、前記炭素基材の少なくとも一部を被覆する窒化タンタル被覆膜とを含む窒化タンタル被覆炭素材料であって、前記窒化タンタル被覆膜が、下記一般式（１）で表される窒化タンタルを含むことを特徴とする窒化タンタル被覆炭素材料。
ＴａＮ_ｘ（０＜ｘ≦１．６７） （１）
［２］前記炭素基材と前記窒化タンタル被覆膜との間に、少なくとも１層の中間層をさらに含み、前記中間層が炭化タンタル被覆膜を含むことを特徴とする上記［１］に記載の窒化タンタル被覆炭素材料。
［３］前記窒化タンタル被覆膜の表面の算術平均粗さＲａが０．５～４０μｍであることを特徴とする上記［１］又は［２］に記載の窒化タンタル被覆炭素材料。
［４］２５℃の測定温度及び２～２２μｍの測定波長の条件下で測定した前記窒化タンタル被覆膜の表面における熱放射率が０．２０超であることを特徴とする上記［１］～［３］のいずれか１つに記載の窒化タンタル被覆炭素材料。
［５］前記炭素基材の熱膨張係数が０．２～９．３×１０^－６／℃であることを特徴とする上記［１］～［４］のいずれか１つに記載の窒化タンタル被覆炭素材料。
［６］前記窒化タンタル被覆膜の膜厚が０．１～１００μｍであることを特徴とする上記［１］～［５］のいずれか１つに記載の窒化タンタル被覆炭素材料。
［７］前記窒化タンタル被覆膜におけるＴａ及びＮを除いた他の成分の濃度が１５００質量ｐｐｍ以下であることを特徴とする上記［１］～［６］のいずれか１つに記載の窒化タンタル被覆炭素材料。
［８］上記［１］～［７］のいずれか１つに記載の窒化タンタル被覆炭素材料を使用することを特徴とする化合物半導体成長装置。

本発明によれば、炭化タンタル被覆炭素材料と同等程度の耐久性を有しながら、炭化タンタル被覆炭素材料よりも高い熱放射率を有する窒化タンタル被覆炭素材料、及びその窒化タンタル被覆炭素材料を使用した化合物半導体成長装置を提供することができる。

図１は、本実施形態に係る窒化タンタル被覆炭素材料を例示する模式断面図である。 図２は、他の本実施形態に係る窒化タンタル被覆炭素材料を例示する模式断面図である。 図３は、本実施形態に係る窒化タンタル被覆炭素材料の製造に使用する外熱型減圧ＣＶＤ装置の一例の概略図である。 図４は、実施例１の窒化タンタル被覆炭素材料の断面のＳＥＭ画像である。 図５は、実施例２の窒化タンタル被覆炭素材料の断面のＳＥＭ画像である。 図６は、誘導加熱による昇温速度測定装置の概略図である。 図７は、誘導加熱による耐食試験装置の概略図である。 図８は、耐食試験時間に対する耐食試験後の炭素材料重量比率のグラフである。

［窒化タンタル被覆炭素材料］
以下、本実施形態に係る窒化タンタル被覆炭素材料を例に挙げて、本発明の窒化タンタル被覆炭素材料を説明する。

図１に示すように、本実施形態に係る窒化タンタル被覆炭素材料は、炭素基材１３と、炭素基材１３の少なくとも一部を被覆する窒化タンタル被覆膜１１とを含む窒化タンタル被覆炭素材料であり、窒化タンタル被覆膜１１が、下記一般式（１）で表される窒化タンタルを含むことを特徴とする。これにより、窒化タンタル被覆炭素材料は、炭化タンタル被覆炭素材料と同等程度の耐久性を有しながら、炭化タンタル被覆炭素材料よりも高い熱放射率を有することができる。
ＴａＮ_ｘ（０＜ｘ≦１．６７） （１）
上記一般式（１）において、ｘの値が０であると、窒化タンタル被覆炭素材料はタンタル被覆炭素材料となり、耐久性が悪く、光沢の発現により熱放射率が低下する。また、上記一般式（１）において、ｘの値が１．６７よりも大きな窒化タンタル被覆膜を作製することは難しい。このような観点から、上記一般式（１）のｘの値は０．１～１．６７であることが好ましく、０．５～１．６７であることがより好ましく、１．０～１．６７であることがさらに好ましい。なお、上記一般式（１）で表される窒化タンタルには、例えば、α－ＴａＮ_{～０．０５}（体心立方）、β－Ｔａ_２Ｎ（六方晶、ε－Ｆｅ_２Ｎ型）、θ－ＴａＮ（六方晶、ＷＣ型）、δ－ＴａＮ（立方晶、ＮａＣｌ型）、ε－ＴａＮ（六方晶、ε－ＴａＮ型）、Ｔａ_３Ｎ_５（正方晶）、Ｔａ_４Ｎ_５（正方晶）、Ｔａ_５Ｎ_６（六方晶）等が挙げられる。なお、これらの中で、α、β、及びδ相が不定比化合物として知られている。
窒化タンタル被覆膜１１の組成は、ＸＲＤ回折パターンから同定することができる。
窒化タンタル被覆膜１１における上記一般式（１）で表される窒化タンタルの含有量は好ましくは９９質量％以上であり、より好ましくは９９．９質量％以上である。また、窒化タンタル被覆膜１１における上記一般式（１）で表される窒化タンタルの含有量の範囲の上限値は１００質量％である。

炭素基材１３は炭素を主成分とする基材である。炭素基材１３の材料には、例えば、等方性黒鉛、押出成形黒鉛、熱分解黒鉛、炭素繊維強化炭素複合材料（Ｃ／Ｃコンポジット）等が挙げられる。炭素基材１３の形状や特性は特に限定されず、用途などに応じて任意形状に加工したものを用いることができる。

窒化タンタル被覆膜１１の表面の算術平均粗さＲａは、好ましくは０．５～４０μｍである。窒化タンタル被覆膜１１の表面の算術平均粗さＲａが０．５～４０μｍであると、窒化タンタル被覆膜１１の熱放射率をさらに高くすることができる。このような観点から、窒化タンタル被覆膜１１の表面の算術平均粗さＲａは、より好ましくは１～３０μｍであり、さらに好ましくは３～１０μｍである。なお、窒化タンタル被覆膜１１の表面の算術平均粗さＲａは、ＪＩＳ Ｂ ０６３３：２００１（ＩＳＯ ４２８８：１９９６）に基づいて測定した値である。

窒化タンタル被覆膜１１の表面の算術平均粗さＲａは、例えば、炭素基材１３の表面粗さを調整することにより調整することができる。例えば、窒化タンタル被覆膜１１の膜厚が４０μｍ程度である場合、炭素基材１３の表面粗さがそのまま窒化タンタル被覆膜１１の表面粗さとなる。また、炭素基材１３に窒化タンタル被覆膜１１を形成した後、研磨剤ややすり等を使用して窒化タンタル被覆膜１１の表面を磨くことにより、窒化タンタル被覆膜１１の表面の算術平均粗さＲａを調整してもよい。

２５℃の測定温度及び２～２２μｍの測定波長の条件下で測定した窒化タンタル被覆膜１１の表面における熱放射率は、好ましくは０．２０超である。窒化タンタル被覆膜１１の表面における熱放射率が０．２０超であると、窒化タンタル被覆炭素材料の熱放射率を炭化タンタル被覆炭素材料の熱放射率よりも高めることができる。熱放射による熱伝達速度向上の観点から、窒化タンタル被覆膜１１の表面における熱放射率は、より好ましくは０．３０以上であり、さらに好ましくは０．５０以上であり、よりさらに好ましくは０．６０以上であり、よりさらに好ましくは０．７０以上である。また、２５℃の測定温度及び２～２２μｍの測定波長の条件下で測定した窒化タンタル被覆膜１１の表面における熱放射率の範囲の上限値は、特に限定されないが、通常、０．９０以下である。なお、表面における熱放射率は、後述の実施例に記載の方法により測定することができる。このような熱放射率の高い窒化タンタル被覆炭素材料は加熱部材に用いる炭素材料として好適に使用できる。

炭素基材１３の熱膨張係数は、好ましくは０．２～９．３×１０^－６／℃である。炭素基材１３の熱膨張係数が０．２～９．３×１０^－６／℃であると、窒化タンタル被覆炭素材料の表面におけるマイクロクラックの発生をさらに抑制することができる。このような観点から、炭素基材１３の熱膨張係数は、より好ましくは３．０～９．３×１０^－６／℃であり、さらに好ましくは５．８～６．５×１０^－６／℃である。

窒化タンタル被覆膜１１の膜厚は、好ましくは０．１～１００μｍである。窒化タンタル被覆膜１１の膜厚が０．１μｍ以上であると、窒化タンタル被覆膜１１の熱放射率に対する炭素基材１３から拡散する不純物の影響を抑制することができる。窒化タンタル被覆膜１１が１００μｍ以下であると、窒化タンタル被覆膜１１の成膜時間を短くすることができ、本実施形態の窒化タンタル被覆炭素材料の生産効率を改善することができる。このような観点から、窒化タンタル被覆膜１１の膜厚は、より好ましくは１～８０μｍであり、さらに好ましくは１０～６０μｍであり、よりさらに好ましくは２０～５０μｍである。

窒化タンタル被覆膜１１におけるＴａ及びＮを除いた他の成分の濃度は、好ましくは１５００質量ｐｐｍ以下である。窒化タンタル被覆膜１１におけるＴａ及びＮを除いた他の成分の濃度が１５００質量ｐｐｍ以下であると。本実施形態の窒化タンタル被覆炭素材料を化合物半導体成長装置に用いた場合、化合物半導体成長装置により製造される化合物半導体への不純物混入をさらに抑制することができる。このような観点から、窒化タンタル被覆膜１１におけるＴａ及びＮを除いた他の成分の濃度は、より好ましくは１００質量ｐｐｍ以下である。なお、窒化タンタル被覆膜１１におけるＴａ及びＮを除いた他の成分の濃度は、低ければ低いほどさらに好ましい。なお、窒化タンタル被覆膜１１におけるＴａ及びＮの成分は、好ましくは上記一般式（１）で表される窒化タンタルのＴａ及びＮの成分である。窒化タンタル被覆膜１１におけるＴａ及びＮを除いた他の成分の濃度は、グロー放電質量分析法（ＧＤＭＳ）で分析することができる。

本実施形態の窒化タンタル被覆炭素材料は、熱放射率が高いので、炭化ケイ素エピタキシャルウェハ成長装置、窒化ガリウムエピタキシャルウェハ製造成長装置、窒化アルミニウムエピタキシャル成長装置等の化合物半導体成長装置に、好適に使用することができる。

図２に示すように、本実施形態の窒化タンタル被覆炭素材料は、炭素基材１３と窒化タンタル被覆膜１１との間に、少なくとも１層の中間層１２をさらに含んでもよい。そして、中間層１２は炭化タンタル被覆膜を含み、好ましくは炭化タンタル被覆膜のみからなる。これにより、本実施形態の窒化タンタル被覆炭素材料の耐久性をさらに改善することができる。

炭化タンタル被覆膜は、炭化タンタルを主成分とし、ＴａＣ結晶を含む。炭化タンタル被覆膜は、ＴａＣのみから構成されていてもよい。なお、炭化タンタル被覆膜の熱膨張係数はおよそ６．３×１０^－６／℃である。

窒化タンタル被覆膜１１と中間層１２との密着度は高く、窒化タンタル被覆膜１１及び中間層１２の積層構造膜を炭素基材１３から意図的に剥離させると、窒化タンタル被覆膜１１と中間層１２が積層構造膜として一体となって炭素基材１３から剥離する。そのため、窒化タンタル被覆膜１１及び中間層１２を積層構造にすることで、本実施形態の窒化タンタル被覆炭素材料は、炭化タンタル被覆膜によるさらに高い耐久性を有し、かつ窒化タンタル被覆膜１１による高い熱放射率を有するようになる。
窒化タンタル被覆膜１１および中間層１２は、それぞれが１層以上存在することが好ましい。窒化タンタル被覆膜１１及び中間層１２が２層以上重なっていても構わない。
窒化タンタル被覆膜１１及び中間層１２の積層構造膜の最表面は窒化タンタル被覆膜１１であると、本実施形態の窒化タンタル被覆炭素材料の熱放射率はさらに高まる。このため、窒化タンタル被覆膜１１及び中間層１２の積層構造膜の最表面は窒化タンタル被覆膜１１であることが好ましい。
中間層１２の膜厚は、好ましくは０．１～１００μｍであり、より好ましくは１０～８０μｍである。

炭化タンタル被覆膜におけるＴａ及びＣを除いた他の成分の濃度は、１５００質量ｐｐｍ以下であることが好ましく、１００質量ｐｐｍ以下であることがより好ましい。なお、炭化タンタル被覆膜におけるＴａ及びＣを除いた他の成分の濃度は、低ければ低いほどさらに好ましい。
中間層中の炭化タンタル被覆膜の組成は、ＸＲＤ回折パターンから同定することができる。

本実施形態の窒化タンタル被覆炭素材料は、本発明の窒化タンタル被覆炭素材料の一例であり、本発明の窒化タンタル被覆炭素材料を限定しない。

本実施形態の化合物半導体成長装置は、本実施形態の窒化タンタル被覆炭素材料を使用するものである。これにより、耐久性が優れ、熱放射率が高い炭素材料を化合物半導体成長装置の加熱部材として用いることができる。なお、本実施形態の化合物半導体成長装置は、本発明の化合物半導体成長装置の一例であり、本発明の化合物半導体成長装置を限定しない。

以下、実施例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

以下のようにして、実施例１～１６の窒化タンタル被覆炭素材料、参考例１の炭素材料、参考例２の炭化タンタル被覆炭素材料、及び参考例３の炭化ケイ素被覆炭素材料を作製した。

（実施例１）
先ず、図３に示す外熱型減圧ＣＶＤ装置２１の反応室内２２に、炭素基材２４を載置した。炭素基材２４として等方性黒鉛（円板部材（φ１００ｍｍ、厚さ１０ｍｍ、熱膨張係数６．０×１０^－６／℃））を用いた。炭素基材２４は先端が尖った形状の支持部を３つ有する支持手段２５によって支持された。炭素基材２４は、ブラスト処理を行い、炭素基材２４の表面の算術平均粗さＲａを５．０μｍに調整した。

次に、内部圧力１００Ｐａの反応室２２内で、炭素基材２４を１０００℃の温度に加熱した。加熱した炭素基材２４に、原料供給部２８からアンモニア（ＮＨ_３）ガス、窒素（Ｎ_２）ガス、水素（Ｈ_２）ガス、五塩化タンタル（ＴａＣｌ_５）ガス及びアルゴン（Ａｒ）ガスを反応室２２へ供給し、炭素基材２４の表面に、窒化タンタル被覆膜１１としてＴａＮ結晶（４０μｍ）を形成した。なお、マスフローコントローラーによりアンモニアガス、窒素ガス、水素ガス、五塩化タンタルガス及びアルゴンガスの流量を、それぞれ１ＳＬＭ（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｌｉｔｔｅｒ／Ｍｉｎｕｔｅｓ）１ＳＬＭ、１ＳＬＭ、１ＳＬＭ及び３ＳＬＭになるように制御した。原料ガス供給時間は５時間であった。
図４に実施例１の窒化タンタル被覆炭素材料の断面のＳＥＭ画像を示す。また、表１に実施例１の窒化タンタル被覆炭素材料の特性データを示す。

（実施例２）
実施例１と同様の炭素基材２４を、同様のブラスト処理にて炭素基材２４の表面の算術平均粗さＲａを５．０μｍに調整し、同様の方法で反応室内２２内に載置した。
次に、内部圧力１００Ｐａの反応室２２内で、炭素基材２４を１０００℃の温度に加熱した。加熱した炭素基材２４に原料供給部２８からメタン（ＣＨ_４）ガス、水素（Ｈ_２）ガス、五塩化タンタル（ＴａＣｌ_５）ガス及びアルゴン（Ａｒ）ガスを反応室２２へ供給し、炭素基材２４の表面に炭化タンタル被覆膜１２としてＴａＣ結晶（２０μｍ）を形成した。なお、マスフローコントローラーによりメタンガス、水素ガス、五塩化タンタルガス及びアルゴンガスの流量を、それぞれ１ＳＬＭ（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｌｉｔｔｅｒ／Ｍｉｎｕｔｅｓ）、１ＳＬＭ、１ＳＬＭ、及び３ＳＬＭになるように制御した。原料ガス供給時間は５時間であった。

その後、原料供給部２８からアンモニア（ＮＨ_３）ガス、窒素（Ｎ_２）ガス、水素（Ｈ_２）ガス、五塩化タンタル（ＴａＣｌ_５）ガス及びアルゴン（Ａｒ）ガスを反応室２２へ供給し、炭化タンタル被覆膜１２の表面に窒化タンタル被覆膜１１としてＴａＮ結晶（２０μｍ）を形成した。なお、マスフローコントローラーによりアンモニアガス、窒素ガス、水素ガス、五塩化タンタルガス及びアルゴンガスの流量を、それぞれ１ＳＬＭ（Ｓｔａｎｄａｒｄ Ｌｉｔｔｅｒ／Ｍｉｎｕｔｅｓ）、１ＳＬＭ、１ＳＬＭ、１ＳＬＭ及び３ＳＬＭになるように制御した。原料ガス供給時間は５時間であった。
図５に実施例２の窒化タンタル被覆炭素材料の断面のＳＥＭ画像を示す。また、表１に実施例２の窒化タンタル被覆炭素材料の特性データを示す。

（実施例３及び４）
実施例１と同様の方法で、炭素基材２４の表面に、窒化タンタル被覆膜１１としてＴａＮ結晶（４０μｍ）を形成した。このとき、反応室２２内に、あらかじめタングステン（Ｗ）、ニオブ（Ｎｂ）、鉄（Ｆｅ）、ニッケル（Ｎｉ）、モリブデン（Ｍｏ）金属試料を各１ｇずつ投入し、窒化タンタル被覆膜１１に含まれるＴａＮ以外の不純物濃度を高めた。
表１に実施例３、４の窒化タンタル被覆炭素材料の特性データを示す。

（実施例５～８）
成膜時の炭素基材２４の温度、アンモニア（ＮＨ_３）ガス、窒素（Ｎ_２）ガス、水素（Ｈ_２）ガス、及び五塩化タンタル（ＴａＣｌ_５）ガスの流量比を調節して、ＴａＮ結晶とは組成の異なるＴａＮ_ｘ結晶を形成した以外は、実施例１と同様の方法でＴａＮ_ｘ結晶（４０μｍ）を形成した。
表１に実施例５～８の窒化タンタル被覆炭素材料の特性データを示す。

（実施例９～１２）
ブラスト処理を調整して炭素基材２４の表面の算術平均粗さＲａを、実施例１で使用した炭素基材２４の表面の算術平均粗さＲａと異なるようにした以外は、実施例１と同様の方法でＴａＮ_ｘ結晶（４０μｍ）を形成した。
表１に実施例９～１２の窒化タンタル被覆炭素材料の特性データを示す。

（実施例１３～１６）
実施例１で使用した炭素基材２４と熱膨張率が異なる炭素基材２４を使用した以外は、実施例１と同様の方法で炭素基材２４の表面に、ＴａＮ_ｘ結晶（４０μｍ）を形成した。
表１に実施例１３～１６の窒化タンタル被覆炭素材料の特性データを示す。

（参考例１）
実施例１と同様の方法で、表面の算術平均粗さＲａが５．０μｍである炭素基材２４を作製した。そして、炭素基材２４の表面に膜を形成しないで、炭素基材２４の特性を評価した。
表１に参考例１の炭素材料の特性データを示す。

（参考例２）
実施例１と同様の方法で、表面の算術平均粗さＲａが５．０μｍである炭素基材２４を作製した。
次に、内部圧力１００Ｐａの反応室２２内で、炭素基材２４を１０００℃の温度に加熱した。加熱した炭素基材２４に原料供給部２８からメタン（ＣＨ_４）ガス、水素（Ｈ_２）ガス、五塩化タンタル（ＴａＣｌ_５）ガス及びアルゴン（Ａｒ）ガスを反応室２２へ供給し、炭素基材２４の表面に炭化タンタル被覆膜１２としてＴａＣ結晶（４０μｍ）を形成した。なお、マスフローコントローラーによりメタンガス、水素ガス、五塩化タンタルガス及びアルゴンガスの流量を、それぞれ１ＬＭ、１ＳＬＭ、１ＳＬＭ、３ＳＬＭになるように制御した。原料ガス供給時間は５時間であった。
表１に参考例２の炭化タンタル被覆炭素材料の特性データを示す。

（参考例３）
実施例１と同様の方法で、表面の算術平均粗さＲａが５．０μｍである炭素基材２４を作製した。
次に、内部圧力１００Ｐａの反応室２２内で、炭素基材２４を１０００℃の温度に加熱した。加熱した炭素基材２４に原料供給部２８からメタン（ＣＨ_４）ガス、水素（Ｈ_２）ガス、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ_４）及びアルゴン（Ａｒ）ガスを反応室２２へ供給し、炭素基材２４の表面に炭化タンタル被覆膜１２としてＳｉＣ結晶（４０μｍ）を形成した。なお、マスフローコントローラーによりメタンガス、水素ガス、四塩化ケイ素ガス及びアルゴンガスの流量を、それぞれ１ＬＭ、１ＳＬＭ、１ＳＬＭ、３ＳＬＭになるように制御した。原料ガス供給時間は５時間であった。
表１に参考例３の炭化ケイ素被覆炭素材料の特性データを示す。

以上のように作製した実施例１～１６の窒化タンタル被覆炭素材料、参考例１の炭素材料、参考例２の炭化タンタル被覆炭素材料、及び参考例３の炭化ケイ素被覆炭素材料について以下の評価を行った。

（１）表面の算術平均粗さＲａ
実施例１～１６及び参考例１～３の炭素材料の表面の算術平均粗さＲａは、ＪＩＳ Ｂ ０６３３：２００１（ＩＳＯ ４２８８：１９９６）に基づいて測定した。

（２）不純物濃度
実施例１～１６の窒化タンタル被覆炭素材料における窒化タンタル被覆膜の不純物濃度（Ｔａ及びＮを除いた他の成分の濃度）、参考例２の炭化タンタル被覆炭素材料における炭化タンタル被覆膜の不純物濃度（Ｔａ及びＣを除いた他の成分の濃度）、及び参考例３の炭化ケイ素被覆炭素材料における炭化ケイ素被覆膜の不純物濃度（Ｓｉ及びＣを除いた他の成分の濃度）は、それぞれグロー放電質量分析法（ＧＤＭＳ）で測定した。

（３）室温における熱放射率測定
実施例１～１６および参考例１～３の各サンプル表面に対して、熱放射率測定器（商品名「ＴＳＳ－５Ｘ」、ジャパンセンサー株式会社製）を用いて、室温（２５℃）の測定温度及び２～２２μｍの測定波長の条件下での熱放射率測定を行った。結果を表１に示す。

（４）誘導加熱による昇温時間測定
先ず、図６に示すように、ＳｉＣウェハ４５と、作製サンプル４４として実施例１～１６の窒化タンタル被覆炭素材料、参考例１の炭素材料、参考例２の炭化タンタル被覆炭素材料及び参考例３の炭化ケイ素被覆炭素材料のいずれか一つを石英管４２内に、それぞれ載置した。その後、石英管４２内を減圧し、下記の条件で誘導加熱を開始した。ＳｉＣウェハ４５の中心の表面温度を放射温度計（商品名「ＦＬＨＸ-ＴＮＥ-００９０－２００－Ｂ－００３－００－５」、ジャパンセンサー株式会社製）で測定し、１５００℃の温度に到達するまでの時間を測定した。測定結果を表１に示す。

［測定条件］
加熱方法：誘導加熱
電源出力：２ｋＷ
周波数：５０ｋＨｚ
アルゴン流量：２ ＳＬＭ
熱放射率設定値：１．０
測定波長：１．９５～２．６μｍ
測定温度：１５００℃
ＳｉＣウェハ：３インチ
作製サンプルサイズ：φ１００ｍｍ×１０ｍｍ

（５）ＮＨ_３腐食試験による重量変化の測定
先ず、図７に示すように、石英管４２内に実施例１～４の窒化タンタル被覆炭素材料、参考例１の炭素材料、参考例２の炭化タンタル被覆炭素材料及び参考例３の炭化ケイ素被覆炭素材料のいずれか一つを作製サンプル４４として載置した。その後、石英管４２内を減圧し、下記の条件で腐食試験を行った。

［試験条件］
サンプル表面温度：１５００℃
ＮＨ_３：１．０ＳＬＭ

また、下記の式からそれぞれのサンプルについての重量比率を算出した。
試験後の重量比率(％)＝試験後の炭素材料重量（ｇ）÷試験前の炭素材料重量（ｇ）
２５時間おきにサンプルの重量を測定し、５００時間まで試験を行った。実施例１～４の窒化タンタル被覆炭素材料、参考例１の炭素材料、参考例２の炭化タンタル被覆炭素材料及び参考例３の炭化ケイ素被覆炭素材料の試験後の重量比率を図８に示す。

表１より実施例１～８、１０～１２で作製した窒化タンタル被覆炭素材料の熱放射率は０．８０程度で、参考例３で作製した炭化ケイ素０．７９と近い値であることがわかった。そして誘導加熱による昇温時間測定結果も、実施例１～８、１０～１２で作製した窒化タンタル被覆炭素材料による昇温時間は、参考例３で作製した炭化ケイ素被覆炭素材料による昇温時間と同程度で、参考例１で作製した炭素材料よりやや遅い程度である。このことから、実施例１～８、１０～１２で作製した窒化タンタル被覆炭素材料は、加熱部材に用いる炭素材料として、参考例３で作製した炭化ケイ素被覆炭素材料と同程度の、参考例１で作製した炭素材料よりやや劣る程度の、加熱能力を持つことがわかった。

一方で、参考例２で作製した炭化タンタル被覆炭素材料は、熱放射率が０．２０であり、実施例１～１６で作製した窒化タンタル被覆炭素材料の熱放射率よりも小さい。さらに誘導加熱による昇温時間測定結果も、参考例２で作製した炭化タンタル被覆炭素材料は、実施例１～８、１０～１２で作製した窒化タンタル被覆炭素材料に比べて大幅に遅い。このことから、参考例２で作製した炭化タンタル被覆炭素材料は、加熱部材に用いる炭素材料として、実施例１～８、１０～１２で作製した窒化タンタル被覆炭素材料より劣る加熱能力を持つことがわかった。

実施例９～１２に関して、算術平均粗さＲａが０.１μｍ程度だと熱放射率が低くなることがわかった。また、算術平均粗さＲａが４０μｍの場合、膜厚を均一にすることが難しい。そのため、窒化タンタル被覆膜の表面の算術平均粗さＲａは１～３０μｍであることが好ましいことがわかった。

図８のＮＨ_３腐食試験による重量変化の測定結果について説明する。実施例１～３で作製した窒化タンタル被覆炭素材料及び参考例２で作製した炭化タンタル被覆炭素材料は、試験２００時間後において、９９．５％以上の重量比率を維持した。
一方で、参考例１で作製した炭素材料及び参考例３で作製した炭化ケイ素被覆炭素材料は、試験２００時間後において、９９．５％以下の重量比率となった。
参考例１に関しては、炭素材料がＮＨ_３によって腐食されたことが、試験２００時間後において重量比率が９９．５％以下となった原因であると考えられる。
参考例３に関しては、試験２００時間までは炭化ケイ素被覆膜の消耗が、試験２００時間より後は、炭化ケイ素の消耗と、炭化ケイ素の消耗により露出した炭素材料が腐食されたことが重量比率低下の原因であると考えられる。
これに対して実施例１～３及び参考例２に関しては、試験２００時間までの耐ＮＨ_３腐食性能は、参考例１及び参考例３よりも高いと言える。

続いて実施例１～３及び参考例２を比較する。
実施例１に関しては、試験時間４００時間を超えたあたりで、ＴａＮ_ｘ結晶の変質による炭素材料の露出が発生し、その後、重量比率が減少していったと考えられる。そのため、実施例１で作製した窒化タンタル被覆炭素材料の耐ＮＨ_３性能は、実施例２で作製した窒化タンタル被覆炭素材料の耐ＮＨ_３性能よりも劣る。
実施例２及び参考例２に関しては、試験時間５００時間を超えても９９．５％の以上の重量比率を維持し、耐ＮＨ_３腐食性能が非常に高いと言える。しかしながら、前述したとおり、実施例２は参考例２よりも熱放射率が高いため、加熱部材に用いる炭素材料としては実施例２の方が優れている。
実施例３の重量比率減少の推移は実施例１と同様であった。実施例４に関しては、試験時間２７５時間を超えたあたりで、ＴａＮ_ｘ結晶内に含まれる不純物が放出されたことによるＴａＮ_ｘ結晶のクラックやポーラスが発生したと考えられる。そして、ＴａＮ_ｘ結晶のクラックやポーラスにより炭素材料の露出が発生し、その後、重量比率が減少していったと考えられる。そのため実施例４で作製した窒化タンタル被覆炭素材料の耐ＮＨ_３性能は、実施例１～３で作製した窒化タンタル被覆炭素材料の耐ＮＨ_３性能よりも劣る。このことから窒化タンタル被覆１１に含まれる不純物濃度は１５００質量ｐｐｍ以下であることが好ましいことがわかった。また、加熱時にＴａＮ_ｘ結晶内に含まれる不純物が放出されてしまう可能性があるため、不純物濃度は少ないほどよいこともわかった。

１１ 窒化タンタル被覆膜（ＴａＮ_ｘ）
１２ 炭化タンタル被覆膜（ＴａＣ）
１３ 炭素基材
２１ 外熱型減圧ＣＶＤ装置
２２ 反応室
２３ ヒーター
２４ 炭素基材
２５ 支持手段
２６ ターンテーブル
２７ 排気部
２８ 原料供給部
３９ 放射温度計
４１ ＲＦコイル
４２ 石英管
４３ 断熱材
４４ 作製サンプル
４５ ＳｉＣウェハ
４６ ガス供給部
４７ ガス排気部

Claims (8)

1. 炭素基材と、前記炭素基材の少なくとも一部を被覆する窒化タンタル被覆膜とを含む窒化タンタル被覆炭素材料であって、
   前記窒化タンタル被覆膜が、下記一般式（１）で表される窒化タンタルを含むことを特徴とする窒化タンタル被覆炭素材料。
   ＴａＮ_ｘ（０＜ｘ≦１．６７） （１）
2. 前記炭素基材と前記窒化タンタル被覆膜との間に、少なくとも１層の中間層をさらに含み、
   前記中間層が炭化タンタル被覆膜を含むことを特徴とする請求項１に記載の窒化タンタル被覆炭素材料。
3. 前記窒化タンタル被覆膜の表面の算術平均粗さＲａが０．５～４０μｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載の窒化タンタル被覆炭素材料。
4. ２５℃の測定温度及び２～２２μｍの測定波長の条件下で測定した前記窒化タンタル被覆膜の表面における熱放射率が０．２０超であることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の窒化タンタル被覆炭素材料。
5. 前記炭素基材の熱膨張係数が０．２～９．３×１０^－６／℃であることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の窒化タンタル被覆炭素材料。
6. 前記窒化タンタル被覆膜の膜厚が０．１～１００μｍであることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の窒化タンタル被覆炭素材料。
7. 前記窒化タンタル被覆膜におけるＴａ及びＮを除いた他の成分の濃度が１５００質量ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の窒化タンタル被覆炭素材料。
8. 請求項１～７のいずれか１項に記載の窒化タンタル被覆炭素材料を使用することを特徴とする化合物半導体成長装置。

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