JPH10158097A - Oxidation preventing coating film - Google Patents

Oxidation preventing coating film

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JPH10158097A
JPH10158097A JP31826496A JP31826496A JPH10158097A JP H10158097 A JPH10158097 A JP H10158097A JP 31826496 A JP31826496 A JP 31826496A JP 31826496 A JP31826496 A JP 31826496A JP H10158097 A JPH10158097 A JP H10158097A
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JP
Japan
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silicon carbide
oxidation
cristobalite
coating film
film
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Pending
Application number
JP31826496A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Toshiki Kingetsu
俊樹 金月
Masaharu Takehara
正治 竹原
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Chokoon Zairyo Kenkyusho Kk
Japan Ultra High Temperature Materials Research Institute JUTEM
Original Assignee
Chokoon Zairyo Kenkyusho Kk
Japan Ultra High Temperature Materials Research Institute JUTEM
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Filing date
Publication date
Application filed by Chokoon Zairyo Kenkyusho Kk, Japan Ultra High Temperature Materials Research Institute JUTEM filed Critical Chokoon Zairyo Kenkyusho Kk
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a coating film inhibiting the formation of cristobalite in an oxidizing atmosphere at a high temp., suppressing the progress of oxidation toward the interior and having enhanced oxidation preventing performance by diminishing <111> oriented grains in a polycrystalline β-silicon carbide coating film preventing the oxidation of a substrate formed by a chemical vapor phase reaction-vapor deposition method. SOLUTION: The fraction of <111> oriented grains in a polycrystalline β-silicon carbide coating film is made lower than that in a random oriented polycrystalline body. When the polycrystalline β-silicon carbide coating film formed on a graphite substrate by a chemical vapor phase reaction-vapor deposition method using gaseous SiCl4 , CH4 and H2 is exposed to an oxidizing atmosphere at >=1,500% deg.C, cristobalite having a high coefft. of thermal expansion as well as amorphous SiO2 is formed. Since the formation of cristobalite depends on the amt. of <111> oriented grains in the β-silicon carbide coating film, the oxidation preventing ability of the coating film is enhanced by diminishing <111> oriented grains.

Description

【発明の詳細な説明】DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

【0001】[0001]

【産業上の利用分野】本発明は化学気相反応蒸着法を利
用した炭化珪素酸化防護皮膜に関する。
BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a silicon carbide oxidation protective film utilizing a chemical vapor deposition method.

【0002】[0002]

【従来の技術】高温での強度は非常にすぐれているが、
高温酸化性環境で容易に酸化され揮散侵食される炭素系
材料の表面に炭化珪素薄膜を形成させた酸化防護膜被覆
炭素系材料は、航空宇宙、エネルギー分野における過酷
な環境に耐え、かつ高比強度を有する構造材料として期
待されている。かような酸化防護皮膜として、従来より
化学気相反応蒸着法により多結晶性べー夕炭化珪素皮膜
が採用されており、酸化雰囲気中で炭化珪素皮膜表面に
酸素原子の透過しにくい二酸化珪素層が形成され、これ
により炭化珪素皮膜内部の酸化を抑え基材が酸化揮散す
ることを防止していた。
2. Description of the Related Art Although the strength at high temperatures is very good,
A carbon-based material coated with a silicon carbide thin film on the surface of a carbon-based material that is easily oxidized and volatilized and eroded in a high-temperature oxidizing environment is resistant to severe environments in the aerospace and energy fields and has a high ratio. It is expected as a structural material having strength. As such an oxidation protection film, a polycrystalline silicon carbide silicon carbide film has conventionally been adopted by a chemical vapor deposition method, and a silicon dioxide layer which is hardly permeated by oxygen atoms on the surface of the silicon carbide film in an oxidizing atmosphere. Was formed, thereby suppressing the oxidation inside the silicon carbide film and preventing the base material from being oxidized and volatilized.

【0003】[0003]

【発明が解決しようとする課題】炭化珪素皮膜を酸化性
雰囲気中に置くと、この皮膜表面に級密な非晶質二酸化
珪素層が形成され、この層中の酸素原子の拡散係数が著
しく小さいため内部への酸北進行を抑止できるが、環境
温度が1500℃以上の場合、皮膜表面に非晶質二酸化
珪素相以外に結晶性の二酸化珪素である高温相(β)ク
リストバライトも生成するようになる。この高温相クリ
ストバライトは非晶質二酸化珪素よりも熱膨張係数が大
きく、冷却すると大きく収縮するためクラックを生じ、
また200一270℃の温度にて低温相(α)クリスト
バライトヘの変位型相変態が起こり、これによりさらに
体積が収縮しクラックが進行する。これを再度高温に曝
すとクラックから酸素原子が内部へ進行したり、クリス
トバライト相領域が剥離して酸化が急激に進行し、つい
には基材まで侵されるという問題があった。本発明は、
このような問題の解決を目的にしたものであり、クリス
トバライトの発生を抑制する効果を有する炭化珪素酸化
防護皮膜を提供しようとするものである。
When a silicon carbide film is placed in an oxidizing atmosphere, a dense amorphous silicon dioxide layer is formed on the surface of the film, and the diffusion coefficient of oxygen atoms in this layer is extremely small. Therefore, it is possible to suppress the progress of acid north into the interior, but when the ambient temperature is 1500 ° C. or higher, a high-temperature phase (β) cristobalite, which is crystalline silicon dioxide, is also formed on the film surface in addition to the amorphous silicon dioxide phase. Become. This high-temperature cristobalite has a larger coefficient of thermal expansion than amorphous silicon dioxide, and when it cools, it shrinks greatly, causing cracks,
Further, at a temperature of 200 to 270 ° C., a displacement-type phase transformation to the low-temperature phase (α) cristobalite occurs, whereby the volume further shrinks and cracks progress. When this is exposed to a high temperature again, there has been a problem that oxygen atoms proceed from the cracks to the inside, the cristobalite phase region is separated, and oxidation proceeds rapidly, and finally the base material is attacked. The present invention
An object of the present invention is to solve such a problem, and an object of the present invention is to provide a silicon carbide oxidation protective film having an effect of suppressing the generation of cristobalite.

【0004】[0004]

【課題を解決するための手段】本発明は、炭素系基材の
上に化学気相反応蒸着法により積層を形成し基材の酸化
を防護する多結晶ベータ炭化珪素皮膜であって<111
>配向する結晶粒の分率がランダム配向多結晶体中の<
111>配向結晶粒の分率より少ないことを特徴とする
酸化防護皮膜を得て、高温酸化性雰囲気中で該炭化珪素
皮膜よりクリストバライトの生成を抑制するものであ
る。
SUMMARY OF THE INVENTION The present invention is a polycrystalline beta silicon carbide coating which is formed on a carbon-based substrate by chemical vapor deposition to protect the substrate from oxidation.
> The fraction of crystal grains to be oriented is <
111> an oxidation protective film characterized by being less than the fraction of oriented crystal grains, and suppressing the formation of cristobalite from the silicon carbide film in a high-temperature oxidizing atmosphere.

【0005】[0005]

【発明の実施の形態】本発明は、基材の酸化を防護する
多結晶ベータ炭化珪素皮膜において、<111>配向す
る結晶粒が少ないと、1500℃以上の高温酸化性雰囲
気中においても該炭化珪素皮膜からのクリストバライト
の生成が少ないことを利用して、酸素原子の拡散係数が
小さく級密な非晶質二酸化珪素層の形成を促進し、内部
への酸化進行を抑制することにより基材を酸化揮散、損
耗より防護するものである。
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The present invention relates to a polycrystalline beta silicon carbide film for protecting a substrate from oxidation, if the number of <111> oriented crystal grains is small, even in a high-temperature oxidizing atmosphere at 1500 ° C. or higher. Utilizing the low generation of cristobalite from the silicon film, it promotes the formation of a dense amorphous silicon dioxide layer with a small diffusion coefficient of oxygen atoms and suppresses the progress of oxidation to the inside of the substrate It protects against oxidation volatilization and wear.

【0006】化学気相反応蒸着法においては、成膜反応
温度、前駆体ガス流量、前駆体ガス流量比、成膜反応圧
力等の成膜条件を変化させると、生成する多結晶ベータ
炭化珪素皮膜の表面形態、結晶粒粒度、結晶粒形状、結
晶粒配向性等微細構造を変えることができる。
In a chemical vapor deposition method, a polycrystalline beta silicon carbide film is formed by changing film forming conditions such as a film forming reaction temperature, a precursor gas flow rate, a precursor gas flow ratio, and a film forming reaction pressure. The fine structure such as the surface morphology, crystal grain size, crystal grain shape and crystal grain orientation can be changed.

【0007】ここでいう「結晶粒配向性」とは、炭化珪
素皮膜の表面法線に各結晶粒のどのような結晶方位が平
行であるかの性状を示すものである。たとえば<111
>配向とは、大部分の結晶粒の<111>結晶軸が炭化
珪素皮膜の表面法線に平行であることを意味する。ま
た、「ランダム配向」とは任意の<hkl>結晶方位が
hklの値に依存せず等しい確率で現れるような結晶方
位の分布であることを意味する。ここでhklは1以外
に公約数のない3つの整数の組である。
[0007] The term "crystal grain orientation" as used herein refers to the nature of what crystal orientation of each crystal grain is parallel to the surface normal of the silicon carbide film. For example, <111
> Orientation means that the <111> crystal axis of most of the crystal grains is parallel to the surface normal of the silicon carbide film. Further, “random orientation” means a distribution of crystal orientations in which arbitrary <hkl> crystal orientations appear with equal probability without depending on the value of hkl. Here, hkl is a set of three integers having no common divisor other than 1.

【0008】化学気相反応蒸着法により形成したべー夕
炭化珪素皮膜を1500℃以上の高温大気、メタン燃焼
排ガス等の酸化性雰囲気に曝すと表面に緻密な非晶質二
酸化珪素層が形成される他、結晶性二酸化珪素であるク
リストバライトも同時に形成されることがわかってい
る。
When a silicon carbide film formed by chemical vapor deposition is exposed to a high-temperature atmosphere of 1500 ° C. or more, or an oxidizing atmosphere such as methane combustion exhaust gas, a dense amorphous silicon dioxide layer is formed on the surface. In addition, it is known that cristobalite, which is crystalline silicon dioxide, is formed at the same time.

【0009】このクリストバライトは前述のように炭化
珪素の酸化防護機能を損ねるが、その生成の容易さは多
結晶ベ−タ炭化珪素中の<111>配向した結晶粒の量
に依存し、<111>配向した結晶粒が多いほどクリス
トバライトの生成も多いことが、今回発明者により見出
された。
Although this cristobalite impairs the oxidation protection function of silicon carbide as described above, its ease of formation depends on the amount of <111> oriented grains in the polycrystalline beta silicon carbide, and <111>. The present inventors have found that the more the oriented crystal grains, the more the cristobalite is generated.

【0010】このことから、<111>配向したベータ
炭化珪素結晶粒が多ければ該炭化珪素皮膜の酸化防護機
能が低下することがわかる。したがって、<111>配
向した結晶粒を減らすことにより、酸化防護性能を高め
ることができる。
From this, it can be seen that the more the <111> oriented beta silicon carbide crystal grains, the lower the oxidation protection function of the silicon carbide film. Therefore, the oxidation protection performance can be enhanced by reducing the number of the <111> -oriented crystal grains.

【0011】なお、クリストバライト生成量の<111
>配向ベ−タ炭化珪素結晶粒量への依存性は、高温酸化
性雰囲気中で、クリストバライトが<111>配向結晶
粒を優先的な核生成サイトとして核生成することに起因
すると推定され、優先的に生成する原因は炭化珪素とク
リストバライト界面での結晶原子の整合性に関連がある
ものと見られる。
Note that the cristobalite generation amount is <111
The dependence on the amount of oriented beta silicon carbide grains is presumed to be due to cristobalite nucleating <111> oriented grains as preferential nucleation sites in a high-temperature oxidizing atmosphere. It is considered that the cause of the formation is related to the consistency of crystal atoms at the interface between silicon carbide and cristobalite.

【0012】[0012]

【実施例】基材として10mm×10mm×2mmまたは30
mm×30mm×4mmの大きさの等方性黒鉛材(東洋炭素製
IG‐11)を用い、炭化珪素膜を熱化学気相反応蒸着
法を用いて成膜した。前駆体ガスとして、4塩化珪素ガ
ス、メタンガスおよび水素ガスを使用し、成膜温度を1
200−1300℃とした。
[Example] 10 mm x 10 mm x 2 mm or 30 mm
Using an isotropic graphite material (IG-11 manufactured by Toyo Carbon Co., Ltd.) having a size of mm × 30 mm × 4 mm, a silicon carbide film was formed by a thermal chemical vapor deposition method. As a precursor gas, silicon tetrachloride gas, methane gas and hydrogen gas are used, and the film formation temperature is set to 1
200-1300 ° C.

【0013】本実施例において黒鉛基材を選定した理由
は、黒鉛材の熱膨張率が炭化珪素のそれと近い値であ
り、化学気相反応蒸着終了後、試料を室温に下げる際に
熱膨張率の差によりクラックが発生するのを防止できる
他、炭化珪素皮膜に生じる応力も小さいためである。も
し、炭化珪素皮膜と基材のそれぞれの熱膨張率が大きく
異なると皮膜にクラックが発生したり、皮膜に大きな応
力が生じ、高温酸化試験を実施する際、炭化珪素皮膜が
複雑な酸化挙動を示し、炭化珪素が固有に持っている性
質を見失う恐れがある。
The reason why the graphite substrate was selected in the present embodiment is that the coefficient of thermal expansion of the graphite material is close to that of silicon carbide. This is because cracks can be prevented from occurring due to the difference between the two and the stress generated in the silicon carbide film is small. If the thermal expansion coefficients of the silicon carbide film and the base material are significantly different, cracks will occur in the film or large stress will be generated in the film, and when performing a high-temperature oxidation test, the silicon carbide film will exhibit complex oxidation behavior. As a result, there is a possibility that the intrinsic properties of silicon carbide may be lost.

【0014】各化学気相反応蒸着プロセスにおいて、数
個の基材を同時に化学気相反応蒸着装置内に固定された
試料支持用ピン(試料1個につき3、4本のピンを使
用)の上に載せ、基材が基材支持物で遮蔽されることに
よる皮膜形成の妨害が可能な限りないようにしたが、ピ
ンポイントの支持点では皮膜が形成されないので、成膜
予定時間の半分が経過した時点で、基材を裏返しにして
成膜を続けた。
In each chemical vapor deposition process, several substrates are simultaneously placed on sample supporting pins (3 or 4 pins are used for each sample) fixed in the chemical vapor deposition apparatus. To prevent the formation of a film due to the substrate being shielded by the substrate support as much as possible, but since the film is not formed at the pinpoint support point, half of the estimated film formation time has elapsed. At this point, the substrate was turned over and film formation was continued.

【0015】試料1個あたりの全成膜時間は、各成膜条
件における成膜速度を考慮し、皮膜厚さが約90μmと
なるよう設定した。
The total film forming time per sample was set so that the film thickness was about 90 μm in consideration of the film forming speed under each film forming condition.

【0016】皮膜微細構造は、皮膜表面および皮膜断面
をX線回析分析法、光学顕微鏡観察、走査型電子顕微鏡
観察を用いて解析し同定した。X線回析分析法ではX線
源として単色化したCuKα線を使用し、θ−2θスキ
ャン法を用いた。走査型電子顕微鏡観察は、電子加速電
圧15−25kVにて行った。
The film microstructure was identified by analyzing the film surface and the film cross section using X-ray diffraction analysis, optical microscope observation, and scanning electron microscope observation. In the X-ray diffraction analysis method, a monochromatic CuKα ray was used as an X-ray source, and a θ-2θ scanning method was used. Scanning electron microscope observation was performed at an electron acceleration voltage of 15 to 25 kV.

【0017】熱化学気相反応蒸着法において、成膜反応
温度、前駆体ガス流量、前駆体ガス流量比、成膜反応圧
力等の成膜条件を変化させると、生成する多結晶べー夕
炭化珪素皮膜の表面形態、結晶粒粒度、結晶粒形状、結
晶粒配向性等微細構造も変化した。成膜した炭化珪素の
15通りの成膜条件と得られた皮膜微細構造との関係を
表1に示す。皮膜にはクラックは認められなかった。
In the thermal chemical vapor deposition method, when the film forming conditions such as a film forming reaction temperature, a precursor gas flow rate, a precursor gas flow ratio, and a film forming reaction pressure are changed, a polycrystalline base carbon is formed. The fine structure such as the surface morphology, crystal grain size, crystal grain shape, and crystal grain orientation of the silicon film also changed. Table 1 shows the relationship between the fifteen different film forming conditions of the formed silicon carbide and the obtained film microstructure. No crack was observed in the film.

【0018】[0018]

【表1】 [Table 1]

【0019】表1において、結晶粒方位の記号(1)、
(2)、(3)は、 (1)ほぼランダムに分布、 (2)強い<111>配向性、 (3)優先的<110>配向結晶粒とランダム分布結晶
粒の共存、 を表す。結晶粒形状の記号(CL)、(GL)、(C
S)、(GS)は、 (CL)柱状、大きめ(>5μm)結晶粒、 (GL)粒状、大きめ(>5μm)結晶粒、 (CS)柱状、小さめ(<5μm)結晶粒、 (GS)粒状、小さめ(<5μm)結晶粒、 を表す。ファセットは、小さいスケールでのファセッテ
ィングの傾向を示し、 (F)ファセットした表面、 (R)比較的丸い滑らかな表面、 を表す。ペブルは、より広いスケールでのペブルの傾向
を示し、 (P)強くペブルが出る、 (L)あまりペブルが出ない、 を表す。
In Table 1, symbols (1) for crystal grain orientation,
(2) and (3) represent (1) almost randomly distributed, (2) strong <111> orientation, and (3) coexistence of preferential <110> oriented grains and randomly distributed grains. Symbols for crystal grain shape (CL), (GL), (C
S) and (GS) are (CL) columnar, large (> 5 μm) crystal grains, (GL) granular, large (> 5 μm) crystal grains, (CS) columnar, small (<5 μm) crystal grains, (GS) Granular, smaller (<5 μm) crystal grains. Facets exhibit a tendency to faceting on a small scale and represent (F) a faceted surface, (R) a relatively round smooth surface. Pebble indicates a tendency of pebble on a wider scale, and indicates (P) strong pebble, (L) less pebble.

【0020】なお、表1に示したA〜Oの成膜条件その
ものは普遍的なものではなく、使用する化学気相反応蒸
着装置に大きく依存するが、いずれの化学気相反応蒸着
装置を用いても、成膜条件を制御することにより皮膜微
細構造を制御できることは明らかである。以下の酸化試
験ではA〜Dの条件で作成した試料についてのみ実施例
を示すが、成膜条件として表1にA〜Oまでの結果を示
したのは、成膜条件を変えると大きく皮膜の構造が変わ
ることを示すためである。
The film forming conditions A to O shown in Table 1 are not universal, and greatly depend on the chemical vapor deposition apparatus to be used. However, it is clear that the film microstructure can be controlled by controlling the film forming conditions. In the following oxidation tests, examples are shown only for the samples prepared under the conditions of A to D. However, the results of A to O shown in Table 1 as the film forming conditions are as follows. This is to show that the structure changes.

【0021】酸化試験は、メタン燃焼排ガス雰囲気中お
よび大気雰囲気中で行った。
The oxidation test was performed in a methane combustion exhaust gas atmosphere and an air atmosphere.

【0022】メタン燃焼排ガス雰囲気中酸化試験では、
4種の異なる成膜条件(表1の成膜条件名A、B、C、
D)で得た異なる微細構造を有する炭化珪素皮膜を被覆
した大きさ10mm×10mm×2mmの試料を用い、150
0℃の電気炉中に設置した試料にメタン燃焼排ガスを導
入し、8時間保持した後、室温に戻し表面観察を行い、
さらに同様な酸化試験を継続した。このような加熱冷却
サイクルを3度繰り返した。1500℃加熱積算時間は
24時間である。メタン燃焼は空気とメタンガスのモル
比を15:1とし、メタン燃焼排ガス中の酸素ガス濃度
は8mol%、水蒸気の濃度に対応する露点は約50℃
であった。
In the oxidation test in the atmosphere of methane combustion exhaust gas,
Four different film forming conditions (film forming condition names A, B, C, and
Using a sample of 10 mm × 10 mm × 2 mm coated with a silicon carbide film having a different microstructure obtained in D),
The methane combustion exhaust gas was introduced into a sample placed in an electric furnace at 0 ° C., and after holding for 8 hours, the temperature was returned to room temperature and the surface was observed.
Further, the same oxidation test was continued. Such a heating / cooling cycle was repeated three times. The heating time at 1500 ° C. is 24 hours. For methane combustion, the molar ratio of air to methane gas is 15: 1, the oxygen gas concentration in the methane combustion exhaust gas is 8 mol%, and the dew point corresponding to the concentration of water vapor is about 50 ° C.
Met.

【0023】大気雰囲気中酸化試験では、3種の異なる
成膜条件(表1の成膜条件名A、B、C)で得た異なる
微細構造を有する炭化珪素皮膜を被覆した大きさ30mm
×30mm×4mmの試料を用い、大気解放した1600℃
のキセノンランプ加熱装置中に試料を1時間保持した
後、室温に戻し表面観察を行い、さらに同様な酸化試験
を継続した。このような加熱冷却サイクルを5度繰り返
した。1600℃加熱積算時間は5時間である。
In the oxidation test in the air atmosphere, a silicon carbide film having a different microstructure obtained under three different film forming conditions (film forming condition names A, B, and C in Table 1) was 30 mm in size.
1600 ℃ open to the atmosphere using a sample of × 30mm × 4mm
After holding the sample in the xenon lamp heating apparatus for 1 hour, the temperature was returned to room temperature, the surface was observed, and the same oxidation test was continued. Such a heating / cooling cycle was repeated five times. The integrated heating time at 1600 ° C. is 5 hours.

【0024】酸化試験の後、試料は光学顕微鏡法、電子
プローブ特性X線分光分析法、X線回折分析法により解
析した他、酸化試験前後の試料質量変化を計測した。酸
化試験後、試料の電子プローブ特性X線分光分析法によ
る元素分析を行ったところ表面に酸素が検出され、炭化
珪素皮膜が酸化していることが明瞭に認められた。酸化
試験前後の試料質量の変化を測定したところ、2種の酸
化試験のいずれも変化は0.025%の検出限界を下回
っており、有意な質量変化は認められなかった。
After the oxidation test, the sample was analyzed by optical microscopy, electron probe characteristic X-ray spectroscopy, and X-ray diffraction analysis, and the change in sample mass before and after the oxidation test was measured. After the oxidation test, the sample was subjected to elemental analysis by electron probe characteristic X-ray spectroscopy. As a result, oxygen was detected on the surface, and it was clearly recognized that the silicon carbide film was oxidized. When the change in the sample mass before and after the oxidation test was measured, the change in both of the two oxidation tests was below the detection limit of 0.025%, and no significant mass change was observed.

【0025】このことは、程度の差は別として、本実験
条件の下では、酸化防護機能が十分働いていると言え
る。しかし、酸化試験後の目視ならびに光学顕微鏡観察
では、試料の表面状態はそれぞれ異なっており、透明で
光沢のある緻密非晶質二酸化珪素皮膜中に白く点状にみ
えるクリストバライトの量は成膜条件に著しく依存し
た。その順序はクリストバライトの少ない順に、メタン
燃焼排ガス中酸化試験では条件A、D、B、C、また、
大気中酸化試験では、条件A、B、Cの順序であった。
このことはこの順に酸化防護性能が高いことを示してい
る。
It can be said that, under the conditions of the present experiment, the oxidation protection function is sufficiently working, apart from the degree of the difference. However, the surface condition of the sample was different from each other visually and optical microscope observation after the oxidation test, and the amount of cristobalite, which appeared as white dots in the transparent and glossy dense amorphous silicon dioxide film, depends on the film forming conditions. Significantly dependent. The order is ascending order of cristobalite. In oxidation test in methane combustion exhaust gas, conditions A, D, B, C,
In the atmospheric oxidation test, conditions A, B, and C were in the order of.
This indicates that the oxidation protection performance is higher in this order.

【0026】また、酸化試験後の試料表面をX線回析に
かけるとクリストバライトのピークが検出された。その
ピーク強度は試料に依存し、クリストバライトの少ない
順に、メタン燃焼排ガス中酸化試験では条件A、D、
B、C、また、大気中酸化試験では、条件A、B、Cの
順序であった。これは上記目視観察の結果と一致してい
る。
When the sample surface after the oxidation test was subjected to X-ray diffraction, a cristobalite peak was detected. The peak intensity depends on the sample, and in the oxidation test in methane combustion exhaust gas, conditions A, D,
B, C, and in the atmospheric oxidation test, conditions A, B, and C were in order. This is consistent with the result of the above visual observation.

【0027】X線回析プロファイルの例(メタン燃焼排
ガス中酸化試験)を図1〜4に示す。図1は成膜条件
A、図2は成膜条件B、図3は成膜条件C、図4は成膜
条件Dの各条件にて作製した試料に関し、メタン燃焼排
ガス中1500℃8時間の酸化試験を3回重ねた後のX
線回析プロファイルである。回折強度を示す縦軸の尺度
はそれぞれ異なり、フルスケールが図1では11.06
8kcps、図2では14.567kcps、図3では
42.740kcps、図4では17.371kcps
である。111、220、311の指数はベータ炭化珪
素に関するものであり、図1〜4の各図中のそれぞれの
ピーク強度の比は、成膜条件に依存して異なり、結晶粒
の配向性が異なることがわかる。また、Si02 と記し
た2種類のピークが各図のそれぞれに顕著に認められ
る。これはクリストバライトが生成したことを示してい
る。非晶質二酸化珪素も多量に生成されているが、非晶
質のため顕著なピークは現れず、これらのプロファイル
では明瞭ではない。
FIGS. 1 to 4 show examples of X-ray diffraction profiles (oxidation test in methane combustion exhaust gas). FIG. 1 is a film formation condition A, FIG. 2 is a film formation condition B, FIG. 3 is a film formation condition C, and FIG. X after three oxidation tests
It is a line diffraction profile. The scales of the vertical axes indicating the diffraction intensities are different from each other, and the full scale is 11.06 in FIG.
8 kcps, 14.567 kcps in FIG. 2, 42.740 kcps in FIG. 3, 17.371 kcps in FIG.
It is. The indices of 111, 220 and 311 relate to beta silicon carbide, and the ratios of the respective peak intensities in FIGS. 1 to 4 are different depending on the film forming conditions, and the orientation of crystal grains is different. I understand. Further, two kinds of peaks marked Si0 2 were conspicuously observed in each of the figures. This indicates that cristobalite has been generated. A large amount of amorphous silicon dioxide is also produced, but no remarkable peak appears due to the amorphous nature, and these profiles are not clear.

【0028】X線回析結果をわかりやすくするため、表
2にメタン燃焼排ガス中酸化試験に係わる試料における
クリストバライトの2種の回折ピーク強度と炭化珪素1
11ピーク強度をまとめる。本表よりクリストバライト
の2種のピーク強度I1 、I2 とも条件Aが最も小さ
く、以下D、B、Cの順に大きくなることがわかる。
In order to make the X-ray diffraction results easy to understand, Table 2 shows the two types of cristobalite diffraction peak intensities and silicon carbide 1 in the samples involved in the oxidation test in methane combustion exhaust gas.
Summarize the 11 peak intensities. From this table, it can be seen that the condition A is the smallest for the two types of cristobalite peak intensities I 1 and I 2 , and increases in the order of D, B, and C in the following order.

【0029】[0029]

【表2】 [Table 2]

【0030】表2で炭化珪素111ピーク強度に注目す
ると、その強度は条件Aが最も小さく、以下D、B、C
の順に大きくなることがわかる。この順序はクリストバ
ライトのピーク強度の順序と一致している。従って、炭
化珪素111ピーク強度が小さいほど、クリストバライ
トのピーク強度も小さいことが言える。
Focusing on the peak intensity of silicon carbide 111 in Table 2, the intensity is the smallest under condition A, and D, B, C
It turns out that it becomes large in order of. This order is consistent with the order of cristobalite peak intensity. Therefore, it can be said that the smaller the peak intensity of silicon carbide 111, the lower the peak intensity of cristobalite.

【0031】この結果から、炭化珪素皮膜中に<111
>配向結晶粒が少ないほど、クリストバライトの生成が
少ないとは一概には言えない。クリストバライトはX線
回析線強度をもたらす2種類の結晶面(ピークI1 、I
2 にそれぞれ相当)を有している。ここで、クリストバ
ライト生成時にこれらのクリストバライト結晶面の一つ
が炭化珪素の(111)面と平行になるとすれば、炭化
珪素が<111>配向するほどクリストバライトもそれ
と平行な面に配向する。したがって炭化珪素の111ピ
ークが大きいほど、炭化珪素の111と平行な結晶面の
クリストバライトのピークが大きくなるのは当然だから
である。
From these results, it was found that <111
> It cannot be said that the smaller the number of oriented crystal grains, the less the generation of cristobalite. Cristobalite has two types of crystal faces (peaks I 1 , I
2 respectively). Here, assuming that one of these cristobalite crystal planes is parallel to the (111) plane of silicon carbide when cristobalite is generated, the more the silicon carbide is oriented <111>, the more the cristobalite is oriented in a plane parallel thereto. Therefore, it is natural that the larger the 111 peak of silicon carbide, the larger the peak of cristobalite in the crystal plane parallel to 111 of silicon carbide.

【0032】この可能性を確認するため、I2 /I1
比を計算し表2に示した。もしクリストバライトが、X
線回析においてI1 を与えるピークに相当する面に配向
していればI1 の値は大きくなるが、I2 を与えるピー
クに相当する面は試料表面とは平行でなくなり回析が起
こらないため、I2 の値は非常に小さくなる。したがっ
て、I2 /I1 の比の値は0に近くなる。また、クリス
トバライトが、X線回析においてI2 を与えるピークに
相当する面に配向していればI2 の値は大きくなるが、
1 を与えるピークに相当する面は試料表面とは平行で
なくなり回析が起こらないため、I1 の値は非常に小さ
くなる。したがって、I2 /I1 の比の値は無限大に近
くなる。
In order to confirm this possibility, the ratio of I 2 / I 1 was calculated and shown in Table 2. If Christobalite is X
The value of I 1 if oriented in the plane corresponding to the peak that gives I 1 is increased at a linear diffraction, surface corresponding to the peak that gives the I 2 does not occur is analyzed Kai no longer parallel to the sample surface Therefore, the value of I 2 becomes very small. Therefore, the value of the ratio I 2 / I 1 is close to zero. Further, if cristobalite is oriented on a plane corresponding to a peak giving I 2 in X-ray diffraction, the value of I 2 becomes large,
Since the plane corresponding to the peak giving I 1 is not parallel to the sample surface and diffraction does not occur, the value of I 1 becomes very small. Therefore, the value of the ratio I 2 / I 1 is close to infinity.

【0033】しかし、炭化珪素結晶粒の<111>配向
性の強い条件Cを見るとI2 /I1はむしろこの表では
最大になっていることがわかる。このことはクリストバ
ライトは配向していないことを意味する。したがって、
前述の問題は解決され、<111>配向炭化珪素結晶粒
が少ないほど、クリストバライトの生成が少ないことが
証明された。
However, looking at the condition C in which the <111> orientation of the silicon carbide crystal grains is strong, it can be seen that I 2 / I 1 is rather the maximum in this table. This means that cristobalite is not oriented. Therefore,
The above problem was solved, and it was proved that the smaller the number of the <111> -oriented silicon carbide crystal grains, the smaller the generation of cristobalite.

【0034】表3に大気中酸化試料についての表2と同
様なピーク強度を示す。表3では同じ成膜条件で作製し
たそれぞれ2個の試料について個別に同じ条件で酸化試
験を実施し、試験片1、2として示した。本表より、メ
タン燃焼排ガス雰囲気中酸化試験結果と同様の結論が大
気雰囲気中酸化試料にも言え、<111>配向炭化珪素
結晶粒が少ないほど、クリストバライトの生成が少ない
ことが解った。
Table 3 shows the same peak intensities as in Table 2 for the oxidized samples in the atmosphere. In Table 3, an oxidation test was separately performed under the same conditions for two samples manufactured under the same film forming conditions, and the results are shown as test pieces 1 and 2. From this table, the same conclusion as the result of the oxidation test in the methane combustion exhaust gas atmosphere can be said for the oxidation sample in the air atmosphere, and it was found that the smaller the number of the <111> oriented silicon carbide crystal grains, the smaller the generation of cristobalite.

【0035】[0035]

【表3】 [Table 3]

【0036】以上の結果をまとめると、メタン燃焼排ガ
ス雰囲気、大気雰囲気のいずれにおいても1500℃以
上の高温では、炭化珪素皮膜中の<111>配向結晶粒
が少ないほど、クリストバライトの生成が少ないことが
結論される。したがって、<111>配向の結晶粒の分
率が少ないほど好ましいが、少ないことの目安として、
少なくともバルク多結晶粒の分率が少ないほど好ましい
が、少ないことの目安として、少なくともバルク多結晶
体で現れるランダム配向の場合の<111>配向結晶粒
の分率より少ないことが望ましい。なお、ランダム配向
の場合の<111>配向結晶粒の分率は、8dΩ/4π
である。ここにdΩは<111>軸の回りの許容立体角
であり、8は<111>の多重度因子、4πは全立体角
である。
Summarizing the above results, in both the methane combustion exhaust gas atmosphere and the air atmosphere, at a high temperature of 1500 ° C. or higher, the smaller the number of <111> -oriented crystal grains in the silicon carbide film, the smaller the generation of cristobalite. It is concluded. Accordingly, it is preferable that the fraction of the crystal grains having the <111> orientation be as small as possible.
It is preferable that at least the fraction of the bulk polycrystal grains is small, but it is desirable that the fraction be smaller than at least the fraction of the <111> oriented crystal grains in the case of random orientation appearing in the bulk polycrystal. The fraction of <111> -oriented crystal grains in the case of random orientation is 8dΩ / 4π
It is. Where dΩ is the allowable solid angle around the <111> axis, 8 is the multiplicity factor of <111>, and 4π is the full solid angle.

【0037】[0037]

【発明の効果】以上のように、本発明に従えば、高温酸
化性雰囲気中でクリストバライトの生成の少ない微細構
造を有する炭化珪素皮膜を形成するべく化学気相反応蒸
着法の条件を制御することにより、炭素系基材の酸化防
護性能が高い酸化防護皮膜が作製できる。
As described above, according to the present invention, it is possible to control the conditions of the chemical vapor deposition method to form a silicon carbide film having a fine structure with less generation of cristobalite in a high-temperature oxidizing atmosphere. Thereby, an oxidation protection film having a high oxidation protection performance for a carbon-based substrate can be produced.

【図面の簡単な説明】[Brief description of the drawings]

【図1】成膜条件Aで作成した本発明の実施例に酸化試
験を行った後のX線回析プロファイルを示す図表であ
る。
FIG. 1 is a chart showing an X-ray diffraction profile after performing an oxidation test on an example of the present invention prepared under film forming condition A.

【図2】成膜条件Bで作成した本発明の実施例に酸化試
験を行った後のX線回析プロファイルを示す図表であ
る。
FIG. 2 is a table showing an X-ray diffraction profile after performing an oxidation test on an example of the present invention prepared under film forming conditions B.

【図3】成膜条件Cで作成した本発明の実施例に酸化試
験を行った後のX線回析プロファイルを示す図表であ
る。
FIG. 3 is a table showing an X-ray diffraction profile after performing an oxidation test on an example of the present invention prepared under film forming conditions C;

【図4】成膜条件Dで作成した本発明の実施例に酸化試
験を行った後のX線回析プロファイルを示す図表であ
る。
FIG. 4 is a table showing an X-ray diffraction profile after performing an oxidation test on an example of the present invention prepared under film forming conditions D.

Claims (1)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 化学気相反応蒸着法により積層を形成し
基材の酸化を防護する多結晶ベータ炭化珪素皮膜であっ
て<111>配向する結晶粒の分率がランダム配向多結
晶体中の<111>配向結晶粒の分率より少ないことを
特徴とする酸化防護皮膜。
1. A polycrystalline beta silicon carbide film for forming a laminate by chemical vapor deposition to protect the substrate from oxidation, wherein the fraction of <111> -oriented crystal grains in the randomly-oriented polycrystalline body is <111> An oxidation protective film characterized by having a fraction less than the oriented crystal grains.
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