JPH10236892A - 還元性雰囲気炉用炭素複合材料及びその製造方法 - Google Patents

還元性雰囲気炉用炭素複合材料及びその製造方法

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JPH10236892A
JPH10236892A JP9058421A JP5842197A JPH10236892A JP H10236892 A JPH10236892 A JP H10236892A JP 9058421 A JP9058421 A JP 9058421A JP 5842197 A JP5842197 A JP 5842197A JP H10236892 A JPH10236892 A JP H10236892A
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 1000℃を超える高温の還元性ガス雰囲気
中においても、優れた還元性ガス反応抑制効果を発揮
し、製品寿命を大きく延ばすことができる還元性雰囲気
炉用炭素複合材料及びその製造方法を提供する。 【解決手段】 本発明の還元性雰囲気炉用炭素複合材料
は、黒鉛基材の表面に、微粒子が集合した結晶組織のT
aC被膜が形成され、かつ該被膜の組成比(Ta/C)
が0.8〜1.2であることを特徴とする。また、本発
明の還元性雰囲気炉用炭素複合材料の製造方法は、ター
ゲット材としての金属Ta及び反応ガスを使用してアー
クイオンプレーティング(AIP)式反応性蒸着法によ
り黒鉛基材の表面にTaC被膜を、その組成比(Ta/
C)が0.8〜1.2となるように形成することを特徴
とする。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、高温下における還
元性ガスとの反応抑制効果に優れた炭素複合材料、さら
に詳しくは1000℃を超える高温の還元性ガス雰囲気
中においても、炭素材料と還元性ガスとの反応抑制効果
を十分に発揮することができる炭化タンタル被覆黒鉛系
材料に関するものである。
【0002】
【従来の技術】従来、高温下におけるチッ素ガス、アン
モニアガス等の還元性ガス雰囲気下に晒される黒鉛系材
料は、当然ながら還元性ガスとの反応によって変質した
り目減りし、その材料に求められている本来の機能が十
分果たせなくなったとき、寿命が尽きたとして新しい部
材と取り換えることが行われる。
【0003】例えば、炉内に黒鉛系材料からなるヒータ
ーを配置し、炉内にアンモニアガスを導入してアンモニ
ア雰囲気を形成し、そのヒーターで炉内を1200℃程
度に加熱保持されたアンモニア雰囲気炉の場合について
いえば、ヒーターとしては一般には黒鉛基材の表面に炭
化ケイ素を被覆した黒鉛系材料が使用される。これは、
黒鉛基材そのものはアンモニアと非常に反応しやすいた
め、黒鉛製のヒーターでは短時間のうちに消耗が進行し
穴が開き始める、つまり断線が生じるため、このような
現象を回避して少しでもヒーターとしての寿命を長くで
きるように、アンモニアとの反応を緩和させる手段とし
て、黒鉛基材の表面に炭化ケイ素を被覆したものであ
る。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】しかし、上記の炭化ケ
イ素の被覆という手段は、あくまでもヒーターとアンモ
ニアとの反応を緩慢にしてヒーターの消耗を遅らせるこ
とを目的としており、黒鉛基材上の炭化ケイ素被膜とア
ンモニアとの反応が徐々に進行することに変わりはな
い。最大の理由は、炭化ケイ素の分解温度が約1400
℃であって、その近辺の温度域での蒸気圧が高いことに
よる。そして、炭化ケイ素被膜がアンモニアとの反応に
より徐々に薄くなり、黒鉛基材の露出にまで至ると、黒
鉛基材とアンモニアが一気に反応し、上述したように短
時間のうちに消耗が進行し穴が開き始め、つまり断線が
生じ、ヒーターとしての寿命が尽きることになる。
【0005】本発明者らは、かねてより還元性雰囲気炉
用炭素複合材料の研究を進めており、上記の炭化ケイ素
被覆炭素複合材料より優れた材料を開発するための糸口
として、遷移金属炭化物では一番融点が高く、かつ化学
的安定度が高いとされる炭化タンタル(以下「TaC」
で表示する。)に着目した。そして、黒鉛基材(ヒータ
ー)の上にTaCの被膜を形成するに際しては、まず特
開平6−280117号公報に開示のプラズマ溶射によ
る物理的蒸着法(いわゆるPVD法)及びCVD法を参
考に実験を行った。その後、CVR(化学気相反応)法
の実施による実験も行った。
【0006】しかし、TaCの融点が約4000℃と非
常に高いため、PVD法の実施は極めて困難であり、ま
たいわゆるCVR法により得られるTaC被膜は多孔質
となってしまうため、両法については実用的な成膜法と
して基本的に採用困難と判断した。結局、CVD法によ
り得られたTaC被覆黒鉛基材を高温の還元性ガス雰囲
気中で使用した所、わずか数回(約30時間)の使用で
TaC被膜にクラックが生じ、黒鉛基材とTaC被膜と
の間に剥離が生じた。
【0007】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的とするところは、1000℃を超え
る高温の還元性ガス雰囲気中においても、優れた還元性
ガス反応抑制効果を発揮し、製品寿命を大きく延ばすこ
とができる還元性雰囲気炉用炭素複合材料及びその製造
方法を提供する点にある。
【0008】
【課題を解決するための手段】本発明者らは、従来法
(CVD法)で得られたTaC被膜と黒鉛基材との間に
簡単に生じるクラックや剥離の原因を解明すべく、特に
結晶組織面から検討してきた。その結果、黒鉛基材上の
TaC被膜の結晶組織は繊維柱状(図5(a)参照)又
は柱状(図5(b)参照)をしており、さらにいずれの
場合も黒鉛基材とTaC被膜との密着力に弱い構造をし
ていることが判明した。
【0009】この結果、本発明者らは、TaC被膜の結
晶組織が微粒子が緻密に積層した状態であれば被膜内の
クラックの進行を著しく遅らせ、ひいては黒鉛基材とT
aC被膜との剥離の発生の大幅な抑制につながるはず、
との知見を得ることができ、この知見を基にそのような
微粒子が緻密に積層した結晶組織のTaC被膜を黒鉛基
材上に形成できる最適な反応性蒸着手段を見い出すべ
く、更に検討を重ね、本発明を完成した。
【0010】即ち、上記目的を達成し得た本発明の一つ
は、黒鉛基材の表面に、微粒子が緻密に積層した結晶組
織のTaCの被膜が形成され、かつ該被膜の組成比(T
a/C)が0.8〜1.2であることを特徴とする還元
性雰囲気炉用炭素複合材料である。また、第2の発明
は、さらにTaC被膜の膜厚が5〜100μmであるこ
とを追加構成要件とする還元性雰囲気炉用炭素複合材料
である。
【0011】さらに、第3の発明は、上記両発明をアン
モニア雰囲気炉用炭素複合材料として利用する用途発明
であり、また、第4の発明は、還元性雰囲気炉用炭素複
合材料を半導体薄膜の成膜炉用ヒーターに利用する用途
発明である。半導体薄膜としては、Si、GaAs、G
aInP、GaN、InGaNなどが例示できる。さら
に、第5の発明は、ターゲット材としての金属Ta及び
反応ガスを使用してアークイオンプレーティング(AI
P)式反応性蒸着法(以下単に「AIP法」という。)
により黒鉛基材の表面にTaCの被膜を形成する還元性
雰囲気炉用炭素複合材料の製造方法であって、前記被膜
の組成比(Ta/C)が0.8〜1.2となるように前
記反応ガスの流量及びアーク放電電流を調節することを
特徴とする還元性雰囲気炉用炭素複合材料の製造方法で
ある。
【0012】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照しつつ説明する。図1は、本発明に係る還元性雰
囲気炉用炭素複合材料を示す断面模式図であり、図2
は、本発明の製造方法の一例を示す工程図、図3は、A
IP処理を実施するためのAIP装置を示す原理説明図
である。
【0013】図1(a)において、本発明の複合材料1
は、黒鉛基材2の表面にTaC被膜3が形成された構造
をしている。図1(b)は、TaC被膜3の一部を拡大
した模式図である。黒鉛基材2としては、高純度等方性
黒鉛製のものが望ましい。また、TaC被膜3は、φ1
〜10μm程度のTaC微粒子が均質かつ緻密に詰まっ
て積層した状態の結晶組織からなる層であり、その場合
嵩密度が14.30g/cm3 以上であるようなものが
望ましい。アウトガスの少ない高純度等方性黒鉛基材を
使うのは、高温で黒鉛基材から放出するガス(H2 、C
4 、C0、C02 、H2 Oなど)及び不純物が少な
く、また電気抵抗率や熱膨張率が各方向における方向性
が少ないためである。なお、TaC被膜が多孔質に形成
されるのを防ぐため、TaC被膜の嵩密度が14.30
g/cm3 以上とすることによって、外部からのガス侵
入を抑制することができる。
【0014】また、TaC被膜の組成比(Ta/C)
は、X線光電子分光計(ESCA)による測定値基準で
0.8〜1.2であることが望ましい。(Ta/C)が
0.8未満では、Taが本来有する高耐熱性が低下しや
すく、その分、黒鉛基材2と高温還元性ガスが反応しや
すくなるからであり、一方(Ta/C)が1.2を超え
る場合は、黒鉛基材2とTaC被膜3との熱膨張係数の
差が両者の密着状態を保持し得る許容量を超え、両者が
剥がれやすくなるからである。
【0015】上記の特性を有するTaC被膜3を形成す
るには、後に詳記するようにターゲット材としての金属
タンタル及び反応ガスを使用したAIP法の実施が有効
である。
【0016】従って、本発明の複合材料1を高温の還元
性ガス、例えばアンモニア雰囲気下に晒しても、TaC
被膜3としては微粒子が緻密に積層した結晶組織である
ために、たとえ黒鉛基材2中の不純物(Fe、Al等)
が拡散してTaC被膜3に到達しても、柱状又は繊維柱
状結晶組織と異なり微粒子状結晶組織のTaC被膜3内
の抜け出しは非常に困難となる。また、高温でTaC皮
膜にピンホール及びクラックが生じるまでの時間を非常
に長く延ばすことができる。
【0017】従って、ピンホール及びクラックが生じる
まではTaCの本来有する好ましい特長がそのまま生か
されることになる。即ち、高耐熱性及び高温還元性ガス
に対する化学的安定性(例えば、アンモニアガスの場合
1500℃でも安定しており、水素ガスの場合2000
℃でも安定している。)を有効に発揮して、複合材料1
の寿命を従来品よりも大きく延ばすことができる。
【0018】また、TaC被膜3は、その厚みが5〜1
00μm、望ましくは10〜90μmとなるように形成
しておくことが望ましい。TaC被膜3を黒鉛基材2の
表面に支承なく形成するためには、少なくとも5μmは
必要となる一方、100μmを超えると、TaC被膜3
と黒鉛基材2との剥離が生じやすくなるからである。T
aC被膜3の厚みをこのように最適な範囲に設定するこ
とにより、還元性ガス反応抑制効果を十分に発揮させつ
つも、必要以上の被膜形成に要するコストの無駄を省
き、製品コストの上昇を防止することができる。
【0019】次に、本発明の製造方法の一例を図2及び
図3を参照しつつ説明する。まず、黒鉛基材2を洗浄部
4へ導入して、有機溶剤で表面を清浄にする。清浄化し
た黒鉛基材2をAIP工程に導き該工程内で黒鉛基材2
の表面にTaCを被覆する。AIP工程は通常図3に示
すようなAIP装置を使用して図2の一点鎖線枠内に示
すような手順(真空引き→加熱→下地処理→コーティン
グ→冷却)で行う。即ち、清浄化した黒鉛基材2をチャ
ンバ5内の回転テーブル6に1個又は複数個載置した
後、チャンバ5内を10-5Torr程度まで真空引き
し、次いでチャンバ5内を400〜600℃程度に加熱
する。
【0020】次に、供給口7からArガスをチャンバ5
内に導入し、−600Vのバイアス電源8を負荷させな
がらArスパッタリングによるドライエッチングを行
う。いわゆる下地処理である。この後、コーティング操
作に入り、ターゲット材(金属Ta)10に通電するア
ーク電源11及びバイアス電源8をそれぞれ所定の電流
及び電圧に設定すると共に、供給口7からCH4 ガス等
の反応ガスを所定の流量で供給し、ターゲット材10か
ら飛び出したTa微粒子を反応ガス粒子と共に黒鉛基材
2の表面にTaC微粒子として付着させる。このコーテ
ィング操作を所定の時間保持することにより、黒鉛基材
2の表面にTaC微粒子が緻密かつ均質に積層した結晶
組織のTaC被膜を5〜100μmの範囲で必要な厚み
だけ形成することができる。
【0021】コーティング操作が終了すれば、チャンバ
5内を所定温度まで冷却した後、製品としてのTaC被
膜黒鉛材料をチャンバ5から取り出す。
【0022】
【実施例】
(実施例1〜4)図4に示す円筒型スリット型(φ10
0mm×t5mm)の形状寸法からなる黒鉛製ヒーター
であって、黒鉛の特性として嵩密度が1.82(g/c
3 )、熱膨張係数が7.1(10-6/K)のものに対
してAIP処理を行い、黒鉛製ヒーターの表面にTaC
被膜を形成した。TaC被膜の組成比(Ta/C)の変
更はCH4 ガスの流量及びアーク電流を調整することに
より行い、TaC被膜の膜厚の変更は蒸着時間を調整す
ることにより行った。AIP条件は、次の通りである。 ターゲット材:金属Ta 反応ガス :CH4 熱処理温度 :400〜600℃ ベース圧力 :1×10-5Torr 蒸着圧力 :20mTorr 蒸着電流 :200A 蒸着電圧 :43V バイアス電圧:−20V 蒸着時間 :25分(5μm)〜500分(100
μm) 得られたTaC被膜の嵩密度は14.30g/cm3
上であった。
【0023】膜厚一定(30μm)の条件下で得られた
製品としてのアンモニア雰囲気炉用ヒーターをそれぞれ
使用して、1200℃のアンモニア雰囲気下にある半導
体薄膜の成膜炉での成膜実験を順次、繰り返して行っ
た。断線した時点をもってヒーターの寿命とした。その
結果を、表1に示す。
【0024】
【表1】
【0025】(比較例1)実施例1〜4と同一の形状寸
法及び特性からなる黒鉛製ヒーターに対してCVD処理
を行い、ヒーターの表面にSiC被膜を30μmの厚み
で形成した。得られた従来型製品としてのアンモニア雰
囲気炉用ヒーターを使用して、実施例1と同様にして同
一条件下にある半導体薄膜の成膜炉での成膜実験を繰り
返し行い、断線した時点をもってヒーターの寿命とし
た。結果は、表1に併せて示す。表1からも明らかなよ
うに、従来型ヒーターの場合は50回の繰り返し使用で
(延べ時間にして150時間の使用で)断線したのに対
し、本発明に係るヒーターの場合は、500回繰り返し
使用しても(延べ時間にして1500時間使用して
も)、断線は起こらなかった。
【0026】なお、熱処理(成膜実験)後における実施
例3及び実施例4のそれぞれのTaC被膜について、走
査型電子顕微鏡で観察した結果が図6(a)、(b)に
示すSEM写真である。このSEM写真からも、TaC
被膜の組成比(Ta/C)が本発明の要件を満たす場合
は、クラックの発生が認められず、要件を外れる場合
は、クラックが進行していることが分かる。
【0027】(実施例5〜8)次に、(Ta/C)=1
(一定)の条件下で実施例1〜4と同様にAIP処理し
てTaC被膜の膜厚が表2のように異にして得られた製
品としてのアンモニア雰囲気炉用ヒーター(4種類)を
それぞれ使用して、実施例1〜4と同様に1200℃の
アンモニア雰囲気下にある半導体薄膜の成膜炉での成膜
実験を順次、繰り返して行った。断線した時点をもって
ヒーターの寿命とした。その結果を、表2に併せて示
す。
【0028】
【表2】
【0029】(比較例2)実施例1〜8と同一の形状寸
法及び特性からなる黒鉛製ヒーターに対してCVD処理
を行い、ヒーターの表面にSiC被膜を100μmの厚
みで形成した。得られた従来型製品としてのアンモニア
雰囲気炉用ヒーターを使用して、実施例1〜8と同様に
して同一条件下にある半導体薄膜成膜炉での成膜実験を
繰り返し行い、断線した時点をもってヒーターの寿命と
した。結果は、表2に併せて示す。表2からも明らかな
ように、従来型ヒーターの場合は50回の繰り返し使用
で(延べ時間にして150時間の使用で)断線したのに
対し、本発明に係るヒーターの場合は、500回繰り返
し使用しても(延べ時間にして1500時間使用して
も)、断線は起こらなかった。
【0030】
【発明の効果】本発明の効果を要約すると、次のとおり
である。 本発明の複合材料は、微粒子状の緻密で均質な積層結
晶組織を有するTaC被膜を黒鉛基材の表面に被覆した
構成であるため、高温の還元性雰囲気下で黒鉛基材中の
不純物(Fe、Al等)が拡散してTaC被膜の下層に
到達しても、TaC被膜内からの抜け出しは非常に困難
となる。また、高温でTaC被膜にピンホール及びクラ
ックが生じるまでの時間を非常に長く延ばすことができ
る。従って、ピンホールが生じるまではTaCの本来有
する好ましい特長である高耐熱性及び化学的安定性が有
効に発揮され、複合材料からなる製品の寿命を従来品よ
りも大きく延ばすことができる。
【0031】また、TaC被膜の厚みを5〜100μ
m、望ましくは10〜90μmとなるように形成してお
くことにより、上記の効果を十分に発揮させつつも、
必要以上の被膜形成に要するコストの無駄を省き、製品
コストの上昇を防止することができる。 本発明の複合材料を半導体薄膜の成膜炉用ヒーターに
適用した場合には、このヒーターの著しい延命化によ
り、半導体薄膜の成膜に要するコストの低減化を図るこ
とができる。 TaC被膜の形成には、コンパクトな汎用装置でもあ
るAIP装置を利用できるので、経済的である。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る還元性雰囲気炉用炭素複合材料を
示す断面模式図である。
【図2】本発明の製造方法の一例を示す工程図である。
【図3】AIP処理を実施するためのAIP装置を示す
原理説明図である。
【図4】半導体薄膜の成膜炉用ヒーターの概略斜視図で
ある。
【図5】CVD法で成膜したTaC被膜の結晶組織を示
す要部断面模式図であり、(a)は結晶組織が繊維柱状
のもの、(b)は柱状のものを示す図である。
【符号の説明】
1 本発明複合材料 2 黒鉛基材 3 TaC被膜 4 洗浄部 5 チャンバ 6 回転テーブル 7 供給口 8 バイアス電源 9 排気口 10 ターゲット材(金属Ta) 11 アーク電源 12 陽極
【手続補正書】
【提出日】平成9年4月22日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る還元性雰囲気炉用炭素複号材料
を示す断面模式図である。
【図2】 本発明の製造方法の一例を示す工程図であ
る。
【図3】 AIP処理を実施するためのAIP装置を示
す原理説明図である。
【図4】 半導体薄膜の成膜炉用ヒーターの概略斜視図
である。
【図5】 CVD法で成膜したTaC被膜の結晶組織を
示す要部断面模式図であり、(a)は結晶組織が繊維柱
状のもの、(b)は柱状のものを示す図である。
【図6】 実施例3及び実施例4のそれぞれのTaC被
膜にっいてのSEM写真を示す図である。
【符号の説明】 1 本発明複号材料 2 黒鉛基材 3 TaC被膜 4 洗浄部 5 チャンバ 6 回転テーブル 7 供給口 8 バイアス電源 9 排気口 10 ターゲット材(金属Ta) 11 アーク電源 12 陽極 ─────────────────────────────────────────────────────
【手続補正書】
【提出日】平成9年4月24日
【手続補正1】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】図面の簡単な説明
【補正方法】変更
【補正内容】
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明に係る還元性雰囲気炉用炭素複合材料
を示す断面模式図である。
【図2】 本発明の製造方法の一例を示す工程図であ
る。
【図3】 AIP処理を実施するためのAIP装置を示
す原理説明図である。
【図4】 半導体薄膜の成膜炉用ヒーターの概略斜視図
である。
【図5】 CVD法で成膜したTaC被膜の結晶組織を
示す要部断面模式図であり、(a)は結晶組織が繊維柱
状のもの、(b)は柱状のものを示す図である。
【図6】 実施例3及び実施例4のそれぞれのTaC被
膜についてのSEM写真を示す図である。
【符号の説明】 1 本発明複合材料 2 黒鉛基材 3 TaC被膜 4 洗浄部 5 チャンバ 6 回転テーブル 7 供給口 8 バイアス電源 9 排気口 10 ターゲット材(金属Ta) 11 アーク電源 12 陽極

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 黒鉛基材の表面に、微粒子が積層した結
    晶構造の炭化タンタルの被膜が形成され、かつ該被膜の
    組成比(Ta/C)が0.8〜1.2であることを特徴
    とする還元性雰囲気炉用炭素複合材料。
  2. 【請求項2】 前記炭化タンタルの被膜の膜厚が5〜1
    00μmである請求項1記載の還元性雰囲気炉用炭素複
    合材料。
  3. 【請求項3】 前記還元性雰囲気炉がアンモニア雰囲気
    炉である請求項1又は請求項2に記載の還元性雰囲気炉
    用炭素複合材料。
  4. 【請求項4】 上記炭素複合材料が成膜炉用ヒーターで
    ある請求項1乃至請求項3のいずれか一項に記載の還元
    性雰囲気炉用炭素複合材料。
  5. 【請求項5】 ターゲット材としての金属タンタル及び
    反応ガスを使用してアークイオンプレーティング(AI
    P)式反応性蒸着法により黒鉛基材の表面に炭化タンタ
    ルの被膜を形成する還元性雰囲気炉用炭素複合材料の製
    造方法であって、前記被膜の組成比(Ta/C)が0.
    8〜1.2となるように前記反応ガスの流量及びアーク
    放電電流を調節することを特徴とする還元性雰囲気炉用
    炭素複合材料の製造方法。
JP05842197A 1997-02-25 1997-02-25 還元性雰囲気炉用炭素複合材料及びその製造方法 Expired - Lifetime JP4498476B2 (ja)

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