KR20210144583A

KR20210144583A - 탄소 복합 부재

Info

Publication number: KR20210144583A
Application number: KR1020210063805A
Authority: KR
Inventors: 히로 기타구치; 도시키 이토
Original assignee: 이비덴 가부시키가이샤
Priority date: 2020-05-22
Filing date: 2021-05-18
Publication date: 2021-11-30
Also published as: KR102623801B1; JP7517866B2; CN113698231B; CN113698231A; JP2021183553A

Abstract

[과제] 흑연 기재의 전체를 덮음과 함께, 견고한 열분해 탄소층을 갖는 탄소 복합 부재를 제공한다.
[해결수단] 흑연 기재(1) 상에 복수의 열분해 탄소층이 형성된 탄소 복합 부재이며, 하나의 열분해 탄소층인 제1층(2A)과 이것에 인접하는 다른 열분해 탄소층인 제2층(2B)의 경계에, 기공(3)이 존재하는 기공 영역(4)을 갖는 탄소 복합 부재.

Description

탄소 복합 부재{CARBON COMPOSITE MATERIAL}

본 발명은, 탄소 복합 부재에 관한 것이다.

흑연 등의 탄소 재료는 화학적 안정성, 내열성, 기계 특성이 우수하다는 점에서, 반도체 제조, 화학 공업, 기계, 원자력 등, 많은 분야에 걸쳐 사용되고 있다. 또한, 흑연 자체는 다공체이기 때문에, 세공의 내부에 가스, 수분, 불순물 등을 흡착하기 쉽기 때문에 세공 내부가 오염되기 쉽다. 그 때문에, 이들 오염 물질이 세공으로부터 재방출되지 않도록 열분해 탄소의 코팅을 실시함으로써, 흑연의 악영향을 경감하는 기술이 알려져 있다.

열분해 탄소는 단단하고, 기체 불침투로 치밀한 막을 형성하기 때문에, 특히 고순도의 환경 하에서의 사용에 적합하다.

특허문헌 1에는 이러한 용도로서, 탄소 재료를 포함하고, 적어도 원료 가스와 접하는 면에 열분해 탄소층이 형성되어 있고, 상기 원료 가스와 접하는 면의 습윤 장력이 62.0mN/m 이상인 반도체 제조 장치용 부재가 기재되어 있다.

일본 특허 공개 제2007-12933호 공보

그러나, 상기 기재된 기술은 비교적 작은 웨이퍼를 대상으로 하는 반도체 제조 장치에 관한 것이고, 내부로의 가스, 수분, 불순물의 흡착이나 그것들의 방출을 방지하기 위해서는, 코팅 시에 생기는 지지점을 막고, 흑연 기재와 같은 탄소 재료의 전체면을 덮을 필요가 있음과 함께, 특히 사이즈가 큰 탄소 복합 부재에서는, 취급 시에 열분해 탄소의 코팅에 가하는 충격이 커서 박리를 방지할 필요가 있다.

본 발명은 상기 과제를 감안하여, 흑연 기재의 전체를 덮음과 함께 견고한 열분해 탄소층을 갖는 탄소 복합 부재를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 탄소 복합 부재는, 이하와 같다.

(1) 흑연 기재 상에 복수의 열분해 탄소층이 형성된 탄소 복합 부재이며,

하나의 상기 열분해 탄소층과 이것에 인접하는 다른 상기 열분해 탄소층의 경계에, 기공이 존재하는 기공 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 탄소 복합 부재.

본 발명에 따른 탄소 복합 부재에 의하면, 열분해 탄소층이 복수층을 포함하기 때문에, 흑연 기재의 가스, 수분, 불순물의 흡착 및 방출의 방지 효과를 높일 수 있다.

한편, 열분해 탄소층은 흑연의 결정이 면 방향으로 넓어진 이방성이 높은 재료이고, 면 방향으로는 견고하게 탄소끼리가 결합한 흑연의 a축 방향이 넓어지고, 두께 방향을 따라서, 반데르발스 힘으로 약하게 결합한 흑연의 c축 방향이 연장되어 있다. 이 때문에, 복수 적층된 열분해 탄소층은, 하나의 열분해 탄소층과 이것에 인접하는 열분해 탄소층의 경계가 약하고, 박리되기 쉬워진다. 한편, 본 발명에 따른 탄소 복합 부재에서는, 하나의 열분해 탄소층과 이것에 인접하는 다른 열분해 탄소층의 경계에, 기공이 존재하는 기공 영역을 갖기 때문에, 기공의 주위에서 열분해 탄소의 결정 방향이 어지럽혀져, 앵커 효과를 강하게 할 수 있고, 층간 박리를 방지하는 효과가 있다.

또한, 상기 과제를 해결하기 위한 본 발명에 따른 탄소 복합 부재는, 이하의 양태인 것이 바람직하다.

(2) 상기 복수의 열분해 탄소층을, 상기 흑연 기재에 가까운 측으로부터 순서대로 제1층, 제2층, …, 제n-1층, 제n층으로 할 때,

상기 제1층이 제1 개구부를 갖고, 상기 제n층이 제n 개구부를 가짐과 함께,

상기 제1 개구부와 상기 제n 개구부는, 상기 흑연 기재에 대하여 다른 위치에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 (1)에 기재된 탄소 복합 부재.

본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 탄소 복합 부재는, 흑연 기재에 가까운 측의 제1층에 있는 제1 개구부와, 가장 외측의 제n층에 있는 제n 개구부가 흑연 기재에 대하여 다른 위치에 있기 때문에, 제1 개구부가 폐색되고, 흑연 기재로부터의 가스나 수분, 불순물 등의 방출을 방지함과 함께, 외부로부터의 가스나 수분, 불순물 등의 흡착을 방지한다.

(3) 상기 제2층이 상기 제1 개구부를 덮음과 함께, 상기 제1 개구부 주변에 있어서의 상기 제1층과 상기 제2층의 경계의 상기 기공 영역은, 상기 흑연 기재를 향하여 경사져서 신장되어 있는 것을 특징으로 하는 (2)에 기재된 탄소 복합 부재.

본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 탄소 복합 부재는, 제2층이 제1층에 있는 제1 개구부를 덮고 있기 때문에, 흑연 기재의 가스, 수분, 불순물의 방출 및 외부로부터의 흡착을 방지하는 효과를 높일 수 있다. 또한, 제1 개구부의 주변에 있어서의 제1층과 제2층의 경계의 기공 영역이, 흑연 기재를 향하여 경사져서 신장되어 있기 때문에, 응력 집중이 일어나기 쉬운 제1 개구부의 경계 부분의 보강 효과를 높일 수 있다.

(4) 상기 제n층과 상기 제n층의 바로 아래의 상기 제n-1층의 경계에 상기 기공 영역을 갖고, 상기 제n층은, 상기 제n 개구부를 향하여 서서히 얇아지고 있는 것을 특징으로 하는 (2) 또는 (3)에 기재된 탄소 복합 부재.

본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 탄소 복합 부재는, 제n층과 제n층의 바로 아래의 제n-1층의 경계에 상기 기공 영역을 갖고, 제n층이 제n 개구부를 향하여 서서히 얇아지고 있으므로, 응력 집중을 완화하여, 다른 부위와 비교하여 두께가 얇은 제n 개구부의 경계 부분의 보강 효과를 높일 수 있다.

(5) 상기 기공은, 최대 기공 직경이 0.5 내지 3.0㎛인 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (4) 중 어느 하나에 기재된 탄소 복합 부재.

본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 탄소 복합 부재는, 기공의 최대 기공 직경이 0.5㎛ 이상임으로써, 기공의 주위에 생기는 배향의 방향성이 다른 열분해 탄소의 성분을 충분히 확보할 수 있고, 기공의 생성에 의해 앵커 효과를 충분히 발휘할 수 있다.

또한, 기공의 최대 기공 직경이 3.0㎛ 이하임으로써, 기공의 주위로의 응력 집중을 저감하고, 기공이 존재함으로써 강도가 저하되는 것을 방지할 수 있다.

(6) 상기 열분해 탄소층의 합계 두께가 5 내지 400㎛인 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (5) 중 어느 하나에 기재된 탄소 복합 부재.

본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 탄소 복합 부재는 열분해 탄소층의 합계 두께가 5㎛ 이상임으로써, 다공체인 흑연 기재의 요철을 충분히 덮을 수 있고, 기체의 불침투성을 확보할 수 있다. 또한, 열분해 탄소층의 합계 두께가 400㎛ 이하임으로써, 흑연 기재와 열분해 탄소층의 열 변형에 의한 휨이나 박리를 방지할 수 있다.

(7) 상기 흑연 기재가 등방성 흑연재인 것을 특징으로 하는 (1) 내지 (6) 중 어느 하나에 기재된 탄소 복합 부재.

본 발명의 바람직한 실시 형태에 따른 탄소 복합 부재는, 흑연 기재가 등방성 흑연재이고, 등방성 흑연은 특성의 이방성이 작고 균일성이 높기 때문에, 열분해 탄소층과의 열팽창 계수차가 장소, 방향에 따른 차이가 작아, 박리되기 어렵게 할 수 있다.

한편, 열분해 탄소층은, 흑연의 결정이 면 방향으로 넓어진 이방성이 높은 재료이고, 면 방향으로는 견고하게 탄소끼리가 결합한 흑연의 a축 방향이 넓어지고, 두께 방향을 따라서, 반데르발스 힘으로 약하게 결합한 흑연의 c축 방향이 연장되어 있다. 이 때문에, 복수 적층된 열분해 탄소층은, 하나의 열분해 탄소층과 이것에 인접하는 열분해 탄소층의 경계가 약하고, 박리되기 쉬워진다. 한편, 본 발명에 따른 탄소 복합 부재에서는, 하나의 열분해 탄소층과 이것에 인접하는 다른 열분해 탄소층의 경계에, 기공이 존재하는 기공 영역을 갖기 때문에, 기공의 주위에서 열분해 탄소의 결정 방향이 어지럽혀져, 앵커 효과를 강하게 할 수 있고, 층간 박리를 방지하는 효과가 있다.

도 1은, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 탄소 복합 부재의 단면의 확대도이다.
도 2는, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 탄소 복합 부재의 제조 공정을 도시하는 도면이다.
도 3은, 본 발명의 실시 형태 2에 관한 탄소 복합 부재의 단면도이다.
도 4는, 본 발명의 실시 형태 2에 관한 탄소 복합 부재의 A부 단면의 확대도이다.
도 5는, 본 발명의 실시 형태 2에 관한 탄소 복합 부재의 B부 단면의 확대도이다.
도 6은, 본 발명의 실시 형태 2에 관한 탄소 복합 부재의 제조 공정을 도시하는 도면이다.
도 7은, 도 6에 도시하는 제조 공정에 있어서의, (C) 공정, (D) 공정 및 (E) 공정에서 형성되는 각 층을 도시하는 확대도이다.

<실시 형태 1>

먼저, 본 발명의 실시 형태 1에 대하여 설명한다. 도 1은, 본 발명의 실시 형태 1에 관한 탄소 복합 부재를 도시하는 도면이고, 상세하게는 탄소 복합 부재의 표면 근방의 단면의 확대도이다.

흑연 기재(1) 상에는, 하나의 열분해 탄소층인 제1층(2A), 및 다른 열분해 탄소층인 제2층(2B)이 적층되어 형성되어 있다. 또한, 제1층(2A)과 제2층(2B)의 경계에는, 다수의 기공(3)이 층상으로 넓어지도록 형성되어 있다. 기공(3)이 층상으로 존재하고 있는 영역이 기공 영역(4)이다.

제1층(2A) 및 제2층(2B)이 되는 열분해 탄소층은 CVD법에 의해 형성할 수 있다. 열분해 탄소층의 주요 부분에서는, 흑연 기재(1)의 면 방향을 따라서 a축 방향이 넓어지고, 수직 방향을 따라서 c축 방향이 연장되어 있다. 그 때문에, 복수의 열분해 탄소층이 적층된 것이면, 열 변형 등이 발생한 경계 영역으로부터 박리가 발생하기 쉬워진다. 그래서 본 실시 형태에 따른 탄소 복합 부재에서는, 서로 인접하는 제1층(2A)과 제2층(2B)의 경계에, 기공(3)이 존재하는 기공 영역(4)을 형성함으로써, 열분해 탄소층의 배열을 어지럽혀서 박리되기 어렵게 하고 있다.

이러한 기공 영역(4)은, 다음과 같이 하여 얻을 수 있다.

도 2는, 도 1에 도시한 탄소 복합 부재의 제조 공정을 도시하는 도면이다. 먼저, 목적으로 하는 형상의 흑연 기재(1)를 준비한다. 흑연 기재(1)에 열분해 탄소층을 형성하면 두께분만큼 커지므로, 탄소 복합 부재로서의 사이즈나, 형성하는 열분해 탄소층의 두께에 따라서 조금 작게 가공하는 것이 바람직하다. 또한, 열분해 탄소층과의 밀착성을 높이기 위하여 흑연 기재(1)의 표면을 조면으로 가공해도 된다.

그리고, 흑연 기재(1)를 CVD로 중에 놓고, 성막 온도까지 상승시킨 뒤, 원료 가스를 도입한다. 성막 온도는 특별히 한정되지 않지만, 예를 들어 800 내지 2000℃로 할 수 있다. 열분해 탄소층을 얻기 위한 원료 가스는 탄화수소라면 특별히 한정되지 않는다. 예를 들어 메탄, 에탄, 프로판, 부탄 등의 알칸, 에틸렌, 프로필렌 등의 알켄, 아세틸렌 등의 알킨 외에, 벤젠, 톨루엔 등의 방향족계의 원료 가스를 사용해도 된다.

그리고 성막 온도를 유지하고, 일정 시간 원료 가스를 도입함으로써, 제1층(2A)이 되는 하나의 열분해 탄소층을 흑연 기재(1)의 표면에 성막한다. 또한, 캐리어 가스로서는, Ar 등의 불활성 가스를 사용할 수 있다.

계속해서, 열분해 탄소층인 제1층(2A)이 소정의 두께가 된 단계에서, 제1층(2A)의 표면에, 하기에서 상세하게 설명하는 것과 같은 방법에 의해 기공 영역(4)을 형성한다. 또한, 기공 영역(4)을 형성한 후, 열분해 탄소를 성막의 CVD 조건으로 일정하게 하여, 기공 영역(4)이 형성된 열분해 탄소층 상에 연속하여, 제2층(2B)이 되는 다른 열분해 탄소층을 형성한다.

열분해 탄소층은 안정된 성막 상태이면, 흑연 기재(1)에 대하여 수평 방향(도면 중의 좌우 방향)으로 a축 방향이 넓어지고, 흑연 기재(1)에 대하여 수직 방향(도면 중의 상하 방향)으로 c축 방향이 연장되도록, 방향성이 정렬된 상태로 형성되지만, 불안정한 성막 상태이면 흑연 기재(1)의 상방에서 원료 가스가 열분해되어, 파티클이 되어서 흑연 기재(1)에 내려 쌓여 열분해 탄소층의 배열에 혼란을 발생시킨다. 이러한 배열의 혼란이 열분해 탄소층의 주요 부분에 생성되면, 기밀성이 나빠지는 등 열분해 탄소층의 기능을 저하시키는 원인이 된다.

그러나, 본 실시 형태에 따른 탄소 복합 부재에서는, 제1층(2A)과 제2층(2B)의 경계에 기공 영역(4)을 생성시키기 때문에, 탄소 복합 부재의 성능을 열화시키는 원인은 되지 않고, 오히려 복수의 열분해 탄소층인 제1층(2A)과 제2층(2B)의 접합력을 강화하도록 작용하여, 박리되기 어렵게 하는 효과가 있다.

기공 영역(4)은, 제1층(2A)의 성막 종료 시, 또는 제2층(2B)의 성막 개시 시 중 어느 것에서도 형성할 수 있다. 예를 들어, 제2층(2B)의 성막 개시 시에 형성하는 경우에는, 개시 시에 가스 분압을 높이거나, 또는 온도를 높이거나 하는 등 일단 불안정한 상황에 두고, 제1층(2A)의 표면에 파티클을 생성시킨 뒤, 안정된 조건에서 제2층(2B)이 되는 열분해 탄소층의 형성을 행한다. 또한, 제1층(2A)의 성막 종료 시에 형성하는 경우에는, 종료 시에 가스 분압을 높이거나, 또는 온도를 높이거나 하는 등 하여 일단 불안정한 상황에 두고, 파티클을 생성시킨 뒤, 안정된 조건에서 제2층(2B)이 되는 열분해 탄소층의 형성을 행한다. 파티클은 제1층(2A)의 표면 상에 점재하여 내려 쌓이기 때문에, 그 위에 제2층(2B)이 되는 열분해 탄소층이 성막되면, 파티클의 주변에는 기공(3)이 형성된다. 이 기공(3)은 제1층(2A)과 제2층(2B)의 경계에 층상으로 넓어져 있고, 기공 영역(4)이 된다.

이 열분해 탄소의 파티클을 생성하고, 침적시키기 위한 조건의 일례로서는, CVD로 내의 압력을 10 내지 10000Pa, 온도를 800 내지 2000℃로 하는 것을 들 수 있다.

또한, 보다 많은 열분해 탄소의 파티클을 제1층(2A)의 표면에 침적시켜 기공(3)을 보다 많이 형성시키기 위해서는, CVD로에 있어서, 열분해 탄소층의 상부 공간이 넓어지도록 하면 된다. 상부 공간이 넓으면, 생성되는 열분해 탄소의 파티클의 양이 많아지고, 보다 많은 열분해 탄소의 파티클을 제1층(2A)의 표면에 침적시킬 수 있다.

또한, 상기에서는 열분해 탄소층을 제1층(2A)과 제2층(2B)의 2층 구조로 한 경우를 예로서 나타내고 있지만, 본 실시 형태에 따른 열분해 탄소층은 3층 이상의 복수층으로 할 수 있다. 그 경우에, 기공 영역(4)의 형성은 마찬가지로 하여 각 층의 제막 개시 시에 형성해도 되고, 종료 시에 형성할 수도 있다. 또한, 열분해 탄소층이 3층 이상인 경우에 있어서, 상기 기공 영역(4)은 적어도 1조의 인접하는 열분해 탄소층간의 경계에 갖고 있으면 본원 발명의 효과를 발휘하지만, 층간 박리를 방지하는 효과를 충분히 발휘하기 위해서는, 인접하는 1조의 열분해 탄소층간의 경계 모두에 기공 영역(4)을 갖는 것이 바람직하다.

또한, 열분해 탄소층은 흑연 기재(1)의 양면에 형성할 수 있고, 흑연 기재(1)의 어느 표면에 열분해 탄소층을 형성한 후, 흑연 기재(1)를 뒤집어서 다른 쪽의 면이 상면이 되는 성막을 행하면 된다. 또는, 흑연 기재(1)의 전체면을 덮도록 열분해 탄소층을 형성해도 된다. 그리고, 각 층의 성막 개시 시, 또는 성막 종료 시에 마찬가지로 하여 기공 영역(4)을 형성하면 된다.

계속해서, 기공(3)은 최대 기공 직경이 0.5 내지 3.0㎛인 것이 바람직하다. 기공(3)의 최대 기공 직경이 0.5㎛ 이상임으로써, 기공(3)의 주위에 생기는 배향의 방향성이 다른 열분해 탄소의 성분을 충분히 확보할 수 있고, 기공(3)의 생성에 의해 앵커 효과를 충분히 발휘할 수 있다. 또한, 기공(3)의 최대 기공 직경이 3.0㎛ 이하임으로써, 기공(3)의 주위로의 응력 집중을 저감하고, 기공(3)이 존재함으로써 강도가 저하되는 것을 방지할 수 있다. 또한, 보다 바람직한 기공(3)의 최대 기공 직경은 1 내지 2㎛이다.

기공 영역(4)은, 너무 두꺼우면 기공(3)을 기점으로 하는 박리가 발생하기 쉽고, 너무 얇으면 열분해 탄소의 배향을 어지럽히는 효과가 적고, 상하의 열분해 탄소층끼리의 접합력을 강화하는 효과를 얻지 못하게 된다. 따라서, 기공 영역(4)의 두께는 0.5 내지 20㎛가 바람직하고, 1 내지 5㎛가 보다 바람직하다.

열분해 탄소층의 합계 두께는 5 내지 400㎛인 것이 바람직하다. 열분해 탄소층의 합계 두께가 5㎛ 이상임으로써, 다공체인 흑연 기재(1)의 요철을 충분히 덮을 수 있고, 기체의 불침투성을 확보할 수 있다. 또한, 열분해 탄소층의 합계 두께가 400㎛ 이하임으로써, 흑연 기재(1)와 열분해 탄소층의 열 변형에 의한 휨이나 박리를 방지할 수 있다. 또한, 보다 바람직한 열분해 탄소층의 합계 두께는 10 내지 200㎛이다.

여기서, 열분해 탄소층의 두께는 기공 영역(4)을 제외한 두께이며, 예를 들어 제1층(2A)의 두께에 대해서는, 흑연 기재(1)에 성막한 제1층(2A)의 막 두께이고, 파티클을 생성시키기 위하여 성막 조건을 바꾸어서 성막한 열분해 탄소의 퇴적 두께는 포함되지 않는다. 또한, 제2층(2B)의 두께에 대해서는, 파티클을 생성한 후에 성막했을 때의 열분해 탄소층의 막 두께이다.

흑연 기재(1)가 되는 흑연 재료로서는, 등방성 흑연재인 것이 바람직하다. 등방성 흑연은 특성의 이방성이 작고 균일성이 높기 때문에, 열분해 탄소층과의 열팽창 계수차가 장소, 방향에 따른 차이가 작아 박리되기 어렵게 할 수 있다.

<실시 형태 2>

계속해서, 본 발명의 실시 형태 2에 대하여 설명한다. 도 3은, 본 발명의 실시 형태 2에 관한 탄소 복합 부재의 단면도이다.

도 3에서 도시한 바와 같은 형태, 즉 흑연 기재(1)의 전체면에 복수의 열분해 탄소층을 형성하는 것과 같은 형태의 탄소 복합 부재는, 예를 들어 일본 특허 공개 제2016-169422호의 도 1에서 도시한 바와 같은 소정의 지지구를 사용한 제조 방법에 의해 제조할 수 있다(본 제조 방법의 상세에 대해서는 후술한다.). 이 경우에 있어서, 열분해 탄소층의 일부에 제1 개구부(10)나 제2 개구부(11)가 형성된다.

도 3에 도시한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 탄소 복합 부재에서는, 흑연 기재(1)가 제1층(2A) 및 제2층(2B)으로 덮여 있음과 함께, 제1층(2A)은 흑연 기재(1)의 한쪽 면(도면 중의 상면)에 제1 개구부(10)(도 3에서는 2군데)를 갖고, 제2층(2B)이 제1 개구부(10)를 덮고 있다. 그 때문에, 제1 개구부(10)로부터 흑연 기재(1)로의 기밀성은 제2층(2B)에서 확보되어 있다. 한편, 흑연 기재(1)의 다른 쪽 면(도면 중의 하면)에는 제1 개구부(10)는 없고, 전체면이 제1층(2A)으로 덮여 있음과 함께, 제2층(2B)에 제2 개구부(11)(도 3에서는 2군데)를 갖는다. 그 때문에, 제2 개구부(11)로부터 흑연 기재(1)로의 기밀성은 제1층(2A)에서 확보되어 있다.

즉, 흑연 기재에 가까운 측의 제1층(2A)에 있는 제1 개구부(10)와, 외측의 제2층(2B)에 있는 제2 개구부(11)가 흑연 기재(1)에 대하여 다른 위치(제1 개구부(10)와 제2 개구부(11)가 열분해 탄소층의 적층 방향으로 겹쳐지지 않는 위치)에 있기 때문에, 제1 개구부(10)가 폐색되어, 흑연 기재(1)로부터의 가스나 수분, 불순물 등의 방출을 방지함과 함께, 외부로부터의 가스나 수분, 불순물 등의 흡착을 방지할 수 있다. 또한, 제1 개구부(10)나 제2 개구부(11)는 제1층(2A) 및 제2층(2B)의 각각에 1개여도 되고, 복수 개소에 형성되어 있어도 된다.

도 3에 있어서는, 복수의 열분해 탄소층으로서 제1층(2A) 및 제2층(2B)의 2층인 경우에 대하여 설명하고 있지만, 예를 들어 복수의 열분해 탄소층을 흑연 기재(1)에 가까운 측으로부터 순서대로 제1층, 제2층, …, 제n-1층, 제n층으로 할 때, 제1층이 제1 개구부를 갖고, 제n층이 제n 개구부를 가짐과 함께, 제1 개구부와 제n 개구부는 흑연 기재(1)에 대하여 다른 위치(제1 개구부와 제n 개구부가 열분해 탄소층의 적층 방향으로 겹쳐지지 않는 위치)에 형성되어 있으면, 상기와 마찬가지의 효과를 발휘할 수 있다. 또한, n은 2 이상의 정수이다.

도 4는, 도 3의 A부 단면의 확대도이고, 제1층(2A)에 형성된 제1 개구부(10)의 주변(도면 중의 C 영역)을 상세하게 도시하고 있다.

도 4에 도시한 바와 같이, 제2층(2B)이 제1 개구부(10)를 덮음과 함께, 제1 개구부 주변(C 영역)에 있어서의 제1층(2A)과 제2층(2B)의 경계의 기공 영역(4)이 흑연 기재(1)를 향하여 경사져서 신장되어 있다. 즉, 제2층(2B)이 제1층(2A)에 있는 제1 개구부(10)를 덮고 있기 때문에, 흑연 기재(1)의 가스, 수분, 불순물의 방출 및 외부로부터의 흡착을 방지하는 효과를 높일 수 있다. 또한, 제1 개구부의 주변(C 영역)에 있어서의 제1층(2A)과 제2층(2B)의 경계의 기공 영역(4)이 흑연 기재(1)를 향하여 경사져서 신장되어 있기 때문에, 응력 집중이 일어나기 쉬운 제1 개구부(10)의 경계 부분의 보강 효과를 높일 수 있다.

도 5는, 도 3의 B부 단면의 확대도이고, 제2층(2B)에 형성된 제2 개구부(11)의 주변(D 영역)을 상세하게 도시하고 있다.

도 5에 도시한 바와 같이, 제1층(2A)에는 개구부가 없고, 또한 제2층(2B)은 제1층(2A)의 상면(도면 중에서는 하측)에 적층되어 형성되어 있고, 제2층(2B)에는 제2 개구부(11)를 갖는다. 그리고, 제2층(2B)과 제2층(2B)의 바로 아래의 제1층(2A)의 경계에 기공 영역(4)을 갖고, 도면 중의 D 영역에서 도시된 바와 같이, 제2층(2B)이 제2 개구부(11)를 향하여 서서히 얇아지고 있으므로, 응력 집중을 완화하여, 다른 부위와 비교하여 두께가 얇은 제2 개구부의 경계 부분의 보강 효과를 높일 수 있다.

도 5에 있어서는, 복수의 열분해 탄소층으로서 제1층(2A) 및 제2층(2B)의 2층인 경우에 대하여 설명하고 있지만, 도 3에 있어서 설명한 경우와 마찬가지로, 제n층과 제n층의 바로 아래의 제n-1층의 경계에 기공 영역(4)을 갖고, 제n층이 제n 개구부를 향하여 서서히 얇아지고 있으면, 상기와 마찬가지의 효과를 발휘할 수 있다. 또한, n은 2 이상의 정수이다.

계속해서, 본 발명의 실시 형태 2에 관한 탄소 복합 부재의 제조 방법에 대하여 상세하게 설명한다. 이러한 탄소 복합 부재를 제조하기 위해서는, 예를 들어 도 6에 도시하는 공정을 따를 수 있다.

동 도면의 (A)는 흑연 기재(1), (B)는 제1층(2A)의 형성 공정, (C)는 흑연 기재(1)의 제1면(1a)측에 대한 기공 영역(4)의 형성 공정, (D)는 흑연 기재(1)의 제2면(1b)측(즉, 제1 개구부(10)가 형성된 측)에 대한 기공 영역(4)의 형성 공정, (E)는 제2층(2B)의 형성 공정을, 각각 도시하고 있다. 또한, 동 도면 (A)에 도시한 바와 같이, 흑연 기재(1)의 한쪽 면(도면 중의 상면)을 제1면(1a), 다른 쪽 면(도면 중의 하면)을 제2면(1b)으로 하고 있다. 또한, 도 7에, 도 6의 (C) 공정, (D) 공정 및 (E) 공정에서 형성되는 각 층을 확대하여 도시한다.

먼저, (B) 공정에 나타내는 바와 같이, 흑연 기재(1)를 지지구(20)에 적재한다. 지지구(20)는 CVD 장치의 기판 홀더(도시하지 않음)에 적재된다. 지지구(20)는, 예를 들어 원주 형상의 지지구 본체(21)와, 지지구 본체(21)의 중앙부로부터 돌출되는 지지부(22)를 갖고 있고, 일체적으로 형성되어 있다. 또한, 이들을 일체화시키기 위해서는, 예를 들어 지지구 본체(21)와 지지부(22)가 얻어지도록 가공하거나, 지지구 본체(21)와 지지부(22)를 접착제 등으로 접착함으로써 실현할 수 있다.

지지부(22)는 전체가 원뿔대 형상을 나타내고 있고, 축선을 따른 단면에 있어서, 정상면(23)으로부터 지지구 본체(21)를 향하여 점차 확경되는 경사면을 갖는 형상을 나타내고 있다. 또한, 정상면(23)은 도시된 바와 같은 평면 외에, 선단이 뾰족해지는 형상(원뿔 형상)으로 하는 것도 가능하다. 이 지지부(22)에, 흑연 기재(1)의 제2면(1b)이 접하여 지지된다.

이 상태에서, 안정된 CVD법을 행하여 열분해 탄소층을 성막한다. 그것에 의하여, 도시된 바와 같이, 지지구(20)의 지지부(22)의 주변을 제외하고 흑연 기재(1)를 덮도록 제1층(2A)이 형성된다. 그 때, 제1층(2A)에는, 제1 개구부(10)가 지지부(22)에 외형을 따른 형상으로 형성된다.

이어서, (C) 공정에 나타내는 바와 같이 불안정한 CVD를 행하여, 제1층(2A)의 흑연 기재(1)의 제1면(1a)의 측에, 기공 영역(4)을 전체면에 걸쳐 충분히 형성한다. 또한, 흑연 기재(1)의 제2면(1b)의 측에도 적지 않게 기공 영역(4)이 형성된다고 생각할 수 있지만, 흑연 기재(1)의 제1면(1a)의 측과 비교하면 적다.

이어서, (D) 공정에 나타내는 바와 같이, 흑연 기재(1)를 표리 반전(상하 반전)시켜서 제1면(1a)을 지지구(20)에 적재한다. 그것에 수반하여, 제1층(2A)의 제1 개구부(10)가 도면 중의 상방을 향한다. 그리고, 다시 불안정한 CVD를 행하여, 흑연 기재(1)의 제2면(1b)측(즉, 제1 개구부(10)가 형성된 측)에, 기공 영역(4)을 전체면에 걸쳐 충분히 형성한다. 그 때, 제1 개구부(10) 상에도 열분해 탄소의 파티클이 내려 쌓이기 때문에, 제1 개구부(10) 상에 있어서도 기공 영역(4)이 형성된다(도 4 참조).

이어서, (E) 공정에 나타내는 바와 같이, 안정된 CVD를 행하여 제2층(2B)을 형성한다. 이상의 공정을 거쳐, 제1 개구부(10)는 제2층(2B)에 의해 폐색되어서 도 4에 도시하는 상태로 되고, 또한 제2 개구부(11)에도 기공 영역(4)이 형성되어서 도 5에 도시하는 상태로 된다. 즉, 상기 제조 방법에 의하면, 제2층(2B)이 제1 개구부(10)를 덮음과 함께, 제1 개구부 주변(C 영역)에 있어서의 제1층(2A)과 제2층(2B)의 경계의 기공 영역(4)이 흑연 기재(1)를 향하여 경사져서 신장되어 있고, 또한 제2층(2B)이 제2 개구부(11)를 향하여 서서히 얇아지고 있는 것과 같은 탄소 복합 부재를 제조할 수 있다.

또한, 상술한 바와 같이, 지지구(20)로서 예를 들어 원주 형상의 지지구 본체(21)와, 지지구 본체(21)의 중앙부로부터 돌출되는 원뿔대 형상의 지지부(22)를 사용하여 제1층(2A) 및 제2층(2B)을 형성하고 있기 때문에, 각 층의 개구부(제1 개구부(10), 제2 개구부(11))에 있어서, 각 개구부를 향하여 서서히 얇아지는 열분해 탄소층을 형성할 수 있다.

이상, 본 발명에 대하여 실시 형태 1 및 2를 들어 설명했지만, 이들 실시 형태로 한정되지 않고, 변형, 개량이나 변경 등을 적절히 행할 수 있다.

본 발명의 탄소 복합 부재는, 흑연 기재를 복수층의 열분해 탄소층으로 덮음으로써, 전체로서 보다 고성능이고, 또한 열분해 탄소층끼리의 박리도 억제되어 있고, 내구성도 우수하다. 그 때문에, 반도체 제조, 화학 공업, 기계, 원자력 등 많은 분야에 걸쳐 유효하다.

1: 흑연 기재
2A: 제1층(하나의 열분해 탄소층)
2B: 제2층(다른 열분해 탄소층)
3: 기공
4: 기공 영역
10: 제1 개구부
11: 제2 개구부
20: 지지구
21: 지지구 본체
22: 지지부
23: 정상면

Claims

흑연 기재 상에 복수의 열분해 탄소층이 형성된 탄소 복합 부재이며,
하나의 상기 열분해 탄소층과 이것에 인접하는 다른 상기 열분해 탄소층의 경계에, 기공이 존재하는 기공 영역을 갖는 것을 특징으로 하는 탄소 복합 부재.
제1항에 있어서, 상기 복수의 열분해 탄소층을, 상기 흑연 기재에 가까운 측으로부터 순서대로 제1층, 제2층, …, 제n-1층, 제n층으로 할 때,
상기 제1층이 제1 개구부를 갖고, 상기 제n층이 제n 개구부를 가짐과 함께,
상기 제1 개구부와 상기 제n 개구부는, 상기 흑연 기재에 대하여 다른 위치에 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소 복합 부재.
제2항에 있어서, 상기 제2층이 상기 제1 개구부를 덮음과 함께, 상기 제1 개구부 주변에 있어서의 상기 제1층과 상기 제2층의 경계의 상기 기공 영역은, 상기 흑연 기재를 향하여 경사져서 신장되어 있는 것을 특징으로 하는 탄소 복합 부재.
제2항 또는 제3항에 있어서, 상기 제n층과 상기 제n층의 바로 아래의 상기 제n-1층의 경계에 상기 기공 영역을 갖고, 상기 제n층은, 상기 제n 개구부를 향하여 서서히 얇아지고 있는 것을 특징으로 하는 탄소 복합 부재.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기공은, 최대 기공 직경이 0.5 내지 3.0㎛인 것을 특징으로 하는 탄소 복합 부재.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 복수의 열분해 탄소층의 합계 두께가 5 내지 400㎛인 것을 특징으로 하는 탄소 복합 부재.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 흑연 기재가 등방성 흑연재인 것을 특징으로 하는 탄소 복합 부재.