KR20230122187A

KR20230122187A - 탄화규소 코팅된 몸체를 제조하기 위한 프로세스

Info

Publication number: KR20230122187A
Application number: KR1020237027314A
Authority: KR
Inventors: 피터 제이. 게르치오; 폴 웨스트팔
Original assignee: 어플라이드 머티어리얼스, 인코포레이티드
Priority date: 2017-12-27
Filing date: 2018-12-22
Publication date: 2023-08-22
Also published as: EP3732155A1; KR102643483B1; KR20240033147A; EP3514128A1; KR102567519B1; JP2022127635A; JP2021508662A; JP7078726B2; CN116479402A; CN111788165B; WO2019133560A1; US20210017092A1; CN111788165A; KR20200103082A; JP7536821B2

Abstract

본 발명은 디메틸디클로로실란(DMS)을 실란 공급원으로서 사용하여 화학 기상 증착 방법으로 SiC를 흑연 기판 상에 증착시킴으로써 탄화규소(SiC) 코팅된 몸체를 제조하기 위한 새로운 프로세스에 관한 것이다. 본 발명의 추가의 양상은, 본 발명의 새로운 프로세스에 의해 획득될 수 있는 새로운 탄화규소 코팅된 몸체 및 그의 사용에 관한 것이며, 그의 사용은 고온 응용들, 서셉터들 및 반응기들, 반도체 물질들, 및 웨이퍼를 위한 물품들을 제조하기 위한 것이다.

Description

탄화규소 코팅된 몸체를 제조하기 위한 프로세스{PROCESS FOR MANUFACTURING A SILICON CARBIDE COATED BODY}

SiC 코팅된 몸체들은 다양한 기술 분야들에서 중요한 생성물들이며, 고온 응용들, 예컨대, 반응기들 및 도포된 물질들을 위한 웨이퍼 및 서셉터들, 반도체 물질들, 칩 제조 등에 특히 유용하다.

특히 고온 응용들에서 그리고 고 정밀도 디바이스들에 적용될 때, SiC 코팅 층의, 아래놓인 기판으로의 밀착 연결(접착)과 같은 우수한 기계적 특성들을 나타내는 SiC 코팅된 몸체들(SiC 코팅된 물품들)을 제공하는 것이 특히 중요하다. 추가로, SiC 코팅된 몸체의 높은 내식각성, 내충격성, 파괴 인성 및/또는 내균열성이 특히 관심받는다. 코팅된 몸체의 내산화성을 제공하기 위해, SiC 코팅 층을 균질하고 연속적으로 도포하여 불침투성 코팅 층을 코팅된 기판 표면 상에 제공하는 것이 추가로 요구된다.

본 발명의 발명자들은 놀랍게도, 본원에 설명된 바와 같은 새로운 프로세스에 의해, 아래놓인 흑연 기판의 표면을 코팅하는 층으로서 SiC를 증착시키는 것뿐만 아니라, 개선된 증착된 SiC 물질로 형성되고 다공성 흑연 기판의 공극들 내로 성장하는 SiC 텐드릴들의 형성을 달성하는 것이 가능하다는 것을 발견했다. 이는 개선된 물리적 및 기계적 특성들을 갖는 SiC 코팅된 흑연 물품들을 제공한다. 특히, 개선된 SiC 물질로 형성되고 다공성 흑연 내로 연장되는 텐드릴들의 형성은 아래에 더 상세히 설명되는 바와 같이 상당히 개선된 기계적 특성들을 제공한다.

SiC 코팅을 화학 기상 증착(CVD)에 의해 다양한 기판들 상에 도포하기 위한 상이한 방법들이 존재하고, 이는, CVD 방법에서 DMS를 실란 공급원으로서 사용하는(또한 CVD 전구체로서 지정됨) 방법들 및 흑연을 포함하는 탄소질 기판들 상에의 SiC의 증착을 포함한다.

GB 1,128,757은 SiC를 제조하기 위한 방법들을 설명하고, 대부분 베타-탄화규소의 조밀하고 실질적으로 불침투성인 막으로서, 결정화된 탄화규소를 가열된 표면들 상에 형성하기 위해, 수소와 탄소 함유 화합물과 규소 함유 화합물의 혼합물들 또는 탄소 및 규소 양쪽 모두를 함유하는 화합물과 수소의 혼합물들을 사용하는 CVD 방법들을 설명한다. 특히, 방법은 화학량론적 탄화규소를 형성하도록 제어된다. 탄소 및 규소 양쪽 모두를 함유하는 화합물로서, 문헌은 특히, DMS로부터의 화학량론적 SiC 형성을 제어하기 위해 특정 프로세스 조건들을 제공하지 않고 DMS를 언급한다. 텐드릴들의 형성뿐만 아니라, 코팅된 기판 내로 연장되는 SiC 텐드릴들의 형성을 달성하기 위한 특정한 프로세스 조건들이 또한 설명되지 않는다.

유사하게, JP2000-302576은 CVD 방법들을 사용하여 SiC 코팅된 흑연 물질을 제조하기 위한 그리고 가능한 CVD 전구체로서 특히 DMS를 언급하는 방법들을 설명한다. 그러나, 문헌에서 SiC는 흑연 기판의 표면 상에만 증착되며, Si 함유 가스를 이용한 다공성 흑연 기판의 침윤은, 균일한 층을 형성하는데 있어서의 어려움들 및 침윤된 중간 층의 추가적인 코팅에 대한 추가적인 비용들로 인해 불리한 것으로 논의된다. DMS를 CVD 전구체로서 사용하기 위한 특정 프로세스 조건들이 개시되지 않으며, 코팅된 기판 내로 연장되는 텐드릴들의 가능한 형성에 대한 어떠한 교시도 발견할 수 없다.

EP 0935013 A1 및 EP 1072570 A1 양쪽 모두는, 흑연 기판들 상에 SiC 코팅을 증착시키고 그 후 기판을 제거하는 방법들을 설명한다. 결과적으로, 상기 문헌들 중 어느 것도, 밀착 연결된 SiC 코팅 층을 형성하기 위해 다공성 흑연 내로 연장되는 SiC 텐드릴들의 형성을 교시하지 않는다. 추가로, 상기 문헌들 중 어느 것도, 본 발명의 효과들을 달성하기 위한 특정 프로세스 조건들을 설명하지 않는다. 특히, EP 0935013은 CVD 프로세스에 대해 상당한 고온 조건들을 교시한다. 양쪽 문헌들 모두, CVD 전구체로서 DMS를 사용할 가능성을 대체로 언급하지만, 상기 문헌 중 어느 것도 DMS를 사용하여 실질적으로 화학량론적인 SiC, 즉, 1:1의 Si:C의 비율의 SiC를 증착시키기 위한 적합한 프로세스 조건들을 교시하지 않는다.

US 9,371,582는 마이크로파 플라즈마 강화 화학 기상 증착(MPECVD)을 사용하여 SiC를 증착시키는 방법을 교시한다. 상기 매우 특정한 플라즈마 기반 프로세스는 본 발명에 설명된 프로세스 조건들과 상당히 상이하고, 이에 따라, 그러한 플라즈마 기반 프로세스에 의해, 본 발명 내에서 발견된 것과 유사한 효과들이 달성될 수 있다고 결론내릴 수 없다.

EP 0294047 A1은 반도체 물질들의 제조에 사용되는 탄소질 표면들을 전처리함으로써 반도체 물질들의 탄소 함량을 최소화하기 위한 프로세스에 관한 것으로, CVD 및 예를 들어 CVD 전구체로서 DMS를 사용하여 흑연 샘플들을 SiC로 코팅하는 일반적인 가능성을 언급한다. 코팅된 기판 내로 연장되는 SiC 텐드릴들의 형성을 달성하기 위한 특정한 프로세스 조건들은 설명되지 않는다.

EP 0121797 A2는, CVD에 의한 시작 기판 상에의 불침투성의 균일한 SiC-코팅 층들의 증착을 포함하는, 탄소-규소 복합체 물품들의 제조를 기술한다. 예 6은 막으로 기판 섬유들을 감싸기 위한 CVD 전구체로서의 DMS의 사용을 언급한다. 예 9는, 중간 기판을 형성하기 위해, 기판으로서, 성형된 과립상 흑연에 및 그 상에 메틸클로로실란을 사용하여 CVD에 의해 SiC 코팅을 증착시키는 것을 언급한다. 코팅된 다공성 흑연 기판 내로 연장되는 SiC 텐드릴들의 형성을 달성하기 위한 특정한 프로세스 조건들은 설명되지 않는다.

US 4,976,899 A는, 메탄 및 수소의 존재 시에, 예를 들어, DMS를 사용하여, 잘 알려진 화학 기상 증착(CVD) 방법에 의해 변형가능 수지 및 탄소 기재 매트릭스에 매립된, SiC 및 탄소로 코팅된 강화 탄소 섬유들을 포함하는 다공성 복합체 매트릭스 상에의 SiC의 증착을 설명한다. 여기서, 복합체 매트릭스는 수지 기판의 다공성 구조에 침투하고 함침시킬 수 있는 SiC 코팅 층에 의해 덮힌다. 그에 도포된 SiC 코팅 층은 균열을 나타내는데, 후속하여 이 균열은, 요구되는 열 보호 및 내산화성을 충분히 충족시키는 코팅된 물품을 제공하기 위해 추가의 외측 코팅 층, 예를 들어, 알루미늄 또는 하프늄 질화물 코팅 및 추가의 외측 알루미나 코팅 또는 붕규산 유리를 도포함으로써 채워지고 밀봉되어야 한다. 균질하게 코팅된 다공성 흑연 기판 내로 연장되는 SiC 텐드릴들의 형성을 달성하기 위한 특정한 프로세스 조건들은 설명되지 않는다.

US 3,925,577 A는, 규소의 융점 아래의 온도에서 기상 반응에 의해 다공성 흑연 몸체 상에 규소의 층을 증착시키는 단계, 이에 후속하여, 규소의 도포된 층을 갖는 흑연 부재를, 탄화규소의 층을 형성하기 위해, 규소가 용융되어 흑연의 공극들에 침투하게 하고 규소가 흑연과 인 시츄로 반응하게 하는 온도까지 가열하고 기상 반응에 의해 탄화규소의 밀봉 층을 아래놓인 이전에 반응된 탄화규소 층 위에 더 증착시키는 단계를 포함하는, 코팅된 등방성 흑연 부재를 제조하는 프로세스를 설명한다. 그에 사용되는 흑연은 부재 용적의 약 18% 내지 25%와 동일한 공극률을 나타내도록 정의되며, 특히, 원하는 강도 특성들을 갖는 탄화규소 코팅된 등방성 세립 흑연을 제공하는 데에 필수적인 것으로 설명된다. 정의된 흑연 특징들로부터 벗어나는 것은, 고온 응용들에서, 분리된, 균열된 또는 스폴링된 코팅을 나타내는 복합체들로 이어진다고 한다. 문헌에 설명된 프로세스는, 흑연 물품이 SiC 코팅 단계를 겪게 하기 전에, 열 처리된 등방성 흑연 부재를 표면 세정하고 이에 의해 모든 느슨한 표면 입자들을 제거하는 필수적인 단계를 포함한다. 문헌에 설명된 CVD 방법은 수소 및 메탄의 존재 시에 CVD 전구체로서 사염화규소를 사용하여 수행된다. 아르곤이 또한, 불활성 가스로서 존재할 수 있다. CVD 전구체 또는 실란 공급원으로서의 DMS의 사용은 언급되지 않는다. 코팅된 다공성 흑연 기판 내로 연장되는 SiC 텐드릴들의 형성으로 본 발명의 개선된 SiC 코팅된 물품들을 달성하기 위한 특정한 프로세스 조건들은 설명되지 않는다.

US2012/040139 및 대응하는 US 9,145,339는 용융 규소가 다공성 기판 물질 내로 침투하는 것을 허용함으로써 SiC를 증착시키는 매우 유사한 프로세스를 설명한다. 상기 기판은 25 내지 45%의 공극률 정도를 갖는 것으로 설명된다. 용융 규소가 다공성 기판 내로 침투하는 것을 허용하는 것은, 위에서 논의된 US 3,925,577 A에서와 유사하게, 높은 공극률 정도에 반영되는 큰 공극들의 존재를 필요로 한다. 그러나, 큰 공극들 및 높은 공극률 정도는, 흑연 기판의 기계적 특성들 및 강도에 불리하다. 추가로, 용융 규소를 사용함으로써, 고도의 결정질 SiC는 획득할 수 없고 단지 비정질 SiC를 획득할 수 있으며, 이는 아래에서 도 9에서 확인할 수 있다.

또한, US2018/002236(및 문헌에 종래 기술 문헌 1로서 인용된 JP2002-003285)은 12 내지 20%의 비교적 높은 공극률 정도, 바람직하게는 적어도 15%의 공극률 정도를 갖는 다공성 기판 상에 SiC를 증착시키는 프로세스에 관한 것이다. 문헌에, 공극률이 15 내지 50%가 아닌 한, SiC가 기판의 깊이에 CVD 방법에 의해 증착될 수 없다는 것이 언급된다. 양쪽 문헌들 모두에서, CVD 전구체로서의 DMS는 단지 대체적으로만 언급된다. 양쪽 문헌들 모두, 16%의 공극률 정도를 갖는 기판 상에 SiC를 증착시키기 위해 메틸트리클로로실란(MTS)을 사용하는 US 2018/002236의 예에서와 같이, 상이한 CVD 전구체 물질들에 대해서만 특정 프로세스 조건들을 설명한다. 인용된 JP2002-003285의 예들에서, CVD 전구체는 또한, 특정 공극률 정도를 명시하지 않고 메틸트리클로로실란이다. 문헌에 설명된 프로세스의 경우, 본 발명에 따른 개선된 결정질 SiC 물질을 더 낮은 공극률을 갖는 흑연 기판에 증착시키는 것이 가능하지 않다. 문헌에 설명된 프로세스의 경우, 또한, 본 발명에 따른 어떠한 텐드릴들도 형성될 수 없다.

US 3,406,044 A는 트리클로로실란의 화학 기상 증착을 사용하는 것에 의한 탄소질 물질 상으로의 규소의 도포를 포함하는, 저항 가열 요소들을 제조하기 위한 프로세스를 설명한다. 문헌에 적용된 프로세스의 경우 규소 층이 기판에 도포되고, 이는 다공성 기판 내로 침투하여 기판 내에서 특정 양이 SiC로 전환된다. 문헌에 설명된 프로세스의 경우 규소 층이 도포되고, 규소 층은 SiC를 특정한 그러나 약 9%의 비교적 작은 양을 포함한다. 문헌에서, 도포된 SiC 코팅 상당량이 흑연 기판의 공극들을 통해 침투하지 않고 흑연의 표면 상에 다소 기밀한 불침투성 코팅을 형성하는 것이 더 설명된다. CVD 전구체로서의 DMS의 사용은 언급되지 않는다. 코팅된 다공성 흑연 기판 내로 연장되는 SiC 텐드릴들의 형성으로 본 발명의 개선된 SiC 코팅된 물품들을 달성하기 위한 특정한 프로세스 조건들은 설명되지 않는다.

US 3,622,369는, CVD 방법에서 메탄과 같은 탄화 가스와 함께 수소 및 메틸디클로로실란을 사용하여 저항 가열 와이어들 상에 화학량론적 탄화규소를 증착시키기 위한 프로세스를 설명한다. 수소 및 메탄과 실란 공급원으로서 메틸디클로로실란의 상기 특정 혼합물을 사용하여 탄화규소 필라멘트들의 형성이 발생하는 것이 설명된다. 그러나, 문헌에서는, 그러한 SiC 필라멘트들이 다공성 흑연 기판 내로 성장할 수 있다는 것이나, 그러한 필라멘트들이, 메탄 가스를 추가하지 않고 수소의 존재 시에, 상이한 CVD 반응 조건들 하에서, 예컨대, DMS와 같은 다른 CVD 전구체 물질들을 이용하여 형성될 수 있다는 것이 설명되지 않는다. 특히, 코팅된 다공성 흑연 기판 내로 연장되는 SiC 텐드릴들의 형성으로 본 발명의 개선된 SiC 코팅된 물품들을 달성하기 위한 프로세스 조건들은 설명되지 않는다.

GB 1,021,662는 다공성 몸체들의 공극률 및 투과성을 감소시키려는 목적으로 다공성 몸체들을 처리함으로써 유기규소 화합물들의 화학 기상 증착에 의해 다공성 기판의 공극들을 채우는 방법을 설명한다. 문헌에 설명된 바와 같은 다공성 몸체들은 주로 탄화규소 몸체들에 관한 것이지만, 또한, 흑연, 알루미나 및 다른 다공성 무기 몸체들도 언급된다. 문헌에서 공극률의 감소는 유기규소 화합물들의 화학 기상 증착을 사용하여 다공성 몸체들의 공극들에 SiC를 증착시킴으로써 수행된다. 바람직하게, 1:1의 SiC:C 비율을 제공하는 유기규소 화합물들이 사용된다. 디메틸디클로로실란 그 자체가 그러한 1:1 비율을 제공하기에 적합하지 않기 때문에, 이 유기규소 화합물은 오직 규소 산출 화합물, 예컨대, SiCl₄와 조합해서만 가능한 CVD 전구체로서 언급된다. 추가로, 단 하나의 구체적 예가 탄소 기판 상에의 SiC의 증착을 설명하는데, 이는 예 3이며, 여기서 SiC는 CH₃SiCl₃의 존재 시에 CVD를 수행함으로써, 18% 공극률을 갖는 하나의 인조흑연 상에 증착된다. 상기 예 3에 따르면, 공극률은 15%로 감소될 수 있고, 이는 공극 채움이 오직 낮은 정도로만 달성될 수 있다는 것을 나타낸다. 코팅된 다공성 흑연 기판 내로 연장되는 SiC 텐드릴들의 형성으로 본 발명의 개선된 SiC 코팅된 물품들을 달성하기 위한 특정한 프로세스 조건들은 설명되지 않는다.

디. 칼리오스트로(D. Cagliostro) 및 에스. 리치텔로(S. Riccitiello)(J. Am. Ceram. Soc., 73 (3) 607 ― 14; 1990)는 퍼지 가스로서 아르곤을 사용하는 CVD 방법들에서의 디메틸디클로로실란(DMS)의 열분해 생성물들의 분석을 설명한다. 상기 출판물은, CVD 프로세스에서 형성된 부분들의 휘발성, 운송 특성들 및 반응 속도론이, 다공성 매질에 침투하고, 응축하고/거나 다공성 매질을 코팅하는 능력에 영향을 미치고 그러므로 형태, 조밀화 및/또는 기계적 특성들에 영향을 미친다는 것을 교시한다. 이는, 본원에 설명된 놀라운 효과들을 달성하기 위해 매우 특정한 프로세스 조건들이 중요하다는 본 발명의 발견을 명확히 지지한다. 예를 들어, CVD 전구체, 퍼지 가스, CVD 조건들, 예컨대, 온도, 압력 및 증착 시간의 특정 선택은 CVD 프로세스에서의 결과들에 상당히 영향을 주는 것으로 밝혀졌다.

최병진(Byung Jin Choi)(저널 오브 머티어리얼스 사이언스 레터스(Journal of Materials Science Letters) 16, 33 ― 36; 1997)은 이를 확증한다. 문헌에서, 상이한 CVD 전구체를 사용하고 다양한 CVD 조건들(예를 들어, 상이한 온도들)을 적용하여 CVD 방법으로 증착된 SiC의 구조의 변화가 조사되었다. 특히 DMS는 상이한 온도들에서 CVD 전구체로서 사용되었고 화학량론적 SiC의 형성이 관찰되었다. 그러나, 문헌에서 알 수 있는 바와 같이, 적용된 CVD 조건들 하에서, 오직 비정질 SiC만이 문헌에 도시된 바와 같이(도 7a) 증착되고, XRD 패턴(도 3)에서 알 수 있는 바와 같이, 변화하는 온도들은 SiC 및 부산물들의 형성에 상당히 영향을 준다. 추가로, 상기 출판물은 SiC를 다공성 기판 상에 증착시키는 것을 설명하지 않으며, 이에 따라, 다공성 기판 내로 연장되는 SiC 텐드릴들의 형성을 설명하지 않는다.

본 발명의 목적

본 발명의 하나의 목적은, 종래 기술의 프로세스들의 단점을 회피하는, SiC 코팅된 흑연 기판을 포함하는 물품들을 제조하는 것을 허용하는 새로운 프로세스를 제공하는 것이었다.

본 발명의 추가의 목적은, SiC 코팅된 물품들을 제공할 수 있는 프로세스를 제공하는 것이었고, SiC 코팅은 아래놓인 흑연 기판 상에 밀착 연결된 층을 형성한다.

본 발명의 추가의 목적은, SiC 코팅의 균열들 및 스폴링들의 형성을 회피하는 프로세스를 제공하는 것이었다.

본 발명의 추가의 목적은, 요구되는 프로세스 단계들을 가능한 한 감소시킴으로써, SiC 코팅된 흑연 기판 물품을 비용 및 시간 효율적인 방식으로 제조하기 위한 프로세스를 제공하는 것이었다.

본 발명의 추가의 목적은, 예를 들어, 발생하는 균열들을 밀봉하기 위한 추가적인 코팅들 또는 밀봉 층들의 도포가 필요하지 않도록, 한편으로는 충분한 기계 저항 및 강도를 나타내고 다른 한편으로는 또한 최대의 연속성 및 균질성을 나타내는 SiC 코팅을 갖는 흑연 기판 기반의 물품들을 제조하기 위한 프로세스를 제공하는 것이었다.

본 발명의 추가의 목적은, 본원에 설명된 바와 같은 원하는 개선된 특성들을 갖는 새롭고 개선된 SiC 코팅된 흑연 기판 몸체를 제공하는 것이었다.

본 발명의 특정한 목적은, 우수한 기계적 강도를 갖는 새롭고 개선된 SiC 코팅된 흑연 기판 몸체를 제공하는 것이었고, SiC는 개선된 특성들 및 특징들을 갖고 흑연 기판 몸체 상에 증착되며, 아래놓인 흑연 기판과 밀착 연결된 층을 형성하는 SiC 코팅을 포함한다. 본 발명의 추가의 목적은, SiC 증착 및 침윤, SiC 결정화도, 밀도, 순도, Si:C 비율 및/또는 강도에 관하여 개선된 SiC 특징들을 갖는 새롭고 개선된 SiC 코팅된 흑연 기판 몸체를 제공하는 것이었다.

본 발명의 추가의 목적은, 결정립도, 밀도 및/또는 공극률에 관하여 개선된 흑연 특성들을 갖는 새롭고 개선된 SiC 코팅된 흑연 기판 몸체를 제공하는 것이었다.

본 발명의 추가의 목적은, 본질적으로 순수 SiC 코팅을 갖는 개선된 SiC 코팅된 흑연 기판 몸체를 제공하는 것이었다.

본 발명의 추가의 목적은, 개선된 SiC 물질이 상부에 및/또는 내부에 증착된 개선된 SiC 코팅된 흑연 기판 몸체를 제공하는 것이다.

본 발명의 추가의 목적은, 높은 결정화도 및/또는 고도의 사면체 결정화도의 개선된 SiC 물질을 갖고/거나 적은 양의 비정질 SiC를 포함하는 개선된 SiC 코팅된 흑연 기판 몸체를 제공하는 것이다.

본 발명의 추가의 목적은, SiC 코팅에 상당히 낮은 함량의 자유 Si를 갖는 개선된 SiC 코팅된 흑연 기판 몸체를 제공하는 것이었다.

본 발명의 추가의 목적은, 흑연 기판과 SiC 코팅 층 사이에 개선된 평균 열팽창 계수를 갖는 개선된 SiC 코팅된 흑연 기판 몸체를 제공하는 것이었다.

본 발명의 추가의 목적은, SiC 층에 개선된 잔류 압축 하중을 갖는 개선된 SiC 코팅된 흑연 기판 몸체를 제공하는 것이었다.

본 발명의 추가의 목적은, 개선된 내충격성을 갖는 개선된 SiC 코팅된 흑연 기판 몸체를 제공하는 것이었다.

본 발명의 추가의 목적은, 개선된 파괴 인성을 갖는 개선된 SiC 코팅된 흑연 기판 몸체를 제공하는 것이었다.

본 발명의 추가의 목적은, 개선된 내박리성, 내박피성 및/또는 내뒤틀림성을 갖는 개선된 SiC 코팅된 흑연 기판 몸체를 제공하는 것이었다.

본 발명의 추가의 목적은, 흑연 기판과 SiC 코팅 층 사이에 개선된 접착을 갖는 개선된 SiC 코팅된 흑연 기판 몸체를 제공하는 것이었다.

본 발명의 추가의 목적은, SiC 코팅 층의 외측(상부) 표면의 크기와, 다공성 흑연 기판 내로 연장되는 SiC 텐드릴들에 의해 형성되는 계면 층의 크기 간의 개선된 관계를 나타내는 개선된 SiC 코팅된 흑연 기판 몸체를 제공하는 것이었다.

본 발명의 추가의 목적은, 다층 SiC 코팅을 갖는 개선된 SiC 코팅된 흑연 기판 몸체를 제공하는 것이었다.

본 발명의 추가의 목적은, 그러한 다층 SiC 코팅을 갖는 개선된 SiC 코팅된 흑연 기판 몸체를 제공하는 것이었고, 여기서 상이한 공극률 및/또는 밀도의 적어도 2개의 SiC 층들이 존재한다.

본 발명의 추가의 목적은, 그러한 다층 SiC 코팅을 더 갖는, 본원에 설명된 바와 같은 개선된 SiC 코팅된 흑연 기판 몸체를 제공하는 것이었다.

본 발명의 추가의 목적은, 그러한 개선된 SiC 코팅된 흑연 기판 몸체들을 제조하기 위한 새로운 프로세스를 제공하는 것이었다.

본 발명의 추가의 목적은, CVD 방법으로 기판 상에 화학량론적 SiC를 증착시키기 위한 새로운 방법을 제공하는 것이었다.

본 발명의 추가의 목적은, 메탄 가스를 추가하지 않고 CVD 방법으로 기판 상에 화학량론적 SiC를 증착시키기 위한 새로운 방법을 제공하는 것이었다.

본 발명의 추가의 목적은, 특히, 본원에 설명된 바와 같은 사용 및 응용들을 위한 개선된 흑연 기판을 제공하는 것이었다.

본 발명의 추가의 목적은, 개선된 순도를 갖는 그러한 개선된 흑연 기판을 제공하는 것이었다.

본 발명의 추가의 목적은, 변경된 표면 공극률을 갖는 그러한 개선된 흑연 기판을 제공하는 것이었다.

본 발명의 추가의 목적은, 확대된 표면 공극 직경들을 갖는 작은 공극들을 갖는 그러한 개선된 흑연 기판을 제공하는 것이었다.

본 발명의 추가의 목적은, 특정 염소 함량을 갖는 그러한 개선된 흑연 기판을 제공하는 것이었다.

본 발명의 추가의 목적은, 그러한 개선된 흑연 기판을 제조하기 위한 새로운 방법을 제공하는 것이었다.

본 발명의 추가의 목적은, 특히, 본원에 설명된 바와 같은 사용 및 응용들을 위해, 변경된 표면 공극률을 갖는 활성화된 흑연 기판을 제공하는 것이었다.

본 발명의 추가의 목적은, 개선된 순도를 갖는 그러한 활성화된 흑연 기판을 제공하는 것이었다.

본 발명의 추가의 목적은, 특정 염소 함량을 갖는 그러한 활성화된 흑연 기판을 제공하는 것이었다.

본 발명의 추가의 목적은, 그러한 활성화된 흑연 기판을 제조하기 위한 새로운 방법을 제공하는 것이었다.

본 발명의 추가의 목적은, 퍼지 가스로서 아르곤을 사용하지 않고 CVD 방법으로 기판 상에 SiC를 증착시키기 위한 새로운 방법을 제공하는 것이었다.

본 발명의 발명자들은 놀랍게도, 이러한 목적들이, 본 발명에 따른 새로운 프로세스에 의해 해결될 수 있다는 것을 발견했는데, 이는 다음과 같이 상세히 설명된다.

본 발명의 바람직한 실시예들

독립 청구항들은 본 발명의 위에서 언급된 목적들 중 적어도 하나를 해결하기 위한 본 발명의 실시예들을 설명한다. 종속 청구항들은 본 발명의 위에서 언급된 목적들 중 적어도 하나를 해결하는 데에 기여하는 추가의 바람직한 실시예들을 제공한다.

[1] 상이한 밀도의 적어도 2개의 SiC 층을 포함하는 탄화규소(SiC) 코팅된 몸체를 제조하기 위한 프로세스로서, 프로세스는 다음의 단계들을 포함한다:

A) 개방 공극률을 갖는 다공성 흑연 기판을 프로세스 챔버에 위치시키는 단계;

B) 퍼지 가스로서 H₂의 존재 시에, 프로세스 챔버에 있는 다공성 흑연 기판을 대기압 하에서 1000 내지 1200 ℃의 범위의 온도까지 가열하는 단계;

C) 제1 증착 단계에서, 디메틸디클로로실란(DMS)의 제1 양으로 된 DMS와 H₂의 혼합물을 프로세스 챔버 내에 도입함으로써 흑연 기판의 표면 상에 결정질 SiC 결정립들을 증착시키는 단계;

D) DMS의 양을 증가시키거나 감소시키고, 제2 증착 단계에서, DMS의 제2 양으로 된 DMS와 H₂의 혼합물을 프로세스 챔버 내에 도입함으로써 단계 C)의 SiC 코팅된 흑연 기판 상에 결정질 SiC 결정립들을 증착시키는 단계;

E) 단계 D)를 1 회 이상 선택적으로 반복하고, 이에 의해, 하나 이상의 추가적인 증착 단계에서, 하나 이상의 추가의 양의 DMS로 된 DMS 및 H₂의 혼합물을 프로세스 챔버 내에 도입함으로써, SiC 코팅된 흑연 기판 상에 결정질 SiC 결정립들을 증착시키는 하나 이상의 추가적인 단계를 수행하는 단계;

F) 단계 E)로부터 초래되는 몸체를 냉각시키는 단계.

[2] 실시예 [1]에 따른 프로세스에서, 단계 C) 이전에 다음의 단계를 더 포함한다:

B-2) 디메틸디클로로실란(DMS)과 H₂의 혼합물을 적어도 30분 동안 프로세스 챔버 내에 도입하고, 주입 단계에서, 결정질 SiC 결정립들을 화학 기상 증착(CVD)에 의해 흑연 기판의 개방 공극들에 증착시키며, 다공성 흑연 기판 내로 적어도 50 ㎛의 길이로 연장되는 텐드릴들의 형태의 연결된 결정질 SiC 물질이 형성될 때까지 결정질 SiC 결정립들의 SiC 결정들로의 성장을 허용하는 단계.

[3] 실시예 [1] 또는 [2]에 따른 프로세스에서, 단계 F)에 후속하는 다음의 단계들 G) 및 H)를 더 포함한다:

G) 단계 F)로부터 초래되는 몸체의 위치를 변경하는 단계; 및

H) 단계 C) 및 선택적으로 단계들 D) 및 E)를 반복하고, 이에 의해, 결정질 SiC 결정립들을, 화학 기상 증착(CVD)에 의해 단계 F)로부터 초래되는 다공성 흑연 기판의 표면 상에 증착시키고, 하나 이상의 추가의 SiC 층이 형성될 때까지, 결정질 SiC 결정립들의, SiC 결정들로의 성장을 허용하는 단계; 이어서

단계 H)로부터 초래되는 몸체를 냉각시키는 단계.

[4] 실시예들 [1] 내지 [3] 중 어느 한 실시예에 따른 프로세스에서, 단계 D) 및 선택적 단계 E)에서 DMS의 양은 점진적으로 증가된다.

[5] 실시예들 [1] 내지 [4] 중 어느 한 실시예에 따른 프로세스에서, 단계 D)에서 DMS의 제2 양은 단계 C)에서의 제1 양의 2배이다.

[6] 실시예들 [1] 내지 [5] 중 어느 한 실시예에 따른 프로세스에서, 단계 E)에서 제3 증착 단계는 DMS의 제3 양으로 수행되는데, 제3 양은 단계 C)에서의 제1 양의 3배이다.

[7] 실시예들 [1] 내지 [6] 중 어느 한 실시예에 따른 프로세스에서, 단계 E)에서 제3 및 제4 증착 단계는 DMS의 제3 및 제4 양으로 수행되며, DMS의 제4 양은 단계 C)에서의 제1 양의 4배이다.

[8] 실시예들 [1] 내지 [7] 중 어느 한 실시예에 따른 프로세스에서, 증착 단계들에서의 DMS 양들은, 감소된 양의 DMS를 도입함으로써 더 작은 입자 크기를 갖는 더 작은 SiC 결정들의 형성을 달성하고 증가된 양의 DMS를 도입함으로써 더 큰 입자 크기를 갖는 더 큰 SiC 결정들의 형성을 달성하도록 제어된다.

[9] 실시예들 [1] 내지 [8] 중 어느 한 실시예에 따른 프로세스에서, 증착 단계에서 증착된 SiC 코팅들의 두께는 다양한 기간들 동안 개별 증착 단계들을 수행함으로써 변화된다.

[10] 실시예들 [1] 내지 [9] 중 어느 한 실시예에 따른 프로세스에서, 단계 A)의 다공성 흑연 기판은 > 6% 및 < 15%, 바람직하게는 6% 내지 13%, 더 바람직하게는 6 내지 < 12%, 더 바람직하게는 9 내지 11.5%의 공극률 정도를 갖는다.

[11] 실시예들 [1] 내지 [10] 중 어느 한 실시예에 따른 프로세스에서, 단계 A)의 다공성 흑연 기판은 10 내지 최대 30 ㎛의 표면 공극 직경을 갖는 공극들을 포함한다.

[12] 실시예들 [1] 내지 [11] 중 어느 한 실시예에 따른 프로세스에서, 단계 A)의 다공성 흑연 기판은 0.4 ― 5.0 ㎛, 바람직하게는 1.0 내지 4.0 ㎛의 평균 공극 크기(공극 직경)를 가지며, 최대 30 ㎛, 바람직하게는 최대 20 ㎛, 바람직하게는 최대 10 ㎛의 표면 공극 직경을 갖는 공극들을 포함한다.

[13] 실시예들 [1] 내지 [12] 중 어느 한 실시예에 따른 프로세스에서, 다공성 흑연 기판은 확대된 표면 공극들을 갖는 변경된 표면 공극률을 갖는 활성화된 흑연 기판이다.

[14] 실시예들 [1] 내지 [13] 중 어느 한 실시예에 따른 프로세스에서, 다공성 흑연 기판은 ≥ 1.50 g/㎤, 바람직하게는 ≥ 1.70 g/㎤, 바람직하게는 ≥ 1.75 g/㎤의 밀도를 갖는다.

[15] 실시예들 [1] 내지 [14] 중 어느 한 실시예에 따른 프로세스에서, DMS와 H₂의 혼합물은, H₂ 가스를 DMS 탱크 내에 도입하고, 탱크에 있는 DMS를 통해 H₂를 기포가 일게 하며 DMS와 H₂의 혼합물을 탱크의 최상부로부터 혼합물을 밀어냄으로써 프로세스 챔버 내로 전달하는 것에 의해 획득된다.

[16] 실시예들 [1] 내지 [15] 중 어느 한 실시예에 따른 프로세스에서, CVD 증착에 사용되는 디메틸디클로로실란은 실록산 불순물들의 > 0 내지 2.00 wt.%, 바람직하게는 > 0 내지 1.500 wt.%, 바람직하게는 > 0 내지 < 1.040 wt.%의 함량을 갖는 것을 특징으로 한다.

[17] 실시예들 [2] 내지 [16] 중 어느 한 실시예에 따른 프로세스에서, 적어도 75 ㎛, 바람직하게는 적어도 100 ㎛, 바람직하게는 75 내지 150 ㎛의 길이로 연장되는 텐드릴들의 형태의 연결된 결정질 SiC 물질이 형성될 때까지 단계 B-2)가 수행된다.

[18] 실시예들 [2] 내지 [17] 중 어느 한 실시예에 따른 프로세스에서, 단계 B-2)의 주입 단계는, SiC 채워진 공극들을 갖는 다공성 흑연을 포함하고 적어도 50 ㎛, 바람직하게는 적어도 75 ㎛, 바람직하게는 적어도 100 ㎛, 바람직하게는 적어도 150 ㎛, 바람직하게는 적어도 200 ㎛, 더 바람직하게는 약 200 내지 약 500 ㎛의 두께는 갖는 계면 층이 형성될 때까지 수행되고, 여기서 계면 층은 단계들 C) 내지 E) 및 단계 H)에서 형성된 SiC 표면 층과 흑연 기판 사이에 위치된다.

[19] 실시예들 [1] 내지 [18] 중 어느 한 실시예에 따른 프로세스에서, SiC 증착은 1000 내지 < 1200 ℃, 바람직하게는 1100 내지 1150 ℃의 범위의 온도에서 수행된다.

[20] 실시예들 [2] 내지 [19] 중 어느 한 실시예에 따른 프로세스에서, 단계 B-2)의 주입 단계는 > 30분 및 < 12시간, 바람직하게는 > 45분 및 < 10시간, 더 바람직하게는 적어도 1시간, 더 바람직하게는 < 10시간, 바람직하게는 < 8시간, 바람직하게는 < 6시간, 바람직하게는 < 4시간, 바람직하게는 < 3시간, 가장 바람직하게는 1 내지 2시간 내의 기간 동안 수행된다.

[21] 실시예들 [1] 내지 [20] 중 어느 한 실시예에 따른 프로세스에서, 단계들 C), D), E) 및 H) 중 하나 이상의 단계에서 실질적으로 사면체 결정질 SiC를 증착시키도록 제어된다.

[22] 실시예들 [1] 내지 [21] 중 어느 한 실시예에 따른 프로세스에서, 단계들 C), D), E) 및 H) 중 하나 이상의 단계에서 ≥ 10 ㎛, 바람직하게는 ≥ 10 내지 30 ㎛의 평균 입자 크기를 갖는 SiC 결정들을 증착시키도록 제어된다.

[23] 실시예들 [1] 내지 [22] 중 어느 한 실시예에 따른 프로세스에서, 단계 B-2)에서 < 10 ㎛, 바람직하게는 ≤ 7 ㎛, 바람직하게는 ≤ 5 ㎛, 바람직하게는 ≤ 4 ㎛, 바람직하게는 ≤ 3 ㎛, 바람직하게는 ≤ 2 ㎛의 평균 입자 크기를 갖는 SiC 결정들을 증착시키도록 제어된다.

[24] 실시예들 [1] 내지 [23] 중 어느 한 실시예에 따른 프로세스에서, 단계들 C), D), E), H) 및 B-2) 중 하나 이상의 단계에서, 1:1의 Si:C 비율을 갖는 실질적으로 화학량론적 SiC를 증착시키도록 제어된다.

[25] 실시예들 [1] 내지 [24] 중 어느 한 실시예에 따른 프로세스에서, 증착된 SiC는 적어도 90%, 바람직하게는 적어도 95%, 더 바람직하게는 적어도 97%의 실질적으로 화학량론적 사면체 결정질 SiC를 포함한다.

[26] 실시예들 [1] 내지 [25] 중 어느 한 실시예에 따른 프로세스에서, 증착된 SiC에서의 자유 Si의 양은 약 7 wt.% 이하, 바람직하게는 약 5 wt.% 이하, 더 바람직하게는 약 3 wt.% 이하의 자유 Si를 포함한다.

[27] 실시예들 [1] 내지 [26] 중 어느 한 실시예에 따른 프로세스에 의해 획득가능한 탄화규소 코팅된 몸체.

[28] 탄화규소 코팅된 몸체로서,

I-A) 6% 내지 15%의 공극률 정도를 갖고 최대 30 ㎛의 표면 공극 직경을 갖는 공극들을 포함하는 다공성 흑연 기판 및

II-A) 다공성 흑연 기판을 덮는 상이한 밀도의 적어도 2개의 SiC 코팅 층; 및 선택적으로

III-A) 흑연 기판과 SiC 코팅 층들 사이에 위치되고 다공성 흑연 및 공극들을 포함하는 계면 층을 포함하며, 이 공극들은, 적어도 하나의 SiC 코팅 층으로부터 다공성 흑연 기판 내로 적어도 50 ㎛ 길이로 연장되는 텐드릴들의 형태의 밀착 연결된 실질적으로 사면체 결정질의 적어도 50 ㎛ SiC 물질로 채워진다.

[29] 실시예 [27] 또는 [28]에 따른 탄화규소 코팅된 몸체에서, 적어도 2개의 SiC 코팅 층 II-A)은 상이한 결정 크기들을 특징으로 한다.

[30] 실시예 [27] 내지 [29] 중 어느 한 실시예에 따른 탄화규소 코팅된 몸체에서, 흑연 기판은 ≥ 6% 및 < 15%, 바람직하게는 6% 내지 13%, 더 바람직하게는 6 내지 < 12%, 더 바람직하게는 9 내지 11.5%의 개방 공극률을 갖는다.

[31] 실시예 [27] 내지 [30] 중 어느 한 실시예에 따른 탄화규소 코팅된 몸체에서, 흑연 기판은 최대 30 ㎛의 표면 공극 직경을 갖는 공극들을 포함한다.

[32] 실시예 [27] 내지 [31] 중 어느 한 실시예에 따른 탄화규소 코팅된 몸체에서, 흑연 기판은 0.4 ― 5.0 ㎛, 바람직하게는 1.0 내지 4.0 ㎛의 평균 공극 크기(공극 직경)를 가지며, 최대 30 ㎛, 바람직하게는 최대 20 ㎛, 바람직하게는 최대 10 ㎛의 표면 공극 직경을 갖는 공극들을 포함한다.

[33] 실시예 [27] 내지 [33] 중 어느 한 실시예에 따른 탄화규소 코팅된 몸체에서, 흑연 기판은 < 0.05 mm, 바람직하게는 0< 0.04 mm, 바람직하게는 < 0.03 mm, 바람직하게는 < 0.028 mm, 바람직하게는 < 0.025 mm, 바람직하게는 < 0.02 mm, 바람직하게는 < 0.018 mm, 바람직하게는 < 0.015 mm의 평균 결정립도를 갖는다.

[34] 실시예 [27] 내지 [34] 중 어느 한 실시예에 따른 탄화규소 코팅된 몸체에서, 흑연 기판은 ≥ 1.50 g/㎤, 바람직하게는 ≥ 1.70 g/㎤, 바람직하게는 ≥ 1.75 g/㎤의 밀도를 갖는다.

[35] 실시예 [27] 내지 [34] 중 어느 한 실시예에 따른 탄화규소 코팅된 몸체에서, 계면 층 III-A)을 갖고, 공극들은 적어도 75 ㎛, 바람직하게는 적어도 100 ㎛, 바람직하게는 75 내지 150 ㎛의 길이로 흑연 기판 내로 연장되는 텐드릴들의 형태의 밀착 연결된 실질적으로 사면체 결정질 SiC 물질로 채워진다.

[36] 고온 응용들, 서셉터들 및 반응기들, 반도체 물질들, 웨이퍼를 위한 물품들을 제조하기 위한, 실시예들 [27] 내지 [35] 중 어느 한 실시예에 따른 탄화규소 코팅된 몸체의 사용.

도면 및 부호의 설명
도 1은, 흑연 기판(1) 및 그의 계면 층(3)의 SiC 텐드릴들(4)뿐만 아니라 SiC 코팅 층(2)이 있는, 본 발명에 따른 탄화규소 코팅된 몸체의 680배 배율의 SEM 이미지를 도시한다. 계면 층(3)이 대략 200 ㎛의 두께를 갖는 것, 즉, SiC 텐드릴들(4)이 적어도 50 ㎛의 길이로 다공성 흑연 기판(1) 내로 연장되는 것을 볼 수 있다. SiC 코팅 층(2)은 대략 50 ㎛의 두께를 갖는다.
도 2는 상이한 밀도의 다층 SiC 코팅을 갖는 탄화규소 코팅된 몸체의 1250배 배율의 SEM 이미지를 도시한다. 상이한 SiC 코팅 층들은, 대략 43 ㎛ 두께의 제1 SiC 층(2-A), 대략 7 ㎛ 두께의 제2 SiC 층(2-B), 및 대략 50 ㎛ 두께의 제3 SiC 층(2-C)으로 상이한 두께를 나타낸다. 이미지는 계면 층(3)의 개방 공극들(5)의 내측 벽들의 SiC 코팅의 형태로 SiC 공극을 채우는 텐드릴들(4)을 더 도시한다.
도 3은 다공성 흑연 기판(1) 상에 거의 100 ㎛ 두께의 SiC 코팅 층(2)을 갖지만 텐드릴들 및 계면 층의 형성은 없는 탄화규소 코팅된 몸체의 SEM 이미지를 도시한다. 흑연 기판(1)의 개방 공극들(6)은 잘 보인다.
도 4는, 다공성 흑연 기판(1) 상에 50 ㎛ 초과의 두께의 SiC 코팅 층(2)을 갖지만, 퍼지 가스로서의 아르곤의 사용으로 인해 텐드릴들 및 계면 층의 형성은 없는 탄화규소 코팅된 몸체의 510배 배율의 SEM 이미지를 도시한다. 흑연 기판(1)의 개방 공극들(6)은 잘 보인다.
도 5a 및 5b는 SiC 텐드릴들(4) 상의 평면도의 500배 배율의 SEM 이미지를 도시하며; 그러므로, 흑연 기판은 공기 중으로 연소되었고 텐드릴들의 형태 및 분포가 가시적이며, 텐드릴의 분포는 매우 균일하고 조밀하다.
도 6a는 SiC 코팅 층(2)과 매우 견고히 연결된 SiC 텐드릴들(4)의 단면도의 390배 배율의 SEM 이미지를 도시한다.
도 6b는 SiC 코팅 층(2)과 매우 견고히 연결된 SiC 텐드릴들(4)의 단면도의 2000배 배율의 SEM 이미지를 도시한다.
도 7a 및 7b는, 정말 작은 공극들을 갖는, 본 발명의 정제 및 활성화 프로세스 이전의 다공성 흑연 물질(예비생성물)의 2000배 배율의 SEM 이미지를 도시하며, 여기서 공극들은 < 10 ㎛의 공극 크기/직경을 갖는다.
도 7c는 본 발명의 정제 및 활성화 프로세스 이전의 상기 다공성 흑연 물질(예비생성물)의 평균 공극 크기 및 공극 분포를 도시한다.
도 8a 및 8b는, 상당히 확대된 표면 공극들을 갖는 변경된 표면 공극률을 명백하게 보여주는, 본 발명의 활성화 프로세스 이후의 다공성 흑연 물질의 2000배 배율의 SEM 이미지를 도시하며, 다공성 흑연 물질은 이제는 ≥ 10 ㎛의 공극 크기/직경을 갖는 상당한 양의 확대된 공극들을 포함한다.
도 8c는, 활성화 프로세스 이전의 흑연 물질과 비교하여 증가된 공극률 정도 및 증가된 평균 공극 크기를 예시하는, 본 발명의 활성화 프로세스 이후의 상기 다공성 흑연 물질의 평균 공극 크기 및 공극 분포를 도시한다.
도 9는 CVD 프로세스에서의 SiC 핵형성, 성장 및 결정 형성에 대한 중요한 온도 의존성 및 그의 영향을 예시한다.
도 10은, 실질적으로 사면체 결정화도 및 최대 10 내지 30 ㎛의 결정 크기가 명백히 가시적인, 본 발명의 개선된 SiC 물질 상의 평면도의 3500배 배율의 SEM 이미지를 도시한다.
도 11은, 매우 날카로운 β-SiC 결정화도 피크를 보여주고 매우 적은 부산물 피크들 또는 비정질 SiC를 보여주는, 본 발명의 개선된 SiC 물질의 XRD 패턴을 도시하며, 이는 본 발명의 프로세스에서 형성된 SiC의 높은 순도 및 결정화도를 확증한다.
(1) 다공성 흑연 기판
(2) SiC 코팅 층
(2-A), (2-B), (2-C) 상이한 밀도의 SiC 코팅 층들
(3) 계면 층
(4) 개방 공극들에 형성된 텐드릴들
(5) 개방 공극들의 내측 벽들 상의 SiC 코팅
(6) 흑연 기판의 개방 공극들
(7) 텐드릴들과 코팅 층 사이의 밀착 연결
(8) 사면체 결정들

I. 정의들

다음의 설명에서, 주어진 범위들은 하위 및 상위 임계값들을 포함한다. 이에 따라, 파라미터 A의 "X와 Y의 범위에서" 또는 "X 내지 Y 범위에서"의 관점에서의 정의는, A가 X, Y 및 X와 Y 사이의 임의의 값 중 임의의 값일 수 있다는 것을 의미한다. 파라미터 A의 "최대 Y" 또는 "적어도 X"의 관점에서의 정의들은, 각각, 이에 따라 A가 Y 미만의 임의의 값 및 Y일 수 있거나, A가 X 및 X 초과의 임의의 값일 수 있다는 것을 의미한다.

본 발명에 따르면, 수치 값과 관련하여 "약"이라는 용어는 ± 10%, 바람직하게는 ± 8%, 바람직하게는 ± 5%, 바람직하게는 ± 3%, ± 2%, ± 1%의 분산을 포함하는 것을 의미한다.

본 발명에 따르면, 설명된 특징과 관련하여 "실질적으로"라는 용어는 이 특징이 상당한 수준으로 그리고/또는 대부분은 그의 완전하고 절대적인 실현으로 제한되지 않고 실현되는 것을 의미한다.

본 발명에서, 화학식 (CH₃)₂SiCl₂를 갖는 "디메틸디클로로실란"이라는 용어는 일반적으로, DMS로 약칭된다. DMS((CH₃)₂SiCl₂)는 또한, 클로로디메틸실란으로 지정될 수 있다.

본 발명의 관점에서 "텐드릴" 또는 "텐드릴들"이라는 용어는, 특정 길이를 갖고 다공성 기판의 표면으로부터 공극들 내로 연장되며 이에 의해 다공성 기판과 다공성 기판의 표면 위로 연장되는 외측 SiC 층 간의 깊이 도달식 앵커형 또는 후크형의 견고한 연결을 제공하는 증착된 SiC 물질을 설명한다. 본 발명의 관점에서 텐드릴들은 뿌리형 또는 그물형 형태를 나타내고, 가늘고 길며 가지친 것으로 보이며, 흑연에 형성된 매듭형 보이드들을 갖는 나무 뿌리들처럼 보일 수 있다. 이들은, 낮은 함량의 비정질 SiC를 갖는 실질적으로 사면체 SiC 결정들이, 적어도 50 ㎛의 길이로 연장되는 밀착 연결된 결정질 SiC 물질로 성장하는 것에 의해 형성된다. 이는, 예를 들어, 도 5a, 5b, 6a 및 6b(텐드릴 형성) 및 도 10에 예시된 바와 같이 SEM 평가에 의해 또는 도 11에 예시된 바와 같이 종래의 방법들에 따른 XRD 패턴(실질적으로 사면체 SiC 결정 구조)을 통해 결정될 수 있다.

본 발명에 따른 프로세스에서 획득된 결정화도/결정들을 지칭하는 "결정화도" 또는 "결정(들)"이라는 용어는 일반적으로, 본원에 설명된 바와 같은 "베타 SiC" 및/또는 "(실질적으로) 사면체 결정들"을 의미한다.

또한, 사면체 결정 구조는 아래에 도 10에 예시된다.

본 발명의 관점에서 "공극률"은 일반적으로, "개방 공극률"에 관한 것이고, 그렇지 않으면 다공성 흑연 기판 내로의 SiC 텐드릴들의 성장은 가능하지 않을 것이다.

예를 들어, 공극률 정도, 공극 변경, SiC 입자 크기들, 계면 층 두께 등의 결정을 위한 결정 방법으로서 본 발명에서 언급된 바와 같이, 주사 전자 현미경(SEM) 측정은 바람직하게는, 실온(대략 24 ℃)에서 페놈 프로엑스(Phenom ProX)(5 kV, 10 kV 및 15 kV)를 사용하는 SEM 시스템에 관한 것이다.

II. 프로세스

본 발명의 제1 양상은 디메틸디클로로실란(DMS)을 실란 공급원으로서 사용하여 화학 기상 증착 방법으로 SiC를 흑연 기판 상에 증착시킴으로써 탄화규소(SiC) 코팅된 몸체를 제조하기 위한 프로세스에 관한 것이다.

1. 흑연 기판을 제조하기 위한 프로세스

본 발명의 프로세스의 일 양상은 상기 프로세스에서 흑연 기판으로서 사용되는 흑연 부재의 제조에 관한 것이다.

SiC 코팅된 요소의 기초 또는 코어를 형성할 흑연 기판은 임의의 적합한 흑연 요소로부터, 예를 들어, 원하는 크기 및 형상으로 절단함으로써 제조될 수 있다.

바람직하게는, 적어도 99% 순도를 갖는 흑연이 사용된다.

그 다음, 흑연은 추가의 처리들, 예컨대, 특히, 특정 표면 구조를 적용하기 위한 표면 처리(흑연의 기계가공)를 겪을 수 있다. 표면 구조는 가변 설계를 가질 수 있고, 고객들의 요구들 및 희망들에 따라 응용될 수 있다. 표면 구조는 관련 기술분야에 알려진 종래의 방법들을 사용하여 응용될 수 있다.

이렇게 전처리된 흑연 부재는 소위 흑연 예비생성물을 형성한다.

본 발명에 따르면 개방 공극률을 갖는 흑연 기판을 사용하는 것이 특히 바람직하다.

바람직하게, 흑연 기판은 바람직하게는, 0.4 ― 5.0 ㎛ 범위의 평균 공극 크기(공극 직경)를 갖는 작은 공극들을 포함한다. 작은 공극들을 갖는 흑연 기판은 바람직하게는, < 10 ㎛의 표면 공극 직경을 갖는 공극들을 포함한다. 이는, 실질적으로 또는 지배적인 양의 공극들이 < 10 ㎛의 공극 크기 또는 직경을 나타낸다는 것을 의미한다. 적합한 흑연 예비생성물의 예시적 실시예가 도 7a-c에 예시된다.

≥ 6% 및 ≤ 15%의 공극률 정도를 갖는 흑연 기판을 사용하는 것이 더 바람직하다. 바람직하게는, 본 발명의 프로세스에서 사용되는 흑연은 약 6% 내지 약 13%, 바람직하게는 약 11% 내지 약 13%의 공극률 정도를 갖는다. 더욱 바람직하게는, 흑연 기판은 6% 내지 15%, 바람직하게는 ≥ 6% 및 < 15%, 바람직하게는 6% 내지 13%, 더 바람직하게는 6 내지 < 12%, 더 바람직하게는 9 내지 11.5%의 공극률 정도의 개방 공극률을 갖는다.

미세 결정립 유형, 초미세 결정립 유형 및/또는 극초미세 결정립 유형의 흑연 기판을 사용하는 것이 더 바람직하다. 그러한 흑연 결정립 유형들은 특히 미세한 결정립도들을 갖는 흑연을 나타낸다. 바람직하게는, 흑연 기판은 < 0.05 mm의 평균 결정립도를 포함하고, 더 바람직하게는 결정립도는 ≤ 0.04 mm, 바람직하게는 ≤ 0.03 mm, 바람직하게는 ≤ 0.028 mm, 바람직하게는 ≤ 0.025 mm, 바람직하게는 ≤ 0.02 mm, 바람직하게는≤ 0.018 mm, 바람직하게는 ≤ 0.015 mm이다.

흑연 기판은 바람직하게는, ≥ 1.50 g/㎤, 바람직하게는 ≥ 1.70 g/㎤, 바람직하게는 ≥ 1.75 g/㎤의 밀도를 갖는다.

결정립도, 공극 크기/공극 직경 및 공극률 정도는 알려진 방법들을 사용하여, 예컨대, 특히, 위에서 나타내진 바와 같이 SEM(주사 전자 현미경) 측정에 의해 결정될 수 있다.

공극률은 또한, 흑연 기판의 단위 중량[㎤/g] 당 공극들의 양과 벌크 밀도[g/㎤]의 곱을 계산함으로써 획득될 수 있다. 이에 따라, 공극률은 부피 기준으로 [vol/vol]로 표현될 수 있다.

(벌크) 밀도는 흑연 샘플의 질량을 상기 샘플의 부피로 나눔으로써 획득될 수 있다.

단위 중량 당 공극들의 양은, 예를 들어, US2018/0002236 A1에 설명된 바와 같이 또는 종래의 장치를 사용하여 그리고 잘 알려진 조건들 하에서 수은 공극률 측정기로 더 측정될 수 있다.

상기 원하는 공극률 정도 및/또는 밀도는 흑연 예비생성물을 제조하기 위해 사용되는 흑연에 이미 존재할 수 있다. 원하는 특징들은 또한, 본원에 설명된 바와 같이 본 발명의 프로세스 단계들에서 조정될 수 있다.

위에서 정의된 특징들은 흑연 기판 및 SiC 코팅된 흑연 몸체의 기계적 강도에 대해 유리하다. 공극률이 증가함에 따라 기판의 밀도가 감소하고, 이는 기판 물질을 약화시키며 고온 응용들에서 또는 고온 CVD 프로세스 동안 균열들 및 결함들 또는 마모로 이어질 수 있다.

그러나, 공극률 정도 및 공극 크기가 너무 작으면, SiC 텐드릴들을 공극들 내에 형성하기 위해 실란 공급원을 공극들 내로 깊게 도입하는 것이 어려워진다. 따라서, 본 발명의 추가의 목적은, 고온 응용들을 위한 개선된 SiC 코팅된 물품들을 제공하기 위해 흑연 기판의 기계적 특성들을 저하시키지 않고 기판의 공극들 내부로 깊게 고품질의 SiC의 증착을 허용하는 적절한 프로세스 조건들을 식별하고, 그리고 사용되는 흑연 기판 물질의 공극들 내로 SiC를 깊게 도입하기 위한 적합성 및 한편으로는 안정성과 양호한 기계적 및 물리적 강도 사이의 적절한 균형을 찾는 것이다.

2. 흑연의 정제

추가의 프로세스 단계는 흑연 예비생성물의 추가의 전처리에 관한 것이다. 여기서, 흑연 예비생성물은 정제 및 염소화 절차를 겪는다. 그러므로, 흑연 예비생성물의 개별 요소들이 노 내에 적층되고 약 2000 ℃에 도달하는 가열 하에서 질소 가스로 퍼징된다. 흑연 예비생성물의 염소화를 수행하기 위해 염소 가스가 노 내로 퍼징된다. 원칙적으로, 예를 들어, US 2,914,328, WO 94/27909, EP 1522523 A1, EP1375423 또는 US 4,892,788로부터, 염소화 처리에 의해 금속 원소 불순물들을 제거하기 위해 흑연과 같은 탄소질 물질들을 정제하기 위한 방법들이 잘 알려져 있다. 알려진 염소화 처리들에서, 아르곤은 종종, 흑연 물질 내의 질소 함량을 감소시키기 위한 특별한 목적을 갖는 퍼지 가스로서 사용된다. 상기 문헌들 중 어느 것도, 문헌들에 설명된 프로세스 조건들의, 정제된 기판들의 공극률에 대한 영향을 설명하지 않는다.

그러나, 본 발명의 발명자들은, 본 발명의 한 특정한 양상에서 매우 특정한 프로세스 조건들을 적용함으로써, 정제된 흑연 부재들뿐만 아니라, 변경된 표면 공극률을 갖는 흑연 부재들도 제조될 수 있다는 것을 발견했다. 변경된 표면 공극률을 갖는 그러한 정제된 흑연 부재들은, 본 발명에 따른 CVD 방법에서 흑연 기판으로서 사용하기에 특히 적합한 것으로 밝혀졌는데, 이로써 그러한 변경된 흑연 부재들은, 본원에 설명된 바와 같은, 흑연 기판의 공극들에서의 SiC 텐드릴들의 형성을 특히 용이하게 했다. 특히, 기판의 최대 기계적 강도를 유지하지만 동시에, SiC 증착 및 흑연 내부에의 텐드릴 형성을 위한, 공극들 내로 깊게 규소 원료의 도입을 허용할 충분한 공극률을 갖기 위해 흑연의 작은 공극들과 낮은 공극률 정도 사이의 균형을 유지하는 양상 하에서, 본 발명에 따른 정제 및 활성화 단계로부터 초래된 활성화되고 변경된 표면 공극률은 놀랍게도 효과적인 것으로 밝혀졌다.

그러므로, 본 발명의 일 양상은 변경된 표면 공극률을 갖는 정제된 흑연 부재를 제조하기 위한 프로세스에 관한 것이다. 그러한 프로세스는 특정 프로세스 단계들을 포함한다.

a) 개방 공극률을 갖고 0.4 ― 5.0 ㎛의 범위의 평균 공극 크기(공극 직경)를 갖는 공극들을 포함하고 < 10 ㎛ 표면 공극 직경을 갖는 공극들을 포함하고 < 0.05 mm의 평균 결정립도를 갖는 흑연 부재(예를 들어, 위에서 언급된 흑연 예비생성물)를 제공하는 단계;

b) 노에서의 산소 함량이 약 5.0%일 때까지 노에서 질소로 흑연 부재를 퍼징하는 단계;

c) 다공성 흑연 부재를 노에서 적어도 약 1000 ℃의 온도까지 가열하는 단계;

d) 산소 함량이 ≤ 0.5%일 때까지 다공성 흑연 부재를 질소로 퍼징하고 가열하는 것을 계속하는 단계;

e) 다공성 흑연 부재가 염소화 처리를 직접 겪게하는 단계로서, 염소화 처리는,

f) 온도를 > 1500 ℃까지 증가시키고 염소 가스를 퍼징하는 것을 시작하는 것;

g) 다공성 흑연 부재를 염소 분위기에서 ≥ 1700 ℃의 온도까지 가열하는 것에 의한 것인, 단계.

놀랍게도, 그러한 특정 프로세스 조건들로, 변경된 표면 공극률을 갖는 정제된 흑연 부재를 제공하는 것이 가능하다는 것이 밝혀졌다. 상기 표면 공극률 변경은 단계 a)에 따른 흑연 부재의 표면 공극률, 즉, 단계들 b) 내지 g)에 따른 처리 이전의 흑연 부재와 비교하여 명백해진다. 변경은, 예를 들어, 위에서 나타내진 바와 같이 그리고 단계 a)에 따른, 즉, 단계들 b) 내지 g)에 따른 처리 이전의 흑연 부재의 공극률을 도시하는 도 7a, 7b 및 7c 그리고 단계들 b) 내지 g) 이후의 상기 흑연 부재의 변경된 표면 공극률을 명확하게 도시하는 도 8a, 8b 및 8c에 예시된 바와 같이 SEM(주사 전자 현미경) 측정에 의해 또는 현미경사진들에서 결정될 수 있다. 설명된 프로세스에서, 표면 공극률은, 예를 들어, 단계 a)에서 사용된 흑연 기판에 비해 확대된 평균 공극 크기(공극 직경)를 갖는 공극들을 포함하는 변경된 공극률을 갖는 흑연 기판을 획득하기 위해 표면 공극들을 확대함으로써 변경된다.

특히, 단계 a)에서 사용된 흑연 기판에 비해 확대된 평균 공극 크기(공극 직경)를 갖는 공극들을 포함하는 변경된 공극률을 갖고 ≥ 10 ㎛의 표면 공극 직경을 갖는 공극들을 포함하는 흑연 기판이 획득될 수 있다.

바람직하게는, 단계 a)에서 사용된 흑연 기판에 비해 1.2 내지 2.0의 인자, 바람직하게는 1.2, 바람직하게는 1.3, 바람직하게는 1.5, 바람직하게는 2.0의 인자로 확대된 평균 공극 크기(공극 직경)를 갖는 공극들을 포함하는 변경된 공극률을 갖는 흑연 기판이 획득될 수 있다.

바람직하게는, ≥ 10 ㎛, 바람직하게는 ≥ 10 ㎛ 내지 최대 30 ㎛의 표면 공극 직경을 갖는 공극들을 포함하는 변경된 공극률을 갖는 흑연 기판이 획득될 수 있다.

바람직하게는, 단계 a)에서 사용된 흑연 기판에 비해 2.0의 인자, 바람직하게는 3.0의 인자, 바람직하게는 4.0의 인자, 바람직하게는 5.0의 인자, 바람직하게는 6.0의 인자, 바람직하게는 7.0의 인자, 바람직하게는 8.0의 인자, 바람직하게는 9.0의 인자, 바람직하게는 10.0의 인자로 확대된, 확대된 표면 공극 직경을 갖는 공극들을 포함하는 변경된 공극률을 갖는 흑연 기판이 획득될 수 있다.

바람직하게는, 상기 변경은 흑연 공극들의 표면 공극 직경을 확대하는 것으로 이어지며, 이는 공극의 입구가 연장되고 따라서 일종의 진입구 또는 깔때기들 또는 원뿔들을 제공한다는 것을 의미하는데, 이는 Si 가스를 다공성 흑연 부재의 공극들 내부로 깊게 유도하는 것을 지원한다. 이는, Si가스를 위한 진입구가 큰 반면, 흑연의 전체 공극률은 물질의 기계적 안정성 및 강도를 유지하기 위해 작게 유지된다는 장점을 갖는다.

이에 따라, 본 발명에 따른 확대된 표면 공극 직경들은 또한, 기판 내부의 공극들의 직경에 대해 기판의 표면에서 확대된 것을 의미할 수 있다.

따라서, 프로세스 단계들 b) 내지 d)는 위에서 설명된 표면 공극률 변경들을 달성하도록 제어된다.

특히, 그러한 표면 공극률 변경은 단계 a)에 따른 흑연 부재의 개방 공극 직경에 비해 흑연 표면에서의 개방 공극 직경을 확대시키는 것을 포함한다. 그러한 특정 프로세스 조건들에서, 흑연 표면에서의 평균 개방 공극 직경은 적어도 25%, 바람직하게는 적어도 30%, 바람직하게는 적어도 35%, 바람직하게는 적어도 40%, 바람직하게는 적어도 45%, 바람직하게는 적어도 50%, 바람직하게는 적어도 55%, 바람직하게는 적어도 60% 증가될 수 있다. 특히, 흑연 표면에서의 평균 개방 공극 직경은 60% 초과, 예컨대, 예를 들어 60 내지 100% 증가될 수 있다. 그러한 표면 공극률 변경은, 본 발명에 따른 CVD 방법에서 사용될 때, 흑연 부재의 공극들 내로 성장하여 연장되는 SiC 텐드릴들의 형성을 촉진하고 지원하는 변경된 표면 구조를 제공한다.

단계 b)에서, 바람직하게 질소는 노에서의 산소 함량이 약 3.0%, 바람직하게는 약 2.5%일 때까지 퍼징된다. 단계 b)에서의 산소 함량이, 단계 c)에서 다공성 흑연 부재를 가열하기 전에, 본원에 정의된 것보다 더 높으면, 흑연이 연소되고 공극 구조가 적어도 부분적으로 파괴된다. 단계 b)에서의 산소 함량이, 단계 c)에서 다공성 흑연 부재를 가열하기 전에, 본원에 정의된 것보다 더 낮으면, 표면 공극률의 충분한 변경이 달성될 수 없다.

산소 함량은 산소/일산화탄소 측정기인 배커랙 모델(Bacharach Model) 0024-7341을 사용하여 제어될 수 있다.

바람직하게, 단계 c) 및 d)에서의 온도는 > 1000 내지 1500 ℃, 바람직하게는 1000 내지 1200 ℃이다.

단계 d)에서 질소로 퍼징하고 가열하는 것은 바람직하게는, 산소 함량이 ≤ 0.3%, 바람직하게는 ≤ 0.2%, 바람직하게는 ≤ 0.1%로 감소될 때까지 계속된다.

또한, 원하는 낮은 산소 함량에 도달할 때까지 흑연 부재를 가열하는 것을 시작하지 않고 질소로 퍼징한 다음에, 위에서 단계 c)에서 정의된 바와 같이 다공성 흑연 부재를 가열하는 것을 시작하는 것이 가능하다.

프로세스 단계들 b) 내지 d)는, 정의된 산소 함량이 달성될 때까지 수행된다.

이론에 얽매이지 않고, 노에 존재하는 퍼지 가스 질소 및 산소 잔류물들이 연소 동안 반응하여, 그들의 반응도로 알려져 있는, 질소 산화물들(NOx)을 형성하는 것이 가정되는데, 따라서 다공성 흑연 부재의 정제를 더 달성하는 것으로 가정된다.

본원에 설명된 특정 프로세스의 일 양상에서, 원하는 낮은 산소 함량이 달성될 때까지 퍼징되었고 선택적으로 가열되었던 흑연 부재는, 단계 f)에서 정의된 바와 같이 흑연 부재를 가열하기 시작함으로써 염소화 프로세스를 직접 겪는다.

단계 f) 및/또는 g)에서 염소 가스는 바람직하게는 5 내지 20, 바람직하게는 7 내지 10 slpm(분당 표준 리터) 염소 가스로 퍼징된다. 염소 가스의 유동을 제어하기 위한 유량계는 시에라 인스트루먼츠(Sierra Instruments) 디지털 MFC의 유량계일 수 있다.

바람직하게는, 단계들 e) 내지 g)의 염소화 처리는 약 1 내지 4 시간, 바람직하게는 1 내지 3 시간의 기간 동안 수행된다.

단계 g)에서 온도는 ≥ 1700 ℃까지 상승된다. 이는 또한, ≥ 2000 ℃까지 상승될 수 있다. 바람직하게는, 단계들 e) 내지 g)의 염소화 처리는 2600 ℃ 이하의 온도에서 수행되고, 바람직하게는, 단계 g)의 온도는 > 1800 및 ≤ 2600 ℃, 바람직하게는 1800 내지 2500 ℃까지 상승된다.

바람직하게는, 염소화 처리는 다공성 흑연 부재의 염소 함량을 적어도 약 20.00 ppb wt., 바람직하게는 적어도 약 40.00 ppb wt., 바람직하게는 적어도 약 60.00 ppb wt.의 양으로 조정하도록 제어된다.

추가의 양상에서, 다공성 흑연 부재의 염소 함량은 적어도 약 30.00 ppb wt., 바람직하게는 적어도 약 40.00 ppb wt., 바람직하게는 적어도 약 50.00 ppb wt.의 양으로 조정된다.

추가의 양상에서, 다공성 흑연 부재의 염소 함량은 약 20.00 내지 250.00 ppb wt., 바람직하게는 약 30.00 내지 250.00 ppb wt., 바람직하게는 약 40.00 내지 250.00 ppb wt., 바람직하게는 약 50.00 내지 250.00 ppb wt.의 범위의 양으로 조정된다.

추가의 양상에서, 다공성 흑연 부재의 염소 함량은 약 20.00 내지 250.00 ppb wt., 바람직하게는 약 20.00 내지 200.00 ppb wt., 바람직하게는 약 20.00 내지 175.00 ppb wt., 바람직하게는 약 20.00 내지 165.00 ppb wt.의 범위의 양으로 조정된다.

그러한 염소 함량 조정은 프로세스 단계들 e) 내지 g)를 갖는 위에서 설명된 프로세스에서 특히 바람직하다.

여기서, 조정 및 위에서 정의된 염소 함량은, 특히, 다공성 흑연 부재의 표면 영역에서뿐만 아니라 더 깊은 영역들에서도 달성된다. 매우 특히, 본 발명에 따른 염소화 처리에 의해, 위에서 정의된 바람직한 염소 함량들이 다공성 흑연 부재 내부에서, 특히, 주 표면 아래 ≥ 50 ㎛의 깊이에서 달성될 수 있다. 흑연 부재의 깊이에서의 염소화 함량은, 원하는 정도의 순도를 달성하고 염소를 흑연 부재 내로 도입하기에 바람직하다.

상기 조정은, 특히, 상술한 바람직한 염소화 처리 조건들로 달성될 수 있다.

이론에 얽매이지 않고, 흑연 부재 내로 염소를 도입하는 것은, 예를 들어, 본원에 설명된 바와 같은 CVD 방법에서, 본원에 설명된 바와 같은 다음의 프로세스 단계들에서 추가의 정제를 달성할 수 있는, 포획된 염소의 일종의 저장소를 제공하는 것으로 가정된다. 흑연 부재에 잔류 염소를 도입하고 보존하기 위해, 본원에 정의된 바와 같은 흑연 부재의 특정 공극률 정도 및/또는 밀도가 유리한 것으로 가정된다. 그러한 비교적 조밀한 흑연 물질들이 흑연 부재에서의 염소의 포획을 지원하는 것으로 가정된다.

본 발명에 따르면, 염소화 처리는 정제된 다공성 흑연 부재, 예를 들어, 위에서 설명된 프로세스 단계 g)로부터 초래되는 흑연 부재를 제공하기 위해 수행되며, 이 흑연 부재는 다음의 불순물 원소들 중 하나 이상을 다음의 양

칼슘 < 100.00 ppb wt.,

마그네슘 < 100.00 ppb wt.,

알루미늄 < 100.00 ppb wt.,

티타늄 < 20.00 ppb wt.,

크로뮴 < 200.00 ppb wt.,

망가니즈 < 20.00 ppb wt.,

구리 < 100.00 ppb wt.,

철 < 20.00 ppb wt.,

코발트 < 20.00 ppb wt.,

니켈 < 20.00 ppb wt.,

아연 < 100.00 ppb wt.,

몰리브데넘 < 300.00 ppb wt.;

으로 포함하고, 바람직하게는 다음의 불순물 원소들 중 하나 이상을 다음의 양으로 포함한다:

칼슘 < 50.00 ppb wt.,

마그네슘 < 50.00 ppb wt.,

알루미늄 < 50.00 ppb wt.,

티타늄 < 10.00 ppb wt.,

크로뮴 < 100.00 ppb wt.,

망가니즈 < 10.00 ppb wt.,

구리 < 50.00 ppb wt.,

철 < 10.00 ppb wt.,

코발트 < 10.00 ppb wt.,

니켈 < 10.00 ppb wt.,

아연 < 50.00 ppb wt.,

몰리브데넘 < 150.00 ppb wt.

본 발명에 따르면 염소화 처리는 ≥ 98%, 바람직하게는 ≥ 99%의 순도를 갖는 다공성 부재를 제공하기 위해 수행된다.

본 발명에 따른 정제 프로세스는 바람직하게, ≤ 10.00 ppm wt., 바람직하게는 ≤ 5.00 ppm wt., 바람직하게는 ≤ 4.00 ppm wt.의 총량의 불순물들을 갖는 다공성 흑연 부재를 제공한다.

위에서 설명된 정제 또는 정제 및 표면 변경의 프로세스는 다공성 흑연 부재를 어닐링하는 단계를 더 포함할 수 있으며, 이에 의해 다공성 흑연 부재에서 응력을 감소시키기 위해 다공성 흑연 부재를 > 1000 ℃의 온도에서 유지한다.

결과적인 정제된 다공성 흑연 부재는 표면 세정을 겪을 수 있으며, 이에 의해 먼지 및 느슨한 입자들을 처리된 흑연 부재의 표면으로부터 제거한다.

흑연의 알려진 염소화 처리들에서 아르곤을 퍼지 가스로서 사용하는 것이 상당히 일반적이다. 본 발명의 발명자들은 놀랍게도, 특히, 본원에 설명된 바와 같은 CVD 방법에서 사용될 정제된 흑연 부재들의 제조를 위해, 흑연의 공극들 내로 연장되는 텐드릴들의 형성이 의도되며, 아르곤은 퍼지 가스로서 적합하지 않다는 것을 발견했다. 대조적으로, 본 발명자들은 흑연 부재들을 정제하는 프로세스에서 아르곤이 퍼지 가스로서 사용되었다면, 어떠한 텐드릴 형성도 발생하지 않는다는 것을 발견했다. 따라서, 본 발명의 추가의 양상에서, 아르곤이 없을 때 정제 및 염소화 프로세스를 수행하는 것이 바람직하다.

3. 염소화된 흑연의 활성화

추가의 프로세스 단계는, 위에서 설명된 흑연 예비생성물 또는 정제되고 염소화된 흑연 부재의 추가의 전처리에 관한 것이다. 여기서, 위에 설명된 흑연 예비생성물 또는 정제되고 염소화된 흑연 부재는 활성화 절차를 겪는다. 본 발명의 발명자들은 놀랍게도, 본 발명의 하나의 추가의 양상에서, 매우 특정한 프로세스 조건들의 적용이, (더) 변경된 표면 공극률을 갖는 활성화된 흑연 부재를 제조하기에 적합하다는 것을 발견했다. 변경된 표면 공극률을 갖는 그러한 활성화된 흑연 부재들은, 본 발명에 따른 CVD 방법에서 흑연 기판들로서 사용하기에 특히 적합한 것으로 밝혀졌는데, 이로써 그러한 활성화된 흑연 부재들은, 이하에서 설명되는 바와 같은 CVD 방법에서 사용될 때, 흑연의 공극들 내로 연장되는 SiC 텐드릴들의 형성을 더 용이하게 하고 지원한다.

이에 따라, 본 발명의 추가의 양상은 변경된 표면 공극률을 갖는 활성화된 흑연 기판을 제조하기 위한 프로세스에 관한 것이다. 그러한 프로세스는 특정 프로세스 단계들을 포함한다.

i) 개방 공극률을 갖고 0.4 ― 5.0 ㎛의 범위의 평균 공극 크기(공극 직경)를 갖는 공극들을 포함하고 < 10 ㎛의 표면 공극 직경을 갖는 공극들을 포함하고 < 0.05 mm의 평균 결정립도를 갖는 흑연 기판을 프로세스 챔버에 위치시키는 단계;

ii) 프로세스 챔버에서의 산소 함량이 약 5.0%일 때까지 프로세스 챔버에서 질소로 흑연 기판을 퍼징하는 단계;

iii) 다공성 흑연 기판을 노에서 적어도 약 1000 ℃의 온도까지 가열하는 단계;

iv) 산소 함량이 ≤ 0.5%일 때까지 다공성 흑연 기판을 질소로 퍼징하고 > 1000 ℃의 온도까지 가열하는 것을 계속하는 단계.

그러한 프로세스는 흑연으로 피복된 프로세스 챔버에서 수행될 수 있다. 프로세스 챔버는 처리될 흑연 요소들이 장착될 수 있는 유지 요소들을 포함할 수 있다. 흑연 요소들과 유지 요소들 사이의 접촉 지점(들)을 가능한 한 작게 유지하는 것이 바람직하다. 프로세스 챔버는 가열될 수 있다. 원칙적으로, 그러한 프로세스 챔버들은 알려져 있다.

상기 프로세스는, 단계 iv) 이후, 활성화된 다공성 흑연 기판의 응력을 감소시키기 위해, 활성화된 다공성 흑연 기판을 > 1000 ℃의 온도로 유지함으로써, 활성화된 다공성 흑연 기판을 어닐링하는 단계 v)를 더 포함할 수 있다.

활성화된 다공성 흑연 기판은 표면 먼지 또는 느슨한 입자들로부터 세정될 수 있다. 그러나, 상기 활성화 프로세스에 의해 획득된 활성화된 다공성 흑연 기판이, 예컨대, 이하에서 설명되는 바와 같이, 화학 기상 증착 처리를 직접 겪는 것이 특히 바람직하다. 이에 따라, 상기 프로세스는 바람직하게는, 활성화된 다공성 흑연 기판이 CVD 처리를 직접 겪게하는, 단계 iv) 또는 선택적 단계 v) 이후의 추가의 단계 vi)를 포함한다. 여기서, 예컨대, 예를 들어, US 3,925,577에서 설명된 바와 같이, 활성화 처리와 CVD 처리 사이의 임의의 세정 단계들을 생략하는 것이 특히 바람직하다.

이에 따라, 본 발명의 추가의 양상은 변경된 표면 공극률을 갖는 활성화된 흑연 기판을 제조하기 위한 프로세스에 관한 것으로, 프로세스는 특정 프로세스 단계들을 포함한다.

iv) 산소 함량이 ≤ 0.5%일 때까지 다공성 흑연 기판을 질소로 퍼징하고 > 1000 ℃의 온도까지 가열하는 것을 계속하는 단계;

v) 단계 iv)로부터 초래되는 활성화된 다공성 흑연 기판을, 활성화된 다공성 기판의 응력을 감소시키기 위해, > 1000 ℃의 온도에서 선택적으로 어닐링하는 단계;

vi) 단계 iv) 또는 v)의 활성화된 다공성 흑연 기판이 이전의 세정 단계 없이 CVD 처리를 직접 겪게 하는 단계.

본 발명의 일 양상에서, 먼지 또는 느슨한 입자들을 제거하지 않고 CVD 프로세스를 직접 겪는 그러한 활성화된 다공성 흑연 기판은, 일종의 분말 층을 표면 상에 포함할 수 있고, 그러한 표면 분말 층은 주로 탄소 분말 또는 탄소 먼지를 포함한다. 단계 iv) 또는 v)로부터 초래되는 다공성 흑연 기판은, 1 내지 15 ㎛, 바람직하게는 2 내지 10 ㎛, 바람직하게는 3 내지 7 ㎛, 바람직하게는 > 1 ㎛, 바람직하게는 > 2 ㎛의 두께를 갖는 그러한 표면 분말 층을 포함할 수 있다. 이에 따라, 단계 vi)에서 CVD 처리를 직접 겪는 활성화된 다공성 흑연 기판은 바람직하게는, 각각의 표면 분말 층을 나타낸다.

그러한 느슨한 분말 층은 놀랍게도, CVD 프로세스의 SiC 코팅에 긍정적으로 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다. 이론에 얽매이지 않고, 느슨한 분말 층은 결정질 SiC의 성장을 증진시키고 SiC 형성을 더 가속하기 위한 개선된 핵형성 표면을 제공하는 것으로 가정된다.

위에서 설명된 활성화 프로세스의 단계 ii)에서, 바람직하게는, 프로세스 챔버에서의 산소 함량이 약 3.0%, 바람직하게는 약 2.5%일 때까지 질소가 퍼징된다. 단계 iv)에서 질소로 퍼징하고 가열하는 것은 바람직하게는, 산소 함량이 ≤ 0.3%, 바람직하게는 ≤ 0.2%, 바람직하게는 ≤ 0.1%로 감소될 때까지 계속된다.

산소 함량은 산소/일산화탄소 측정기인 배커랙 모델 0024-7341을 사용하여 제어될 수 있다.

위에서 설명된 정제 프로세스에서와 유사하게, 단계 ii)에서의 산소 함량이, 단계 iii)에서 다공성 흑연 부재를 가열하기 전에, 본원에 정의된 것보다 더 높다는 것이 중요하다. 더 높은 산소 함량에 의해, 흑연이 연소될 수 있고 공극 구조는 적어도 부분적으로 파괴된다. 단계 ii)에서의 산소 함량이, 단계 iii)에서 다공성 흑연 부재를 가열하기 전에, 본원에 정의된 것보다 더 낮으면, 흑연 기판의 충분한 활성화가 달성될 수 없다.

바람직하게, 단계 iii) 및 iv)에서의 온도는 > 1000 내지 1500 ℃, 바람직하게는 1000 내지 1200 ℃이다.

프로세스 단계들 ii) 내지 iv)는, 정의된 산소 함량이 달성될 때까지 수행된다.

매우 바람직하게는, 위에서 설명된 바와 같은 정제되고 염소화된 흑연 부재가 본 활성화 처리를 겪는다. 그러므로, 상기 활성화 프로세스에서 단계 i)의 흑연 기판이 적어도 약 20.00 ppb wt., 바람직하게는 적어도 약 40.00 ppb wt., 바람직하게는 적어도 약 60.00 ppb wt.의 염소 함량을 나타내는 것이 특히 바람직하다.

추가의 양상에서, 단계 i)에서 사용되는 다공성 흑연 기판의 염소 함량은 적어도 약 30.00 ppb wt., 바람직하게는 적어도 약 40.00 ppb wt., 바람직하게는 적어도 약 50.00 ppb wt.이다.

추가의 양상에서, 단계 i)에서 사용되는 다공성 흑연 기판의 염소 함량은 약 20.00 내지 250.00 ppb wt., 바람직하게는 약 30.00 내지 250.00 ppb wt., 바람직하게는 약 40.00 내지 250.00 ppb wt., 바람직하게는 약 50.00 내지 250.00 ppb wt.의 범위에 있다.

추가의 양상에서, 단계 i)에서 사용되는 다공성 흑연 기판의 염소 함량은 약 20.00 내지 250.00 ppb wt., 바람직하게는 약 20.00 내지 200.00 ppb wt., 바람직하게는 약 20.00 내지 175.00 ppb wt., 바람직하게는 약 20.00 내지 165.00 ppb wt.의 범위에 있다.

매우 특히, 상기 바람직한 염소 함량들은 다공성 흑연 기판 내부에, 특히, 주 표면 아래 ≥ 50 ㎛의 깊이에 존재한다.

위에서 언급된 바와 같이, 흑연 기판 내부에 포획된 그러한 염소 함량들을 갖는 흑연 기판을 사용하는 것은 본 활성화 처리 동안 추가의 정제를 달성하는 데에 유리하다.

위에 열거된 이유들로 인해, 활성화 프로세스의 단계 i)의 다공성 흑연 기판은 바람직하게는, 위에서 정의된 바와 같은 공극 특징, 예컨대, 특히, 위에서 정의된 작은 평균 공극 크기(직경) 및 낮은 공극률 정도를 갖는다.

위에 열거된 이유들로 인해, 활성화 프로세스의 단계 i)의 다공성 흑연 기판은 바람직하게는, 위에서 정의된 바와 같은 공극률 정도를 갖는다.

위에 열거된 이유들로 인해, 활성화 프로세스의 단계 i)의 다공성 흑연 기판은 바람직하게는, 위에서 정의된 바와 같은 결정립도 및/또는 밀도를 갖는다.

본원에 설명된 활성화 처리에서 처리되는 다공성 흑연 기판은, 위에서 설명된 바와 같이, 포획된 염소 함량까지 더 정제될 수 있다. 이에 따라, 위에서 설명된 프로세스로부터 초래되는 활성화된 다공성 흑연 기판은 다음의 불순물 원소들 중 하나 이상을 다음의 양

칼슘 < 100.00 ppb wt.,

마그네슘 < 100.00 ppb wt.,

알루미늄 < 100.00 ppb wt.,

티타늄 < 20.00 ppb wt.,

크로뮴 < 200.00 ppb wt.,

망가니즈 < 20.00 ppb wt.,

구리 < 100.00 ppb wt.,

철 < 20.00 ppb wt.,

코발트 < 20.00 ppb wt.,

니켈 < 20.00 ppb wt.,

아연 < 100.00 ppb wt.,

몰리브데넘 < 300.00 ppb wt.

으로 포함할 수 있고, 바람직하게는 다음의 불순물 원소들 중 하나 이상을 다음의 양으로 포함한다:

칼슘 < 50.00 ppb wt.,

마그네슘 < 50.00 ppb wt.,

알루미늄 < 50.00 ppb wt.,

티타늄 < 10.00 ppb wt.,

크로뮴 < 100.00 ppb wt.,

망가니즈 < 10.00 ppb wt.,

구리 < 50.00 ppb wt.,

철 < 10.00 ppb wt.,

코발트 < 10.00 ppb wt.,

니켈 < 10.00 ppb wt.,

아연 < 50.00 ppb wt.,

몰리브데넘 < 150.00 ppb wt.

활성화된 다공성 흑연 기판은 ≥ 98%, 바람직하게는 ≥ 99%의 순도를 가질 수 있다.

활성화된 다공성 흑연 기판은 ≤ 10.00 ppm wt., 바람직하게는 ≤ 5.00 ppm wt., 바람직하게는 ≤ 4.00 ppm wt.의 총량의 불순물들을 더 가질 수 있다.

활성화된 다공성 흑연 기판이 화학 기상 증착 처리를 직접 겪는다면, 그러한 CVD 처리는 동일한 프로세스 챔버에서 수행될 수 있다. 그 다음, 프로세스 챔버에서의 온도가 > 1000 ℃이고 프로세스 챔버에서의 산소 함량이 1.5% 미만이라면, H₂의 도입이 이미 시작될 수 있다. 예를 들어, 아래에 설명되는 CVD 방법의 프로세스 단계 2)는, 프로세스 챔버에서 1.5% 미만의 그러한 산소 함량이 도달된다면, 이미 시작될 수 있다.

상기 활성화 프로세스에 의해, 위에서 정의된 바와 같은 확대된 표면 공극 직경들을 갖는 위에서 설명된 표면 공극 변경들이 달성될 수 있다.

이에 따라 처리된 흑연 기판들이, 본원에 설명된 바와 같이 DMS를 사용하는 CVD 방법에서 SiC 텐드릴 형성을 지원하고 본원에 설명된 바와 같은 CVD 방법을 위해 개선된 기판을 제공하는 데에 특히 적합하다는 것이 밝혀졌다.

4. 화학 기상 증착(CVD)에 의한 다공성 흑연 기판들 상에의 탄화규소(SiC) 증착

추가의 프로세스 단계는 다공성 흑연 기판들 상에의 SiC의 증착에 관한 것이다. 바람직한 다공성 흑연 기판들은, 위에서 설명된 정제 프로세스로부터 초래되는 정제되고 염소화된 흑연 부재들뿐만 아니라, 위에서 설명된 활성화 프로세스로부터 초래되는 활성화된 흑연 기판들이며, 이들은 변경된 확대된 표면 공극률을 나타낸다.

본 발명의 프로세스의 핵심 요소는, 다공성 흑연 기판 상에 외측 탄화규소 층을 형성하기 위해, 다공성 흑연 기판의 공극들의 SiC 채움 및 SiC의 후속 증착에 의한 계면 층의 형성이고, 이는 디메틸디클로로실란의 화학 기상 증착에 의해 달성된다. 원칙적으로, 화학 기상 증착("CVD", 또한 화학 증기상 증착 "CVPD"이라고 알려짐)은, 반도체 산업에서 고품질, 고성능의 고체 물질들을 생산하는 데에, 예컨대, 특히, 박막들을 생산하는 데에 사용되는 잘 알려진 기법이다. 전형적으로, 기판은 하나 이상의 휘발성 전구체에 노출되고, 전구체는 원하는 증착물을 생성하기 위해 기판 표면 상에서 반응하고/거나 분해된다. CVD는 규소, 이산화규소, 질화규소뿐만 아니라 탄화규소들을 증착시키는 데에 일반적으로 사용된다. 여기서, 하나 이상의 할로겐 원자에 의해 치환될 수 있는 단순 유기실란들, 예컨대 모노-, 디-, 트리- 및 테트라메틸 실란 및 클로로실란들을 포함하고, 할로겐 원자들에 의해 치환될 수 있는, 예를 들어, 메틸디클로로실란, 메틸트리클로로실란, 테트라클로로실란(SiCl₄), 디메틸디클로로실란뿐만 아니라 아릴실란들도 포함하는 매우 다양한 유기실란들이 휘발성 CVD 전구체로서 사용될 수 있다. 탄화규소를 증착시키기 위한 가장 일반적인 CVD 전구체는 트리클로로실란, 테트라클로로실란 및 메틸트리클로로실란이다.

예를 들어, 디. 칼리오스트로 및 에스. 리치텔로(1990)에 의해 그리고 최병진(1997)에 의해 설명된 바와 같이 ― 양쪽 모두 위에서 인용됨 ―, 증착된 SiC 물질의 특징들 및 품질뿐만 아니라 CVD 프로세스에서의 그의 거동은, 선택된 유기실란 전구체 물질의 종류 및 적용된 특정 CVD 프로세스 조건들에 따라 크게 좌우된다. 예를 들어, 디. 칼리오스트로 및 에스. 리치텔로(1990)에 의해 설명된 바와 같이, 전구체 물질로부터 형성된 부분들의 휘발성, 운송 특성들 및 반응 속도론이, 다공성 매질에 침투하고, 응축하고/거나 다공성 매질을 코팅하는 능력에 영향을 미치고 그러므로 형태, 조밀화 및/또는 기계적 특성들에 영향을 미친다. 위에 인용된 US2018/002236에서 더 설명되는 바와 같이, 또한, 다공성 기판 물질의 적절한 선택은 공극들 내로의 Si 침윤을 달성하는 데에 중요하다. 너무 작은 공극률은 다공성 기판의 더 깊은 영역들 내로의 Si 원료의 도입을 손상시키는 반면에, 너무 큰 공극들은 기판의 기계적 강도를 악화시킨다. 최병진(1997)은, 특정 프로세스 조건들(예를 들어, CVD 온도)을 변화시킴으로써 그리고 상이한 유기실란 CVD 전구체 물질들을 사용함으로써, 증착된 SiC 물질의 특징들 및 품질에 대한 영향을 더 예시한다.

본 발명의 발명자들은 놀랍게도, 본원에 설명된 바와 같은 유리한 생성물 특성들이, 본 발명의 새로운 프로세스에 의해, CVD 전구체로서 디메틸디클로로실란(DMS)을 사용함으로써 달성될 수 있다는 것을 발견했다. 본 발명의 새로운 프로세스에서 CVD 전구체로서, 예를 들어, 더 일반적인 테트라클로로실란, 트리클로로실란 또는 메틸트리클로로실란(MTS, 트리클로로메틸실란) 대신에 디메틸디클로로실란(DMS)의 특정 선택에 의해, 본원에 설명되는 바와 같은 개선된 SiC 코팅된 물품들을 형성하기 위해, 다공성 흑연 상에 증착된 SiC 물질의 개선된 특징들을 달성하는 것이 가능하다는 것이 밝혀졌다. 새롭고 개선된 SiC 코팅된 물품들은, 예를 들어, 비정질 SiC의 함량들이 감소된 실질적으로 사면체 결정화도 및 특정 SiC 결정립 및 결정 크기를 갖는, 이하에서 설명되는 개선된 SiC 물질을 특징으로 하고, 이는, 설명된 두께를 갖는 계면 층 및 SiC 텐드릴들과 밀착 연결되는 개선된 외측 SiC 코팅 층의 형성에 의해, 증착된 SiC의 강도 및 경도, 본원에서 설명된 바와 같은 특정 SiC 텐드릴 형성 및 공극 채움 정도를 개선하고, 따라서, 개선된 기계적 특성들, 균질성 및 연속성 등을 제공한다.

이에 따라, 본 발명의 하나의 추가의 양상은, 새롭고 개선된 SiC 코팅 및 그에 따른 새롭고 개선된 SiC 코팅된 몸체들을 제공하기에 적합한 매우 특정한 CVD 프로세스 조건들을 갖는 CVD 프로세스에 관한 것이다.

구체적으로, 본 발명의 발명자들은, 개방 공극률을 갖는 흑연 기판 상에 SiC를 증착시키기 위해 퍼지 가스로서 H₂의 존재 시에 디메틸디클로로실란(DMS)을 실란 공급원으로서 또는 CVD 전구체로서 사용하는 특정한 CVD 조건들만이 SiC 텐드릴들의 형성으로 이어지고, 이 SiC 텐드릴들이 다공성 흑연 기판의 다공성 구조 내로 성장하여 흑연 기판 내로 연장된다는 것을 발견했다. 그러한 SiC 텐드릴들은, 다공성 흑연 기판 내로 적어도 50 ㎛의 길이로 연장되는 뿌리형 텐드릴들의 형태의 밀착 연결된 결정질 SiC 물질을 형성하는 실질적으로 사면체 SiC 결정들(예를 들어, 도 10에 도시된 바와 같음)을 특징으로 한다. 위에서 언급된 바와 같이, 본 발명의 CVD 프로세스의 특정 조건들 하에서 증착된 개선된 SiC 물질은, 사면체 결정들(예를 들어, 도 10 참고)을 형성하고 적은 양의 비정질 SiC를 포함하는 결정질 베타 SiC(예를 들어, 도 11 참고)로서 주로 형성되는 것을 특징으로 하고, 결정질 베타 SiC는 도 11의, 매우 날카로운 베타 SiC 피크(111)를 갖는 XRD 패턴으로 예시된다. SiC 텐드릴들은, 예를 들어, 도 6b(참조 부호(7))에 도시된 바와 같이, 위에 놓인 SiC 표면 코팅과 더 밀착 연결된다. 이는 SiC 표면 층의, 흑연 기판과의 개선된 연결 및 감소된 박리, 박피 또는 뒤틀림을 달성한다.

이는, SiC 코팅의 개선된 균질성뿐만 아니라, 향상된 기계적 특성들, 예컨대, 개선된 기계적 특성들, 이를 테면, 아래 놓인 기판으로의 SiC 코팅 층의 밀착 연결(접착), SiC 코팅의 높은 내식각성, 내충격성, 파괴 인성 및/또는 내균열성뿐만 아니라 코팅된 몸체의 내산화성으로 다공성 흑연 기판 상에 SiC 코팅을 증착시키는 것을 허용한다.

이에 따라, 본 발명의 추가의 양상은 탄화규소(SiC) 코팅된 몸체(또는 물품)를 제조하기 위한 프로세스에 관한 것이며, 그러한 프로세스는 다음의 단계들을 포함한다.

1) 6% 내지 15%의 공극률 정도의 개방 공극률을 갖고 10 내지 30 ㎛의 표면 공극 직경을 갖는 공극들을 포함하는 다공성 흑연 기판을 프로세스 챔버에 위치시키는 단계;

2) 퍼지 가스로서 H₂의 존재 시에, 프로세스 챔버에 있는 다공성 흑연 기판을 대기압 하에서 1000 내지 1200 ℃의 범위의 온도까지 가열하는 단계;

3) 디메틸디클로로실란(DMS)과 H₂의 혼합물을 적어도 30분 동안 프로세스 챔버 내로 도입하는 단계;

4) 주입 단계에서 결정질 SiC 결정립들을 화학 기상 증착(CVD)에 의해 흑연 기판의 개방 공극들에 증착시키고, 다공성 흑연 기판 내로 적어도 50 ㎛의 길이로 연장되는 텐드릴들의 형태의 연결된 결정질 SiC 물질이 형성될 때까지 결정질 SiC 결정립들의 실질적으로 사면체 SiC 결정들로의 성장을 허용하는 단계;

5) 제1 성장 단계에서, 실질적으로 사면체 SiC 결정들을 포함하는 최대 50 ㎛ 두께의 SiC 표면 층이 흑연 기판의 표면 상에 증착될 때까지 화학 기상 증착을 선택적으로 계속하는 단계;

6) 단계 5)로부터 초래되는 몸체를 냉각시키는 단계.

바람직하게는, 단계 2)에서, 온도는 1000 내지 < 1200 ℃, 더 바람직하게는 1100 내지 1150 ℃이다. 도 9에서 알 수 있는 바와 같이, CVD 프로세스에서 적절한 온도 범위의 선택은, 결정 성장 속도 및 균질한 핵형성의 속도에 영향을 줌으로써 SiC 결정화에 영향을 준다. 최적 온도 범위(도 9에서 음영 영역)에서, 결정 성장과 균질한 핵형성 사이의 균형이 적절히 균형을 이루고, 본원에서 정의된 결정 크기를 갖는 실질적으로 사면체 결정질 SiC 및 텐드릴들의 형성이 달성될 수 있다. 도 9는 너무 높은 온도들이 용융 및 준안정 물질(비정질 SiC)의 형성으로 이어지는 것을 더 도시한다. 결정 성장 및 균질한 핵형성의 잘 균형잡힌 속도를 갖는 적절한 온도 범위는 추가의 프로세스 조건들, 예컨대, 특히, CVD 전구체로서 사용되는 유기실란 공급원의 선택에 따라 개별적으로 결정되어야 한다.

또한, 압력 조건들은 결정 성장 및 균질한 핵형성의 상기 균형잡힌 속도에 영향을 준다. 낮은 압력은 낮은 증착 속도들을 지원하고, 더 적고 큰 핵들에 유리하다. 본 발명의 발명자들은 본원에 설명된 효과들을 달성하기에 적합한 대기압을 발견했다.

본 발명자들은 텐드릴들의 형성이 CVD 증착 시간에 의존한다는 것을 더 발견했다. 이에 따라, 단계 3)에서 디메틸디클로로실란(DMS)과 H₂의 혼합물은 > 30분 동안 프로세스 챔버 내로 도입된다. 바람직하게는, 디메틸디클로로실란(DMS)과 H₂의 혼합물은 > 30분 및 < 12시간, 바람직하게는 > 45분 및 < 10시간, 더 바람직하게는 적어도 1시간, 더 바람직하게는 < 10시간, 바람직하게는 < 8시간, 바람직하게는 < 6시간, 바람직하게는 < 4시간, 바람직하게는 < 3시간, 가장 바람직하게는 1 내지 2시간 내의 기간 동안 도입된다. 더 짧은 시간 내에는, 본 발명에 따른 텐드릴들의 형성을 달성하는 것이 거의 불가능하다. 더 많은 시간은 프로세스의 경제적 조건들 하에서 불리해진다.

본 발명의 프로세스에서, 화학 기상 증착(CVD)은 DMS와 H₂의 혼합물의 25 내지 200 slpm, 바람직하게는 40 내지 180 slpm, 더 바람직하게는 60 내지 160 slpm의 총 유량으로 수행되는 것이 더 바람직하다.

흑연의 공극들의 SiC 텐드릴들뿐만 아니라, SiC로 채워진 공극들을 갖는 흑연 기판의 표면의 최상부 상의 SiC 코팅도 증착시키는 것이 특히 바람직하다. 그러므로, 바람직하게는 단계 5)가, 비록 필수적이지는 않지만, 또한 수행된다. 분명히, 단계 5)는 원하는 두께의 SiC 표면 층을 달성하기 위해, 예를 들어, 증착 시간 및/또는 DMS의 양을 변화시키는 것에 의해 제어될 수 있다.

단계 2) 이전에 사전 컨디셔닝 단계가 포함되는 경우, 놀랍게도, SiC 텐드릴들의 형성이 상당히 개선되거나 용이하게 될 수 있으며, 여기서 다공성 흑연 기판은, 프로세스 챔버를 N₂로 퍼징하고 ≥ 1000 ℃, 바람직하게는 1000 내지 1500 ℃의 온도까지 가열한 후에 단계 2)를 직접 수행하는 것에 의해 전처리되고 활성화된다는 것이 더 밝혀졌다. 원칙적으로 그러한 전처리 단계는 위에서 설명된 흑연 활성화 프로세스와 매우 유사하다. 위에서 언급된 바와 같이, 활성화 프로세스 및 CVD 방법은 바람직하게는, 결합되고 동일한 프로세스 챔버에서 수행된다. 이에 따라, 그러한 사전 컨디셔닝 단계는 바람직하게는, 프로세스 챔버에서의 산소 함량이 약 5.0%일 때까지 프로세스 챔버를 질소로 퍼징하는 것, 이에 후속하여, 산소 함량이 ≤ 0.5%, 바람직하게는 ≤ 0.3%, 바람직하게는 ≤ 0.2%, 바람직하게는 ≤ 0.1%일 때까지 프로세스 챔버를 적어도 약 1000 ℃, 바람직하게는 > 1000 내지 1500 ℃, 바람직하게는 1000 내지 1200 ℃의 온도까지 가열하는 것을 포함한다.

위에서 언급된 바와 같이, 놀랍게도, CVD에 의해 SiC로 코팅될 흑연 기판의 특정한 공극 크기/공극 직경 및 공극률의 정도를 갖는 특정 공극률이, 원하는 우수한 기계적 특성들, 예컨대, 아래놓인 기판으로의 SiC 코팅 층의 밀착 연결(접착), SiC 코팅의 높은 내식각성, 내충격성, 파괴 인성 및/또는 내균열성뿐만 아니라 코팅된 몸체의 내산화성도 갖는 코팅된 물품들을 달성하는 데에 중요한 역할을 한다는 것이 또한 밝혀졌다. 그러므로, SiC로 코팅될 흑연 기판은 6% 내지 15%의 작은 공극률 정도의 개방 공극률을 나타내야 하고, SiC 침윤을 용이하게 하기 위해 약 10 내지 30 ㎛의 확대된 표면 공극 직경을 갖는 충분한 양의 공극들을 더 포함해야 한다.

≥ 6% 및 ≤ 15%의 공극률을 나타내는, 본 발명의 프로세스에서 SiC로 코팅될 흑연 기판은 원하는 특성들을 갖는 SiC 코팅된 물품들을 달성하기에 특히 적합한 것으로 밝혀졌다.

바람직하게는, 본 발명의 프로세스에서 SiC로 코팅될 흑연 기판은 > 6% 내지 < 15%의 공극률 또는 약 6% 내지 약 14%, 약 6% 내지 약 13%, 약 6% 내지 < 13%의 범위의 공극률, 또는 > 6% 내지 약 15%, 약 7% 내지 약 15%, 약 8% 내지 15%, 약 9% 내지 약 15%, 약 10% 내지 약 15%, 약 11% 내지 약 15%의 범위의 공극률, 또는 ≥ 11% 내지 약 13%의 범위의 공극률을 나타낸다. ≥ 6% 및 < 15%, 바람직하게는 6% 내지 13%, 더 바람직하게는 6 내지 < 12%, 더 바람직하게는 9 내지 11.5%의 공극률 정도가 가장 바람직하다. 그러한 바람직한 범위들은, 둘 모두 위에서 설명된 바와 같은 정제 및 염소화 프로세스 및 활성화 프로세스에서 마찬가지로 바람직한 범위들이고, 아래에서 설명되는 바와 같은 결과적인 생성물들에서도 마찬가지이다.

위에서 설명된 이유들로 인해, 다공성 흑연 기판은 작은 공극들, 예컨대, 0.4 ― 5.0 ㎛, 바람직하게는 1.0 내지 4.0 ㎛의 평균 공극 크기(공극 직경)를 갖는 것, 그리고 약 10 ㎛ 내지 최대 30 ㎛, 바람직하게는 최대 20 ㎛, 바람직하게는 최대 10 ㎛의 확대된 표면 공극 직경을 갖는 공극들을 포함하는 것이 더 바람직하다.

위에서 설명된 이유들로 인해, 다공성 흑연 기판이, ≥ 1.50 g/㎤, 바람직하게는 ≥ 1.70 g/㎤, 바람직하게는 ≥ 1.75 g/㎤의 밀도를 갖는 것이 더 바람직하다.

위에서 설명된 이유들로 인해, 단계 1)에서 사용되는 다공성 흑연 기판은 위에서 상세히 설명된 바와 같이 확대된 표면 공극들을 갖는 변경된 표면 공극률을 갖는 활성화된 흑연 기판인 것이 더 바람직하다.

위에서 언급된 바와 같이, 본 발명에 따른 공극률의 정도, 공극 크기/직경 또는 확대된 표면 공극률 및 밀도는, 예를 들어, 특히, SEM 측정을 통한 공극률의 결정을 포함한 알려진 방법들에 의해, 위에서 표시된 바와 같이 결정될 수 있다.

본 발명에서 사용되는 바와 같은 "텐드릴" 또는 "텐드릴들"이라는 용어는, 증착된 SiC 물질을 설명하며, 이는 다공성 기판의 표면으로부터 공극들 내로 연장되도록 성장되고, 따라서 다공성 기판의 표면으로부터 다공성 기판의 더 깊은 영역들 내로, 예를 들어, 위에서 이미 설명된 바와 같은 텐드릴형, 뿌리형 또는 신장된 치수로 연장되며, 따라서, 다공성 기판의 표면 위로 연장되는 외측 SiC 층과 다공성 기판 간의 깊이 도달식 앵커형 또는 후크형의 견고한 연결을 제공한다. 충분한 고정을 달성하기 위해, 텐드릴들은 적어도 50 ㎛의 평균 길이가 달성될 때까지 공극들 내로 성장하는 것이 허용된다.

바람직하게는, 적어도 75 ㎛, 바람직하게는 적어도 100 ㎛, 바람직하게는 75 내지 200 ㎛의 평균 길이로 연장되는 텐드릴들의 형태의 연결된 결정질 SiC 물질이 형성될 때까지 단계 4)가 수행된다.

본 발명의 프로세스 단계 4)의 주입 단계에서, 흑연 기판의 공극들 내로 연장되는 텐드릴들의 형성은, 소위 "계면 층"의 형성으로 이어진다. 본 발명에서 사용되는 바와 같은 "계면 층"이라는 용어는, 본원에서 설명되는 바와 같이, 다공성 흑연 기판과, 예를 들어, 단계 5)에서 그리고/또는 아래에서 설명되는 바와 같이 단계 8)에서 상기 다공성 흑연 기판의 표면 상에 증착된 SiC 코팅 층 사이에 위치된 구역 또는 영역을 설명하고, 이는 다공성 흑연에 의해 형성되며, 여기서 공극들은 본원에서 설명되는 바와 같이, 증착된 SiC, 즉, SiC 텐드릴들로 채워진다. 이에 따라, 본 발명의 SiC 코팅된 물품들 또는 몸체들의 계면 층은 공극들 내로 연장되는 SiC 텐드릴들을 갖는 다공성 흑연 기판의 다공성 흑연 물질을 포함한다.

바람직하게는, 단계 4)는 적어도 100 ㎛의 두께를 갖는 계면 층이 형성될 때까지 수행된다.

상기 계면 층은 다공성 흑연 기판의 표면으로부터 다소 수직 하방으로 다공성 흑연 기판 내로 연장되고, 따라서 계면 층 또는 영역을 형성한다. 상기 계면 층은 바람직하게는, > 100 ㎛, 더 바람직하게는 적어도 200 ㎛, 더 바람직하게는 약 200 내지 약 500 ㎛의 두께를 갖는다.

본 발명의 단계 3)에서, 다공성 흑연 기판에 및 그 상에 탄화규소를 증착시키기 위해, 가열된 다공성 흑연 기판은 화학 기상 증착을 겪는다. 여기서, 단계 3)에 따른 DMS와 H₂의 혼합물은 바람직하게는, H₂ 가스를 DMS 탱크 내에 도입하고, 탱크에 있는 DMS를 통해 H₂를 기포가 일게 하며 DMS와 H₂의 혼합물을 탱크의 최상부로부터 혼합물을 밀어냄으로써 프로세스 챔버 내로 전달하는 것에 의해 획득된다.

바람직하게는, 화학 기상 증착(CVD)은 DMS와 H₂의 혼합물의 25 내지 200 slpm, 바람직하게는 40 내지 180 slpm, 더 바람직하게는 60 내지 160 slpm의 총 유량으로 수행된다. 더 바람직하게는, 혼합물의 25 ― 45 slpm의 양이 프로세스 챔버 내로 도입된다.

바람직하게는, H₂는 DMS 탱크를 통해 지향되고 DMS와 결합된다. 추가의 양의 H₂가 프로세스 챔버 내로 직접 퍼징될 수 있고, 여기서 추가의 양의 H₂는 DMS와 H₂의 혼합물과 결합한다.

DMS/H₂ 혼합물의 유동을 제어하기 위한 유량계는 시에라 인스트루먼츠 디지털 MFC의 유량계일 수 있다.

가열 및 H₂를 이용한 퍼징의 추가의 단계들은 DMS의 도입 이전에 수행될 수 있다.

위에서 언급된 바와 같이, 아르곤은 또한 CVD 방법들에서 공통 퍼지 가스지만, 본 발명자들은, 아르곤을 본 발명의 CVD 프로세스(또는 본원에 설명된 임의의 다른 프로세스)에서 퍼지 가스로서 사용할 때 텐드릴 형성이 발생하지 않는다는 것을 발견했다. 그러므로, 프로세스는 바람직하게, 아르곤의 부재 시에 수행된다.

본 발명의 CVD 프로세스의 바람직한 추가의 단계 e)에서, SiC 층은 디메틸디클로로실란과 H₂의 혼합물의 화학 기상 증착을 계속함으로써 제1 성장 단계에서 다공성 흑연 기판 상에 더 성장되고 따라서 흑연 기판 표면을 덮는다. 위에서 언급된 바와 같이, 그러한 SiC 코팅의 두께는 변화될 수 있지만, 최대 50 ㎛의 표면 층이 바람직하다.

바람직하게, 프로세스 단계 5)는 적어도 30 ㎛, 바람직하게는 적어도 35 ㎛, 바람직하게는 적어도 40 ㎛, 더 바람직하게는 적어도 45 ㎛ 두께의 SiC 표면 층이 흑연 기판의 표면 상에 증착될 때까지 수행된다.

따라서, 코팅된 SiC 흑연 기판은, SiC 코팅의 그리고 다공성 흑연 기판의 응력을 감소시키기 위해, 코팅된 다공성 흑연 기판을 > 1000 ℃의 온도로 유지함으로써, 코팅된 다공성 흑연 기판을 어닐링하는 추가의 단계를 겪을 수 있다.

그러한 어닐링 단계는 또한, 위에서 설명된 사전 컨디셔닝 단계에 후속하여 수행될 수 있다.

이에 따라, 그러한 어닐링 단계는

― 단계 2) 이전에 그리고/또는, 존재하는 경우, 위에서 설명된 바와 같은 사전 컨디셔닝 단계에 후속하여,

― 그리고/또는 단계 6) 이전에 수행될 수 있다.

유지 요소들 상의 흑연 기판 요소들의 배치로 인해, 상기 접촉 지점들은 CVD 프로세스에서 SiC로 코팅되지 않는다. 그러므로, 전체 표면에 걸쳐 균질하고 연속적인 SiC 코팅을 달성하기 위해, 다음의 프로세스 단계들 7) 및 8)이 단계 6)에 후속하여 수행될 수 있다:

7) 단계 6)으로부터 초래되는 몸체의 위치를 변경하는 단계; 및

8) 제2 성장 단계에서 단계 2) 및 디메틸디클로로실란(DMS)과 H₂의 혼합물의 프로세스 챔버 내로의 도입을 반복하고, 이에 의해 결정질 SiC 결정립들을, 화학 기상 증착(CVD)에 의해 단계 6)으로부터 초래되는 다공성 흑연 기판의 표면 상에 증착시키고, 외측 SiC 표면 층이 형성될 때까지, 결정질 SiC 결정립들의 실질적으로 사면체 SiC 결정들로의 성장을 허용하는 단계.

바람직하게는, 단계 8)에 따른 제2 성장 단계는 주입 단계 및 제1 성장 단계에서와 동일한 CVD 조건들을 적용하여 수행된다. 그러므로, 원칙적으로, 제1 성장 단계에 대해 위에서 정의된 것과 동일하게 적용된다.

위에서 설명된 바와 같은 어닐링 단계는 또한, 단계 8) 이전에 그리고/또는 냉각 단계 6) 이전에 수행될 수 있다. 유사한 냉각 단계가 단계 8)의 제2 성장 단계 이후에 수행된다. 냉각 단계들에 후속하여, 코팅된 몸체는 바람직하게는, 품질 검사 및 선택적으로 정제를 겪고, 이에 의해 느슨한 입자들 및/또는 돌출된 결정들을 제거한다.

그러나, 바람직하게는, 본 발명에 따른 CVD 프로세스가 제어되어, 단계 5)에서 제1 성장 단계에서 흑연 기판 상에 증착된 SiC 층이, 동일한 조건들 하에서, 특히, 동일한 DMS 양 및 동일한 증착 시간으로 단계 8)에서 제2 성장 단계에서 흑연 기판 상에 증착된 SiC 층보다 더 두껍다. 이는, 예를 들어, 단계 2) 이전에, 위에서 설명된 사전 컨디셔닝 단계를 수행하는 것에 의해 달성될 수 있다. 이는 놀라운 것으로 여겨져야 하는데, SiC 코팅을 생성하기 전에, SiC 텐드릴들을 형성하기 위해 DMS가 필요하고 이는 코팅 층을 생성하기 이전에 약간이 시간이 걸리기 때문에 단계 1)의 다공성 흑연에 동일한 양의 DMS를 동일한 시간으로 적용하는 것은 제1 성장 단계에서 더 얇은 SiC 코팅으로 이어질 것으로 가정될 것이기 때문이다. 이론에 얽매이지 않고, 사전 컨디셔닝 단계가 흑연 기판의 활성화된 표면을 제공하고 이는 SiC 결정들에 대한 결정화 지점들을 제공하며 따라서 공극들에서의 그리고 흑연 표면 상에서의 SiC 형성을 가속하고 용이하게 한다고 가정된다. 그러한 사전 컨디셔닝 단계는 위에서 설명된 바와 같은 프로세스 단계들 i) 내지 v)를 포함할 수 있다. 위에서 설명된 바와 같은 프로세스 단계들 i) 내지 v)에서 흑연 기판 상에 형성된 표면 분말 층이, 위에서의 단계 1)에서 CVD 처리를 겪은 흑연 기판의 활성화된 표면으로서 작용할 수 있다고 가정된다. 흑연 표면 상의 분말은 SiC 결정들에 대한 상기 결정화 지점들을 제공할 수 있고, SiC 형성을 가속하고 용이하게 할 수 있다.

소위 "주입 단계"에서, 매우 작은 SiC 결정립들이 다공성 흑연 기판의 개방 공극들에 형성되며, 이들은 공극들 내에 소위 "텐드릴들"을 형성하기 위해, 실질적으로 사면체 결정화도를 갖는 베타-SiC의 SiC 결정들로 성장하는 것이 허용된다.

공극들을 채운 후에, 소위 "성장 단계"에서 외측 SiC 층의 생성을 시작하기 위해, 작은 SiC 결정립들은 흑연 기판의 상부 표면 상에 증착된다. 작은 SiC 결정립들은 외부 SiC 층을 형성하기 위해 SiC 결정들로 성장하는 것이 허용된다.

본 발명에 따르면, "SiC 결정립" 또는 "SiC 결정립들"이라는 용어는, 단계 4) 및 5) 및 8)의 화학 기상 증착에서 디메틸디클로로실란을 사용함으로써 형성되고 증착되며 주로 탄화규소를 포함하는 매우 작은 결정질 입자들을 지칭한다. 본 발명에 따른 그러한 SiC 결정립들은 결정질이고, < 2 ㎛의 평균 입자 크기를 나타낸다.

위에서 정의된 SiC 결정립들과 대조적으로, 본 발명에 따르면 "SiC 결정" 또는 "SiC 결정들"이라는 용어는 더 큰 결정질 SiC 입자들을 지칭하며, 이들은 단계 4) 및 5) 및 8)에서, 증착된 SiC 결정립들이 성장하는 것을 허용함으로써 형성된다. 본 발명에 따른 그러한 SiC 결정들은 유사하게 주로 탄화규소를 포함하고, ≥ 2 ㎛의 평균 입자 크기를 나타낸다. 바람직하게는, 본 발명에 따른 SiC 결정들은 > 2 ㎛의 평균 입자 크기를 나타낸다. 본 발명에 따른 SiC 결정들이 30 ㎛ 이하의 평균 입자 크기를 나타내는 것이 더 바람직하다. 더 바람직하게는, 본 발명에 따른 SiC 결정들은 약 ≥ 2 내지 ≤ 30 ㎛의 범위의 평균 입자 크기를 나타낸다.

본 발명에 따른 평균 입자 크기는 알려진 방법들, 예컨대, 위에서 나타내진 바와 같이 SEM에 의해 결정될 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 프로세스의 추가의 양상에서, 단계 4)의 주입 단계는, 주입 단계 동안 공극들에 형성되는, < 10 ㎛, 예컨대, 특히 ≤ 7 ㎛, 더 특히 ≤ 5 ㎛ 또는 심지어 ≤ 4 ㎛ 또는 ≤ 3 ㎛ 또는 심지어 ≤ 2 ㎛의 평균 입자 크기를 갖는 (결정질) SiC 결정립들의 형성을 달성하여 관찰될 수 있게 제어된다. 추가로, 단계 3)의 주입 단계는, SiC 결정립들이 성장하는 것을 허용함으로써 주입 단계 동안 공극들에 형성되는, 30 ㎛ 이하(≥ 2 내지 ≤ 30 ㎛), 바람직하게는 20 ㎛ 이하(≥ 2 내지≤ 20 ㎛), 바람직하게는 10 ㎛ 이하(≥ 2 내지 ≤ 10 ㎛)의 평균 입자 크기를 갖는 SiC 결정들의 형성을 달성하도록 제어된다.

본 발명의 프로세스의 추가의 양상에서, 단계 5) 및 8)의 제1 및 제2 성장 단계는, 성장 단계 동안 < 10 ㎛, 예컨대, 특히 ≤ 7 ㎛, 더 특히 ≤ 5 ㎛ 또는 심지어 ≤ 4 ㎛ 또는 ≤ 3 ㎛ 또는 심지어 ≤ 2 ㎛의 평균 입자 크기를 갖는 (결정질) SiC 결정립들의, 흑연 기판의 표면 상에의 형성을 달성하여 관찰될 수 있게, 그리고 외측 SiC 층을 형성하기 위해 성장 단계 동안, 30 ㎛ 이하의 평균 입자 크기를 갖는, 바람직하게는 ≥ 2 내지 ≤ 30 ㎛, 바람직하게는 20 ㎛ 이하(≥ 2 내지 ≤ 20 ㎛), 바람직하게는 10 ㎛(≥ 2 내지 ≤ 10 ㎛)의 평균 입자 크기를 갖는 SiC 결정들을 흑연 기판 상에 형성하기 위해 SiC 결정립들이 성장하는 것을 허용하도록 제어된다.

특정 양의 SiC 결정립들이 또한, 주입 단계 동안 흑연 표면 상에 이미 형성될 수 있다.

바람직하게는, 공극들의 실질적으로 사면체 SiC 결정들은 < 10 ㎛, 바람직하게는 ≤ 7 ㎛, 바람직하게는 ≤ 5 ㎛, 바람직하게는 ≤ 4 ㎛, 바람직하게는 ≤ 3 ㎛, 바람직하게는 ≤ 2 ㎛의 평균 입자 크기를 나타낸다.

바람직하게는, 성장 단계에서 표면 코팅 층으로서 형성된 실질적으로 사면체 SiC 결정들은 더 큰 입자 크기, 바람직하게는 ≥ 10 ㎛, 바람직하게는 ≥ 10 내지 30 ㎛의 평균 입자 크기를 나타낸다. 이는 아마도, 작은 공극 크기에 의해 주어진 공간에 의한 공극들 내부에서의 결정 성장의 제한으로 인한 것이다.

추가로, 놀랍게도, 본 발명의 선택된 프로세스 조건들에 의해, 증착된 SiC는 1:1의 Si:C의 비율을 갖는 실질적으로 화학량론적 SiC인 것으로 밝혀졌다.

추가로, 본 발명에 따른 프로세스는 바람직하게는, 3.21 g/㎤인, SiC의 이론적 밀도를 따르거나 그에 매우 근접한 밀도로 SiC를 흑연 기판의 표면 상에 그리고/또는 공극들에 증착시키도록 제어된다. 바람직하게, 증착된 SiC는 적어도 2.50 g/㎤의 밀도를 갖고, 바람직하게, 증착된 SiC는 2.50 내지 3.21 g/㎤의 범위, 더 바람직하게는 3.00 내지 3.21 g/㎤의 범위의 밀도를 갖는다.

본 발명에 따른 프로세스에서, CVD 증착은 바람직하게, 계면 층에 형성된 텐드릴들의 밀도(면적 당 텐드릴들의 양)가 ≥ 6% 및 ≤ 15%, 바람직하게는 6% 내지 13%, 더 바람직하게는 6 내지 ≤ 12%, 더 바람직하게는 9 내지 11.5%일 때까지 수행된다.

본 발명의 추가의 양상에 따르면, 증착된 SiC 물질을 이용한 비교적 높은 정도의 공극 채움은 위에서 설명된 바와 같은 원하는 우수한 기계적 특성들을 달성하는 데에 유리할 수 있다는 것이 밝혀졌다. 이에 따라, 본 발명의 프로세스의 바람직한 실시예에서, 단계 4)의 주입 단계는 흑연 기판의 개방 공극들의 벽들의 적어도 약 70%가, 증착된 SiC 물질로 코팅될 때까지 수행된다. 명확성을 위해, 이것이 개방 다공성 기판의 70% 또는 다공성 기판의 공극들의 총량의 70%가 SiC로 채워져야 한다는 것으로 정의해서는 안되며, 공극들의 체적의 70%가 SiC로 채워지는 것으로도 정의해서는 안된다는 것을 주목해야 한다. 본 발명에 따른 공극 채움 정도는 개방 공극들의 내측 벽들의 코팅의 정도에 관한 것이며, 바람직하게는 적어도 70%가, 증착된 SiC 코팅으로 코팅된다.

더 바람직하게는, 단계 4)의 주입 단계는 개방 공극들의 내측 벽들의 적어도 약 75%, 80%, 85%, 90%가, 증착된 SiC 물질로 코팅될 때까지 수행된다.

추가의 양상에서, 본 발명에 따른 CVD 방법을 이용하여 SiC가 다공성 흑연 기판 상에 그리고 그의 개방 공극들에 증착될 수 있고, 코팅된 흑연의 주 표면 아래로부터 약 10 ㎛의 깊이까지 ≥ 80%의, 상기 정의에 따른 공극 채움 정도(즉, 공극들의 내측 벽들의 SiC 코팅의 정도)를 갖는다.

본 발명에 따른 CVD 방법을 이용하여 SiC가 다공성 흑연 기판 상에 그리고 그의 개방 공극들에 증착될 수 있고, 코팅된 흑연의 주 표면 아래로부터 약 50 내지 약 10 ㎛의 깊이에 여전히 ≥ 60%의, 상기 정의에 따른 공극 채움 정도(즉, 공극들의 내측 벽들의 SiC 코팅의 정도)를 갖는다.

본 발명에 따른 CVD 방법을 이용하여 SiC가 다공성 흑연 기판 상에 그리고 그의 개방 공극들에 증착될 수 있고, 코팅된 흑연의 주 표면 아래로부터 약 100 내지 약 50 ㎛의 깊이에 약 50%의, 상기 정의에 따른 공극 채움 정도(즉, 공극들의 내측 벽들의 SiC 코팅의 정도)를 갖는다.

본 발명에 따른 CVD 방법을 이용하여 SiC가 다공성 흑연 기판 상에 그리고 그의 개방 공극들에 증착될 수 있고, 코팅된 흑연의 주 표면 아래로부터 약 200 내지 약 100 ㎛의 깊이에 약 40%의, 상기 정의에 따른 공극 채움 정도(즉, 공극들의 내측 벽들의 SiC 코팅의 정도)를 갖는다.

≥ 100 ㎛의 깊이에서, 상기 정의에 따른 공극 채움 정도는 최대 50%이다.

≥ 200 ㎛의 깊이에서, 상기 정의에 따른 공극 채움 정도는 최대 40%이다.

본 발명에 따른 공극 채움의 정도는 위에서 나타내진 바와 같이 SEM 측정에 의해 결정될 수 있다.

위에서 언급된 바와 같이, 본 발명의 프로세스의 추가의 양상은 다공성 기판의 SiC 코팅을 위한 앵커처럼 작용하는 소위 텐드릴들의 형성에 관한 것이다.

본 발명의 프로세스는, 특히, 단계 5) 및 8)에서, SiC 코팅 층을 균질하고 연속적이며 본질적으로 불침투성인 층의 형태로 흑연 기판의 표면 상에 증착시키도록 제어된다. 이는, SiC 코팅 층이, 특히, 균열들, 구멍들, 스폴링들 또는 다른 뚜렷한 표면 결함들이 본질적으로 없게 증착되고, (유지 부재들로 인한, 제1 성장 단계에서의 코팅의 결핍들에도 불구하고) 전체 코팅된 표면 영역에 걸쳐 본질적으로 연속적인 두께를 나타낸다는 것을 의미한다.

본 발명에 따른 프로세스에서, 단계 4)에서 공극들에 그리고/또는 단계 5) 및/또는 8)에서 표면에 증착된 SiC 물질은 적어도 90 wt.% 순수 탄화규소(SiC)를 포함한다. 바람직하게는, 단계들 4), 5) 및/또는 8)에서 증착된 SiC 물질은, 적어도 91 wt.%, 적어도 92 wt.%, 적어도 93 wt.%, 적어도 94 wt.%, 적어도 95 wt.%, 또는 적어도 96 wt.% 탄화규소(SiC)를 포함한다. 더 바람직하게는, 단계들 4), 5) 및/또는 8)에서 증착된 SiC 물질은, 각각의 경우에, 증착된 SiC 물질의 총 중량에 대해 적어도 97 wt.% SiC를 포함한다.

본 발명의 프로세스의 단계들 4), 5) 및/또는 8)에서 증착된 SiC 물질은 약 10 wt.% 이하, 약 9 wt.% 이하, 약 8 wt.% 이하, 약 7 wt.% 이하, 약 6 wt.% 이하, 약 5 wt.% 이하, 또는 약 4 wt.% 이하의 자유 Si를 더 포함한다. 더 바람직하게는, 단계들 4), 5) 및/또는 8)에서 증착된 SiC 물질은, 각각의 경우에, 증착된 SiC 물질의 총 중량에 대해 약 3 wt.% 이하의 자유 Si를 포함한다.

본 발명에 따른 프로세스에서, 단계 4), 5) 및/또는 8)에서 증착된 SiC 물질은 바람직하게는 고순도를 포함한다.

놀랍게도, 본 프로세스 조건들 하에서는 소량의 비정질 SiC만이 형성된다.

전술한 양의 (순수) SiC 및 자유 Si는, 제1 및 제2 성장 단계에서 텐드릴들 및 계면 층을 형성하고/거나 흑연 기판의 표면 상에 증착되어 외측 SiC 층을 함께 형성하는, 흑연 기판의 공극들에 증착된 SiC 물질과 관련된다. 이에 따라, 단계 4), 5) 및/또는 8)에서 CVD 증착된 SiC 물질의 임의의 맥락에서 본원에서 사용되는 바와 같이, 예를 들어, "SiC 층", "SiC 코팅", "SiC 코팅된 몸체(물품)", "SiC (공극) 채움", "SiC 결정립(들)" 또는 "SiC 결정(들)" 등의 의미로 SiC를 언급할 때, 반드시 순수한 SiC를 의미하는 것이 아니라 SiC 물질을 의미하며, 이는 위에서 언급된 성분들을 정의된 양으로 포함할 수 있는데, 예를 들어, 특히, 자유 SiC 및 순수한 SiC 이외의 추가의 불순물들이 그 안에 존재할 수 있다.

원칙적으로, 본 발명의 프로세스는 임의의 적합한 흑연 기판에 적용될 수 있다. 바람직하게는, 본원에 설명된 흑연 기판들이 사용된다.

본 발명의 프로세스는 SiC 코팅된 몸체(또는 물품)를 냉각시키는 단계 6)를 더 포함한다.

본 발명의 추가의 양상에서, 본 발명자들은 놀랍게도, CVD 전구체로서 사용되는 DMS의 순도가, 본원에 설명된 바와 같이, SiC 텐드릴들의 형성, 결정화도(품질) 및 길이에 영향을 줄 수 있다는 것을 발견했다. 특히, 본 발명자들은 놀랍게도, CVD 전구체로서 사용되는 DMS에 있는 실록산 불순물들의 함량이, 원하는 SiC 품질, 결정 형성 및 그에 따라 텐드릴 형성에 주목할만한 영향을 미친다는 것을 발견했다. 또한, 특정 금속 불순물들, 예컨대, Na, Mg, Al, Ca, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo 및 W로 이루어진 군으로부터 선택된 금속 원소들의 함량이, 원하는 SiC 텐드릴 형성에 영향을 미친다는 것이 밝혀졌다. 매우 특히, Mn, Cu 및/또는 Zn으로부터 선택된 금속 원소 불순물들의 특정 함량의 존재는 원하는 SiC 텐드릴 형성에 상당한 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다. 더 특히, Mn, Cu 및/또는 Zn으로부터 선택된 금속 원소 불순물들 중 하나 이상의 금속 원소 불순물의 특정 함량과 함께 실록산 불순물들의 특정 함량의 존재는 원하는 SiC 텐드릴 형성에 상당히 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다.

이론에 얽매이지 않고, 아래에 정의된 바와 같이, 특정 양의 그러한 실록산 불순물들의 존재는 흑연의 공극률에 대해 그리고 원치 않는 (독성) 금속 불순물들의 감소에 대해 긍정적 효과를 갖는 것으로 가정된다. 실록산 불순물들은 반응 시스템 내에 특정 양의 산소를 도입한다. 흑연 기판의 활성화의 맥락에서 이미 위에서 설명된 바와 같이, 시스템에서의 산소 함량은 적용된 가열 조건들 하에서 표면 공극률에 영향을 미치는 것으로 밝혀졌다. CVD 프로세스에서, 특정 양의 실록산 불순물들로부터 유도되는 산소는 추가적인 표면 공극 변경 효과를 나타내며, 이는 선택된 프로세스 조건들 하에서 실란을 활성화된 흑연의 공극들 내로 깊게 유도하는 것을 돕는다고 가정된다.

실록산 불순물들로부터 유도되는 산소가, DMS의 원치 않는 금속 불순물들을 포착하여 비활성화하고, 그러면 금속 불순물들은 탱크의 바닥으로 내려가고 그에 의해 DMS를 원치 않는 금속 함량으로부터 "정제"하는 것이 더 가정된다.

특정 양의 실록산 불순물들이 DMS 탱크, 증발기 및/또는 증기 전도 도관 시스템에서 침전 또는 겔의 형성으로 이어진다는 것이 관찰되었다. 그러한 겔 형성은, 위에서 언급된 특정 양의 그러한 실록산 불순물들 및 금속 원소 불순물들 중 하나 이상의 금속 원소 불순물이 존재할 때, 예컨대, 특히, 특정 양의 그러한 실록산 불순물들 및 Mn, Cu 및/또는 Zn이 존재할 때 발생할 수 있다. 또한, 잔류 수분 또는 잔류 물 함량들은 그러한 겔 형성에 추가의 영향을 미칠 수 있다. 아래에 정의된 바와 같이 CVD 방법에 사용되는 DMS 전구체 물질에서의 그러한 실록산 불순물들의 양은, 본원에 설명된 바와 같이 원하는 SiC 결정화도, SiC 품질 및 SiC 텐드릴 형성의 관점에서 유리한 것으로 밝혀졌다.

그러므로, 본 발명의 추가의 양상은 디메틸디클로로실란 전구체 물질을 사용하여 화학 기상 증착(CVD) 방법으로 탄화규소(SiC) 코팅된 몸체를 제조하기 위한 프로세스에 관한 것으로, 디메틸디클로로실란 전구체 물질은

(A) 주성분으로서 디메틸디클로로실란(DMS) 및

(B) DMS와 상이하고 실록산 화합물 또는 실록산 화합물들의 혼합물인 적어도 하나의 추가의 성분

을 포함하며, 여기서 추가의 성분(B)의 함량은 디메틸디클로로실란 전구체 물질에 대해 > 0 내지 2.00 wt.%이다.

본 발명의 추가의 양상은, 디메틸디클로로실란 전구체 물질을 사용하여 화학 기상 증착(CVD) 방법으로 탄화규소(SiC) 코팅된 몸체를 제조하기 위한 프로세스에 관한 것으로, 여기서 디메틸디클로로실란 전구체 물질은 > 0 내지 1.500 wt.%, 바람직하게는 > 0 내지 < 1.040 wt.%, 바람직하게는 > 0 내지 1.000 wt.%, 바람직하게는 > 0 내지 0.900 wt.%, 바람직하게는 > 0 내지 0.850 wt.%, 바람직하게는 > 0 내지 0.800 wt.%, 바람직하게는 > 0 내지 0.750 wt.%, 바람직하게는 > 0 내지 0.700 wt.%, 바람직하게는 > 0 내지 0.600 wt.%, 바람직하게는 > 0 내지 0.500 wt.%의 실록산 화합물들(B) 함량을 포함한다.

본 발명의 추가의 양상은, 디메틸디클로로실란 전구체 물질을 사용하여 화학 기상 증착(CVD) 방법으로 탄화규소(SiC) 코팅된 몸체를 제조하기 위한 프로세스에 관한 것으로, 여기서 디메틸디클로로실란 전구체 물질은 > 0 내지 0.500 wt.% 이하, 바람직하게는 > 0 내지 0.450 wt.% 이하, 바람직하게는 > 0 내지 0.400 wt.% 이하, 바람직하게는 > 0 내지 0.375 wt.% 이하의 실록산 화합물들(B) 함량을 포함한다.

본 발명의 추가의 양상은, 디메틸디클로로실란 전구체 물질을 사용하여 화학 기상 증착(CVD) 방법으로 탄화규소(SiC) 코팅된 몸체를 제조하기 위한 프로세스에 관한 것으로, 여기서 디메틸디클로로실란 전구체 물질은 > 0 내지 1.000 wt.% 1,3-디클로로-1,1,3,3,-테트라메틸디실록산, 바람직하게는 > 0 내지 0.850 wt.%, 바람직하게는 > 0 내지 0.800 wt.%, 바람직하게는 > 0 내지 0.750 wt.%, 바람직하게는 ≤ 0.725 wt.%, 바람직하게는 ≤ 0.710 wt.%, 바람직하게는 > 0 내지 < 0.700 wt.%를 포함한다.

본 발명의 추가의 양상은, 디메틸디클로로실란 전구체 물질을 사용하여 화학 기상 증착(CVD) 방법으로 탄화규소(SiC) 코팅된 몸체를 제조하기 위한 프로세스에 관한 것으로, 여기서 디메틸디클로로실란 전구체 물질은 > 0 내지 0.200 wt.% 1,3-디클로로-1,1,3,5,5,5,-헥사메틸트리실록산, 바람직하게는 > 0 내지 0.150 wt.%, 바람직하게는 > 0 내지 0.140 wt.%, 바람직하게는 > 0 내지 0.130 wt.%, 바람직하게는 > 0 내지 0.120 wt.%, 바람직하게는 > 0 내지 < 0.110 wt.%, 바람직하게는 > 0 내지 < 0.100 wt.%를 포함한다.

본 발명의 추가의 양상은, 디메틸디클로로실란 전구체 물질을 사용하여 화학 기상 증착(CVD) 방법으로 탄화규소(SiC) 코팅된 몸체를 제조하기 위한 프로세스에 관한 것으로, 여기서 디메틸디클로로실란 전구체 물질은 > 0 내지 0.200 wt.% 옥타메틸시클로테트라실록산, 바람직하게는 > 0 내지 0.190 wt.%, 바람직하게는 > 0 내지 0.180 wt.%, 바람직하게는 > 0 내지 0.170 wt.%, 바람직하게는 > 0 내지 0.160 wt.%, 바람직하게는 0 내지 < 0.150 wt.%를 포함한다.

또한, 금속 원소 불순물들은, 예를 들어, 위에서 설명된 바와 같이 SiC 텐드릴들의 형성 및 길이에 영향을 미칠 수 있다.

(A) 주성분으로서 디메틸디클로로실란(DMS) 및

(C) Na, Mg, Al, Ca, Ti, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Zn, Mo 및 W로 이루어진 군으로부터 선택된 금속 원소들

을 포함하며, 여기서 금속 원소들(C)의 함량은 디메틸디클로로실란 전구체 물질에 대해 ≤ 30.00 ppm wt., 바람직하게는 ≤ 25.00 ppm wt., 바람직하게는 ≤ 20.00 ppm wt.이다.

본 발명의 추가의 양상은 디메틸디클로로실란 전구체 물질을 사용하여 화학 기상 증착(CVD) 방법으로 탄화규소(SiC) 코팅된 몸체를 제조하기 위한 프로세스에 관한 것으로, 디메틸디클로로실란 전구체 물질은

(A) 주성분으로서 디메틸디클로로실란(DMS) 및

(C) Mn으로부터 선택된 금속 원소

를 포함하며, 여기서 Mn 금속 원소(C)의 함량은 디메틸디클로로실란 전구체 물질에 대해 < 150 ppb wt., 바람직하게는 < 100 ppb wt., 바람직하게는 < 50 ppb wt., 바람직하게는 < 40 ppb wt., 바람직하게는 < 30 ppb wt., 바람직하게는 < 20 ppb wt.이고, 바람직하게는 Mn의 함량은 > 0 내지 40 ppb wt.이다.

(A) 주성분으로서 디메틸디클로로실란(DMS) 및

(C) Cu로부터 선택된 금속 원소

를 포함하며, 여기서 Cu 금속 원소(C)의 함량은 디메틸디클로로실란 전구체 물질에 대해 < 50 ppb wt., 바람직하게는 < 45 ppb wt., 바람직하게는 ≤ 40 ppb wt., 바람직하게는 ≤ 35 ppb wt., 바람직하게는 ≤ 30 ppb wt., 바람직하게는 ≤ 25 ppb wt.이고, 바람직하게는 Cu의 함량은 > 0 내지 25 ppb wt.이다.

(A) 주성분으로서 디메틸디클로로실란(DMS) 및

(C) Zn으로부터 선택된 금속 원소

를 포함하며, 여기서 Zn 금속 원소(C)의 함량은 디메틸디클로로실란 전구체 물질에 대해 < 50 ppb wt., 바람직하게는 < 45 ppb wt., 바람직하게는 ≤ 40 ppb wt., 바람직하게는 ≤ 35 ppb wt., 바람직하게는 ≤ 30 ppb wt., 바람직하게는 ≤ 25 ppb wt.이고, 바람직하게는 Zn의 함량은 > 0 내지 25 ppb wt.이다.

(A) 주성분으로서 디메틸디클로로실란(DMS) 및

(C) 금속 원소들 Mn, Cu 및 Zn

을 포함하며, 여기서 Mn, Cu 및 Zn 금속 원소들(C)의 함량은 위에서 언급된 양상들에 정의된 바와 같다.

본 발명의 추가의 특정한 양상은 디메틸디클로로실란 전구체 물질을 사용하여 화학 기상 증착(CVD) 방법으로 탄화규소(SiC) 코팅된 몸체를 제조하기 위한 프로세스에 관한 것으로, 디메틸디클로로실란 전구체 물질은

(A) 주성분으로서 디메틸디클로로실란(DMS);

(B) 위에서 설명된 양상들 중 어느 한 양상에 정의된 바와 같은, DMS와 상이하고 실록산 화합물 또는 실록산 화합물들의 혼합물인 적어도 하나의 추가의 성분; 및

(C) 위에서 정의된 바와 같은 금속 원소들 중 하나 이상, 바람직하게는 Mn, Cu 및 Zn

을 포함하고, 여기서 실록산 성분(들)(B)의 함량은 위에서 설명된 양상들 중 어느 한 양상에서 정의된 바와 같고, 금속 원소들(C), 예컨대, 바람직하게는 Mn, Cu 및 Zn의 함량은 위에서 설명된 양상들 중 어느 한 양상에서 정의된 바와 같다.

추가의 양상에서, 정의된 순도들을 갖는 DMS는 특히, H₂를 퍼지 가스로서 사용하여 수행되는 화학 기상 증착 방법에 사용된다. 바람직하게는, 그 방법에서, 디메틸디클로로실란 전구체 물질은 H₂와의 혼합물로 반응 챔버 내에 전달된다. 추가로, 그 방법에서 디메틸디클로로실란 전구체 물질과 H₂의 혼합물은 디메틸디클로로실란 전구체 물질을 함유하는 탱크 내에 H₂ 가스를 도입하고, 탱크를 통해 H₂를 기포가 일게 하며 디메틸디클로로실란 전구체 물질과 H₂의 혼합물을 탱크의 최상부로부터 혼합물을 밀어냄으로써 반응 챔버 내로 전달하는 것에 의해 획득될 수 있다.

추가의 양상에서, 디메틸디클로로실란 전구체 물질은 추가로, 다음의 원소들 중 하나 이상의 원소의 함량을 특징으로 한다.

칼슘 < 60.00 ppb wt.,

마그네슘 < 10.00 ppb wt.,

알루미늄 < 12.00 ppb wt.,

티타늄 < 1.00 ppb wt.,

크로뮴 < 60.00 ppb wt.,

철 < 25000 ppb wt.,

코발트 < 1.00 ppb wt.,

니켈 < 30.00 ppb wt.,

아연 < 40.00 ppb wt.,

몰리브데넘 < 10.00 ppb wt.

본 발명의 추가의 양상은 본원에서 설명된 바와 같은 프로세스에 관한 것으로, 여기서 디메틸디클로로실란 전구체 물질은 ≥ 6% 및 ≤ 15%, 바람직하게는 6% 내지 13%, 더 바람직하게는 11 내지 13%의 공극률 정도의 개방 공극률을 갖는 다공성 흑연 기판 상에, 더 바람직하게는, 6% 내지 15%, 바람직하게는 ≥ 6% 및 < 15%, 바람직하게는 6% 내지 13%, 더 바람직하게는 6 내지 < 12%, 더 바람직하게는 9 내지 11.5%의 공극률 정도의 개방 공극률을 갖는 다공성 흑연 기판 상에 탄화규소를 증착시키기 위해 사용된다.

이에 의해 탄화규소 코팅된 몸체가 획득될 수 있으며, 이는, 실질적으로 사면체 결정질 SiC의 연결된 결정질 SiC 물질을 포함하고, 특히, 본원에 설명된 바와 같이 적어도 50 ㎛의 길이로 연장되는 텐드릴들의 형태로 실질적으로 사면체 결정질 SiC의 연결된 결정질 SiC 물질을 포함하는 것을 특징으로 한다.

정의된 DMS 순도들은 위에서 설명된 CVD 프로세스에 유사하게 적합하고 바람직하다.

본 발명의 발명자들은, 본원에 설명된 바와 같은 CVD 조건들 및 기판 물질의 특정 선택에 의해, 1:1의 Si:C 비율을 특징으로 하는 본질적으로 화학량론적 SiC를 기판 상에 텐드릴들의 형태로 증착시키기 위해 CVD 방법을 제어하는 것이 가능하다는 것을 더 발견했다.

이에 따라, 본 발명의 추가의 양상은, 실질적으로 화학량론적 탄화규소를 형성하기 위해 디메틸디클로로실란을 규소 공급원으로서 그리고 H₂를 퍼지 가스로서 사용하고 개방 공극률을 갖는 흑연을 기판으로서 사용하여, 화학 기상 증착(CVD) 방법으로 탄화규소(SiC) 코팅된 몸체를 제조하기 위한 프로세스에 관한 것으로서, 여기서 CVD 프로세스는 대기압 하에서 1000 내지 1200 ℃ 범위의 온도에서, 바람직하게는 1000 내지 < 1200 ℃, 바람직하게는 1100 내지 1150 ℃의 범위의 온도에서 수행된다.

CVD 프로세스는 바람직하게는, 적어도 30분의 기간 동안, 바람직하게는 > 30분 및 < 12시간, 바람직하게는 > 45분 및 < 10시간, 더 바람직하게는 적어도 1시간, 더 바람직하게는 < 10시간, 바람직하게는 < 8시간, 바람직하게는 < 6시간, 바람직하게는 < 4시간, 바람직하게는 < 3시간, 가장 바람직하게는 1 내지 2시간 내의 기간 동안 수행된다.

바람직하게는, CVD 프로세스는 DMS와 H₂의 혼합물의 25 내지 200 slpm, 바람직하게는 40 내지 180 slpm, 더 바람직하게는 60 내지 160 slpm의 총 유량으로 수행된다.

본 발명의 발명자들은 놀랍게도, 본 프로세스 조건들 하에서 실질적으로 화학량론적 탄화규소가 증착되는 것을 발견했다. 상기 실질적으로 화학량론적 탄화규소는 더 바람직하게는, < 10 ㎛, 특히, ≤ 7㎛, 더 특히 ≤ 5 ㎛ 또는 심지어 ≤ 4 ㎛ 또는 ≤ 3 ㎛ 또는 심지어 ≤ 2 ㎛의 평균 입자 크기를 갖는 (결정질) SiC 결정립들의 형태로 증착된다. 상기 SiC 결정립들은 최대 30 ㎛(≥ 2 내지 ≤ 30 ㎛), 바람직하게는 20 ㎛ 이하(≥ 2 내지 ≤ 20 ㎛), 바람직하게는 10 ㎛ 이하(≥ 2 내지 ≤ 10 ㎛)의 평균 입자 크기를 갖는 SiC 결정들을 형성하도록 성장할 수 있다.

바람직하게는, 공극들의 실질적으로 화학량론적 SiC 결정들은 < 10 ㎛, 바람직하게는 ≤ 7 ㎛, 바람직하게는 ≤ 5 ㎛, 바람직하게는 ≤ 4 ㎛, 바람직하게는 ≤ 3 ㎛, 바람직하게는 ≤ 2 ㎛의 평균 입자 크기를 나타낸다.

바람직하게는, 표면 코팅 층으로서 형성된 실질적으로 화학량론적 SiC 결정들은 더 큰 입자 크기, 바람직하게는 ≥ 10 ㎛, 바람직하게는 ≥ 10 내지 30 ㎛의 평균 입자 크기를 나타낸다. 이는 아마도, 작은 공극 크기에 의해 주어진 공간에 의한 공극들 내부에서의 결정 성장의 제한으로 인한 것이다.

그러나, 더 작은 결정립들 및 결정들이, 더 높은 밀도의 SiC 코팅들을 형성하는 반면에 더 큰 결정립들 및 결정들은 더 낮은 밀도의 SiC 코팅들을 형성하기 때문에, 더 작은 결정립들 및 결정 크기들을 갖는 SiC를 증착시키는 것이 바람직하다. 그러므로, 실질적으로 화학량론적 탄화규소의 증착이 요구된다. 증착된 SiC에서의 자유 Si의 양은 바람직하게는, 본원에 정의된 바와 같은 범위에 있도록 제어되고, 이에 의해, 위에서 정의된 바와 같은 원하는 결정립들 및 결정 크기를 달성한다.

그의 추가의 양상에서, 상기 프로세스는, 특히, 메탄 가스를 추가하지 않고/거나 아르곤을 사용하지 않고 수행되고, 이에 따라, 메탄 및/또는 아르곤의 존재가 배제되는 것이 바람직하다. 이는 중요한데, 메탄 가스 또는 아르곤의 존재가, DMS를 사용할 때 화학량론적 SiC의 형성에 부정적으로 영향을 미치기 때문이다.

그의 추가의 양상에서, 상기 프로세스는, 특히, 디메틸디클로로실란 이외의 임의의 추가적인 실란 공급원을 사용하지 않고 수행된다. 유일한 유기실란 공급원으로서의 DMS에 의해, 유리한 SiC 특징들 및 결정 크기 및 품질이 달성될 수 있다.

그의 추가의 양상에서, 상기 프로세스는, 특히, 디메틸디클로로실란을 H₂와의 기체상 혼합물로 반응 챔버 내에 전달하는 것에 의해 수행된다.

그의 추가의 양상에서, 상기 프로세스는 특히, 디메틸디클로로실란 전구체 물질과 H₂의 혼합물을 사용하여 수행되며, 혼합물은, 디메틸디클로로실란을 함유하는 탱크 내에 H₂ 가스를 도입하고, 탱크를 통해 H₂를 기포가 일게 하며 디메틸디클로로실란과 H₂의 혼합물을 탱크의 최상부로부터 혼합물을 밀어냄으로써 반응 챔버 내로 전달하는 것에 의해 획득된다.

그의 추가의 양상에서, 상기 프로세스는 특히, DMS를 사용하여 수행되며, DMS는 위에서 정의된 바와 같은 특정 함량, 예컨대, > 0 내지 2.000 wt.%, 바람직하게는 > 0 내지 1.500 wt.%, 바람직하게는 > 0 내지 < 1.040 wt.%, 바람직하게는 > 0 내지 1.000 wt.%, 바람직하게는 > 0 내지 0.900 wt.%, 바람직하게는 > 0 내지 0.850 wt.%, 바람직하게는 > 0 내지 0.800 wt.%, 바람직하게는 > 0 내지 0.750 wt.%, 바람직하게는 > 0 내지 0.700 wt.%, 바람직하게는 > 0 내지 0.600 wt.%, 바람직하게는 > 0 내지 0.500 wt.%의 (총) 실록산 불순물들을 포함한다.

그의 추가의 양상에서, 상기 프로세스는 특히, 다음의 함량을 포함하는 DMS를 사용하여 수행된다.

< 150 ppb wt., 바람직하게는 < 100 ppb wt., 바람직하게는 < 50 ppb wt., 바람직하게는 < 40 ppb wt., 바람직하게는 < 30 ppb wt., 바람직하게는 < 20 ppb wt.의 Mn 금속 원소; 및/또는

< 50 ppb wt., 바람직하게는 < 45 ppb wt., 바람직하게는 ≤ 40 ppb wt., 바람직하게는 ≤ 35 ppb wt., 바람직하게는 ≤ 30 ppb wt., 바람직하게는 ≤ 25 ppb wt.의 Cu 금속 원소; 및/또는

< 50 ppb wt., 바람직하게는 < 45 ppb wt., 바람직하게는 ≤ 40 ppb wt., 바람직하게는 ≤ 35 ppb wt., 바람직하게는 ≤ 30 ppb wt., 바람직하게는 ≤ 25 ppb wt.의 Zn 금속 원소.

그의 추가의 양상에서, 상기 프로세스는 특히, 다공성 흑연 기판 상의 전구체 물질로서의 디메틸디클로로실란으로부터 SiC를 증착시킴으로써 수행된다.

원하는 화학량론적 실질적으로 사면체 SiC 결정들의 핵형성 및 형성에 긍정적으로 영향을 주기 위해(촉발시키기 위해) 다공성 기판이 유리하다. 이론에 얽매이지 않고, 다공성 기판 표면이, 원하는 품질의 증착된 SiC의 핵형성 및 결정화를 용이하게 하고 지원하기에 적합한 기반을 제공한다고 가정된다.

이에 따라, 상부에 SiC를 증착시키고 따라서 본원에 설명된 원하는 효과들을 달성하기 위해 다공성 표면을 사용하는 것이 유리한 것으로 밝혀졌다.

기판의 공극률 특징들은, SiC 코팅된 기판의 위에서 설명된 특징들을 달성하기 위해, 본원에 설명된 바와 같이 선택될 수 있다. 위에서 언급된 바와 같이, 다공성 흑연 기판이, 최대 30 ㎛, 바람직하게는 10 내지 30 ㎛의 표면 공극 직경을 갖는 공극들을 포함하는 것이 바람직하다.

그의 추가의 양상에서, 상기 프로세스는 특히, ≥ 6% 및 ≤ 15%, 바람직하게는 6% 내지 13%, 더 바람직하게는 11 내지 13%의 공극률 정도의 개방 공극률을 갖는 다공성 흑연 기판을 사용하여 수행된다. 6% 내지 15%, 바람직하게는 ≥ 6% 및 < 15%, 바람직하게는 6% 내지 13%, 더 바람직하게는 6 내지 < 12%, 더 바람직하게는 9 내지 11.5%의 작은 공극률 정도의 개방 공극률을 갖는 흑연 기판을 사용하는 것이 특히 유리한 것으로 밝혀졌다.

바람직하게는, 본원에서 어디에서나 설명되는 바와 같은 다공성 흑연이 사용된다.

본원에 설명된 CVD 프로세스를 사용하는 것이 특히 바람직하며, 여기서 디메틸디클로로실란 전구체 물질은, 밀착 연결된 결정질 SiC 물질을 다공성 흑연 표면으로부터 흑연 기판 내로 연장되고 SiC 표면 코팅과 밀착 연결되는 텐드릴들의 형태로 형성하기 위해, 실질적으로 사면체 SiC 결정들을 갖는 실질적으로 화학량론적 탄화규소를 다공성 흑연 기판의 표면 상에 그리고 다공성 흑연 기판의 공극들에 증착시키는 데에 사용된다.

그의 추가의 양상에서, 상기 프로세스에서, 흑연 기판 상에 증착된 SiC의 자유 Si의 양은 약 7 wt.% 이하, 바람직하게는 약 5 wt.% 이하, 더 바람직하게는 약 3 wt.% 이하의 자유 Si를 포함한다.

본 발명의 발명자들은 더 놀랍게도, 본원에 설명된 바와 같은 특정 CVD 조건들 하에서, SiC 결정립들의 입자 크기가, 반응 챔버 내로 도입된 DMS의 양과 관련있다는 것을 발견했다. 더 적은 양의 DMS의 도입은 놀랍게도, 더 작은 결정립들 및 결정들의 형성으로 이어지는 반면, 더 많은 양의 DMS의 도입은 놀랍게도, 더 큰 결정립들 및 결정들의 형성으로 이어진다. 더 작은 결정립들 및 결정들은, 더 높은 밀도의 SiC 코팅들을 더 형성하는 반면, 더 큰 결정립들 및 결정들은 더 낮은 밀도의 SiC 코팅들을 형성한다. 이에 의해, CVD 증착은 다양한 밀도들을 갖는 다층 SiC 코팅들을 제공하도록 제어될 수 있다.

이에 따라, 본 발명의 추가의 양상은, 상이한 밀도의 적어도 2개의 SiC 층을 포함하는 탄화규소(SiC) 코팅된 몸체를 제조하기 위한 프로세스에 관한 것이며, 그러한 프로세스는 다음의 단계들을 포함한다.

F) 단계 E)로부터 초래되는 몸체를 냉각시키는 단계.

추가의 양상에서 상기 프로세스는 단계 C)이전에 다음의 단계를 더 포함한다.

B-2) 디메틸디클로로실란(DMS)과 H₂의 혼합물을 적어도 30분 동안 프로세스 챔버 내에 도입하고, 주입 단계에서, 결정질 SiC 결정립들을 화학 기상 증착(CVD)에 의해 흑연 기판의 개방 공극들에 증착시키며, 다공성 흑연 기판 내로 적어도 50 ㎛의 길이로 연장되는 텐드릴들의 형태의 연결된 결정질 SiC 물질이 형성될 때까지 결정질 SiC 결정립들의 SiC 결정들로의 성장을 허용하는 단계;

추가의 양상에서 상기 프로세스는 단계 F)에 후속하는 단계들 G) 및 H)를 포함한다:

G) 단계 F)로부터 초래되는 몸체의 위치를 변경하는 단계; 및

H) 단계 C) 및 선택적으로 단계들 D) 및 E)를 반복하고, 이에 의해, 결정질 SiC 결정립들을, 화학 기상 증착(CVD)에 의해 단계 F)로부터 초래되는 다공성 흑연 기판의 표면 상에 증착시키고, 하나 이상의 추가의 SiC 층이 형성될 때까지, 결정질 SiC 결정립들의 실질적으로 사면체 SiC 결정들로의 성장을 허용하는 단계; 이어서

단계 H)로부터 초래되는 몸체를 냉각시키는 단계.

선택적 단계 E)에서의 상기 프로세스의 추가의 양상에서, DMS의 양은 점진적으로 증가된다.

단계 D)에서의 상기 프로세스의 추가의 양상에서, DMS의 제2 양은 단계 C)에서의 제1 양의 2배이다.

단계 E)에서의 상기 프로세스의 추가의 양상에서, 제3 증착 단계는 DMS의 제3 양으로 수행되는데, 제3 양은 단계 C)에서의 제1 양의 3배이다.

단계 E)에서의 상기 프로세스의 추가의 양상에서, 제3 및 제4 증착 단계는 DMS의 제3 및 제4 양으로 수행되는데, DMS의 제4 양은 단계 C)에서의 제1 양의 4배이다.

상기 프로세스의 추가의 양상에서, 증착 단계들에서의 DMS 양들은, 감소된 양의 DMS를 도입함으로써 더 작은 입자 크기를 갖는 더 작은 SiC 결정들의 형성을 달성하고 증가된 양의 DMS를 도입함으로써 더 큰 입자 크기를 갖는 더 큰 SiC 결정들의 형성을 달성하도록 제어된다.

상기 프로세스의 추가의 양상에서, 증착 단계에서 증착된 SiC 코팅들의 두께는 다양한 기간들 동안 개별 증착 단계들을 수행함으로써 변화된다.

상기 프로세스의 추가의 양상에서, 단계 A)의 다공성 흑연 기판은 ≥ 6% 및 ≤ 15%, 바람직하게는 6% 내지 13%, 더 바람직하게는 11 내지 13%의 공극률 정도를 갖는다. 더 바람직하게는, 단계 A)의 다공성 흑연 기판은 ≥ 6% 및 < 15%, 바람직하게는 6% 내지 13%, 더 바람직하게는 6 내지 < 12%, 더 바람직하게는 9 내지 11.5%의 공극률 정도를 갖고/거나 10 내지 30 ㎛의 표면 공극 직경을 갖는 공극들을 포함한다.

더 바람직하게는, 본원에서 어디에서나 설명되는 바와 같은 다공성 흑연 기판이 사용된다.

상기 프로세스의 추가의 양상에서, DMS와 H₂의 혼합물은 H₂ 가스를 DMS 탱크 내에 도입하고, 탱크에 있는 DMS를 통해 H₂를 기포가 일게 하며 DMS와 H₂의 혼합물을 탱크의 최상부로부터 혼합물을 밀어냄으로써 프로세스 챔버 내로 전달하는 것에 의해 획득된다.

상기 프로세스의 추가의 양상에서, CVD 증착에 사용되는 디메틸디클로로실란은 위에서 정의된 바와 같은 함량의 실록산 불순물들, 바람직하게는 > 0 내지 2.00 wt.%, 바람직하게는 > 0 내지 1.500 wt.%, 바람직하게는 > 0 내지 < 1.040 wt.%의 실록산 불순물들을 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 프로세스의 추가의 양상에서, CVD 증착에 사용되는 디메틸디클로로실란은 위에서 정의된 바와 같은 금속 원소 불순물들의 함량, 바람직하게는 위에서 정의된 바와 같은 Mn, Cu 및 Zn 불순물들의 함량을 갖는 것을 특징으로 한다.

더 바람직하게는, CVD 증착에 사용된 디메틸디클로로실란은 위에서 상세히 정의된 바와 같이 실록산 및 금속 불순물들의 함량을 갖는 것을 특징으로 한다.

상기 프로세스의 추가의 양상에서, 적어도 75 ㎛, 바람직하게는 적어도 100 ㎛, 바람직하게는 75 내지 200 ㎛의 길이로 연장되는 텐드릴들의 형태의 연결된 결정질 SiC 물질이 형성될 때까지 단계 B-2)가 수행된다.

상기 프로세스의 추가의 양상에서, 단계 B-2)의 주입 단계는, SiC 채워진 공극들을 갖는 다공성 흑연을 포함하고 적어도 50 ㎛, 바람직하게는 적어도 75 ㎛, 바람직하게는 적어도 100 ㎛, 바람직하게는 적어도 150 ㎛, 바람직하게는 적어도 200 ㎛, 더 바람직하게는 약 200 내지 약 500 ㎛의 두께는 갖는 계면 층이 형성될 때까지 수행되고, 여기서 계면 층은 단계들 C) 내지 E) 및 단계 H)에서 형성된 SiC 표면 층과 흑연 기판 사이에 위치된다.

바람직하게는, 프로세스는, 단계들 C), D), E) 및 H) 중 하나 이상에서, ≥ 10 ㎛, 바람직하게는 ≥ 10 내지 30 ㎛의 평균 입자 크기를 갖는 실질적으로 사면체 결정질 SiC를 증착시키도록 제어되고/거나, 단계 B-2)에서, 실질적으로 사면체 결정질 SiC를 < 10 ㎛, 바람직하게는 ≤ 7 ㎛, 바람직하게는 ≤ 5 ㎛, 바람직하게는 ≤ 4 ㎛, 바람직하게는 ≤ 3 ㎛, 바람직하게는 ≤ 2 ㎛의 평균 입자 크기를 갖는 흑연 기판의 공극들에 증착시키도록 제어된다.

바람직하게는, SiC 증착은 1000 내지 < 1200 ℃, 바람직하게는 1100 내지 1150 ℃의 범위의 온도에서 수행된다.

바람직하게는, 단계 B-2)의 주입 단계는 > 30분 및 < 12시간, 바람직하게는 > 45분 및 < 10시간, 더 바람직하게는 적어도 1시간, 더 바람직하게는 < 10시간, 바람직하게는 < 8시간, 바람직하게는 < 6시간, 바람직하게는 < 4시간, 바람직하게는 < 3시간, 가장 바람직하게는 1 내지 2시간 내의 기간 동안 수행된다.

본원에 설명된 증착된 SiC 물질은 위에서 설명된 바와 같은 유사한 결정화도, 결정립/결정 크기 및 순도 등을 특징으로 한다. 그러나, 상이한 단계들에서 증착된 SiC의 밀도는 변한다.

따라서, 본 발명의 프로세스에 의해, SiC 코팅된 물품을 제공하는 것이 가능하며, 여기서 흑연 기판의 하나 이상의 선택된 표면 영역은 외측 SiC 코팅 층으로 코팅된다. 또한, 단계 E) 및/또는 H)에서 SiC 코팅을 다공성 흑연 기판의 모든 표면 위가 아니라 기판의 표면의 선택되고 분리된 영역들에만 증착시키는 것이 가능하다. 이는, 예를 들어, 확립된 코팅 기법들에서 일반적으로 사용되는 바와 같은 일종의 마스크를 사용함으로써 달성될 수 있다.

III. 생성물들

본 발명의 추가의 양상은 중간 구성요소들, 예컨대, 흑연 기판뿐만 아니라 SiC 코팅된 물품들도 포함하는, 본 발명의 프로세스들에 의해 획득가능한 생성물들에 관한 것이다.

1. 정제된 흑연 부재

본 발명의 추가의 양상은 위에서 설명된 바와 같은 프로세스에 의해 획득가능한, 변경된 표면 공극률을 갖는 정제된 흑연 부재에 관한 것이다.

바람직하게, 변경된 표면 공극률을 갖는 그러한 정제된 흑연 부재는, 바람직하게는 위에서 정의된 바와 같이 다공성 흑연 부재에 존재하는, 위에서 정의된 바와 같은 염소 함량을 갖는다.

바람직하게는, 본 발명의 변경된 표면 공극률을 갖는 정제된 흑연 부재는 확대된 평균 공극 크기(공극 직경)를 갖는 공극들을 포함하고, ≥ 10 ㎛의 확대된 표면 공극 직경을 갖는 공극들을 포함한다.

흑연의 결정립도는 일반적으로 프로세스에 의해 영향받지 않으며, 이에 따라, 본 발명에 따른 변경된 표면 공극률을 갖는 정제된 흑연 부재는 < 0.05 mm, 바람직하게는 ≤ 0.04 mm, 바람직하게는 ≤ 0.03 mm, 바람직하게는 ≤ 0.028 mm, 바람직하게는 ≤ 0.025 mm, 바람직하게는 ≤ 0.02 mm, 바람직하게는≤ 0.018 mm, 바람직하게는 ≤ 0.015 mm의 평균 결정립도를 갖는다.

바람직하게, 변경된 표면 공극률을 갖는 그러한 정제된 흑연 부재는 ≥ 6% 및 ≤ 15%, 바람직하게는 약 6% 내지 약 13%, 바람직하게는 약 11% 내지 약 13%의 공극률 정도의 개방 공극률을 갖는다. 더 바람직하게는, 정제된 흑연 부재는 6% 내지 15%, 바람직하게는 ≥ 6% 및 < 15%, 바람직하게는 6% 내지 13%, 더 바람직하게는 6 내지 < 12%, 더 바람직하게는 9 내지 11.5%의 공극률 정도의 개방 공극률을 갖는다.

바람직하게는, 변경된 표면 공극률을 갖는 그러한 정제된 흑연 부재는 위에서 정의된 바와 같은 밀도를 갖는다.

바람직하게는, 변경된 표면 공극률을 갖는 그러한 정제된 흑연 부재는 위에서 정의된 바와 같은 순도를 갖는다.

본원에 설명된 바와 같이, 변경된 표면 공극률을 갖는 정제된 흑연 부재는 바람직하게는, 탄화규소 코팅된 흑연 물품에서 기판으로서 사용될 수 있다.

여기서, 변경된 표면 공극률은 위에서 상세히 설명된 바와 같이 특징지어질 수 있다.

특히, 본원에 정의된 바와 같이, 변경된 표면 공극률을 갖는 정제된 흑연 부재는, 바람직하게는 퍼지 가스로서 H₂와 함께, 디메틸디클로로실란(DMS)을 실란 공급원 또는 CVD 전구체로서 사용하여, 흑연 기판 상에 탄화규소를 증착시키기 위한 화학 기상 증착(CVD) 방법에서, 예컨대, 특히, 본원에 설명된 바와 같은 CVD 방법에서 기판으로서 적합하다.

더 특히, 본원에 정의된 바와 같이, 변경된 표면 공극률을 갖는 정제된 흑연 부재는, 바람직하게는 퍼지 가스로서 H₂와 함께, 디메틸디클로로실란(DMS)을 실란 공급원 또는 CVD 전구체로서 사용하여, 정제된 흑연 기판의 공극들에 탄화규소를 증착시키기 위한 화학 기상 증착(CVD) 방법에서, 예컨대, 특히, 본원에 설명된 바와 같은 CVD 방법에서 기판으로서 적합하다.

본원에서 정의된 바와 같이, 변경된 표면 공극률을 갖는 정제된 흑연 부재는, 위에서 설명된 이유들로, 연결된 실질적으로 사면체 결정질 SiC 물질을 적어도 50 ㎛의 길이로 연장되는 텐드릴들의 형태로 형성하는 활성화된 기판의 공극들에 탄화규소를 증착시키기 위한 화학 기상 증착(CVD) 방법에서 기판으로서 특히 적합하다.

본원에 설명된 바와 같이, 정제된 흑연 부재 상에 SiC를 증착시킴으로써, 흑연 부재에 하나 이상의 표면 상에 그리고/또는 하나 이상의 선택되고 분리된 표면 영역 상에 탄화규소 층을 제공하는 것이 가능하다.

이에 따라, 위에서 설명된 바와 같이, 변경된 표면 공극률을 갖는 그러한 정제된 흑연 부재는 고온 응용들, 서셉터들 및 반응기들, 반도체 물질들, 웨이퍼를 위한 물품들을 제조하기에 특히 적합하다.

2. 활성화된 흑연 기판

본 발명의 추가의 양상은 위에서 설명된 바와 같은 프로세스에 의해 획득가능한, 변경된 표면 공극률을 갖는 활성화된 흑연 기판에 관한 것이다.

바람직하게, 변경된 표면 공극률을 갖는 그러한 활성화된 흑연 기판은, 바람직하게는 위에서 정의된 바와 같이 다공성 흑연 기판에 존재하는, 위에서 정의된 바와 같은 염소 함량을 갖는다.

바람직하게는, 변경된 표면 공극률을 갖는 그러한 활성화된 흑연 기판은, 확대된 표면 공극 직경들을 갖는, 위에서 설명된 표면 공극 변경들을 나타낸다.

특히, 변경된 표면 공극률을 갖는 그러한 활성화된 흑연 기판은, 확대된 평균 공극 크기(공극 직경)를 갖는 공극들을 포함하고, ≥ 10 ㎛, 바람직하게는 ≥ 10 ㎛ 최대 30 ㎛의 표면 공극 직경을 갖는 공극들을 포함한다.

위에서 설명된 것과 유사하게, 변경된 표면 공극률을 갖는 그러한 활성화된 흑연 기판은 < 0.05 mm, 바람직하게는 ≤ 0.04 mm, 바람직하게는 ≤ 0.03 mm, 바람직하게는 ≤ 0.028 mm, 바람직하게는 ≤ 0.025 mm, 바람직하게는 ≤ 0.02 mm, 바람직하게는≤ 0.018 mm, 바람직하게는 ≤ 0.015 mm의 평균 결정립도를 갖는다.

바람직하게는, 변경된 표면 공극률을 갖는 그러한 활성화된 흑연 기판은 ≥ 6% 및 ≤ 15%, 바람직하게는 약 6% 내지 약 13%, 바람직하게는 약 11% 내지 약 13%, 훨씬 더 바람직하게는 6% 내지 15%, 바람직하게는 ≥ 6% 및 < 15%, 바람직하게는 6% 내지 13%, 더 바람직하게는 6 내지 < 12%, 더 바람직하게는 9 내지 11.5%의 공극률 정도의 개방 공극률을 갖는다.

바람직하게는, 변경된 표면 공극률을 갖는 그러한 활성화된 흑연 기판은 위에서 정의된 바와 같은 밀도를 갖는다.

바람직하게는, 변경된 표면 공극률을 갖는 그러한 활성화된 흑연 기판은 위에서 정의된 바와 같은 순도를 갖는다.

본원에 설명된 바와 같이, 변경된 표면 공극률을 갖는 활성화된 흑연 기판은 바람직하게는, 탄화규소 코팅된 흑연 물품에서 기판으로서 사용될 수 있다.

특히, 본원에 정의된 바와 같은 변경된 표면 공극률을 갖는 활성화된 흑연 기판은, 바람직하게는 퍼지 가스로서 H₂와 함께 디메틸디클로로실란(DMS)을 실란 공급원 또는 CVD 전구체로서 사용하는, 흑연 부재 상에 탄화규소를 증착시키기 위한 화학 기상 증착(CVD) 방법에서, 예컨대, 특히, 본원에 설명된 바와 같은 CVD 방법에서 기판으로서 적합하다.

특히, 본원에 정의된 바와 같은 변경된 표면 공극률을 갖는 활성화된 흑연 기판은, 바람직하게는 퍼지 가스로서 H₂와 함께 디메틸디클로로실란(DMS)을 실란 공급원 또는 CVD 전구체로서 사용하여, 탄화규소를 활성화된 흑연 기판의 공극들에 증착시키기 위한, 바람직하게는, 연결된 실질적으로 사면체 결정질 SiC 물질을, 적어도 50 ㎛의 길이로 연장되는 텐드릴들의 형태로 형성하는 화학 기상 증착(CVD) 방법에서, 예컨대, 특히, 본원에 설명된 바와 같은 CVD 방법에서 기판으로서 적합하다.

본원에 설명된 바와 같이, 활성화된 흑연 기판 상에 SiC를 증착시킴으로써, 흑연 기판에 하나 이상의 표면 상에 그리고/또는 하나 이상의 선택되고 분리된 표면 영역 상에 탄화규소 층을 제공하는 것이 가능하다.

이에 따라, 위에서 설명된 바와 같이, 변경된 표면 공극률을 갖는 그러한 활성화된 흑연 기판은 고온 응용들, 서셉터들 및 반응기들, 반도체 물질들, 웨이퍼를 위한 물품들을 제조하기에 특히 적합하다.

IV. 탄화규소 코팅된 몸체들

본 발명의 추가의 양상은 위에서 설명된 바와 같은 프로세스로부터 획득된 탄화규소 코팅된 몸체들(또는 물품들)을 포함한다.

바람직하게는, 본 발명의 추가의 양상은 탄화규소 코팅된 몸체들(또는 물품들)에 관한 것으로,

I) 6% 내지 15%의 공극률 정도를 갖는 다공성 흑연 기판;

II) 적어도 하나의 SiC 코팅 층;

및

III) 흑연 기판 I)과 SiC 코팅 층 II) 사이에 위치되고, 다공성 흑연을 포함하며 10 ㎛의 평균 표면 공극 직경을 갖는 공극들을 갖는 계면 층을 포함하고, 여기서 공극들은, 적어도 하나의 SiC 코팅 층 II)으로부터 다공성 흑연 기판 내로 연장되는 적어도 50 ㎛ 길이의 텐드릴들의 형태의 연결된 결정질 SiC 물질로 채워진다.

본 발명의 추가의 양상은 위에서 설명된 탄화규소 코팅된 몸체들(또는 물품들)에 관한 것으로, 여기서 계면 층 III)의 공극들은, 적어도 75 ㎛, 바람직하게는 적어도 100 ㎛, 바람직하게는 75 내지 200 ㎛의 길이로 연장되는 텐드릴들의 형태의 연결된 결정질 SiC 물질로 채워진다. 공극 채움의 정의에 관하여, 위의 설명들이 참조된다.

본 발명의 추가의 양상은 본원에 설명된 바와 같은 탄화규소 코팅된 몸체들(또는 물품들)에 관한 것으로, 여기서 흑연 기판 I)과 SiC 코팅 층(들) II) 사이에 위치된 계면 층 III)은 적어도 100 ㎛, 바람직하게는 > 100 ㎛, 더 바람직하게는 적어도 200 ㎛, 훨씬 더 바람직하게는 약 200 내지 약 500 ㎛의 두께를 나타낸다.

본 발명의 추가의 양상은 위에서 설명된 탄화규소 코팅된 몸체들(또는 물품들)에 관한 것으로, 여기서 다공성 흑연 기판 I)은 > 6% 내지 < 15%의 공극률 또는 약 6% 내지 약 14%, 약 6% 내지 약 13%, 약 6% 내지 < 13%의 범위의 공극률, 또는 > 6% 내지 약 15%, 약 7% 내지 약 15%, 약 8% 내지 15%, 약 9% 내지 약 15%, 약 10% 내지 약 15%, 약 11% 내지 약 15%의 범위의 공극률, 또는 ≥ 11% 내지 약 13%의 범위의 공극률을 나타낸다. ≥ 6% 및 < 15%, 더 바람직하게는 6% 내지 13%, 더 바람직하게는 6 내지 < 12%, 더 바람직하게는 9 내지 11.5%의 공극률 정도가 훨씬 더 바람직하다.

상기 공극률 정도는 흑연의 구조와 관련되고, 상기 공극들은 본원에 설명된 바와 같이 SiC로 채워진다. 그러나, 단순한 흑연 공극률은 CVD 방법에 의해 영향을 받지 않거나 변경되지 않으며, 따라서 본 공극률 정도는 "SiC로 채워진 공극률"로서 고려될 수 있다.

본 발명의 추가의 양상은 위에서 설명된 탄화규소 코팅된 몸체들(또는 물품들)에 관한 것으로, 여기서 적어도 하나의 SiC 코팅 층 II)은 > 90 wt. 탄화규소(SiC)를 포함한다. 바람직하게는, SiC 코팅 층(들)은, 적어도 91 wt.%, 적어도 92 wt.%, 적어도 93 wt.%, 적어도 94 wt.%, 적어도 95 wt.%, 또는 적어도 96 wt.% 탄화규소를 포함한다. 더 바람직하게는, SiC 코팅 층(들)은, 각각의 경우에 SiC 코팅 층(들)의 총 중량에 대해, 적어도 97 wt.% 탄화규소(SiC)를 포함한다. 위에서 설명된 바와 같이, 상기 탄화규소는 바람직하게는 실질적으로 사면체 결정질 SiC이다.

본 발명의 추가의 양상은 본원에 설명된 바와 같은 탄화규소 코팅된 몸체들(또는 물품들)에 관한 것이고, 여기서 적어도 하나의 SiC 코팅 층 II)은 약 10 wt.% 이하, 약 9 wt.% 이하, 약 8 wt.% 이하, 약 7 wt.% 이하, 약 6 wt.% 이하, 약 5 wt.% 이하, 또는 약 4 wt.% 이하의 자유 Si를 더 포함한다. 더 바람직하게는, SiC 코팅 층(들)은, 각각의 경우에 SiC 코팅 층(들)의 총 중량에 대해, 약 3 wt.% 이하의 자유 Si를 포함한다.

본 발명의 추가의 양상은 본원에 설명된 바와 같은 탄화규소 코팅된 몸체들(또는 물품들)에 관한 것이며, 여기서 흑연 기판 I)을 덮는 SiC 코팅 층 II)은 균질하고 연속적이며 본질적으로 불침투성인 SiC 층이다.

본 발명의 추가의 양상은 본원에 설명된 바와 같은 탄화규소 코팅된 몸체들(또는 물품들)에 관한 것이며, 여기서 흑연 기판을 덮는 SiC 코팅 층(들) II)은 본질적으로 균열들, 구멍들, 스폴링들 또는 다른 뚜렷한 표면 결함들이 없고/거나, 본질적으로, 전체 코팅된 표면 영역에 걸쳐 연속적인 두께를 나타낸다.

본 발명의 추가의 양상은 본원에 설명된 바와 같은 탄화규소 코팅된 몸체들(또는 물품들)에 관한 것으로, 여기서, 흑연 기판 I)과 SiC 코팅 층 II) 사이에 위치된 계면 층 III)이 다공성 흑연에 의해 형성되고, 공극들은 SiC의 채움을 포함하며, 흑연의 개방 공극들의 벽들의 적어도 70%가 SiC로 채워진다. 공극 채움의 정의에 관하여, 위의 설명들이 참조된다. 그에서 설명된 바와 같이, 본 발명에 따른 공극 채움 정도는 개방 공극들의 내측 벽들의 코팅의 정도에 관한 것이며, 바람직하게는 적어도 70%가, 증착된 SiC 코팅으로 코팅된다.

더 바람직하게는, 계면 층 III)은 개방 공극들의 벽들의 적어도 약 75%, 80%, 85%, 90%의 공극 채움 정도를 포함한다. 공극 채움의 정도는 위에서 언급된 바와 같이 결정될 수 있다.

본 발명의 추가의 양상은 본원에 설명된 바와 같은 탄화규소 코팅된 몸체들(또는 물품들)에 관한 것으로서, 여기서, 계면 층 III)의 채워진 공극들에서의 SiC 결정들의 평균 입자 크기는 < 10 ㎛, 예컨대, 바람직하게는 > 2 내지 < 10 ㎛이고/거나 외측 코팅 층 ii)의 SiC 결정들의 평균 입자 크기는 30 ㎛ 이하, 바람직하게는 ≥ 10 내지 30 ㎛이다.

본 발명의 추가의 양상은 본원에 설명된 바와 같은 탄화규소 코팅된 몸체들(또는 물품들)에 관한 것으로, 여기서, 흑연 기판 I)과 SiC 코팅 층 II) 사이에 위치된 계면 층 III)이 다공성 흑연에 의해 형성되고, 공극들은 연장된 텐드릴들 형태의 연결된 실질적으로 사면체 결정질 SiC 물질의 채움을 포함하며, 상기 SiC 물질은 > 90 wt.% 탄화규소(SiC)를 포함한다. 바람직하게는, 계면 층 III)의 공극들의 상기 SiC 물질은, 적어도 91 wt.%, 적어도 92 wt.%, 적어도 93 wt.%, 적어도 94 wt.%, 적어도 95 wt.%, 또는 적어도 96 wt.% 탄화규소를 포함한다. 더 바람직하게는, 계면 층 III)의 공극들의 SiC 물질은, 공극 채움에서 각각의 경우에 SiC 물질의 총 중량에 대해 적어도 97 wt.% SiC를 포함한다.

본 발명의 추가의 양상은 본원에 설명된 바와 같은 탄화규소 코팅된 몸체들(또는 물품들)에 관한 것으로, 여기서, 흑연 기판 I)과 SiC 코팅 층 II) 사이에 위치된 계면 층 III)은 다공성 탄소에 의해 형성되고, 공극들은 연장된 텐드릴들 형태의 연결된 실질적으로 사면체 결정질 SiC 물질의 채움을 포함하며, 상기 SiC 물질은 약 10 wt.% 이하, 약 9 wt.% 이하, 약 8 wt.% 이하, 약 7 wt.% 이하, 약 6 wt.% 이하, 약 5 wt.% 이하, 또는 약 4 wt.% 이하의 자유 Si를 더 포함한다. 더 바람직하게는, 계면 층 III)의 공극들의 SiC 물질은, 공극 채움에서 각각의 경우에 SiC 물질의 총 중량에 대해 약 3 wt.% 이하의 자유 Si를 포함한다.

본 발명의 추가의 양상은 본원에 설명된 바와 같은 탄화규소 코팅된 몸체들(또는 물품들)에 관한 것으로, 여기서 공극들의 그리고/또는 흑연 기판의 표면 상의 SiC는 1:1의 Si:C 비율을 갖는 실질적으로 화학량론적 SiC이다.

본 발명의 추가의 양상은 본원에 설명된 바와 같은 탄화규소 코팅된 몸체들(또는 물품들)에 관한 것으로, 여기서 공극들의 그리고/또는 흑연 기판의 표면 상의 SiC는 3.21 g/㎤인 SiC의 이론적 밀도에 근접한 밀도를 갖는다. 바람직하게, 증착된 SiC는 적어도 2.50 g/㎤, 바람직하게는 2.50 내지 3.21 g/㎤의 범위, 더 바람직하게는 3.00 내지 3.21 g/㎤의 범위의 밀도를 갖는다.

본 발명의 추가의 양상은 본원에 설명된 바와 같은 탄화규소 코팅된 몸체들(또는 물품들)에 관한 것으로, 여기서 계면 층의 텐드릴들의 밀도(면적당 텐드릴들의 양)는 ≥ 6% 및 ≤ 15%, 바람직하게는 6% 내지 13%, 더 바람직하게는 6 내지 ≤ 12%, 더 바람직하게는 9 내지 11.5%이다.

본 발명의 추가의 양상은, 계면 층에서의 텐드릴들의 균질하고 조밀하고/거나 균일한 분포를 포함하는, 본원에 설명된 바와 같은 탄화규소 코팅된 몸체들(또는 물품들)에 관한 것이다.

본 발명의 추가의 양상은 본원에 설명된 바와 같은 탄화규소 코팅된 몸체들(또는 물품들)에 관한 것으로, 여기서, 텐드릴들은 표면 코팅 층의 SiC와 (밀착) 연결된다.

본 발명의 추가의 양상은, 흑연 기판의 하나 이상의 선택되고 분리된 표면 영역 상에 SiC 층 II) 및 선택적으로 또한 계면 층 III)을 포함하는, 본원에 설명된 바와 같은 탄화규소 코팅된 몸체들(또는 물품들)에 관한 것이다.

본 발명의 탄화규소 코팅된 몸체의 계면 층은 전체 몸체에 대한 SiC 코팅 층과 흑연 기판 사이를 평균화하는 열팽창 계수(CTE)를 생성한다. 예를 들어, 기판과 SiC 층 사이의 CTE 불일치는 탄화규소 코팅된 몸체에서 약 20%만큼 감소될 수 있고, 여기서 다공성 기판의 약 20%는 SiC로 채워진다. 이에 따라, 본 발명의 추가의 양상은, 흑연 기판과 SiC 코팅 층 사이에 개선된 열팽창 계수를 갖는, 본원에 설명된 바와 같은 탄화규소 코팅된 몸체에 관한 것이다. 본 발명에 따른 CTE는 알려진 방법들에 의해 결정될 수 있다.

본 발명의 추가의 양상은, SiC 층에, 바람직하게는 190 MPa 초과, 바람직하게는 50 MPa 초과의 개선된 잔류 압축 하중을 갖는, 본원에 설명된 바와 같은 탄화규소 코팅된 몸체들(또는 물품들)에 관한 것이다. 본 발명에 따른 잔류 압축 하중은 알려진 방법들에 의해 결정될 수 있다.

본 발명의 추가의 양상은, 개선된 내충격성을 갖는, 본원에 설명된 바와 같은 탄화규소 코팅된 몸체들(또는 물품들)에 관한 것이다. 본 발명에 따른 내충격성은 알려진 방법들에 의해 결정될 수 있다.

본 발명의 추가의 양상은, 개선된 파괴 인성을 갖는, 본원에 설명된 바와 같은 탄화규소 코팅된 몸체들(또는 물품들)에 관한 것이다. 본 발명에 따른 파괴 인성은 알려진 방법들에 의해 결정될 수 있다.

본 발명의 추가의 양상은, 개선된 내박리성, 내박피성 및/또는 내뒤틀림성을 갖는, 본원에 설명된 바와 같은 탄화규소 코팅된 몸체들(또는 물품들)에 관한 것이다. 내박리성(강도)은, 예를 들어, US 2018/0002236 A1에 설명된 바와 같이, 알려진 방법들에 의해 결정될 수 있다.

본 발명의 추가의 양상은, 흑연 기판 I)과 SiC 코팅 층 II) 사이의 개선된 접착을 갖는, 본원에 설명된 바와 같은 탄화규소 코팅된 몸체들(또는 물품들)에 관한 것이다. 본 발명에 따른, 흑연 기판 I)과 SiC 코팅 층 II) 사이의 접착은 알려진 방법들에 의해 결정될 수 있다.

본 발명의 추가의 양상은, SiC 코팅 층의 외측(상부) 표면의 크기와 계면 층의 크기 사이의 개선된 관계를 나타내는, 본원에 설명된 바와 같은 탄화규소 코팅된 몸체들(또는 물품들)에 관한 것이다. 본 발명에 따른, SiC 코팅 층의 외측(상부) 표면의 크기와 계면 층의 크기 사이의 관계는 알려진 방법들에 의해 결정될 수 있다.

본 발명의 추가의 양상은 탄화규소 코팅된 몸체들(또는 물품들)에 관한 것으로,

I-A) 6% 내지 15%의 공극률 정도를 갖고 10 내지 30 ㎛의 표면 공극 직경을 갖는 공극들을 포함하는 다공성 흑연 기판 및

III-A) 흑연 기판과 SiC 코팅 층들 사이에 위치되고, 다공성 흑연 및 공극들을 포함하는 계면 층을 포함하며, 이 공극들은, 적어도 하나의 SiC 코팅 층으로부터 다공성 흑연 기판 내로 적어도 50 ㎛ 길이로 연장되는 텐드릴들의 형태의 밀착 연결된 실질적으로 사면체 결정질 SiC 물질로 채워진다.

그러한 다층 SiC 코팅된 물품들의 추가의 양상에서, 적어도 2개의 SiC 코팅 층(들) II-A)은 상이한 결정 크기들을 특징으로 한다.

그러한 다층 SiC 코팅된 물품들의 추가의 양상에서, 흑연 기판은 ≥ 6% 및 ≤ 15%, 바람직하게는 6% 내지 13%, 더 바람직하게는 11 내지 13%, 더 바람직하게는 ≥ 6% 및 < 15%, 바람직하게는 6% 내지 13%, 더 바람직하게는 6 내지 < 12%, 더 바람직하게는 9 내지 11.5%의 공극률을 갖는다.

바람직하게는, 흑연 기판은 최대 30 ㎛의 표면 공극 직경을 갖는 공극들을 포함한다.

바람직하게는, 흑연 기판은 0.4 ― 5.0 ㎛, 바람직하게는 1.0 내지 4.0 ㎛의 평균 공극 크기(공극 직경)를 갖고, 최대 30 ㎛, 바람직하게는 최대 20 ㎛, 바람직하게는 최대 10 ㎛의 표면 공극 직경을 갖는 공극들, 바람직하게는 10 내지 30 ㎛의 표면 공극 직경을 갖는 공극들을 포함한다.

바람직하게는, 흑연 기판은 < 0.05 mm, 바람직하게는 < 0.04 mm, 바람직하게는 < 0.03 mm, 바람직하게는 < 0.028 mm, 바람직하게는 < 0.025 mm, 바람직하게는 < 0.02 mm, 바람직하게는 < 0.018 mm, 바람직하게는 < 0.015 mm의 평균 결정립도를 갖는다.

바람직하게는, 흑연 기판은 ≥ 1.50 g/㎤, 바람직하게는 ≥ 1.70 g/㎤, 바람직하게는 ≥ 1.75 g/㎤의 밀도를 갖는다.

그러한 다층 SiC 코팅된 물품들의 추가의 양상에서, 적어도 75 ㎛, 바람직하게는 적어도 100 ㎛, 바람직하게는 75 내지 150 ㎛의 길이로 흑연 기판 내로 연장되는 텐드릴들의 형태의 밀착 연결된 실질적으로 사면체 결정질 SiC 물질로 채워진 공극들을 갖는 계면 층 III-A)이 존재한다.

V. 사용

본 발명의 추가의 양상은, 정제되고 염소화되고/거나 활성화된 흑연 부재들뿐만 아니라, 고온 응용들, 서셉터들 및 반응기들, 반도체 물질들, 웨이퍼 등을 위한 물품들을 제조하기 위해 본원에 설명된 바와 같은 방법들에 의해 획득가능한 다양한 탄화규소 코팅된 몸체들(또는 물품들)의 사용에 관한 것이다.

본 발명은 도면들 및 다음의 예들에 의해 더 예시되며, 이에 제한되지 않는다.

VI. 예들

예 1 ― 흑연 부재의 활성화 및 염소화 및 텐드릴 형성

본 발명에 설명된 바와 같이 다공성 흑연 부재를 활성화했고, 정제했고, 염소화 처리를 겪게 했다.

다음의 염소 함량을 염소화된 흑연 부재에서 측정했다:

확대된 표면 공극률을 갖는 활성화된 흑연의 형성이, 도 8a 내지 c와 비교하여 도 7a 내지 c에 도시되었다. 위에서 설명된 바와 같이 SEM을 준비했다.

본원에 설명된 바와 같은 CVD 증착 방법에서, 염소화된 흑연 부재를 다공성 흑연 기판(1)으로서 사용했다.

도 1, 2, 3, 4, 5a, 5b, 6a 및 6b에 도시된 바와 같이, CVD 방법에서, 본 발명에 따른 SiC 텐드릴들(4)이, 따라서 염소화된 흑연 기판의 공극들(6)에 형성되었다.

본원에 설명된 SiC 특징들 및 품질은 도 10 및 11에 도시되었다.

예 2 ― 퍼지 가스의 영향

H₂를 퍼지 가스로서 사용하여 본 발명의 프로세스로 탄화규소 코팅된 몸체를 제조했다.

대조 예로서, 아르곤을 퍼지 가스로서 사용했다.

도 1 및 4로부터 명백해지는 바와 같이, 아르곤의 사용은 텐드릴들(4)의 형성으로 이어지지 않는다.

예 3 ― 다층 SiC-코팅

본 발명의 프로세스로 탄화규소 코팅된 몸체를 제조했고, 여기서, 다양한 밀도들 (2-A), (2-B), (2-C) 등을 갖는 다층 SiC 코팅을 제조하기 위해 DMS의 양들을 변화시킨다.

여기서, 증착 단계들에서 H₂를 캐리어 가스로서 사용하여 다음의 DMS 양들을 실험실 크기의 시험 반응기의 프로세스 챔버 내로 도입했다:

제1 내지 제4 증착 단계에서 증착된 SiC 코팅들은 다양한 결정 크기들을 보여주었는데, 결정 크기는 DMS 양들이 증가함에 따라 증가되어, 밀도가 감소하는 SiC 코팅 층들로 이어진다.

다양한 DMS 양들로 인한 SiC 다층 구조를 예시하는 추가의 예가 도 2에 도시된다.

예 4 ― DMS 순도(실록산들)

다양한 실록산 불순물들의 DMS로 본 발명의 프로세스를 사용하여 탄화규소 코팅된 몸체를 제조했다.

다음의 양들의 실록산 불순물들을 갖는 DMS를 사용했다:

샘플 A 및 B에 따른 DMS에 의해, 본 발명에 따른 SiC 텐드릴들의 형성이 발생했다.

샘플 C에 따른 DMS에 의해, SiC 텐드릴들의 충분한 형성이 발생하지 않았다.

추가로, 다음의 범위들은 원하는 텐드릴 형성과 관련하여 효과적인 것으로 밝혀졌다:

"-"는 개방 공극들에서의 텐드릴 무형성 또는 불충분한 형성을 나타낸다.

"+"는 개방 공극들에서의 중간 내지 낮은 텐드릴 형성을 나타낸다.

"++"는 개방 공극들에서의 적절한 내지 최적의 텐드릴 형성을 나타낸다.

예 5 ― DMS 순도(Mn)

다양한 망가니즈 불순물들의 DMS로 본 발명의 프로세스를 사용하여 탄화규소 코팅된 몸체를 제조했다.

다음의 양들의 망가니즈 불순물들을 갖는 DMS를 사용했다:

예 6 ― DMS 순도(Cu)

다양한 구리 불순물들의 DMS로 본 발명의 프로세스를 사용하여 탄화규소 코팅된 몸체를 제조했다.

다음의 양들의 구리 불순물들을 갖는 DMS를 사용했다:

예 7 ― DMS 순도(Zn)

다양한 아연 불순물들의 DMS로 본 발명의 프로세스를 사용하여 탄화규소 코팅된 몸체를 제조했다.

다음의 양들의 아연 불순물들을 갖는 DMS를 사용했다:

예 8 ― DMS 순도(실록산 더하기 Mn 더하기 Cu 더하기 Zn)

Mn, Cu 및 Zn 금속 불순물들의 존재 시에 총 실록산 함량의 다음의 범위들은 원하는 텐드릴 형성과 관련하여 효과적인 것으로 밝혀졌다:

Claims

상이한 밀도들의 적어도 2개의 탄화규소 층을 포함하는 탄화규소 코팅된 몸체를 제조하는 방법으로서,
A) 개방 공극률, 9% 내지 11.5%의 공극률 정도(porosity degree), 및 0.05mm 미만의 평균 결정립도(grain size)를 갖는 다공성 흑연 기판을 프로세스 챔버 내에 위치시키는 단계;
B) H₂ 가스의 흐름의 존재하에 대기압하에 상기 다공성 흑연 기판을 상기 프로세스 챔버 내에서 1000 내지 1200℃ 범위의 온도로 가열하는 단계;
C) 제1 증착 단계에서 상기 다공성 흑연 기판 상에 결정질 탄화규소 결정립들(crystalline silicon carbide grains)을 포함하는 제1 탄화규소 코팅 층을 증착시키는 단계 - 1100℃ 내지 1150℃의 온도에서, 상기 프로세스 챔버에서 제1 양의 디메틸디클로로실란으로 디메틸디클로로실란과 H₂의 제1 혼합물을 상기 프로세스 챔버 내에 도입함으로써, 상기 제1 탄화규소 코팅 층은 상기 제1 증착 단계 동안 상기 다공성 흑연 기판의 표면 상에 배치되고, 상기 제1 혼합물은, 상기 다공성 흑연 기판의 공극들 내에 상기 제1 탄화규소 코팅 층으로부터 상기 다공성 흑연 기판 내로 적어도 50 ㎛의 길이로 연장되는 텐드릴들(tendrils)의 형태의 실질적 사면체 결정질 탄화규소 물질을 형성하기 위해, 25 slpm 내지 200 slpm의 유량으로 상기 프로세스 챔버 내에 도입됨 -; 및
D) 상기 프로세스 챔버 내의 디메틸디클로로실란의 양을 증가시키거나 감소시키고, 제2 증착 단계에서 결정질 탄화규소 결정립들을 포함하는 제2 탄화규소 코팅 층을 증착시키는 단계 - 제2 양의 디메틸디클로로실란, 및 H₂의 제2 혼합물을 상기 프로세스 챔버 내에 도입함으로써, 상기 제2 탄화규소 코팅 층은 상기 탄화규소 코팅된 흑연 기판 상에 배치됨 -;
를 포함하는 방법.
제1항에 있어서,
E) 단계 D)를 1회 이상 반복하여, 하나 이상의 추가 증착 단계에서, 하나 이상의 추가적인 양의 디메틸디클로로실란으로 디메틸디클로로실란과 H₂의 혼합물을 상기 프로세스 챔버 내로 도입함으로써 상기 탄화규소 코팅된 흑연 기판 상의 결정질 탄화규소 결정립들을 증착하는 하나 이상의 추가 동작을 수행하는 단계;
F) 단계 E)로부터 생성된 탄화규소 코팅된 몸체를 냉각시키는 단계;
G) 단계 F)로부터 생성된 상기 탄화규소 코팅된 몸체의 위치를 변경하는 단계; 및
H) 단계 C) 및 단계 D) 및 E)를 반복하여, 단계 F)로부터 생성된 상기 다공성 흑연 기판의 표면 상에 결정질 탄화규소 결정립들을 화학 기상 증착에 의해 증착하고, 하나 이상의 추가 탄화규소 층이 형성될 때까지 상기 결정질 탄화규소 결정립들의 실질적 사면체 탄화규소 결정들로의 성장을 허용한 후에, 단계 H)로부터 생성된 상기 탄화규소 코팅된 몸체를 냉각시키는 단계를 더 포함하는 방법.
제2항에 있어서, 단계 D)에서 그리고 단계 E)에서, 상기 프로세스 챔버 내의 디메틸디클로로실란의 양은 점진적으로 증가되는, 방법.
제1항에 있어서, 단계 D)에서, 상기 프로세스 챔버 내의 디메틸디클로로실란의 제2 양은, 단계 C)에서의 상기 프로세스 챔버 내의 디메틸디클로로실란의 제1 양의 2배인, 방법.
제3항에 있어서, 단계 E)에서, 제3 증착 단계가 단계 C)에서의 상기 프로세스 챔버 내의 디메틸디클로로실란의 제1 양의 3배인 제3 양의 디메틸디클로로실란으로 상기 프로세스 챔버 내에서 수행되고, 제4 증착 단계가 상기 프로세스 챔버 내에서 제4 양의 디메틸디클로로실란으로 수행되고, 상기 제4 양의 디메틸디클로로실란은 단계 C)에서의 상기 프로세스 챔버 내의 디메틸디클로로실란의 제1 양의 4배인, 방법.
제5항에 있어서, 상기 프로세스 챔버 내의 디메틸디클로로실란의 양들은 감소된 양의 디메틸디클로로실란을 상기 프로세스 챔버 내로 도입함으로써 더 작은 입자 크기를 갖는 더 작은 탄화규소 결정들의 형성을 달성하고, 증가된 양의 디메틸디클로로실란을 상기 프로세스 챔버 내로 도입함으로써 더 큰 입자 크기를 갖는 더 큰 탄화규소 결정들의 형성을 달성하도록 변경되는, 방법.
제1항에 있어서, 단계 A)의 상기 다공성 흑연 기판은 최대 30μm의 표면 공극 직경을 갖는 공극들을 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 프로세스 챔버에서 제1 양의 디메틸디클로로실란, 및 H₂의 혼합물을 상기 프로세스 챔버 내에 도입함으로써, 제1 증착 단계에서 상기 다공성 흑연 기판 상에 결정질 탄화규소 결정립들을 증착시키는 단계 동안, 상기 디메틸디클로로실란은 0보다 크고 2.00 wt.%보다 작거나 같은 양의 실록산을 불순물로서 포함하는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 텐드릴들은 상기 다공성 흑연 기판의 공극들 내측으로 연장되는, 방법.
제1항에 있어서, 75 내지 150μm의 길이로 연장되는 탄화규소 텐드릴 형태의 상기 결정질 탄화규소 물질이 형성되는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 탄화규소 코팅 층은 상기 제2 탄화규소 코팅 층의 결정 크기와 상이한 결정 크기를 특징으로 갖는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 혼합물은 60 slpm 내지 160 slpm의 유량으로 상기 프로세스 챔버 내에 도입되는, 방법.
제1항에 있어서, 상기 제1 혼합물은 25 slpm 내지 45 slpm의 유량으로 상기 프로세스 챔버 내에 도입되는, 방법.