RU2763358C1 - Method for gas-phase deposition of tantalum carbide on the surface of products - Google Patents

Method for gas-phase deposition of tantalum carbide on the surface of products Download PDF

Info

Publication number
RU2763358C1
RU2763358C1 RU2021111830A RU2021111830A RU2763358C1 RU 2763358 C1 RU2763358 C1 RU 2763358C1 RU 2021111830 A RU2021111830 A RU 2021111830A RU 2021111830 A RU2021111830 A RU 2021111830A RU 2763358 C1 RU2763358 C1 RU 2763358C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
tantalum
coatings
halide
carbon
deposition
Prior art date
Application number
RU2021111830A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Лев Христофорович Балдаев
Олег Юрьевич Гончаров
Ирина Романовна Колумбет
Равиль Рамазанович Файзуллин
Original Assignee
Общество с ограниченной ответственностью "НПО "Защитные покрытия" (ООО "НПО "Защитные покрытия")
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Общество с ограниченной ответственностью "НПО "Защитные покрытия" (ООО "НПО "Защитные покрытия") filed Critical Общество с ограниченной ответственностью "НПО "Защитные покрытия" (ООО "НПО "Защитные покрытия")
Priority to RU2021111830A priority Critical patent/RU2763358C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2763358C1 publication Critical patent/RU2763358C1/en

Links

Images

Classifications

    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/22Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the deposition of inorganic material, other than metallic material
    • C23C16/30Deposition of compounds, mixtures or solid solutions, e.g. borides, carbides, nitrides
    • C23C16/32Carbides
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C23COATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; CHEMICAL SURFACE TREATMENT; DIFFUSION TREATMENT OF METALLIC MATERIAL; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL; INHIBITING CORROSION OF METALLIC MATERIAL OR INCRUSTATION IN GENERAL
    • C23CCOATING METALLIC MATERIAL; COATING MATERIAL WITH METALLIC MATERIAL; SURFACE TREATMENT OF METALLIC MATERIAL BY DIFFUSION INTO THE SURFACE, BY CHEMICAL CONVERSION OR SUBSTITUTION; COATING BY VACUUM EVAPORATION, BY SPUTTERING, BY ION IMPLANTATION OR BY CHEMICAL VAPOUR DEPOSITION, IN GENERAL
    • C23C16/00Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes
    • C23C16/44Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating
    • C23C16/455Chemical coating by decomposition of gaseous compounds, without leaving reaction products of surface material in the coating, i.e. chemical vapour deposition [CVD] processes characterised by the method of coating characterised by the method used for introducing gases into reaction chamber or for modifying gas flows in reaction chamber

Abstract

FIELD: nanotechnology.
SUBSTANCE: invention relates to a method for gas-phase deposition of coatings of tantalum carbides on the surface of the product and can be used to create protective coatings with high hardness, resistance to erosion and ablation, for example, on graphite products and carbon-carbon composites in combustion chambers and nozzles of aircraft engines, to create wear-resistant hard coatings and coatings with high antifriction properties, for coatings that play the role of a diffusion barrier for oxygen and other elements in microelectronics products, in such as a gate electrode in n-type oxide-metal-semiconductor structures, for coatings accumulating solar energy and solar cells promising for manufacturing. The method for gas-phase deposition of tantalum carbides on the surface of the product includes the supply of tantalum halide vapors, carbon halide vapors and reducing metal vapors to the surface of the product. Vapors of these substances are transported in streams of inert carrier gases through various channels to the surface of the product. When tantalum carbides are deposited on the surface of the product near the surface, the reagents are mixed with the elemental composition of the mixture with the ratios Ta/C from 0.1 to 10 and Me/(G1+G2) from 0.1 to 10 and heating of reagents to temperatures of 850-1400 K, while Me is a reducing metal, G1 is a halogen used in Ta halide, G2 is a halogen used in carbon halide.
EFFECT: deposition of a coating of tantalum carbides on the surface of products is ensured at lower deposition temperatures, with reduced requirements to the equipment used and increased safety of deposition processes to obtain coatings of improved quality.
5 cl, 1 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к способу осаждения карбида тантала на поверхности изделий и может быть использовано для создания защитных покрытий, с высокой твердостью, стойкостью к эрозии и абляции например, на изделиях из графита и углерод-углеродных композитах в камерах сгорания и соплах авиадвигателей, для создания износостойких твердых покрытий и покрытий с высокими антифрикционными свойствами, для покрытий, играющих роль диффузионного барьера для кислорода и других элементов в изделиях микроэлектроники, в таких, как электрод затвора в структурах оксид-металл-полупроводник n-типа, для покрытий, аккумулирующих солнечную энергию и перспективных для создания элементов солнечных батарей.The present invention relates to a method for the deposition of tantalum carbide on the surface of products and can be used to create protective coatings with high hardness, resistance to erosion and ablation, for example, on products made of graphite and carbon-carbon composites in combustion chambers and nozzles of aircraft engines, to create wear-resistant hard coatings and coatings with high antifriction properties, for coatings that play the role of a diffusion barrier for oxygen and other elements in microelectronic products, such as a gate electrode in n-type oxide-metal-semiconductor structures, for coatings that store solar energy and are promising to create solar cells.

Известен способ получения высокодисперсных покрытий тугоплавких карбидов тантала с помощью гидролиза органических растворов металлсодержащих комплексных соединений с полимерами. Получаемый гель сушат при температурах 293-523 K и подвергают пиролизу при 623-873 K, а затем проводят карботермический синтез при температурах 873-1473 K и давлении 10-1-10-4 Па (Патент RU №RU 2333888 С1, опубликован 20.09.2008, МПК С01 В 31/30). В процессе синтеза соотношение Та/С может варьироваться путем изменения состава компонентов в исходной смеси, а получаемые карбиды имеют высокую чистоту.A known method of obtaining highly dispersed coatings of refractory tantalum carbides by hydrolysis of organic solutions of metal-containing complex compounds with polymers. The resulting gel is dried at temperatures of 293-523 K and subjected to pyrolysis at 623-873 K, and then carbothermal synthesis is carried out at temperatures of 873-1473 K and a pressure of 10 -1 -10 -4 Pa (Patent RU No. RU 2333888 C1, published on 20.09. 2008, IPC C01 B 31/30). During the synthesis, the Ta/C ratio can be varied by changing the composition of the components in the initial mixture, and the resulting carbides are of high purity.

Недостатком данного способа является сложность получения пространственно-упорядоченных покрытий. Толщина и плотность получаемых покрытий, как правило, неоднородны по площади, особенно на деталях сложной формы, из-за неравномерного растекания геля по поверхности и усадки покрытия в процессе сушки и обжига. Кроме того, получение покрытий данным способом является дорогостоящим, что определяется высокой стоимостью металлорганических реагентов.The disadvantage of this method is the difficulty of obtaining spatially ordered coatings. The thickness and density of the resulting coatings, as a rule, are heterogeneous in area, especially on parts of complex shape, due to uneven spreading of the gel over the surface and shrinkage of the coating during drying and firing. In addition, the production of coatings by this method is expensive, which is determined by the high cost of organometallic reagents.

Известен способ формирования пленок ТаС на подложке Cu методами плазмостимулированного атомно-слоевого осаждения (PEALD - Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition). (Патент US №US 7407876 B2 опубликован 5.08.2008, МПК C23C 16/32) Формирование покрытия карбида тантала проводится до получения нужной толщины с помощью чередования процессов: а) осаждение на подложку органического соединения тантала, б) воздействие на подложку плазмой восстановителя - Н2, в) обработку поверхности плазмой аргона. Применение активации плазмой позволяет снизить температуры реакции образования пленки ниже температуры 673 K.A known method of forming TaC films on a Cu substrate by methods of plasma-assisted atomic layer deposition (PEALD - Plasma Enhanced Atomic Layer Deposition). (Patent US No. US 7407876 B2 published on 5.08.2008, IPC C23C 16/32) The formation of the tantalum carbide coating is carried out until the desired thickness is obtained by alternating processes: a) deposition of an organic tantalum compound on the substrate, b) exposure of the substrate to the plasma of the reducing agent - H 2c ) surface treatment with argon plasma. The use of plasma activation makes it possible to lower the temperature of the film formation reaction below 673 K.

Недостатком данного способа является высокая стоимость применяемых металлорганических реагентов, которые, к тому же, способны полимеризоваться при нагревании в процессе их испарения и последующего прохождения реакционной зоны. Продукты полимеризации непригодны в качестве реагентов и могут осаждаться в испарительной камере и газопроводах, приводя к неработоспособности оборудования. Недостаток технологии PEALD заключается в ее непригодности для изделий сложной формы и изделий с внутренними полостями. Кроме того, адгезия получаемых защитных покрытий невысока, так как при низких температурах не образуется зона диффузного взаимодействия покрытия с подложкой и, кроме того, в процессе ионной бомбардировки возможно повреждение поверхности изделия.The disadvantage of this method is the high cost of the used organometallic reagents, which, moreover, are able to polymerize when heated during their evaporation and subsequent passage of the reaction zone. Polymerization products are unsuitable as reagents and can be deposited in the evaporation chamber and gas pipelines, leading to equipment inoperability. The disadvantage of PEALD technology lies in its unsuitability for products of complex shape and products with internal cavities. In addition, the adhesion of the obtained protective coatings is low, since at low temperatures a zone of diffuse interaction of the coating with the substrate is not formed and, in addition, damage to the surface of the product is possible during ion bombardment.

Известен способ получения мелкокристаллического (размер зерна 1-10 мкм) плотного, однородного и бездефектного пиролитического карбида тантала на подложке, нагретой до 1493-1653 K из парогазовой смеси, с объемным соотношением компонентов, об.%: TaCl5 от 2,5 до 11; СН4 от 1 до 7; Н2 от 2,5 до 26 и остальное Не (Патент SU №SU508561, опубликован 30.03.1976, МПК С23С 16/32).A known method of obtaining finely crystalline (grain size 1-10 μm) dense, homogeneous and defect-free pyrolytic tantalum carbide on a substrate heated to 1493-1653 K from a vapor-gas mixture, with a volume ratio of components, vol.%: TaCl 5 from 2.5 to 11 ; CH 4 from 1 to 7; H 2 from 2.5 to 26 and the rest is He (Patent SU No. SU508561, published on March 30, 1976, IPC C23C 16/32).

Недостаток этого способа нанесения карбида тантала связан с тем, что процесс осаждения возможен только на подложки, имеющие температуру плавления значительно выше температуры процесса, которая довольно высока. Кроме того, при высоких температурах образующийся хлор и будет иметь высокую активность, что может приводить не только к коррозии материалов реактора, но и к коррозии подложки, на которую наносится покрытие. Следует учесть, что использование водорода может привести к наводораживанию и водородному охрупчиванию материалов реакционной камеры, покрытия, подложи, что приведет к ухудшению свойств покрытия.The disadvantage of this method of deposition of tantalum carbide is due to the fact that the deposition process is possible only on substrates having a melting temperature significantly higher than the process temperature, which is quite high. In addition, at high temperatures, the resulting chlorine will have a high activity, which can lead not only to corrosion of the reactor materials, but also to corrosion of the substrate on which the coating is applied. It should be taken into account that the use of hydrogen can lead to hydrogenation and hydrogen embrittlement of the materials of the reaction chamber, coating, substrate, which will lead to deterioration of the coating properties.

В качестве прототипа изобретения принят способ формирования покрытий карбида тантала на углеродных материалах с помощью химического газофазного осаждения из галогенидов тантала, таких как пентахлорид тантала TaCl5, и углеводородов, таких как метан СН4 или этан С2Н6, подаваемых в реакционную камеру газом-носителем аргоном, водородом или их смесью (Патент JP № JP 2009298916, опубликован 29.12.2009, МПК С23С 16/32) (или ЕР 2520691 А1 опубликован 07.11.2012 Bulletin 2012/45). В патенте указано, что с ростом молекулярной массы углеводорода энергия активации уменьшается и температура получения покрытий снижается, поэтому в качестве источника углерода вместо СН4 для снижения температуры осаждения рекомендуется использовать этан С2Н6. В способе предлагается сначала формировать на поверхности углеродной подложки зародыши карбида тантала при температурах 1123-1223 K и пониженном давлении ~103 Па, а затем проводить рост кристаллов карбида тантала в покрытия при постепенном увеличении температуры на 100 град в час. Соотношение Та/С в покрытии задается концентрацией углерода в газе, подаваемом в реакционную камеру, которая от 2 да 25 раз больше, чем концентрация тантала. Это позволяет получить градиентное покрытие с соотношением от Та/С=2 в слое, прилегающем к углероду до Та/С=1 в наружном слое. Дополнительно для уменьшения пористости покрытия проводится его термообработка при температурах не менее 1873 K.As a prototype of the invention, a method was adopted for forming coatings of tantalum carbide on carbon materials using chemical vapor deposition from tantalum halides, such as tantalum pentachloride TaCl 5 , and hydrocarbons, such as methane CH 4 or ethane C 2 H 6 , fed into the reaction chamber with gas - a carrier with argon, hydrogen or a mixture thereof (JP Patent No. JP 2009298916, published 12/29/2009, IPC C23C 16/32) (or EP 2520691 A1 published 11/07/2012 Bulletin 2012/45). The patent states that with an increase in the molecular weight of the hydrocarbon, the activation energy decreases and the temperature for obtaining coatings decreases, therefore, instead of CH 4, it is recommended to use ethane C 2 H 6 as a carbon source to reduce the precipitation temperature. In the method, it is proposed to first form tantalum carbide nuclei on the surface of the carbon substrate at temperatures of 1123-1223 K and a reduced pressure of ~ 10 3 Pa, and then carry out the growth of tantalum carbide crystals into coatings with a gradual increase in temperature by 100 degrees per hour. The Ta/C ratio in the coating is set by the concentration of carbon in the gas supplied to the reaction chamber, which is from 2 to 25 times greater than the concentration of tantalum. This makes it possible to obtain a gradient coating with a ratio from Ta/C=2 in the layer adjacent to the carbon to Ta/C=1 in the outer layer. Additionally, to reduce the porosity of the coating, it is heat treated at temperatures of at least 1873 K.

В данном способе применение этана вместо метана и снижение давления в рабочей камере позволяет немного снизить температуру осаждения карбидов тантала, по сравнению с предыдущим способом. Кроме того, проведение осаждения с повышением температуры позволяет немного улучшить качество покрытий. Однако, температура осаждения остается достаточно высокой, а также сохраняются все недостатки, связанные с возможностью разрушения материалов рабочей камеры и ухудшения свойств покрытия и подложки вследствие их наводораживания, водородного охрупчивания и высокотемпературного взаимодействия с хлором и хлороводородом. Кроме того, применение водорода требует осторожности из-за его горючести и взрывоопасности.In this method, the use of ethane instead of methane and a decrease in pressure in the working chamber makes it possible to slightly reduce the temperature of deposition of tantalum carbides, compared with the previous method. In addition, carrying out the deposition with increasing temperature allows a slight improvement in the quality of the coatings. However, the deposition temperature remains quite high, and all the disadvantages associated with the possibility of destruction of the materials of the working chamber and deterioration of the properties of the coating and substrate due to their hydrogenation, hydrogen embrittlement and high-temperature interaction with chlorine and hydrogen chloride remain. In addition, the use of hydrogen requires caution due to its flammability and explosiveness.

На рисунке 1 изображена схема части реактора с размещением исходных реагентов - бромида тантала и кадмия в дозаторе-смесителе, где:Figure 1 shows a diagram of a part of the reactor with the placement of the initial reagents - tantalum bromide and cadmium in a batcher-mixer, where:

1. Галогенид тантала1. Tantalum halide

2. Металл-восстановитель2. Reducing metal

3. Сопловые вкладыши со смесителем в виде сопла3. Nozzle inserts with nozzle mixer

4. Подложка4. Substrate

5. Нагреватель5. Heater

6, 8. Каналы подачи инертного газа-носителя.6, 8. Channels for supplying an inert carrier gas.

7. Канал для подачи смеси инертного газа-носителя с источником углерода.7. Channel for supplying a mixture of an inert carrier gas with a carbon source.

Техническим результатом данного изобретения является снижение требований к применяемому оборудованию, снижение температуры осаждения карбидов тантала, улучшение качества покрытий и повышение безопасности проведения процессов осаждения.The technical result of this invention is to reduce the requirements for the equipment used, to reduce the deposition temperature of tantalum carbides, to improve the quality of coatings and to increase the safety of deposition processes.

Технический результат достигается использованием в качестве восстановителя используют металл-восстановитель, а в качестве источника углерода пары галогенида углерода, причем пары галогенида тантала, галогенида углерода и пары металла-восстановителя транспортируют в потоках инертных газов-носителей по различным каналам к поверхности изделия, а при осаждении карбидов тантала на поверхность изделия вблизи поверхности обеспечивают смешение реагентов таким образом, чтобы элементный состав смеси имел соотношения Та/С от 0.1 до 10 и Me /(G1+G2) от 0.1 до 10 и нагрев реагентов до температур 850 - 1400 K.The technical result is achieved by using a reducing metal as a reducing agent, and a carbon halide pair as a carbon source, moreover, a pair of tantalum halide, carbon halide and a vapor of the reducing metal are transported in flows of inert carrier gases through various channels to the surface of the product, and during deposition tantalum carbides on the surface of the product near the surface, mixing of the reagents is ensured so that the elemental composition of the mixture has ratios Ta / C from 0.1 to 10 and Me / (G1 + G2) from 0.1 to 10 and heating of the reagents to temperatures of 850 - 1400 K.

Кроме того, в качестве металла-восстановителя используют кадмий.In addition, cadmium is used as a reducing metal.

Кроме того, в качестве источника углерода - галогенида углерода используют CCl4. In addition, CCl 4 is used as a source of carbon - carbon halide.

Кроме того, в качестве галогенида тантала используют бромид тантала TaBr5.In addition, tantalum bromide TaBr 5 is used as the tantalum halide.

Кроме того, в качестве галогенида тантала используют иодид тантала, при этом в поток паров иодида тантала добавляют пары иода.In addition, tantalum iodide is used as the tantalum halide, while iodine vapor is added to the tantalum iodide vapor stream.

Применение металла-восстановителя (вместо водорода) в качестве восстановителя позволит повысить безопасность осаждения покрытий, снизить требования к применяемому оборудованию и улучшить качество покрытий за счет отсутствия негативного воздействия водорода на материалы и необходимости оборудования, обеспечивающего подачу водорода в реактор и его последующую утилизацию.The use of a reducing metal (instead of hydrogen) as a reducing agent will improve the safety of coating deposition, reduce the requirements for the equipment used, and improve the quality of coatings due to the absence of a negative effect of hydrogen on materials and the need for equipment that provides hydrogen supply to the reactor and its subsequent disposal.

Применение кадмия в качестве металла-восстановителя способствует снижению общей температуры процесса осаждения, так как пары кадмия летучи при относительно невысоких температурах.The use of cadmium as a reducing metal helps to reduce the overall temperature of the deposition process, since cadmium vapor is volatile at relatively low temperatures.

Применение в качестве источника углерода CCl4 позволяет упростить оборудование, благодаря тому, что CCl4 является летучей жидкостью при нормальных условиях. Благодаря легкой диссоциации CCl4 при нагревании можно снизить температуру осаждения покрытий. Кроме того, CCl4 пожаро- и взрывобезопасен.The use of CCl 4 as a carbon source makes it possible to simplify the equipment due to the fact that CCl 4 is a volatile liquid under normal conditions. Due to the easy dissociation of CCl 4 during heating, the deposition temperature of the coatings can be lowered. In addition, CCl 4 is fire and explosion-proof.

Применение бромида тантала позволяет снизить температуру осаждения, благодаря высокой летучести TaBr5 при относительно невысоких температурах и относительно невысокой теплоты образования.The use of tantalum bromide makes it possible to reduce the deposition temperature due to the high volatility of TaBr 5 at relatively low temperatures and the relatively low heat of formation.

Раздельная подача реагентов по каналам за счет отсутствия контакта между ними предотвратит их досрочное взаимодействие и будет способствовать повышению качества покрытия.Separate supply of reagents through the channels due to the lack of contact between them will prevent their early interaction and will improve the quality of the coating.

Сущность изобретения заключается в том, что для осаждения карбидов тантала на поверхности и внутренних полостях изделий сложной формы используется восстановление паров галогенидов тантала и галогенидов углерода парами металла-восстановителя, в соответствие с реакциями:The essence of the invention lies in the fact that for the deposition of tantalum carbides on the surface and internal cavities of products of complex shape, the reduction of vapors of tantalum halides and carbon halides with vapors of a reducing metal is used, in accordance with the reactions:

Figure 00000001
Figure 00000001

Figure 00000002
Figure 00000002

где G1 и G2 - один из F, Cl, Br, I, a Me один из металлов Cd, Zn, Mg, Al, K, Na, Li.where G1 and G2 are one of F, Cl, Br, I, and Me is one of the metals Cd, Zn, Mg, Al, K, Na, Li.

Для протекания реакций (1, 2) галогенид тантала, галогенид углерода и металл-восстановитель испаряются в разных испарителях. Полученные пары транспортируются по отдельным каналам потоками инертных газов-носителей (гелием или аргоном) для предотвращения их преждевременного взаимодействия вдали от поверхности изделия (подложки). Вблизи подложки пары смешиваются нагреваются до температуры осаждения и взаимодействуют в зависимости от соотношения подаваемых реагентов по реакции (1) и/или (2), что приводит к осаждению карбидов тантала на подложке. Состав, качество и толщина покрытий будет определяться температурой и временем осаждения, разновидностью подаваемых реагентов, их концентрацией в потоках газов носителей и другими параметрами. При проведении осаждения рекомендуется поддерживать соотношения элементов в наборе реагентов Та/С от 0.1 до 10 и Me /(G1+G2) от 0.1 до 10 и нагрев реагентов до температур 850-1400 K.For reactions (1, 2) to proceed, tantalum halide, carbon halide, and reducing metal are evaporated in different evaporators. The resulting vapors are transported through separate channels by flows of inert carrier gases (helium or argon) to prevent their premature interaction away from the surface of the product (substrate). Near the substrate, the pairs are mixed, heated to the deposition temperature, and interact depending on the ratio of the supplied reagents according to reaction (1) and/or (2), which leads to the deposition of tantalum carbides on the substrate. The composition, quality, and thickness of coatings will be determined by the temperature and time of deposition, the type of supplied reagents, their concentration in carrier gas flows, and other parameters. During deposition, it is recommended to maintain the ratio of elements in the set of reagents Ta/C from 0.1 to 10 and Me/(G1+G2) from 0.1 to 10 and heating the reagents to temperatures of 850–1400 K.

Рассмотрим оптимальный выбор реагентов реакций (1) и (2) для следующих условий: 1) проведение осаждения при атмосферном давлении, 2) температуры испарения исходных реагентов должны быть ниже, чем температура осаждения, 3) температура осаждения карбидов тантала должна быть не выше 1123 K, что соответствует минимальной температуре, указанной для прототипа, 4) побочные продукты реакций (1) и (2) должны испаряться при температуре осаждения карбидов.Consider the optimal choice of reagents for reactions (1) and (2) for the following conditions: 1) deposition at atmospheric pressure, 2) evaporation temperatures of the initial reagents should be lower than the deposition temperature, 3) the deposition temperature of tantalum carbides should be no higher than 1123 K , which corresponds to the minimum temperature specified for the prototype, 4) by-products of reactions (1) and (2) must evaporate at the temperature of deposition of carbides.

Галогениды тантала интенсивно испаряются выше 473 K (кроме иодида), при этом их летучесть и теплота образования растут в ряду TaI5>TaBr5>TaCl5>TaF5 [Levy R.A., Investigation of chemically vapor deposited tantalum for medium caliber gun barrel protection, Reportof SERDP project WP-1425, New Jersey Inst, of Technology, 2008.]. Иодид тантала частично разлагается уже при испарении, что затрудняет его использование, так как сложно контролировать его содержание в парах. Хлорид и фторид тантала летучи, но имеют относительно высокие теплоты образования, что предполагает и достаточно высокие температуры их термического разложения. Оптимальным для использования является бромид тантала, так как он летуч при относительно невысоких температурах (давление паров 10 торр при 473 K) и имеет теплоту образования (-144 кДж/моль) меньше, чем у TaCl5 и TaF5, что способствует его термическому разложению.Tantalum halides evaporate intensively above 473 K (except for iodide), while their volatility and heat of formation increase in the series TaI 5 >TaBr 5 >TaCl 5 >TaF 5 [Levy RA, Investigation of chemically vapor deposited tantalum for medium caliber gun barrel protection, Reportof SERDP project WP-1425, New Jersey Inst, of Technology, 2008.]. Tantalum iodide partially decomposes already during evaporation, which makes it difficult to use, since it is difficult to control its content in vapors. Tantalum chloride and fluoride are volatile, but have relatively high heats of formation, which implies rather high temperatures of their thermal decomposition. Tantalum bromide is optimal for use, since it is volatile at relatively low temperatures (vapour pressure of 10 Torr at 473 K) and has a heat of formation (-144 kJ / mol) less than that of TaCl 5 and TaF 5 , which contributes to its thermal decomposition .

При 773 K летучесть паров металлов-восстановителей падает в ряду K>Na>Cd>Zn>Li>Mg>Al. Работать со щелочными металлами достаточно сложно. Zn, Mg и Al при 773 K имеют невысокую летучесть, что не позволяет обеспечить высокую производительность реакций (1) и (2). В качестве металла-восстановителя оптимально использовать кадмий, который имеет относительно высокую летучесть (давление насыщенных паров 10 торр при 763 K) [А.Г. Каландаришвили, В.К. Михеев, П.Д. Чилингаришвили, Экспериментальное определение давления насыщенных паров магния и кадмия, ТВТ, 1988, том 26, выпуск 5, 1016-1018]). К тому же, относительно высокая летучесть бромидов и хлоридов кадмия не позволит им соосаждаться вместе с карбидами уже при 850 K.At 773 K, the volatility of reducing metal vapors decreases in the series K>Na>Cd>Zn>Li>Mg>Al. Working with alkali metals is quite difficult. Zn, Mg, and Al at 773 K have a low volatility, which does not allow high performance of reactions (1) and (2). As a reducing metal, it is optimal to use cadmium, which has a relatively high volatility (saturated vapor pressure of 10 Torr at 763 K) [A.G. Kalandarishvili, V.K. Mikheev, P.D. Chilingarishvili, Experimental determination of saturated vapor pressure of magnesium and cadmium, TVT, 1988, volume 26, issue 5, 1016-1018]). In addition, the relatively high volatility of cadmium bromides and chlorides will not allow them to coprecipitate together with carbides already at 850 K.

Для оптимизации условий осаждения в системе TaBr5-CCl4-Cd-He были проведены термодинамические расчеты равновесных составов, образующихся в системе при температурах T=673-1673 K, давлении P=1.01⋅105 Па и мольных соотношениях исходных компонентов (TaBr5+CCl4+Cd)/Не=10-3; Та/(Та+С)=0.01-0.909; Cd/(Cd+hal)=0-0.952 (hal=Cl+Br) (Goncharov, O.Y. Thermodynamics of the Chemical Vapor Deposition of Carbides in the System TaBr5-CCl4-Cd. Inorganic Materials 37, 237-242 (2001). https://doi.org/10.1023/A:1004109212945). В результате было получено, что:To optimize the deposition conditions in the TaBr 5 -CCl 4 -Cd-He system, thermodynamic calculations of the equilibrium compositions formed in the system at temperatures T=673-1673 K, pressure P=1.01⋅10 5 Pa and molar ratios of the initial components (TaBr 5 +CCl 4 +Cd)/He=10-3; Ta/(Ta+C)=0.01-0.909; Cd/(Cd+hal)=0-0.952 (hal=Cl+Br) (Goncharov, OY Thermodynamics of the Chemical Vapor Deposition of Carbides in the System TaBr 5 -CCl 4 -Cd. Inorganic Materials 37, 237-242 (2001 ) https://doi.org/10.1023/A:1004109212945). As a result, it was obtained that:

1) осаждение чистых карбидов тантала возможно при температурах выше Τ=840 так как при понижении температуры соосаждаются хлориды кадмия;1) the deposition of pure tantalum carbides is possible at temperatures above Τ=840, since cadmium chlorides co-precipitate with decreasing temperature;

2) монокарбид ТаСу (у=0.815÷1) может быть получен при T=840÷1100 K, максимальная степень превращения тантала в ТаС=0.6 достигается при 973 K и соотношениях Та/С=1,5 и 0,6<Cd / hal<9, а состав TC091 осаждается при Т=913 K и соотношения Та/С=1.5 и Cd/hal=9.2) monocarbide TaC y (y=0.815÷1) can be obtained at T=840÷1100 K, the maximum degree of conversion of tantalum into TaC=0.6 is achieved at 973 K and ratios Ta/C=1.5 and 0.6<Cd / hal<9, and the composition TC 091 is deposited at T=913 K and the ratio Ta/C=1.5 and Cd/hal=9.

3) карбид Ta2-zC (z=0.085÷0.199) может быть получен при T=960÷1070 K, максимальная степень превращения тантала в Ta2-zC ~0.6 достигается при 973 K и соотношениях Та/С=3 и 0,5<Cd / hal<9, а состав Ta1.915C осаждается при Т=973 K и соотношениях Та/С=3 и Cd / hal=0,5;3) carbide Ta 2-z C (z=0.085÷0.199) can be obtained at T=960÷1070 K, the maximum degree of conversion of tantalum to Ta 2-z C ~ 0.6 is achieved at 973 K and ratios Ta/C=3 and 0.5<Cd / hal<9, and the composition Ta 1.915 C is deposited at T=973 K and Ta/C=3 and Cd/hal=0.5;

4) максимальная степень превращения тантала в карбиды ~0.9 достигается при соотношениях Та/С<1 и 0,6<Cd / hal<9 в двухфазной области при осаждении составов ТаС+С.4) the maximum degree of transformation of tantalum into carbides ~ 0.9 is achieved at ratios Ta/C<1 and 0.6<Cd/hal<9 in the two-phase region during the deposition of TaC+C compositions.

Пример. На фигуре приведена схема части реактора с размещением исходных реагентов - галогенида тантала и металла-восстановителя в дозаторе-смесителе (Патент RU № RU 2640369, опубликован 28.12.2017, МПК С23С 16/45504), имеющем два установленных друг над другом испарителя со спиральными каналами, в которые загружены бромид тантала 1 и кадмий 2 и коаксиально установленные сопловые вкладыши 3 со смесителем в виде сопла в нижней части, образующие каналы для подачи насыщенной парогазовой смеси в реакционную камеру к подложке 4, нагреваемой нагревателем 5.Example. The figure shows a diagram of a part of the reactor with the placement of the initial reagents - tantalum halide and reducing metal in a batcher-mixer (Patent RU No. RU 2640369, published on December 28, 2017, IPC C23C 16/45504), which has two evaporators installed one above the other with spiral channels , into which tantalum bromide 1 and cadmium 2 are loaded and coaxially installed nozzle liners 3 with a mixer in the form of a nozzle in the lower part, forming channels for supplying a saturated vapor-gas mixture into the reaction chamber to the substrate 4 heated by the heater 5.

Газ-носитель гелий подается по каналам 6, 7, 8. Подаваемый по каналу 6 гелий насыщается парами бромида тантала в испарителе 1 при температурах 180-250°С (453 -523 K) и транспортируется по центральному сопловому вкладышу 3 к образцу 4. По каналу 7 подается поток газа-носителя гелия, насыщенный парами галогенида углерода - CCl4 и поступает далее к образцу по отдельному каналу в сопловом вкладыше 3. Подаваемый по каналу 8 гелий насыщается парами кадмия в испарителе 2 при температурах 400-500°С (673-773 K) и транспортируется к образцу 4 по внешнему сопловому вкладышу 3. Конструкция дозатора-смесителя позволяет поддерживать содержание паров близким к их содержанию в насыщенном паре, управляя температурами испарения в каждом из испарителей 1 и 2, и, следовательно, задавать соотношение бромида тантала к кадмию на необходимом уровне. Нагревателем 5 поддерживается температура осаждения тантала от 850 K до 1400 K.Helium carrier gas is supplied through channels 6, 7, 8. Helium supplied through channel 6 is saturated with tantalum bromide vapor in evaporator 1 at temperatures of 180–250°C (453–523 K) and is transported through the central nozzle insert 3 to sample 4. channel 7 is supplied with a flow of helium carrier gas saturated with carbon halide vapor - CCl 4 and then goes to the sample through a separate channel in the nozzle insert 3. Helium supplied through channel 8 is saturated with cadmium vapor in evaporator 2 at temperatures of 400-500 ° C (673- 773 K) and is transported to sample 4 via external nozzle liner 3. The design of the dosing mixer makes it possible to maintain the content of vapors close to their content in saturated steam by controlling the evaporation temperatures in each of the evaporators 1 and 2, and, therefore, to set the ratio of tantalum bromide to cadmium at the required level. Heater 5 maintains the temperature of tantalum deposition from 850 K to 1400 K.

Claims (5)

1. Способ газофазного осаждения карбидов тантала на поверхность изделия, включающий подачу реагентов: паров галогенида тантала, паров источника углерода и паров восстановителя к поверхности изделия, отличающийся тем, что в качестве восстановителя используют металл-восстановитель, а в качестве источника углерода – пары галогенида углерода, причем пары галогенида тантала, галогенида углерода и пары металла-восстановителя транспортируют в потоках инертных газов-носителей по различным каналам к поверхности изделия, а при осаждении карбидов тантала на поверхность изделия вблизи поверхности обеспечивают смешение реагентов при элементном составе смеси с соотношениями Та/С от 0,1 до 10 и Me/(G1+G2) от 0,1 до 10 и нагрев реагентов до температур 850-1400 K, при этом Me – металл восстановитель, G1 – галоген, используемый в галогениде Ta, G2 – галоген, используемый в галогениде углерода.1. The method of gas-phase deposition of tantalum carbides on the surface of the product, including the supply of reagents: tantalum halide vapor, carbon source vapor and reducing agent vapor to the product surface, characterized in that a reducing metal is used as a reducing agent, and carbon halide vapor is used as a carbon source , moreover, vapors of tantalum halide, carbon halide and vapors of the reducing metal are transported in flows of inert carrier gases through various channels to the surface of the product, and when tantalum carbides are deposited on the surface of the product near the surface, mixing of the reagents is ensured with the elemental composition of the mixture with Ta / C ratios from 0.1 to 10 and Me/(G1+G2) from 0.1 to 10 and heating the reagents to temperatures of 850-1400 K, while Me is the reducing metal, G1 is the halogen used in the Ta halide, G2 is the halogen used in carbon halide. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве галогенида углерода используют CCl4.2. The method according to p. 1, characterized in that CCl 4 is used as the carbon halide. 3. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве металла-восстановителя используют кадмий.3. The method according to p. 1, characterized in that cadmium is used as the reducing metal. 4. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве галогенида тантала используют бромид тантала.4. The method according to p. 1, characterized in that tantalum bromide is used as tantalum halide. 5. Способ по п. 1, отличающийся тем, что в качестве галогенида тантала используют иодид тантала, при этом в поток паров иодида тантала добавляют пары иода.5. The method according to claim 1, characterized in that tantalum iodide is used as the tantalum halide, while iodine vapor is added to the tantalum iodide vapor stream.
RU2021111830A 2021-04-26 2021-04-26 Method for gas-phase deposition of tantalum carbide on the surface of products RU2763358C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021111830A RU2763358C1 (en) 2021-04-26 2021-04-26 Method for gas-phase deposition of tantalum carbide on the surface of products

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021111830A RU2763358C1 (en) 2021-04-26 2021-04-26 Method for gas-phase deposition of tantalum carbide on the surface of products

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2763358C1 true RU2763358C1 (en) 2021-12-28

Family

ID=80039822

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021111830A RU2763358C1 (en) 2021-04-26 2021-04-26 Method for gas-phase deposition of tantalum carbide on the surface of products

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2763358C1 (en)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115821262A (en) * 2022-12-06 2023-03-21 西北有色金属研究院 High-temperature diffusion barrier for carbide on surface of refractory metal and preparation method thereof
CN115948721A (en) * 2023-03-15 2023-04-11 杭州幄肯新材料科技有限公司 Method for preparing tantalum carbide coating by CVD (chemical vapor deposition) method

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU344033A1 (en) * METHOD OF DRAWING METAL CARBID COATINGS
EP2520691A4 (en) * 2009-12-28 2014-01-15 Toyo Tanso Co Tantalum carbide-coated carbon material and manufacturing method for same
US20200071825A1 (en) * 2018-08-28 2020-03-05 Applied Materials, Inc. Methods Of Depositing Metal Carbide Films

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU344033A1 (en) * METHOD OF DRAWING METAL CARBID COATINGS
EP2520691A4 (en) * 2009-12-28 2014-01-15 Toyo Tanso Co Tantalum carbide-coated carbon material and manufacturing method for same
RU2576406C2 (en) * 2009-12-28 2016-03-10 Тойо Тансо Ко., Лтд. Tantalum carbide-covered carbon material and method for manufacturing thereof
US20200071825A1 (en) * 2018-08-28 2020-03-05 Applied Materials, Inc. Methods Of Depositing Metal Carbide Films

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN115821262A (en) * 2022-12-06 2023-03-21 西北有色金属研究院 High-temperature diffusion barrier for carbide on surface of refractory metal and preparation method thereof
CN115948721A (en) * 2023-03-15 2023-04-11 杭州幄肯新材料科技有限公司 Method for preparing tantalum carbide coating by CVD (chemical vapor deposition) method

Similar Documents

Publication Publication Date Title
RU2763358C1 (en) Method for gas-phase deposition of tantalum carbide on the surface of products
Carlsson et al. Chemical vapor deposition
US9493873B2 (en) Method for preparing a coating for protecting a part against oxidation
CH616347A5 (en)
US11142822B2 (en) Method for depositing a coating by DLI-MOCVD with direct recycling of the precursor compound
US7955569B2 (en) Metal halide reactor for CVD and method
US4698244A (en) Deposition of titanium aluminides
JP5274249B2 (en) Method for producing a solid mixture containing nanoparticulate lanthanoid / boron-compound or nanoparticulate lanthanoid / boron-compound
JP5814328B2 (en) Method and apparatus for forming C / SiC gradient coating film
Hong et al. Low-temperature deposition of diamond using chloromethane in a hot-filament chemical vapor deposition reactor
Kim et al. Chemical vapor deposition of dense hafnium carbide from HfCl4–C3H6–H2 system for the protection of carbon fibers
KR101021682B1 (en) Coating apparatus for parylene and production method of sequentially layered parylene films or parylene film with controlled composition of mixed parylene monomers using said coating apparatus
US3516850A (en) Process for metal coating a hydrogen permeable material
Luo et al. Deposition characteristics of titanium coating deposited on SiC fiber by cold-wall chemical vapor deposition
EP3696294B1 (en) Method for enabling optimized material deposition
Krisyuk et al. MOCVD Pd–Cu alloy films from single source heterometallic precursors
JP2023506372A (en) Using a CVD reactor for two-dimensional layers
RU2696179C1 (en) Method for gas-phase deposition of tantalum on the surface of a steel article
RU2784496C1 (en) Method for forming tungsten carbide films on a tungsten-silicon heterostructure by pyrolysis of a polyamide film obtained by molecular layer deposition
Liu et al. Chemical vapor deposition (CVD) of ZrC coatings from ZrCl4-C3H6-H2
Soto et al. A study on the flexibility of the hot-filament configuration and its implementation for diamond, boron carbide and ternary alloys deposition
Boisselier et al. Growth of chromium carbide in a hot wall DLICVD reactor
Liang et al. Diamond growth by hollow cathode arc plasma chemical vapor deposition
Kuznetsov et al. Synthesis of metal-like refractory compounds and ultra-high-temperature materials in molten salts
Schulz et al. Single source precursor-based HV-MOCVD deposition of binary group 13-antimonide thin films