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TW202436210A - 經碳化鉭被覆之炭材料 - Google Patents

經碳化鉭被覆之炭材料 Download PDF

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TW202436210A
TW202436210A TW113102442A TW113102442A TW202436210A TW 202436210 A TW202436210 A TW 202436210A TW 113102442 A TW113102442 A TW 113102442A TW 113102442 A TW113102442 A TW 113102442A TW 202436210 A TW202436210 A TW 202436210A
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tantalum carbide
carbon material
carbide coating
tantalum
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平手暁大
哉
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日商信越化學工業股份有限公司
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Abstract

本發明係一種經碳化鉭被覆之碳材料，其特徵在於包含：以碳為主成分之碳基材，以及被覆碳基材之至少一部分的碳化鉭被覆膜；並且，藉由輝光放電質譜法所測定之碳化鉭被覆膜中之鈮的含量為15質量ppm以上，藉由輝光放電質譜法所測定之碳化鉭被覆膜中之鐵的含量為20質量ppm以下。根據本發明，可提供一種耐蝕性優異的經碳化鉭被覆之碳材料。

Description

經碳化鉭被覆之炭材料
本發明係關於一種於碳基材表面被覆碳化鉭膜而成的經碳化鉭被覆之碳材料。
碳化鉭、碳化鈮等碳化物的熔點高，且化學穩定性、強度、韌性及耐蝕性優異。因此，透過以碳化物塗覆碳基材，可改善碳基材的耐熱性、化學穩定性、強度、韌性、耐蝕性等特性。於碳基材表面被覆碳化物膜而成的經碳化物被覆之碳材料，特別是經碳化鉭被覆之碳材料，係作為SiC(碳化矽)、GaN(氮化鎵)、AlN(氮化鋁)等次世代半導體之單晶製造裝置的構件來使用。
次世代半導體的課題在於製造成本相較於以往之Si半導體為高。作為進一步減低該製造成本的方法，例如可舉例藉由HTCVD(High Temperature Chemical Vapor Deposition)法來製造次世代半導體的單晶。該方法中，由於原料氣體在高溫下進行反應，因此要求進一步提高經碳化鉭被覆之碳材料的耐蝕性。例如，在可高速製造SiC之單晶的HTCVD法中，由於係在2000~2500℃的溫度下使用H 2、SiH 4、C 3H 8、HCl等氣體，因此相較於一般的SiC昇華法，對於經碳化鉭被覆之碳材料要求優異的耐蝕性(參照非專利文獻1及2)。
迄今為止，嘗試過以各種方法改善經碳化鉭被覆之碳材料的耐蝕性。例如專利文獻1係藉由在被覆各向同性石墨基材的碳化鉭被膜中以20~1000質量ppm的濃度含有鐵，來提升經碳化鉭被覆之碳材料的耐蝕性。又，專利文獻2係使被覆碳基材的碳化鉭被膜之結晶性降低來提升耐蝕性。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利第6888330號公報 [專利文獻2]日本專利第3938361號公報 [非專利文獻]
[非專利文獻1]「SiC晶圓的現狀與展望」, 恩田 正一, DENSO TECHNICAL REVIEW Vol.22, pp41-50(2017). [非專利文獻2]「實現低碳社會之新材料能源半導體計畫」國立研究開發法人新能量･產業技術綜合開發機構 電子･材料･奈米技術部, ppIII-78-81(2015資料5-1).
[發明欲解決之課題]
但是，使用經碳化鉭被覆之碳材料作為次世代半導體之單晶製造裝置的構件時，由於次世代半導體之單晶製造中的經碳化鉭被覆之碳材料的環境非常嚴苛，因此在重複次世代半導體之單晶的製造後，必須更換使用經碳化鉭被覆之碳材料的構件。從次世代半導體之製造成本的觀點來看，更換使用經碳化鉭被覆之碳材料的構件的頻率越少越好。因此，期望進一步改善經碳化鉭被覆之碳材料的耐蝕性。
因此，本發明的目的在於提供一種耐蝕性優異的經碳化鉭被覆之碳材料。 [用以解決課題之手段]
本發明者為了解決此課題致力研究的結果，發現透過降低碳化鉭被膜中所含之鐵的濃度，且將鈮的含量設為特定範圍內，相較於以往的經碳化鉭被覆之碳材料，可顯著提升經碳化鉭被覆之碳材料的耐蝕性。藉由發展此成果，從而達至完成下述記載之本發明。本發明的主旨如下。 [1] 一種經碳化鉭被覆之碳材料，其特徵在於包含：以碳為主成分之碳基材，以及被覆前述碳基材之至少一部分的碳化鉭被覆膜；並且，藉由輝光放電質譜法所測定之前述碳化鉭被覆膜中之鈮的含量為15質量ppm以上，藉由輝光放電質譜法所測定之前述碳化鉭被覆膜中之鐵的含量為20質量ppm以下。 [2] 如上述[1]記載之經碳化鉭被覆之碳材料，其中，前述碳化鉭被覆膜表面的算術平均粗糙度Ra為0.1μm以上10.0μm以下。 [3] 如上述[1]或[2]記載之經碳化鉭被覆之碳材料，其中，前述碳基材表面的算術平均粗糙度Ra為0.1μm以上9.5μm以下。 [4] 如上述[1]~[3]中之任一項記載之經碳化鉭被覆之碳材料，其中，前述碳化鉭被覆膜中所含之鉭原子數，相對於前述碳化鉭被覆膜中所含之碳原子數而言為0.8倍以上1.2倍以下。 [5] 如上述[1]~[4]中之任一項記載之經碳化鉭被覆之碳材料，其中，前述碳化鉭被覆膜的厚度為10~100μm。 [發明之效果]
根據本發明，可提供一種耐蝕性優異的經碳化鉭被覆之碳材料。
[經碳化鉭被覆之碳材料]
本發明係一種經碳化鉭被覆之碳材料，其包含：以碳為主成分之碳基材，以及被覆碳基材之至少一部分的碳化鉭被覆膜；並且藉由輝光放電質譜法所測定之碳化鉭被覆膜中之鈮的含量為15質量ppm以上，藉由輝光放電質譜法所測定之碳化鉭被覆膜中之鐵的含量為20質量ppm以下。藉此，本發明之經碳化鉭被覆之碳材料具有優異的耐蝕性。
(碳基材) 本發明之經碳化鉭被覆之碳材料中的碳基材係以碳為主成分的基材。碳基材可進一步含有氯。在碳基材的材料中，例如可舉例各向同性石墨、擠出成形石墨、熱分解石墨、碳纖維強化碳複合材料(C/C複合物)等。碳基材的形狀和特性並未特別限定，可因應用途等使用加工成任意形狀者。
＜算術表面粗糙度Ra＞ 碳基材表面的算術平均粗糙度Ra較佳為0.1μm以上9.5μm以下。由於碳基材的表面粗糙度會反映在碳化鉭被覆膜的表面粗糙度上，因此若碳基材表面的算術平均粗糙度Ra為0.1μm以上9.5μm以下，則容易使碳化鉭被覆膜之表面的算術平均粗糙度Ra成為0.1μm以上10.0μm以下。基於此種觀點，碳基材表面的算術平均粗糙度Ra更佳為1.0μm以上8.0μm以下，再更佳為2.0μm以上6.0μm以下。又，碳基材表面的算術平均粗糙度Ra係基於JIS B 0633:2001(ISO 4288:1996)所測定之值。
(碳化鉭被覆膜) 本發明之經碳化鉭被覆之碳材料中的碳化鉭被覆膜係以碳化鉭為主成分，並且包含鈮。又，碳化鉭被覆膜不包含鐵，或者碳化鉭被覆膜包含鐵時，碳化鉭被覆膜中之鐵的含量非常少。
＜鈮的含量＞ 藉由輝光放電質譜法所測定之碳化鉭被覆膜中之鈮的含量為15質量ppm以上。若碳化鉭被覆膜中之鈮的含量未滿15質量ppm，則有對於經碳化鉭被覆之碳材料的耐蝕性之鈮的效果變得不充分的情況。其結果，使用經碳化鉭被覆之碳材料作為SiC(碳化矽)、GaN(氮化鎵)、AlN(氮化鋁)等次世代半導體之單晶製造裝置的構件時，有無法充分地減低構件的更換頻率，且無法減低次世代半導體之製造成本的情況。基於此種觀點，藉由輝光放電質譜法所測定之碳化鉭被覆膜中之鈮的含量較佳為20質量ppm以上，更佳為50質量ppm以上，再更佳為100質量ppm以上，又再更佳為200質量ppm以上，又再更佳為300質量ppm以上，又再更佳為400質量ppm以上。又，藉由輝光放電質譜法所測定之碳化鉭被覆膜中之鈮的含量範圍的上限值並未特別限定，但藉由輝光放電質譜法所測定之碳化鉭被覆膜中之鈮的含量較佳為1000質量ppm以下。又，從進一步改善經碳化鉭被覆之碳材料的耐蝕性的觀點而言，藉由輝光放電質譜法所測定之碳化鉭被覆膜中之鈮的含量更佳為900質量ppm以下，又再更佳為800質量ppm以下，又再更佳為700質量ppm以下，又再更佳為600質量ppm以下，又再更佳為500質量ppm以下。
輝光放電質譜法係指下述方法：透過在氬環境下，以試料為陰極產生輝光放電，於電漿內對試料表面進行濺射，被濺射的試料在輝光放電內離子化，並對生成之離子使用質譜法進行分析的方法。 本說明書中，碳化鉭被覆膜中之鈮的含量為，被濺射之深度方向中之碳化鉭膜之比例為20~80質量%的範圍中之鈮相對於碳化鉭膜之含量的平均值。在被濺射之碳化鉭膜的比例未滿20質量%的範圍內，有可能會受到附著於碳化鉭被覆膜表面之雜質的影響。另一方面，在被濺射之碳化鉭膜的比例大於80質量%的範圍內，有會受到源自碳基材之雜質元素之影響的情形。藉由將使用輝光放電質譜法測定碳化鉭被覆膜中之鈮的含量的範圍設為被濺射之碳化鉭膜的比例為20~80質量%之範圍，可去除附著於碳化鉭被覆膜表面之雜質的影響及源自碳基材之雜質元素的影響。
具體來說，輝光放電質譜法係使用V. G. Scientific公司製VG9000、ElementGD、Astrum，並藉由Ar +濺射來進行深度方向的分析。 此處，以橫軸為深度方向之濺射次數、以縱軸為雜質濃度進行繪圖時，將鉭的元素濃度開始降低的點視為Ar +到達碳基材的點，亦即，深度方向中之碳化鉭膜被完全濺射的點，並將該點之被濺射之碳化鉭膜的比例設為100質量%。接著，將此時之濺射次數的20~80%的範圍內之濺射次數視為相當於被濺射之碳化鉭膜的比例為20~80質量%之範圍，並以透過該濺射次數中之濺射所測定之碳化鉭被覆膜中之鈮的含量來規定碳化鉭被覆膜中之鈮的含量。例如，在第60次濺射時鉭的元素濃度開始降低的情況，以第60次的濺射設為100質量%碳化鉭膜被濺射。接著，將以相當於被濺射之碳化鉭膜的比例為20~80質量%之範圍的第12次至第48次之範圍的濺射次數所測定的碳化鉭被覆膜中之鈮的含量之平均值，規定為碳化鉭被覆膜中之鈮的含量。
輝光放電質譜法的分析中，1次濺射所檢測之元素係檢測從該濺射前的表面至藉由該濺射所挖掘之深度之間所含之元素全體所謂的平均值。因此，分析開始後之最表面的分析值中，不僅是最表面附近之碳化鉭膜中含有之元素，亦可能檢測到源自最表面之附著物的元素。同樣地，當濺射深度到達基材之碳材料時，亦可能檢測到源自碳基材之雜質元素。 因此，為了避免最表面之附著物的影響及來自碳基材的影響，碳化鉭被覆膜中所含之雜質濃度的評估，如上述般，係基於被濺射之碳化鉭膜的比例在20~80質量%之範圍內的檢測值來評估。
當碳化鉭被覆膜在上述範圍內的含量含有鈮時，經碳化鉭被覆之碳材料表現出優異的耐蝕性的原因尚不清楚，但推測如下。 已知在構成碳化鉭被覆膜之碳化鉭的結晶方位比較均勻且特定之結晶面發達的結晶構造的情況下，化學特性和物理特性會產生各向異性。因此，當經碳化鉭被覆之碳材料在高溫、且於還原性氣體或反應性氣體環境下長時間使用時，碳化鉭被覆膜之化學或物理上較弱的特定部分會成為起點，產生因消耗等造成之裂紋或其他損傷等(例如參照專利文獻2)。 本發明之經碳化鉭膜被覆之碳材料藉由於碳化鉭被覆膜中存在之鈮，因此與以往的材料相比，結晶性成為亂雜的狀態，碳化鉭被覆膜整體成為結晶性低，接近於所謂的非晶質狀態。因此，關於化學特性和物理特性之各向異性亦減少，碳化鉭被覆膜的表面不易存在化學或物理上較弱的部分。其結果，可推測碳化鉭被覆膜的表面即使與還原性氣體或反應性氣體接觸也不易被消耗，不易產生因消耗等造成之裂紋或損傷。並且，認為碳化鉭被覆膜的耐蝕性提升，其結果經碳化鉭被覆之碳材料的耐蝕性亦被改善。又，不拘碳化鉭被覆膜中之鈮的存在形態。鈮可以例如以鈮單體、鈮化合物之任一形態存在於碳化鉭被覆膜中。
＜鐵的含量＞ 藉由輝光放電質譜法所測定之碳化鉭被覆膜中之鐵的含量為20質量ppm以下。若碳化鉭被覆膜中之鐵的含量大於20質量ppm，有經碳化鉭被覆之碳材料的耐蝕性降低的情況。其結果，使用經碳化鉭被覆之碳材料作為次世代半導體之單晶製造裝置的構件時，構件之更換頻率變高，有次世代半導體之製造成本上升的情況。從此種觀點來看，藉由輝光放電質譜法所測定之碳化鉭被覆膜中之鐵的含量較佳為10質量ppm以下，更佳為1質量ppm以下，再更佳為0.1質量ppm以下，又再更佳為0.01質量ppm以下。又，藉由輝光放電質譜法所測定之碳化鉭被覆膜中之鈮的含量範圍之下限值並未特別限定，例如為0質量ppm。又，藉由輝光放電質譜法所測定之碳化鉭被覆膜中之鐵的含量，可以與藉由輝光放電質譜法所測定之碳化鉭被覆膜中之鈮的含量相同方式進行測定。
當碳化鉭被覆膜以超過上述含量的範圍含有鐵時，經碳化鉭被覆之碳材料的耐蝕性變差的原因尚不清楚，但推測如下。 推測當碳化鉭被覆膜中之鐵的含量大於20質量ppm時，則在HTCVD環境之高溫且於還原性氣體或反應性氣體環境下，碳化鉭被覆膜與HCl反應並氣化，碳化鉭被覆膜的緻密性喪失。
＜算術平均粗糙度Ra＞ 碳化鉭被覆膜之表面的算術平均粗糙度Ra較佳為0.1μm以上10.0μm以下。若碳化鉭被覆膜之表面的算術平均粗糙度Ra為0.1μm以上10.0μm以下，可在維持碳化鉭被覆膜的緻密性的同時，提高與基材之密著力。從此種觀點來看，碳化鉭被覆膜之表面的算術平均粗糙度Ra更佳為1.0μm以上8.5μm以下，再更佳為2.0μm以上6.5μm以下。又，碳化鉭被覆膜11之表面的算術平均粗糙度Ra係基於JIS B 0633:2001(ISO 4288:1996)測定之值。
碳化鉭被覆膜之表面的算術平均粗糙度Ra，例如可藉由調整碳基材的表面粗糙度來進行調整。例如，當碳化鉭被覆膜的膜厚為20μm左右時，碳基材的表面粗糙度直接成為碳化鉭被覆膜的表面粗糙度。又，在碳基材上形成碳化鉭被覆膜後，可藉由使用研磨劑或銼刀等研磨碳化鉭被覆膜的表面來調整碳化鉭被覆膜之表面的算術平均粗糙度Ra。
＜厚度＞ 碳化鉭被覆膜的厚度較佳為10~1000μm。當碳化鉭被覆膜的厚度為10μm以上，可進一步改善經碳化鉭被覆之碳材料的耐蝕性。當碳化鉭被覆膜的厚度為1000μm以下，可縮短碳化鉭被覆膜的成膜時間，能夠改善經碳化鉭被覆之碳材料的生產效率。從此種觀點來看，碳化鉭被覆膜的厚度更佳為20~500μm，再更佳為30~200μm。
＜鉭原子數相對於碳原子數的倍數＞ 碳化鉭被覆膜中所含之鉭原子數，較佳相對於碳原子數而言為0.8倍以上1.2倍以下。當碳化鉭被覆膜中所含之鉭原子數，相對於碳原子數而言為0.8倍以上1.2倍以下時，可進一步改善經碳化鉭被覆之碳材料的耐蝕性。從此種觀點來看，碳化鉭被覆膜中所含之鉭原子數，相對於碳原子數而言，更佳為0.85倍以上1.15倍以下，再更佳為0.9倍以上1.1倍以下。碳化鉭被覆膜中所含之鉭原子數及碳原子數可從X射線繞射(XRD)測定之波峰強度來推定。
＜XRD半值寬＞ 碳化鉭被覆膜之X射線繞射線的強度可藉由使用X射線繞射裝置(XRD)之2θ/θ測定(Out-of-Plane)來得到。在2θ=40˚附近可觀測到碳化鉭被覆膜中之碳化鉭結晶的(200)面所對應之波峰。 構成碳化鉭被覆膜之微晶的大小可由波峰的半值寬作為指標。該半值寬會因結晶性的降低(接近非晶質)、微晶的微細化、組成的不均等而變大，但如本發明之經碳化鉭被覆之碳材料中的碳化鉭被覆膜般，組成為穩定、結晶性為良好、微晶為一定程度大小的情況下，半值寬會落在一定範圍內。作為特定出本發明之經碳化鉭被覆之碳材料中的碳化鉭被覆膜的一個指標，半值寬為最佳。
X射線繞射中之半值寬(FWHM)為，將由X射線繞射光譜之(hkl)面所得之繞射波峰藉由擬Voigt函數(Pseudo Voigt Function)進行擬合(fit)時，波峰的最大值(fmax)的一半之值(fmax/2)中的2θ之角度差。本說明書中，包含後述的實施例，係使用該方法來特定半值寬。由此所得之碳化鉭被覆膜中之碳化鉭結晶的(200)面所對應之波峰的半值寬較佳為0.6˚以下，0.5˚以下，更佳為0.4˚以下。上述半值寬過大時，結晶粒過小且無法充分地阻止裂紋等的傳播，或者低結晶性的非晶質組織在高溫環境下結晶化而導致構造變化，故不佳。上述半值寬的下限值並未特別限定，較佳為0.01˚，更佳為0.1˚。若半值寬過小，則結晶粒變得過大，難以形成以無配向方式積層的粒狀組織。又，當藉由輝光放電質譜法所測定之碳化鉭被覆膜中之鈮的含量變大時，碳化鉭被覆膜中之碳化鉭結晶的(200)面所對應之波峰的半值寬變大。
(經碳化鉭被覆之碳材料的製造方法) 以下，對本發明之加熱用經碳化鉭被覆之碳材料的製造方法之一例進行說明。 本發明的經碳化鉭被覆之碳材料，例如可藉由於碳基材表面形成碳化鉭層來製作。碳化鉭層，例如可藉由化學氣相沉積(CVD)法、燒結法、碳化法等方法在碳基材的表面上形成。其中，由於CVD法可形成均勻且緻密的膜，因此作為碳化鉭層的形成方法較佳。
又，CVD法中，有熱CVD法或光CVD法、電漿CVD法等，例如可使用熱CVD法來形成碳化鉭層。熱CVD法具有裝置構成相對簡單、沒有電漿造成的損傷等優點。使用熱CVD法之碳化鉭被覆膜的形成，例如，可使用如圖1所示之外熱型減壓CVD裝置11來進行。外熱型減壓CVD裝置11中，在具備加熱器13、原料供給部16、排氣部17等之反應室12內，碳基材14係由支撐手段15來支撐。
參照圖1及圖2對本發明之經碳化鉭被覆之碳材料的製造方法之一例進行說明。 首先，將碳基材14載置於外熱型減壓CVD裝置11的反應室12內。碳基材14係由具有3個前端為尖頭形狀之支撐部的支撐手段15來支撐。如上所述，碳基材14的表面粗糙度Ra較佳為0.1μm以上9.5μm以下。
接著，進行反應室12的加熱。例如，在減壓下及溫度1000~2500℃的條件下加熱反應室12。
接著，在碳基材14的表面上形成碳化鉭層。作為原料氣體，從原料供給部16向反應室12供給如甲烷(CH 4)之包含碳原子之化合物的氣體與如五氯化鉭(TaCl 5)之鹵化鉭氣體。鹵化鉭氣體，例如可藉由使鉭金屬與鹵素氣體反應的方法來產生。例如，在圖2所示之金屬氯化物產生裝置21中，將鉭金屬與少量的鈮金屬25一起填充到容器內24，並透過加熱裝置23加熱至300℃~1200℃。向其中供給氯氣及氯化氫氣體之至少1種的氣體，可使鹵化鉭氣體及鹵化鈮氣體產生。
接著，將從圖1所示之原料供給部16供給之原料氣體在1000~2500℃之高溫減壓下進行熱CVD反應，在碳基材14上形成含鈮之碳化鉭層。 [實施例]
以下，示出實施例更具體說明本發明，但本發明並不限定於該等。
如以下方式製作實施例1~7及比較例1~2的經碳化鉭被覆之碳材料。 (實施例1) 首先，將碳基材14載置於圖1所示之外熱型減壓CVD裝置11的反應室內。使用由各向同性石墨製成之圓筒構件作為碳基材14。碳基材14係由具有3個前端為尖頭形狀之支撐部的支撐手段15來支撐。碳基材14的表面粗糙度Ra為5.0μm。
接著，將反應室12加熱至溫度1550℃之後，將TaCl 5氣體及NbCl 5氣體的混合氣體、CH 4氣體以及Ar氣體混合，並將所得之混合氣體供給至反應室12，在碳基材14的表面上形成碳化鉭層，製作出實施例1之經碳化鉭被覆之碳材料。碳化鉭層的成膜時間為3小時。又，透過質量流量控制器將CH 4氣體及載體氣體(Ar氣體)的流量分別控制為1.0SLM及1.0SLM。
TaCl 5氣體及NbCl 5氣體的混合氣體係如以下方式製作。在圖2所示之金屬氯化物產生裝置21中，配置放入有Ta金屬1000g及Nb金屬0.10g的石英製容器24。接著，透過加熱裝置23將Ta金屬及Nb金屬加熱至850℃，並向金屬氯化物產生裝置21供給HCl氣體及Cl 2氣體的混合氣體，使Ta金屬及Nb金屬與HCl氣體及Cl 2氣體的混合氣體(HCl氣體:Cl 2氣體=1:1(莫耳比))進行反應，製作出TaCl 5氣體及NbCl 5氣體的混合氣體。將TaCl 5氣體及NbCl 5氣體的混合氣體控制為0.25SLM，並供給至反應室12內。Ta金屬及Nb金屬係使用純度為99.999%者。碳化鉭層的厚度為40μm。
(實施例2) 除為了產生TaCl 5氣體及NbCl 5氣體的混合氣體，將Ta金屬1000g及Nb金屬0.50g放入至石英製容器24以外，以與實施例1相同的方法製作實施例2的經碳化鉭被覆之碳材料。
(實施例3) 除為了產生TaCl 5氣體及NbCl 5氣體的混合氣體，將Ta金屬1000g及Nb金屬1.00g放入至石英製容器24以外，以與實施例1相同的方法製作實施例3的經碳化鉭被覆之碳材料。
(實施例4) 除為了產生TaCl 5氣體及NbCl 5氣體的混合氣體，將Ta金屬1000g及Nb金屬2.00g放入至石英製容器24以外，以與實施例1相同的方法製作實施例4的經碳化鉭被覆之碳材料。
(實施例5) 除為了產生TaCl 5氣體及NbCl 5氣體的混合氣體，將Ta金屬1000g及Nb金屬3.00g放入至石英製容器24以外，以與實施例1相同的方法製作實施例5的經碳化鉭被覆之碳材料。
(實施例6) 除為了產生TaCl 5氣體及NbCl 5氣體的混合氣體，將Ta金屬1000g及Nb金屬4.00g放入至石英製容器24以外，以與實施例1相同的方法製作實施例6的經碳化鉭被覆之碳材料。
(實施例7) 除為了產生TaCl 5氣體及NbCl 5氣體的混合氣體，將Ta金屬1000g及Nb金屬5.00g放入至石英製容器24以外，以與實施例1相同的方法製作實施例7的經碳化鉭被覆之碳材料。
(比較例1) 除為了產生TaCl 5氣體及FeCl 3氣體的混合氣體來替代TaCl 5氣體及NbCl 5氣體的混合氣體，而將Ta金屬1000g及Fe金屬5.00g放入至石英製容器24以外，以與實施例1相同的方法製作比較例1的經碳化鉭被覆之碳材料。
(比較例2) 除為了產生TaCl 5氣體來替代TaCl 5氣體及NbCl 5氣體的混合氣體，而將Ta金屬1000g放入至石英製容器24以外，以與實施例1相同的方法製作比較例2的經碳化鉭被覆之碳材料。
對於如以上方式製作之實施例1~7及比較例1~2的經碳化鉭被覆之碳材料進行以下評估。
(碳化鉭被覆膜之表面粗糙度Ra) 碳化鉭被覆膜之表面粗糙度Ra係基於JIS B 0633:2001 (ISO 4288:1996)進行測定。
(碳基材之表面粗糙度Ra) 碳基材之表面粗糙度Ra係基於JIS B 0633:2001(ISO 4288:1996)進行測定。
(碳化鉭被覆膜中之鉭原子數相對於碳原子數的倍數) 碳化鉭被覆膜中所含之鉭原子數及碳原子數係基於X射線繞射(XRD)測定的波峰強度來決定。
(藉由輝光放電質譜法所測定之碳化鉭被覆膜中之鈮的含量) 依據上述說明書中記載的方法，藉由輝光放電質譜法測定碳化鉭被覆膜中之鈮的含量。
(藉由輝光放電質譜法所測定之碳化鉭被覆膜中之鐵的含量) 依據上述說明書中記載的方法，藉由輝光放電質譜法測定碳化鉭被覆膜中之鐵的含量。
(碳化鉭被覆膜中之碳化鉭結晶的(200)面所對應之波峰的半值寬) 依據上述說明書中記載的方法，測定碳化鉭被覆膜中之碳化鉭結晶的(200)面所對應之波峰的半值寬。
(HTCVD中之耐久性的評估) 於圖3示出HTCVD裝置30的概略圖。首先，在密接於台座35的支撐面之種晶33上使SiC單晶32成長。具體來說，將原料氣體在HTCVD裝置30內的氣體分解室進行熱分解，並供給到種晶33。原料氣體中，使用SiH 4氣體、C 3H 8氣體及HCl氣體，並進一步使用H 2氣體作為載體氣體。將C/Si比設為約1.0，成長壓力設為53kPa。種晶33的表面溫度為2200~2400℃，反應時間設為6小時，氣體分解室之坩堝31的溫度設為2300~2500℃。使用實施例1~7及比較例1~2的經碳化鉭被覆之碳材料作為氣體分解室的坩堝31。重複多次SiC單晶的製造，測定直到經碳化鉭被覆之碳材料因碳化鉭膜之剝離等而變得無法使用為止之SiC單晶的製造次數。
(藉由HTCVD法所製作的SiC單晶中之鈮的濃度) 藉由二次離子質譜法(SIMS)算出SiC單晶中之鈮的濃度。
(藉由HTCVD法所製作的SiC單晶中之鐵的濃度) 藉由二次離子質譜法(SIMS)算出SiC單晶中之鐵的濃度。
將評估結果示於表1。又，作為藉由輝光放電質譜法所測定之碳化鉭被覆膜之從表面至深度方向的鉭、碳、鈮及鐵的含量之分佈的一例，將實施例4的碳化鉭被覆膜之測定結果示於圖4。又，作為經碳化鉭被覆之碳材料之XRD測定結果的一例，將實施例4的經碳化鉭被覆之碳材料之XRD測定結果示於圖5。又，將藉由輝光放電質譜法所測定之碳化鉭被覆膜中之鈮的含量，與碳化鉭被覆膜中之碳化鉭結晶的(200)面所對應之波峰的半值寬之關係示於圖6。又，將藉由輝光放電質譜法所測定之碳化鉭被覆膜中之鈮的含量，與經碳化鉭被覆之碳材料無法使用為止的SiC單晶的製造次數之關係示於圖7。
由表1所示之實施例1~7及比較例1~2的經碳化鉭被覆之碳材料的評估結果及圖7可知，當藉由輝光放電質譜法所測定之碳化鉭被覆膜中之鈮的含量為15質量ppm以上，且藉由輝光放電質譜法所測定之碳化鉭被覆膜中之鐵的含量為20質量ppm以下時，經碳化鉭被覆之碳材料無法使用為止的SiC單晶的製造次數變多。由此可知，當藉由輝光放電質譜法所測定之碳化鉭被覆膜中之鈮的含量為15質量ppm以上，且藉由輝光放電質譜法所測定之碳化鉭被覆膜中之鐵的含量為20質量ppm以下時，經碳化鉭被覆之碳材料的耐蝕性得到改善。
由圖6中所示之藉由輝光放電質譜法所測定之碳化鉭被覆膜中之鈮的含量，與碳化鉭被覆膜中之碳化鉭結晶的(200)面所對應之波峰的半值寬之關係可知，藉由測定碳化鉭被覆膜中之碳化鉭結晶的(200)面所對應之波峰的半值寬，能夠推得碳化鉭被覆膜中之鈮的含量。
11:外熱型減壓CVD裝置 12:反應室 13:加熱器 14:碳基材 15:支撐手段 16:原料供給部 17:排氣部 21:金屬氯化物產生裝置 23:加熱裝置 24:容器(石英製容器) 25:鉭金屬及少量的鈮金屬 30:HTCVD裝置 31:坩堝 32:SiC單晶 33:種晶 35:台座
[圖1]為外熱型減壓CVD裝置之概略圖。 [圖2]為金屬氯化物產生裝置之概略圖。 [圖3]為HTCVD裝置之概略圖。 [圖4]為表示實施例4中之經碳化鉭被覆之碳材料之藉由輝光放電質譜法所得之測定結果的圖。 [圖5]為實施例4的經碳化鉭被覆之碳材料之XRD測定結果。 [圖6]為表示藉由輝光放電質譜法所測定之碳化鉭被覆膜中之鈮的含量，與碳化鉭被覆膜中之碳化鉭結晶的(200)面所對應之波峰的半值寬之關係的圖。 [圖7]為表示藉由輝光放電質譜法所測定之碳化鉭被覆膜中之鈮的含量，與經碳化鉭被覆之碳材料無法使用為止的SiC單晶的製造次數之關係的圖。

Claims (5)

  1. 一種經碳化鉭被覆之碳材料，其特徵在於包含：以碳為主成分之碳基材，以及被覆前述碳基材之至少一部分的碳化鉭被覆膜， 藉由輝光放電質譜法所測定之前述碳化鉭被覆膜中之鈮的含量為15質量ppm以上， 藉由輝光放電質譜法所測定之前述碳化鉭被覆膜中之鐵的含量為20質量ppm以下。
  2. 如請求項1之經碳化鉭被覆之碳材料，其中，前述碳化鉭被覆膜表面的算術平均粗糙度Ra為0.1μm以上10.0μm以下。
  3. 如請求項1或2之經碳化鉭被覆之碳材料，其中，前述碳基材表面的算術平均粗糙度Ra為0.1μm以上9.5μm以下。
  4. 如請求項1或2之經碳化鉭被覆之碳材料，其中，前述碳化鉭被覆膜中所含之鉭原子數，相對於前述碳化鉭被覆膜中所含之碳原子數而言為0.8倍以上1.2倍以下。
  5. 如請求項1或2之經碳化鉭被覆之碳材料，其中，前述碳化鉭被覆膜的厚度為10~100μm。
TW113102442A 2023-01-23 2024-01-22 經碳化鉭被覆之炭材料 TW202436210A (zh)

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