Область техники
Настоящее изобретение касается покрытого карбидом тантала углеродного материала, имеющего углеродную подложку и покрывающую пленку карбида тантала, образованную на ней, и способа изготовления покрытого карбидом тантала углеродного материала.
Уровень техники
Карбид тантала является термостойким и устойчивым к газовому травлению. Поэтому покрытый карбидом тантала углеродный материал, образованный путем покрытия углеродного материала пленкой карбида тантала, используется для компонентов аппаратуры для изготовления монокристаллических полупроводников, таких как Si, SiC и GaN.
Согласно патентной литературе 1, так как слой карбида тантала является аморфным, анизотропия кристалла карбида тантала снижена, так что размер химически или физически слабой части на поверхности слоя карбида тантала уменьшен. С другой стороны, покрывающая пленка из карбида тантала, описанная в патентной литературе 2, организована так, что устойчивость к коррозии и устойчивость к тепловому удару покрытого карбидом тантала углеродного материала улучшаются путем специального развития плоскости (220), соответствующей дифракционному пику карбида тантала, наблюдаемому с помощью рентгеновской дифракции, по сравнению с другими плоскостями Миллера.
Список цитирования
Патентная литература
Патентная литература 1 Японский патент № 3938361
Патентная литература 2 Японский патент № 3779314
Сущность изобретения
Техническая проблема
Как описано выше, слой карбида тантала, описанный в патентной литературе 1, является аморфным. Кроме того, в покрывающей пленке карбида тантала, описаны в патентной литературе 2, кристаллические зерна уже трансформированы из аморфных в кристаллические, но маленькие кристаллические зерна коагулируют. Таким образом, в слоях карбида тантала из патентной литературы 1 и 2 имеются огромные границы зерен.
Так как границы зерен карбида тантала стремятся захватить остаточные вещества, количество остаточных веществ в покрывающей пленке карбида тантала увеличивается, когда величина границы зерен увеличивается. Кроме того, границы зерен имеют меньшую прочность, чем кристаллические зерна. По этой причине, разрушение имеет тенденцию протекать от таких границ зерен при высоких температурах. Кроме того, остаточные вещества высвобождаются вдоль границ зерен, тем самым образуя пустоты на поверхности покрывающей пленки карбида тантала. По этим причинам, срок жизни покрытого карбидом тантала углеродного материала является коротким, когда используется покрывающая пленка карбида тантала из патентной литературы 1 и 2, имеющая огромные границы зерен.
Между тем, покрывающая пленка карбида тантала обычно формируется на поверхности углеродной подложки при поддержке углеродной подложки снизу оправкой. В этой связи, так как никакая покрывающая пленка карбида тантала не образуется на участке, где углеродная подложка контактирует с оправкой, покрытый карбидом тантала углеродный материал не является термостойким и устойчивым к газовому травлению на этом участке. Чтобы решить эту проблему, покрывающую пленку карбида тантала образуют на всей поверхности углеродной подложки путем изменения положения оправки в каждом процессе формирования покрывающей пленки карбида тантала.
Однако в случае, когда процесс покрывающей пленки карбида тантала, описанный в патентной литературе 1 и 2, выполняют множество раз, примеси выделяются из покрывающей пленки карбида тантала, которая является основой во втором и последующих процессах образования покрывающей пленки карбида тантала, в результате чего примесный газ захватывается между двумя последовательными покрывающими пленками карбида тантала. По этой причине, новая образованная покрывающая пленка карбида тантала легко отслаивается от покрывающей пленки карбида тантала, которая является основой. Примеси могут быть удалены из нижележащей покрывающей пленки карбида тантала, которая является основой, путем ее термической обработки. Однако, кристалличность покрывающей пленки карбида тантала увеличивается из-за термической обработки. В результате, новая покрывающая пленка карбида тантала и нижележащая покрывающая пленка карбида тантала различаются по кристалличности. Поэтому трудно заставить новую покрывающую пленку карбида тантала тесно контактировать с нижележащей покрывающей пленкой карбида тантала.
Цель настоящего изобретения, следовательно, состоит в том, чтобы обеспечить покрытый карбидом тантала углеродный материал, имеющий покрывающую пленку карбида тантала, в которой число границ зерен невелико. В добавление к этому, другой целью настоящего изобретения является обеспечить покрытый карбидом тантала углеродный материал, имеющий покрывающую пленку карбида тантала, которая не отслаивается с легкостью.
Решение проблемы
Согласно настоящему изобретению, покрытый карбидом тантала углеродный материал включает в себя: углеродную подложку; и покрывающую пленку карбида тантала, на которой обеспечена углеродная подложка, причем покрывающая пленка карбида тантала имеет максимальную величину пика, по меньшей мере, 80 градусов при угле ориентации плоскости (311), соответствующей дифракционному пику карбида тантала, как определено с помощью рентгеновской дифракции.
Согласно настоящему изобретению, так как покрывающая пленка карбида тантала имеет максимальную величину пика, по меньшей мере, 80 градусов при угле ориентации плоскости (311), соответствующей дифракционному пику карбида тантала, как определено с помощью рентгеновской дифракции, в покрывающей пленке карбида тантала существуют, главным образом, кристаллические зерна, имеющие плоскости (311), которые параллельны поверхности углеродной подложки, которая является частью покрывающей пленки карбида тантала. Так как это дает покрывающую пленку карбида тантала, образованную достаточно выросшими кристаллическими зернами карбида тантала, число границ зерен в покрывающей пленке карбида тантала существенно снижается по сравнению с обычными случаями. Следовательно, получается тонкозернистая высокопрочная покрывающая пленка карбида тантала, и срок жизни покрытого карбидом тантала углеродного материала удлиняется.
Согласно настоящему изобретению, покрытый карбидом тантала углеродный материал организован так, что покрывающая пленка карбида тантала имеет максимальную величину пика, по меньшей мере, 80 градусов при угле ориентации плоскости (220), соответствующей дифракционному пику карбида тантала, как определено с помощью рентгеновской дифракции. Вследствие этого, в покрывающей пленке карбида тантала существуют, главным образом, кристаллические зерна, имеющие плоскости (220), которые параллельны поверхности углеродной подложки, которая является частью покрывающей пленки карбида тантала. Так как это дает покрывающую пленку карбида тантала, образованную достаточно выросшими кристаллическими зернами карбида тантала, число границ зерен в покрывающей пленке карбида тантала существенно снижается по сравнению с обычными случаями.
В добавление к вышесказанному, предпочтительно, сумма интенсивностей дифракции плоскости (311) и плоскости (220) кристаллов карбида тантала в рентгеновской дифракции составляет не ниже чем 0,5 и не выше чем 0,9 по сравнению с полной суммой интенсивностей дифракции всех кристаллических плоскостей кристаллов карбида тантала в рентгеновской дифракции. Это обеспечивает покрывающую пленку карбида тантала, в которой кристаллические зерна карбида тантала выращены в достаточной степени, и число границ зерен существенно снижено.
В добавление к вышесказанному, предпочтительно, интенсивность дифракционной линии, соответствующей плоскости (311) или плоскости (220) в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки карбида тантала, является максимальной. Это позволяет снизить число границ зерен в покрывающей пленке карбида тантала по сравнению с обычными случаями.
В добавление к вышесказанному, предпочтительно, в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки карбида тантала величина полуширины дифракционной линии плоскости (311) или плоскости (220) составляет 0,2 градуса или ниже. Так как это дает покрывающую пленку карбида тантала, имеющую высокую кристалличность и образованную достаточно выросшими кристаллическими зернами карбида тантала, число границ зерен в покрывающей пленке карбида тантала существенно снижается по сравнению с обычными случаями.
Согласно настоящему изобретению, покрытый карбидом тантала углеродный материал организован так, что включает в себя: углеродную подложку; и покрывающую пленку карбида тантала, на которой обеспечена углеродная подложка, причем кристаллические зерна, составляющие покрывающую пленку карбида тантала, постепенно увеличиваются в размере от поверхности углеродной подложки к внешней поверхности покрывающей пленки карбида тантала. При этом, степень тесного контакта между покрывающей пленкой карбида тантала и углеродной подложкой улучшается, тогда как число границ зерен существенно снижается.
В добавление к вышесказанному, согласно настоящему изобретению способ изготовления покрытого карбидом тантала углеродного материала путем формирования покрывающей пленки карбида тантала на углеродной подложке включает в себя: этап формирования кристаллического зародыша с формированием кристаллических зародышей карбида тантала на поверхности углеродной подложки; и этап роста кристаллов с осуществлением кристаллического роста кристаллических зародышей карбида тантала после этапа формирования кристаллического зародыша, причем этап роста кристаллов имеет этап нагрева с постепенным увеличением производственной температуры.
Согласно способу настоящего изобретения, кристаллические зародыши карбида тантала формируются в углублениях поверхности углеродной подложки, и кристалличность покрывающей пленки карбида тантала постепенно улучшается путем постепенного увеличения производственной температуры на этапе роста кристаллов. Так как это позволяет формировать покрывающую пленку карбида тантала, соответствующую нерегулярностям поверхности углеродной подложки, покрывающая пленка карбида тантала не отслаивается с легкостью от углеродной подложки, и число границ зерен в покрывающей пленке карбида тантала невелико по сравнению с обычными случаями, так как кристалличность улучшается вблизи внешней поверхности покрывающей пленки карбида тантала.
В добавление к вышесказанному, предпочтительно, на этапе формирования кристаллического зародыша кристаллические зародыши карбида тантала формируются при температурах от 850 до 950 градусов Цельсия. Вследствие этого, достаточно кристаллических зародышей карбида тантала формируется в углублениях поверхности углеродной подложки, и получается покрывающая пленка карбида тантала, прилегающая к нерегулярностям на поверхности углеродной подложки, с тем результатом, что степень тесного контакта между покрывающей пленкой карбида тантала и углеродной подложкой улучшается.
В добавление к вышесказанному, предпочтительно, этап нагрева включает в себя разницу температур 50 градусов Цельсия или больше. При этом, покрывающая пленка карбида тантала, прилегающая к нерегулярностям на поверхности углеродной подложки, получается вблизи поверхности углеродной подложки, тогда как покрывающая пленка карбида тантала с выросшими кристаллическими зернами и малым числом границ зерен получается вблизи внешней поверхности покрывающей пленки карбида тантала.
В добавление к вышесказанному, предпочтительно, после этапа нагрева поддерживается производственная температура конца этапа нагрева. Это позволяет осаждать покрывающую пленку карбида тантала, имеющую выросшие кристаллические зерна. Следовательно, получается покрывающая пленка карбида тантала, имеющая немногие границы зерен и имеющая желаемую толщину по сравнению с обычными случаями.
В добавление к вышесказанному, предпочтительно, на этапе нагрева производственная температура увеличивается с постоянной скоростью. При этом, быстрое увеличение кристалличности кристаллических зерен карбида тантала предотвращается, и поэтому предотвращается отслаивание покрывающей пленки карбида тантала. В результате, кристалличность покрывающей пленки карбида тантала постепенно улучшается.
В добавление к вышесказанному, согласно настоящему изобретению, в способе изготовления покрытого карбидом тантала углеродного материала путем образования покрывающей пленки карбида тантала на углеродной подложке посредством процесса формирования покрывающей пленки карбида тантала процесс формирования покрывающей пленки карбида тантала включает в себя: первый процесс формирования с формированием первой покрывающей пленки карбида тантала на поверхности углеродной подложки; и второй процесс формирования с формированием, по меньшей мере, одной покрывающей пленки карбида тантала на первой покрывающей пленке карбида тантала, причем первая покрывающая пленка карбида тантала имеет максимальную величину пика, по меньшей мере, 80 градусов при угле ориентации плоскости (311), соответствующей дифракционному пику карбида тантала, как определено с помощью рентгеновской дифракции.
Согласно настоящему изобретению, число границ зерен в покрывающей пленке карбида тантала, сформированной с помощью данного процесса формирования покрывающей пленки карбида тантала, значительно меньше по сравнению с обычными случаями, и никакие примеси не выделяются из покрывающей пленки карбида тантала в процессе формирования покрывающей пленки карбида тантала. Следовательно, никакой примесный газ не захватывается между базовой покрывающей пленкой карбида тантала и новой покрывающей пленкой карбида тантала. Кроме того, кристалличность базовой покрывающей пленки карбида тантала изредка изменяется в ответ на термическую обработку, и, следовательно, кристалличность базовой пленки, по существу, идентична кристалличности новой покрывающей пленки карбида тантала. Поэтому базовая покрывающая пленка карбида тантала и данная покрывающая пленка карбида тантала тесно контактируют друг с другом вследствие, по существу, отсутствия различия в кристалличности. Кроме того, так как покрывающая пленка карбида тантала имеет максимальную величину пика, по меньшей мере, 80 градусов при угле ориентации плоскости (311), соответствующей дифракционному пику карбида тантала, как определено с помощью рентгеновской дифракции, в покрывающей пленке карбида тантала существуют, главным образом, кристаллические зерна, имеющие плоскости (311), которые параллельны поверхности углеродной подложки, которая является частью покрывающей пленки карбида тантала. Так как рост кристаллических зерен, составляющих покрывающую пленку карбида тантала, облегчается, число границ зерен в покрывающей пленке карбида тантала существенно снижается по сравнению с обычными случаями. Следовательно, получается тонкозернистая высокопрочная покрывающая пленка карбида тантала, и срок жизни покрытого карбидом тантала углеродного материала удлиняется.
В добавление к вышесказанному, предпочтительно, первый процесс формирования и второй процесс формирования выполняют, поддерживая покрываемый объект с помощью опоры, и непокрытая часть покрывающей пленки, образованная за счет опоры в первом процессе формирования, покрывается во втором процессе формирования. При этом покрывающая пленка карбида тантала формируется на всей поверхности углеродной подложки.
В добавление к вышесказанному, первый процесс формирования включает в себя: этап формирования кристаллического зародыша с формированием кристаллических зародышей карбида тантала на поверхности углеродной подложки; и этап роста кристаллов с осуществлением кристаллического роста кристаллических зародышей карбида тантала после этапа формирования кристаллического зародыша, и этап роста кристаллов включает в себя: этап нагрева с постепенным увеличением производственной температуры. При этом, кристаллические зародыши карбида тантала формируются в углублениях поверхности углеродной подложки с тем результатом, что формируется покрывающая пленка карбида тантала, прилегающая к нерегулярностям поверхности углеродной подложки. Это позволяет получать покрывающую пленку карбида тантала, которая не отслаивается с легкостью от углеродной подложки. Кроме того, кристалличность покрывающей пленки карбида тантала постепенно улучшается путем постепенного увеличения производственной температуры на этапе роста кристаллов. В результате, кристалличность развивается вблизи поверхности покрывающей пленки карбида тантала, и, следовательно, получается покрывающая пленка карбида тантала, имеющая меньшее число границ зерен по сравнению с обычными случаями.
В добавление к вышесказанному, предпочтительно, покрывающая пленка карбида тантала имеет максимальную величину пика, по меньшей мере, 80 градусов при угле ориентации плоскости (220), соответствующей дифракционному пику карбида тантала, как определено с помощью рентгеновской дифракции. Вследствие этого, в покрывающей пленке карбида тантала существуют, главным образом, кристаллические зерна, имеющие плоскости (220), которые параллельны поверхности углеродной подложки, которая является частью покрывающей пленки карбида тантала. Так как рост кристаллических зерен, составляющих покрывающую пленку карбида тантала, облегчается, число границ зерен в покрывающей пленке карбида тантала существенно снижается по сравнению с обычными случаями.
В добавление к вышесказанному, предпочтительно, сумма интенсивностей дифракционных линий, соответствующих плоскости (311) и плоскости (220) в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки карбида тантала, составляет не ниже чем 0,5 и не выше чем 0,9 по сравнению с полной суммой интенсивностей дифракционных линий всех кристаллических плоскостей в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки карбида тантала. При этом получается покрывающая пленка карбида тантала, образованная достаточно выросшими кристаллическими зернами карбида тантала, и поэтому число границ зерен в покрывающей пленке карбида тантала существенно снижается по сравнению с обычными случаями.
В добавление к вышесказанному, предпочтительно, интенсивность дифракционной линии, соответствующей плоскости (311) или плоскости (220) в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки карбида тантала, является максимальной. Это позволяет снизить число границ зерен в покрывающей пленке карбида тантала по сравнению с обычными случаями.
В добавление к вышесказанному, предпочтительно, величина полуширины дифракционной линии плоскости (311) или плоскости (220) в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки карбида тантала составляет не больше чем 0,12 градусов. При этом получается покрывающая пленка карбида тантала, имеющая высокую кристалличность и образованная достаточно выросшими кристаллическими зернами карбида тантала, и поэтому число границ зерен в покрывающей пленке карбида тантала существенно снижается по сравнению с обычными случаями.
Согласно настоящему изобретению, способ изготовления покрытого карбидом тантала углеродного материала путем формирования покрывающей пленки карбида тантала на углеродной подложке включает в себя: процесс формирования танталовой покрывающей пленки с формированием танталовой покрывающей пленки на поверхности углеродной подложки; и процесс карбонизации данной танталовой покрывающей пленки.
Согласно настоящему изобретению, танталовая покрывающая пленка образуется на поверхности углеродной подложки, и эта танталовая покрывающая пленка превращается в покрывающую пленку карбида тантала. Это существенно снижает число границ зерен в карбиде тантала по сравнению с обычными случаями. Кроме того, так как танталовая покрывающая пленка формируется сначала на углеродной подложке, танталовая покрывающая пленка размягчается в высокотемпературной среде с тем результатом, что покрывающая пленка карбида тантала прилегает к нерегулярностям на поверхности углеродной подложки. Получается покрытый карбидом тантала углеродный материал, имеющий тонкозернистую высокопрочную покрывающую пленку карбида тантала, тесно контактирующую с углеродной подложкой.
В добавление к вышесказанному, предпочтительно, процесс формирования танталовой покрывающей пленки и процесс карбонизации повторяют в данном порядке множество раз. Это позволяет легко изменять толщину покрывающей пленки карбида тантала.
В добавление к вышесказанному, предпочтительно, процесс формирования танталовой покрывающей пленки повторяют множество раз. При этом толщина танталовой покрывающей пленки не меняется.
В добавление к вышесказанному, предпочтительно, в процессе карбонизации, карбонизацию выполняют при температурах от 1700 градусов Цельсия до 2500 градусов Цельсия. При этом получается покрытый карбидом тантала углеродный материал, который не изнашивается с легкостью в высокотемпературных средах.
В добавление к вышесказанному, предпочтительно, коэффициент теплового расширения углеродной подложки составляет 6,5-8,0×10-6/К. При этом, коэффициент теплового расширения углеродной подложки близок к коэффициенту теплового расширения карбида тантала, и поэтому термические напряжения, вызываемые в покрывающей пленке карбида тантала, снижаются. Поэтому можно получить покрытый карбидом тантала углеродный материал, имеющий покрывающую пленку карбида тантала, которая не отслаивается с легкостью от углеродной подложки.
В добавление к вышесказанному, предпочтительно, процесс нанесения тантала выполняют, поддерживая покрываемый объект с помощью опоры, и непокрытая часть, образованная опорой в первом процессе формирования танталовой покрывающей пленки, покрывается во втором или последующем процессе формирования танталовой покрывающей пленки. При этом покрывающая пленка карбида тантала формируется на всей поверхности углеродной подложки.
Согласно настоящему изобретению, способ изготовления с образованием покрытого карбидом тантала углеродного материала путем формирования покрывающей пленки карбида тантала на углеродной подложке посредством процесса формирования покрывающей пленки карбида тантала включает в себя: первый процесс формирования покрывающей пленки карбида тантала с формированием первой покрывающей пленки карбида тантала посредством процесса формирования танталовой покрывающей пленки с формированием танталовой покрывающей пленки на поверхности углеродной подложки и процесс карбонизации с карбонизацией танталовой покрывающей пленки; и второй процесс формирования покрывающей пленки карбида тантала с формированием новой второй покрывающей пленки карбида тантала на первой покрывающей пленке карбида тантала.
При этом танталовая покрывающая пленка формируется на поверхности углеродной подложки, первая покрывающая пленка карбида тантала образуется путем превращения танталовой покрывающей пленки в покрывающую пленку карбида тантала, и вторая покрывающая пленка карбида тантала образуется на первой покрывающей пленке карбида тантала. Таким образом, легко образуется покрывающая пленка карбида тантала, следующая кристаллической ориентации первой покрывающей пленки карбида тантала, и число границ зерен существенно снижается в покрытом карбидом тантала углеродном материале по сравнению с обычными случаями. В результате, получается покрытый карбидом тантала углеродный материал, имеющий тонкозернистую высокопрочную покрывающую пленку карбида тантала. Кроме того, путем введения отличий способа изготовления второй покрывающей пленки карбида тантала от способа изготовления первой покрывающей пленки карбида тантала, в качестве производственного процесса для первой покрывающей пленки карбида тантала требуется только процесс формирования покрывающей пленки карбида тантала, для которого требуются процесс формирования танталовой покрывающей пленки и процесс карбонизации.
В добавление к вышесказанному, предпочтительно, в процессе карбонизации карбонизацию выполняют при температурах от 1700 градусов Цельсия до 2500 градусов Цельсия. При этом получается покрытый карбидом тантала углеродный материал, который не изнашивается с легкостью в высокотемпературных средах.
В добавление к вышесказанному, предпочтительно, коэффициент теплового расширения углеродной подложки составляет 6,5-8,0×10-6/К. При этом, коэффициент теплового расширения углеродной подложки близок к коэффициенту теплового расширения карбида тантала, и поэтому термические напряжения, вызываемые в покрывающей пленке карбида тантала, снижаются. Следовательно, можно получить покрытый карбидом тантала углеродный материал, имеющий покрывающую пленку карбида тантала, которая не отслаивается с легкостью от углеродной подложки.
В добавление к вышесказанному, предпочтительно, покрывающая пленка карбида тантала имеет максимальную величину пика, по меньшей мере, 80 градусов при угле ориентации плоскости (311), соответствующей дифракционному пику карбида тантала, как определено с помощью рентгеновской дифракции. При этом, в покрывающей пленке карбида тантала существуют, главным образом, кристаллические зерна, имеющие плоскости (311), которые параллельны поверхности углеродной подложки, которая является частью покрывающей пленки карбида тантала. Это позволяет получить тонкозернистую высокопрочную покрывающую пленку карбида тантала, в которой число границ зерен невелико.
В добавление к вышесказанному, предпочтительно, покрывающая пленка карбида тантала имеет максимальную величину пика, по меньшей мере, 80 градусов при угле ориентации плоскости (220), соответствующей дифракционному пику карбида тантала, как определено с помощью рентгеновской дифракции. При этом, в покрывающей пленке карбида тантала существуют, главным образом, кристаллические зерна, имеющие плоскости (220), которые параллельны поверхности углеродной подложки, которая является частью покрывающей пленки карбида тантала. Это позволяет получить тонкозернистую высокопрочную покрывающую пленку карбида тантала, в которой число границ зерен невелико.
В добавление к вышесказанному, предпочтительно, сумма интенсивностей дифракции плоскости (311) и плоскости (220) в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки карбида тантала составляет не ниже чем 0,5 и не выше чем 0,9 по сравнению с суммой всех интенсивностей дифракционных линий, соответствующих всем кристаллическим плоскостям карбида тантала в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки карбида тантала. При этом получается покрывающая пленка карбида тантала, образованная с помощью достаточно выросших кристаллических зерен карбида тантала, и поэтому получается тонкозернистая высокопрочная покрывающая пленка карбида тантала, в которой число границ зерен невелико.
В добавление к вышесказанному, предпочтительно, интенсивность дифракционной линии плоскости (311) в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки карбида тантала является максимальной. При этом получается тонкозернистая высокопрочная пленка карбида тантала, в которой число границ зерен невелико.
В добавление к вышесказанному, предпочтительно, величина полуширины дифракционной линии плоскости (311) в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки карбида тантала не больше чем 0,12 градусов. При этом получается покрывающая пленка карбида тантала, образованная с помощью достаточно выросших кристаллических зерен карбида тантала, и поэтому получается тонкозернистая высокопрочная пленка карбида тантала, в которой число границ зерен невелико.
Выгодные эффекты изобретения
В покрытом карбидом тантала углеродном материале настоящего изобретения, так как покрывающая пленка карбида тантала имеет максимальную величину пика, по меньшей мере, 80 градусов при угле ориентации плоскости (311), соответствующей дифракционному пику карбида тантала, как определено с помощью рентгеновской дифракции, в покрывающей пленке карбида тантала существуют, главным образом, кристаллические зерна, имеющие плоскости (311), которые параллельны поверхности углеродной подложки, которая является частью покрывающей пленки карбида тантала. Так как это дает покрывающую пленку карбида тантала, образованную с помощью достаточно выросших кристаллических зерен карбида тантала, число границ зерен в покрывающей пленке карбида тантала значительно снижается по сравнению с обычными случаями. Поэтому получается тонкозернистая высокопрочная покрывающая пленка карбида тантала, и срок жизни покрытого карбидом тантала углеродного материала удлиняется.
Согласно способу изготовления покрытого карбидом тантала углеродного материала настоящего изобретения, включающего в себя этап формирования кристаллического зародыша и этап роста кристаллов, кристаллические зародыши карбида тантала формируются в углублениях поверхности углеродной подложки, и кристалличность покрывающей пленки карбида тантала постепенно улучшается путем постепенного увеличения производственной температуры на этапе роста кристаллов. Так как это позволяет формировать покрывающую пленку карбида тантала, соответствующую нерегулярностям поверхности углеродной подложки, покрывающая пленка карбида тантала не отслаивается с легкостью от углеродной подложки, и число границ зерен невелико в покрывающей пленке карбида тантала по сравнению с обычными случаями, так как кристалличность улучшается вблизи внешней поверхности покрывающей пленки карбида тантала.
В добавление к вышесказанному, согласно способу изготовления покрытого карбидом тантала углеродного материала настоящего изобретения, включающему в себя этап первый процесс формирования и второй процесс формирования, число границ зерен в покрывающей пленке карбида тантала, образованной в процессе формирования покрывающей пленки карбида тантала, существенно меньше по сравнению с обычными случаями, и никакие примеси не выделяются из покрывающей пленки карбида тантала во время формирования новой покрывающей пленки карбида тантала. Следовательно, никакой примесный газ не захватывается между базовой покрывающей пленкой карбида тантала и новой покрывающей пленкой карбида тантала. Кроме того, кристалличность базовой покрывающей пленки карбида тантала редко меняется во время формирования новой покрывающей пленки карбида тантала, и поэтому кристалличность базовой пленки, по существу, идентична кристалличности новой покрывающей пленки карбида тантала. Базовая покрывающая пленка карбида тантала и данная покрывающая пленка карбида тантала, следовательно, тесно контактируют друг с другом, так как, по существу, нет различия в кристалличности.
В добавление к вышесказанному, согласно способу изготовления покрытого карбидом тантала углеродного материала настоящего изобретения, включающему в себя процесс формирования танталовой покрывающей пленки и процесс карбонизации, путем формирования танталовой покрывающей пленки на поверхности углеродной подложки и превращения этой танталовой покрывающей пленки в покрывающую пленку карбида тантала число границ зерен в карбиде тантала существенно снижается по сравнению с обычными случаями. Кроме того, так как танталовая покрывающая пленка формируется сначала на углеродной подложке, танталовая покрывающая пленка размягчается в высокотемпературной среде с тем результатом, что покрывающая пленка карбида тантала прилегает к нерегулярностям на поверхности углеродной подложки. Получается покрытый карбидом тантала углеродный материал, имеющий тонкозернистую высокопрочную покрывающую пленку карбида тантала, тесно контактирующую с углеродной подложкой.
В добавление к вышесказанному, согласно способу изготовления покрытого карбидом тантала углеродного материала настоящего изобретения, включающему в себя этап первый процесс формирования покрывающей пленки карбида тантала и второй процесс формирования покрывающей пленки карбида тантала, танталовая покрывающая пленка формируется на углеродной подложке, первая покрывающая пленка карбида тантала образуется путем превращения танталовой покрывающей пленки в покрывающую пленку карбида тантала, и вторая покрывающая пленка карбида тантала образуется на первой покрывающей пленке карбида тантала. Таким образом, легко образуется покрывающая пленка карбида тантала, следующая кристаллической ориентации первой покрывающей пленки карбида тантала, и число границ зерен существенно снижается в покрытом карбидом тантала углеродном материале по сравнению с обычными случаями. В результате, получается покрытый карбидом тантала углеродный материал, имеющий тонкозернистую высокопрочную покрывающую пленку карбида тантала. Кроме того, за счет отличия способа изготовления второй покрывающей пленки карбида тантала от способа изготовления первой покрывающей пленки карбида тантала, в качестве производственного процесса для первой покрывающей пленки карбида тантала требуется только процесс формирования покрывающей пленки карбида тантала, который требует процесс формирования танталовой покрывающей пленки и процесс карбонизации.
Краткое описание чертежей
Фиг.1 изображает высокочастотный индукционный нагреватель.
Фиг.2 показывает, как формируется покрывающая пленка карбида тантала.
Фиг.3 показывает, как формируется покрывающая пленка карбида тантала.
Фиг.4 показывает, как формируется покрывающая пленка карбида тантала.
Фиг.5 представляет собой схематичный разрез покрытого карбидом тантала углеродного материала настоящего изобретения.
Фиг.6 схематично показывает способ измерения угла ориентации кристаллической плоскости карбида тантала.
Фиг.7 изображает устройство для измерения газопроницаемости.
Фиг.8(а) показывает результаты примеров 1-4.
Фиг.8(b) показывает результаты примеров 1-4.
Фиг.9 показывает результат примера 3.
Фиг.10 показывает результаты примеров 5 и 6.
Фиг.11 показывает результаты примеров 5 и 6.
Фиг.12 показывает результат примера 6.
Фиг.13 показывает результаты примеров 7 и 8.
Фиг.14 показывает результаты примеров 7 и 8.
Фиг.15 показывает результат примера 7.
Фиг.16 показывает результат для покрывающей пленки карбида тантала из примера 9.
Фиг.17 показывает результат примера 9.
Фиг.18 показывает результат примера 9.
Фиг.19 показывает результат примера 9.
Фиг.20 показывает результат для покрывающей пленки карбида тантала, которая является основой в примере 10.
Фиг.21 показывает результат для покрывающей пленки карбида тантала, которая является основой в примере 10.
Фиг.22 показывает результат примера 10.
Фиг.23 показывает результат примера 10.
Фиг.24 показывает результат примера 10.
Фиг.25 показывает результат сравнительного примера 1.
Фиг.26 показывает результат сравнительного примера 1.
Фиг.27 показывает результат сравнительного примера 1.
Фиг.28 показывает результат сравнительного примера 3.
Описание вариантов осуществления
Последующее будет описывать предпочтительный вариант осуществления настоящего изобретения со ссылкой на фигуры.
Настоящее изобретение касается, во-первых, способа изготовления покрытого карбидом тантала углеродного материала, а также касается покрытого карбидом тантала углеродного материала, изготовленного с помощью данного способа.
Способ изготовления покрытого карбидом тантала углеродного материала
Способ (1) формирования покрывающей пленки карбида тантала с помощью CVD-обработки
Последующее описывает процесс формирования покрывающей пленки карбида тантала с помощью CVD-обработки (CVD - химическое осаждение из паровой фазы). В настоящем варианте осуществления в данном способе используется устройство, показанное на фиг.1. Способ формирования покрывающей пленки карбида тантала не ограничивается CVD. Превращение (CVR), термическое напыление или физическое осаждение из паровой фазы (PVD) могут быть использованы вместо CVD. Сначала будет описан высокочастотный индукционный нагреватель, показанный на фиг.1.
Высокочастотный индукционный нагреватель
Как показано на фиг.1, высокочастотный индукционный нагреватель имеет CVD - реакционную камеру. CVD - реакционная камера обозначает внутреннее пространство, образованное стенками графитовой печи (не показана), которое обернуто изолирующим материалом (не показан), действующее как индуктивная нагрузка и размещенное внутри двойной трубы из оксида кремния. Снаружи трубы из оксида кремния имеется нагреватель, имеющий высокочастотную катушку (индукционную катушку). Пространство в CVD - реакционной камере нагревается с помощью данной высокочастотной катушки. На одном конце CVD - реакционной камеры обеспечена труба ввода газа, через которую вводят исходный газ. На другом конце CVD - реакционной камеры образовано выпускное отверстие. Это выпускное отверстие соединено с выпускной трубой, по которой отводится газ из CVD - реакционной камеры. Выпускная труба оборудована регулируемым клапаном на участке, который находится ближе к выпускному отверстию. Давление внутри CVD - реакционной камеры регулируется с помощью данного регулирующего клапана. Выше по потоку от CVD - реакционной камеры обеспечен регулятор потока газа. Поток исходного газа, вводимого в CVD - реакционную камеру, регулируется данным регулятором потока газа.
Теперь со ссылкой на фиг.2 будет описан способ изготовления покрывающей пленки карбида тантала с использованием высокочастотного индукционного нагревателя, показанного на фиг.1.
Предварительная обработка в способе формирования покрывающей пленки карбида тантала
Сначала давление в CVD - реакционной камере снижают, а затем выполняют обезгаживание и CVD-обработку в данном порядке. Одна или несколько углеродных подложек 1 обеспечиваются в CVD - реакционной камере (см. фиг.2(а)), и давление в CVD реакционной камере снижают до приблизительно 0,1-0,01 Торр (13,33 Па - 1,333 Па). Затем выполняют обезгаживание путем нагрева внутреннего пространства CVD - реакционной камеры. Более конкретно, затем вводят водородный газ при 7000 см3/мин в CVD реакционную камеру, внутреннее пространство CVD - реакционной камеры нагревают до приблизительно 1100 градусов Цельсия. Таким образом выполняют обезгаживание CVD - реакционной камеры.
Формирование покрывающей пленки карбида тантала
Теперь будет описан процесс формирования покрывающей пленки карбида тантала с помощью CVD-обработки. Внутреннее пространство CVD-реакционной камеры, показанной на фиг.1, поддерживают при 850-1100 градусов Цельсия, и давление внутреннего пространства снижают до 10 Торр (1333 Па) или ниже путем работы регулируемого клапана. Затем, в качестве исходного газа, галогеновые соединения тантала, такие как пентахлорид тантала (TaCl5), и углеводородный газ, такой как метан (СН4), вводят в CVD - реакционную камеру. Кроме того, в качестве газа-носителя подают, например, аргоновый газ, водородный газ или их смесь.
Чистота аргонового газа и водородного газа составляет предпочтительно 99,99% или больше, и содержание кислорода предпочтительно не выше чем 5 ч/млн. В указанных выше условиях, покрывающая пленка 2 карбида тантала формируется на поверхности углеродной подложки (см. фиг.2(b)). При этом, отношение С/Та в покрывающей пленке 2 карбида тантала предпочтительно попадает в интервал 1,0-2,0. Кроме того, источник углерода исходного газа, подаваемого в CVD - реакционную камеру, предпочтительно в 2-25 раз больше, чем источник тантала.
Когда подают и аргоновый газ, и водородный газ, реакция, выражаемая формулой реакции (1) ниже, протекает как реакция термического разложения смешанного газа из пентахлорида тантала, метанового газа и водородного газа. Карбид тантал, образующийся по этой реакции, осаждается на поверхности углеродного материала с тем результатом, что формируется покрывающая пленка карбида тантала.
[Формула 1]
2TaCl 5 +2CH 4 +H 2 →2TaC+10HCl (1)
Заметим, что в случае углеводорода, чем меньше молекулярная масса, тем больше энергия активации и тем выше температура реакции.
По этой причине для CVD-обработки при приблизительно 850 градусов Цельсия или выше подходят метан СН4 или этан С2Н6.
Пока протекает реакция по уравнению реакции (1), существуют примеси на границах зерен покрывающей пленки карбида тантала. Когда материалом является хлорид, примесями преимущественно являются хлоридные примеси. В этой связи, изобретатели определили, что примеси (преимущественно хлоридные примеси) выделяются из покрывающей пленки карбида тантала, когда температура составляет приблизительно 850 градусов Цельсия или выше. В настоящем варианте осуществления, как описано выше, CVD-обработку (процесс формирования покрывающей пленки карбида тантала) выполняют при 850-1100 градусов Цельсия. По этой причине, примеси выделяются из покрывающей пленки одновременно с формированием пленки. Концентрация примесей в покрывающей пленке карбида тантала, следовательно, снижается. При этом, никакие примеси не выделяются из покрывающей пленки карбида тантала после формирования пленки. Можно понять, почему никакие примеси не выделяются из покрывающей пленки карбида тантала после формирования пленки, так как никакие пустоты не образуются на поверхности покрывающей пленки карбида тантала после термической обработки при 1600 градусов Цельсия или выше.
Далее будет описано улучшение вышеописанного способа (1) формирования покрывающей пленки карбида тантала с помощью CVD-обработки.
Способ (2) формирования покрывающей пленки карбида тантала с помощью CVD-обработки
Этот способ представляет собой способ изготовления покрытого карбидом тантала углеродного материала путем формирования покрывающей пленки карбида тантала на углеродной подложке и включает в себя этап формирования кристаллического зародыша с формированием кристаллических зародышей карбида тантала на поверхности углеродной подложки и этап роста кристаллов с осуществлением кристаллического роста кристаллических зародышей карбида тантала после этапа формирования кристаллического зародыша. Этап роста кристаллов включает в себя этап нагрева с постепенным увеличением производственной температуры (далее нагрев). Чем выше температура CVD-обработки, тем больше кристаллические зерна карбида тантала и тем меньше границы зерен покрывающей пленки карбида тантала. Однако, когда CVD-обработку выполняют при 950 градусов Цельсия или выше, кристаллические зерна покрывающей пленки карбида тантала больше, чем диаметры пор на поверхности углеродной подложки. Кроме того, так как интервал времени между формированием кристаллических зародышей и ростом зародышей укорачивается, когда температура CVD-обработки увеличивается, этап роста кристаллов протекает на кристаллических зародышах, образованных на выступах на поверхности углеродной подложки, а формирование кристаллических зародышей на углублениях поверхности углеродной подложки не происходит. Это уменьшает площадь контакта между покрывающей пленкой карбида тантала и углеродной подложкой с тем результатом, что степень тесного контакта ухудшается. Кроме того, так как покрывающая пленка карбида тантала не размягчается при высоких температурах подобно танталовым покрывающим пленкам, чтобы прилегать к нерегулярностям на поверхности углеродной подложки, площадь контакта не может быть увеличена путем термической обработки.
Между прочим, когда температура CVD-обработки является низкой, до того, как кристаллические зародыши, образовавшиеся на выступах углеродной подложки, перейдут к этапу роста кристаллов, достаточное количество кристаллических зародышей образуется в углублениях поверхности углеродной подложки, и достигается рост их кристаллов. Следовательно, в этом случае можно получить покрытый карбидом тантала углеродный материал, имеющий высокую степень тесного контакта. По указанной выше причине, данный способ организуют так, что после формирования кристаллических зародышей карбида тантала внутри углублений и на выступах на поверхности углеродной подложки с помощью CVD-обработки при температуре ниже чем 950 градусов Цельсия, предпочтительно ниже чем 930 градусов Цельсия (этап формирования кристаллического зародыша), кристаллический рост кристаллических зародышей ускоряют (этап роста кристаллов) путем постепенного увеличения температуры CVD-обработки (этап нагрева). В этой связи, на этапе формирования кристаллического зародыша температура, при которой образуются кристаллические зародыши карбида тантала, составляет предпочтительно 850-950 градусов Цельсия. Это позволяет формировать кристаллические зародыши карбида тантала внутри углублений поверхности углеродной подложки с тем результатом, что получается покрывающая пленка карбида тантала, прилегающая к нерегулярностям на поверхности углеродной подложки.
В добавление к вышесказанному, производственная температура предпочтительно является неизменной после этапа нагрева. Это позволяет осаждать покрывающую пленку карбида тантала, имеющую выросшие кристаллические зерна, и, следовательно, получается покрывающая пленка карбида тантала, имеющая меньше границ зерен и имеющая желаемую толщину по сравнению с обычными случаями. Таким образом, покрывающая пленка карбида тантала получается, когда температура обработки поддерживается при 950 градусов Цельсия или выше, после того как производственная температура увеличивается. В добавление к вышесказанному, на этапе нагрева предпочтительно производственную температуру постепенно увеличивают на 50 градусов Цельсия или больше и более предпочтительно на 100 градусов Цельсия или больше. При этом, покрывающая пленка карбида тантала, прилегающая к нерегулярностям поверхности углеродной подложки, получается возле поверхности углеродной подложки, тогда как покрывающая пленка карбида тантала с выросшими кристаллическими зернами и малым числом границ зерен получается на внешней поверхности покрывающей пленки карбида тантала. В добавление к вышесказанному, на этапе нагрева предпочтительно увеличивать производственную температуру с постоянной скоростью. Это предотвращает затруднение для роста кристаллических зерен в покрывающей пленке карбида тантала из-за быстрого изменения кристалличности. Так как с помощью вышеописанных мер получается покрывающая пленка карбида тантала, прилегающая к нерегулярностям поверхности углеродной подложки, степень тесного контакта между покрывающей пленкой карбида тантала и углеродной подложкой улучшается.
Кристаллические зерна, выросшие с помощью вышеописанного способа, постепенно увеличиваются в размере от окрестностей поверхности углеродной подложки к внешней поверхности покрывающей пленки карбида тантала. Кристаллические зерна рассматриваются как многоугольные по форме. Это достигается путем постепенного улучшения кристалличности покрывающей пленки карбида тантала посредством постепенного увеличения температуры в печи при CVD-обработке.
Этап нагрева с постепенным увеличением температуры в печи предпочтительно останавливают, когда толщина покрывающей пленки карбида тантала достигает 5 мкм, более предпочтительно, когда толщина составляет 3 мкм или меньше от старта кристаллического зародыша. Когда нагрев происходит слишком быстро, кристаллические зародыши недостаточно образуются в углублениях поверхности углеродной подложки, с тем результатом, что улучшение тесного контакта покрывающей пленки карбида тантала не достигается. С другой стороны, когда нагрев является слишком медленным, число границ зерен в покрывающей пленке увеличивается.
Далее будет описано улучшение вышеописанных способов (1) и (2) формирования покрывающей пленки карбида тантала путем CVD-обработки.
Способ (3) формирования покрывающей пленки карбида тантала с помощью CVD-обработки
Согласно этому способу, покрытый карбидом тантала углеродный материал с множественными покрытиями формируют путем выполнения вышеописанного способа (1) формирования покрывающей пленки карбида тантала с помощью CVD-обработки дважды или больше. Данный способ включает в себя первый процесс формирования с формированием первой покрывающей пленки карбида тантала на поверхности углеродной подложки и второй процесс формирования с формированием новой покрывающей пленки карбида тантала один раз или больше на первой покрывающей пленке карбида тантала. В данном способе с использованием CVD-обработки, так как формирование покрывающей пленки карбида тантала происходит, когда углеродную подложку поддерживают с помощью оправки (опоры), покрывающая пленка карбида тантала не образуется на поверхности контакта между углеродной подложкой и данной оправкой. По этой причине, положение опоры меняют так, что непокрытая часть, образовавшаяся в начальном процессе формирования покрывающей пленки карбида тантала из-за опоры, покрывается во втором или последующем процессе формирования покрывающей пленки карбида тантала. Это позволяет покрывать всю поверхность углеродной подложки покрывающей пленкой карбида тантала.
Более конкретно, как показано на фиг.3(а), в изображенной реакционной камере обеспечивают углеродную подложку 21, поддерживаемую снизу опорным стержнем 25 (оправка). Затем углеродную подложку 21 подвергают CVD-обработке, так что первая покрывающая пленка 22 карбида тантала формируется на поверхности углеродной подложки 21 (первый процесс формирования пленки на фиг.3(b)). На этой стадии покрывающая пленка 22 карбида тантала не образуется на поверхности контакта между углеродной подложкой 21 и опорным стержнем 25.
Затем, как показано на фиг.3(с), положение, в котором опорный стержень 25 поддерживает углеродную подложку 21, изменяют на участок, имеющий на себе покрывающую пленку 22 карбида тантала. Затем выполняют CVD-обработку в тех же условиях, как в первом процессе формирования пленки, с тем результатом, что вторая покрывающая пленка 23 карбида тантала формируется на поверхности покрывающей пленки 22 карбида тантала, как показано на фиг.3(d) (второй процесс формирования пленки). При этом покрывающая пленка 23 карбида тантала формируется на поверхности покрывающей пленки 22 карбида тантала с тем результатом, что покрывающая пленка карбида тантала образуется на всей поверхности углеродной подложки 21.
В этой связи, покрывающая пленка 22 карбида тантала предпочтительно имеет максимальную величину пика, по меньшей мере, 80 градусов при угле ориентации плоскости (311), соответствующей дифракционному пику карбида тантала, как определено с помощью рентгеновской дифракции. Кроме того, величина полуширины дифракционной линии плоскости (311) предпочтительно составляет не больше чем 0,12 градусов. Когда новая покрывающая пленка карбида тантала формируется на вышеописанной покрывающей пленке карбида тантала, кристаллический рост в новой покрывающей пленке 23 карбида тантала следует кристаллическим зернам в покрывающей пленке 22 карбида тантала, которая является основой, с тем результатом, что покрывающая пленка 22 карбида тантала и покрывающая пленка 23 карбида тантала образуют единое тело. Это предотвращает новую покрывающую пленку 23 карбида тантала от отслаивания от базовой покрывающей пленки 22 карбида тантала. Кроме того, так как число границ зерен в покрывающей пленке 22 карбида тантала существенно меньше по сравнению с обычными случаями, примеси не выделяются из покрывающих пленок 22 и 23 карбида тантала в соответствующих процессах формирования покрывающей пленки карбида тантала. По этой причине, никакой примесный газ не захватывается между базовой покрывающей пленкой 22 карбида тантала и новой покрывающей пленкой 23 карбида тантала. Кроме того, кристалличность базовой покрывающей пленки 22 карбида тантала редко меняется во время формирования новой базовой покрывающей пленки карбида тантала (т.е. во время CVD-обработки), и поэтому кристалличность базовой пленки 22, по существу, идентична кристалличности новой покрывающей пленки 23 карбида тантала. Базовая покрывающая пленка 22 карбида тантала и покрывающая пленка 23 карбида тантала, следовательно, тесно контактируют друг с другом, так как, по существу, нет различия в кристалличности.
С другой стороны, когда новая покрывающая пленка карбида тантала формируется путем CVD-обработки на покрывающей пленке карбида тантала, которая не имеет вышеописанной организации, примеси выделяются из базовой покрывающей пленки карбида тантала во время CVD-обработки с тем результатом, что примесный газ может захватываться между новой покрывающей пленкой карбида тантала и базовой покрывающей пленкой карбида тантала. При формировании новой покрывающей пенки карбида тантала (т.е. во время CVD-обработки) кристалличность базовой покрывающей пенки карбида тантала улучшается, и различие между этой кристалличностью и кристалличностью данной покрывающей пленки карбида тантала становится существенным. Это вызывает проблему отслаивания новой покрывающей пленки карбида тантала.
В добавление к вышесказанному, покрывающая пленка 22 карбида тантала предпочтительно имеет следующие характеристики, чтобы улучшать степень тесного контакта покрывающих пленок карбида тантала 22 и 23. То есть, покрывающая пленка 22 карбида тантала предпочтительно имеет максимальную величину пика, по меньшей мере, 80 градусов при угле ориентации плоскости (220), соответствующей дифракционному пику карбида тантала, как определено с помощью рентгеновской дифракции. Так как в этом случае число границ зерен в покрывающей пленке карбида тантала, образованной в каждом процессе формирования покрывающей пленки карбида тантала, существенно меньше по сравнению с обычными случаями, примеси не выделяются из покрывающей пленки 22 карбида тантала. Кроме того, сумма интенсивностей дифракционных линий, соответствующих плоскости (311) и плоскости (220) в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки 22 карбида тантала, составляет предпочтительно не ниже чем 0,5 и не выше чем 0,9 по сравнению с полной суммой интенсивностей дифракционных линий, соответствующих всем кристаллическим плоскостям карбида тантала в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки 22 карбида тантала. Так как это дает покрывающую пленку 22 карбида тантала, образованную достаточно выросшими кристаллическими зернами карбида тантала, число границ зерен в покрывающей пленке 23 карбида тантала значительно снижено по сравнению с обычными случаями. В добавление к вышесказанному, интенсивность дифракционной линии, соответствующей плоскости (311) или плоскости (220) в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки 22 карбида тантала, предпочтительно максимальна. Это позволяет снизить число границ зерен покрывающей пленки 22 карбида тантала по сравнению с обычными случаями. Кроме того, величина полуширины дифракционной линии плоскости (311) или плоскости (220) в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки карбида тантала предпочтительно составляет не больше чем 0,12 градусов. Так как это дает покрывающую пленку 22 карбида тантала, имеющую высокую кристалличность и образованную достаточно выросшими кристаллическими зернами карбида тантала, число границ зерен в покрывающей пленке 23 карбида тантала значительно снижено по сравнению с обычными случаями.
Заметим, что при формировании покрывающей пленки карбида тантала путем CVD можно менять скорость роста покрывающей пленки, кристалличность, толщину, размеры кристаллических зерен, составляющих покрывающую пленку, и ориентацию кристаллов путем изменения условий CVD, таких как температура, давление, поток каждого газа и время обработки, или путем подходящего объединения этих условий. Условия CVD-обработки могут меняться произвольным образом специалистом в данной области техники, и такие изменения не ограничивают настоящее изобретение.
Теперь будет описан способ формирования покрывающей пленки карбида тантала, который отличается от вышеописанного способа формирования покрывающей пленки карбида тантала с помощью CVD-обработки.
Способ (4) формирования покрывающей пленки карбида тантала
Этот способ включает в себя способ формирования танталовой покрывающей пленки с формированием танталовой покрывающей пленки на углеродной подложке и процесс карбонизации для карбонизации танталовой покрывающей пленки. Данный способ будет подробно описан ниже со ссылкой на фиг.4. Сначала обеспечивают углеродную подложку 31, показанную на фиг.4(а). Затем, как показано на фиг.(b), танталовая покрывающая пленка формируется на поверхности углеродной подложки 31 (процесс формирования танталовой покрывающей пленки). Затем танталовая покрывающая пленка карбонизуется (процесс карбонизации). В результате, как показано на фиг.4(с), танталовая покрывающая пленка превращается в покрывающую пленку 32 карбида тантала.
Теперь будет подробно описан процесс формирования танталовой покрывающей пленки и процесс карбонизации.
Процесс формирования танталовой покрывающей пленки
Формирование танталовой покрывающей пленки выполняют с помощью, например, химического осаждения из газовой фазы (CVD), используя устройство, показанное на фиг.1. Источником тантала является, например, галогеновое соединение тантала, такое как пентахлорид тантала (TaCl5). Ниже описано химическое осаждение из газовой фазы (CVD) с использованием высокочастотного индукционного нагревателя, показанного на фиг.1. Заметим, что способ формирования танталовой покрывающей пленки не ограничивается CVD. Превращение (CVD), термическое напыление или физическое осаждение из газовой фазы (PVD) могут быть использованы вместо CVD. Заметим также, что способ с использованием устройства, показанного на фиг.1, может объясняться ниже не полностью, чтобы избежать избыточности.
Предварительная обработка в способе формирования покрывающей танталовой пленки
Одну или несколько углеродных подложек 1 обеспечивают в CVD - реакционной камере (см. фиг.4(а)), и давление в CVD -реакционной камере снижают до приблизительно 0,1-0,01 Торр (13,33 Па - 1,333 Па). Затем выполняют обезгаживание путем нагрева внутреннего пространства CVD - реакционной камеры. Более конкретно, после ввода водородного газа при 7000 см3/мин в CVD - реакционную камеру, внутреннее пространство CVD - реакционной камеры нагревают до приблизительно 1100 градусов Цельсия. Таким образом выполняют обезгаживание CVD - реакционной камеры.
Способ формирования танталовой покрывающей пленки с использованием высокочастотного индукционного нагревателя
Теперь будет описан процесс формирования танталовой покрывающей пленки с помощью CVD-обработки. Давление в CVD - реакционной камере снижают до 10 Торр (1333 Па) или ниже, поддерживая температуру в CVD - реакционной камере приблизительно 800 градусов Цельсия или выше и используя регулируемый клапан. Затем, в качестве исходного газа галогеновое соединение тантала, такое как пентахлорид тантала (TaCl5), вводят в CVD - реакционную камеру при скорости потока 10-20 см3/мин. Кроме того, в качестве газа-носителя вводят, например, аргоновый газ, водородный газ или их смесь. Заметим, что единица [см3/мин] обозначает количество (см3) газа, протекающего за минуту, в стандартных условиях. В указанных выше условиях, танталовая покрывающая пленка формируется на поверхности углеродной подложки 1 (см. фиг.4(b)).
Заметим, что при формировании танталовой покрывающей пленки путем CVD можно менять скорость роста покрывающей пленки, кристалличность, толщину, размеры кристаллических зерен, составляющих покрывающую пленку, и ориентацию кристаллов путем изменения условий CVD, таких как температура, давление, поток каждого газа и время обработки, или путем подходящего объединения этих условий. Условия CVD-обработки могут меняться произвольным образом специалистом в данной области техники, и такие изменения не ограничивают настоящее изобретение.
Танталовая покрывающая пленка
Танталовая покрывающая пленка, полученная с помощью вышеописанного способа, образована из кристаллических зерен тантала. Танталовая покрывающая пленка имеет дифракционные пики, соответствующие плоскости (100), плоскости (200), плоскости (211) и плоскости (220) кристаллов тантала в рентгеновской дифракции. Кроме того, дифракционный пик плоскости (200) демонстрирует максимальную интенсивность дифракции, тогда как величина полуширины этой плоскости (200) составляет 0,2 градуса или меньше. Когда коэффициент теплового расширения углеродной подложки 31 составляет 6,5×10-6-8,0×10-6/К, углеродная подложка 31 и танталовая покрывающая пленка имеют разные коэффициенты теплового расширения. В связи с этим, так как танталовая покрывающая пленка имеет внутренние напряжения, смещение пика и расщепление пика наблюдаются в спектре рентгеновской дифракции.
Танталовая покрывающая пленка размягчается при температуре приблизительно 1100 градусов Цельсия или выше и подгоняется к форме нерегулярностей на углеродной подложке 31. Это позволяет танталовой покрывающей пленке проникать в поры на поверхности углеродной подложки 31 с тем результатом, что степень тесного контакта между углеродной подложкой 31 и танталовой покрывающей пленкой улучшается.
Теперь будет описан процесс карбонизации танталовой покрывающей пленки, образованной с помощью вышеописанного способа.
Карбонизация танталовой покрывающей пленки
В изображенной печи карбонизации обеспечивают углеродную подложку 31, имеющую на себе танталовую покрывающую пленку (фиг.4(b)). При карбонизации температуру печи карбонизации поддерживают при 1700-2500 градусов Цельсия, а давление в печи карбонизации доводят до 10-2 - 10 Па. В качестве источника углерода для карбонизации используют графитный материал, который обеспечивают заранее, или углерод, включенный в графитовый стержень в печи карбонизации. Вследствие присутствия такого углерода, танталовая покрывающая пленка превращается в покрывающую пленку карбида тантала (фиг.4(с)).
Согласно данному способу, танталовая покрывающая пленка, форма которой соответствует нерегулярностям на поверхности углеродной подложки 1, карбонизуется. В результате, получается покрывающая пленка карбида тантала, которая тесно контактирует с углеродной подложкой и не изнашивается с легкостью в горячей среде.
Заметим, что путем повторения процесса формирования танталовой покрывающей пленки и процесса карбонизации в данном порядке множество раз согласно способу (4), можно легко менять толщину покрывающей пленки карбида тантала. Кроме того, можно менять толщину танталовой покрывающей пленки путем повторения процесса формирования танталовой покрывающей пленки множество раз до процесса карбонизации. Когда процесс формирования танталовой покрывающей пленки и процесс карбонизации повторяют множество раз в данном порядке, и когда процесс формирования танталовой покрывающей пленки повторяют множество раз, происходит процесс покрытия танталом, пока покрываемый объект поддерживается опорой. В связи с этим, положение опоры меняют так, что непокрытая часть, образованная в начальном процессе формирования танталовой покрывающей пленки из-за опоры, покрывается во втором или последующем процессе формирования танталовой покрывающей пленки. При этом покрывающая пленка карбида тантала образуется на всей поверхности углеродной подложки.
Теперь будет описан способ, использующий вышеописанный способ (4) формирования покрывающей пленки карбида тантала и вышеописанный способ изготовления покрывающей пленки карбида тантала с помощью CVD-обработки.
Способ (5) формирования покрывающей пленки карбида тантала
В покрывающей пленке карбида тантала, полученной с помощью вышеописанного способа (4) формирования покрывающей пленки карбида тантала, дифракционная линия плоскости (311) карбида тантала демонстрирует максимальную интенсивность дифракции в спектре рентгеновской дифракции. В покрывающей пленке карбида тантала, полученной с помощью CVD-обработки, дифракционная линия плоскости (311) или плоскости (220) карбида тантала демонстрирует максимальную интенсивность дифракции в спектре рентгеновской дифракции.
В результате упорного исследования изобретатели настоящего изобретения обнаружили, что, когда новая покрывающая пленка карбида тантала формируется на покрывающей пленке карбида тантала, новая пленка следует кристаллической ориентации базовой покрывающей пленки карбида тантала. Это верно для кристаллической ориентации покрывающей пленки карбида тантала, полученной с помощью разных способов изготовления. Эта особенность позволяет выполнять множественное покрытие с формированием, например, карбонизованной покрывающей пленки карбида тантала на покрывающей пленке карбида тантала, полученной с помощью CVD-обработки. В связи с этим, покрывающая пленка карбида тантала предпочтительно организована так, что дифракционная линия плоскости (311) карбида тантала является максимальной в спектре рентгеновской дифракции. Причина этого будет описана позднее. Следовательно, покрывающая пленка карбида тантала, полученная с помощью вышеописанного способа (4) формирования покрывающей пленки карбида тантала, в которой дифракционная линия плоскости (311) является максимальной, предпочтительно используется в качестве первой покрывающей пленки карбида тантала. На этой первой покрывающей пленке карбида тантала, например, покрывающая пленка карбида тантала формируется с помощью CVD-обработки. Таким образом, легко получается множественная покрывающая пленка, в которой дифракционная линия плоскости (311) карбида тантала демонстрирует максимальную интенсивность в самом верхнем спектре рентгеновской дифракции. Кроме того, можно снизить число этапов при получении множественной покрывающей пленки по сравнению с вышеописанным случаем, когда покрывающую пленку карбида тантала повторно формируют с помощью способа (4) формирования покрывающей пленки карбида тантала. Однако величина полуширины дифракционной линии плоскости (311) или плоскости (220) в спектре рентгеновской дифракции в каждой покрывающей пленке предпочтительно составляет 0,12 градусов или меньше. В результате, множественные покрывающие пленки, в которых, по меньшей мере, две разных покрывающих пленки карбида тантала нанесены в сечении, формируются на углеродной подложке.
В добавление к вышесказанному, первая покрывающая пленка карбида тантала предпочтительно имеет максимальную величину пика, по меньшей мере, 80 градусов при угле ориентации плоскости (311), соответствующей дифракционному пику карбида тантала, как определено с помощью рентгеновской дифракции. Вследствие этого, главным образом, существуют кристаллические зерна, имеющие плоскости (311), которые параллельны поверхности углеродной подложки, образующие первую покрывающую пленку карбида тантала. Согласно вышеописанной организации, путем формирования новой покрывающей пленки карбида тантала на первой покрывающей пленке карбида тантала можно получить, по меньшей мере, две покрывающих пленки карбида тантала, где новая пленка следует параметрам базовой пленки. В результате, получают две или больше тонкозернистые высокопрочные покрывающие пленки карбида тантала, каждая из которых имеет малое число границ зерен. Кроме того, первая покрывающая пленка карбида тантала предпочтительно имеет максимальную величину пика, по меньшей мере, 80 градусов при угле ориентации плоскости (220), соответствующей дифракционному пику карбида тантала, как определено с помощью рентгеновской дифракции. Вследствие этого, главным образом, существуют кристаллические зерна, имеющие плоскости (220), которые параллельны поверхности углеродной подложки, образующие первую покрывающую пленку карбида тантала. Согласно вышеописанной организации, путем формирования новой покрывающей пленки карбида тантала на первой покрывающей пленке карбида тантала можно получить, по меньшей мере, две покрывающих пленки карбида тантала, где новая пленка следует параметрам базовой пленки. В результате, получают две или больше тонкозернистые высокопрочные покрывающие пленки карбида тантала, каждая из которых имеет малое число границ зерен. Кроме того, сумма интенсивностей дифракционных линий, соответствующих плоскости (311) и плоскости (220) в спектре рентгеновской дифракции первой покрывающей пленки карбида тантала, предпочтительно составляет не меньше чем 0,5 и не больше чем 0,9 относительно суммы всех интенсивностей дифракционных линий всех кристаллических плоскостей карбида тантала в спектре рентгеновской дифракции первой покрывающей пленки карбида тантала. Вследствие этого, первая покрывающая пленка карбида тантала образована достаточно выросшими кристаллическими зернами карбида тантала. Согласно вышеописанной организации, путем формирования новой покрывающей пленки карбида тантала на первой покрывающей пленке карбида тантала можно получить, по меньшей мере, две покрывающих пленки карбида тантала, где новая пленка следует параметрам базовой пленки. В результате, получают две или больше тонкозернистые высокопрочные покрывающие пленки карбида тантала, каждая из которых имеет малое число границ зерен.
Теперь будет описан покрытый карбидом тантала углеродный материал настоящего изобретения, полученный с помощью всех вышеописанных способов. Заметим, что углеродная подложка 41 соответствует углеродным подложкам 1, 21 и 31 выше, тогда как покрывающая пленка 42 карбида тантала соответствует покрывающим пленкам карбида тантала 2, 22, 23 и 32 выше.
Как показано на фиг.5, покрытый карбидом тантала углеродный материал 400 включает в себя углеродную подложку 41 и покрывающую пленку 42 карбида тантала, образованную на углеродной подложке 41.
Покрывающая пленка 42 карбида тантала
Покрывающая пленка 42 карбида тантала образована из кристаллических зерен карбида тантала. Заметим, что карбид тантала означает соединение из атомов тантала и атомов углерода и выражается, например, химической формулой ТаС или Та2С.
Ориентация кристаллической плоскости
Покрывающая пленка 42 карбида тантала имеет максимальную величину пика, по меньшей мере, 80 градусов при угле ориентации плоскости (311), соответствующей дифракционному пику карбида тантала, как определено с помощью рентгеновской дифракции. Кроме того, покрывающая пленка 42 карбида тантала имеет максимальную величину пика, по меньшей мере, 80 градусов при угле ориентации плоскости (220), соответствующей дифракционному пику карбида тантала, как определено с помощью рентгеновской дифракции.
Угол ориентации измеряют с помощью нижеописанного способа. Как показано на фиг.6, рентгеновские лучи направляют при вращении покрытого карбидом тантала углеродного материала 400, и измеряют углы (углы ориентации), при которых появляются дифракционные пики плоскости (220) и плоскости (311) карбида тантала. Результаты показаны на фиг.9, 12, 15, 19, 21, 24 и 26. В графиках, показанных на фиг.9, 12, 15, 19, 21, 24 и 26, горизонтальная ось указывает угол ориентации (α), показанный на фиг.6. Вертикальная ось указывает интенсивность.
Так как рост кристаллических зерен облегчается расположением кристаллов, образующих покрывающую пленку карбида тантала, ориентированным как показано выше, число границ зерен в покрывающей пленке карбида тантала существенно снижается. Причина этого будет описана ниже.
Кристаллические плоскости, наблюдаемые в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки карбида тантала, представляют собой, главным образом, плоскость (111), плоскость (200), плоскость (220), плоскость (311), плоскость (222) и плоскость (400). Среди этих кристаллических плоскостей плоскость (111) параллельна плоскости (222), а плоскость (200) параллельна плоскости (400). По этой причине, обсуждение ниже касается соотношений плоскости (111), плоскости (200), плоскости (220) и плоскости (311) среди вышеуказанных кристаллических плоскостей.
Так как кристаллы карбида тантала являются кубическими кристаллами, индексы плоскостей (кристаллографических плоскостей) всегда нормальны к направленным индексам (кристаллографическое направление). Для четырех плоскостей из плоскости (111), плоскости (200), плоскости (220) и плоскости (311) углы между данными плоскостями всегда равны 54,7 градусов между плоскостью (111) и плоскостью (200), 35,3 градусов между плоскостью (111) и плоскостью (220), 29,5 градусов между плоскостью (111) и плоскостью (311), 45,0 градусов между плоскостью (200) и плоскостью (220), 25,2 градусов между плоскостью (200) и плоскостью (311) и 31,5 градусов между плоскостью (220) и плоскостью (311). При условии, что направленные индексы указанной кристаллической плоскости ортогональны поверхности углеродной подложки, углы, образованные указанной кристаллической плоскостью и другими кристаллическими плоскостями, показаны в таблице 1.
Покрывающая пленка карбида тантала, образованная с помощью способа (4) формирования покрывающей пленки карбида тантала, содержащего процесс формирования танталовой покрывающей пленки и процесс карбонизации
Плотности тантала и карбида тантала составляют 16,65 г/см3 и 13,90 г/см3 соответственно. Вследствие этого, когда танталовая покрывающая пленка карбонизуется и превращается в покрывающую пленку карбида тантала, происходит объемное расширение с тем результатом, что шаг решетки каждой кристаллической плоскости расширяется. В этой связи, предполагается, что чем ближе направленный индекс каждой кристаллической плоскости к направлению вертикали к поверхности углеродной подложки, тем меньше становится внутреннее напряжение покрывающей пленки карбида тантала, и, следовательно, число границ зерен снижается.
Покрывающая пленка карбида тантала, образованная с помощью способов изготовления (1), (2) и (3) покрывающей пленки карбида тантала путем CVD-обработки
В покрывающей пленке карбида тантала, сформированной с помощью способа (1), (2) или (3), образуются кристаллические зародыши карбида тантала и эти кристаллические зародыши растут. Направление роста каждой кристаллической плоскости карбида тантала параллельно направленному индексу. Рост кристаллических зерен карбида тантала затрудняется, когда каждое зерно сталкивается с другими соседними кристаллическими зернами. Считается, что, так как направленный индекс каждой кристаллической плоскости в кристалле карбида тантала близок к вертикали относительно поверхности углеродной подложки, внутреннее напряжение, вызываемое соседними кристаллическими зернами, становится небольшим и рост меньше затрудняется. В результате кристаллические зерна развиваются, и число границ зерен уменьшается.
Следовательно, согласно таблице 1, предпочтительно, что плоскость (220) покрывающей пленки 42 карбида тантала преимущественно параллельна поверхности углеродной подложки, и плоскость (311) преимущественно параллельна поверхности углеродной подложки 41. Кроме того, кристаллические зерна, в которых плоскости (311) параллельны поверхности углеродной подложки 41, и кристаллические зерна, в которых плоскости (220) параллельны поверхности углеродной подложки 41, могут быть смешаны. Это понятно из того факта, что различие между плоскостью (311) и плоскостью (220) в максимальной величине пика угла ориентации составляет не больше чем 31,5 градусов. Это позволяет формировать тонкозернистую высокопрочную покрывающую пленку 42 карбида тантала, в которой число границ зерен невелико.
Спектр рентгеновской дифракции покрывающей пленки карбида тантала
Предпочтительно, интенсивность дифракции, соответствующая плоскости (220) (далее I(220)) карбида тантала, или интенсивность дифракции, соответствующая плоскости (311) (далее I(311)), которые вычисляют с помощью спектра рентгеновской дифракции покрывающей пленки 42 карбида тантала, является максимальной. Интенсивность дифракции в этом случае указывает величину пика, который возникает в ответ на угол дифракции, специфический для каждой кристаллической плоскости. Кроме того, предпочтительно, сумма I(220) и I(311) попадает в диапазон от не меньше чем 0,5 до не больше чем 0,9 относительно полной суммы интенсивностей рентгеновской дифракции соответствующих кристаллических плоскостей.
Полная сумма интенсивностей рентгеновской дифракции соответствующих кристаллических плоскостей, которая выражается как (I(111)+I(200)+I(311)+I(222)+I(400)), представляет собой полную сумму интенсивности рентгеновской дифракции (далее I(111)), вычисленной с помощью спектра рентгеновской дифракции и соответствующей плоскости (111), интенсивности рентгеновской дифракции (далее I(200)), соответствующей плоскости (200), интенсивности рентгеновской дифракции (далее I(220)), соответствующей плоскости (220), интенсивности рентгеновской дифракции (далее I(311)), соответствующей плоскости (311), интенсивности рентгеновской дифракции (далее I(222)), соответствующей плоскости (222) и интенсивности рентгеновской дифракции (далее I(400)), соответствующей плоскости (400). Далее, полная сумма будет обозначаться как Ip. Кроме того, интенсивности рентгеновской дифракции и их полная сумма сравниваются на основании интегральных интенсивностей.
Когда сумма I(220) и I(311) карбида тантала попадает в интервал от не меньше чем 0,5 до не больше чем 0,9 относительно полной суммы Ip интенсивностей рентгеновской дифракции соответствующих кристаллических плоскостей, число границ зерен в покрывающей пленке карбида тантала невелико.
Заметим, что, когда сумма I(220) и I(311) карбида тантала меньше чем 0,5 относительно полной суммы Ip интенсивностей рентгеновской дифракции соответствующих кристаллических плоскостей, считается, что внутреннее напряжение, возникающее от соседних кристаллических зерен, велико, и в результате рост кристаллических зерен затрудняется и число границ зерен велико. С другой стороны, когда сумма I(220) и I(311) больше чем 0,9 относительно полной суммы Ip, считается, что рост других кристаллических плоскостей является недостаточным в карбиде тантала, и кристаллические зерна в покрывающей пленке карбида тантала являются маленькими.
В добавление к вышесказанному, в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки 42 карбида тантала полная ширина на половине максимума дифракционной линии плоскости (220) или плоскости (311) карбида тантала составляет предпочтительно 0,2 градуса или меньше и более предпочтительно 0,12 градусов или меньше. Дифракционная линия плоскости (220) карбида тантала возникает при угле дифракции приблизительно 58,6 градусов, а дифракционная линия плоскости (311) возникает при угле дифракции приблизительно 70,0 градусов. Высота интенсивности дифракции показывает максимальную высоту пика. Полная ширина на половине максимума дифракционной линии показывает ширину пика при интенсивности, составляющей половину интенсивности при максимальной высоте. Она используется как показатель кристалличности.
Таким образом, во всех вышеописанных способах (1)-(5) формирования покрывающей пленки карбида тантала кристаллические зерна растут значительно, и число границ зерен в покрывающей пленке карбида тантала невелико.
Спектр рентгеновской дифракции покрывающей пленки 42 карбида тантала может быть измерен с использованием в качестве рентгеновского анализатора Ulutima от Rigaku Corporation.
Газопроницаемость
В покрывающей пленке 42 карбида тантала газопроницаемость предпочтительно составляет не больше чем 10-7 см2/с и более предпочтительно 10-8-10-11 см2/с. Покрывающая пленка 42 карбида тантала является тонкозернистой, когда газопроницаемость попадает в вышеуказанный интервал. Углеродная подложка обычно имеет газопроницаемость азота 10-2-10-3 см2/с. По этой причине, когда азотная газопроницаемость покрывающей пленки 42 карбида тантала не выше чем 10-7 см2/с, азотная газопроницаемость покрывающей пленки 42 карбида тантала в 10-5-10-4 раз выше чем азотная газопроницаемость углеродной подложки. Когда покрывающая пленка карбида тантала является тонкозернистой, данная пленка является термостойкой и устойчивой к газовому травлению.
Азотная газопроницаемость покрывающей пленки 42 карбида тантала может быть измерена, например, с помощью устройства, показанного на фиг.6. Далее будет описан способ измерения азотной газопроницаемости образца покрывающей пленки карбида тантала при использовании устройства, показанного на фиг.6.
Измеряемый образец формируют в виде диска, имеющего диаметр приблизительно 30 мм или больше, и сушат в достаточной степени перед измерением азотной газопроницаемости. Высушенный измеряемый образец помещают в передающую ячейку, показанную на фиг.7, и давления первичной и вторичной сторон передающей ячейки снижают до заданного состояния вакуума с помощью роторного насоса (роторный вакуумный насос) и турбомолекулярного насоса. Затем роторный насос останавливают, закрывая клапан (V1, показанный на фиг.7). Потом газообразный азот подают на первичную сторону передающей ячейки при постоянном давлении газа. Газообразный азот движется из первичной стороны во вторичную сторону сквозь измеряемый образец, и давление в результате во вторичной стороне начинает расти. Скорость этого роста давления измеряют. На основании этой скорости роста давления газопроницаемость (К) вычисляют по следующим уравнениям (2) и (3).
К=(QL)/(ΔРА) (2)
Q={(р2-р1)V0}/t (3)
При этом, К обозначает азотную газопроницаемость, Q обозначает величину потока воздуха, ΔР обозначает разницу давлений между первичной стороной и вторичной стороной, А обозначает передающую область, L обозначает толщину измеряемого образца, р1 обозначает исходное давление на вторичной стороне, р2 обозначает конечное давление на вторичной стороне, V0 обозначает емкость вторичной стороны, и t обозначает время измерения.
На основании вышеуказанного способа измерения и способа вычисления азотная газопроницаемость (К2) покрывающей пленки 42 карбида тантала вычислена ниже. Сначала, измеряют азотную газопроницаемость (К0) покрытого карбидом тантала углеродного материала 400. Затем покрывающую пленку 42 карбида тантала, образованную на всей углеродной подложке 41, удаляют путем измельчения, и измеряют азотную газопроницаемость (К1) только углеродной подложки 41. Потом азотную газопроницаемость (К2) вычисляют с помощью соответствующего выражения (4) ниже.
(L1+L2)/К0=L1/К1+L2/К2 (4)
Здесь L1 обозначает толщину углеродной подложки, а L2 обозначает покрывающую пленку карбида тантала.
Толщина покрывающей пленки карбида тантала
Толщина покрывающей пленки 42 карбида тантала предпочтительно составляет 10-100 мкм. Когда толщина покрывающей пленки карбида тантала меньше чем 10 мкм, газопроницаемость высока и, следовательно, термостойкость и устойчивость к газовому травлению недостаточны.
Теперь будет описана углеродная подложка.
Способ получения углеродной подложки
Связующее (например, смолу) подмешивают в исходный порошок, и данную смесь перемалывают и спекают, получая в результате углеродную подложку. По необходимости, можно дополнительно выполнять графитизацию и очистку известными способами. Кроме того, можно выполнять обработку поверхности углеродной подложки. Она загрубляет поверхность углеродной подложки, и, следовательно, степень тесного контакта между углеродной подложкой и покрывающей пленкой карбида тантала улучшается.
Углеродная подложка
Содержание золы в углеродной подложке
Углеродная подложка предпочтительно включает в себя небольшое количество примесей по возможности. Более конкретно, элементы, включенные в углеродную подложку в качестве примесей, предпочтительно представляют собой содержание 0,3 ч/млн или меньше алюминия, 1,0 ч/млн или меньше железа, 0,1 ч/млн или меньше магния и 0,1 ч/млн или меньше кремния. Кроме того, полное содержание золы (которое может обозначаться как содержание золы в данном описании) в углеродной подложке предпочтительно составляет 10 ч/млн или меньше. Содержание золы может быть измерено с помощью способа измерения содержания золы, заданного в JIS-R-7223.
Давление газовыделения углеродной подложки
Давление газовыделения углеродной подложки предпочтительно не выше чем 10-4 Па/г при температуре выделения 1000 градусов Цельсия. Давление газовыделения при указанной температуре 1000 градусов Цельсия означает изменение давления, происходящее от роста давления в атмосфере из-за десорбции молекул газа, приставших к поверхности и порам углеродной подложки, при температуре 1000 градусов Цельсия. Более конкретно, оно может быть измерено с помощью спектроскопии термической десорбции (СТД), описанной в японском патенте № 2684106. Когда давление газовыделения высоко, CVD-печь сильно загрязняется во время дегазации, и примеси могут включаться в покрывающую пленку карбида тантала.
Коэффициент теплового расширения углеродной подложки
Коэффициент теплового расширения покрывающей пленки карбида тантала попадает в интервал 6,5-8,0×10-6/К. В этой связи, коэффициент теплового расширения углеродной подложки предпочтительно попадает в интервал 6,5-8,0×10-6/К. Используя такую углеродную подложку, можно получить покрытый карбидом тантала углеродный материал, в котором мало различие коэффициента теплового расширения между углеродной подложкой и покрывающей пленкой карбида тантала. При этом, когда разбухание или усадка происходит при изменении температуры в покрытом карбидом тантала углеродном материале, термическое напряжение не возникает с легкостью в покрывающей пленке карбида тантала, и, следовательно, покрывающая пленка карбида тантала не отслаивается с легкостью.
Коэффициент теплового расширения углеродной подложки может быть измерен с помощью термомеханического анализатора (Thermo Plus2 TMA8310) от Rigaku Corporation, например. Другие анализаторы могут быть использованы вместо этого.
Плотность углеродной подложки
Плотность углеродной подложки предпочтительно попадает в интервал 1,65-1,90 г/см3 и более предпочтительно попадает в интервал 1,73-1,83 г/см3. Когда плотность углеродной подложки находится в указанном интервале, механическая прочность углеродной подложки высока.
Средний радиус каждой из пор углеродной подложки предпочтительно составляет 0,01-5 мкм. Это дает достаточное закрепляющее действие, и в результате покрывающая пленка карбида тантала не отслаивается с легкостью от углеродной подложки. Средний радиус пор может быть измерен с помощью ртутного порозиметра, который производит измерение с помощью способа ртутного сдавливания. Диаметр соответствует половине накопительной емкости поры, когда максимальное давление составляет 98 МПа, и контактный угол между образцом и ртутью составляет 141,3 градусов. Когда средний радиус пор меньше чем 0,01 мкм, закрепляющее действие недостаточно, и, следовательно, покрывающая пленка карбида тантала легко отслаивается от углеродной подложки.
Размер и состояние углеродной подложки не ограничиваются показанными на фиг.2-5. Размер и состояние углеродной подложки может изменяться различным образом. Например, выступы могут быть образованы на верхней поверхности углеродной подложки.
Теперь будет описано, почему углеродная подложка применяется в качестве основы. Подложка для формирования покрывающей пленки карбида тантала предпочтительно является углеродной подложкой или танталовой подложкой. Углеродная подложка является предпочтительной из-за ее высокой обрабатываемости. С другой стороны, когда применяется танталовая подложка, в некоторых рабочих средах углерод в покрывающей пленке карбида тантала диффундирует в танталовую подложку, в результате чего все, включая подложку, становится керамическим и теряет ударную вязкость, т.е. становится хрупким. По этой причине, когда жесткая углеродная подложка используется в качестве центральной подложки, можно предотвращать все, включая подложку, от превращения в карбид тантала, и, следовательно, получается высокопрочный долговечный, покрытый карбидом тантала углеродный материал.
Пустоты
Пустоты являются коллективным названием отверстий, которые образуются на поверхности покрывающей пленки карбида тантала, и имеют от нескольких десятков до нескольких сотен нанометров в радиусе. Считается, что пустоты образуются, когда остаточные вещества на границах зерен выделяются вдоль границ зерен. Далее приведены две причины этого. Во-первых, недоразвитые кристаллы карбида тантала, примеси или подобное остаются на границах зерен. Во-вторых, разложение происходит от границ зерен, так как их прочность меньше, чем прочность кристаллических зерен. По этим двум причинам считается, что границы зерен, имеющие низкую прочность, разрушаются во время термической обработки покрывающей пленки карбида тантала, остаточные вещества на границах зерен выделяются вдоль границ зерен, и образуются пустоты. Образование пустот, следовательно, сдерживается в покрывающей пленке с меньшим числом границ зерен.
Кроме того, когда число границ зерен в покрывающей пленке карбида тантала мало, даже если маленькие трещины образуются внутри покрывающей пленки, данные трещины с трудом расширяются и с трудом достигают поверхности покрывающей пленки карбида тантала. Заметим, что трещины образуется путем, например, напряжения, вызываемого различием в коэффициенте теплового расширения между углеродной подложкой и покрывающей пленкой карбида тантала, и напряжения из-за термического удара.
Покрытый карбидом тантала углеродный материал используется, например, в компонентах аппаратуры роста монокристаллов и аппаратуры эпитаксиального роста для полупроводникового соединения и опоры. В аппаратуре роста монокристаллов и аппаратуре эпитаксиального роста используется травящий газ, такой как высокотемпературный (не ниже чем 1000 градусов Цельсия) аммиачный газ, хлороводородный газ или подобное. В этом отношении, мелкозернистость покрывающей пленки карбида тантала ухудшается, когда пустоты и трещины образуются в ней. По этой причине, травящий газ изнашивает углеродную подложку. Кроме того, примеси, выделяющиеся из углеродной подложки, изношенной травящим газом, могут проходить через покрывающую пленку карбида тантала и загрязнять продукт.
Как описано выше, так как покрывающая пленка 42 карбида тантала имеет максимальную величину пика, по меньшей мере, 80 градусов при угле ориентации плоскости (311), соответствующей дифракционному пику карбида тантала, как определено с помощью рентгеновской дифракции, в покрывающей пленке 42 карбида тантала существуют, главным образом, кристаллические зерна, имеющие плоскости (311), которые параллельны поверхности углеродной подложки 41, которая является частью покрывающей пленки 42 карбида тантала. Так как рост кристаллических зерен, образующих покрывающую пленку 42 карбида тантала облегчается, можно существенно снизить число границ зерен в покрывающей пленке 42 карбида тантала по сравнению с обычными случаями. Следовательно, получается тонкозернистая высокопрочная покрывающая пленка 42 карбида тантала, и срок службы покрытого карбидом тантала углеродного материала 400 увеличивается.
Кроме того, так как покрывающая пленка карбида тантала имеет максимальную величину пика, по меньшей мере, 80 градусов при угле ориентации плоскости (220), соответствующей дифракционному пику карбида тантала, как определено с помощью рентгеновской дифракции, в покрывающей пленке 42 карбида тантала существуют, главным образом, кристаллические зерна, имеющие плоскости (220), которые параллельны поверхности углеродной подложки 41, которая является частью покрывающей пленки 42 карбида тантала. Так как рост кристаллических зерен, образующих покрывающую пленку 42 карбида тантала облегчается, можно существенно снизить число границ зерен в покрывающей пленке 42 карбида тантала по сравнению с обычными случаями.
В добавление к вышесказанному, так как сумма интенсивностей дифракционных линий, соответствующих плоскости (311) и плоскости (220) в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки 42 карбида тантала, составляет не ниже чем 0,5 и не выше чем 0,9 по сравнению с полной суммой интенсивностей дифракционных линий, соответствующих всем кристаллическим плоскостям карбида тантала в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки 42 карбида тантала, получается покрывающая пленка 42 карбида тантала, имеющая достаточно выросшие кристаллические зерна карбида тантала и значительно сниженное число границ зерен.
В добавление к вышесказанному, так как интенсивность дифракционной линии, соответствующей плоскости (311) или плоскости (220) в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки 42 карбида тантала, является максимальной, число границ зерен в покрывающей пленке 42 карбида тантала снижено по сравнению с обычными случаями.
В добавление к вышесказанному, так как в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки 42 карбида тантала величина полуширины дифракционной линии плоскости (220) или плоскости (311) составляет 0,2 градуса или ниже, покрывающая пленка карбида тантала образована достаточно выросшими кристаллическими зернами карбида тантала, имеющими высокую кристалличность, в результате чего число границ зерен в покрывающей пленке 42 карбида тантала существенно снижено по сравнению с обычными случаями.
В добавление к вышесказанному, согласно способам (2), (4) и (5) кристаллические зерна, составляющие покрывающую пленку 42 карбида тантала, постепенно увеличиваются в размере от поверхности углеродной подложки 41 к внешней поверхности покрывающей пленки 42 карбида тантала. При этом степень тесного контакта между покрывающей пленкой 42 карбида тантала и углеродной подложкой 41 улучшается, тогда как число границ зерен, которые могут генерировать пустоты, существенно снижается.
Согласно способу настоящего изобретения (вышеописанный способ (2) формирования покрывающей пленки карбида тантала с помощью CVD-обработки), кристаллические зародыши карбида тантала формируются в углублениях поверхности углеродной подложки, и кристалличность покрывающей пленки карбида тантала постепенно улучшается путем постепенного увеличения производственной температуры на этапе роста кристаллов. Так как это позволяет формировать покрывающую пленку карбида тантала, соответствующую нерегулярностям поверхности углеродной подложки, покрывающая пленка карбида тантала не отслаивается с легкостью от углеродной подложки, и число границ зерен невелико в покрывающей пленке карбида тантала по сравнению с обычными случаями, так как кристалличность улучшается вблизи внешней поверхности покрывающей пленки карбида тантала.
В добавление к вышесказанному, так как на этапе формирования кристаллического зародыша температуры, при которых формируются зародыши карбида тантала, составляют 850-950 градусов Цельсия, достаточно кристаллических зародышей карбида тантала формируется в углублениях поверхности углеродной подложки, и получается покрывающая пленка карбида тантала, прилегающая к нерегулярностям на поверхности углеродной подложки, в результате чего степень тесного контакта между покрывающей пленкой карбида тантала и углеродной подложкой улучшается.
В добавление к вышесказанному, так как увеличение температуры на этапе нагрева составляет 50 градусов Цельсия или больше, покрывающая пленка карбида тантала, прилегающая к нерегулярностям на поверхности углеродной подложки, получается вблизи поверхности углеродной подложки, тогда как покрывающая пленка карбида тантала, в которой кристаллические зерна выросли и число границ зерен мало, получается вблизи покрывающей пленки карбида тантала.
В добавление к вышесказанному, так как производственная температура поддерживается неизменной после этапа нагрева, можно сформировать покрывающую пленку карбида тантала, имеющую выросшие кристаллические зерна. Следовательно, можно получить покрывающую пленку карбида тантала, имеющую малое число границ зерен по сравнению с обычными случаями и имеющую желаемую толщину.
В добавление к вышесказанному, так как на этапе нагрева производственная температура увеличивается с постоянной скоростью, быстрое увеличение кристалличности кристаллических зерен карбида тантала предотвращается, и поэтому предотвращается отслаивание покрывающей пленки карбида тантала. В результате, кристалличность покрывающей пленки карбида тантала постепенно улучшается.
В добавление к вышесказанному, согласно, например, вышеописанному способу (3) настоящего изобретения, число границ зерен в покрывающей пленке 22 карбида тантала, сформированной в процессе формирования покрывающей пленки карбида тантала, значительно меньше по сравнению с обычными случаями, и примеси не выделяются из покрывающей пленки 22 карбида тантала во время формирования новой покрывающей пленки карбида тантала (второй процесс формирования). По этой причине, никакой примесный газ не захватывается между базовой покрывающей пленкой 22 карбида тантала и новой покрывающей пленкой 23 карбида тантала. Кроме того, кристалличность базовой покрывающей пленки 22 карбида тантала редко изменяется во время формирования новой покрывающей пленки 23 карбида тантала, и, следовательно, кристалличность базовой пленки 22, по существу, идентична кристалличности новой покрывающей пленки 23 карбида тантала. Базовая покрывающая пленка 22 карбида тантала и покрывающая пленка 23 карбида тантала, следовательно, тесно контактируют друг с другом вследствие, по существу, отсутствия различия в кристалличности. Как описано выше, так как покрывающая пленка карбида тантала имеет максимальную величину пика, по меньшей мере, 80 градусов при угле ориентации плоскости (311), соответствующей дифракционному пику карбида тантала, как определено с помощью рентгеновской дифракции, в покрывающей пленке карбида тантала существуют, главным образом, кристаллические зерна, имеющие плоскости (311), которые параллельны поверхности углеродной подложки, которая является частью покрывающей пленки карбида тантала. Так как рост кристаллических зерен, составляющих покрывающую пленку карбида тантала, облегчается, число границ зерен в покрывающей пленке карбида тантала существенно снижается по сравнению с обычными случаями. Следовательно, получается тонкозернистая высокопрочная покрывающая пленка карбида тантала, и срок жизни покрытого карбидом тантала углеродного материала удлиняется.
В добавление к вышесказанному, первый процесс формирования и второй процесс формирования выполняют, когда углеродная подложка 21 поддерживается опорным стержнем 25 (опора), и непокрытая часть покрывающей пленки 22 карбида тантала, образованная за счет опорного стержня 25 в первом процессе формирования, покрывается во втором процессе формирования. Таким образом, покрывающая пленка карбида тантала формируется на всей поверхности углеродной подложки 21.
В добавление к вышесказанному, когда способ формирования (2) покрывающей пленки карбида тантала с помощью CVD-обработки выполняют в первом процессе формирования, а способ формирования (1) покрывающей пленки карбида тантала с помощью CVD-обработки выполняют во втором процессе формирования, кристаллические зародыши карбида тантала формируются в углублениях поверхности углеродной подложки, в результате чего формируется покрывающая пленка карбида тантала, прилегающая к нерегулярностям поверхности углеродной подложки. Это позволяет получать покрывающую пленку карбида тантала, которая не отслаивается с легкостью от углеродной подложки. Кроме того, кристалличность покрывающей пленки карбида тантала постепенно улучшается путем постепенного увеличения производственной температуры на этапе роста кристаллов. В результате, кристалличность развивается вблизи поверхности покрывающей пленки карбида тантала, и, следовательно, получается покрывающая пленка карбида тантала, имеющая малое число границ зерен по сравнению с обычными случаями.
В добавление к вышесказанному, так как покрывающая пленка карбида тантала имеет максимальную величину пика, по меньшей мере, 80 градусов при угле ориентации плоскости (220), соответствующей дифракционному пику карбида тантала, как определено с помощью рентгеновской дифракции, в покрывающей пленке карбида тантала существуют, главным образом, кристаллические зерна, имеющие плоскости (220), которые параллельны поверхности углеродной подложки, которая является частью покрывающей пленки карбида тантала. Так как рост кристаллических зерен, составляющих покрывающую пленку карбида тантала, облегчается, число границ зерен в покрывающей пленке карбида тантала существенно снижается по сравнению с обычными случаями.
В добавление к вышесказанному, так как сумма интенсивностей дифракционных линий, соответствующих плоскости (311) и плоскости (220) в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки карбида тантала, составляет не ниже чем 0,5 и не выше чем 0,9 по сравнению с полной суммой интенсивностей дифракционных линий, соответствующих всем кристаллическим плоскостям карбида тантала в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки карбида тантала, получается покрывающая пленка карбида тантала, образованная достаточно выросшими кристаллическими зернами карбида тантала, и поэтому число границ зерен в покрывающей пленке карбида тантала существенно снижено по сравнению с обычными случаями.
В добавление к вышесказанному, интенсивность дифракционной линии, соответствующей плоскости (311) или плоскости (220) в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки 22 карбида тантала, является максимальной. Это позволяет снизить число границ зерен в покрывающей пленке карбида тантала по сравнению с обычными случаями.
В добавление к вышесказанному, так как величина полуширины дифракционной линии плоскости (311) или плоскости (220) в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки карбида тантала составляет не больше чем 0,12 градусов, это приводит к формированию первой покрывающей пленки карбида тантала, имеющей высокую кристалличность и образованной достаточно выросшими кристаллическими зернами карбида тантала, число границ зерен в покрывающей пленке карбида тантала существенно снижается по сравнению с обычными случаями.
В добавление к вышесказанному, согласно способу (4) формирования покрывающей пленки карбида тантала настоящего изобретения, танталовую покрывающую пленку формируют на поверхности углеродной подложки 1, и эта танталовая покрывающая пленка превращается в покрывающую пленку 2 карбида тантала. Это значительно снижает число границ зерен в карбиде тантала по сравнению с обычными случаями. Кроме того, так как танталовая покрывающая пленка формируется сначала на углеродной подложке 1, танталовая покрывающая пленка размягчается в высокотемпературной среде, в результате чего покрывающая пленка 2 карбида тантала прилегает к нерегулярностям на поверхности углеродной подложки 1. Получается покрытый карбидом тантала углеродный материал, имеющий тонкозернистую высокопрочную покрывающую пленку карбида тантала, тесно контактирующую с углеродной подложкой 1.
Кроме того, путем повторения процесса формирования танталовой покрывающей пленки и процесса карбонизации в данном порядке можно легко изменять толщину покрывающей пленки карбида тантала.
Кроме того, толщину танталовой покрывающей пленки можно менять путем повторения процесса формирования танталовой покрывающей пленки более чем один раз.
В добавление к вышесказанному, путем выполнения карбонизации при температурах от 1700 градусов Цельсия до 2500 градусов Цельсия в процессе карбонизации получается покрытый карбидом тантала углеродный материал, который не изнашивается с легкостью в высокотемпературных средах.
В добавление к вышесказанному, так как коэффициент теплового расширения углеродной подложки 1 составляет 6,5-8,0×10-6/К, коэффициент теплового расширения углеродной подложки 1 близок к коэффициенту теплового расширения карбида тантала, и поэтому термические напряжения, вызываемые в покрывающей пленке 2 карбида тантала, снижаются. Поэтому можно получить покрытый карбидом тантала углеродный материал, имеющий покрывающую пленку 2 карбида тантала, которая не отслаивается с легкостью от углеродной подложки 1.
В добавление к вышесказанному, процесс нанесения тантала выполняют, поддерживая покрываемый объект с помощью опоры, и непокрытая часть, образованная опорой в начальном процессе формирования танталовой покрывающей пленки, покрывается во втором или последующем процессе формирования танталовой покрывающей пленки. При этом покрывающая пленка карбида тантала формируется на всей поверхности углеродной подложки.
В добавление к вышесказанному, согласно способу (5) формирования покрывающей пленки карбида тантала настоящего изобретения, танталовая покрывающая пленка формируется на поверхности углеродной подложки, первая покрывающая пленка карбида тантала образуется путем превращения танталовой покрывающей пленки в покрывающую пленку карбида тантала, и вторая покрывающая пленка карбида тантала образуется на первой покрывающей пленке карбида тантала. Таким образом, легко образуется покрывающая пленка карбида тантала, следующая кристаллической ориентации первой покрывающей пленки карбида тантала, и число границ зерен существенно снижается по сравнению с обычными случаями. В результате, получается покрытый карбидом тантала углеродный материал, имеющий тонкозернистую высокопрочную покрывающую пленку карбида тантала. Кроме того, путем отличия способа изготовления второй покрывающей пленки карбида тантала от способа изготовления первой покрывающей пленки карбида тантала, только процесс формирования покрывающей пленки карбида тантала требуется в качестве производственного процесса для первой покрывающей пленки карбида тантала, который требует процесс формирования танталовой покрывающей пленки и процесс карбонизации.
В добавление к вышесказанному, путем карбонизации танталовой пленки при температурах от 1700 градусов Цельсия до 2500 градусов Цельсия в процессе карбонизации получается покрытый карбидом тантала углеродный материал, который не изнашивается с легкостью в высокотемпературных средах.
В добавление к вышесказанному, так как коэффициент теплового расширения углеродной подложки составляет 6,5-8,0×10-6/К, коэффициент теплового расширения углеродной подложки близок к коэффициенту теплового расширения карбида тантала, и поэтому термические напряжения, вызываемые в покрывающей пленке карбида тантала, снижаются. В результате, получается покрытый карбидом тантала углеродный материал, имеющий покрывающую пленку карбида тантала, которая не отслаивается с легкостью от углеродной подложки.
В добавление к вышесказанному, так как покрывающая пленка карбида тантала имеет максимальную величину пика, по меньшей мере, 80 градусов при угле ориентации плоскости (311), соответствующей дифракционному пику карбида тантала, как определено с помощью рентгеновской дифракции, в покрывающей пленке карбида тантала существуют, главным образом, кристаллические зерна, имеющие плоскости (311), которые параллельны поверхности углеродной подложки, которая является частью покрывающей пленки карбида тантала. Это позволяет получить тонкозернистую высокопрочную покрывающую пленку карбида тантала, в которой число границ зерен мало.
В добавление к вышесказанному, так как покрывающая пленка карбида тантала имеет максимальную величину пика, по меньшей мере, 80 градусов при угле ориентации плоскости (220), соответствующей дифракционному пику карбида тантала, как определено с помощью рентгеновской дифракции, в покрывающей пленке карбида тантала существуют, главным образом, кристаллические зерна, имеющие плоскости (220), которые параллельны поверхности углеродной подложки, которая является частью покрывающей пленки карбида тантала. Это позволяет получить тонкозернистую высокопрочную покрывающую пленку карбида тантала, в которой число границ зерен мало.
В добавление к вышесказанному, так как сумма интенсивностей дифракции плоскости (311) и плоскости (220) в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки карбида тантала составляет не ниже чем 0,5 и не выше чем 0,9 по сравнению с суммой всех интенсивностей дифракционных линий, соответствующих всем кристаллическим плоскостям кристаллов карбида тантала в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки карбида тантала, получается покрывающая пленка карбида тантала, образованная из достаточно выросших кристаллических зерен карбида тантала, и поэтому получается тонкозернистая высокопрочная покрывающая пленка карбида тантала, в которой число границ зерен мало.
В добавление к вышесказанному, так как интенсивность дифракционной линии, соответствующей плоскости (311) в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки карбида тантала, является максимальной, получается тонкозернистая высокопрочная покрывающая пленка карбида тантала, в которой число границ зерен мало.
В добавление к вышесказанному, так как величина полуширины дифракционной линии плоскости (311) составляет не больше чем 0,12 градусов в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки карбида тантала, достигается высокая кристалличность и достаточный рост кристаллических зерен. В результате, получается тонкозернистая высокопрочная покрывающая пленка карбида тантала, в которой число границ зерен мало.
ПРИМЕРЫ
Примеры 1-4
В данных примерах покрывающую пленку карбида тантала формировали с помощью вышеописанного способа (1) формирования покрывающей пленки карбида тантала путем CVD-обработки.
Графитовую подложку, в которой коэффициент теплового расширения был 7,8×10-6 /К, давление газовыделения было 10-6 Па/г при температуре 1000 градусов Цельсия, содержание золы было 2 ч/млн, диаметр был 60 мм и толщина была 10 мм, подвергали CVD-обработке в условиях CVD-обработки, показанных в таблице 2 ниже, и покрывающую пленку карбида тантала формировали на углеродной подложке. В этой связи, композиционное отношение С/Та покрывающей пленки карбида тантала доводили до от 1,0 до 2,0.
Изображения (СЭМ изображения) поверхностей покрывающих пленок карбида тантала, полученных в примерах 1-4, которые делали с помощью электронного микроскопа, показаны на фиг.8(а), и спектры рентгеновской дифракции показаны на фиг.8(b).
Как показано на фиг.8(а), в СЭМ изображениях из примеров 1-4 наблюдали кристаллические зерна покрывающей пленки карбида тантала. Кроме того, согласно фиг.8(b), плоскость (111), плоскость (200), плоскость (220), плоскость (311), плоскость (222) и плоскость (400) наблюдали в спектрах рентгеновской дифракции из примеров 1-4, и дифракционная линия, по меньшей мере, одной плоскости из плоскости (220) и плоскости (311) демонстрировала самую высокую интенсивность дифракции.
Теперь сумма I(220) и I(311) относительно Ip в примерах 1-4 и найденный результат величины полуширины плоскости (311) карбида тантала в каждой покрывающей пленке показаны в таблице 3.
Согласно таблице 3, сумма I(220) и I(311) относительно Ip в каждом из примеров 1-4 попадала в интервал не ниже чем 0,5 и не выше чем 0,90, и величина полуширины плоскости (311) была 0,20 или меньше.
Углы ориентации плоскости (220) и плоскости (311) карбида тантала, наблюдаемые как результат рентгеновской дифракции поверхностного слоя из примера 3, показаны на фиг.9.
Согласно фиг.9, покрывающая пленка карбида тантала из примера 3 имеет максимальную величину пика, по меньшей мере, 80 градусов при угле ориентации плоскости (220) и плоскости (311), соответствующих дифракционному пику карбида тантала, как определено с помощью рентгеновской дифракции. В этой связи, кристаллические зерна карбида тантала были выросшие, и число границ зерен в покрывающей пленке карбида тантала было мало.
Кроме того, после термической обработки покрывающей пленки карбида тантала из примеров 1-4 при 1600 градусов Цельсия, никакие пустоты не наблюдали на поверхности покрывающей пленки карбида тантала.
Примеры 5 и 6
В этих примерах покрывающую пленку карбида тантала формировали с помощью вышеописанного способа (2) формирования покрывающей пленки карбида тантала путем CVD-обработки.
Графитовую подложку, в которой коэффициент теплового расширения был 7,8×10-6 /К, давление газовыделения было 10-6 Па/г при температуре 1000 градусов Цельсия, содержание золы было 2 ч/млн, диаметр был 60 мм и толщина была 10 мм, подвергали CVD-обработке в условиях CVD обработки, показанных в таблице 4 ниже, и покрывающую пленку карбида тантала формировали на углеродной подложке. В этой связи, композиционное отношение С/Та покрывающей пленки карбида тантала доводили до от 1,0 до 2,0. Давление в печи и поток газа в CVD-обработке устанавливали идентичными величинам в примерах 1-4.
(°С/ч)
В примерах 5 и 6 температуру CVD-обработки постепенно увеличивали со скоростью 100 градусов Цельсия/ч, нагрев останавливали, когда температура обработки достигала 1000 градусов Цельсия, и покрывающую пленку карбида тантала формировали до получения желаемой толщины, пока температуру обработки поддерживали при 1000 градусов Цельсия. Изображения (СЭМ изображения) сечения покрывающей пленки карбида тантала, которые получали с помощью электронного микроскопа, показаны на фиг.10.
Как показано на фиг.10, покрывающая пленка карбида тантала сформирована в порах и углублениях поверхности углеродной подложки в примерах 5 и 6. Кристаллы карбида тантала, составляющие покрывающую пленку карбида тантала, явно постепенно увеличиваются в размере от поверхности графитной подложки к внешней поверхности покрывающей пленки. Кроме того, кристаллические зерна выросли возле внешней поверхности покрывающей пленки карбида тантала, и число границ зерен существенно снижено.
Результаты спектров рентгеновской дифракции из примеров 5 и 6 показаны на фиг.11. Согласно фиг.11, в спектрах рентгеновской дифракции из примеров 5 и 6 наблюдали плоскость (111), плоскость (200), плоскость (220), плоскость (311), плоскость (222) и плоскость (400). Кроме того, дифракционная линия, по меньшей мере, одной из плоскости (220) и плоскости (311) демонстрировала самую высокую интенсивность дифракции.
В таблице 5 показаны сумма I(220) и I(311) относительно Ip в примерах 5 и 6 и результат вычисления величины полуширины плоскости (311) карбида тантала каждой покрывающей пленки.
Согласно таблице 5, в примерах 5 и 6 сумма I(220) и I(311) относительно Ip попала в интервал не меньше чем 0,5 и не больше чем 0,90, а величина полуширины плоскости (311) была 0,20 или меньше.
Углы ориентации плоскости (220) и плоскости (311) карбида тантала, наблюдаемые как результат рентгеновской дифракции поверхностного слоя в примере 6, показаны на фиг.12.
Согласно фиг.12, покрывающая пленка карбида тантала из примера 6 имела максимальную величину пика, по меньшей мере, 80 градусов при угле ориентации плоскости (220) и плоскости (311), соответствующей дифракционному пику карбида тантала, как определено с помощью рентгеновской дифракции. В этой связи, кристаллические зерна карбида тантала были выросшие, и число границ зерен в покрывающей пленке карбида тантала было мало.
Кроме того, после термической обработки покрывающей пленки карбида тантала, полученной в примерах 5 и 6, при 1600 градусов Цельсия никакие пустоты не наблюдали на поверхности покрывающей пленки карбида тантала.
Примеры 7 и 8
В этих примерах покрывающую пленку карбида тантала формировали с помощью вышеописанных способов (2) и (3) формирования покрывающей пленки карбида тантала путем CVD-обработки.
Пример 7
Графитовую подложку, в которой коэффициент теплового расширения был 8×10-6 /К, давление газовыделения было 10-6 Па/г при температуре 1000 градусов Цельсия, содержание золы было 2 ч/млн, диаметр был 60 мм и толщина была 10 мм, подвергали CVD обработке при температуре CVD обработки 1000 градусов Цельсия, в результате чего формировали базовую покрывающую пленку карбида тантала на графитной подложке. В этой связи, композиционное отношение С/Та покрывающей пленки карбида тантала доводили до от 1,0 до 2,0. Условия, такие как давление в CVD-обработке и исходный газ, были идентичны условиям в примерах 1-4. Потом полученный покрытый карбидом тантала углеродный материал подвергали CVD-обработке в условиях CVD обработки, идентичных вышеуказанным, и формировали новую покрывающую пленку карбида тантала.
Пример 8
Графитовую подложку, в которой коэффициент теплового расширения был 8×10-6/К, давление газовыделения было 10-6 Па/г при температуре 1000 градусов Цельсия, содержание золы было 2 ч/млн, диаметр был 60 мм и толщина была 10 мм, подвергали CVD обработке при температуре CVD обработки 900 градусов Цельсия, в результате чего формировали базовую покрывающую пленку карбида тантала на графитной подложке. Затем температуру CVD-обработки постепенно увеличивали со скоростью 100 градусов Цельсия/ч, нагрев останавливали, когда температура обработки достигала 1000 градусов Цельсия, и формировали базовую покрывающую пленку карбида тантала до достижения желаемой толщины, тогда как температуру обработки поддерживали при 1000 градусов Цельсия и композиционное отношение С/Та покрывающей пленки доводили до 1,0-2,0. Потом CVD-обработку выполняли снова на базовой покрывающей пленке при температуре CVD обработки 1000 градусов Цельсия, и формировали новую покрывающую пленку карбида тантала. Условия, такие как давление и исходный газ, в этом случае были установлены идентичными условиям в примерах 1-4.
Изображения (СЭМ-изображения) сечений полученных покрывающих пленок карбида тантала, которые делали с помощью электронного микроскопа, показаны на фиг.13. Согласно фиг.13, в примерах 7 и 8 кристаллические зерна новой покрывающей пленки карбида тантала, образованной путем двойного нанесения, росли, следуя росту кристаллических зерен базовой покрывающей пленки карбида тантала. По этой причине, не происходило отслаивание на граничной поверхности множества покрывающих пленок (т.е. на граничной поверхности между базовой покрывающей пленкой карбида тантала и новой покрывающей пленкой карбида тантала).
Результаты спектров рентгеновской дифракции из примеров 7 и 8 показаны на фиг.14. Согласно фиг.14, в спектрах рентгеновской дифракции из примеров 7 и 8 наблюдали плоскость (111), плоскость (200), плоскость (220), плоскость (311), плоскость (222) и плоскость (400). Кроме того, дифракционная линия, по меньшей мере, одной из плоскости (220) и плоскости (311) демонстрировала самую высокую интенсивность дифракции.
В таблице 5 показаны сумма I(220) и I(311) относительно Ip в примерах 7 и 8 и результат вычисления величины полуширины плоскости (311) карбида тантала каждой покрывающей пленки.
Согласно таблице 6, в примерах 7 и 8 сумма I(220) и I(311) относительно Ip попала в интервал не меньше чем 0,5 и не больше чем 0,90, а величина полуширины плоскости (311) была 0,20 или меньше.
Углы ориентации плоскости (220) и плоскости (311) карбида тантала, наблюдаемые как результат рентгеновской дифракции поверхностного слоя в примере 7, показаны на фиг.15. Согласно фиг.12, покрывающая пленка карбида тантала из примера 6 имела максимальную величину пика, по меньшей мере, 80 градусов при угле ориентации плоскости (220) и плоскости (311), соответствующей дифракционному пику карбида тантала, как определено с помощью рентгеновской дифракции. В этом случае, кристаллические зерна карбида тантала были развитые, и число границ зерен в покрывающей пленке карбида тантала было мало.
Кроме того, после термической обработки покрывающей пленки карбида тантала, полученной в примерах 7 и 8, при 1600 градусов Цельсия никакие пустоты не наблюдали на поверхности покрывающей пленки карбида тантала.
Пример 9
В этом примере покрывающую пленку карбида тантала формировали с помощью вышеописанного способа (4) формирования покрывающей пленки карбида тантала.
Графитовую подложку, в которой коэффициент теплового расширения был 7,8×10-6/К, давление газовыделения было 10-6 Па/г при температуре 1000 градусов Цельсия, содержание золы было 2 ч/млн, диаметр был 60 мм и толщина была 10 мм, подвергали CVD-обработке в условиях CVD обработки, показанных в таблице 7 ниже, в результате чего формировали танталовую покрывающую пленку на графитной подложке.
Изображения (СЭМ изображения) сечения полученной танталовой покрывающей пленки, которые делали с помощью электронного микроскопа, и спектр рентгеновской дифракции показаны на фиг.16. Фиг.16(а) показывает СЭМ изображение, тогда как фиг.16(b) показывает спектр рентгеновской дифракции. Согласно фиг.16, в спектре рентгеновской дифракции танталовой покрывающей пленки наблюдали плоскость (111), плоскость (200), плоскость (221) и плоскость (220). Кроме того, дифракционная линия плоскости (200) демонстрировала самую высокую интенсивность дифракции. Кроме того, величина полуширины плоскости (200) была 0,2 градуса или меньше.
Затем танталовую покрывающую пленку подвергали карбонизации в описанных ниже условиях. Графитную подложку, содержащую танталовую покрывающую пленку, помещали в печь карбонизации вместе с источником углерода, и карбонизацию выполняли в течение часа, тогда как температуру в печи карбонизации поддерживали при 2200 градусов Цельсия, а давление в печи карбонизации поддерживали при 2,0 Па. В результате получали покрытый карбидом тантала углеродный материал примера 9.
Изображения поверхности покрывающей пленки карбида тантала покрытого карбидом тантала углеродного материала, полученного в примере 9, которые делали с помощью электронного микроскопа, показаны на фиг.17. Фиг.17(а) показывает СЭМ изображение поверхности, тогда как фиг.17(b) показывает СЭМ изображение сечения. Как наблюдается на фиг.17, покрывающая пленка карбида тантала, полученная путем карбонизации танталовой покрывающей пленки, имеет существенно меньшее число границ зерен. Так видно, что покрывающая пленка карбида тантала прилегает к нерегулярностям на поверхности графитной подложки.
Результат спектра рентгеновской дифракции из примера 9 показан на фиг.18. Согласно фиг.18, в спектре рентгеновской дифракции из примера 9 наблюдали плоскость (111), плоскость (200), плоскость (220), плоскость (311), плоскость (222) и плоскость (400). Кроме того, дифракционная линия плоскости (311) демонстрировала самую высокую интенсивность дифракции.
В таблице 8 показаны сумма I(220) и I(311) относительно Ip в примере 9 и результат вычисления величины полуширины плоскости (311) карбида тантала каждой покрывающей пленки.
Согласно таблице 8, в примере 9 сумма I(220) и I(311) относительно Ip попала в интервал не меньше чем 0,5 и не больше чем 0,90, а величина полуширины плоскости (311) была 0,20 или меньше.
Углы ориентации плоскости (220) и плоскости (311) карбида тантала, наблюдаемые как результат рентгеновской дифракции поверхностного слоя в примере 9, показаны на фиг.19. Согласно фиг.19, покрывающая пленка карбида тантала из примера 9 имела максимальную величину пика, по меньшей мере, 80 градусов при угле ориентации плоскости (220) и плоскости (311), соответствующей дифракционному пику карбида тантала, как определено с помощью рентгеновской дифракции. В этом случае, кристаллические зерна карбида тантала были развитые, и число границ зерен в покрывающей пленке карбида тантала было мало.
Кроме того, после термической обработки покрывающей пленки карбида тантала, полученной в примере 9, при 1600 градусов Цельсия никакие пустоты не наблюдали на поверхности покрывающей пленки карбида тантала.
Пример 10
В этом примере покрывающую пленку карбида тантала формировали с помощью вышеописанного способа (4) формирования покрывающей пленки карбида тантала, используя карбонизацию.
Прежде всего, базовую покрывающую пленку карбида тантала формировали на графитной подложке таким же образом, как в примере 9. Изображение (СЭМ-изображение) поверхности базовой покрывающей пленки карбида тантала, которое делали с помощью электронного микроскопа, и спектр рентгеновской дифракции показаны на фиг.20. Фиг.20(а) показывает СЭМ-изображение, тогда как фиг.20(b) показывает спектр рентгеновской дифракции. Согласно фиг.20, в спектре рентгеновской дифракции базовой покрывающей пленки карбида тантала наблюдали плоскость (111), плоскость (200), плоскость (220), плоскость (311), плоскость (222) и плоскость (400). Кроме того, дифракционная линия плоскости (311) демонстрировала самую высокую интенсивность дифракции. Кроме того сумма ((I(220)+I(311))/Ip для I(220) и I(311) базовой покрывающей пленки карбида тантала относительно Ip была 0,53, а величина полуширины плоскости (311) карбида тантала была 0,10 градусов.
Углы ориентации плоскости (220) и плоскости (311) карбида тантала, наблюдаемые как результат рентгеновской дифракции поверхностного слоя в примере 10, показаны на фиг.21. Согласно фиг.21, покрывающая пленка карбида тантала из примера 10 имела максимальную величину пика, по меньшей мере, 80 градусов при угле ориентации плоскости (220) и плоскости (311), соответствующей дифракционному пику карбида тантала, как определено с помощью рентгеновской дифракции.
Затем графитовую подложку, на которой была сформирована базовая покрывающая пленка карбида тантала, подвергали CVD-обработке в условиях, показанных в таблице 9, и формировали покрывающую пленку карбида тантала.
Изображения поверхности новой покрывающей пленки карбида тантала, полученной с помощью CVD-обработки, которые делали с помощью электронного микроскопа, показаны на фиг.22. Фиг.22(а) показывает СЭМ-изображение поверхности, тогда как фиг.22(b) показывает СЭМ-изображение сечения. Как видно на фиг.22, так как покрывающая пленка карбида тантала выращена, следуя росту кристаллических зерен базовой покрывающей пленки карбида тантала, СЭМ изображение сечения на фиг.22(b) показывает, что осаждается два разных типа покрывающих пленок карбида тантала.
Результат спектра рентгеновской дифракции новой покрывающей пленки карбида тантала, полученной в условиях примера 10, показан на фиг.23. Согласно фиг.23, в спектре рентгеновской дифракции из примера 10 наблюдали плоскость (111), плоскость (200), плоскость (220), плоскость (311), плоскость (222) и плоскость (400). Кроме того, дифракционная линия плоскости (311) демонстрировала самую высокую интенсивность дифракции. Кажется, это потому, что новая покрывающая пленка карбида тантала росла, следуя кристаллической ориентации базовой покрывающей пленки карбида тантала.
В таблице 8 показаны сумма I(220) и I(311) относительно Ip в примере 10 и результат вычисления величины полуширины плоскости (311) карбида тантала каждой покрывающей пленки.
Согласно таблице 10, в примере 10 сумма I(220) и I(311) относительно Ip попала в интервал не меньше чем 0,5 и не больше чем 0,90, а величина полуширины плоскости (311) была 0,20 или меньше.
Углы ориентации плоскости (220) и плоскости (311) карбида тантала, наблюдаемые как результат рентгеновской дифракции поверхностного слоя в примере 10, показаны на фиг.24. Согласно фиг.24, покрывающая пленка карбида тантала из примера 10 имела максимальную величину пика, по меньшей мере, 80 градусов при угле ориентации плоскости (220) и плоскости (311), соответствующей дифракционному пику карбида тантала, как определено с помощью рентгеновской дифракции. В этом случае, кристаллические зерна карбида тантала были развитые, и число границ зерен в покрывающей пленке карбида тантала было мало.
Кроме того, после термической обработки покрывающей пленки карбида тантала, полученной в примере 10, при 1600 градусов Цельсия никакие пустоты не наблюдали на поверхности покрывающей пленки карбида тантала.
Сравнительные примеры 1 и 2
Графитовую подложку, в которой коэффициент теплового расширения был 7,8×10-6 /К, давление газовыделения было 10-6 Па/г при температуре 1000 градусов Цельсия, содержание золы было 2 ч/млн, диаметр был 60 мм и толщина была 10 мм, подвергали CVD-обработке в условиях CVD-обработки, показанных в таблице 11 ниже, в результате чего формировали покрывающую пленку карбида тантала на графитной подложке. В этой связи, композиционное отношение С/Та покрывающей пленки доводили до 1,0-2,0.
Изображение поверхности покрывающей пленки карбида тантала покрытого карбидом тантала углеродного материала, полученного в сравнительном примере 1, которое делали с помощью электронного микроскопа, и спектр рентгеновской дифракции показаны на фиг.25. Фиг.25(а) показывает СЭМ-изображение, тогда как фиг.25(b) показывает спектр рентгеновской дифракции. Согласно фиг.25, есть много небольших кристаллических зерен на поверхности покрывающей пленки карбида тантала, показанной на СЭМ-изображении сравнительного примера 1. В спектре рентгеновской дифракции сравнительного примера 1 наблюдали плоскость (111), плоскость (200), плоскость (220), плоскость (311), плоскость (222) и плоскость (400). Кроме того, дифракционная линия плоскости (220) демонстрировала самую высокую интенсивность дифракции. Более того, величина полуширины плоскости (220) карбида тантала была 0,15 градусов.
Углы ориентации плоскости (220) и плоскости (311) карбида тантала, наблюдаемые как результат рентгеновской дифракции поверхностного слоя в сравнительном примере 1, показаны на фиг.26. Согласно фиг.26, покрывающая пленка карбида тантала из сравнительного примера 1 имела максимальную величину пика, по меньшей мере, 80 градусов при угле ориентации плоскости (220) и плоскости (311), соответствующей дифракционному пику карбида тантала, как определено с помощью рентгеновской дифракции. Величину пика плоскости (311), соответствующую плоскости (220), демонстрирующей максимальную величину пика, наблюдали в положении, когда угол ориентации отклонялся на приблизительно 31,5 градусов. Это означает, что плоскость (220) каждого из кристаллических зерен, составляющих покрывающую пленку карбида тантала из сравнительного примера 1, преимущественно параллельна поверхности углеродной подложки. Кроме того, максимальная величина пика плоскости (311) была при угле меньше чем 80 градусов. По этим причинам, покрывающая пленка карбида тантала из сравнительного примера 1 имела много границ зерен, так как рост кристаллических зерен затруднялся.
Теперь со ссылкой на фиг.27 будет описан результат наблюдения поверхности покрывающей пленки карбида тантала после того, как покрытый карбидом тантала углеродный материал, образованный в условиях CVD-обработки из сравнительного примера 1, термически обрабатывали при 1600 градусов Цельсия. Как показано на фиг.27, много пустот образовалось на покрывающей пленке карбида тантала. Кроме того, когда поверхность покрывающей пленки карбида тантала наблюдали после того, как покрытый карбидом тантала углеродный материал, образованный в условиях CVD-обработки из сравнительного примера 2, термически обрабатывали при 1600 градусов Цельсия, пустоты формировались аналогичным образом на покрывающей пленке карбида тантала из сравнительного примера 2.
Сравнительный пример 3
С помощью способа, аналогичного сравнительному примеру 1, базовую покрывающую пленку карбида тантала формировали на графитной подложке. Полученный покрытый карбидом тантала углеродный материал подвергали CVD-обработке в таких же CVD-условиях, как в сравнительном примере 1 (таблица 11), в результате чего формировали новую покрывающую пленку карбида тантала на базовой покрывающей пленке карбида тантала. Изображение (СЭМ-изображение) сечения полученного покрытого карбидом тантала углеродного материала, которое делали с помощью электронного микроскопа, показано на фиг.28.
Фиг.28 показывает, что есть явный барьер между данной покрывающей пленкой карбида тантала и новой покрывающей пленкой карбида тантала. В сравнительном примере 3 из базовой покрывающей пленки карбида тантала во время формирования новой покрывающей пленки карбида тантала выделялись примеси, и примесный газ захватывался между базовой покрывающей пленкой карбида тантала и данной покрывающей пленкой карбида тантала. Было доказано, что новая покрывающая пленка карбида тантала отслаивалась. Кроме того, после того, как базовая покрывающая пленка карбида тантала, образованная в сравнительном примере 3, подвергалась термической обработке, когда новую покрывающую пленку карбида тантала формировали в таких же условиях (множественное нанесение), было доказано, что базовая покрывающая пленка карбида тантала и новая покрывающая пленка карбида тантала были существенно разными по кристалличности, и поэтому новая покрывающая пленка карбида тантала не тесно контактировала с базовой покрывающей пленкой карбида тантала.
Объем настоящего изобретения не ограничивается только данным предпочтительным вариантом осуществления и вышеописанными примерами. Защищаемый объем настоящего изобретения необходимо анализировать с помощью формулы изобретения, и следует считать, что все эквивалентные сущности внутри объема включены в формулу изобретения настоящего изобретения.
Список ссылочных позиций
1, 21, 31, 41 Углеродная подложка
2, 22, 23, 32, 42 Покрывающая пленка
400 Покрытый карбидом тантала углеродный материал
| название | год | авторы | номер документа |
|---|---|---|---|
| ПОКРЫТЫЙ КАРБИДОМ ТАНТАЛА УГЛЕРОДНЫЙ МАТЕРИАЛ И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ | 2006 |
|
RU2337899C2 |
| СПОСОБ ПРОИЗВОДСТВА ПОДЛОЖКИ НА ОСНОВЕ КАРБИДА КРЕМНИЯ И ПОДЛОЖКА КАРБИДА КРЕМНИЯ | 2018 |
|
RU2756815C2 |
| СНАБЖЕННЫЙ ПОКРЫТИЕМ РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ | 2014 |
|
RU2667187C2 |
| СНАБЖЕННЫЙ ПОКРЫТИЕМ РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ | 2018 |
|
RU2760426C2 |
| РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ С ПОКРЫТИЕМ | 2018 |
|
RU2766604C2 |
| ЛЕГИРОВАННЫЙ ВОЛЬФРАМ, ПОЛУЧЕННЫЙ ХИМИЧЕСКИМ ОСАЖДЕНИЕМ ИЗ ГАЗОВОЙ ФАЗЫ | 2005 |
|
RU2402625C2 |
| РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ С ПОКРЫТИЕМ | 2018 |
|
RU2766635C2 |
| РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ С ПОКРЫТИЕМ И СПОСОБ ЕГО ИЗГОТОВЛЕНИЯ | 2012 |
|
RU2623547C2 |
| МОНОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ SiC И СПОСОБ ЕГО ПОЛУЧЕНИЯ | 1998 |
|
RU2160327C2 |
| РЕЖУЩИЙ ИНСТРУМЕНТ С CVD-ПОКРЫТИЕМ СО СЛОЕМ k-Al2O3 ТЕКСТУРЫ { 0 0 1} | 2017 |
|
RU2669134C1 |
Изобретение относится к покрытому карбидом тантала углеродному материалу и способу его изготовления. Покрытый карбидом тантала углеродный материал содержит углеродную подложку и покрывающую ее пленку карбида тантала. При измерениях с изменением угла ориентации (α) образца покрытого карбидом тантала углеродного материала покрывающая пленка карбида тантала имеет максимальную величину дифракционного пика, соответствующего плоскости (311) карбида тантала, определенyю с помощью рентгеновской дифракции, при угле ориентации (α) по меньшей мере 80 градусов. Способ изготовления покрытого карбидом тантала углеродного материала за счет формирования покрывающей пленки карбида тантала на углеродной подложке включает формирование кристаллических зародышей карбида тантала на поверхности углеродной подложки при температурах от 850 до 950°С и осуществление роста кристаллических зародышей карбида тантала при нагреве с постепенным увеличением рабочей температуры, при котором обеспечивают разницу температур 50°С или больше. Обеспечивается покрытый карбидом тантала углеродный материал, являющийся термостойким и устойчивым к газовому травлению. 5 н. и 24 з.п. ф-лы, 27 ил., 11 табл., 10 пр.
1. Покрытый карбидом тантала углеродный материал, содержащий углеродную подложку и покрывающую ее пленку карбида тантала, причем при измерениях с изменением угла ориентации (α) образца покрытого карбидом тантала углеродного материала покрывающая пленка карбида тантала имеет максимальную величину дифракционного пика, соответствующего плоскости (311) карбида тантала, определенную с помощью рентгеновской дифракции, при угле ориентации (α) по меньшей мере 80 градусов.
2. Покрытый карбидом тантала углеродный материал по п. 1, у которого при измерениях с изменением угла ориентации (α) образца покрытого карбидом тантала углеродного материала покрывающая пленка карбида тантала дополнительно имеет максимальную величину дифракционного пика, соответствующего плоскости (220) карбида тантала, определенную с помощью рентгеновской дифракции, при угле ориентации по меньшей мере 80 градусов.
3. Покрытый карбидом тантала углеродный материал по п. 1 или 2, у которого сумма интенсивностей дифракции плоскости (311) и плоскости (220) кристаллов карбида тантала в рентгенограмме составляет не меньше чем 0,5 и не больше чем 0,9 по сравнению с суммой интенсивностей дифракции всех кристаллических плоскостей кристаллов карбида тантала в рентгенограмме.
4. Покрытый карбидом тантала углеродный материал по
п. 1 или 2, у которого интенсивность дифракционной линии, соответствующей плоскости (311) или плоскости (220) в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки карбида тантала, является максимальной.
5. Покрытый карбидом тантала углеродный материал по п. 1 или 2, у которого в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки карбида тантала величина полуширины дифракционной линии плоскости (311) или плоскости (220) составляет 0,2 градуса или ниже.
6. Способ изготовления покрытого карбидом тантала углеродного материала путем формирования покрывающей пленки карбида тантала на углеродной подложке, включающий формирование кристаллических зародышей карбида тантала на поверхности углеродной подложки при температурах от 850 до 950°С и осуществление роста кристаллических зародышей карбида тантала при нагреве с постепенным увеличением рабочей температуры, при котором обеспечивают разницу температур 50°С или больше.
7. Способ по п. 6, в котором после нагрева с постепенным увеличением рабочей температуры поддерживают рабочую температуру, соответствующую конечной температуре указанного нагрева.
8. Способ по п. 5, в котором нагрев проводят с увеличением рабочей температуры с постоянной скоростью.
9. Способ получения покрытого карбидом тантала углеродного материала путем формирования покрывающей пленки карбида тантала на углеродной подложке, включающий формирование первой покрывающей пленки карбида тантала на поверхности углеродной подложки и формирование по меньшей мере одной покрывающей пленки карбида тантала на первой покрывающей пленке карбида тантала, осуществляемое таким же образом, что и формирование упомянутой первой пленки, причем при измерениях с изменением угла ориентации (α) образца покрытого карбидом тантала углеродного материала первая покрывающая пленка карбида тантала имеет максимальную величину дифракционного пика, соответствующего плоскости (311) карбида тантала, определенную с помощью рентгеновской дифракции, при угле ориентации (α) по меньшей мере 80 градусов.
10. Способ по п. 9, в котором формирование первой покрывающей пленки карбида тантала и формирование по меньшей мере еще одной покрывающей пленки карбида тантала выполняют при поддерживании покрываемого углеродного материала с помощью опоры, а непокрытую часть углеродной подложки, образованную за счет опоры при формировании первой пленки, покрывают при последующем формировании еще одной пленки.
11. Способ по п. 8 или 9, в котором формирование первой покрывающей пленки карбида тантала включает формирование кристаллических зародышей карбида тантала на поверхности углеродной подложки и осуществление роста кристаллических зародышей карбида тантала, причем на этапе роста кристаллов осуществляют нагрев с постепенным увеличением рабочей температуры.
12. Способ по п. 8 или 9, в котором при измерениях с изменением угла ориентации (α) образца покрытого карбидом тантала углеродного материала покрывающая пленка карбида тантала дополнительно имеет максимальную величину дифракционного пика, соответствующего плоскости (220) карбида тантала, определенную с помощью рентгеновской дифракции, при угле ориентации по меньшей мере 80 градусов.
13. Способ по п. 8 или 9, в котором сумма интенсивностей дифракционных линий, соответствующих плоскости (311) и плоскости (220) в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки карбида тантала, составляет не меньше чем 0,5 и не больше чем 0,9 по сравнению с суммой интенсивностей дифракционных линий всех кристаллических плоскостей карбида тантала в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки карбида тантала.
14. Способ по п. 8 или 9, в котором интенсивность дифракционной линии, соответствующей плоскости (311) или плоскости (220) в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки карбида тантала, является максимальной.
15. Способ по п. 8 или 9, в котором величина полуширины дифракционной линии плоскости (311) или плоскости (220) в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки карбида тантала составляет не больше чем 0,12 градусов.
16. Способ изготовления покрытого карбидом тантала углеродного материала путем формирования покрывающей пленки карбида тантала на углеродной подложке, включающий формирование танталовой покрывающей пленки на поверхности углеродной подложки и карбонизацию данной танталовой покрывающей пленки.
17. Способ по п. 16, в котором операции формирования танталовой покрывающей пленки и карбонизации повторяют в данном порядке множество раз.
18. Способ по п. 16 или 17, в котором операцию формирования танталовой покрывающей пленки повторяют множество раз.
19. Способ по п. 16 или 17, в котором карбонизацию выполняют при температурах от 1700°С до 2500°С.
20. Способ по п. 16 или 17, в котором коэффициент теплового расширения углеродной подложки составляет 6,5-8,0×10-6/К.
21. Способ по п. 17, в котором нанесение тантала выполняют при поддерживании покрываемого углеродного материала с помощью опоры, и непокрытую часть углеродной подложки, образованную за счет опоры при первой операции формирования танталовой покрывающей пленки, покрывают при второй или последующей операции формирования танталовой покрывающей пленки.
22. Способ изготовления покрытого карбидом тантала
углеродного материала путем формирования покрывающей пленки карбида тантала на углеродной подложке, включающий формирование первой покрывающей пленки карбида тантала путем формирования танталовой покрывающей пленки на поверхности углеродной подложки, и карбонизации данной танталовой покрывающей пленки и формирование второй покрывающей пленки карбида тантала на первой покрывающей пленке карбида тантала.
23. Способ по п. 22, в котором карбонизацию выполняют при температурах от 1700°С до 250°С.
24. Способ по п. 22 или 23, в котором коэффициент теплового расширения углеродной подложки составляет 6,5-8,0×10-6/К.
25. Способ по п. 22 или 23, в котором при измерениях с изменением угла ориентации (α) образца покрытого карбидом тантала углеродного материала, покрывающая пленка карбида тантала имеет максимальную величину дифракционного пика, соответствующего плоскости (311) карбида тантала, определенную с помощью рентгеновской дифракции, при угле ориентации (α) по меньшей мере 80 градусов.
26. Способ по п. 22 или 23, в котором при измерениях с изменением угла ориентации (α) образца покрытого карбидом тантала углеродного материала, покрывающая пленка карбида тантала дополнительно имеет максимальную величину дифракционного пика, соответствующего плоскости (220) карбида тантала, определенную с помощью рентгеновской дифракции, при угле ориентации по меньшей мере 80 градусов.
27. Способ по п. 22 или 23, в котором сумма интенсивностей дифракционных линий, соответствующих плоскости (311) и плоскости (220) в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки карбида тантала составляет не менее чем 0,5 и не более чем 0,9 по сравнению с суммой всех интенсивностей дифракционных линий, соответствующих всем кристаллическим плоскостям карбида тантала в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки карбида тантала.
28. Способ по п. 22 или 23, в котором интенсивность дифракционной линии плоскости (311) в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки карбида тантала является максимальной.
29. Способ по п. 22 или 23, в котором величина полуширины дифракционной линии плоскости (311) в спектре рентгеновской дифракции покрывающей пленки карбида тантала составляет не больше чем 0,12 градусов.
| JP 2004084057 A, 18.03.2004 | |||
| СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЯ НА АЛМАЗЫ | 1994 |
|
RU2090648C1 |
| СПОСОБ НАНЕСЕНИЯ ПОКРЫТИЙ ИЗ КАРБИДОВ МЕТАЛЛОВ | 0 |
|
SU344033A1 |
| Кипятильник для воды | 1921 |
|
SU5A1 |
