(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
タンタル若しくはタンタル合金を真空熱処理炉内に設置し、前記タンタル若しくはタンタル合金表面に形成されている自然酸化膜であるＴａ2Ｏ5が昇華する条件下で熱処理を行い、前記Ｔａ2Ｏ5を除去した後、前記真空熱処理炉内に炭素源を導入して熱処理を行い、前記タンタル若しくはタンタル合金表面からタンタルの炭化物を形成することを特徴とするタンタルの炭化物の製造方法。
【請求項２】
前記タンタルの炭化物は、前記タンタル若しくはタンタル合金の全部の領域に炭素が侵入して形成されたＴａＣである請求項１に記載のタンタルの炭化物の製造方法。
【請求項３】
前記タンタルの炭化物は、前記タンタル若しくはタンタル合金の一部の領域に炭素が侵入して形成されたタンタルの炭化物であり、
前記タンタル若しくはタンタル合金表面からＴａ2Ｃ、ＴａＣの順に積層された積層構造を有する請求項１に記載のタンタルの炭化物の製造方法。
【請求項４】
前記自然酸化膜が除去される際の放射率の変化を放射温度計で測定する熱処理法であることを特徴とする請求項１に記載のタンタルの炭化物の製造方法。
【請求項５】
任意の形状に加工されたタンタル若しくはタンタル合金を前記真空熱処理炉内に炭素源を導入して熱処理する温度、時間、圧力条件を調整することによって、形成され得るタンタルの炭化物の厚みを制御する請求項１に記載のタンタルの炭化物の製造方法。
【請求項６】
自然酸化膜であるＴａ2Ｏ5が昇華する条件下での前記熱処理条件が、約１７５０℃以上２０００℃以下の範囲、圧力約１Ｐａ以下である請求項１に記載のタンタルの炭化物の製造方法。
【請求項７】
前記真空熱処理炉内に炭素源を導入して、前記タンタル若しくはタンタル合金表面にタンタルの炭化物を形成する前記熱処理条件が、１８６０℃以上２５００℃以下、圧力１Ｐａ以下である請求項１に記載のタンタルの炭化物の製造方法。
【請求項８】
タンタル若しくはタンタル合金を熱処理炉内に設置し、前記タンタル若しくはタンタル合金表面に形成されている自然酸化膜であるＴａ2Ｏ5が昇華する条件下で熱処理を行い、前記Ｔａ2Ｏ5を除去した後、前記熱処理炉内に炭素源を導入して熱処理を行い、前記タンタル若しくはタンタル合金表面から炭素が侵入したタンタルの炭化物。
【請求項９】
前記タンタルの炭化物は、前記タンタル若しくはタンタル合金の全部の領域に炭素が侵入して形成されたＴａＣである請求項８に記載のタンタルの炭化物。
【請求項１０】
前記タンタルの炭化物は、前記タンタル若しくはタンタル合金の一部の領域に炭素が侵入して形成されたタンタルの炭化物であり、
前記タンタル若しくはタンタル合金表面にＴａ2Ｃ、ＴａＣの順に積層された積層構造である請求項８に記載のタンタルの炭化物。
【請求項１１】
半導体基板上に所定の形状にタンタル若しくはタンタル合金をパターニングし、前記パターニングしたタンタル若しくはタンタル合金の表面に形成されている自然酸化膜であるＴａ2Ｏ5が昇華する条件下で熱処理を行い、前記パターニングされたタンタル若しくはタンタル合金の表面から前記Ｔａ2Ｏ5を除去した後、炭素源を導入して熱処理を行い、前記パターニングされたタンタル若しくはタンタル合金の表面から炭素を浸入させて形成されたタンタルの炭化物配線。
【請求項１２】
前記タンタルの炭化物配線は、前記パターニングされたタンタル若しくはタンタル合金の全部の領域に炭素が侵入して形成されたＴａＣである請求項１１に記載のタンタルの炭化物配線。
【請求項１３】
所定の形状にタンタル若しくはタンタル合金を加工し、前記加工したタンタル若しくはタンタル合金の表面に形成されている自然酸化膜であるＴａ2Ｏ5が昇華する条件下で熱処理を行い、前記加工したタンタル若しくはタンタル合金表面から前記Ｔａ2Ｏ5を除去した後、炭素源を導入して熱処理を行い、前記タンタル若しくはタンタル合金の表面から炭素を浸入させて形成された所定形状のタンタルの炭化物電極。
【請求項１４】
前記タンタルの炭化物電極は、所定の形状に加工されたタンタル若しくはタンタル合金の全部の領域に炭素が浸入して形成されたＴａＣである請求項１３に記載のタンタルの炭化物電極。
【請求項１５】
前記タンタルの炭化物電極が、タンタルの炭化物のフィラメント若しくはタンタルの炭化物のヒータである請求項１３に記載のタンタルの炭化物電極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タンタル炭化物、タンタル炭化物の製造方法、タンタル炭化物配線、タンタル炭化物電極に関する。
【背景技術】
【０００２】
タンタルの炭化物、例えば、ＴａＣは、遷移金属炭化物中で一番融点が高く、化学的安定性が高い。図１０にＴａＣのフェーズダイアグラムを示す。このようなＴａＣは、従来から高温雰囲気下における各種用途への応用が模索され、種々の方法による作製方法が報告されている。
従来のＴａＣを製造する方法の例として次のようなものが挙げられる。
【０００３】
【特許文献１】特開平６−８７６５６号公報
【特許文献２】特開２０００−４４２２２号公報
【特許文献３】特開平８−６４１１０号公報
【特許文献４】特開平７−３３０３５１号公報
【特許文献５】特開平１０−２４５２８５号公報
【特許文献６】特開２０００−２６５２７４号公報
【特許文献７】特開平１１−１１６３９９号公報
【特許文献８】米国特許第５３８３９８１号明細書
【０００４】
例えば、特許文献１には、微粉末のＴａＣ粉末と、ＨｆＣ，ＺｒＣ，ＨｆＮ等の他の化合物の微粉末を混合し、約１Ｐａの真空中で２０００℃で焼結し、ＴａＣとこれら他の化合物の固溶体を形成し、ＴａＣの粒成長を抑制することによって緻密なＴａＣ焼結体を作製する方法が記載されている。
【０００５】
また、特許文献２には、酸化タンタル（Ｔａ2Ｏ5）とカーボンを混合し、水素炉で所定の温度で一次炭化を行い、得られた炭化物の遊離カーボンの量を測定し、次いでこの測定結果に基づいてカーボン量を調整して一次炭化物に添加し、次いで真空炭化炉で所定の温度で二次炭化を行いＴａＣを製造する方法が記載されている。
【０００６】
また、特許文献３には、真空中で金属Ｔａを蒸発させ、同時にＣ2Ｈ2ガスを導入して、両者を反応性イオンプレーティング法により蒸着中圧力／成膜速度を６．０×１０-2Ｐａ・ｍｉｎ／μｍ以上で反応させてタングステン製電子放射材料の表面に組成比１＜Ｃ／Ｔａ＜１．２から成る耐熱性に優れ、悪い真空状態でも安定に放射電流が得られ、且つ長寿命のＴａＣ膜を被覆する方法が記載されている。
【０００７】
また、特許文献４には、レンズやプリズム等の高精度のガラス光学素子をプレス成形する際に用いられる金型表面に被覆される離型膜として、次の（ａ）酸化クロムを５０〜９９モル％と酸化タンタルを１〜５０モル％とからなるセラミック材料、（ｂ）窒化クロムを５０〜９９モル％と窒化タンタルを１〜５０モル％とからなるセラミック材料、（ｃ）炭化クロムを５０〜９９モル％と炭化タンタルを１〜５０モル％とからなるセラミック材料から選ばれる一種から構成したものが記載されている。
【０００８】
また、特許文献５には、１０００℃を超える高温の還元性ガス雰囲気中においても、優れた還元性ガス反応抑制効果を発揮し、製品寿命を大きく延ばすことができる還元性雰囲気炉用炭素複合材料として、金属タンタル及び反応ガスを使用してアークイオンプレーティング（ＡＩＰ）式反応性蒸着法により黒鉛基材の表面に形成される炭化タンタルの皮膜について記載されている。
【０００９】
また、特許文献６には、Ｔａを有する化合物と、炭化水素系の溶媒とを含む導電性Ｔａ系膜形成材料を使用してＣＶＤ法によって導電性のＴａ系膜を形成する方法について記載されている。
【００１０】
また、特許文献７には、黒鉛製ルツボの内壁にＴａ板を配置する。そして、Ｔａ板と接触するように炭素粉末を充填してＴａ板を覆う。その後、黒鉛製ルツボを加熱してＴａ板を炭化させ、黒鉛製ルツボの内壁をＴａＣでコーティングする方法が記載されている。
【００１１】
また、特許文献８には、１３００℃〜１６００℃に加熱した真空炉内でＴａまたはＴａ合金の表面に、炭素源を与えてＴａＣとＴａ2Ｃ膜を形成させその後に表面に付着した未反応の炭素原子をＴａ基材内部に拡散する様に真空中で高温アニール加熱して、炭化処理を行い、ＴａＣ形成する方法が記載されている。
【００１２】
しかしながら、特許文献１に記載のものは、微粉末のＴａＣ粉末と、ＨｆＣ，ＺｒＣ，ＨｆＮ等の他の化合物の微粉末を混合し、約１Ｐａの真空中で２０００℃で焼結してＴａＣを作製するため、任意の形状のＴａＣの形成が困難であるという問題がある。
【００１３】
また、特許文献２に記載のものは、Ｔａ2Ｏ5及びＣとを混合し、成形後、２度の炭化処理を経てＴａＣを形成するものであるため、前述の特許文献１のものと同様、所定の形状のＴａＣを形成することが困難であるという問題を有している。
【００１４】
また、特許文献３に記載のものは、タングステンフィラメントの外周面にＴａＣの被膜を形成するものであり、必然的にタングステン等の基材との界面が形成されるものであるため、ＴａＣのクラック、剥離等の発生を避けることが困難である。
【００１５】
また、特許文献４に記載のものは、特許文献３に記載のものと同様、基材表面に被膜として形成されるものであり、特許文献３と同様に、表面に形成される酸化クロムを５０〜９９モル％と酸化タンタルを１〜５０モル％とからなるセラミック材料等のクラック、剥離等を避けることが困難である。
【００１６】
また、特許文献５に記載のものは、基材である黒鉛材の表面にアークイオンプレーティング式反応性蒸着法によってＴａＣを形成したものであるため、特許文献３及び４に記載のものと同様に、基材とＴａＣとの界面が明確に形成され、ＴａＣのクラック、剥離等を避けることが困難である。
【００１７】
また、特許文献６に記載のものも、ＣＶＤ法によって導電性Ｔａ系膜を形成しているため、前述の特許文献３〜５に記載のものと同様に、基材と導電性Ｔａ系膜との界面が形成されるため、熱履歴等によって導電性Ｔａ系膜のクラック、剥離等を避けることが困難である。
【００１８】
また、特許文献７に記載のものは、Ｔａと炭素粉末とを直接接触させて、熱処理することによってＴａの表面にＴａＣを形成したものであり、明細書中には特に記載はないが、ＴａとＴａＣとの境界が明確に現れているものと考えられる。このため、熱履歴によってＴａＣ層部分が剥離することが考えられる。
【００１９】
また、特許文献８に記載のものは、その明細書のＦＩＧ５Ａ〜ＦＩＧ５Ｆに示されているようにＴａ2Ｃ、ＴａＣ層の形成後に高温アニールで表面の未反応の炭素原子をＴａ基板内部に拡散させることによりＴａ2Ｃ層も消滅しアニール前の約２倍の厚みのＴａＣのバルク状結晶に成している。拡大写真の観察でＴａ基材とＴａＣの境界が明確に分かれており、このため、その明細書中に記載はないが、繰返し受ける熱応力によって、層間での
層間剥離とＴａＣ層のクラツクが発生しやすいものと考えられる。
【００２０】
Ｔａ基板表面の自然酸化膜Ｔａ2Ｏ5に１３００℃〜１６００℃の低い温度で炭素原子を反応させても自然酸化膜Ｔａ2Ｏ5が化学的に安定でありＴａの炭化速度が低く炭素原子の拡散深さが非常に浅い為真空加熱アニールを数十時間も行って炭素原子を拡散させてＴａＣ膜を成長させても所望の厚みが得られていない。  合わせて長時間の加熱で結晶粒子が大きく成長してバルク状に成り粒界も大きくなつておりＴａ基材とＴａＣの境界が明確に分かれてしまい層間での層間剥離とＴａＣ層内のクラツクが発生しやすいものと考えられる。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００２１】
本発明は上記問題に鑑みてなされ、簡易な方法で、所定の形状で所望の厚みのタンタルの炭化物を形成することが可能であり、また、表面にタンタルの炭化物を被覆する場合であっても、均一な厚みのタンタルの炭化物を形成することができるとともに、熱履歴によっても剥離することのないタンタルの炭化物の製造方法及び、それによるタンタルの炭化物、タンタルの炭化物の配線、及びタンタルの炭化物の電極を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２２】
本発明は、上記目的を達成するために以下のような幾つかの特徴を主に有している。本発明において、以下の主な特徴は単独で、若しくは、適宜組合わされて備えられている。
【００２３】
本発明のタンタルの炭化物の製造方法は、タンタル若しくはタンタル合金を真空熱処理炉内に設置し、前記タンタル若しくはタンタル合金表面に形成されている自然酸化膜であるＴａ2Ｏ5が昇華する条件下で熱処理を行い、前記Ｔａ2Ｏ5を除去した後、前記真空熱処理炉内に炭素源を導入して、前記タンタル若しくはタンタル合金表面からタンタルの炭化物を形成することを特徴とする。
【００２４】
上記タンタルの炭化物の製造方法によれば、表面に形成されている自然酸化膜を真空環境下で除去した後に、炭素源を導入するので、表面に形成されるタンタルの炭化物の純度を高くできるとともに、タンタル表面に形成されるタンタルの炭化物を表面全体に略均一に形成することが可能となる。
【００２５】
本発明のタンタルの炭化物は、本発明のタンタルの炭化物の製造方法によって製造されるタンタルの炭化物である。
前記タンタルの炭化物は、前記タンタル若しくはタンタル合金の一部の領域に炭素が侵入して形成されたタンタルの炭化物である場合がある。その場合、前記タンタル若しくはタンタル合金表面からＴａ2Ｃ、ＴａＣの順に積層された積層構造を有する。
更に、炭素の浸入が進んで、前記タンタル若しくはタンタル合金の全部の領域に炭素が侵入して形成されたＴａＣである場合もある。
【００２６】
前記タンタル若しくはタンタル合金表面からＴａ2Ｃ、ＴａＣの順に積層された積層構造を有する場合、Ｔａ，Ｔａ2Ｃ，ＴａＣのそれぞれは格子定数が異なるため、各層の界面では、各層の格子が圧縮されて積層されると考えられ、そのため、各層間は、非常に強固に形成されるため、層間剥離も防止できるとともに、表面の硬度等の機械的特性も向上する。
又、上記三層構造は一層目のＴａ基材がＴａの高い電気伝導性、熱伝導性を備えており、二層目のＴａ2Ｏが干渉膜的な剥離、クラック防止の役割を果し三層目のＴａＣは高融点、高硬度の性能を備えおり総合的な相乗効果で高性能材料の誕生が期待される。
このため、従来の方法で製造されたＴａＣの特性である高融点、高硬度、高い電気伝導性、熱伝導性より更に性能の高い製品の製造が期待出来るので、機械加工工具、電子材料等、各種用途への応用が可能となる。
【００２７】
また、本発明に係るタンタルの炭化物の製造方法は、前記自然酸化膜が除去される際の放射率の変化を放射温度計で測定する熱処理法であることを特徴とする。
上記本発明のタンタルの炭化物の製造方法によれば、自然酸化膜が真空加熱することで昇華して除去されるとＴａが露出して放射率が大きくなり見かけの温度が上昇する。この放射率の変化を放射温度計で測定して表面の自然酸化膜が除去された事を確認してから真空炉内に炭素源の供給を開始する。
自然酸化膜が除去された時点を基準とすることによって、炭素源供給の熱処理時間等を正確に調整することができる。それによって、形成され得るタンタルの炭化物の厚みを制御することが可能となる。
【００２８】
また、本発明に係るタンタルの炭化物の製造方法は、任意の形状に加工されたタンタル若しくはタンタル合金を前記真空熱処理炉内に炭素源を導入して熱処理する温度、時間、圧力条件を調整することによって、形成され得るタンタルの炭化物の厚みを制御することを特徴とする。
上記本発明のタンタルの炭化物の製造方法によれば、熱処理温度、時間、圧力条件を調整することによって、タンタルの炭化物の厚みを制御することができるため、例えば、加工の容易なＴａ若しくはＴａ合金を予め所定の形状に成形加工後、炭化熱処理し、その熱処理時間、温度、圧力等を調整することによって、所望の厚みのタンタルの炭化物を得ることができる。厚みを増加させていき、最後には前記材料全体をＴａＣとすることも可能となる。
【００２９】
また、本発明に係るタンタルの炭化物の製造方法において、自然酸化膜であるＴａ2Ｏ5が昇華する前記熱処理条件は、１７５０℃以上２０００℃以下、圧力１Ｐａ以下であるものが好ましく更に好ましくは１８６０℃以上２０００℃以下、圧力０．５Ｐａ以下がこのましい。この条件において、熱処理することによって自然酸化膜であるＴａ2Ｏ5が確実に昇華する。
【００３０】
加えて、自然酸化膜を除去した後に、炭素源が導入される熱処理条件は、１８６０℃以上２，５００℃以下、圧力１Ｐａ以下であるものが好ましく更に好ましくは２０００℃以上２５００℃以下、圧力０．５Ｐａ以下が好ましい。
【００３１】
また、本発明に係るタンタルの炭化物配線は、本発明に係るタンタルの炭化物の製造方法を適用して製造されたものである。
具体的には、本発明に係るタンタルの炭化物配線は、半導体基板上に所定の形状にタンタル若しくはタンタル合金をパターニングし、前記パターニングしたタンタル若しくはタンタル合金の表面に形成されている自然酸化膜であるＴａ2Ｏ5が昇華する条件下で熱処理を行い、前記パターニングされたタンタル若しくはタンタル合金の表面から前記Ｔａ2Ｏ5を除去した後、炭素源を導入して熱処理を行い、前記パターニングされたタンタル若しくはタンタル合金の表面から炭素を浸入させて形成されたことを特徴とする。
前記タンタルの炭化物配線は、前記パターニングされたタンタル若しくはタンタル合金の全部の領域に炭素が侵入して形成されたＴａＣであることが好ましい。
【００３２】
更にまた、本発明に係るタンタルの炭化物電極は、本発明に係るタンタルの炭化物の製造方法を適用して製造されたものである。
具体的には、本発明に係るタンタルの炭化物電極は、所定の形状にタンタル若しくはタンタル合金を加工し、前記加工したタンタル若しくはタンタル合金の表面に形成されている自然酸化膜であるＴａ2Ｏ5が昇華する条件下熱処理を行い、前記Ｔａ2Ｏ5を除去した後、炭素源を導入して熱処理を行い、前記加工したタンタル若しくはタンタル合金の表面から炭素を浸入させて形成されたことを特徴とする。
前記タンタルの炭化物電極は、所定の形状に加工されたタンタル若しくはタンタル合金の全部の領域に炭素が浸入して形成されたＴａＣであることが好ましい。
本発明のタンタルの炭化物電極は、タンタルの炭化物フィラメント若しくはタンタルの炭化物ヒータに適している。
【発明の効果】
【００３３】
本発明に係るタンタルの炭化物の製造方法は、以上のように、簡易な方法で、所定形状のタンタルの炭化物を形成することができるとともに、タンタルの炭化物のクラック、剥離等の発生がないため、タンタルの炭化物、例えば、ＴａＣの持つ、優れた高融点、高硬度、機械特性、電気特性等の性能を確実に発揮することが可能となり、各種用途への応用が容易に行える。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３４】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態に係るタンタルの炭化物の製造方法に用いられる真空加熱炉の概要を示す図である。図１において、符号１は真空加熱炉等の真空熱処理炉、２は真空チャンバー、３は予熱室、４は搬送室、５はタンタル若しくはタンタル合金の基材板、６は予熱ランプ、８は支持台、９は搬送トレイ、１０は昇降台、１１ａは保温防護部材を兼ねた炭素トレイ、１１ｂは保温防護部材、１２は熱反射板、１３は炭素源注入口、１４は真空ポンプ接続口、１５は基材５の出入口、１６は温度等の測定窓、１７は赤外線放射温度計、２０は炭素ヒータ、２２は搬送室４と真空チャンバー間２をシールするシール部材を示している。
【００３５】
図２は、本実施形態に係るタンタルの炭化物の製造方法のフローチャートを示す図である。
Ｓ１において、任意の形状に加工されたタンタル若しくはタンタル合金の基材５を真空熱処理炉１内に設置する。図２においては、Ｔａ基板として示されている。
Ｓ２において、前記Ｔａ基板の表面に形成されている自然酸化膜であるＴａ2Ｏ5が昇華する条件下で熱処理を行う。
Ｓ３において、前記Ｔａ基板の表面から完全にＴａ2Ｏ5が昇華して除去されている。
【００３６】
Ｓ４において、Ｔａ2Ｏ5が昇華して除去されたことを赤外線放射温度計１７で確認後、真空熱処理炉１に炭素源を導入する。
すると、Ｓ５において、前記Ｔａ基板の表面にタンタルの炭化物が形成され始める。
Ｓ４からＳ８に至るまで、炭素源の導入を継続する。
Ｓ５及びＳ６の段階では、前記タンタルの炭化物は、前記Ｔａ基板の一部の領域、具体的には表面領域に炭素が侵入して形成されたタンタルの炭化物である。前記Ｔａ基板表面からＴａ2Ｃ、ＴａＣの順に積層された２積層構造を有する。Ｔａ基板も含めると、Ｔａ、Ｔａ2Ｃ、ＴａＣの３層構造となる。
用途に応じて、Ｔａ基板が残っているこの段階でタンタルの炭化物の製造を終えてもよい。
【００３７】
更に、炭素源の導入を継続すると、Ｓ７及びＳ８のように、Ｔａ基板の全部の領域に炭素が侵入してＴａ基板部分が無くなり、タンタルの炭化物だけになる。
Ｓ７において、炭素の進入が均等ではなく、タンタルの炭化物はＴａ2Ｃ、ＴａＣの順に積層された２積層構造となっている。
Ｓ８において、タンタルの炭化物は、前記Ｔａ基板の全部の領域に略均等に炭素が侵入してＴａ基板がＴａＣに転化若しくは改質している。この段階でタンタルの炭化物の製造を終える。
上記本実施形態の製造方法によって製造されたタンタルの炭化物が本実施形態に係るタンタルの炭化物である。
【００３８】
図３は、本実施形態に係るタンタルの炭化物の製造方法における放射温度計の出力曲線を示す図である。加熱開始後１７５０℃付近から出力が上昇する曲線から検知することができる。これは、表面に形成されていた自然酸化膜が除去され、基材であるＴａ若しくはＴａ合金が露出し表面の放射率が変わったためであると考えられる。
このように、基材５の表面の放射率を放射温度計で測定すると、前記自然酸化膜であるＴａ2Ｏ5が除去される際の放射率の変化を放射温度計の温度変化によって測定でき、Ｔａ2Ｏ5の昇華の開始及び終了が解る。
【００３９】
自然酸化膜であるＴａ2Ｏ5が昇華する好ましい熱処理条件は、処理圧力が低ければ、比較的低温で行うことができるが、確実に表面の自然酸化膜を昇華するためには、圧力約１Ｐａ以下において、約１７５０℃以上２０００℃以下の範囲、更に好ましくは、圧力約０．５Ｐａ以下において約１８６０℃以上２０００℃以下の範囲の条件下で熱処理することが好ましい。このような条件で熱処理を行うことによって、表面に形成されている自然酸化膜であるＴａ2Ｏ5が確実に昇華して、除去される。
【００４０】
自然酸化膜であるＴａ2Ｏ5の除去後、前記真空熱処理炉１内に炭素源を導入して、前記タンタル若しくはタンタル合金基材５の表面にタンタルの炭化物を形成する好ましい熱処理条件は、圧力約１Ｐａ以下において約１８６０℃以上２５００℃以下の範囲である。更に好ましくは圧力約０．５Ｐａ以下において約２０００℃以上２５００℃以下の範囲である。
【００４１】
自然酸化膜であるＴａ2Ｏ5の除去後の熱処理条件において、ヒータに黒鉛製の抵抗加熱ヒータを使用した場合、ヒータからの蒸気が炭素源となり得る。しかしながら、本実施形態に係るタンタルの炭化物製造条件下においては、黒鉛ヒータの消耗も激しくなる為、このように、放射温度計の出力が変化した直後から、別途、炭素源となる炭素材料を基材５とともに加熱処理室内に設置することが好ましい。また、炭素を含むガスを導入することもできる。
【００４２】
図４は、本実施形態に係るタンタルの炭化物の厚みと加熱時間条件を示す図であり、図５は、本実施形態に係るタンタルの炭化物の厚みと加熱温度条件を示す図である。
これらより、前記真空熱処理炉１内に炭素源を導入して熱処理する温度、時間、圧力条件を調整することによって、形成され得るタンタルの炭化物の厚みを制御することが可能であることが解る。すなわち、基材５となるＴａ若しくはＴａ合金の厚みによっては、基材５であるＴａ若しくはＴａ合金を完全にＴａＣに転化したり、改質したりすることも可能である。
【００４３】
言い換えると、比較的加工のしやすいＴａ若しくはＴａ合金の段階で所定の形状に加工した後、本実施形態に係るタンタルの炭化物の製造方法の条件下で処理すると、所定形状のＴａＣを形成することができる。このため、フィラメントやヒータの電極としても使用することが可能となる。
また、半導体基板上に所定の形状にパターニングされたタンタル若しくはタンタル合金を本実施形態に係るタンタルの炭化物の製造方法の条件下で処理すると、所定形状にパターニングされたのＴａＣを形成することができる。
【００４４】
図６は、本発明の実施形態に係るタンタルの炭化物配線を製造するフローチャートを示す図である。
炭化ケイ素（以下、ＳｉＣという。）等の半導体基板上にタンタル若しくはタンタル合金を蒸着等の任意の方法で所定の形状となるようにパターニングを行う（Ｔａ金属パターニング工程）。
前記パターニングしたタンタル若しくはタンタル合金の表面に形成されている自然酸化膜であるＴａ2Ｏ5が昇華する条件下で熱処理を行い、前記パターニングされたタンタル若しくはタンタル合金の表面から前記Ｔａ2Ｏ5を除去する（酸化膜除去工程）。
【００４５】
前記Ｔａ2Ｏ5を除去した後、炭素源を導入して熱処理を行い、前記パターニングされたタンタル若しくはタンタル合金の表面から炭素を浸入させてタンタルの炭化物配線を形成する（炭素源導入炭化工程）。
炭素源を導入して熱処理する温度、時間、圧力条件を調整することによって、前記タンタルの炭化物配線は、前記パターニングされたタンタル若しくはタンタル合金の全部の領域に略均等に炭素が侵入して形成されたＴａＣ配線とすることができる。この場合、ＴａＣ配線された高出力半導体デバイスとなる。
【００４６】
また、炭素源を導入して熱処理する温度、時間、圧力条件を調整することによって、前記タンタルの炭化物配線は、前記パターニングされたタンタル若しくはタンタル合金の一部の領域に炭素が侵入して形成されたタンタルの炭化物配線とすることもできる。この場合、前記パターニングされたタンタル若しくはタンタル合金表面からＴａ2Ｃ、ＴａＣの順に積層された積層構造を有する。
このように、ＳｉＣ等の半導体基板表面にＴａＣ等のタンタルの炭化物を配線することができる。
【００４７】
図７は、本発明の実施形態に係るタンタルの炭化物電極を製造するフローチャートを示す図である。
コイル形状等の所定の形状にタンタル若しくはタンタル合金基材を加工する（Ｔａ基材ワイヤ形状成形）。
前記加工したタンタル若しくはタンタル合金の表面に形成されている自然酸化膜であるＴａ2Ｏ5が昇華する条件下で熱処理を行い、前記加工したタンタル若しくはタンタル合金表面から前記Ｔａ2Ｏ5を除去する（酸化膜除去工程）。
酸化膜除去後、炭素源を導入して熱処理を行い前記タンタル若しくはタンタル合金の表面から炭素を浸入させて所定形状のタンタルの炭化物電極を形成する（炭素源導入炭化工程）。
【００４８】
炭素源を導入して熱処理する温度、時間、圧力条件を調整することによって、前記タンタルの炭化物電極は、所定の形状に加工されたタンタル若しくはタンタル合金の全部の領域に略均等に炭素が浸入して形成されたＴａＣ電極とすることができる。
また、炭素源を導入して熱処理する温度、時間、圧力条件を調整することによって、前記タンタルの炭化物電極は、前記所定の形状に加工されたタンタル若しくはタンタル合金の一部の領域に炭素を侵入させて形成されたタンタルの炭化物電極とするとこともできる。この場合、前記所定の形状に加工されたタンタル若しくはタンタル合金表面からＴａ2Ｃ、ＴａＣの順に積層された積層構造を有する。
このようにタンタル基材をフィラメントやヒータ等の所定形状を有するＴａＣ等のタンタルの炭化物電極とすることができる。
【実施例１】
【００４９】
試料となるＴａを所定の形状に加工し、黒鉛製の容器内に設置し、黒鉛製の抵抗型加熱ヒータを有した熱処理炉によって、１８００℃以上２３００℃以下、真空度１．５〜３．０×１０-1Ｐａの条件で１８０分間熱処理を行った。
【００５０】
図８に、上記の熱処理条件によって製造されたタンタルの炭化物の拡大断面電子顕微鏡写真を示す。図２のＳ５，Ｓ６段階でタンタルの炭化物の製造を終えた図であり、タンタルの炭化物が積層構造を有する場合の図である。
図８に示すように、Ｔａの表面から炭素が内部に拡散し、表層部に略均一なＴａＣ層が形成され、そのＴａＣ層の内面には、ＴａとＴａＣを結合するアンカー層（遷移層）としてＴａ2Ｃ層が現れている。
【００５１】
Ｔａ層、Ｔａ2Ｃ層、ＴａＣ層が形成された３層構造となっており、このＴａ2Ｃ層とＴａとの境界とＴａ2Ｃ層とＴａＣ層の境界が明確に形成されていないのが観察できる。このことから、従来の方法で形成されるＴａＣと異なり、熱履歴を受けた場合であっても、表面に形成されたＴａＣ層にクラックや剥離等が生じることが防止できるものと考えられる。
また、Ｔａ，Ｔａ2Ｃ，ＴａＣのそれぞれは格子定数が異なるため、各層の界面では、各層の格子が圧縮を受けて積層されると考えられ、そのため、各層間は、非常に強固に形成されるため、層間剥離も防止できるとともに、表面の硬度等の機械的特性も向上する。
【００５２】
図９は、上記の熱処理条件によって製造されたタンタルの炭化物の表面拡大電子顕微鏡写真を示す図である。図９に見られるように、繊維状の結晶が折り重なっている。同一層内では同じ方向に繊維状の結晶が成長し、それとは違う方向に繊維状結晶が成長している層があり、それらが重なることによって、一つの結晶構造を作っている。
図９に示す本試料のＴａＣ表面の硬度測定値は２２００Ｈｖと従来製造法のＴａＣの表面硬度１５５０Ｈｖに対して大幅に改善されておりＴａＣの表面に形成される格子縞がこの性能改善に寄与していると考えられる。
三層構造は一層目のＴａ基材がＴａの高い電気伝導性、熱伝導性を備えており、二層目のＴａ2Ｃが干渉膜的な剥離、クラツク防止の役割を果し三層目のＴａＣは高融点、高硬度の性能を備えおり総合的な相乗効果で高性能材料の誕生が期待される。このため、機械加工工具、電子材料等、各種用途への応用が可能となる。
【００５３】
また、図９に示すように、表面に形成される格子縞が非常に細かいことから、摩擦抵抗も小さくなるものと考えられ、ＴａＣの高い硬度も考慮すると、前述した高耐圧高出力の半導体デバイス以外にも、ベアリング等の摺動材としても使用することも可能である。また、高い硬度を利用した機械加工用バイトとしても使用可能である。
【００５４】
このように本実施形態に係るタンタルの炭化物の製造方法は、１７５０℃以上２０００℃以下の真空中でＴａ若しくはＴａ合金基材表面に形成されている自然酸化膜であるＴａ2Ｏ5を昇華させて除去してから真空中に炭素源を導入しＴａ若しくはＴａ合金基材表面にＴａＣとＴａ2Ｃを形成する。
【００５５】
【化１】
0003680281.tif 000002
【００５６】
因みに、特許文献８に記載の従来製法では１３００℃〜１６００℃の真空中に炭素源を導入しＴａＣ及びＴａ2Ｃを形成させた後に１３００℃〜１６００℃の真空中で15時間程度の長時間アニールして表面付着した未反応炭素原子を拡散させてＴａＣ層を成長させる。
【００５７】
【化２】
0003680281.tif 000003
【００５８】
そのため、特許文献８に掲載の拡大写真の観察からわかるように、Ｔａ基材とＴａＣの境界が明確に分かれており、繰返し受ける熱応力によって、層間での層間剥離とＴａＣ層のクラツクが発生しやすいものと考えられる。
Ｔａ基板表面の自然酸化膜Ｔａ2Ｏ5に１３００℃〜１６００℃の低い温度で炭素原子を反応させても自然酸化膜Ｔａ2Ｏ5が化学的に安定でありＴａの炭化速度が低く炭素原子の拡散深さが非常に浅い為真空加熱アニールを数十時間も行つて炭素原子を拡散させてＴａＣ膜を成長させても所望の厚みが得られていない。合わせて長時間の加熱で結晶粒子が大きく成長してバルク状に成り粒界も大きくなつておりＴａ基材とＴａＣの境界が明確に分かれてしまい層間での層間剥離とＴａＣ層内のクラツクが発生しやすいものと考えられる。
【００５９】
尚、本発明は、上記の好ましい実施形態に記載されているが、本発明はそれだけに制限されない。本発明の精神と範囲から逸脱することのない様々な実施形態が他になされることができることは理解されよう。
【産業上の利用可能性】
【００６０】
本発明に係るタンタルの炭化物の製造方法によると、簡易な方法で、確実にタンタルの炭化物を製造することが可能であり、その優れた化学的特性を利用した熱処理用治具はもちろんであるが、機械加工用バイト、照明等のフィラメントやヒータとして用いられる電極等、各種産業用用途への利用可能性を有している。
【図面の簡単な説明】
【００６１】
【図１】本発明の実施形態に係るタンタルの炭化物の製造方法に用いられる真空加熱炉の概要を示す図
【図２】本発明の実施形態に係るタンタルの炭化物の製造方法のフローチャートを示す図
【図３】本発明の実施形態に係るタンタルの炭化物の製造方法における放射温度計の出力曲線を示す図
【図４】本発明の実施形態に係るタンタルの炭化物の厚みと加熱時間条件を示す図
【図５】本発明の実施形態に係るタンタルの炭化物の厚みと加熱温度条件を示す図
【図６】本発明の実施形態に係るタンタルの炭化物配線を製造するフローチャートを示す図。
【図７】本発明の実施形態に係るタンタルの炭化物電極を製造するフローチャートを示す図。
【図８】本発明の実施形態に係るタンタルの炭化物の拡大断面電子顕微鏡写真を示す図であり、タンタルの炭化物が積層構造を有する場合の図
【図９】本発明の実施形態に係るタンタルの炭化物の表面拡大電子顕微鏡写真を示す図であり、タンタルの炭化物が積層構造を有する場合のＴａＣ層の図
【図１０】ＴａＣのフェーズダイアグラムを示す図
【符号の説明】
【００６２】
１  真空熱処理炉
２  真空チャンバー
３  予熱室
４  搬送室
５  Ｔａ基材
６  予熱ランプ
８  支持台
９  搬送トレイ
１０  昇降台
１１ａ  炭素トレイ
１１ｂ  保温防護部材
１２  熱反射板
１３  炭素源注入口
１４  真空ポンプ接続口
１５  試料出入口
１６  測定窓
１７  赤外線放射温度計
２０  炭素ヒータ
２２  シール部材
【図１】
0003680281.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図１０】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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