炭化タンタルセラミック – 半導体および航空宇宙の主要材料。

炭化タンタル (TaC)超高温セラミック材料です。超高温セラミックス（UHTC）とは、一般にZrC、HfC、TaC、HfB2、ZrB2、HfNなど、2000℃以上の高温腐食環境（酸素原子環境など）で使用される、融点が3000℃を超えるセラミック材料を指します。

炭化タンタルは、融点が3880℃と高く、硬度が高く（モース硬度9～10）、熱伝導率が比較的高く（22W・m⁻¹・K⁻¹）、曲げ強度が高く（340～400MPa）、熱膨張係数が比較的低い（6.6×10⁻⁶K⁻¹）。また、優れた熱化学的安定性と優れた物理的特性を示し、グラファイトおよび C/C コンポジットとの良好な化学的および機械的適合性を備えています。したがって、TaC コーティングは航空宇宙の熱保護、単結晶成長、エネルギーエレクトロニクス、医療機器などに広く使用されています。

半導体装置への応用

現在、炭化ケイ素（SiC）に代表されるワイドバンドギャップ半導体は、経済の主戦場となり、国家の主要ニーズに応える戦略的産業となっています。ただし、SiC 半導体は、複雑なプロセスと非常に高度な設備要件を必要とする産業でもあります。これらのプロセスの中で、SiC 単結晶の製造は産業チェーン全体における最も基本的かつ重要なリンクです。

現在、SiC 結晶成長に最も一般的に使用されている方法は、物理蒸気輸送 (PVT) 法です。 PVT では、炭化ケイ素粉末は密閉された成長チャンバー内で 2300°C 以上の温度と真空に近い圧力で誘導加熱によって加熱されます。これにより粉末が昇華し、Si、Si2C、SiC2 などのさまざまなガス成分を含む反応性ガスが生成されます。この気固反応によりSiC単結晶反応源が生成されます。 SiC 種結晶は成長チャンバーの上部に配置されます。種結晶に輸送されたガス成分は、ガス成分の過飽和によって種結晶表面に原子的に堆積し、SiC単結晶へと成長します。

このプロセスは成長サイクルが長く、制御が難しく、マイクロチューブや介在物などの欠陥が発生しやすいです。欠陥を管理することは非常に重要です。炉の熱場のわずかな調整やドリフトでも、結晶成長が変化したり、欠陥が増加したりする可能性があります。後の段階では、結晶をより速く、より厚く、より大きくするという課題があり、理論的および工学的な進歩だけでなく、より洗練された熱場材料も必要となります。

熱分野のるつぼ材料には主に黒鉛と多孔質黒鉛が含まれます。しかし、グラファイトは高温で酸化しやすく、溶融金属によって腐食されます。 TaC は優れた熱化学的安定性と優れた物理的特性を備えており、グラファイトとの良好な化学的および機械的適合性を示します。グラファイト表面にTaCコーティングを施すことにより、耐酸化性、耐食性、耐摩耗性、機械的特性が効果的に向上します。これは、MOCVD装置でのGaNまたはAlN単結晶の成長、およびPVT装置でのSiC単結晶の成長に特に適しており、成長した単結晶の品質が大幅に向上します。

さらに、炭化ケイ素単結晶の製造中、固気反応により炭化ケイ素単結晶反応源が生成された後、Ｓｉ／Ｃ化学量論比は熱場分布に応じて変化する。気相成分が設計された熱場と温度勾配に従って確実に分布および輸送されるようにする必要があります。多孔質黒鉛は透過性が不十分であるため、透過性を高めるには追加の細孔が必要です。しかし、透過性の高い多孔質黒鉛は、加工、脱粉、エッチングなどの課題に直面しています。多孔質タンタルカーバイドセラミックは、気相成分の濾過をより適切に実現し、局所的な温度勾配を調整し、材料の流れの方向をガイドし、漏れを制御することができます。

なぜならTaCコーティングTaC は H2、HCl、NH3 に対して優れた耐酸性および耐アルカリ性を示します。炭化ケイ素半導体産業チェーンにおいて、TaC はグラファイト マトリックス材料を完全に保護し、MOCVD などのエピタキシャル プロセス中に成長環境を浄化することもできます。

航空宇宙分野での応用

航空宇宙車両、ロケット、ミサイルなどの現代の航空機が高速、高推力、高高度に向けて発展するにつれて、極限条件下での表面材料の高温耐性と耐酸化性の要件がますます厳しくなっています。航空機が大気圏に突入すると、高い熱流束密度、高いよどみ圧力、高い気流洗掘速度などの極限環境に直面するとともに、酸素、水蒸気、二酸化炭素との反応による化学的アブレーションにも直面します。航空機が大気圏に出入りする際、ノーズコーンと翼の周囲の空気は激しい圧縮を受け、航空機の表面との間に大きな摩擦が発生し、気流によって表面が加熱されます。飛行中の空力加熱に加えて、航空機の表面は太陽放射や環境放射の影響も受け、表面温度が継続的に上昇します。この変更は航空機の耐用年数に重大な影響を与える可能性があります。

TaC は、超高温耐性セラミックファミリーのメンバーです。 TaC は融点が高く、熱力学的安定性に優れているため、ロケット エンジンのノズルの表面コーティングの保護など、航空機のホットエンド部品に広く使用されています。

その他の用途

また、TaC は切削工具、研磨材、電子材料、触媒など幅広い応用が期待されています。たとえば、TaC を超硬合金に添加すると、粒子の成長を抑制し、硬度を高め、耐用年数を向上させることができます。 TaC は良好な導電性を備えており、組成に応じて導電性が異なる非化学量論的化合物を形成する可能性があります。この特性により、TaC は電子材料用途の有望な候補となっています。 TaCの脱水素触媒に関しては、TiCとTaCの触媒性能に関する研究により、TaCは低温では触媒活性をほとんど示さないが、1000℃を超えると触媒活性が著しく増加することが示されています。 CO の触媒性能に関する研究により、300℃における TaC の触媒生成物にはメタン、水、および少量のオレフィンが含まれることが明らかになりました。

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