[發明專利]一種低織構的熱解氮化硼(PBN)薄壁容器及其制備方法

有效

• 申請號: 200910092302.5
• 申請日: 2009-09-09
• 公開（公告）號: CN101643932A
• 公開（公告）日: 2010-02-10
• 發明（設計）人: 何軍舫;房明浩;劉艷改;黃朝暉
• 申請（專利權）人: 北京博宇半導體工藝器皿技術有限公司
• 主分類號: C30B15/10
• 分類號: C30B15/10;C01B21/064;C23C16/34
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技術領域

本發明屬于熱解法制備無機材料技術領域，具體涉及一種低織構的PBN薄壁容器及其制備方法。

背景技術

h-BN(六方氮化硼)具有類石墨的六方層狀結構，具有高純度、耐高等優異的特點，且與大部分熔體不浸潤，作為熔體的容器，在半導體單晶生長、有色金屬冶煉等領域具有重要應用，特別在半導體單晶生長領域普遍采用熱解法生產的h-BN坩堝作為GaAs等單晶生長的容器。熱能氮化硼(PBN)通過化學氣相沉積原理，采用美國專利US3152006所公開的方法形成，將該專利公開內容引入本文作為參考。該方法包括將合適比例的氨和氣態鹵化硼例如三氯化硼(BCl₃)，三氯化硼(BF₃)等的蒸氣引入已加熱的反應器中，產生裂解反應，使得BN沉積在合適基材如石墨的表面上。BN以層的形式沉積，冷卻后，將其從基材上分離，形成PBN坩堝。

PBN是一種具有六方晶格的各向異性材料，一般認為，在與PBN板的厚度方向垂直的方向(“c”向)和與板的厚度方向平行的方向(“a”向)上，具有各向異性。其“a”向的導熱性能非常好，是“c”向的20倍左右。熱解法制備的BN坩堝具有純度高、惰性好和電絕緣等優點，是半導體單晶生長用坩堝容器的理想材料。但在使用過程中存在以下主要缺點：1)采用熱解法制造的BN坩堝從內表面開始生長，為層狀結構，具有較大的各項異性，(001)晶面和(100)晶面生長速度存在較大差異，從而BN坩堝表面形成較明顯的織構，由于BN易于沿(001)晶面解離，導致在使用BN坩堝生長半導體單晶或熔煉金屬后，在半導體單晶或熔融金屬脫出BN坩堝時，使坩堝內表面產生不規則剝落的現象，BN坩堝的使用壽命受到這種不規則剝落現象的制約，使用壽命很不穩定，次數從1次到10余不等。針對這一問題，中國專利02120080.7提出一種制備摻雜中間層的方法，來提高BN坩堝沿垂直于厚度方向整體剝落性能的方法。實際上，該方法生產的BN坩堝產品在實際生長單晶的使用過程中剝落行為并不是完全沿垂直于厚度方向整體剝落，其原因在于BN晶粒生長雖然存在明顯的織構現象，但仍很難實現完全統一的晶粒定向排布，仍存在少量的BN晶粒取向與其他大部分BN晶粒取向不同，導致當剝落發生時，這些不同取向BN的剝落方向與其他晶粒的剝落方向不同，在BN坩堝壁上出現明顯的不規則異常剝落現象，縮短BN坩堝的使用壽命。2)熱導率的各向異性，也使的在用于垂直梯度凝固法(VGF)生長半導體單晶工藝中溫度梯度建立增加了困難。

本發明提出解決這二個問題的一個新的方法，通過減弱BN坩堝各項異性程度以及減小BN晶粒尺寸，來實現解決降低不規則剝落現象的問題。通過降低“a”向的導熱系數，更容易地建立起溫度梯度。

發明內容

鑒于所述情況，本發明的目的在于，提供一種制備低織構的PBN薄壁容器的方法。使BN薄壁容器在使用過程中不易發生不規則剝落現象，提高BN薄壁容器的使用壽命，并且更容易實現單晶生長。

本發明所述的低織構的BN薄壁容器的制造方法，按照下述步驟進行：

1)將合適比例的氨和氣態鹵化硼的蒸氣引入已加熱的爐反應器，在常規沉積模具上進行常規低溫熱解沉積獲得壁厚為0.5-5mm的非結晶態熱解BN薄壁容器，爐反應器的加熱溫度在1200-1600℃，為提高沉積速度可采用外場輔助沉積的方法，可采用的外場輔助沉積方法包括單一輔助電場、單一輔助磁場、輔助低頻電磁場、輔助高頻電磁場、輔助微波電磁場。

2)將熱解沉積得到的非結晶態熱解BN薄壁容器坯體置于真空加熱爐或惰性氣體保護的加熱爐中，在1700℃-2200℃溫度范圍內保溫12-72小時進行高溫燒結析晶熱處理；升溫速度沒有特別的限制，可以在30℃/小時至1000℃/小時不等，但最終高溫燒結析晶熱處理溫度需要在1700℃-2200℃溫度范圍內保溫12-72小時進行高溫燒結析晶熱處理。如果選擇的最終高溫燒結析晶熱處理溫度比較低，則進行高溫燒結析晶熱處理的保溫時間就較長，例如選擇最終高溫燒結析晶熱處理溫度為1700℃，高溫燒結析晶熱處理的保溫時間甚至達到72小時；如果選擇的最終高溫燒結析晶熱處理溫度比較高，則進行高溫燒結析晶熱處理的保溫時間就較短，例如選擇最終高溫燒結析晶熱處理溫度為2100℃，高溫燒結析晶熱處理的保溫時間只需15小時就可以；高溫燒結析晶熱處理后，燒結BN薄壁容器坯體隨爐自然冷卻后即可獲得低織構的h-BN薄壁容器。該加熱爐可以采用電加熱、輻射加熱、微波加熱或電磁場輔助輻射加熱的方式獲得高溫。

這種方法對于制備低織構的BN薄壁容器具有重要意義。