[發明專利]一種超高溫度下使用的復合型坩堝的制備方法

有效

• 申請號: 201310045352.4
• 申請日: 2013-02-05
• 公開（公告）號: CN103060744A
• 公開（公告）日: 2013-04-24
• 發明（設計）人: 齊海濤
• 申請（專利權）人: 中國電子科技集團公司第四十六研究所
• 主分類號: C23C8/64
• 分類號: C23C8/64
• 代理公司: 天津中環專利商標代理有限公司 12105
• 代理人: 王鳳英

技術領域

本發明涉及在單晶生長工藝中使用的坩堝的制備方法，特別涉及一種超高溫度下使用的復合型坩堝的制備方法。

背景技術

氮化鋁（AlN）單晶材料是一種研制新型大功率微波器件和短波長光電器件的極為理想的襯底材料，但目前還很難得到AlN體單晶材料。AlN理論計算熔點為2800℃,?離解壓力為20MPa，因此難以像Si和GaAs一樣采用熔體直拉法或溫度梯度凝固法技術來生長單晶。目前比較有希望的方法之一為PVT（Physical?Vapor?Transport，物理氣相傳輸）法。AlN?的PVT法生長原理是通過高純AlN粉末在高溫源區處升華分解，通過生長腔內的物質輸運過程，在低溫籽晶處凝結，進而形成單晶的生長過程。采用PVT法制備AlN單晶中存在諸多技術難點。其中，選擇高溫穩定、致密、耐用、合適的坩堝材料是AlN晶體生長技術的重要課題之一。AlN的生長溫度很高（2100～2300℃），并存在高腐蝕性的Al蒸汽。一般的坩堝和保溫材料可能與源料反應（比如氮和AlN粉末），同時也可能從坩堝或保溫材料引入雜質到晶體中，形成生長缺陷。因此，坩堝材料的選擇相當重要，需要具有以下特征：1、材料熔點必須高于2500℃；2、不可形成低熔點的Al、N、C共熔物；3、不應與Al蒸汽或氮氣反應；4、蒸汽壓應遠低于AlN的Al和氮氣蒸汽壓；5、盡可能長的使用壽命。

鉭是稀有高熔點金屬，熔點?2996℃，導熱系數54W/(M·K)（25℃），線膨脹系數6.5×10^-6（0~100℃）。鉭的韌性強，具有良好的延展性，不易破碎。鉭主要作為耐熱高強度材料，在高溫真空爐中，可作為支撐附件、熱屏蔽、加熱器和散熱片等。鉭在高溫下將與氮氣反應生成氮化鉭，將與Al蒸汽反應生成低熔點共晶，引起表面裂紋，一次或數次使用后會造成鉭坩堝開裂而報廢。

碳化坦有很高的化學穩定性和良好的高溫性能，熔點3875℃，沸點5500℃，可耐3800℃以下的高溫。高溫基本不與氮氣發生反應。硬度可與金剛石相嫣美。并對抑制晶粒長大有明顯效果。但是碳化坦材料脆性大，在高低溫的沖擊下極易開裂。

由鉭和碳化坦構成的復合型坩堝將充分利用鉭和碳化坦兩者的性能優勢，又能克服兩者在應用方面的缺點，因此，可為研發AlN晶體生長所需的高適應性的坩堝，以滿足物理氣相傳輸法生長晶體材料（特別對于氮化鋁晶體）對超高溫耐受性坩堝的要求。

發明內容

本發明的目的是為了滿足物理氣相傳輸法生長晶體材料（特別對于氮化鋁晶體）對超高溫耐受性坩堝的要求，特別提供一種鉭坩堝通過兩步燒制過程獲得碳化鉭－鉭－碳化坦三層復合型坩堝的制備方法，該復合型坩堝既有很好的強度，抗高低溫沖擊，不宜開裂，又具有對高溫Al蒸汽、氮氣或其它氣氛的抗蝕能力，成為AlN或其它晶體超高溫生長適用的坩堝。

為了達到上述目的，本發明采取的技術方案是：一種超高溫度下使用的復合型坩堝的制備方法，其特征是，該方法依照以下步驟進行：

（A）.鉭坩堝預處理：將鉭坩堝浸泡在硫酸溶液中，視鉭坩堝表面潔凈程度，在硫酸溶液煮沸狀態下浸泡30～120分鐘，冷卻后沖洗、吹干；

（B）.坩堝組件組裝：將鉭坩堝放置在石墨坩堝內，鉭坩堝內再放置石墨杯，石墨坩堝、鉭坩堝、石墨杯三者間隙填充碳基材料，石墨坩堝外圍包裹保溫套，保溫套上預留上下兩個紅外高溫計視孔；

（C）.裝爐碳化：將組裝好的坩堝組件移入感應加熱爐，抽真空、充氬氣、升溫，監測石墨坩堝上部和底部溫度，控制石墨坩堝上部溫度在2100～2250℃之間，壓力在20～200mbar之間，恒溫時間在10～50小時之間，然后降溫至室溫；

（D）.去除碳基材料：降溫后，從爐內取出碳化后的坩堝組件，將石墨杯取出，去除碳基材料后，再將石墨坩堝、鉭坩堝和保溫套重新組裝；?

（E）.退火熱處理：將重新組裝的坩堝組件移入感應加熱爐，抽真空、充氬氣、升溫，監測石墨坩堝上部和底部溫度，控制石墨坩堝上部溫度在2000～2200℃之間，壓力在20～500mbar之間，恒溫時間在5～30小時之間，然后降溫至室溫；

（F）.清洗干燥：降溫后，從爐中取出熱處理后的坩堝組件，將鉭坩堝取出，進行清洗并吹干，即制備出碳化鉭－鉭－碳化坦三層復合型結構的坩堝。

制備復合型坩堝的作用原理：在高溫、低壓、惰性氣體環境下，碳基材料揮發，碳與鉭坩堝表面的鉭發生化學反應，生成致密碳化坦表面層，反應時間越長，碳化坦層越厚。