一种高质量的热解BN坩埚及其制备方法.pdf

本发明涉及一种高质量的热解BN坩埚及其制备方法，属于热解法制备无机材料技术领域。该高质量的热解BN坩埚采用热解法制备。其制备工艺的特征在于：1)先制备得到热解BN基体；2)对制备得到的热解BN基体表面进行处理；3)以表面处理后的热解BN为基体生长热解BN坩埚。本发明制备得到的热解BN坩埚的特点为：1)在同质基体上的外延生长；2)可以有效减少瘤泡等缺陷的形成。

1.  本发明涉及一种高质量的热解BN坩埚及其制备方法，其特征在于：先制备得到热解BN基体；然后对制备得到的热解BN基体表面进行处理；再然后在经过表面处理后的热解BN基体上生长制备热解BN坩埚。

2.  根据权利要求1所述的高质量的热解BN坩埚，其特征在于热解BN基体的制备方法为：将合适比例的氨气和气态卤化硼引入已加热的炉反应器，在1400-2300℃温度范围内在某基体上进行热解沉积，获得壁厚为0.05-1mm的热解BN基体。

3.  根据权利要求1所述的高质量的热解BN坩埚，其特征在于制备热解BN基体所选用的基体可以是石墨、Si₃N₄陶瓷、SiC陶瓷、Al₂O₃陶瓷、ZrO₂陶瓷，以及其它致密耐高温材料。

4.  根据权利要求1所述的高质量的热解BN坩埚，其特征在于热解BN基体表面的处理工艺可以选用以下一步或几步：
(1)采用车削、铣削、磨削等机加工方法加工到所需的外形尺寸；
(2)对热解BN基体表面进行机械抛光处理到所需的外形尺寸；
(3)对热解BN基体表面进行化学抛光处理到所需的外形尺寸。

5.  根据权利要求1所述的高质量的热解BN坩埚，其特征在于热解BN坩埚的制备方法为：将合适比例的氨气和气态卤化硼引入已加热的炉反应器，在1400-2300℃温度范围内在表面处理后的热解BN基体上进行热解沉积，可以获得壁厚为0.3-5mm的热解BN坩埚。其特征在于该热解BN坩埚的沉积生长方式是同质外延生长。

一种高质量的热解BN坩埚及其制备方法
技术领域
本发明属于热解法制备无机材料技术领域，具体涉及一种高质量的热解BN坩埚及其制备方法。
技术背景
六方氮化硼膨胀系数低，导热率高，抗热震性优良，不仅是热的良导体，而且是典型的电绝缘体。在电子工业中，用作制备砷化镓、磷化镓、磷化铟和锗单晶的坩埚，半导体分装散热底板、移相器的散热棒，行波管收集极的散热管，半导体和集成电极的P型扩散源和微波窗口。在原子反应堆中，用作中子吸收材料和屏蔽材料。还可用作红外、微波偏振器、红外线滤光片、激光仪的光路通道、超高压压力传递材料等。
热解氮化硼(PBN)是通过化学气相沉积的方法所制备的一种结晶度高、杂质含量少的一种六方氮化硼。一般情况下，PBN坩埚是在石墨模具或石墨基片上沉积形成的厚度约为2mm薄层，将该薄层与模具分开后形成的。由于整个沉积过程是在石墨反应器中进行的，在沉积反应进行的初期，特别是温度在300℃-900℃时，石墨和氨气反应会形成少量的甲烷气体，这种甲烷气体隔绝了气流直接与石墨的接触，避免反应的进一步进行。但是甲烷随后被分解为细小的碳颗粒，会成为BN沉积形核的核心与BN同时沉积在石墨芯模上，并被随后生成的BN层所包裹，这就会形成瘤泡。另外，石墨基体表面存在一些空隙，也会导致在PBN坩埚表面产生瘤泡。
BN坩埚内表面的瘤泡，碳作为晶体缺陷的核心，不仅会污染内部生长的半导体材料(瘤泡处碳容易迁移到半导体材料中，使半导体材料的电子性能受到影响)，而且坩埚抛光后瘤泡所产生的局部层断面暴露在内表面，由于BN层与层之间的结合力弱，因此层片的脱落容易在此处发生；同时在BN暴露的断面处，熔体由于产生与断层的联结而引发坩埚破坏。
瘤泡会影响坩埚的力学性能，抗热震性能，降低坩埚的寿命，瘤泡越大，影响越明显，一般瘤泡的直径应小于100μm，直径大于100μm的瘤泡的数量应符合以下两个标准：(1)每平方厘米内直径超过100μm的平均瘤泡数不多于0.5个，即直径超过100μm的瘤泡数量足够少；(2)在任何部位，一平方厘米内的直径超过100μm的瘤泡数不能多于2个，即直径超过100μm的瘤泡分布不集中。目前的沉积工艺下，瘤泡的半径就可以达到0.3mm(图1)，有的甚至达到1mm以上。某个部位内一个平方厘米内直径超过100μm的瘤泡数可以达到2个，最多的可以达到十几个甚至更多(图2)。这样将严重影响BN的抗热震性和使用寿命。
因此减少瘤泡的形成必将成为提高BN坩埚的热震性、机械性能、循环使用寿命以及提高半导体单晶的质量的重要措施。
 图1BN坩埚上的单个瘤泡示意                 
图2BN坩埚上的多个瘤泡分布情况
发明内容
鉴于所述情况，本发明的目的在于，提供一种制备高质量的热解BN坩埚的方法。采用BN基体上同质外延生长热解BN坩埚，从而减少热解BN坩埚制备过程中瘤泡的形成，提高热解BN坩埚的质量和使用寿命。
本发明所述的高质量的热解BN坩埚的制造方法，按照下述步骤进行：1)将合适比例的氨气和气态卤化硼引入已加热的炉反应器，在1400-2000℃温度范围内在石墨、Si₃N₄陶瓷、SiC陶瓷、Al₂O₃陶瓷、ZrO₂陶瓷或其他致密耐高温材料基体上进行热解沉积，获得壁厚为0.05-1mm的热解BN基体。2)对制备得到的热解BN基体表面进行处理，表面处理工艺可以选用以下一步或几步：(1)采用车削、铣削、磨削等机加工方法加工到所需的外形尺寸；(2)对热解BN基体表面进行机械抛光处理；(3)对热解BN基体表面进行化学抛光处理。3)热解BN坩埚的制备方法为：将合适比例的氨气和气态卤化硼引入已加热的炉反应器，在1400-2100℃温度范围内在表面处理后的热解BN基体上进行热解沉积，获得壁厚为0.5-5mm的热解BN坩埚。其特征在于：该热解BN坩埚的沉积生长方式是同质外延生长。
这种方法对于制备高质量的热解BN坩埚具有重要意义。该方法具有以下优点：1)在同质基体上的外延生长；2)可以避免了气相沉积过程中，反应气体与石墨之间的反应；3)可以有效减少瘤泡等缺陷的形成。
具体实施方式
具体实施方式一：坩埚尺寸：直径150mm，高度200mm。
将摩尔比为1∶2的三氯化硼和高纯氨气引入已加热的炉反应器，反应腔的真空度为133Pa，反应温度1700℃，在石墨基体上进行热解沉积，获得壁厚为0.15mm的热解BN基体。
对制备得到的热解BN基体表面进行处理，先对热解BN基体表面进行机械抛光处理；再对热解BN基体表面进行化学抛光处理。
热解BN坩埚的制备方法为：将摩尔比为1∶2的三氯化硼和高纯氨气引入已加热的炉反应器，反应腔的真空度为133Pa，反应温度2000℃下在表面处理后的热解BN基体上进行热解沉积，获得壁厚为2mm的热解BN坩埚。
制备的热解BN坩埚质量较好，没有发现瘤泡的形成，使用过程中剥落现象不明显，使用效果好。
具体实施方式二：直径105mm，高度110mm。
将摩尔比为1∶3的三氯化硼和高纯氨气引入已加热的炉反应器，反应腔的真空度为133Pa，反应温度1600℃，在Si₃N₄陶瓷基体上进行热解沉积，获得壁厚为0.2mm的热解BN基体。
对制备得到的热解BN基体表面进行处理，表面处理工艺为：(1)采用磨削方法加工到所需的外形尺寸；(2)对热解BN基体表面进行机械抛光处理；(3)对热解BN基体表面进行化学抛光处理。
热解BN坩埚的制备方法为：将摩尔比为1∶3的三氯化硼和高纯氨气引入已加热的炉反应器，反应腔的真空度为133Pa，反应温度1700℃下在表面处理后的热解BN基体上进行热解沉积，获得壁厚为2mm的热解BN坩埚。
制备的热解BN坩埚质量较好，没有发现瘤泡的形成，使用过程中剥落现象不明显，使用效果好。
具体实施方式三：坩埚尺寸：直径180mm，高度200mm。
将摩尔比为1∶3的三氯化硼和高纯氨气引入已加热的炉反应器，反应腔的真空度为133Pa，反应温度1900℃，在石墨基体上进行热解沉积，获得壁厚为0.5mm的热解BN基体。
对制备得到的热解BN基体表面进行处理，表面处理工艺为：(1)采用车削和磨削方法加工到所需的外形尺寸；(2)对热解BN基体表面进行机械抛光处理；(3)对热解BN基体表面进行化学抛光处理。
热解BN坩埚的制备方法为：将摩尔比为1∶3的三氯化硼和高纯氨气引入已加热的炉反应器，反应腔的真空度为133Pa，反应温度2000℃下在表面处理后的热解BN基体上进行热解沉积，获得壁厚为3mm的热解BN坩埚。
制备的热解BN坩埚质量较好，瘤泡直径和个数满足要求，使用过程中不规则剥落现象不明显，使用效果好。