CN102021533A - 制备热解氮化硼制品用的化学气相沉积工艺及气相沉积炉 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供一种制备热解氮化硼制品用的化学气相沉积工艺及其设备，该工艺采用气相沉积炉，所述气相沉积炉包括炉体、加热体、进气口、出气口以及模具，进气口在炉体底部或顶部，原料气体为N_２、NH_３和BCl_３的混合气体，炉温为1800~2000℃，保温14~26h，其特征在于：气相沉积炉的进气口为三同心圆进气口，每个同心圆进气口通入一种气体，有1~36只产品模具在炉内同时进行公转、自转，模具在炉内的公转速度为1~10圈/分钟。产品模具的旋转机构设置在炉体内或外的上端或下端；该工艺能够提高PBN产品质量及其生产效率，降低生产成本。

Description

制备热解氮化硼制品用的化学气相沉积工艺及气相沉积炉

技术领域

本发明涉及热解氮化硼（ PBN ）制品的生产工艺，属于化学气相沉积（CVD）的技术领域。

 

背景技术

氮化硼具有很高的热稳定性，其制品在高新技术领域许多新材料的制备过程中是不可缺少的用具，用气相沉积法制作的热解氮化硼制品，壁薄、密度高、强度高、省料且成品率高，成为氮化硼产品制备中一种新兴的方法，特别是热解氮化硼坩埚的制备。

在发明人申请的专利“一种高温热电偶绝缘套管的制造方法”（专利号：ZL 90110283. 0）之前的制备方法，均采用同心圆进气法，产品吊挂不进行转动。在此专利之后，包括此专利都是采用了产品吊挂、自转的方法，然而所得到的产品只是中间的那一只最好，形状、尺寸都符合要求。用此方法我们制备出了不同尺寸与规格的MBE用坩埚，同时制备出直径Φ100mm的PBN坩埚。

在此之后发明人申报了专利“制备热解氮化硼坩埚制品的感应炉”（专利号：ZL 92235683.1），并首先公开了可以用碳管炉制备不同尺寸的PBN坩埚。考虑到大直径PBN坩埚的制备如何节省能源，发明人启动了感应炉设备，并制得直径120mm的LEC法用PBN坩埚，达到当时国际工业应用的最高水平。发明人同时申报了专利“热解氮化硼化学气相沉积炉” （专利号：ZL 94232049.2），公开了用中频感应炉制备直径Φ100-120mm以上的PBN坩埚，比碳管炉要节省电能，所得坩埚的颜色稍黄，敲之有清脆的金属声响。在生产大坩埚的过程中我们感到坩埚的底部较厚、上壁偏薄；在制备一炉多只的小坩埚的过程中出现了与碳管炉相同的现象，即中间坩埚或中心坩埚最好，其周边稍差的现象。为此发明人进一步改进，加设齿轮使每一只吊挂的产品都进行旋转。这样，基本上做到了一炉出来的产品在尺寸与形状上比较相近。

1996年赵林（ZHAO, LIN）先生申报了专利“偏心进气化学气相沉积碳管炉”（专利号：ZL 96225269.7），在热解氮化硼生产的发展过程中，有两项明显的突破；我国石墨发热体碳管炉，过去一直沿用的是单项炉，而单相炉在使用中会造成电网失配，尤其是像碳管炉大电流。所以，这一发明为工业化生产作出了重大贡献。另一突破是偏心进气和多通道进气。由于偏心进气或多通道进气，使得原一炉多只的产品更加均匀；使单只吊挂的产品底部由中心到边沿逐步的趋于平缓减薄，而产品坩埚的筒壁加厚。

近年来的生产实践与科学实验发现，制备大直径PBN产品，包括涂层，直径Φ（200-400mm）往往会出现坩埚颜色不均，产品规格、尺寸不一的难题。同时在一炉多只的小坩埚时也会出现，但出现频率不像大的那样高，这是对一只产品上出现的问题而言。而对不同炉的产品，有时候会是连续几炉，产品颜色不能重复。

  

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于制备热解氮化硼（PBN）制品的化学气相沉积工艺及其设备，该工艺能够提高PBN产品质量及其生产效率，降低生产成本。

本发明具体提供了一种用于制备热解氮化硼制品的化学气相沉积工艺，该工艺采用气相沉积炉，所述气相沉积炉包括炉体（通常为双壁水冷炉体）、加热体、进气口、出气口以及模具，进气口在炉体底部或顶部，原料气体为N_２、NH_３和BCl_３的混合气体，炉温为1800~2000℃，保温14~26h，其特征在于：气相沉积炉的进气口为三同心圆进气口（进气口的数量一般为2~12个），每个同心圆进气口通入一种气体，有1~36只产品模具在炉内同时进行公转、自转，模具在炉内的公转速度为1~10圈/分钟。产品模具的旋转机构设置在炉体内或外的上端或下端；旋转机构设置在上端，实现产品吊挂旋转；旋转机构设置在下端，实现产品自立旋转。

采用三同心圆进气可以使原料气体氨气（NH₃）和三氯化硼（BCl₃）混合的更加均匀，致使气体不发生明显的偏析，使得大坩埚与一炉多只的小坩埚颜色均匀。

产品模具在炉内公转与自转同时进行，主要应用于一炉多只的坩埚，如果产品只是进行自转，近进气口的产品是“近水楼台”，得到气体的流淌就多，长的粗大。而远离进气口的产品，获得气体的机会就相应减少，长的细小，这样，同一炉产品就会粗细不均，规格不一。而采用公、自转同时进行，此弊病就应运而解，产品模具在炉内均匀的走过相同的环境，条件完全相同的气流由模具上淌过，所以，产品在气相沉积的全过程中，都经历了完全相同的处理。采用该工艺可获得尺寸一致、颜色归一、规格相同的产品，提高产品合格率的同时，也大大提高了其生产效率。

本发明提供的三同心圆进气、一炉多只产品在炉内进行公、自转的方法，适用于化学气相沉积的各种方式，如电阻加热与感应加热等等。

本发明所述化学气相沉积工艺，其特征在于：在进行气相沉积过程中通入的气体及其摩尔比为：N_２：NH_３：BCl_３＝50~10：10~1：5~0.5。炉内压强为1~4托，炉温为1800~2000℃，保温14~26h。

本发明所述化学气相沉积工艺，其特征在于：其特征在于：在通入气体前气相沉积炉的炉内真空度为10^-3托，炉温为1800~2000℃。

本发明所述化学气相沉积工艺，其工艺流程为：将处理好的石墨模具吊挂在炉内，启动真空机组，使炉内达到真空状态（真空度为10^-3托），进行通电升温，温度达到1800~2000℃保温，按气体的摩尔比例通气；N_２：NH_３：BCl_３＝50~10：10~1：5~0.5通气，炉内压强保持在1~4托，炉温为1800~2000℃，保温14~26h。然后断电，产品随炉冷却至室温出炉，将沉积在模具上的白色硬壳体取下，就是完整的PBN坩埚毛坯，再机械加工成合格尺寸，即可获得合格的PBN产品。

本发明还提供了一种气相沉积炉，该气相沉积炉包括炉体、加热体、进气口、出气口以及模具，进气口在炉体底部或顶部，其特征在于：在炉体内或炉体外设有旋转机构，所述旋转机构由1~36个齿轮、转盘、齿套、伞齿轮组、连接轴以及电机组成，电机通过伞齿轮组与转盘相连，齿轮通过连接轴固定在转盘上，齿套在所有齿轮外围固定，并与齿轮啮合，转盘转动带动齿轮沿着圆盘式齿套旋转，每个齿轮上都吊挂或直立一个模具，模具随着齿轮的自转公转实现了产品（模具）在炉内的公转与自转。 

本发明提供的气相沉积炉，其特征在于：其特征在于：所述旋转机构在炉体内的上端或下端。

本发明提供的气相沉积炉，其特征在于：进气口为三同心圆进气口。根据需要，三同心圆进气口原理可延伸为弧形、半圆形、长方形等等的进气模式。三同心圆进气口对于生产大尺寸产品的效果比同心圆进气口更好。

采用本发明提供的工艺方法制备而得的产品，尺寸一致、颜色归一、规格相同，该方法在提高产品合格率的同时，也大大提高了其生产效率。

附图说明

图1  一炉一只气相沉积炉结构示意图；

图2  一炉二只气相沉积炉结构示意图；

图3  一炉五只气相沉积炉结构示意图。

具体实施方式

本发明具体实施方式中所述合格产品的标准为：1、产品颜色为乳白色，2、不分层，3、不开裂，4、尺寸符合图纸要求。

如图1、2、3所示，实施例所用气相沉积炉包括双壁水冷炉体1、进气口2、出气口3、模具4、旋转机构5以及发热体6，其中旋转机构由转盘5.1、齿轮5.2、连接轴5.3、伞齿轮组5.4、齿套5.5以及电机5.6组成。发热体6由感应线圈6.1、加热体6.2以及石墨套筒6.3组成。

 

实施例1

单支产品三同心圆，多通道进气，原位合成（LEC法）用PBN坩埚，直径Φ300mm×245mm：

如图1所示，电机5.6通过伞齿轮组5.4与转盘5.1相连，转盘5.1下吊挂一个模具，进气口2为多通道三同心圆进气口。

制备：将处理好的石墨模具吊挂在炉内，进行通电升温，温度达到2000℃保温，按下列气体的摩尔比例通气：N_２：NH_３：BCl_３＝48：8：4.8，其中N_２6升/分，NH_３1升/分，BCl_３0.6升/分。炉内压强为3托，保温时间为24h。通电结束后随炉冷却至室温出炉，将沉积在模具上的白色的硬壳体取下，就是完整的PBN坩埚毛坯，再机械加工成合格尺寸，即获得合格的PBN产品。

 

比较例1

原位合成（LEC法）用PBN坩埚，直径Φ300mm×245mm：

所用气相沉积炉的进气口为多通道同心圆进气口，其它结构同实施例1所用气相沉积炉。制备工艺同实施例1，所得的PBN产品颜色不均一。

 

实施例2

2支产品三同心圆多通道进气，VGF法用PBN坩埚的制备，直径Φ25mm×30mm，一炉2只。

如图2所示，电机5.6通过伞齿轮组5.4与转盘5.1相连，两个齿轮5.2通过连接轴固定在转盘5.1下，且每个齿轮下都吊挂一个模具4。齿套5.5放在石墨套筒6.3上并与所有齿轮5.2啮合。进气口2为三同心圆进气口。

制备：盖上炉盖开始升温，温度达到1900℃后，开启电机5.6，使齿轮5.2在电机5.6的作用下进行公、自转，公转速度为5圈/分钟。在进气口2按下列摩尔比例通入原料气体：N_２：NH_３：BCl_３＝12：1.2：1.0，炉内压强为２托，通气保温16h后断电，产品随炉冷却至室温出炉，将沉积在模具上的白色的硬壳体取下，就是完整的PBN坩埚毛坯，再机械加工成合格尺寸，即获得合格的PBN产品。 

 

实施例3

5支产品三同心圆多通道进气，MBE法用的PBN坩埚，直径Φ２２×１２０ｍｍ，一炉５只。

如图3所示，电机5.6通过伞齿轮组5.4与转盘5.1相连，五个齿轮5.2通过连接轴固定在转盘5.1上，且每个齿轮上都直立一个模具4。齿套5.5放在石墨套筒上并与所有齿轮5.2啮合。进气口2为三同心圆进气口。

制备：盖上炉盖开始升温，温度达到1900℃后，开启电机5.6，使齿轮5.2在电机5.6的作用下进行公、自转，公转速度为3圈/分钟。在进气口2按下列摩尔比例通入原料气体：N_２：NH_３：BCl_３＝12：1.2：1.0，炉内压强２托，通气保温14h后    断电，产品随炉冷却至室温出炉，将沉积在模具上的白色的硬壳体取下，就是完整的PBN坩埚毛坯，再机械加工成合格尺寸，即获得合格的PBN产品。

Claims (9)

1. 制备热解氮化硼制品用的化学气相沉积工艺，该工艺采用气相沉积炉，原料气体为N_２、NH_３和BCl_３的混合气体，炉温为1800~2000℃，保温14~26h，其特征在于：所述气相沉积炉的进气口为三同心圆进气口，有1~36只产品模具在炉内同时进行公转、自转。

2.按照权利要求1所述化学气相沉积工艺，其特征在于：模具在炉内的公转速度为1~10圈/分钟。

3.按照权利要求1所述化学气相沉积工艺，其特征在于：进行气相沉积过程中通入的气体及其摩尔比为：N_２：NH_３：BCl_３＝50~10：10~1：5~0.5。

4.按照权利要求1所述化学气相沉积工艺，其特征在于：在进行气相沉积过程中，气相沉积炉的炉内压强为1~4托。

5.按照权利要求1所述化学气相沉积工艺，其特征在于：在通入气体前气相沉积炉的炉内真空度为10^-3托，炉温为1800~2000℃。

6.一种气相沉积炉，该气相沉积炉包括炉体、发热体、进气口、出气口以及模具，进气口在炉体底部或顶部，其特征在于：在炉体内或炉体外设有旋转机构，所述旋转机构由1~36个齿轮、转盘、齿套、伞齿轮组、连接轴以及电机组成，电机通过伞齿轮组与转盘相连，齿轮通过连接轴固定在转盘上，齿套在所有齿轮外围固定，并与齿轮啮合，每个齿轮上都吊挂或直立一个模具。

7.按照权利要求6所述气相沉积炉，其特征在于：所述旋转机构在炉体内的上端或下端。

8.按照权利要求6所述气相沉积炉，其特征在于：进气口为三同心圆进气口。

9.按照权利要求8所述气相沉积炉，其特征在于：三同心圆进气口为弧形、半圆形或长方形的进气模式。

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