CN103643305A

CN103643305A - 一种用于高温气相法晶体生长的TaC坩埚的制备方法

Info

Publication number: CN103643305A
Application number: CN201310640467.8A
Authority: CN
Inventors: 刘京明; 刘彤; 杨俊�; 董志远; 赵有文
Original assignee: BEIJING HUAJIN CHUANGWEI ELECTRONICS Co Ltd
Current assignee: BEIJING HUAJIN CHUANGWEI ELECTRONICS Co Ltd
Priority date: 2013-12-04
Filing date: 2013-12-04
Publication date: 2014-03-19

Abstract

本发明公开了一种用于高温气相法晶体生长的TaC坩埚的制备方法，具体为：根据具体需要，预先加工钽坩埚体和钽坩埚盖；对钽坩埚体和钽坩埚盖进行清洗处理处理，去除表面油污及杂质；将钽坩埚体和钽坩埚盖置于封闭的装有高纯石墨粉的石墨坩埚内，钽坩埚体和钽坩埚的内外各表面均匀与石墨粉接触；将石墨坩埚放置于加热炉内，在设定条件下依次进行低温、高温加热处理；取出处理后的钽坩埚体和钽坩埚盖，清洗、烘干后得到表面经过碳化的TaC坩埚。本发明TaC坩埚的制备方法，可用于在高温环境下进行晶体生长过程，通过此方法制备的TaC坩埚成分均匀，有耐高温，抗腐蚀抗氧化等性能，可延长使用寿命，多次利用从而降低成本。

Description

一种用于高温气相法晶体生长的TaC坩埚的制备方法

技术领域

本发明涉及一种用于高温气相法晶体生长的TaC坩埚的制备方法。

背景技术

氮化铝（AlN）晶体是第三代宽禁带半导体材料，具有高击穿场强、高热导率、化学和热稳定性好等优异性能，是理想的紫外光电子材料，也适合制造高温、高频和大功率电子器件。另外，氮化铝晶体与GaN、AlGaN等晶格匹配并具有相近的热膨胀系数，是外延生长氮化镓基光电器件的理想衬底材料。随着紫外光电器件和新型大功率微波器件的发展，氮化铝晶体生长技术受到越来越多的重视。氮化铝晶体作为新型信息功能材料，已列入到国家中长期科学与技术发展规划，是符合国家长远利益和国家发展战略的信息功能材料之一。

高温物理气相传输（PVT）法是目前生长AlN晶体的主流方法。研究表明AlN晶体生长的理想实验条件为：生长温度范围在1900到2000℃，氮气压力为90KPa，坩埚内籽晶与原料的温度梯度为10K/cm。在这样高的生长温度下，从AlN原料中分离出来的Al蒸汽具有很大的活性，与坩埚材料发生反应，缩短坩埚的使用寿命，并影响晶体的质量。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种用于高温气相法晶体生长的TaC坩埚的制备方法，通过该制备方法制成的TaC坩埚具有成分均匀、有耐高温、抗腐蚀抗氧化等性能。

为实现上述目的，本发明一种用于高温气相法晶体生长的TaC坩埚的制备方法，具体为：

1）根据具体需要，预先加工钽坩埚体和钽坩埚盖；

2）对钽坩埚体和钽坩埚盖进行清洗处理处理，去除表面油污及杂质；

3）将钽坩埚体和钽坩埚盖置于封闭的装有高纯石墨粉的石墨坩埚内，钽坩埚体和钽坩埚的内外各表面均匀与石墨粉接触；

4）将石墨坩埚放置于加热炉内，在设定条件下依次进行低温、高温加热处理；

5）取出处理后的钽坩埚体和钽坩埚盖，清洗、烘干后得到表面经过碳化的TaC坩埚。

进一步，所述石墨粉纯度＞4N，颗粒度＜100um。

进一步，所述步骤2）中清洗处理处理步骤包括：

A）将坩埚在室温下依次通过丙酮、酒精、去离子水超声清洗5-10分钟，以去除坩埚表面的油污；

B）再将坩埚通过HCl：HNO₃混合溶液进行加热清洗清洗温度为40-80℃，时间约为30分钟，以去除坩埚表面其金属杂质；

C）最后将坩埚经过去离子水煮沸10分钟，重复3次；

D）经过上述过程清洗的坩埚经过烤箱烘干待用。

进一步，所述HCl：HNO₃按照体积3:1混合得到混合溶液。

进一步，所述步骤4）中具体处理过程为：

A）将石墨坩埚放置于加热炉内，炉体抽真空至10^-2Pa；

B）向炉体中充入Ar气至100-300Pa，作为保护气体，然后将加热炉从室温升温至1100℃并维持1-2h，升温速率为200-300℃/h；

C）维持炉体内Ar气压力100-300Pa，将炉体温度从1100℃升温至1500℃并维持1-2h，升温速率为200-300/h；

D）维持炉体内Ar压力100-300Pa，将炉体温度从1500℃升温至2000℃并维持2-3h, 升温速率为200-300/h；

E）维持炉体压力100-300Pa，再将炉体温度从2000℃缓慢升温至2400℃,并恒定3-5h，升温速率为100-200/h；

F）恒温结束后，将温度从2400缓慢降至室温，降温速率为200-300/h，降温过程中维持加热炉内Ar气压力为100-300Pa。

本发明TaC坩埚的制备方法，可用于在高温环境下进行晶体生长过程，通过此方法制备的TaC坩埚成分均匀，有耐高温，抗腐蚀抗氧化等性能，可延长使用寿命，多次利用从而降低成本。

附图说明

图1为本发明实施时的结构示意图。

具体实施方式

下面，参考附图，对本发明进行更全面的说明，附图中示出了本发明的示例性实施例。然而，本发明可以体现为多种不同形式，并不应理解为局限于这里叙述的示例性实施例。而是，提供这些实施例，从而使本发明全面和完整，并将本发明的范围完全地传达给本领域的普通技术人员。

为了易于说明，在这里可以使用诸如“上”、“下”“左”“右”等空间相对术语，用于说明图中示出的一个元件或特征相对于另一个元件或特征的关系。应该理解的是，除了图中示出的方位之外，空间术语意在于包括装置在使用或操作中的不同方位。例如，如果图中的装置被倒置，被叙述为位于其他元件或特征“下”的元件将定位在其他元件或特征“上”。因此，示例性术语“下”可以包含上和下方位两者。装置可以以其他方式定位（旋转90度或位于其他方位），这里所用的空间相对说明可相应地解释。

为了能够生长出高质量的AlN晶体，需要一种性质稳的坩埚材料。高温气相法进行晶体生长的理想坩埚材料应满足以下条件：（1）熔点远高于AlN生长温度；（2）耐受Al蒸汽腐蚀；（3）生长过程中不会对晶体造成污染；（4）使用寿命要长，可多次重复使用；（5）易于加工，可做成各种形状和尺寸；（6）成本要低。

由于AlN晶体生长温度达2000℃，选择坩埚材料最基本的条件是具有高的熔点。表1给出了一些耐高温材料熔点和1atmN₂气氛下，坩埚材料与AlN形成共晶的温度。其中C、Re、W会受到Al蒸汽的腐蚀；BN容易造成硼污染。TaC熔点高达3950℃、较好的耐化学腐蚀性和热冲击性能、高的抗氧化性等优点，是最理想的坩埚材料。通过研究发现，TaC坩埚可通过将TaC坩埚在C环境下进行高温碳化处理得到，该方法可将坩埚制备成需要的形状，而且碳化过程可控。

表1：一些耐高温材料熔点和1atmN₂气氛下，坩埚材料与AlN形成共晶的温度。

坩埚材料	熔点（℃）	1atm下，坩埚材料与AlN形成共晶的温度。（℃）
			C	3550	2530
TaC	3950	2405
			BN	3000	2330
W	3410	2326
			TaN	3093	2150
Re	3180	2192

本发明一种用于高温气相法晶体生长的TaC坩埚的制备方法，采用钽坩埚采用钽金属加工制备，可根据具体需要加工预先加工成各种结构和形状，最基本结构包括钽坩埚体和钽坩埚盖，要求钽坩埚厚度均匀，表面平整，以保证高温碳化过程同步均匀，防止坩埚在碳化过程不同步造成坩埚开裂。

如图1所示，本发明一种用于高温气相法晶体生长的TaC坩埚的制备方法，具体步骤为：

一、坩埚清洗：

将制备好的Ta坩埚首先进行清洗处理处理，去除坩埚表面油污及杂质，降低污染。具体方法及步骤如下：

1、将钽坩埚体1和钽坩埚盖2在室温下依次通过丙酮、酒精、去离子水超声清洗5—10分钟，以去除钽坩埚体1和钽坩埚盖2表面的油污；

2、再将钽坩埚体1和钽坩埚盖2通过HCl：HNO₃（3:1）混合溶液进行加热清洗，清洗温度为40—80℃，时间约为30分钟，以去除坩埚表面其金属杂质；

3、最后将钽坩埚体1和钽坩埚盖2经过去离子水煮沸10分钟，重复3次；

4、经过上述过程清洗的钽坩埚体1和钽坩埚盖2经过烤箱烘干待用。

二、坩埚碳化：

将经过清洗烘干的钽坩埚体1和钽坩埚盖2进行高温碳化，在加热过程中，根据钽坩埚性质和TaC坩埚形成厚度，采用分段升温，升温和降温过程要缓慢，避免温度变化过快使坩埚开裂，具体步骤如下：

1、将钽坩埚体1和钽坩埚盖2置于封闭的装有高纯石墨粉4的石墨坩埚3内，要求钽坩埚体1和钽坩埚盖2内外各表面均匀与石墨粉4接触，以保证碳化过程均匀进行，如附图所示。石墨粉4要求纯度＞4N，颗粒度＜100um；

2、将石墨坩埚3放置于加热炉内，炉体抽真空至10^-2Pa；

3、向炉体中充入Ar气至100-300Pa，作为保护气体，然后将加热炉从室温升温至1100℃并维持1-2h，升温速率为200-300℃/h；

4、维持炉体内Ar气压力100-300Pa，将炉体温度从1100℃升温至1500℃并维持1-2h，升温速率为200-300/h；

5、维持炉体内Ar压力100-300Pa，将炉体温度从1500℃升温至2000℃并维持2-3h, 升温速率为200-300/h；

6、维持炉体压力100-300Pa，再将炉体温度从2000℃缓慢升温至2400℃,并恒定3-5h，升温速率为100-200/h；

7、恒温结束后，将温度从2400缓慢降至室温，降温速率为200-300/h，降温过程中维持加热炉内Ar气压力为100-300Pa；

8、将坩埚取出，用酒精和去离子水分别超声清洗10分钟，烘干，得到表面经过碳化的TaC坩埚。

在高温碳化过程中，C经过扩散进入Ta坩埚表面，并与Ta发生反应生成TaC。由于Ta₂C的标准生成自由能比TaC要小，所以在碳化初期反应形成Ta₂C趋势很大，反应方程式如下：

2Ta + C → Ta₂C ；Ta₂C + C → 2TaC

在升温过程中，较低的温度（1500℃）时首先生成Ta₂C。当温度进一步升高，C原子浓度逐渐提高，C与Ta₂C反应生成TaC。这样通过控制加热过程就可以在钽坩埚表面形成一层稳定的TaC。碳化钽坩埚呈现金黄色，如附图所示，物理化学性质稳定，具有很好的耐高温，抗腐蚀性能，可延长使用寿命降低成本，有效满足了高温下进行晶体生长的需要。

Claims

1.一种用于高温气相法晶体生长的TaC坩埚的制备方法，其特征在于，该制备方法具体为：

1）根据具体需要，预先加工钽坩埚体和钽坩埚盖；

2)对钽坩埚体和钽坩埚盖进行清洗处理处理，去除表面油污及杂质；

3)将钽坩埚体和钽坩埚盖置于封闭的装有高纯石墨粉的石墨坩埚内，钽坩埚体和钽坩埚的内外各表面均匀与石墨粉接触；

4)将石墨坩埚放置于加热炉内，在设定条件下依次进行低温、高温加热处理；

5)取出处理后的钽坩埚体和钽坩埚盖，清洗、烘干后得到表面经过碳化的TaC坩埚。

2.如权利要求1所述的用于高温气相法晶体生长的TaC坩埚的制备方法，其特征在于，所述石墨粉纯度＞4N，颗粒度＜100um。

3.如权利要求1所述的用于高温气相法晶体生长的TaC坩埚的制备方法，其特征在于，所述步骤2）中清洗处理处理步骤包括：

A)将坩埚在室温下依次通过丙酮、酒精、去离子水超声清洗5-10分钟，以去除坩埚表面的油污；

B)再将坩埚通过HCl：HNO₃混合溶液进行加热清洗清洗温度为40-80℃，时间约为30分钟，以去除坩埚表面其金属杂质；

C)最后将坩埚经过去离子水煮沸10分钟，重复3次；

D)经过上述过程清洗的坩埚经过烤箱烘干待用。

4.如权利要求1所述的用于高温气相法晶体生长的TaC坩埚的制备方法，其特征在于，所述HCl：HNO₃按照体积3:1混合得到混合溶液。

5.如权利要求1所述的用于高温气相法晶体生长的TaC坩埚的制备方法，其特征在于，所述步骤4）中具体处理过程为：

A)将石墨坩埚放置于加热炉内，炉体抽真空至10^-2Pa；

B) 向炉体中充入Ar气至100-300Pa，作为保护气体，然后将加热炉从室温升温至1100℃并维持1-2h，升温速率为200-300℃/h；

C) 维持炉体内Ar气压力100-300Pa，将炉体温度从1100℃升温至1500℃并维持1-2h，升温速率为200-300/h；

D)维持炉体内Ar压力100-300Pa，将炉体温度从1500℃升温至2000℃并维持2-3h, 升温速率为200-300/h；

E)维持炉体压力100-300Pa，再将炉体温度从2000℃缓慢升温至2400℃,并恒定3-5h，升温速率为100-200/h；

F)恒温结束后，将温度从2400缓慢降至室温，降温速率为200-300/h，降温过程中维持加热炉内Ar气压力为100-300Pa。