CN105503266A - 一种石墨热场表面制备SiC涂层的方法 - Google Patents

一种石墨热场表面制备SiC涂层的方法 Download PDF

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    • C04B41/85—Coating or impregnation with inorganic materials

Abstract

本发明公开了一种石墨热场表面制备梯度SiC涂层的方法，包括：（1）以石墨发热体加热炉体作为沉积炉，将其抽真空，真空度达到100Pa以下；（2）将石墨发热体加热炉内温度升高至900～1200℃；（3）将甲烷通入石墨发热体加热炉腔内，气体流量根据炉体尺寸调节，同时通入氢气，氩气，反应时间为1-10h；（4）通入四氯化硅气体，其流量与甲烷气体流量比从1:4逐渐升高到1:1，依次形成25%碳化硅-75%碳复合涂层、50%碳化硅-50%碳复合涂层、75%碳化硅-25%碳复合涂层、100%碳化硅涂层，继续沉积10～30h，随后降温冷却，石墨热场材料表面出现SiC涂层。本发明制备SiC涂层质量好，涂层制备过程不需要专用化学气相沉积设备，成本低，涂层均匀且厚度灵活可控。

Description

一种石墨热场表面制备SiC涂层的方法
技术领域
本发明涉及一种制备SiC涂层的方法，特别是涉及一种石墨热场表面制备梯度SiC涂层的方法。
背景技术
石墨具有优良的导电、导热性能，高温强度好，在特种工业炉中常用石墨作为发热体。随着半导体工业的全面发展，提炼单晶硅，单晶锗，砷化镓、磷化铟等材料的加热炉选择特种石墨作发热体，一些特殊的工业炉和实验炉用炭布或石墨布作发热体。除了石墨发热体以外，石墨坩埚，炭素保温材料等碳素材料在特种工业炉中大量使用，尤其是在半导体工业中的晶圆生长炉中。碳素材料核心部件损耗占用晶圆制造成本很高比例，碳石墨材料部件用量极大，且属于易耗件，这也是晶圆制造成本很难降低的原因之一。石墨材料的缺点是碳原子在高温下持续挥发，带来两个负面影响：一是碳原子扩散进晶圆，造成晶圆品质下降；二是石墨表面产生大量腐蚀坑，服役寿命减小。目前，随着晶圆产业规模急剧扩大，在太阳能光伏行业中，提高品质、降低成本已成为产业发展的关键，迫切要求延长石墨热场材料服役时间。作为一种航空航天涂层材料，纳米碳化硅涂层新材料导热系数高、热膨胀系数小、碳扩散系数小、化学性能稳定、耐磨损性能好，具有耐高温、抗热震、抗蠕变、抗氧化的优点。在航空航天领域，碳化硅涂层已经被用作碳材料和炭/炭复合材料的高温涂层，抵抗2500-3000℃的燃气流，表现出优良的抗氧化、抗烧蚀特征。将SiC涂层应用到半导体工业中晶圆生长炉内的石墨发热体等碳素材料，有望将晶圆品质提高3～5倍，石墨核心部件的寿命提高6～10倍，企业经济效益能显著提升。
目前制备碳化硅涂层的方法主要有：涂刷法，反应烧结法，化学气相沉积法，热喷涂法等。但这些方法成本较高，且制备的SiC涂层结合力较弱有的收到设备的限制，不宜在大型构件上制备。“申请号为201210268835.6的中国发明专利”公开了一种石墨发热体加热炉内碳素材料表面直接沉积SiC涂层的方法。该方法是将三氯甲基硅烷，氢气和氩气通入反应炉内直接在碳素材料部件表面沉积SiC。此方法制备的SiC涂层质均匀，对于复杂构建也可沉积到，且涂层灵活可控，但是由于碳化硅涂层与石墨基体热膨胀系数差别较大，涂层结合强度低，多次使用后涂层容易脱落。本发明克服上述缺陷，先在石墨热场材料基体上线沉积一层热解碳层，然后制备的碳化硅涂层呈梯度分布，能够有效缓解涂层与基体石墨的热膨胀系数的差别。所制备的涂层结合强度高，且涂层厚度均匀可控。
发明内容
本发明所要解决的问题是提出一种石墨发热体加热炉内碳素材料表面制备梯度SiC涂层的方法。
操作过程：一种石墨热场表面制备梯度SiC涂层的方法，其特征在于包括下述顺序的步骤：
（1）以石墨发热体加热炉体作为沉积炉，将其抽真空，真空度达到100Pa以下；
（2）将石墨发热体加热炉内温度升高至900～1200℃，升温速率为8～12℃/min；
（3）将甲烷通入石墨发热体加热炉腔内，气体流量根据炉体尺寸调节，流量为10～100ml/min，同时通入氢气作为反应气体，流量为100～1000ml/min，氩气作为稀释气体，流量为100～1000ml/min，反应时间为1-10h；
（4）保持甲烷、氢气和氩气流量不变，继续通入四氯化硅气体，其流量与甲烷气体流量比从1:4逐渐升高到1:1，依次形成25%碳化硅-75%碳复合涂层、50%碳化硅-50%碳复合涂层、75%碳化硅-25%碳复合涂层、100%碳化硅涂层，保持加热炉腔内压力为1×102～105Pa，待气体流量稳定后，继续沉积10～30h，随后降温冷却，石墨热场材料表面出现SiC涂层。
其中：石墨发热体加热炉可为熔炼多晶硅、石英玻璃的加热炉，提炼单晶硅、单晶锗、砷化镓、磷化铟材料的加热炉。碳素材料部件包括石墨坩埚、石墨热场材料、炭素保温材料。反应气体选择纯度为99.999％以上的高纯氢气。稀释气体选择纯度为99.999％以上的高纯氩气。
本发明中主要优点是：(1)制备SiC涂层质量好，与基体的结合力高；(2)涂层制备过程不需要专用化学气相沉积设备，成本低；(3)涂层均匀且厚度灵活可控。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐明本发明，应理解这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落于本申请所附权利要求所限定。
实施例一
一种石墨热场表面制备梯度SiC涂层的方法，其特征在于包括下述顺序的步骤：
（1）以石墨发热体加热炉体作为沉积炉，将其抽真空，真空度达到80Pa；
（2）将石墨发热体加热炉内温度升高至1100℃，升温速率为10℃/min；
（3）将甲烷通入直径为1米石墨发热体加热炉腔内，流量为50ml/min，同时通入纯度为99.9999％的氢气，流量为500ml/min，纯度为99.9999％氩气作为稀释气体，流量为500ml/min，反应时间为3h；
（4）保持甲烷、氢气和氩气流量不变，继续通入四氯化硅气体，其流量与甲烷气体流量比从1:4逐渐升高到1:1，保持加热炉腔内压力为1×103Pa，待气体流量稳定后，继续沉积20h，随后降温冷却，石墨热场材料表面出现SiC涂层。
实施例二
一种石墨热场表面制备梯度SiC涂层的方法，其特征在于包括下述顺序的步骤：
（1）以石墨发热体加热炉体作为沉积炉，将其抽真空，真空度达到50Pa；
（2）将石墨发热体加热炉内温度升高至1150℃，升温速率为10℃/min；
（3）将甲烷通入直径为1.5米石墨发热体加热炉腔内，流量为100ml/min，同时通入纯度为99.9999％氢气，流量为1000ml/min，纯度为99.9999％氩气作为稀释气体，流量为1000ml/min，反应时间为5h；
（4）保持甲烷、氢气和氩气流量不变，继续通入四氯化硅气体，其流量与甲烷气体流量比从1:4逐渐升高到1:1，保持加热炉腔内压力为1×103Pa，待气体流量稳定后，继续沉积30h，随后降温冷却，石墨热场材料表面出现SiC涂层。
上述仅为本发明的单个具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护的范围的行为。但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何形式的简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (5)

1.一种石墨热场表面制备梯度SiC涂层的方法，其特征在于包括下述顺序的步骤：
（1）以石墨发热体加热炉体作为沉积炉，将其抽真空，真空度达到100Pa以下；
（2）将石墨发热体加热炉内温度升高至900～1200℃，升温速率为8～12℃/min；
（3）将甲烷通入石墨发热体加热炉腔内，气体流量根据炉体尺寸调节，流量为10～100ml/min，同时氢气作为反应气体，流量为100～1000ml/min，氩气作为稀释气体，流量为100～1000ml/min，反应时间为1-10h；
（4）保持甲烷、氢气和氩气流量不变，继续通入四氯化硅气体，其流量与甲烷气体流量比从1:4逐渐升高到1:1，依次形成25%碳化硅-75%碳复合涂层、50%碳化硅-50%碳复合涂层、75%碳化硅-25%碳复合涂层、100%碳化硅涂层，保持加热炉腔内压力为1×102～105Pa，待气体流量稳定后，继续沉积10～30h，随后降温冷却，石墨热场材料表面出现SiC涂层。
2.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于石墨发热体加热炉可为熔炼多晶硅、石英玻璃的加热炉，提炼单晶硅、单晶锗、砷化镓、磷化铟材料的加热炉。
3.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于碳素材料部件包括石墨坩埚、石墨热场材料、炭素保温材料。
4.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于反应气体选择纯度为99.999％以上的高纯氢气。
5.根据权利要求书1所述的方法，其特征在于稀释气体选择纯度为99.999％以上的高纯氩气。
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