CN109129833A - 制备用于生长氮化铝单晶的碳化钽坩埚的装置及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种制备生长氮化铝单晶所用碳化钽坩埚及制备新方法，包括：高纯碳化钽粉、粘结剂、包套模具、液体压力介质、密闭高压容器、坩埚、车床及高温加热炉；将高纯碳化钽粉与粘结剂混合均匀后烘干，装入包套模具材料中；再装入倒满液体压力介质的密闭高压容器中进行高压压制成碳化钽坩埚模型；放入坩埚内，再放在高温加热炉里进行高温烧结；利用车床对其进行车削加工，得到合适大小的碳化钽坩埚；再经过高温加热炉高温定型，得到生长氮化铝单晶所用的碳化钽坩埚。本发明能够延长碳化钽坩埚使用寿命，提升其生长氮化铝单晶的晶体质量，增加单晶可用面积；且方法简单，可实现低成本氮化铝单晶的制备。

Description

制备用于生长氮化铝单晶的碳化钽坩埚的装置及制备方法

技术领域

本发明涉及半导体制造装置及工艺，尤其涉及一种制备用于生长氮化铝单晶所用的碳化钽坩埚的装置及制备新方法。

背景技术

第三代半导体材料的禁带宽度一般大于3.0电子伏，因此又被称为宽禁带半导体，氮化铝材料就属于其中，它具有高热导率、高击穿场强、高饱和电子漂移速率和高键合能等优异性能，在高温、高频、高功率及抗辐射器件方面拥有巨大的应用前景，对于氮化铝单晶材料的研究和开发已经成为了半导体领域的一个热点。目前，主要采用物理气相输运(PVT)的办法来制备氮化铝单晶，物理气相输运方法指的是利用保温系统在各处厚度的不同人为设置高温区和低温区，固态原料在高温区蒸发，沿温度梯度利用蒸汽的扩散和气相的输运在低温区生长为晶体的方法，物理气相输运法具有生长速率快、结晶完整性好等特点，大量的研究表明，物理气相输运法是制备大尺寸氮化铝单晶的最有效途径之一。

由于使用物理气相输运方法生长AlN单晶的温度高达2000℃以上，因此生长过程中从氮化铝粉料中分解出来的铝蒸汽在高温下具有极强的活性，容易与坩埚材料发生反应缩短坩埚的使用寿命，以致影响生长晶体的质量，因此必须寻找到一种能够在高温下具有较长寿命的坩埚。

碳化钽坩埚具有高熔点、较好的耐化学腐蚀性和热冲击性能、高的抗氧化性等优点，被广泛认为是氮化铝晶体生长最合适的坩埚材料。但目前市场上只常见碳化钽粉末，故需对碳化钽坩埚进行人工制作后才可使用，现有传统的制作碳化钽坩埚的方法主要有以下几种：(1)在石墨坩埚表面镀上一层薄的碳化钽涂层，(2)将钽坩埚退火碳化处理等，这些方法目前存在着几个巨大的问题：

(一)碳化钽成分只存在于坩埚表面深度很小的范围内，内部仍旧只是单独的碳或者钽的成分，无法承受2000℃以上高温，降低了坩埚的使用寿命。

(二)无论是在石墨坩埚表面镀碳化钽涂层还是将钽坩埚退火碳化处理，均需要在氮气气氛中进行，高温下氮气易与钽反应生成氮化钽，氮化钽易与铝蒸汽反应导致坩埚破裂，最终降低坩埚的使用寿命。

(三)在升高温度之后，由于在体系中成分比较复杂，容易在物质输运过程中引入碳、氧等杂志，使得氮化铝中含有大量的杂质，影响生长的氮化铝单晶的质量。

由此可见，传统的制作生长氮化铝所用坩埚的方法仍旧存在着降低坩埚使用寿命以及影响生长氮化铝质量的问题，所以迫切需要一种制备生长氮化铝单晶所用碳化钽坩埚的新方法。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种制备生长氮化铝单晶所用碳化钽坩埚及制备新方法，能够延长碳化钽坩埚使用寿命，提升其制备生长氮化铝单晶的晶体质量，增加单晶可用面积，同时，这一制备碳化钽坩埚的方法比较简单，有利于实现低成本的氮化铝单晶的制备，是一种能够避免坩埚损坏从而影响氮化铝单晶生长的装置及工艺。

本发明提供的技术方案是：

一种制备生长氮化铝单晶所用碳化钽坩埚的装置，包括：高纯碳化钽粉，粘结剂，包套模具，液体压力介质，密闭高压容器，坩埚，车床以及高温加热炉。密闭高压容器置于装置的最外侧；密闭高压容器中加满液体压力介质；将高纯碳化钽粉加入粘结剂后装入包套模具中，组成碳化钽坩埚初始模型；将碳化钽坩埚初始模型置于密闭高压容器内；加满液体压力介质的密闭高压容器用于对碳化钽坩埚初始模型进行压制，压制完成后得到初步成型的碳化钽坩埚模型；坩埚用于盛装初步成型的碳化钽坩埚模型，并置于高温加热炉中进行烧结；车床用于对烧结后的碳化钽坩埚模型进行车削加工，得到需要的碳化钽坩埚。

上述制备碳化钽坩埚的装置中，将高纯碳化钽粉加入粘结剂后装入包套模具材料中，一起置于密闭高压容器内；对碳化钽坩埚模型进行压制，压制完成后将初步成型的碳化钽坩埚模型取出放入坩埚中在高温加热炉中烧结，最后经过车床车削加工后得到所需要的碳化钽坩埚。

上述制备碳化钽坩埚的装置中，进一步地：

碳化钽粉可选用纯度为99.0％-99.9％，使用的碳化钽粉的质量根据打算制作的碳化钽坩埚的尺寸可以在1kg-5kg之间，粘结剂的种类可以选用稀土材料等多种粘接剂。碳化钽粉与粘接剂的质量比可在1:0.0001-1:0.01之间。

选用的包套模具的材料可以是橡胶、塑料等多种材料，包套模具的直径根据想要得到的碳化钽坩埚的直径大小可以在10mm-130mm之间，包套模具的高度根据想要得到的碳化钽坩埚的高度可以在20mm-200mm之间。液体压力介质可以是工业机油等多种液体介质。

使用的密闭高压容器可以承受的压力范围应在100MPa-630MPa之间。坩埚的直径可以在20mm-150mm之间，高度可以在30mm-250mm之间。坩埚的材料可以为石墨坩埚以及钨坩埚等多种材料。

本发明还提供一种制备生长氮化铝单晶所用碳化钽坩埚的新方法，使用上述制备生长氮化铝单晶所用碳化钽坩埚的装置，制备碳化钽坩埚具体的步骤为：

(1)将高纯碳化钽粉与粘结剂混合均匀后烘干，之后装入包套模具材料中。包套模具的上下两侧用铁丝箍紧后装入密闭高压容器中。

(2)在密闭高压容器中倒满液体介质后进行高压压制，压制好后取出碳化钽坩埚模型。

具体实施时，根据成型和固结时候的压力高低，可以采用不同的高压压制方法，包括：冷等静压，热等静压以及温等静压三种方法。

(3)将压制好的模型碳化钽坩埚放入坩埚内，在高温加热炉里高温烧结后取出，高温烧结的温度范围是1400℃-1800℃。

加热的方式可以选择感应加热以及电阻加热等多种方式。

高温加热炉的内部放置多段石墨保温层或钨保温屏等多种保温材料；

(4)在车床上根据所需要的碳化钽坩埚的大小对其进行车削加工得到合适大小的碳化钽坩埚。

(5)重新将其放入高温加热炉内，高温定型得到碳化钽坩埚，高温定型的温度范围是1900℃-2200℃。

由此得到制备生长氮化铝单晶所用的碳化钽坩埚。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明提出了一种制备生长氮化铝单晶所用碳化钽坩埚的新方法，能使用高纯碳化钽粉作为原料制作坩埚，可以避免传统的碳化方法或镀膜的方法由于反应不彻底造成的坩埚成分不纯，从而降低坩埚的使用寿命，同时也避免了杂质成分过多影响晶体生长的问题。

本发明延长了碳化钽坩埚的使用寿命，降低了生长晶体所含的杂质数量，同时这一方法比较简单，有利于实现低成本的氮化铝单晶的制备。

附图说明

图1是本发明提供的制备碳化钽坩埚的装置的结构示意图；

其中，1—高压密闭容器，2—碳化钽粉和粘结剂的混合物，3—液体介质，4—上密封圈，5—模具，6—下密封圈。

图2是本发明提供的用于烧结碳化钽坩埚的装置的结构示意图；

其中，7—高温加热炉，8—碳化钽坩埚模型，9—坩埚，10—保温层。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例进一步描述本发明，但不以任何方式限制本发明的范围。

本发明提供了一种制备生长氮化铝单晶所用碳化钽坩埚的新方法。

图1是本发明提供的制备生长氮化铝单晶所用碳化钽坩埚所用装置的结构图；其中，1为高压密闭容器，2为碳化钽粉和粘结剂的混合物，3为液体介质，4为上密封圈，5为模具，6为下密封圈。其中：

(1)系统最外侧的是一个密闭的高压容器，使用的密闭高压容器可以承受的压力范围应在100MPa-630MPa之间，根据成型和固结时候的压力高低，可以分为冷等静压，热等静压以及温等静压三种方法。

(2)密闭的高压容器内放置包套模具材料，包套模具材料的种类可以选择橡胶、塑料等多种材料。包套模具的直径根据想要得到的碳化钽坩埚的直径大小可以在10mm-130mm之间，包套模具的高度根据想要得到的碳化钽坩埚的高度可以在20mm-200mm之间。

(3)包套模具中装有混合好的高纯碳化钽粉末以及粘结剂，碳化钽粉末质量根据打算制作的碳化钽坩埚的尺寸可以在1kg-5kg之间，粘接剂的种类可以选用稀土材料等多种粘结剂。碳化钽粉与粘结剂的质量比可在1:0.0001-1:0.01之间。

(4)高压容器内除包套模具外各处充满液体介质，液体压力介质可以是工业机油等多种液体材料。

图2是本发明提供的用于烧结碳化钽坩埚模型的装置的结构图；其中，7为高温加热炉，8为碳化钽坩埚模型，9为坩埚，10为保温层。其中：

(1)其中最外侧的是高温加热炉的炉体结构，其内部放置多段的石墨的保温层或钨的保温屏等多种保温材料。

(2)保温材料内放置坩埚，根据加热方式的不同可以选择石墨以及钨等多种材料的坩埚。坩埚的直径可以在20mm-150mm之间，高度可以在30mm-250mm之间。加热的方式可以选择感应加热或者电阻加热，加热温度范围为1500-2200度。

具体实施时，利用上述装置(图1和图2)制备生长氮化铝单晶所用碳化钽坩埚包括如下步骤：

(1)将高纯碳化钽粉与粘结剂混合均匀后烘干，之后装入包套模具材料中。两侧用铁丝箍紧后装入密闭高压容器中。

(2)在密闭高压容器中倒满液体介质后进行高压压制，压制好后取出碳化钽坩埚模型。

(3)将压制好的碳化钽坩埚模型放入坩埚内，在高温加热炉里高温烧结后取出。

(4)在车床上根据所需要的碳化钽坩埚的大小对其进行车削加工得到合适大小的碳化钽坩埚。

(5)重新将其放入加热炉内，高温定型得到碳化钽坩埚。

下列几种方案为采用上述先压制成型，再高温定型的方法制备生长氮化铝单晶所用碳化钽坩埚方法的实施例，其具体异同如下面的表格所示。

表1制备生长氮化铝单晶所用碳化钽坩埚采用的不同加热及压制方法实例

具体如下：

实施例一：利用热等静压压制方法并在感应加热炉中烧结定型得到生长氮化铝单晶所用碳化钽坩埚。

具体的制备过程如下：

(1)称量3kg纯度为99.9％的碳化钽粉，再称量3g粘接剂，将高纯碳化钽粉与粘结剂混合均匀后烘干，之后装入包套模具材料中。包套模具的直径根据想要得到的碳化钽坩埚的直径大小为100mm，包套模具的高度为150mm。两侧用铁丝箍紧后装入密闭高压容器中。

(2)在密闭高压容器中倒满工业机油后进行高压压制，压制的温度为1000℃，压力为150MPa，压制时间为1h，压制好后取出模型。

(3)将压制好的模型放入石墨坩埚内，石墨坩埚的高度为110mm，直径为70mm，在高温加热炉里升温至1500摄氏度，在500Torr压强下，氮气气氛中高温烧结2h后取出。

(4)在车床上对碳化钽模型进行车削加工得到碳化钽坩埚，碳化钽坩埚的高度为100mm，直径为65mm。

(5)重新将其放入感应加热炉内，在2000℃，500Torr压强下，氮气气氛中高温定型10h，得到碳化钽坩埚。完成碳化钽坩埚制备。

实施例二：利用温等静压压制方法并在感应加热炉中烧结定型得到生长氮化铝单晶所用碳化钽坩埚。

具体的制备过程如下：

(1)称量5kg纯度为99.0％的碳化钽粉，再称量4g粘接剂，将高纯碳化钽粉与粘结剂混合均匀后烘干，之后装入包套模具材料中。包套模具的直径根据想要得到的碳化钽坩埚的直径大小为120mm，包套模具的高度为200mm。两侧用铁丝箍紧后装入密闭高压容器中。

(2)在密闭高压容器中倒满工业机油后进行高压压制，压制的温度为250℃，压力为300MPa，压制时间为1h，压制好后取出模型。

(3)将压制好的模型放入石墨坩埚内，石墨坩埚的高度为120mm，直径为80mm，在高温加热炉里升温至1700摄氏度，在700Torr压强下，氮气气氛中高温烧结4h后取出。

(4)在车床上对碳化钽模型进行车削加工得到碳化钽坩埚，碳化钽坩埚的高度为110mm，直径为70mm。

(5)重新将其放入感应加热炉内，在2200℃，600Torr压强下，氮气气氛中高温定型2h，得到碳化钽坩埚。完成碳化钽坩埚制备。

实施例三：利用冷等静压压制方法并在感应加热炉中烧结定型得到生长氮化铝单晶所用碳化钽坩埚。

具体的制备过程如下：

(1)称量2kg纯度为99.9％的碳化钽粉，再称量2g粘结剂，将高纯碳化钽粉与粘结剂混合均匀后烘干，之后装入包套模具材料中。包套模具的直径根据想要得到的碳化钽坩埚的直径大小为100mm，包套模具的高度为150mm。两侧用铁丝箍紧后装入密闭高压容器中。

(2)在密闭高压容器中倒满工业机油后进行高压压制，压制的温度为30℃，压力为200MPa，压制时间为1h，压制好后取出模型。

(3)将压制好的模型放入钨坩埚内，钨坩埚的高度为110mm，直径为70mm，在电阻加热炉里升温至1800摄氏度，在600Torr压强下，氮气气氛中高温烧结2h后取出。

(4)在车床上对碳化钽模型进行车削加工得到碳化钽坩埚，碳化钽坩埚的高度为100mm，直径为65mm。

(5)重新将其放入电阻加热炉内，在2200℃，500Torr压强下，氮气气氛中高温定型10h，得到碳化钽坩埚。完成碳化钽坩埚制备。

需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种制备生长氮化铝单晶所用碳化钽坩埚的装置，其特征是：

包括：高纯碳化钽粉、粘结剂、包套模具、液体压力介质、密闭高压容器、坩埚、车床及高温加热炉；

所述密闭高压容器中加满液体压力介质，置于装置的最外侧；

将高纯碳化钽粉加入粘结剂后装入包套模具中，组成碳化钽坩埚初始模型；将碳化钽坩埚初始模型置于密闭高压容器内；

加满液体压力介质的密闭高压容器用于对碳化钽坩埚初始模型进行压制，压制完成后得到初步成型的碳化钽坩埚模型；

坩埚用于盛装初步成型的碳化钽坩埚模型，并置于高温加热炉中进行烧结；

车床用于对烧结后的碳化钽坩埚模型进行车削加工，由此制备得到碳化钽坩埚；

制备得到的碳化钽坩埚用于生长氮化铝单晶。

2.如权利要求1所述的装置，其特征是，高纯碳化钽粉纯度为99.0％-99.9％。

3.如权利要求1所述的装置，其特征是，高纯碳化钽粉的使用质量具体根据待制备的碳化钽坩埚的尺寸确定；优选地，使用高纯碳化钽粉的质量为1kg-5kg。

4.如权利要求1所述的装置，其特征是，选用稀土材料作为粘结剂；高纯碳化钽粉与粘结剂的质量比为1:0.0001-1:0.01。

5.如权利要求1所述的装置，其特征是，包套模具的材料选用橡胶或塑料材料；包套模具的直径根据待制备的碳化钽坩埚的直径确定，优选为10mm-130mm；包套模具的高度根据待制备的碳化钽坩埚的高度确定，优选为20mm-200mm。

6.如权利要求1所述的装置，其特征是，液体压力介质可选用工业机油；密闭高压容器可承受的压力范围为100MPa-630MPa。

7.如权利要求1所述的装置，其特征是，坩埚的直径优选为20mm-150mm；高度为30mm-250mm；坩埚的材料为石墨坩埚或钨坩埚。

8.一种制备生长氮化铝单晶所用碳化钽坩埚的方法，包括如下步骤：

1)将高纯碳化钽粉与粘结剂混合均匀后烘干，再装入包套模具材料中；将包套模具的上下两侧箍紧后装入密闭高压容器中；

2)在密闭高压容器中倒满液体压力介质后进行高压压制，制成碳化钽坩埚模型；

3)将压制好的碳化钽坩埚模型放入坩埚内；再放在高温加热炉里进行高温烧结；高温加热炉的内部放置保温材料；

4)根据所需要的碳化钽坩埚大小，利用车床对高温烧结后的碳化钽坩埚模型进行车削加工，得到合适大小的碳化钽坩埚；

5)将步骤4)制得的碳化钽坩埚重新放入高温加热炉内，经过高温定型，得到碳化钽坩埚；

由此制备得到生长氮化铝单晶所用的碳化钽坩埚。

9.如权利要求8所述的方法，其特征是，步骤2)具体可采用不同的高压压制方法，包括：冷等静压、热等静压及温等静压中的一种或多种。

10.如权利要求8所述的方法，其特征是，步骤3)中，高温烧结的加热方式可以为感应加热和/或电阻加热；和/或，高温加热炉内部放置的保温材料为多段石墨保温层和/或钨保温屏；和/或，高温烧结的温度范围是1400℃-1800℃；和/或，高温定型的温度范围是1900℃-2200℃。