CN110357665B - 一种用于蓝宝石衬底的碳化硅涂层及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于蓝宝石衬底的碳化硅涂层及其制备方法；一种用于蓝宝石衬底的碳化硅涂层，包括：所述碳化硅晶须结合在蓝宝石衬底的表面；在结合碳化硅晶须的蓝宝石衬底的表面，结合碳化硅涂层；所述碳化硅晶须镶嵌于碳化硅涂层中。本发明所述的用于蓝宝石衬底的碳化硅涂层韧性强，工作温度高，热稳定性能好，工作可靠性高，不易脱落，应用范围广。

Description

一种用于蓝宝石衬底的碳化硅涂层及其制备方法
技术领域
本发明属于陶瓷涂层技术领域，尤其涉及一种用于蓝宝石衬底的碳化硅涂层及其制备方法。
背景技术
碳化硅陶瓷材料由于其良好的物理性质及化学性质，如禁带宽度宽，饱和漂移速度大，临界击穿电场高，热导率高，因此碳化硅陶瓷材料应用广泛。蓝宝石，其禁带宽度大，漏电容和寄生电容极小，抗辐射性能好，熔点高，化学性能非常稳定，是非常好的绝缘衬底材料，常做为碳化硅涂层的衬底，用于碳化硅的外延生长。然而由于蓝宝石硬度高、不易黏附、热膨胀系数与碳化硅涂层不匹配，使得蓝宝石衬底上直接生长碳化硅涂层极为困难，且蓝宝石衬底上生长的碳化硅容易脱落。
在蓝宝石衬底与碳化硅涂层之间加入中间过渡层，来缓解蓝宝石衬底与碳化硅涂层的热膨胀系数不匹配的问题，但是中间过渡层对外延生长的碳化硅涂层质量有很大的影响，且碳化硅涂层在长期使用后依然还会产生裂纹，导致碳化硅涂层开裂脱落。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的在于提供一种一种用于蓝宝石衬底的碳化硅涂层，韧性强，工作温度高，热稳定性能好，工作可靠性高，不易脱落，应用范围广。
为实现本发明的目的，一方面本发明提供了一种用于蓝宝石衬底的碳化硅涂层，碳化硅晶须和碳化硅涂层，所述碳化硅晶须结合在蓝宝石衬底的表面；在结合碳化硅晶须的蓝宝石衬底的表面，结合碳化硅涂层；所述碳化硅晶须镶嵌于碳化硅涂层中。
优选地，所述碳化硅晶须垂直于蓝宝石衬底的表面。
优选地，所述碳化硅晶须的数量为每平方毫米100根～500根。
优选地，所述碳化硅晶须的直径为10-50nm、长度为1-10μm。
优选地，所述碳化硅涂层为包含碳化硅内层和碳化硅外层，所述碳化硅内层为异质外延生长的多晶碳化硅涂层，所述碳化硅外层为同质外延生长的单晶碳化硅涂层。
优选地，所述碳化硅内层的Si：C原子比为1：1；和/或所述碳化硅外层中Si：C原子比为1：1。
优选地，所述碳化硅内层的厚度为5～10μm。
优选地，所述碳化硅外层的厚度为15-50μm。
本发明另一方面还提供了所述的一种用于蓝宝石衬底的碳化硅涂层的制备方法，包括以下步骤：蓝宝石衬底预清洗处理后，在蓝宝石衬底表面涂刷Fe(NO3)3或Ni(NO3)2溶液；涂刷后烘干，采用化学气相沉积方法在蓝宝石衬底的表面沉积碳化硅晶须；
在沉积碳化硅晶须的蓝宝石衬底的表面，采用化学气相沉积方法沉积碳化硅涂层。
优选地，所述沉积碳化硅涂层包括：三氯甲基硅烷为前驱体，氩气为稀释气，氢气为载气，沉积温度1000～1200℃，沉积压力小于100Pa，沉积时间2～5h；三氯甲基硅烷流量10-20mL/min，氢气流量100-300mL/min，氩气流量100-200mL/min。
相比于现有技术，本发明具有以下有益效果：本发明通过在蓝宝石衬底的表面结合碳化硅晶须，对碳化硅涂层增强增韧，使得碳化硅涂层与蓝宝石衬底的结合力变强，碳化硅涂层不易脱落。碳化硅晶须不会影响碳化硅涂层的电阻稳定性；本发明所述用于蓝宝石衬底的碳化硅涂层，韧性强，在高温工作环境中热稳定性能好，工作可靠性高，不易脱落，应用范围广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明中的技术方案，下面将对或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例所述的一种用于蓝宝石衬底的碳化硅涂层的结构示意图；
其中，图中各附图标记：
10—碳化硅晶须；20—碳化硅外层；30—碳化硅内层；40—蓝宝石衬底。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
请参阅图1，一方面，本发明实施例提供了一种用于蓝宝石衬底40的碳化硅涂层，碳化硅晶须10和碳化硅涂层，所述碳化硅晶须10结合在蓝宝石衬底40的表面；在结合碳化硅晶须10的蓝宝石衬底40的表面，结合碳化硅涂层；所述碳化硅晶须10镶嵌于碳化硅涂层中。
本发明实施例可通过化学气相沉积将碳化硅晶须10结合在蓝宝石衬底40的表面；在沉积碳化硅晶须的蓝宝石衬底的表面，可采用化学气相沉积方法沉积碳化硅涂层。
本发明实施例通过在蓝宝石衬底40的表面结合碳化硅晶须10，对碳化硅涂层增强增韧，使得碳化硅涂层与蓝宝石衬底40的结合力变强，碳化硅涂层不易脱落。碳化硅晶须10不会影响碳化硅涂层的电阻稳定性；本发明实施例所述用于蓝宝石衬底40的碳化硅涂层，韧性强，在高温工作环境中热稳定性能好，工作可靠性高，不易脱落，应用范围广。
优选地，所述碳化硅晶须10垂直于蓝宝石衬底40的表面。所述碳化硅晶须10可为弯曲状或直线状。
为调节所述用于蓝宝石衬底40的碳化硅涂层的韧性，可通过调整碳化硅晶须10的尺寸大小；本发明一实施例中，所述碳化硅晶须10的数量为每平方毫米100根～500根。
优选地，所述碳化硅晶须10的直径为10-50nm、长度为1-10μm。进一步优选地，所述碳化硅晶须10直径为10-20nm，长度为5-8μm。
优选地，所述碳化硅涂层为包含碳化硅内层30和碳化硅外层20，所述碳化硅内层30为异质外延生长的多晶碳化硅涂层，所述碳化硅外层20为同质外延生长的单晶碳化硅涂层。
优选地，所述碳化硅内层30的Si：C原子比为1：1；和/或所述碳化硅外层20中Si：C原子比为1：1。
上述实施例中，调节所述用于蓝宝石衬底40的碳化硅涂层的耐高温抗氧化性能，可通过调整各涂层的厚度，本发明一实施例中，所述碳化硅内层30的厚度为5～10μm。优选地，所述碳化硅内层30的厚度为6、7、8或9μm。
本发明另一实施例中，所述碳化硅外层20的厚度为15-50μm。优选地，所述碳化硅外层20的厚度为20-35μm。
上述各实施例中，所述的一种用于蓝宝石衬底40的碳化硅涂层，可以由以下步骤制备得到：蓝宝石衬底40预清洗处理后，在蓝宝石衬底40表面涂刷Fe(NO3)3或Ni(NO3)2溶液；涂刷后烘干，采用化学气相沉积方法在蓝宝石衬底40的表面沉积碳化硅晶须10；在沉积碳化硅晶须10的蓝宝石衬底40的表面，采用化学气相沉积方法沉积碳化硅涂层。
优选地，所述沉积碳化硅涂层包括：三氯甲基硅烷为前驱体，氩气为稀释气，氢气为载气，沉积温度1000～1200℃，沉积压力小于100Pa，沉积时间2～5h；三氯甲基硅烷流量10-20mL/min，氢气流量100-300mL/min，氩气流量100-200mL/min。
优选地，所述碳化硅晶须10的数量为每平方毫米100根～500根。
作为本发明一具体实施例，所述的一种用于蓝宝石衬底40的碳化硅涂层，由以下步骤制备得到：
蓝宝石衬底40预清洗处理后，蓝宝石衬底40的表面涂刷Fe(NO3)3溶液或Ni(NO3)2溶液，涂刷后烘干，烘干后，采用化学气相沉积在蓝宝石衬底40的表面沉积碳化硅晶须10；所述Fe(NO3)3的浓度为0.0005mol/L～0.001mol/L；所述Ni(NO3)2溶液的浓度为0.0005mol/L～0.001mol/L；
三氯甲基硅烷为前驱体，氩气为稀释气，氢气为载气，沉积温度1000～1200℃，沉积压力小于100Pa，沉积时间2～5h；三氯甲基硅烷流量10-20mL/min，氢气流量100-300mL/min，氩气流量100-200mL/min；在沉积碳化硅晶须10的蓝宝石衬底40的表面，采用化学气相沉积方法沉积碳化硅涂层，得到一种用于蓝宝石衬底40的碳化硅涂层。
采用本发明实施例制备的用于蓝宝石衬底40的碳化硅涂层，所述碳化硅晶须10镶嵌于碳化硅涂层中。所述碳化硅晶须10可以为单晶结构。
本发明实施例所述碳化硅晶须10数量可通过控制Fe(NO3)3溶液或Ni(NO3)2溶液的浓度调节；进而调节所述用于蓝宝石衬底40的碳化硅涂层的韧性。
本发明另一方面还提供了所述的一种用于蓝宝石衬底40的碳化硅涂层的制备方法，由以下步骤制备得到：蓝宝石衬底40预清洗处理后，在蓝宝石衬底40表面涂刷Fe(NO3)3或Ni(NO3)2溶液；涂刷后烘干，采用化学气相沉积方法在蓝宝石衬底40的表面沉积碳化硅晶须10；在沉积碳化硅晶须10的蓝宝石衬底40的表面，采用化学气相沉积方法沉积碳化硅涂层。
优选地，所述沉积碳化硅涂层包括：三氯甲基硅烷为前驱体，氩气为稀释气，氢气为载气，沉积温度1000～1200℃，沉积压力小于100Pa，沉积时间2～5h；三氯甲基硅烷流量10-20mL/min，氢气流量100-300mL/min，氩气流量100-200mL/min。
采用本发明实施例制备的用于蓝宝石衬底40的碳化硅涂层，所述碳化硅晶须10镶嵌于碳化硅涂层中。所述碳化硅晶须10可以为单晶结构。
本发明实施例所述碳化硅晶须10数量可通过控制Fe(NO3)3溶液或Ni(NO3)2溶液的浓度调节；进而调节所述用于蓝宝石衬底40的碳化硅涂层的韧性。优选地，所述碳化硅晶须10的数量为每平方毫米100根～500根。
作为本发明一具体实施例，所述的一种用于蓝宝石衬底40的碳化硅涂层，由以下步骤制备得到：
蓝宝石衬底40预清洗处理后，蓝宝石衬底40的表面涂刷Fe(NO3)3溶液或Ni(NO3)2溶液，涂刷后烘干，烘干后，采用化学气相沉积在蓝宝石衬底40的表面沉积碳化硅晶须10；所述Fe(NO3)3的浓度为0.0005mol/L～0.001mol/L；所述Ni(NO3)2溶液的浓度为0.0005mol/L～0.001mol/L；
三氯甲基硅烷为前驱体，氩气为稀释气，氢气为载气，沉积温度1000～1200℃，沉积压力小于100Pa，沉积时间2～5h；三氯甲基硅烷流量10-20mL/min，氢气流量100-300mL/min，氩气流量100-200mL/min；在沉积碳化硅晶须10的蓝宝石衬底40的表面，采用化学气相沉积方法沉积碳化硅涂层，得到一种用于蓝宝石衬底40的碳化硅涂层。
采用本发明实施例制备的用于蓝宝石衬底40的碳化硅涂层，所述碳化硅晶须10镶嵌于碳化硅涂层中。所述碳化硅晶须10可以为单晶结构。
本发明实施例通过在蓝宝石衬底40的表面沉积碳化硅晶须10，对碳化硅涂层增强增韧，使得碳化硅涂层与蓝宝石衬底40的结合力变强，碳化硅涂层不易脱落。碳化硅晶须10不会影响碳化硅涂层的电阻稳定性；本发明实施例所述用于蓝宝石衬底40的碳化硅涂层，韧性强，在高温工作环境中热稳定性能好，工作可靠性高，不易脱落，应用范围广。
以上所述仅为本发明的较佳而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种用于蓝宝石衬底的碳化硅涂层结构，其特征在于，包括：碳化硅晶须和碳化硅涂层，所述碳化硅晶须结合在蓝宝石衬底的表面；在结合碳化硅晶须的蓝宝石衬底的表面，结合碳化硅涂层；所述碳化硅晶须镶嵌于碳化硅涂层中，
所述碳化硅晶须垂直于蓝宝石衬底的表面，所述碳化硅晶须的密度为每平方毫米100根~500根，所述碳化硅晶须的直径为10-50nm、长度为1-10μm，
所述碳化硅涂层包含碳化硅内层和碳化硅外层，所述碳化硅内层为异质外延生长的多晶碳化硅涂层，所述碳化硅外层为同质外延生长的单晶碳化硅涂层，所述碳化硅内层的厚度为5~10μm，所述碳化硅外层的厚度为15-50μm。
2.根据权利要求1所述的一种用于蓝宝石衬底的碳化硅涂层结构，其特征在于，所述碳化硅内层和所述碳化硅外层中的Si：C原子比为1：1。
3.一种如权利要求1或2所述的用于蓝宝石衬底的碳化硅涂层结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
蓝宝石衬底预清洗处理后，在蓝宝石衬底表面涂刷Fe(NO3)3或Ni(NO3)2溶液；涂刷后烘干，采用化学气相沉积方法在蓝宝石衬底的表面沉积碳化硅晶须；
在沉积碳化硅晶须的蓝宝石衬底的表面，采用化学气相沉积方法沉积碳化硅涂层。
4.根据权利要求3所述的用于蓝宝石衬底的碳化硅涂层结构的制备方法，其特征在于，所述沉积碳化硅涂层包括：三氯甲基硅烷为前驱体，氩气为稀释气，氢气为载气，沉积温度1000～1200℃，沉积压力小于100Pa，沉积时间2～5h；三氯甲基硅烷流量10-20mL/min，氢气流量100-300mL/min，氩气流量100-200mL/min。
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