CN114672881A - 碳化钽坩埚及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种碳化钽坩埚，其包括：碳化钽坩埚本体，其中所述碳化钽坩埚本体具有均匀壁厚，以及所述碳化钽坩埚本体包括具有上端开口的圆筒状侧壁和呈下凹的空心半球状底壁；其中所述侧壁和所述底壁一体成型；碳化钽坩埚盖，其尺寸和形状被设计为匹配于所述上端开口，以将所述上端开口闭合。本发明还提供一种制备本发明的碳化钽坩埚的方法。本发明还提供本发明的碳化钽坩埚或者本发明的方法制得的碳化钽坩埚在晶体生长，特别是氮化铝晶体生长中的应用。本发明的碳化钽坩埚解决传统一体式坩埚易于开裂的问题和分体式坩埚带来损失原料、退化石墨保温辅件性能、影响温场稳定控制的诸多弊端。
Description
技术领域
本发明属于晶体生长领域。具体地，本发明涉及一种碳化钽坩埚及其制备方法和应用。
背景技术
AlN作为第三代宽禁带半导体中的重要材料，其禁带宽度达到了6.05eV，是制作紫外激光器、紫外发光二极管以及日盲型紫外探测器的理想材料。由于其具有高温稳定性、高的热导率和高的击穿场强，所以其特别适合用来制作高温、高功率、高频率器件。同时AlN晶体衬底是AlGaN基材料外延生长的理想衬底。目前，物理气相传输法(PVT)是公认的生长AlN单晶最好的方法。然而受到AlN晶体生长温度高达2000-2300℃的限制，以及生长过程中产生的强腐蚀性铝蒸气的影响，可适合其生长环境并满足生长高质量AlN晶体的坩埚材料寥寥无几。
目前，适合用来制作AlN生长用的坩埚材料，主要有金属钨和碳化钽材料(Slack GA,Whitlock J,Morgan K,et al.Properties of Crucible Materials for Bulk Growthof AlN[J].MRS Proceedings,2003,798:Y10.74.)。对于钨坩埚，需要配套金属钨材料的加热辅件和保温辅件。由此造成生长大尺寸AlN晶体的“全钨”生长炉造价昂贵，不适合工业化生产推广。另外，由于钨和碳化硅材料高温下会发生反应，所以钨坩埚不适合进行SiC异质籽晶上进行氮化铝晶体生长。
对于早期广泛应用的一体式碳化钽平底坩埚，由于其侧壁和平底之间近90度结合的特征，导致在碳化过程中或晶体生长过程中导致侧壁和平底的结合处应力较大，引起坩埚开裂无法接续使用(坩埚使用寿命短)。
对于改进的分体式坩埚(坩埚侧壁和坩埚底是物理分开的)很大程度解决了现有的一体式坩埚开裂的问题，有效延长了坩埚使用寿命。然而由于其分体式结构，导致在坩埚侧壁与坩埚底的接合缝隙处原料蒸发泄漏，并与外层的石墨辅件发生反应，严重退化晶体生长环境的稳定性和石墨辅件寿命。通常分体式坩埚在使用过程中，除了带来40-80％的原料损失(原料浪费)外，还造成原料蒸气与外部保温石墨毡反应，退化了石墨毡性能、缩短了保温石墨毡的使用寿命。所以分体式坩埚带来的主要弊端有三点：第一、原料损失严重，降低晶体生长速率；第二、石墨辅件受损，降低加热效率，退化温场分布的稳定性；第三、缩短晶体生长系统维护周期。
目前急需一种不存在开裂现象、使用寿命长且原料损失少的适用于熔点高的AlN晶体生长的坩埚。
发明内容
本发明的目的在于提供一种碳化钽坩埚。该碳化钽坩埚解决传统一体式坩埚易于开裂的问题和分体式坩埚带来损失原料、退化石墨保温辅件性能和影响温场稳定控制的诸多弊端。
本发明的上述目的是通过如下技术方案实现的。
第一方面，本发明提供一种碳化钽坩埚，其包括：
碳化钽坩埚本体，其中所述碳化钽坩埚本体具有均匀壁厚，以及所述碳化钽坩埚本体包括具有上端开口的圆筒状侧壁和呈下凹的空心半球状底壁；其中所述侧壁和所述底壁一体成型；
碳化钽坩埚盖，其尺寸和形状被设计为匹配于所述上端开口，以将所述上端开口闭合。
优选地，在本发明所述的碳化钽坩埚中，所述碳化钽坩埚盖的表面平整度为0.01-0.2mm。
优选地，在本发明所述的碳化钽坩埚中，所述上端开口的表面平整度为0.01-0.2mm。
优选地，在本发明所述的碳化钽坩埚中，所述侧壁的内径为20mm-200mm，壁厚为1mm-8mm。
优选地，在本发明所述的碳化钽坩埚中，所述底壁的壁厚为1mm-8mm。
优选地，在本发明所述的碳化钽坩埚中，所述碳化钽坩埚本体的高度为所述侧壁内径的1-3倍。
第二方面，本发明提供一种制备本发明的碳化钽坩埚的方法，其包括如下步骤：
(1)提供金属钽坩埚盖和一体成型的金属钽坩埚本体；
(2)采用稀盐酸对所述金属钽坩埚盖和金属钽坩埚本体进行第一超声处理，然后再采用酒精对所述金属钽坩埚盖和金属钽坩埚本体进行第二超声处理，之后采用去离子水冲洗所述金属钽坩埚盖和金属钽坩埚本体，并用烘箱烘干去除水分；
(3)将所述金属钽坩埚盖和金属钽坩埚本体放置于石墨坩埚中，并用石墨粉完全填充和覆盖所述金属钽坩埚盖和金属钽坩埚本体；
(4)将所述石墨坩埚置于加热炉内，然后将加热炉抽真空，随后通入保护性气体使所述加热炉升压，然后将所述加热炉升温以对所述金属钽坩埚盖和金属钽坩埚本体进行碳化处理，得到碳化钽坩埚。
优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(2)中的第一超声处理是在以下条件下进行的：所述稀盐酸的温度控制为40-60℃，超声时间控制为20-40分钟。
优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(2)中的第二超声处理进行5-20分钟。
优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(2)中用烘箱烘干的温度为80-120℃，烘干时间为30-120分钟。
优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(3)中的石墨坩埚的纯度高于99.9％，并且所述石墨粉的纯度高于99.9％。
优选地，在本发明所述的方法中，所述步骤(4)中的抽真空是将真空度控制在至少为10-3Pa。
优选地，在本发明所述的方法中，所述保护性气体为氩气或氮气。
优选地，在本发明所述的方法中，所述升压是升压至40-90kPa。
优选地，在本发明所述的方法中，所述碳化处理是在如下条件下进行的：碳化处理温度为1500-2300℃，碳化处理时间为8-25小时。
第三发明，本发明提供本发明的碳化钽坩埚或者本发明的方法制得的碳化钽坩埚在晶体生长，特别是氮化铝晶体生长中的应用。
在本发明的具体实施方案中，金属钽坩埚盖和金属钽坩埚本体可以委托机械加工企业制备或通过商业购买。在本发明的具体实施方案中，步骤(1)中提供的金属钽坩埚盖的直径和一体成型的金属钽坩埚本体的外径尺寸一致。在本发明的具体实施方案中，步骤(1)中提供的金属钽坩埚盖和一体成型的金属钽坩埚本体分别与最终制备得到的碳化钽坩埚盖和碳化钽坩埚本体的尺寸和形状一致。
在本发明的具体实施方案中，加热炉可采用中频感应方式加热，其加热温度至少不低于2000℃，且其真空度至少达到10-3Pa。
本发明提供的一体式碳化钽坩埚，主要用于PVT法生长AlN晶体，也可以用来作为其他高温反应或晶体生长所用坩埚。
本发明具有如下有益效果：
采用传统分体式坩埚和本发明的碳化钽坩埚进行对比实验，发现在2000-2250℃的AlN晶体生长条件下：本发明的碳化钽坩埚的失重蒸发比(损失的材料重量与蒸发的材料重量之比)约为传统分体式坩埚的四分之一；本发明的碳化钽坩埚及其保温石墨辅件的寿命比使用传统一体式坩埚(侧壁和平底之间的角度近90°)提高了3-4倍。
本发明的碳化钽坩埚解决了传统一体式坩埚易于开裂的问题和分体式坩埚带来损失原料、退化保温性能和影响温场稳定控制的诸多弊端。
本发明的碳化钽坩埚可以依据所生长晶体尺寸的大小而改变其内径，适用范围宽，使用寿命长，适合工业化晶体生产推广。
在相同的生长条件下，通过采用本发明的碳化钽坩埚生长的AlN晶体的生长速率更快、单次实验生长的晶体更厚、生长过程的稳定性更高、晶体质量更好，可大幅提高工业化生产的效率。
附图说明
以下，结合附图来详细说明本发明的实施方案，其中：
图1是本发明的一个具体实施方案的碳化钽坩埚处于坩埚盖打开状态下的主视图；
图2是本发明的一个具体实施方案的碳化钽坩埚处于坩埚盖打开状态下的三维投影示意图；
图3是本发明的实施例1制得的碳化钽坩埚的照片；
图4(a)是本发明的一个具体实施方案的一体式碳化钽坩埚经过7次(每次生长30小时)晶体生长实验后的实物照片；
图4(b)是传统一体式碳化钽坩埚经过2次(每次生长30小时)晶体生长实验后的实物照片；
图5(a)是采用本发明的一个具体实施方案的一体式碳化钽坩埚连续生长55小时后的晶体照片；其中，生长得到的晶体的厚度为22.3mm；
图5(b)是采用分体式碳化钽坩埚共计生长165小时(接续生长2次)后的晶体照片；其中，生长得到的晶体的厚度为18.4mm。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述，给出的实施例仅为了阐明本发明，而不是为了限制本发明的范围。
本发明通过碳化不同尺寸的钽坩埚获得适合用来进行不同尺寸AlN晶体生长的碳化钽坩埚。为了更加清楚的解释本发明的目的、技术方案和优点，以下结合附图和实施例，进一步说明本发明。此处所描述的具体实施例仅用以说明和解释本发明，并不是限定本发明的应用范畴。
实施例1
一体式碳化钽坩埚的制备方法，其包括如下步骤：
(1)通过委托加工得到成型直径28mm(厚度1mm)的钽盖子及内径25mm，外径28mm，总高度65mm的钽半球形底坩埚，其结构见图1。将该坩埚放于盛有稀盐酸的容器中，加热至40℃，超声清洗半小时。然后取出，放于盛有酒精的容器中超声清洗10分钟，再用去离子水冲洗，之后用烘箱在120℃烘干40分钟。
(2)将清洗完毕的钽盖子、钽半球形底坩埚放置于纯度达到99.9％的石墨坩埚中，并用纯度高于99.9％的石墨粉填充覆盖。将该石墨坩埚放到加热炉内，将加热炉抽真空至10-3Pa，然后充入纯度为99.99％的高纯Ar气至炉内压力达到80kPa。
(3)将石墨坩埚用4小时升至1900℃，保温12小时，然后用12小时降温至室温。
(4)将石墨坩埚取出后，取出碳化后的碳化钽坩埚，然后用蘸了酒精的无尘纸擦拭干净。之后放置到盛有酒精的烧杯中超声清洗20分钟，再用去离子水冲洗，之后用烘箱在100℃下烘干30分钟。获得金黄色的适合用于1英寸AlN晶体生长的一体式碳化钽坩埚。坩埚体的实物见图2。
实施例2
一体式碳化钽坩埚的制备方法，其包括如下步骤：
(1)通过委托加工得到成型直径58mm，厚度2.5mm的钽盖子及内径52mm，外径58mm，总高度140mm的钽半球形底坩埚，其结构见图1。将该坩埚放于盛有稀盐酸的容器中，加热至50℃，超声清洗半小时。然后取出，放于盛有酒精的容器中超声清洗10分钟，再用去离子水冲洗，之后用烘箱在100℃下烘干40分钟。
(2)将清洗完毕的钽盖子、钽半球形底坩埚放置于纯度达到99.9％的石墨坩埚中，并用纯度高于99.9％的石墨粉填充覆盖。将该石墨坩埚放到加热炉内，将加热炉抽真空至10-3Pa，然后充入纯度为99.99％的高纯Ar气至炉内压力达到50kPa。
(3)将石墨坩埚用4小时升至2000℃，保温18小时，然后用12小时降温至室温。
(4)将石墨坩埚取出后，取出碳化后的碳化钽坩埚，然后用蘸了酒精的无尘纸擦拭干净。之后放置到盛有酒精的烧杯中超声清洗20分钟，再用去离子水冲洗，之后用烘箱在100℃下烘干30分钟。获得金黄色的适合用于2英寸AlN晶体生长的一体式碳化钽坩埚。
实施例3
一体式碳化钽坩埚的制备方法，其包括如下步骤：
(1)通过委托加工得到成型直径150mm，厚度4mm的钽盖子及内径140mm，外径150mm,总高度400mm的钽半球形底坩埚，其结构见图1。将该坩埚放于盛有稀盐酸的容器中，加热至60℃，超声清洗半小时。然后取出，放于盛有酒精的容器中超声清洗10分钟，再用去离子水冲洗，之后用烘箱在110℃下烘干30分钟。
(2)将清洗完毕的钽盖子、钽半球形底坩埚放置于纯度达到99.9％的石墨坩埚中，并用纯度高于99.9％的石墨粉填充覆盖。将该石墨坩埚放到加热炉内，将加热炉抽真空至10-3Pa，然后充入纯度为99.99％的高纯Ar气至炉内压力达到85kPa。
(3)将石墨坩埚用4小时升至2200℃，保温22小时，然后用12小时降温至室温。
(4)将石墨坩埚取出后，取出碳化后的碳化钽坩埚，然后用蘸了酒精的无尘纸擦拭干净。之后放置到盛有酒精的烧杯中超声清洗20分钟，再用去离子水冲洗，之后用烘箱在110℃下烘干30分钟。获得金黄色的适合用于6英寸AlN晶体生长的一体式碳化钽坩埚。
实施例4
本实施例对比研究了采用本发明的一体式碳化钽坩埚和采用分体式碳化钽坩埚分别进行AlN晶体生长后的失重蒸发比实验结果。
实施例4.1
采用本发明制备的碳化钽坩埚生长AlN晶体的步骤如下：
(1)将实施例1中制备的碳化钽坩埚，放置于配套的石墨坩埚中，装入55克AlN原料。
(2)将AlN籽晶用粘接剂粘接在实施例1中制备的碳化钽盖子上。
(3)将步骤(2)中的盖子，盖在步骤(1)中的坩埚上。将配套石墨坩埚盖子盖在配套的石墨坩埚上，拧紧。
(4)将步骤(3)中的石墨坩埚放入晶体生长炉内，抽真空至10-4Pa，然后充入纯度为99.99％的高纯N2气至炉内压力达到60kPa.
(5)将石墨坩埚用4小时升至2250℃，保温30小时，然后用12小时降温至室温。
(6)将石墨坩埚取出，取出生长的晶体。测量晶体的质量为20.7g，原料蒸发质量为24.3g，原料失重质量为3.6g，失重蒸发比为14.8％。
实施例4.2
采用传统分体式碳化钽坩埚生长AlN晶体的步骤如下：
(1)将分体式碳化钽坩埚，放置于配套的石墨坩埚中，装入55克AlN原料。
(2)将AlN籽晶用粘接剂粘接在制备的碳化钽盖子上。
(3)将步骤(2)中的盖子，盖在步骤(1)中的坩埚上。将配套的石墨坩埚盖子盖在配套的石墨坩埚上，拧紧。并按前述采用本发明的一体式碳化钽坩埚生长AlN晶体完全相同的条件进行AlN晶体生长(见如下条件)。
(4)将步骤(3)中的石墨坩埚放入晶体生长炉内，抽真空至10-4Pa，然后充入纯度为99.99％的高纯N2气至炉内压力达到60kPa.
(5)将石墨坩埚用4小时升至2250℃，保温30小时，然后用12小时降温至室温。
(6)将石墨坩埚取出，取出生长的晶体。测量晶体生长质量为7.6g，原料蒸发质量为28.7g，原料失重质量为21.1g，失重蒸发比为73.6％。
从实施例4.1和实施例4.2得到的失重蒸发比数值对比可发现：采用本发明的坩埚生长晶体相较于分体式坩埚，生长晶体增重提高2.72倍，失重蒸发比降低至采用分体坩埚的20％。
实施例5
本实施例对比研究了采用本发明的一体式坩埚和采用传统一体式(即侧壁与底部成近90°)的碳化钽坩埚生长AlN晶体的坩埚寿命情况。
实施例5.1
采用本发明的一体式碳化钽坩埚进行AlN晶体生长的重复实验(即实施例4.1中所述生长实验步骤)。实验发现进行重复晶体生长实验七次后，仍未发现坩埚有明显损坏(见图4(a))，还可继续使用。这一实验结果表明本发明的一体式碳化钽坩埚的使用寿命超过210小时。
实施例5.2
采用传统的一体式(即侧壁与底部成近90°)碳化钽坩埚生长AlN晶体的步骤如下：
(1)将传统一体式的碳化钽坩埚，放置于配套的石墨坩埚中，装入55克AlN原料。
(2)将AlN籽晶用粘接剂粘接在制备的碳化钽盖子上。
(3)将步骤(2)中的盖子，盖在步骤(1)中的坩埚上。将配套石墨坩埚盖子盖在配套石墨坩埚上，拧紧。
(4)将步骤(3)中的石墨坩埚放入晶体生长炉内，抽真空至10-4Pa，然后充入纯度为99.99％的高纯N2气至炉内压力达到60kPa.
(5)将石墨坩埚用4小时升至2250℃，保温30小时，然后用12小时降温至室温。
(6)将石墨坩埚取出，并取出生长的晶体。
重复采用这个传统的一体式坩埚再次进行晶体生长实验(重复上述的晶体生长步骤)，发现采用传统的一体式碳化钽坩埚生长两次AlN晶体后，其侧壁与底部连接处发生开裂(见图4(b))。表明其使用寿命小于60小时。
实施例5.1和实施例5.2的对比实验发现：本发明的一体式碳化钽坩埚的使用寿命至少是传统一体式碳化钽坩埚使用寿命的3.5倍。
实施例6
本实施例对比研究了采用本发明的一体式碳化钽坩埚和采用分体式碳化钽坩埚分别进行AlN晶体生长后，获得的AlN晶体厚度的对比实验。
根据晶体生长规律，晶体的结晶质量会随着晶体的长厚而逐渐变高，且晶体的扩径生长也需要生长较厚的晶体来实现。所以能通过一次生长获得质量较好、晶体厚度较厚的晶体是晶体生长的优选条件。
实施例6.1
采用实施例1中制备的一体式碳化钽坩埚生长较厚AlN晶体的步骤如下：
(1)将实施例1中制备的碳化钽坩埚，放置于配套的石墨坩埚中，装入65克AlN原料。
(2)将AlN籽晶用粘接剂粘接在实施例1中制备的碳化钽盖子上。
(3)将步骤(2)中的盖子，盖在步骤(1)中的坩埚上。将配套石墨坩埚盖子盖在配套石墨坩埚上，拧紧。
(4)将步骤(3)中的石墨坩埚放入晶体生长炉内，抽真空至10-4Pa，然后充入纯度为99.99％的高纯N2气至炉内压力达到60kPa.
(5)将石墨坩埚用4小时升至2250℃，保温75小时，然后用12小时降温至室温。
(6)将石墨坩埚取出，取出所生长的晶体。测量晶体生长厚度为22.3mm，如图5(a)所示。实验结果表明晶体的长厚速率为297μm/小时。
实施例6.2
采用传统分体式的碳化钽坩埚生长较厚的AlN晶体的步骤如下：
(1)将外径尺寸与实施例6.1相同的传统分体式碳化钽坩埚，放置于配套的石墨坩埚中，装入65克AlN原料。
(2)将AlN籽晶用粘接剂粘接在制备的碳化钽盖子上。
(3)将步骤(2)中的盖子，盖在步骤(1)中的坩埚上。将配套的石墨坩埚盖子盖在配套石墨坩埚上，拧紧。
(4)将步骤(3)中的石墨坩埚放入晶体生长炉内，抽真空至10-4Pa，然后充入纯度为99.99％的高纯N2气至炉内压力达到60kPa.
(5)将石墨坩埚用4小时升至2250℃，保温55小时，然后用12小时降温至室温。
(6)将石墨坩埚取出，取出生长的晶体，测量晶体生长厚度为9mm。实验结果表明晶体的长厚速率约为164μm/小时。采用分体式坩埚获得相对较低的生长速率的原因是由于大量的原料通过坩埚底部的缝隙泄露到坩埚外(如实施例4.2表明较高的失重蒸发比)。
为了获得较厚的晶体，需在刚获得的AlN晶体上进行接长实验，并需向所用的分体式坩埚内添加一定量的AlN原料，然后接续进行晶体生长。
在接续的实验中，向坩埚内添加AlN原料15克。并将取出的晶体重新装入坩埚内，将配套的石墨坩埚盖子盖在配套石墨坩埚上，拧紧。
(7)重复步骤(4)和(5)，进行接续生长实验。晶体生长实验结束后，将石墨坩埚取出，并取出生长的晶体，测量晶体的总生长厚度为15.1mm。表明经过第一次接长生长的晶体厚度为6.1mm。实验结果表明接长AlN晶体的长厚速率约为110μm/小时。
为了获得更厚的晶体，接续又对获得的晶体进行了第三次生长(第二次接长)实验。
(8)向坩埚内添加AlN原料12克，将取出的晶体重新装入坩埚，将配套的石墨坩埚盖子盖在配套的石墨坩埚上，拧紧。
(9)重复步骤(4)和(5)，进行第二次接续生长实验。晶体生长实验结束后，将石墨坩埚取出，取出生长的晶体，测量晶体生长的总厚度为18.4mm，如图5(b)所示。表明此次接长厚度为3.3mm。实验结果表明第二次接长的AlN晶体的长厚速率约为60μm/小时。
上述实验结果表明：由于分体式坩埚原料失重较大，造成保温材料退化较快，无法进行长时间生长实验，为了获得较厚晶体，需进行2-4次接续生长实验才有可能获得20mm左右厚的AlN晶体。由于采用多次接长，在每次填加AlN原料时，接长的晶面暴露在空气中，表面会形成氧化层或引入杂质污染。如果接长的初始条件掌控不好，就会导致接长的晶体质量下降，甚至得到多晶。
同时也发现在后续的接长实验中，AlN晶体的生长速率逐渐减小。其可能的原因除了原料经过多次高温后密度变高导致蒸发速率变小外，还有更主要的原因是分体式坩埚原料失重较大，造成保温材料性能退化较快，原料区的热场发生了飘移，有效温度降低。
而采用本发明的一体式碳化钽坩埚，由于原料利用率高，保温材料退化慢，可单次实验获得较厚的晶体，且晶体质量较高(晶体透明度高，见图5(a))。
Claims (10)
1.一种碳化钽坩埚，其包括：
碳化钽坩埚本体，其中所述碳化钽坩埚本体具有均匀壁厚，以及所述碳化钽坩埚本体包括具有上端开口的圆筒状侧壁和呈下凹的空心半球状底壁；其中所述侧壁和所述底壁一体成型；
碳化钽坩埚盖，其尺寸和形状被设计为匹配于所述上端开口，以将所述上端开口闭合。
2.根据权利要求1所述的碳化钽坩埚，其中，所述碳化钽坩埚盖的表面平整度为0.01-0.2mm。
3.根据权利要求1所述的碳化钽坩埚，其中，所述上端开口的表面平整度为0.01-0.2mm。
4.根据权利要求1所述的碳化钽坩埚，其中，所述侧壁的内径为20mm-200mm，壁厚为1mm-8mm；
优选地，所述底壁的壁厚为1mm-8mm。
5.根据权利要求1所述的碳化钽坩埚，其中，所述碳化钽坩埚本体的高度为所述侧壁的内径的1-3倍。
6.一种制备权利要求1-5中任一项所述的碳化钽坩埚的方法，其包括如下步骤：
(1)提供金属钽坩埚盖和一体成型的金属钽坩埚本体；
(2)用稀盐酸对所述金属钽坩埚盖和金属钽坩埚本体进行第一超声处理，然后用酒精对所述金属钽坩埚盖和金属钽坩埚本体进行第二超声处理，之后用去离子水冲洗所述金属钽坩埚盖和金属钽坩埚本体；
(3)将所述金属钽坩埚盖和金属钽坩埚本体放置于石墨坩埚中，并用石墨粉完全填充和覆盖所述金属钽坩埚盖和金属钽坩埚本体；
(4)将所述石墨坩埚置于加热炉内，然后将加热炉抽真空，随后通入保护性气体使所述加热炉升压，然后将所述加热炉升温以对所述金属钽坩埚盖和金属钽坩埚本体进行碳化处理，得到碳化钽坩埚。
7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述步骤(2)中的第一超声处理是在以下条件下进行的：所述稀盐酸的温度控制为40-60℃，超声时间控制为20-40分钟；
优选地，所述步骤(2)中的第二超声处理进行5-20分钟。
8.根据权利要求6所述的方法，其中，所述步骤(3)中的石墨坩埚的纯度高于99.9％，并且所述石墨粉的纯度高于99.9％。
9.根据权利要求6所述的方法，其中，所述步骤(4)中的抽真空是将真空度控制在至少为10-3Pa；
优选地，所述保护性气体为氩气或氮气；
优选地，所述升压是升压至40-90kPa；
优选地，所述碳化处理是在如下条件下进行的：碳化处理温度为1500-2300℃，碳化处理时间为8-25小时。
10.根据权利要求1-5中任一项所述的碳化钽坩埚或者根据权利要求6-9中任一项所述的方法制得的碳化钽坩埚在晶体生长，特别是氮化铝晶体生长中的应用。
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|---|---|---|---|---|
| CN115784778A (zh) * | 2022-11-21 | 2023-03-14 | 中材人工晶体研究院(山东)有限公司 | 一种含有碳化钽涂层的坩埚的制备方法 |
| CN116427035A (zh) * | 2023-03-10 | 2023-07-14 | 中国电子科技集团公司第四十六研究所 | 一种适用于大尺寸氮化铝晶体生长的原料装进和取出方法 |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101220521A (zh) * | 2007-09-28 | 2008-07-16 | 中国科学院物理研究所 | 分体式钽坩埚及其制造方法 |
| RU2389832C1 (ru) * | 2008-10-14 | 2010-05-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Аккорд" | ТИГЕЛЬ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ ОБЪЕМНОГО МОНОКРИСТАЛЛА НИТРИДА АЛЮМИНИЯ (AlN) |
| US20110114530A1 (en) * | 2009-05-26 | 2011-05-19 | Shin-Etsu Quartz Products Co., Ltd. | Silica container and method for producing the same |
| CN204417656U (zh) * | 2015-01-16 | 2015-06-24 | 浙江理工大学 | 蓝宝石生长炉的半球底型坩埚 |
| CN214406949U (zh) * | 2021-03-18 | 2021-10-15 | 云南临沧鑫圆锗业股份有限公司 | 一种新型碳化硅粉料合成用的坩埚 |
-
2020
- 2020-12-24 CN CN202011572743.8A patent/CN114672881A/zh active Pending
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN101220521A (zh) * | 2007-09-28 | 2008-07-16 | 中国科学院物理研究所 | 分体式钽坩埚及其制造方法 |
| RU2389832C1 (ru) * | 2008-10-14 | 2010-05-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Аккорд" | ТИГЕЛЬ ДЛЯ ВЫРАЩИВАНИЯ ОБЪЕМНОГО МОНОКРИСТАЛЛА НИТРИДА АЛЮМИНИЯ (AlN) |
| US20110114530A1 (en) * | 2009-05-26 | 2011-05-19 | Shin-Etsu Quartz Products Co., Ltd. | Silica container and method for producing the same |
| CN204417656U (zh) * | 2015-01-16 | 2015-06-24 | 浙江理工大学 | 蓝宝石生长炉的半球底型坩埚 |
| CN214406949U (zh) * | 2021-03-18 | 2021-10-15 | 云南临沧鑫圆锗业股份有限公司 | 一种新型碳化硅粉料合成用的坩埚 |
Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115784778A (zh) * | 2022-11-21 | 2023-03-14 | 中材人工晶体研究院(山东)有限公司 | 一种含有碳化钽涂层的坩埚的制备方法 |
| CN115784778B (zh) * | 2022-11-21 | 2023-12-01 | 中材人工晶体研究院(山东)有限公司 | 一种含有碳化钽涂层的坩埚的制备方法 |
| CN116427035A (zh) * | 2023-03-10 | 2023-07-14 | 中国电子科技集团公司第四十六研究所 | 一种适用于大尺寸氮化铝晶体生长的原料装进和取出方法 |
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