CN115698390A

CN115698390A - 用于高温应用的绝缘体

Info

Publication number: CN115698390A
Application number: CN202080101842.XA
Authority: CN
Inventors: 斯蒂芬·施纽维斯
Original assignee: Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
Current assignee: Schunk Kohlenstofftechnik GmbH
Priority date: 2020-06-08
Filing date: 2020-06-08
Publication date: 2023-02-03
Also published as: EP4162101A1; WO2021249613A1; TW202200497A; JP2023534380A

Abstract

本发明涉及用于高温应用、特别是用于在用来生产单晶的装置(特别是用于晶体生长的设备(10))中使用的绝缘体(11)，所述绝缘体至少在一定程度上(优选完全地)由碳化钽组成。

Description

用于高温应用的绝缘体

技术领域

本发明涉及用于高温应用、特别是用于在用来生产单晶的装置、特别是用于晶体生长的系统中使用的绝缘体及其生产方法。此外，本发明涉及用于生产单晶的装置，特别是用于晶体生长的系统，以及合适的材料或原材料在用于高温应用、特别是用于用来生产单晶的装置、特别是用于晶体生长的系统的绝缘体中的用途。

背景技术

以上所述类型的绝缘体在现有技术中是众所周知的，并且典型地在用于生产单晶的装置、特别是用于晶体生长的系统中使用。通常，这样的绝缘体通过由石墨制成的毡实现，该绝缘体典型地具有相对较短的工作寿命或服务寿命，因为在使用这样的绝缘体的用于晶体生长的系统中具有侵略性现行条件，特别是高温效应。因此，现有技术中已知的绝缘体或毡典型地必须在使用该绝缘体的用于晶体生长的系统的每次操作之后或者在晶体生产的每个工艺之后进行更换，这与用于晶体生长的系统的增加的运营成本尤其相关。

当由石墨制成的毡被用作在用于生产单晶的装置中或在用于晶体生长的系统中的绝缘体时，这个问题由于以下事实而变得更加复杂：在用于生产单晶的感应加热装置的情况下或在用于晶体生长的系统的情况下，由这样的用于晶体生长的装置或系统的线圈(其提供用于加热)产生的电磁场不仅耦合到这样的用于晶体生长的装置或系统的典型地由石墨制成的坩埚，而且还耦合到典型地设置在线圈和坩埚之间的毡，这与用于晶体生长的装置或系统的额外运营成本相关。

另外，可能发生的是，由于绝缘体是由石墨或碳制成的，碳可能不受控制地被引入到晶体生产的运行工艺中，这可能导致要在该工艺中生产的晶体受到污染，该晶体例如由硅或碳化硅制成的。

此外，关于现有技术已知的绝缘体的不利之处在于，在典型地可能进行长达一周的晶体生产的工艺期间，绝缘体不保持绝缘效果。相反，绝缘体的绝缘效果稳步下降，因而进一步增加了使用该绝缘体的用于晶体生长的系统的运营成本。

发明内容

因此，本发明的目的是提出一种用于高温应用的绝缘体、一种具有绝缘体的用于生产单晶的装置(特别是用于晶体生长的系统)、合适的材料或原材料在用于高温应用的绝缘体中的用途以及一种生产用于高温应用的绝缘体的方法，其克服了现有技术已知的缺点。

这个目的通过具有权利要求1的特征的绝缘体、具有权利要求11的特征的装置、具有权利要求13的特征的用途和具有权利要求14的特征的方法得以实现。

根据本发明的用于高温应用、特别是用于在用来生产单晶的装置(特别是用于晶体生长的系统)中使用的绝缘体至少部分地、优选完全地由碳化钽制成。

因此，本发明是基于以下构思：绝缘体至少部分地、优选完全地由碳化钽制成，碳化钽与石墨相比明显更耐热，并且因此显著更小地受到在使用该绝缘体的用于晶体生长的系统中的侵略性现行条件(特别是高温效应)的影响。因此，可以显著增加根据本发明的绝缘体的服务寿命或工作寿命，使得根据本发明的绝缘体因此可以用于晶体生产的多个工艺。在这种情况下，不再需要在生产一个单个单晶之后那么早地更换绝缘体。另外，根据本发明的绝缘体在晶体生产的工艺期间(其典型地可能进行长达一周的时间)保持绝缘效果，或者更确切地说，绝缘体的绝缘效果在该工艺期间或在一系列工艺期间不发生改变。因此，温度分布在该工艺期间不会发生变化，从而可以更容易地控制该工艺并且生产更少的废品。因此，具有根据本发明的绝缘体的用于生产单晶的装置(特别是用于晶体生长的系统)可以更经济有效地操作。另外，根据本发明的绝缘体本身在绝缘效果方面得到相当大的改善，使得具有根据本发明的绝缘体的用于晶体生长的系统可以更加节能地运行。

此外，如果绝缘体完全由碳化钽制成，还有两个更显著的优点。一方面，可以进一步降低用于晶体生长的系统的运营成本，因为由用于晶体生长的系统的线圈(所述线圈被提供用于感应加热)产生的电磁场基本上不会在该电磁场的频率/多个频率(电磁场在该频率/多个频率下耦合到用于晶体生长的系统的石墨坩埚)下耦合到根据本发明的绝缘体。另一方面，通过使用根据本发明的绝缘体(其中该绝缘体完全由碳化钽制成)，可以防止碳不受控制地被引入到晶体生产的运行工艺中，从而可以生产具有更高纯度的例如由硅或碳化硅制成的晶体。

在本发明的一个实施方案中，绝缘体可以由具有由碳制成的纤维的纤维体获得，所述碳借助于化学气相反应至少部分地、优选完全地被转化为碳化钽。然后该绝缘体可以特别简单且经济有效地生产，因为生产不需要任何额外的步骤。

在本发明的一个可选实施方案中，绝缘体可以由具有由碳制成的纤维的纤维体获得，在该情况下，纤维体可以被热解碳渗透，在该情况下，热解碳可以在渗透之后借助于化学气相反应至少部分地、优选完全地被转化为碳化钽。纤维可以在经历化学气相反应之后还存在，其中在该化学气相反应中只有热解碳可以被转化为碳化钽，所述碳化钽之后能够有利地保护还存在的碳纤维。绝缘体可以由此形成为是特别稳定的。

有利地，渗透可以借助于化学气相渗透(CVI)进行。在这种情况下，热解碳可以渗透纤维体并至少部分地、优选完全地填充纤维之间的空间并且完全包围这些纤维。同时，可以预期纤维体借助于化学气相沉积(CVD)仅被热解碳涂覆，这可以导致形成由热解碳形成的表面涂层。此外，然后可以预期所述表面涂层借助于化学气相反应部分或全部地被转化为碳化钽。

另外，可以预期碳借助于化学气相反应至少部分地、优选完全地被转化为碳化钽。换句话说，碳可以部分地或完全地与热解碳一起被转化为碳化钽，使得绝缘体可以部分或完全地由碳化钽制成。

可选地，可以预期碳借助于化学气相反应没有被转化为碳化钽。在这种情况下，由碳制成的纤维在经历化学气相反应后还存在。

因此，碳可以在进行化学气相反应之后借助于温度处理(temperaturetreatment)被烧尽。在这种情况下，绝缘体可以具有空腔或中空纤维，借助于此可以额外地改善绝缘体的绝缘效果。在这种情况下，绝缘体不含有不受控制地被引入到晶体生产工艺中的碳或石墨。另外，由于绝缘体不含有碳或石墨，所以绝缘体在电磁场中的性能会发生变化，以至于电磁场在该电磁场的不同频率或多个不同频率下耦合到绝缘体(其在这种情况下完全由碳化钽制成)。如果绝缘体随后在具有由石墨制成的坩埚的用于晶体生长的系统中使用，在该情况下绝缘体可以设置在坩埚和产生电磁场的线圈之间，可以选择频率以使得电磁场耦合到坩埚，这导致在坩埚中形成涡流，并且因此引起坩埚的加热。然而，由于在此频率下电磁场基本上不耦合到绝缘体，所以强烈抑制了在绝缘体中涡流的形成或绝缘体的加热，使得可以更节能地操作用于晶体生长的系统。

有利地，卤化钽可以用作用于化学气相反应的反应气体。例如氯化钽、碘化钽、溴化钽或氟化钽可以用作反应气体。在这种情况下，可以将纤维体引入到处理室中，向其中可以供应反应气体。通过设定某些工艺参数，特别是处理室中的温度或处理室中存在的压力和/或反应气体可以供应到处理室中的速率，可以控制化学气相反应或反应过程，使得热解碳和/或碳可以根据选择而部分或完全地被转化为碳化钽。

在本发明的一个实施方案中，纤维体可以由织造织物、无屈曲织物、非织造织物和/或毡制成。因此，纤维可以以织造织物、无屈曲织物、非织造织物和/或毡的形式存在。

有利地，绝缘体或纤维体可以具有限定的几何形状。在这种情况下，可以在可能的用热解碳渗透之前或之后、或者在化学气相反应之前处理纤维体。同样可以想到的是，在化学气相反应之后形成绝缘体以具有期望的几何形状。例如，纤维体或绝缘体可以具有圆柱形形状。

根据本发明的用于生产单晶的装置，特别是用于晶体生长的系统，包括根据本发明的绝缘体。关于根据本发明的装置的有益效果的进一步细节，参考根据本发明的绝缘体的优点的描述。根据往回引述权利要求1的从属权利要求的特征描述，所述装置的其他有利实施方案是明显的。

所述装置可以通过使粉末形式的碳化硅升华或通过提拉由硅制成的坩埚来实现生产单晶。单晶(例如由碳化硅制成的)可以借助于物理气相传输通过升华来生产。利用这种方法，从籽晶的直径开始，可以生产直径高达25mm(3H-SiC)、50mm(4H-SiC)、75mm(6H-SiC)、高达100mm、高达200mm、高达300mm或更大的单晶。可选地，单晶可以利用切克劳斯基法(Czochralski，也称为提拉法)或区域熔化工艺通过提拉熔融硅的坩埚来生产。

根据本发明，在用于高温应用、特别是用于用来生产单晶的装置、特别是用于晶体生长的系统的绝缘体中使用碳化钽。换句话说，提出碳化钽作为在用于高温应用的绝缘体中的合适材料或原材料。通常，由碳化钽制成的多孔体还可以用于其他合适的目的，例如作为过滤体等。因此，使用由碳化钽制成的多孔体不必限于用于高温应用的绝缘体。关于根据本发明的用途的有利影响的进一步细节，参考根据本发明的绝缘体的优点的描述。根据往回引述权利要求1的从属权利要求的特征描述，所述用途的其他有利实施方案是明显见的。

在根据本发明的用于生产用于高温应用、特别是在用于生产单晶的装置、特别是用于晶体生长的系统中使用的绝缘体的方法中，该绝缘体至少部分地、优选完全地由碳化钽制成。关于根据本发明的方法的有利影响的进一步细节，参考根据本发明的绝缘体的优点的描述。根据往回引述权利要求1的从属权利要求的特征描述，所述方法的其他有利实施方案是明显的。

具体实施方式

在下文中，将参考附图更详细地描述本发明的优选实施方案。

附图示出了根据本发明的用于晶体生长的系统10，其包括根据本发明的绝缘体11、由石墨制成的坩埚12(其含有由碳化硅制成的粉末13)、以及用于感应加热坩埚12的线圈14。绝缘体11设置在线圈14和坩埚12之间。此外，用于晶体生长的系统10包括坩埚盖15，在其下表面17上设置籽晶18。籽晶18用作晶体16可以在其上生长的晶核。为此，将粉末形式的碳化硅在坩埚12中加热到1500℃至3000℃，优选加热到2200℃至2500℃，并且升华或变成气态。气态碳化硅在籽晶18或晶体16上结晶。晶体16生长直到粉末13被耗尽。

Claims

1.一种用于高温应用、特别是用于在用来生产单晶的装置、特别是用于晶体生长的系统(10)中使用的绝缘体(11)，

其特征在于

所述绝缘体至少部分地、优选完全地由碳化钽制成。

2.根据权利要求1所述的绝缘体，

其特征在于

所述绝缘体(11)是由具有由碳制成的纤维的纤维体获得的，所述碳借助于化学气相反应至少部分地、优选完全地被转化为碳化钽。

3.根据权利要求1所述的绝缘体，

其特征在于

所述绝缘体(11)是由具有由碳制成的纤维的纤维体获得的，所述纤维体被热解碳渗透，所述热解碳在渗透之后借助于化学气相反应至少部分地、优选完全地被转化为碳化钽。

4.根据权利要求3所述的绝缘体，

其特征在于

所述渗透是借助于化学气相渗透(CVI)实现的。

5.根据权利要求3或4所述的绝缘体，

其特征在于

所述碳借助于所述化学气相反应至少部分地、优选完全地被转化为碳化钽。

6.根据权利要求3或4所述的绝缘体，

其特征在于

所述碳借助于所述化学气相反应没有被转化为碳化钽。

7.根据权利要求6所述的绝缘体，

其特征在于

所述碳在所述化学气相反应之后借助于温度处理被烧尽。

8.根据权利要求2至7中任一项所述的绝缘体，

其特征在于

卤化钽被用作用于所述化学气相反应的反应气体。

9.根据权利要求2至8中任一项所述的绝缘体，

其特征在于

所述纤维体由织造织物、无屈曲织物、非织造织物和/或毡制成。

10.根据前述权利要求中任一项所述的绝缘体，

其特征在于

所述绝缘体(11)或所述纤维体具有限定的几何形状。

11.一种用于生产单晶的装置，特别是一种用于晶体生长的系统(10)，其具有根据前述权利要求中任一项所述的绝缘体(11)。

12.根据权利要求11所述的装置，

其特征在于

所述装置通过使粉末形式的碳化硅升华或通过提拉由硅制成的坩埚实现生产单晶。

13.碳化钽在用于高温应用、特别是用于用来生产单晶的装置、特别是用于晶体生长的系统(10)的绝缘体(11)中的用途。

14.一种生产用于高温应用、特别是用于在用来生产单晶的装置、特别是用于晶体生长的系统(10)中使用的绝缘体(11)的方法，

其特征在于

所述绝缘体至少部分地、优选完全地由碳化钽制成。