一種用于石墨熱場表面的復(fù)合涂層及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種復(fù)合涂層及其制備方法，特別是涉及一種用于石墨熱場表面的SiCVSi3N4復(fù)合涂層及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨材料的缺點(diǎn)是碳原子在高溫下持續(xù)揮發(fā)，帶來兩個(gè)負(fù)面影響:一是碳原子擴(kuò)散進(jìn)晶圓，造成晶圓品質(zhì)下降;二是石墨表面產(chǎn)生大量腐蝕坑，服役壽命減小。目前，隨著晶圓產(chǎn)業(yè)規(guī)模急劇擴(kuò)大，在太陽能光伏行業(yè)中，提高品質(zhì)、降低成本已成為產(chǎn)業(yè)發(fā)展的關(guān)鍵，迫切要求延長石墨熱場材料服役時(shí)間。作為一種航空航天涂層材料，納米碳化硅涂層新材料導(dǎo)熱系數(shù)高、熱膨脹系數(shù)小、碳擴(kuò)散系數(shù)小、化學(xué)性能穩(wěn)定、耐磨損性能好，具有耐高溫、抗熱震、抗蠕變、抗氧化的優(yōu)點(diǎn)。在航空航天領(lǐng)域，碳化硅涂層已經(jīng)被用作碳材料和炭/炭復(fù)合材料的高溫涂層，抵抗2500-3000°C的燃?xì)饬?，表現(xiàn)出優(yōu)良的抗氧化、抗燒蝕特征。將S i C涂層應(yīng)用到半導(dǎo)體工業(yè)中晶圓生長爐內(nèi)的石墨發(fā)熱體等碳素材料，有望將晶圓品質(zhì)提高3?5倍，石墨核心部件的壽命提高6?1倍，企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益能顯著提升。
[0003]目前制備碳化硅涂層的方法主要有:涂刷法，反應(yīng)燒結(jié)法，化學(xué)氣相沉積法，熱噴涂法等。但這些方法成本較高，且制備的SiC涂層結(jié)合力較弱有的收到設(shè)備的限制，不宜在大型構(gòu)件上制備，同時(shí)由于碳化硅層與爐內(nèi)中的硅蒸汽潤濕性好，硅質(zhì)易于吸附在碳化硅層表面，不易清除。本發(fā)明克利用甲烷與四氯化硅共沉積得到致密的SiC層，該涂層致密無缺陷，且實(shí)現(xiàn)熱場材料內(nèi)部的全覆蓋，然后在高溫下利用氨氣與所得到的SiC涂層反應(yīng)，在SiC涂層表面形成一層納米氮化硅薄膜，氮化硅與硅蒸汽潤濕性能差，吸附在涂層表面容易清理去除。同時(shí)該涂層結(jié)合強(qiáng)度高，且涂層厚度均勻可控。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明所要解決的問題是阻止石墨熱場材料中碳的揮發(fā)，同時(shí)使得揮發(fā)出的硅蒸汽便于清理，提出一種用于石墨熱場表面的SiCVSi3N4復(fù)合涂層及其制備方法。
[0005]為實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的所采用的技術(shù)方案是:提出一種用于石墨熱場表面的SiC/Si3N4復(fù)合涂層，由內(nèi)層SiC層和外層Si3N4薄膜組成，其特征在于SiC層厚度為10-100μπι，Si3N4薄膜厚度為10-100nm。
[0006]本發(fā)明還公開了一種石墨熱場表面制備SiC/Si3N4復(fù)合涂層的方法，其特征在于包括下述順序的步驟:
(1)以石墨發(fā)熱體加熱爐體作為沉積爐，將其抽真空，真空度達(dá)到10Pa以下；
(2)將石墨發(fā)熱體加熱爐內(nèi)溫度升高至900?1200°C，升溫速率為8?12°C/min;
(3)以甲烷作為碳源，四氯化硅作為硅源，將兩種氣體同時(shí)通入石墨發(fā)熱體加熱爐腔內(nèi)，氣體流量根據(jù)爐體尺寸調(diào)節(jié)，甲烷氣體流量為10?100ml/min，四氯化硅氣體流量為10?1001]11/1]1；[11，同時(shí)通入氫氣作為反應(yīng)氣體，流量為100?10001]11/1]1；[11，氬氣作為稀釋氣體，流量為100?1000ml/min，反應(yīng)時(shí)間為10-30h后，停止通入甲燒、四氯化娃、氫氣和氬氣； (4)將石墨發(fā)熱體加熱爐內(nèi)溫度升高至1200?1500°C，升溫速率為I?5°C/min，通入氨氣作為氮源，其流量為10?100ml/min，繼續(xù)沉積I?1h，隨后降溫冷卻，石墨熱場材料表面出現(xiàn)SiC/Si3N4復(fù)合涂層。
[0007]其中:石墨發(fā)熱體加熱爐可為熔煉多晶硅、石英玻璃的加熱爐，提煉單晶硅、單晶鍺、砷化鎵、磷化銦材料的加熱爐。碳素材料部件包括石墨坩禍、石墨熱場材料、炭素保溫材料。反應(yīng)氣體選擇純度為99.999 %以上的高純氫氣。稀釋氣體選擇純度為99.999 %以上的高純氬氣。甲燒氣體純度為99.99 %以上。四氯化娃氣體純度為99.99 %以上。氨氣純度為99.99% 以上。
[0008]本發(fā)明中主要優(yōu)點(diǎn)是:(I)制備涂層質(zhì)量好；(2)涂層制備過程不需要專用化學(xué)氣相沉積設(shè)備，成本低；(3)涂層厚度大且靈活可控;(4)涂層表面吸附的硅質(zhì)易去除。
【附圖說明】
[0009]圖1是石墨熱場表面SiC/Si3N4復(fù)合涂層；
10為石墨熱場基體；20為SiC內(nèi)層;30為Si3N4外層薄膜。
【具體實(shí)施方式】
[0010]下面結(jié)合具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡明本發(fā)明，應(yīng)理解這些實(shí)施例僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的范圍，在閱讀了本發(fā)明之后，本領(lǐng)域技術(shù)人員對(duì)本發(fā)明的各種等價(jià)形式的修改均落于本申請(qǐng)所附權(quán)利要求所限定。
[0011]實(shí)施例一
一種用于石墨熱場表面的SiC/Si3N4復(fù)合涂層，由內(nèi)層SiC層和外層Si3N4薄膜組成，其特征在于SiC層厚度為30ym，Si3N4薄膜厚度為10nm。
[0012]其特征在于包括下述順序的步驟:
(1)以石墨發(fā)熱體加熱爐體作為沉積爐，將其抽真空，真空度達(dá)到80Pa;
(2)將石墨發(fā)熱體加熱爐內(nèi)溫度升高至1100°C，升溫速率為10°C/min;
(3 )以純度為99.999%的甲烷作為碳源，純度為99.999%的四氯化硅作為硅源，將兩種氣體同時(shí)通入直徑為I米的石墨發(fā)熱體多晶娃加熱爐腔內(nèi)，甲燒氣體流量為50ml/min，四氯化硅氣體流量為50ml/min，同時(shí)通入純度為99.9999%的氫氣作為反應(yīng)氣體，流量為500ml/min，純度為99.9999%的氬氣作為稀釋氣體，流量為500ml/min，反應(yīng)時(shí)間為20h后，停止通入甲烷、四氯化硅、氫氣和氬氣；
(4)將石墨發(fā)熱體加熱爐內(nèi)溫度升高至1400°C，升溫速率為3°C/min，通入純度為99.999%的氨氣作為氮源，其流量為50ml/min，繼續(xù)沉積5h，隨后降溫冷卻，石墨熱場材料表面出現(xiàn)SiC/Si3N4復(fù)合涂層。
[0013]實(shí)施例二
一種用于石墨熱場表面的SiC/Si3N4復(fù)合涂層，由內(nèi)層SiC層和外層Si3N4薄膜組成，其特征在于SiC層厚度為50ym，Si3N4薄膜厚度為20nm。
[0014]其特征在于包括下述順序的步驟:
(1)以石墨發(fā)熱體加熱爐體作為沉積爐，將其抽真空，真空度達(dá)到1Pa;
(2)將石墨發(fā)熱體加熱爐內(nèi)溫度升高至1000°C，升溫速率為10°C/min; (3 )以純度為99.999%的甲烷作為碳源，純度為99.999%的四氯化硅作為硅源，將兩種氣體同時(shí)通入直徑為1.5米的石墨發(fā)熱體多晶硅加熱爐腔內(nèi)，甲烷氣體流量為100ml/min，四氯化硅氣體流量為100ml/min，同時(shí)通入純度為99.9999%的氫氣作為反應(yīng)氣體，流量為1000ml/min，純度為99.9999%的氬氣作為稀釋氣體，流量為1000ml/min，反應(yīng)時(shí)間為30h后，停止通入甲烷、四氯化硅、氫氣和氬氣；
(4)將石墨發(fā)熱體加熱爐內(nèi)溫度升高至1300°C，升溫速率為2°C/min，通入純度為99.999%的氨氣作為氮源，其流量為100ml/min，繼續(xù)沉積3h，隨后降溫冷卻，石墨熱場材料表面出現(xiàn)SiC/Si3N4復(fù)合涂層。
[0015]上述僅為本發(fā)明的單個(gè)【具體實(shí)施方式】，但本發(fā)明的設(shè)計(jì)構(gòu)思并不局限于此，凡利用此構(gòu)思對(duì)本發(fā)明進(jìn)行非實(shí)質(zhì)性的改動(dòng)，均應(yīng)屬于侵犯本發(fā)明保護(hù)的范圍的行為。但凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何形式的簡單修改、等同變化與改型，仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的保護(hù)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于石墨熱場表面的復(fù)合涂層，由內(nèi)層SiC層和外層Si3N4薄膜組成，其特征在于SiC層厚度為10-100ym，Si3N4薄膜厚度為lO-lOOnm。2.—種用于石墨熱場表面的復(fù)合涂層的制備方法，其特征在于包括下述順序的步驟: (1)以石墨發(fā)熱體加熱爐體作為沉積爐，將其抽真空，真空度達(dá)到10Pa以下； (2)將石墨發(fā)熱體加熱爐內(nèi)溫度升高至900?1200°C，升溫速率為8?12°C/min; (3)以甲烷作為碳源，四氯化硅作為硅源，將兩種氣體同時(shí)通入石墨發(fā)熱體加熱爐腔內(nèi)，氣體流量根據(jù)爐體尺寸調(diào)節(jié)，甲烷氣體流量為10?100ml/min，四氯化硅氣體流量為10?1001]11/1]1；[11，同時(shí)通入氫氣作為反應(yīng)氣體，流量為100?10001]11/1]1；[11，氬氣作為稀釋氣體，流量為100?1000ml/min，反應(yīng)時(shí)間為10-30h后，停止通入甲燒、四氯化娃、氫氣和氬氣； (4)將石墨發(fā)熱體加熱爐內(nèi)溫度升高至1200?1500°C，升溫速率為I?5°C/min，通入氨氣作為氮源，其流量為10?100ml/min，繼續(xù)沉積I?1h，隨后降溫冷卻，石墨熱場材料表面出現(xiàn)SiC/Si3N4復(fù)合涂層。3.根據(jù)權(quán)利要求書2所述的方法，其特征在于石墨發(fā)熱體加熱爐可為熔煉多晶硅、石英玻璃的加熱爐，提煉單晶硅、單晶鍺、砷化鎵、磷化銦材料的加熱爐。4.根據(jù)權(quán)利要求書2所述的方法，其特征在于碳素材料部件包括石墨坩禍、石墨熱場材料、炭素保溫材料。5.根據(jù)權(quán)利要求書2所述的方法，其特征在于反應(yīng)氣體選擇純度為99.999%以上的高純氫氣。6.根據(jù)權(quán)利要求書2所述的方法，其特征在于稀釋氣體選擇純度為99.999%以上的高純氬氣。7.根據(jù)權(quán)利要求書2所述的方法，其特征在于甲烷氣體純度為99.99%以上。8.根據(jù)權(quán)利要求書2所述的方法，其特征在于四氯化硅氣體純度為99.99%以上。9.根據(jù)權(quán)利要求書2所述的方法，其特征在于氨氣純度為99.99%以上。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種用于石墨熱場表面的復(fù)合涂層，由內(nèi)層SiC層和外層Si3N4薄膜組成，其特征在于SiC層厚度為10-100μm，Si3N4薄膜厚度為10-100nm。其具體制備步驟包括：（1）以石墨發(fā)熱體加熱爐體作為沉積爐，將其抽真空，真空度達(dá)到100Pa以下；（2）將石墨發(fā)熱體加熱爐內(nèi)溫度升高至900～1200℃；（3）以甲烷作為碳源，四氯化硅作為硅源，同時(shí)通入氫氣和氬氣，反應(yīng)時(shí)間為10-30h后，停止通入甲烷、四氯化硅、氫氣和氬氣；（4）將石墨發(fā)熱體加熱爐內(nèi)溫度升高至1200～1500℃，通入氨氣作為氮源，繼續(xù)沉積1～10h，隨后降溫冷卻，石墨熱場材料表面出現(xiàn)SiC/Si3N4復(fù)合涂層。本發(fā)明制備SiC涂層質(zhì)量好，涂層制備過程不需要專用化學(xué)氣相沉積設(shè)備，成本低，涂層厚度大且靈活可控且易于清理。
【IPC分類】C04B41/87, C04B41/89
【公開號(hào)】CN105439645
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510992610
【發(fā)明人】陳照峰, 汪洋
【申請(qǐng)人】蘇州宏久航空防熱材料科技有限公司
【公開日】2016年3月30日
【申請(qǐng)日】2015年12月25日