一種石墨熱場(chǎng)表面制備SiC涂層的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001 ]本發(fā)明涉及一種制備SiC涂層的方法，特別是涉及一種石墨熱場(chǎng)表面制備梯度SiC涂層的方法。
【背景技術(shù)】
[0002]石墨具有優(yōu)良的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能，高溫強(qiáng)度好，在特種工業(yè)爐中常用石墨作為發(fā)熱體。隨著半導(dǎo)體工業(yè)的全面發(fā)展，提煉單晶硅，單晶鍺，砷化鎵、磷化銦等材料的加熱爐選擇特種石墨作發(fā)熱體，一些特殊的工業(yè)爐和實(shí)驗(yàn)爐用炭布或石墨布作發(fā)熱體。除了石墨發(fā)熱體以外，石墨坩禍，炭素保溫材料等碳素材料在特種工業(yè)爐中大量使用，尤其是在半導(dǎo)體工業(yè)中的晶圓生長(zhǎng)爐中。碳素材料核心部件損耗占用晶圓制造成本很高比例，碳石墨材料部件用量極大，且屬于易耗件，這也是晶圓制造成本很難降低的原因之一。石墨材料的缺點(diǎn)是碳原子在高溫下持續(xù)揮發(fā)，帶來(lái)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(yáng)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(zhǎng)石墨熱場(chǎng)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SiC涂層應(yīng)用到半導(dǎo)體工業(yè)中晶圓生長(zhǎng)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?10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。“申請(qǐng)?zhí)枮?01210268835.6的中國(guó)發(fā)明專利”公開(kāi)了一種石墨發(fā)熱體加熱爐內(nèi)碳素材料表面直接沉積SiC涂層的方法。該方法是將三氯甲基硅烷，氫氣和氬氣通入反應(yīng)爐內(nèi)直接在碳素材料部件表面沉積SiC。此方法制備的SiC涂層質(zhì)均勻，對(duì)于復(fù)雜構(gòu)建也可沉積到，且涂層靈活可控，但是由于碳化硅涂層與石墨基體熱膨脹系數(shù)差別較大，涂層結(jié)合強(qiáng)度低，多次使用后涂層容易脫落。本發(fā)明克服上述缺陷，先在石墨熱場(chǎng)材料基體上線沉積一層熱解碳層，然后制備的碳化硅涂層呈梯度分布，能夠有效緩解涂層與基體石墨的熱膨脹系數(shù)的差別。所制備的涂層結(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(wèn)題是提出一種石墨發(fā)熱體加熱爐內(nèi)碳素材料表面制備梯度Si C涂層的方法。
[0005]操作過(guò)程:一種石墨熱場(chǎng)表面制備梯度SiC涂層的方法，其特征在于包括下述順序的步驟:
(I)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 )將甲烷通入石墨發(fā)熱體加熱爐腔內(nèi)，氣體流量根據(jù)爐體尺寸調(diào)節(jié)，流量為1?100ml/min，同時(shí)通入氫氣作為反應(yīng)氣體，流量為100?1000ml/min，氬氣作為稀釋氣體，流量為100?1000ml/min，反應(yīng)時(shí)間為1-1Oh;
(4)保持甲烷、氫氣和氬氣流量不變，繼續(xù)通入四氯化硅氣體，其流量與甲烷氣體流量比從1:4逐漸升高到1:1，依次形成25%碳化硅-75%碳復(fù)合涂層、50%碳化硅-50%碳復(fù)合涂層、75%碳化硅-25%碳復(fù)合涂層、100%碳化硅涂層，保持加熱爐腔內(nèi)壓力為I X 12-1O5Pa，待氣體流量穩(wěn)定后，繼續(xù)沉積10?30h，隨后降溫冷卻，石墨熱場(chǎng)材料表面出現(xiàn)SiC涂層。
[0006]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(chǎng)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。
[0007]本發(fā)明中主要優(yōu)點(diǎn)是:(I)制備SiC涂層質(zhì)量好，與基體的結(jié)合力高；(2)涂層制備過(guò)程不需要專用化學(xué)氣相沉積設(shè)備，成本低；(3)涂層均勻且厚度靈活可控。
【具體實(shí)施方式】
[0008]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(shuō)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。
[0009]實(shí)施例一
一種石墨熱場(chǎng)表面制備梯度SiC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)將甲烷通入直徑為I米石墨發(fā)熱體加熱爐腔內(nèi)，流量為50ml/min，同時(shí)通入純度為99.9999 %的氫氣，流量為500ml/min，純度為99.9999 %氬氣作為稀釋氣體，流量為500ml/min，反應(yīng)時(shí)間為3h;
(4)保持甲烷、氫氣和氬氣流量不變，繼續(xù)通入四氯化硅氣體，其流量與甲烷氣體流量比從1:4逐漸升高到1:1，保持加熱爐腔內(nèi)壓力為I X 13Pa,待氣體流量穩(wěn)定后，繼續(xù)沉積20h，隨后降溫冷卻，石墨熱場(chǎng)材料表面出現(xiàn)SiC涂層。
[0010]實(shí)施例二
一種石墨熱場(chǎng)表面制備梯度SiC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50Pa;
(2)將石墨發(fā)熱體加熱爐內(nèi)溫度升高至1150°C，升溫速率為10°C/min;
(3)將甲烷通入直徑為1.5米石墨發(fā)熱體加熱爐腔內(nèi)，流量為100ml/min，同時(shí)通入純度為99.9999%氫氣，流量為1000ml/min，純度為99.9999%氬氣作為稀釋氣體，流量為1000ml/min，反應(yīng)時(shí)間為5h;
(4)保持甲烷、氫氣和氬氣流量不變，繼續(xù)通入四氯化硅氣體，其流量與甲烷氣體流量比從1:4逐漸升高到1:1，保持加熱爐腔內(nèi)壓力為I X 13Pa,待氣體流量穩(wěn)定后，繼續(xù)沉積30h，隨后降溫冷卻，石墨熱場(chǎng)材料表面出現(xiàn)SiC涂層。
[0011]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(jiǎn)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)】
1.一種石墨熱場(chǎng)表面制備梯度SiC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 )將甲烷通入石墨發(fā)熱體加熱爐腔內(nèi)，氣體流量根據(jù)爐體尺寸調(diào)節(jié)，流量為1?100ml/min，同時(shí)氫氣作為反應(yīng)氣體，流量為100?1000ml/min，氬氣作為稀釋氣體，流量為100 ?1000ml/min，反應(yīng)時(shí)間為 1-1Oh; (4)保持甲烷、氫氣和氬氣流量不變，繼續(xù)通入四氯化硅氣體，其流量與甲烷氣體流量比從1:4逐漸升高到1:1，依次形成25%碳化硅-75%碳復(fù)合涂層、50%碳化硅-50%碳復(fù)合涂層、75%碳化硅-25%碳復(fù)合涂層、100%碳化硅涂層，保持加熱爐腔內(nèi)壓力為I X 12-1O5Pa，待氣體流量穩(wěn)定后，繼續(xù)沉積10?30h，隨后降溫冷卻，石墨熱場(chǎng)材料表面出現(xiàn)SiC涂層。2.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)I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。3.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)I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(chǎng)材料、炭素保溫材料。4.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)I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。5.根據(jù)權(quán)利要求書(shū)I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。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種石墨熱場(chǎng)表面制備梯度SiC涂層的方法，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）將甲烷通入石墨發(fā)熱體加熱爐腔內(nèi)，氣體流量根據(jù)爐體尺寸調(diào)節(jié)，同時(shí)通入氫氣，氬氣，反應(yīng)時(shí)間為1-10h；（4）通入四氯化硅氣體，其流量與甲烷氣體流量比從1:4逐漸升高到1:1，依次形成25%碳化硅-75%碳復(fù)合涂層、50%碳化硅-50%碳復(fù)合涂層、75%碳化硅-25%碳復(fù)合涂層、100%碳化硅涂層，繼續(xù)沉積10～30h，隨后降溫冷卻，石墨熱場(chǎng)材料表面出現(xiàn)SiC涂層。本發(fā)明制備SiC涂層質(zhì)量好，涂層制備過(guò)程不需要專用化學(xué)氣相沉積設(shè)備，成本低，涂層均勻且厚度靈活可控。
【IPC分類】C04B41/85
【公開(kāi)號(hào)】CN105503266
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510986408
【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(kāi)日】2016年4月20日
【申請(qǐng)日】2015年12月25日