一种PVT法生长AlN单晶用复合籽晶托的制备方法
【专利摘要】本发明公开了一种PVT法生长AlN单晶用复合籽晶托的制备方法。复合籽晶托为TaC涂层/石墨为基体的耐高温耐腐蚀复合材料，其制备方法为采用双温区CVR法在石墨片上沉积一层致密Ta，并原位碳化生成TaC涂层，即获得TaC涂层/石墨复合籽晶托。采用本方法制备的TaC涂层/石墨复合籽晶托不仅可以长时间经受AlN单晶生长的高温、Al蒸汽强侵蚀性等恶劣环境，克服了传统CVD法制备TaC涂层高温易剥离的现象，还可以预防石墨中碳气氛渗透污染AlN体单晶。TaC涂层/石墨复合籽晶托具有耐高温、耐腐蚀、表面平整易加工等优点，适合用于物理气相传输法生长大尺寸高质量AlN单晶。
【专利说明】—种PVT法生长AIN单晶用复合籽晶托的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及到晶体生长领域，尤其涉及一种PVT法生长AlN单晶用复合籽晶托的制备方法。
【背景技术】
[0002]AlN单晶拥有所有直接带隙半导体材料中最大的禁带宽度(6.2 eV)、最高的击穿场强(1.2X 17 ￥/011)、热导率高(3.4 W/(cm.Κ))、热稳定性和化学稳定性好，在微电子、光电子领域具有广阔的应用前景，已成为国内外的研究热点，备受瞩目。
[0003]物理气相传输法简称PVT法，是氮化铝(AlN)单晶生长的主流方法。由于PVT法生长AlN单晶的温度在2000°C以上，严重限制了籽晶托材质的选取。高熔点金属碳化物(HfC、WC,TaC等)陶瓷、氮化物(HfN、TaN等)陶瓷、AlN陶瓷、热解BN、石墨等都曾作为生长AlN单晶的籽晶托材料。然而高熔点碳化物或氮化物陶瓷的热压烧结温度高，成本高、成品率低，加工成特定形状难度较大且表面平整度不高，影响籽晶粘贴效果及后续晶体生长质量。石墨、热解BN等加工简便，但会不可避免地引入C、B杂质源，而且两者的耐受性较差，在单晶生长完毕后，出现不同程度的腐蚀现象。因此，需要开发一种具有高温腐蚀耐受性，表面平整光滑且易加工的籽晶托的制备方法。
[0004]目前采用CVD法在石墨或碳/碳复合材料基体上可制备无裂纹致密的TaC涂层，其基本原理是利用气态钽源和碳源在100(TC或更高的温度下反应生成TaC，再沉积到石墨或碳/碳复合材料基体或是在基体上预沉积一层或多层的缓冲碳化物涂层，制备无裂纹致密TaC涂层。然而在高温使用过程中基体材料与TaC涂层热膨胀系数的差异，仍会存在涂层部分剥离脱落现象。
【发明内容】
[0005]鉴于现有技术存在的问题和缺陷，本发明为了满足对籽晶托材质提出的高耐受性、表面平整易加工等要求，以及克服传统CVD法制备TaC涂层高温易剥离的现象，特别提出一种PVT法生长AlN单晶用复合籽晶托的制备方法。
[0006]本发明所采用的技术方案是:一种PVT法生长AlN单晶用复合籽晶托的制备方法，其特征在于，采用双温区CVR法在石墨片上沉积一层Ta，并原位碳化生成TaC涂层，获得TaC涂层/石墨复合籽晶托，其步骤如下:
(0.将石墨片放置在双温区CVR反应装置的沉积反应室基座上，将五氯化钽粉体装入双温区CVR反应装置气化室内；
(2).将双温区CVR反应装置抽真空至10_4?10_5mbar；
(3).以50mL/mirT300mL/min的速率充入氢气，双温区CVR反应装置内气压保持在20mbar?150mbar 之间；
(4).加热沉积反应室的石墨片，温度为1800°C?2200°C；
(5).加热气化室的五氯化钽粉体，温度维持在150°C?250°C，用气流量为50mL/min飞OOmL/min的氩气将五氯化钽以气体形式载出，气态五氯化钽与氢气发生还原反应生成钽，并沉积到石墨片表面。
[0007](6).沉积钽与石墨片在1800°C?2200°C温度下发生原位碳化反应，形成一层TaC涂层，即获得TaC涂层/石墨复合材料的籽晶托。
[0008]本发明的基本原理:为获得TaC涂层/石墨复合籽晶托，采用双温区CVR制备技术，CVR制备技术涉及到钽源的气化反应，钽源在一定温度下与氢气发生的还原反应形成钽层，以及被还原的钽层与石墨碳发生的碳化反应。
[0009]本发明所产生的有益效果是:采用本方法制备的TaC涂层/石墨复合籽晶托不仅可以长时间经受AlN单晶生长的高温、Al蒸汽强侵蚀性等恶劣环境，克服了传统CVD法制备TaC涂层高温易剥离的现象，还可以预防石墨中碳气氛渗透污染AlN体单晶。TaC涂层/石墨复合籽晶托具有耐高温、耐腐蚀、表面平整易加工等优点，适合用于物理气相传输法生长大尺寸闻质量AlN单晶。
【专利附图】
【附图说明】
[0010]图1为AlN单晶生长示意图；
图2为双温区CVR反应装置示意图；
图3为复合籽晶托TaC涂层的XRD图。
【具体实施方式】
[0011]以下结合附图和实施例对本发明作进一步说明:
本方法采用的石墨片纯度> 99.99% ;密度> 1.79 g/cm3 ;装入气化室的五氯化钽粉体纯度彡99.9%。双温区CVR反应装置中的双温区为:气化室4为第一温区；沉积反应室5为第二温区。第一温区的加热方式采用电阻丝加热，第二温区的加热方式采用感应加热。双温区CVR反应装置配备有进气系统6和尾气处理系统7，如图2所示。
[0012]实施例:
(I)采用高纯高密(纯度彡99.99%;密度彡1.79 g/cm3)石墨加工成直径3英寸，厚度1mm的圆片，放置在双温区CVR反应装置的沉积反应室5的基座上；将1g五氯化钽粉体装入双温区CVR反应装置的气化室4内(气化室体积为050mmX 50mm，一般情况下装入五氯化钽粉体为5?25g)。
[0013](2)双温区CVR反应装置抽真空至5X 10_4mbar以下。
[0014](3)以100 mL/min的速率充入氢气，使整个过程中双温区CVR反应装置内的气压保持在10mbar。
[0015](4)感应加热沉积反应室的石墨基座及石墨圆片，设定加热沉积反应室温度为2000。。。
[0016](5)电阻丝加热气化室，温度维持在180°C，用气流量为100mL/min的氩气将五氯化钽以气体形式载出，气态五氯化钽与氢气发生还原反应生成钽，并沉积到石墨圆片表面，沉积时间为lOh。
[0017](6)石墨圆片在2000°C温度下与沉积钽发生原位碳化反应,形成一层10 μ m厚的致密TaC涂层，即获得TaC涂层/石墨复合材料的籽晶托。
[0018]经检测，采用本方法制备的复合籽晶托I表面平整光滑，在AlN单晶生长过程中，籽晶2粘贴在复合籽晶托I上，由于复合籽晶托I具有耐高温、耐腐蚀性和稳定性高的特点，可生长出高质量的AlN单晶3,如图1所示。
[0019]经本发明制备的TaC涂层的X射线衍射图如图3所示，从图中可以看出TaC涂层具有(111)、(200)、(220)、(311)和(222)的特征衍射峰，结晶特性良好，无其它杂质相。
【权利要求】
1.一种？VI法生长八故单晶用复合籽晶托的制备方法，其特征在于，采用双温区…尺法在石墨片上沉积一层％，并原位碳化生成涂层，获得涂层/石墨复合籽晶托，其步骤如下: (1).将石墨片放置在双温区…!?反应装置的沉积反应室基座上，将五氯化钽粉体装入双温区…!?反应装置气化室内； (2).将双温区…!?反应装置抽真空至10—4?10—5池31~； (3).以5011117111111?30011117111111的速率充入氢气，双温区…!?反应装置内气压保持在20111)331'?150111)331'之间； (4).加热沉积反应室的石墨片，温度为18001?22001； (5).加热气化室的五氯化钽粉体，温度维持在1501?2501，用气流量为501111/111111^500^111的氩气将五氯化钽以气体形式载出，气态五氯化钽与氢气发生还原反应生成钽，并沉积到石墨片表面； (6).石墨片在18001?22001温度下与沉积钽发生原位碳化反应，形成一层涂层，即获得涂层/石墨复合材料的籽晶托。
2.根据权利要求1所述的一种法生长八故单晶用复合籽晶托的制备方法，其特征在于，所述的石墨片纯度? 99.99% ；密度? 1.79；装入气化室的五氯化钽粉体纯度彡 99.9%。
3.根据权利要求1所述的一种法生长八故单晶用复合籽晶托的制备方法，其特征在于，所述的双温区…!?反应装置中的双温区为:气化室为第一温区；沉积反应室为第二温区。
4.根据权利要求3所述的一种法生长八故单晶用复合籽晶托的制备方法，其特征在于，第一温区的加热方式采用电阻丝加热，第二温区的加热方式采用感应加热。
【文档编号】C30B23/00GK104451886SQ201410774970
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年12月16日 优先权日:2014年12月16日
【发明者】张丽, 齐海涛, 史月增, 程红娟, 徐永宽 申请人:中国电子科技集团公司第四十六研究所