[发明专利]石墨热场表面制备SiC/Si/Si3N4涂层的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备涂层的方法，特别是涉及一种石墨热场表面制备SiC/Si/Si₃N₄复合涂层的方法。

背景技术

石墨材料的缺点是碳原子在高温下持续挥发，带来两个负面影响：一是碳原子扩散进晶圆，造成晶圆品质下降；二是石墨表面产生大量腐蚀坑，服役寿命减小。目前，随着晶圆产业规模急剧扩大，在太阳能光伏行业中，提高品质、降低成本已成为产业发展的关键，迫切要求延长石墨热场材料服役时间。作为一种航空航天涂层材料，纳米碳化硅涂层新材料导热系数高、热膨胀系数小、碳扩散系数小、化学性能稳定、耐磨损性能好，具有耐高温、抗热震、抗蠕变、抗氧化的优点。在航空航天领域，碳化硅涂层已经被用作碳材料和炭/炭复合材料的高温涂层，抵抗2500-3000℃的燃气流，表现出优良的抗氧化、抗烧蚀特征。将SiC涂层应用到半导体工业中晶圆生长炉内的石墨发热体等碳素材料，有望将晶圆品质提高3～5倍，石墨核心部件的寿命提高6～10倍，企业经济效益能显著提升。

目前制备碳化硅涂层的方法主要有：涂刷法，反应烧结法，化学气相沉积法，热喷涂法等。但这些方法成本较高，且制备的SiC涂层结合力较弱有的收到设备的限制，不宜在大型构件上制备。“申请号为201210268835.6的中国发明专利”公开了一种石墨发热体加热炉内碳素材料表面直接沉积SiC涂层的方法。该方法是将三氯甲基硅烷，氢气和氩气通入反应炉内直接在碳素材料部件表面沉积SiC。此方法制备的SiC涂层质均匀，对于复杂构建也可沉积到，且涂层灵活可控，但是由于涂层与石墨基体界面无反应，仅仅依靠机械咬合，导致涂层与基体之间结合强度低，涂层容易脱落，同时由于碳化硅层与炉内中的硅蒸汽润湿性好，硅质易于吸附在碳化硅层表面，不易清除。本发明克服上述缺陷，利用所沉积的硅层在高温下与基体碳原位反应生成SiC涂层，同时利用硅在高温下与氮气反应生成氮化硅层，氮化硅与硅蒸汽润湿性能差，吸附在涂层表面容易清理去除。同时该涂层结合强度高，且涂层厚度均匀可控。

发明内容

本发明所要解决的问题是提出一种石墨热场表面制备SiC/Si/Si₃N₄复合涂层的方法。

操作过程：一种石墨热场表面制备SiC/Si/Si₃N₄复合涂层的方法，其特征在于包括下述顺序的步骤：

（1）以石墨发热体加热炉体作为沉积炉，将其抽真空，真空度达到100Pa以下；

（2）将石墨发热体加热炉内温度升高至900～1200℃，升温速率为8～12℃/min；

（3）以四氯化硅作为硅源，通过四氯化硅溶液挥发出的四氯化硅气体带入石墨发热体加热炉腔内，气体流量根据炉体尺寸调节，流量为10～60ml/min，同时以氢气为反应气，流量为100～1000ml/min，氩气作为稀释气体，流量为100～1000ml/min，保持加热炉腔内压力为1×10²～10⁵Pa，沉积10～30h；

（4）将石墨发热体加热炉内温度升高至1250-1600℃，升温速率为1～5℃/min；

（5）向炉内通入氮气，流量为100～1000ml/min，保温5-10h，冷却降温后，石墨热场材料表面出现SiC/Si/Si₃N₄复合涂层。

其中：石墨发热体加热炉可为熔炼多晶硅、石英玻璃的加热炉，提炼单晶硅、单晶锗、砷化镓、磷化铟材料的加热炉。碳素材料部件包括石墨坩埚、石墨热场材料、炭素保温材料。反应气体选择纯度为99.999％以上的高纯氢气。稀释气体选择纯度为99.999％以上的高纯氩气。氮气选择纯度为99.999％以上的高纯氮气。

本发明中主要优点是：(1)制备涂层质量好；(2)涂层制备过程不需要专用化学气相沉积设备，成本低；(3)涂层厚度大且灵活可控；（4）涂层表面吸附的硅质易去除。

附图说明

图1是石墨热场表面SiC/Si/Si₃N₄复合涂层;

10为石墨热场基体；20为SiC内层；30为Si中间；40为Si₃N₄外层。

具体实施方式