[发明专利]一种超高温度下使用的复合型坩埚的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及在单晶生长工艺中使用的坩埚的制备方法，特别涉及一种超高温度下使用的复合型坩埚的制备方法。

背景技术

氮化铝（AlN）单晶材料是一种研制新型大功率微波器件和短波长光电器件的极为理想的衬底材料，但目前还很难得到AlN体单晶材料。AlN理论计算熔点为2800℃, 离解压力为20MPa，因此难以像Si和GaAs一样采用熔体直拉法或温度梯度凝固法技术来生长单晶。目前比较有希望的方法之一为PVT（Physical Vapor Transport，物理气相传输）法。AlN 的PVT法生长原理是通过高纯AlN粉末在高温源区处升华分解，通过生长腔内的物质输运过程，在低温籽晶处凝结，进而形成单晶的生长过程。采用PVT法制备AlN单晶中存在诸多技术难点。其中，选择高温稳定、致密、耐用、合适的坩埚材料是AlN晶体生长技术的重要课题之一。AlN的生长温度很高（2100～2300℃），并存在高腐蚀性的Al蒸汽。一般的坩埚和保温材料可能与源料反应（比如氮和AlN粉末），同时也可能从坩埚或保温材料引入杂质到晶体中，形成生长缺陷。因此，坩埚材料的选择相当重要，需要具有以下特征：1、材料熔点必须高于2500℃；2、不可形成低熔点的Al、N、C共熔物；3、不应与Al蒸汽或氮气反应；4、蒸汽压应远低于AlN的Al和氮气蒸汽压；5、尽可能长的使用寿命。

钽是稀有高熔点金属，熔点 2996℃，导热系数54W/(M·K)（25℃），线膨胀系数6.5×10^-6（0~100℃）。钽的韧性强，具有良好的延展性，不易破碎。钽主要作为耐热高强度材料，在高温真空炉中，可作为支撑附件、热屏蔽、加热器和散热片等。钽在高温下将与氮气反应生成氮化钽，将与Al蒸汽反应生成低熔点共晶，引起表面裂纹，一次或数次使用后会造成钽坩埚开裂而报废。

碳化坦有很高的化学稳定性和良好的高温性能，熔点3875℃，沸点5500℃，可耐3800℃以下的高温。高温基本不与氮气发生反应。硬度可与金刚石相嫣美。并对抑制晶粒长大有明显效果。但是碳化坦材料脆性大，在高低温的冲击下极易开裂。

由钽和碳化坦构成的复合型坩埚将充分利用钽和碳化坦两者的性能优势，又能克服两者在应用方面的缺点，因此，可为研发AlN晶体生长所需的高适应性的坩埚，以满足物理气相传输法生长晶体材料（特别对于氮化铝晶体）对超高温耐受性坩埚的要求。

发明内容

本发明的目的是为了满足物理气相传输法生长晶体材料（特别对于氮化铝晶体）对超高温耐受性坩埚的要求，特别提供一种钽坩埚通过两步烧制过程获得碳化钽－钽－碳化坦三层复合型坩埚的制备方法，该复合型坩埚既有很好的强度，抗高低温冲击，不宜开裂，又具有对高温Al蒸汽、氮气或其它气氛的抗蚀能力，成为AlN或其它晶体超高温生长适用的坩埚。

为了达到上述目的，本发明采取的技术方案是：一种超高温度下使用的复合型坩埚的制备方法，其特征是，该方法依照以下步骤进行：

（A）.钽坩埚预处理：将钽坩埚浸泡在硫酸溶液中，视钽坩埚表面洁净程度，在硫酸溶液煮沸状态下浸泡30～120分钟，冷却后冲洗、吹干；

（B）.坩埚组件组装：将钽坩埚放置在石墨坩埚内，钽坩埚内再放置石墨杯，石墨坩埚、钽坩埚、石墨杯三者间隙填充碳基材料，石墨坩埚外围包裹保温套，保温套上预留上下两个红外高温计视孔；

（C）.装炉碳化：将组装好的坩埚组件移入感应加热炉，抽真空、充氩气、升温，监测石墨坩埚上部和底部温度，控制石墨坩埚上部温度在2100～2250℃之间，压力在20～200mbar之间，恒温时间在10～50小时之间，然后降温至室温；

（D）.去除碳基材料：降温后，从炉内取出碳化后的坩埚组件，将石墨杯取出，去除碳基材料后，再将石墨坩埚、钽坩埚和保温套重新组装； 

（E）.退火热处理：将重新组装的坩埚组件移入感应加热炉，抽真空、充氩气、升温，监测石墨坩埚上部和底部温度，控制石墨坩埚上部温度在2000～2200℃之间，压力在20～500mbar之间，恒温时间在5～30小时之间，然后降温至室温；

（F）.清洗干燥：降温后，从炉中取出热处理后的坩埚组件，将钽坩埚取出，进行清洗并吹干，即制备出碳化钽－钽－碳化坦三层复合型结构的坩埚。

制备复合型坩埚的作用原理：在高温、低压、惰性气体环境下，碳基材料挥发，碳与钽坩埚表面的钽发生化学反应，生成致密碳化坦表面层，反应时间越长，碳化坦层越厚。