[发明专利]一种复合材料坩埚及其制备方法

说明书

本发明公开了一种复合材料坩埚及其制备方法，复合材料坩埚包括碳‑碳复合材料基体和设置在碳‑碳复合材料基体表面的涂层；碳‑碳复合材料基体的密度从底部至顶部依次递减；涂层包括石墨化热解碳‑碳纤维层、石墨化热解碳层和高温热解石墨层。制备方法包括：（1）制作碳纤维预制体；（2）对碳纤维预制体进行增密和定型处理，得到中间体；（3）在中间体表面沉积石墨化热解碳‑碳纤维层和石墨化热解碳层；（4）纯化；（5）在中间体表面沉积高温热解石墨层，即得到复合材料坩埚。本发明的复合材料坩埚能促进坩埚提供梯度温度场，适合于采用PVT法制备SiC单晶的制备工艺。

技术领域

本发明涉及炭复合材料领域，具体涉及一种复合材料坩埚及其制备方法。

背景技术

随着科学技术的进步，对半导体材料提出了更高的要求，需要耐更高温，大功率，高频率以及其他化学性能的新一代半导体材料，而碳化硅（SiC）等第三代半导体材料能满足这些要求，受到了广泛的关注与研究。碳化硅单晶具有良好的高温整流特性和较高的抗幅射性，也具有良好的温差电效应、光电效应、场致发光以及电子发射等珍贵性能。SiC晶体材料既可以作为导电型衬底材料也可以作为半绝缘型的衬底材料。SiC的宽带隙性能可以应用在抗辐射器件、蓝光LED、激光二极管以及超低漏电流器件等；和GaN、AlN晶格失配低，适合于作为它们的衬底材料；其高击穿电场强度可以应用在高压大功率开关二极管、电力电子器件、IC高密度封装以及空间应用的大功率器件等；其高导热率能提高器件的散热性能，同时也能提高器件的集成密度。

目前，物理气相传输法 (Physical Vapor Transport-PVT)是目前较为成熟的大尺寸SiC晶体生长技术，即将SiC晶片贴在石墨坩埚盖上用作籽晶，石墨坩埚内装有作为生长原料的SiC粉末，生长温度控制在2273K到2773K之间，生长原料分解成气相组分后在石墨坩埚内部轴向温度梯度的驱动下输运到籽晶处结晶生长SiC晶体。然而，采用PVT法制备SiC晶体过程中，微管缺陷、多晶体共生缺陷的存在将严重影响大尺寸SiC单晶衬底的性能，温度场的分布在PVT法生长SiC晶体的过程中具有至关重要的作用。不同SiC多型的形核能很接近，需要对生长条件进行严格的控制，防止出现多型共生缺陷的产生。宋生等[33]通过试验发现，6H-SiC晶体更易于生长，生长过程中也更稳定，稳定生长的温度范围较大，相比之下4H-SiC的晶体生长则更艰难，温度生长的温度范围很小。在较大的温度梯度条件下，包裹体缺陷更易于形成，因为温度梯度大就质量传输快；而较小的温度梯度则不能满足PVT法质量传输的要求。同时坩埚盖直径方向的温度梯度是晶体向大尺寸发展的关键。所以轴向和直径方向的温度都需要有一个较适宜的取值区间。晶体的生长速率跟温度场有关，每个生长面的生长速率不同，有研究者通过试验发现11-20方向的生长速率大于1-100方向。PVT法SiC晶体生长过程中温度起伏等不稳定因素会引起局部生长条件偏离，因此实现PVT生长室的热场稳定分布、并生长出无微管缺陷的SiC单晶是科学研究发展的重点。

采用PVT法制备SiC晶体过程中，包裹体缺陷也是影响SiC衬底性能另一主要缺陷。有研究学者研究表明气相中的Si/C元素比的偏离是引起碳包裹体缺陷的主要原因。在生长初期的籽晶石墨化会导致碳包裹物的出现，SiC原料的石墨化是不可避免的，因为富Si相更易于汽化而离开籽晶，这些富Si相会和石墨坩埚或其他石墨元素进行反应，随之而来的结果是相对低的硅分压就会在生长前沿形成。还有其他研究表明碳包裹物的形成不是源于Si的缺失，而多余的 Si 对石墨坩埚的强烈腐蚀是导致碳包裹物缺陷形成的主要原因，也就是说原料的石墨化以及对坩埚的腐蚀带来的碳颗粒是引起SiC单晶中碳包裹物出现的原因。