专利名称：热解氮化硼板材的制备方法及该方法所用的气相沉积炉的制作方法
技术领域：
本发明属于特种陶瓷材料制备技术领域，具体涉及一种热解氮化硼板材的制备方法，并且还涉及该方法所用的气相沉积炉。
背景技术：
热解氮化硼(简称PBN)，由于其具有并不限于的以下长处纯度高、无毒、易加工和较高的高温纯度；耐酸、耐碱、耐盐和耐有机溶剂；在高温下与绝大多数熔融金属、半导体材料不润湿、不反应；电绝缘性能好和高温下无杂质挥发；抗热震性优异、热导性好和热膨胀系数低；电阻高、介电强度高、介电常数小、磁损耗正切低并且具有良好的透微波和红外线性能，等等。因此被用作半导体单晶及III-V族化合物合成用的坩埚、基座；原位合成 GaAs (砷化镓(磷化铟)、GaP (磷化镓)单晶的液封直拉(LEC)法系列坩埚；分子束外延(MBE)用的系列坩埚；VGF (垂直梯度凝固法)、VB (垂直布氏)法系列坩埚；PBN/PG (热解氮化硼/热解石墨)复合加热器涂层；高温绝缘流体喷嘴；石墨加热器绝缘涂层；MOCVD (金属有机化学气相沉积)系统绝缘板；异形坩埚及异形石墨件涂层；晶片退火工艺用复合加热
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^fr，-T^ O关于热解氮化硼及其制备的技术信息在已公开的中国专利文献已有见诸，典型发明专利申请公布号CN102021533A(制备热解氮化硼制品用的化学气相沉积工艺及气相沉积炉)，该专利申请方案得到的氮化硼制品为坩埚。热解氮化硼坩埚和板材的发展与所使用的工艺有着密不可分的关系，由于初期的坩埚尺寸较小，因此所需的盖板与绝缘环也比较小。随着LEC法的发展，坩埚尺寸显著增大，气相沉积炉的进气口也随之变化，由单进气口变成双进气口或多进气口。不同进气情况所制备的热解氮化硼板材的外观不同。由于单进气口为中心进气，因此如果模具不转动，那么板材会出现中间厚(中心厚)而周边薄，并且周边的厚度也是不均勻的。如果模具转动， 那么也仅能改善板材的周边的均勻性，中间与周边的厚薄差异并不能得到有效改善，即，整体外观并不能得到有效提升，残余应力大，容易开裂(大都表现为中间开裂)，有时在尚未脱模时即开裂，有时在脱离模具后便开裂。双进气口通常有两种情形，一是位置固定的中心进气口(也称主进气口)加侧进气口(或称辅助进气口)；二是根据需要而可改变位置的双进气口，在该双进气口情况下板材出现两种状况前者，生产出的材材犹如投石于水中所引起的波纹模样，表现出中心厚的大圆，接着是下凹的环，接着又是凸起环，如此循环直至周边；后者生产出的板材表现出中心下凹，又有波纹状交叉，随之凸起又下凹。尽管双进气口的残余应力比单进气口要好得多，但是所得到的板材的表面都是不平整的。要想获得平整度理想的热解氮化硼板材，则必须进行后续的并且复杂的机械加工，例如进行较为烦琐的车削和研磨。然而，在对热解氮化硼板材作平整度加工的过程中，因残余应力的释放而致使炸裂的几率较高，既影响产品的成品率，又提高了制备成本。或许基于上述情形，目前我国对于诸如MOCVD (金属有机化合物化学气相沉积)设备所用的大规格的热解氮化硼板材仍主要依赖进口，因此有必要从产业自主的角度出发，加以创新，为此本申请人作了积极而有益的探索，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。
发明内容
本发明的任务在于提供一种有助于保障表面平整度、有利于显著减小残余应力和有益于提高合格率的热解氮化硼板材的制备方法。本发明的另一任务在于提供一种热解氮化硼板材的制备方法所用的气相沉积炉， 该气相沉积炉能保障所述热解氮化硼板材的技术效果的全面体现。本发明的任务是这样来完成的，一种热解氮化硼板材的制备方法，该方法采用具有进气机构并且在炉内设置有旋转的模具的气相沉积炉，原料气体为N2、NH3和BCl3的混合气体，其中N2、NH3和BCl3气体的mol比为30-10 10-1 8-0. 5，气相沉积炉的炉温为 1700 2000°C，保温时间为1446h，所述的旋转模具在所述的气相沉积炉内呈倾斜设置。在本发明的一个具体的实施例中，所述倾斜设置的倾斜角度为与水平成10-20°。本发明的另一任务是这样来完成的，一种热解氮化硼板材的制备方法所用的气相沉积炉，包括一炉体，该炉体以腾空状态支承于一组支脚上，并且炉体具有一第一冷却水套，在该第一冷却水套上配接有一第一进水接口和一第一出水接口 ；一炉盖，该炉盖具有一第二冷却水套，在该第二冷却水套上配接有一第二进水接口和一第二出水接口，并且在炉盖的中央延接有一排气筒，在该排气筒上连接有一排气管；一具有模具腔的石墨筒体，该石墨筒体设置在炉体的炉体腔内，并且该石墨筒体的上部配有一石墨筒体盖，该石墨筒体盖的中央并且朝向所述炉盖的方向延伸有一与炉盖相固定的气体引出套，该气体引出套的气体引出套腔与排气筒的排气筒腔相通并且还与所述的模具腔相通，在石墨筒体的外壁上设置有电磁加热线圈，而在石墨筒体的模具腔的底部均勻分布有三至八个进气口 ；一模具旋转机构，该模具旋转机构设置在所述的炉盖上；一主轴，该主轴的上端依次途经所述的气体引出套腔和排气筒腔与所述的模具旋转机构连接，而下端伸展到所述模具腔内并且固定有一旋转盘；一模具，该模具对应于所述旋转盘的下方，与所述主轴倾斜连接并且还通过连接柱与旋转盘连接；数量与所述进气口的数量相等的用于向所述模具腔内引入原料气体的一组进气机构，各进气机构与所述炉体固定，并且与进气口相对应。在本发明的另一个具体的实施例中，所述的第一冷却水套的内壁上并且位于内壁的下方间隔开设有一组过渡孔，过渡孔与构成于所述炉体的底部的冷却隔套腔相通。在本发明的又一个具体的实施例中，所述的第一进水接口和所述的第一出水接口彼此呈对角设置，其中，第一进水接口位于所述炉体的下侧部，而第一出水接口位于炉体的上侧部。在本发明的再一个具体的实施例中，在所述的炉体的内壁设有炉体内衬层，所述的炉盖的内壁设有炉盖内衬层，炉体内衬层和炉盖内衬层为耐火泥或耐火砖。在本发明的还有一个具体的实施例中，所述的炉盖通过一组间隔设置的卡掣件与所述炉体相配合。在本发明的更而一个具体的实施例中，所述的模具旋转机构包括电机、减速机、第一伞齿轮和第二伞齿轮，电机与减速机相配接并且由减速机连同电机固定在减速机支承架上，而减速机支承架固定在所述的炉盖上，第一伞齿轮固定在减速机的减速机末级动力输出轴上，并且与第二伞齿轮相啮合，而第二伞齿轮固定在所述主轴的上端，主轴的上端转动地支承在轴承座上，而轴承座固定在所述的排气筒上。在本发明的进而一个具体的实施例中，所述模具与所述主轴倾斜连接的倾斜度为 10-25°，并且模具为石墨模具。在本发明的又更而一个具体的实施例中，所述一组进气机构各包括具有三个同心圆出气口的出气管和配接在出气管上的数量与同心圆出气口相等的原料气引入管，出气管与所述炉体固定，同心圆出气口与所述进气口相对应。本发明提供的技术方案由于将旋转的模具在气沉积炉内呈斜设置，从而能使原料气体沿倾斜角度向上偏流，在流动过程中将沟槽填平，使得到的热解氮化硼板材表面平整， 有利于显著减小残余应力和提高合格率；提供的沉积炉结构简单，能保障热解氮化硼板材的所述技术效果的全面体现。
图1为本发明方法所用的气相沉积炉的实施例结构图。图2为图1的剖视图。
具体实施例方式为了使专利局的审查员尤其是公众能够更加清楚地理解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面以实施例的方式作详细说明，但是对实施例的描述均不是对本发明方案的限制，任何依据本发明构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本发明的技术方案范畴。实施例1
请见图1和图2，本发明方法所用的并且由图1和图2所示的气相沉积炉包括一炉体 1以腾空状态固定在一组支脚14上，该炉体1的周壁上构成有一第一冷却水套11，并且在炉体1的底部构成有一冷却隔套腔12，在炉体1的内壁设有炉体内衬层13，炉体内衬层13 的材料为碳碳复合材料。在第一冷却水套11上连接有一第一进水接口 111和一第一出水接口 112，第一进水接口 111和第一出水接口 112彼此呈对角设置，其中进水接口 111位于炉体1的下部的侧壁上，而第一出水接口 112位于炉体1的上部的侧壁上。在第一冷却水套11的内壁的下部间隔开设有一组过渡孔113，过渡孔113与冷却隔套腔12相通。一炉盖2通过一组卡掣件M (也可称快速锁扣件)与炉体1的上部相配合，在该炉盖2上构成有一第二冷却水套21，在第二冷却水套21上配接有一第二进水接口 211和一第二出水接口 212，第二进水接口 211与第二出水接口 212在第二冷却水套21的圆周方向彼此间隔180°。在炉盖2的中央延接有一排气筒22，在排气筒22连接有一排气管221，并且在炉盖2的内壁设置有炉盖内衬层23，炉盖内衬层23为耐火砖或耐火泥。一石墨筒体3设置在炉体1的炉体腔(也可称炉膛)内，该石墨筒体3具有模具腔 31 (该模具腔31也可称沉积室)，在石墨筒体3的外壁设置有电磁加热线圈33，模具腔31 的底部均布有三个至八个进气口 311，在石墨筒体3的上部配有一石墨筒体盖32，在石墨筒体盖32朝向前述的炉盖2的一侧并且居于中央位置延伸有一气体引出套321，该气体引出套321的气体引出套腔3211与前述排气筒22的排气筒腔222相通，出自模具腔31内的气体依次经气体引出套腔3211和排气筒腔222，直至由前述的排气管221引出。一模具旋转机构4包括电机41、减速机42、第一伞齿轮43和第二伞齿轮44，电机 41与减速机42传动配接，并且由减速机42连同电机41安装在减速机支承架422上，而减速机支承架422固定在前述的炉盖2上，第一伞齿轮43固定在减速机42的减速机末级动力输出轴421上，并且与第二伞齿轮44相啮合，而第二伞齿轮44固定在主轴5的上端，主轴5的上端转动地支承在轴承座52上，轴承座52固定在排气筒22的筒口部位。主轴5的下端途经排气筒腔222和气体引出套腔3211伸展到模具腔31内并且固定有一旋转盘51。一模具6以倾斜状态与主轴5的下端固定，位于旋转盘51的下方，并且该模具6 的边缘部位还通过一连接柱61与旋转盘51连接。模具6为石墨材料制成的模具，并且模具6的倾斜角度为与水平成10-20°。—组与前述的进气口 311的数量相等的进气机构7设置在炉体1的底部，由于进气口 311的数量为三至八个，因此进气机构7的数量同样为三至八个。每个进气机构7包括具有三个同心圆出气口 711的出气管71和配接在出气管71上的数量与同心圆出气口 711相等的原料气引入管72，出气管71与炉体1的底部固定，同心圆出气口 711与进气口 311相对应。在图1中，申请人虽然在各个出气管71上示意了两个同心圆出气口 711以及在出气管71上配接了一对原料气引管72，然而这仅仅是为了使图示趋于清晰，而实际上如同CN102021533A所示结构，同心圆出气口 711为三个，并且原料气引入管72也为三根。在模具旋转机构4的电机41的工作下，经减速机42减速，由第一伞齿轮43带动第二伞齿轮44，由于第二伞齿轮44固定在主轴5上，因此主轴5旋转，由主轴5带动旋转盘 51及模具6旋转，同时，N2、NH3和BCl3气体从进气机构7引入，根据需要既可以使三至八个进气机构7同时进气，也就是说使三至八个进气口 311同时进气，也可以选择性地使进气口 311进气。还同时，第一、第二冷却水套11、21同时循环引入冷却水，由电磁加热线圈33通电对石墨筒体3加热。采用上述结构制备直径为290 mm的热解氮化硼板材的过程如下
模具直径为^3mm，启动抽真空装置，使模具腔31内处于真空状态，真空度为lOOPa，电磁加热线圈33通电加热，当温度达到1780°C时启动模具旋转机构4工作，气体按摩尔比引入，N2 NH3 BCl3=M 8 5，炉内压强保持在399Pa，炉温维持1780°C，模具6在石墨筒体3的模具腔31内成与水平10-20°的倾斜角度并且旋转，旋转速度约3n/min，在1780°C 下维持时间2 后断电，即切断电磁加热线圈33的电源。随炉冷却至室温后开启炉盖2，优选使用吊运装置将炉盖2吊离炉体1，将沉积在模具6上的白色硬壳取下，得到直径为293 mm的热解氮化硼(PBN)毛坯，经机械加工和研磨得到直径为290 mm的PBN成品。在本实施例中，进气口 311启用三个，即由三个进气机构7同时进气，其中N26L/ min、NH3lL/min 和 BCl3O. 6L/min。由于模具6与水平成倾斜10-20°的角度转动，其运动轨迹波浪式的围绕中心旋转，使原料气体即队、NH3和BCljg合气体(也即反应气体)有机会沿此角度向上偏流，该流动形式有利于填平沟槽，使PBN板材比较平整，残余应力较小，提高产品合格率和生产效率，有利于降低成本。实施例2
仅将N2、NHjPBCl3气体的mol比改为12 4. 2 1. 4，也就是说，N2、NH3和BCl3气体的流量分别为 N212L/min、NH34. 2L/min 和 BCl3L 4L/min，炉内压强改为 270Pa，温度为 1800°C， 保温时间为，其中，进气口 311启用两个并设有分流嘴，其余均同对实施例1的描述。
实施例3
仅将N2、NH3和BCl3气体的mol比改为10 4 3. 2，也就是说，N2、NH3和BCl3气体的流量分别为N210L/min、NH34L/min和BC133. 2L/min，炉内压强改为^OPa,温度改为2000°C， 保温时间改为16h，进气口 311启用五个，其余均同对实施例1的描述。
权利要求
1.一种热解氮化硼板材的制备方法，该方法采用具有进气机构并且在炉内设置有旋转的模具的气相沉积炉，原料气体为N2、NH3和BCl3的混合气体，其中4、NH3和BCl3气体的 mol比为30-10 10-1 8-0. 5，气相沉积炉的炉温为1700 2000°C，保温时间为14_2乩， 其特征在于所述的旋转模具在所述的气相沉积炉内呈倾斜设置。
2.根据权利要求1所述的热解氮化硼板材的制备方法，其特征在于所述倾斜设置的倾斜角度为与水平成10-20°。
3.—种如权利要求1所述的热解氮化硼板材的制备方法所用的气相沉积炉，其特征在于包括一炉体(1)，该炉体(1)以腾空状态支承于一组支脚(14)上，并且炉体(1)具有一第一冷却水套(11)，在该第一冷却水套(11)上配接有一第一进水接口(111)和一第一出水接口(112)；—炉盖0)，该炉盖(2)具有一第二冷却水套(21)，在该第二冷却水套上配接有一第二进水接口(211)和一第二出水接口 012)，并且在炉盖( 的中央延接有一排气筒(22)，在该排气筒0 上连接有一排气管021)；—具有模具腔(31)的石墨筒体(3)，该石墨筒体(3)设置在炉体(1)的炉体腔内，并且该石墨筒体(3)的上部配有一石墨筒体盖 (32)，该石墨筒体盖(32)的中央并且朝向所述炉盖(2)的方向延伸有一与炉盖(2)相固定的气体引出套(321)，该气体引出套(321)的气体引出套腔(3211)与排气筒02)的排气筒腔(22 相通并且还与所述的模具腔(31)相通，在石墨筒体( 的外壁上设置有电磁加热线圈(33)，而在石墨筒体(3)的模具腔(31)的底部均勻分布有三至八个进气口(311)； — 模具旋转机构G)，该模具旋转机构(4)设置在所述的炉盖(2)上；一主轴(5)，该主轴(5) 的上端依次途经所述的气体引出套腔(3211)和排气筒腔(22 与所述的模具旋转机构(4) 连接，而下端伸展到所述模具腔(31)内并且固定有一旋转盘(51)；—模具(6)，该模具(6) 对应于所述旋转盘(51)的下方，与所述主轴( 倾斜连接并且还通过连接柱(61)与旋转盘(51)连接；数量与所述进气口(311)的数量相等的用于向所述模具腔(31)内引入原料气体的一组进气机构(7)，各进气机构(7)与所述炉体(1)固定，并且与进气口(311)相对应。
4.根据权利要求3所述的热解氮化硼板材的制备方法所用的气相沉积炉，其特征在于所述的第一冷却水套(11)的内壁上并且位于内壁的下方间隔开设有一组过渡孔(113)，过渡孔(113)与构成于所述炉体⑴的底部的冷却隔套腔(12)相通。
5.根据权利要求3所述的热解氮化硼板材的制备方法所用的气相沉积炉，其特征在于所述的第一进水接口(111)和所述的第一出水接口(11 彼此呈对角设置，其中，第一进水接口(111)位于所述炉体(1)的下侧部，而第一出水接口(112)位于炉体(1)的上侧部。
6.根据权利要求3所述的热解氮化硼板材的制备方法所用的气相沉积炉，其特征在于在所述的炉体(1)的内壁设有炉体内衬层(13)，所述的炉盖O)的内壁设有炉盖内衬层 (23)，炉体内衬层(13)和炉盖内衬层03)为耐火泥或耐火砖。
7.根据权利要求3所述的热解氮化硼板材的制备方法所用的气相沉积炉，其特征在于所述的炉盖( 通过一组间隔设置的卡掣件04)与所述炉体(10相配合。
8.根据权利要求3所述的热解氮化硼板材的制备方法所用的气相沉积炉，其特征在于所述的模具旋转机构(4)包括电机(41)、减速机(42)、第一伞齿轮和第二伞齿轮 (44)，电机与减速机0 相配接并且由减速机0 连同电机Gl)固定在减速机支承架(42 上，而减速机支承架022)固定在所述的炉盖( 上，第一伞齿轮固定在减速机0 的减速机末级动力输出轴(421)上，并且与第二伞齿轮G4)相啮合，而第二伞齿轮G4)固定在所述主轴(5)的上端，主轴(5)的上端转动地支承在轴承座(5 上，而轴承座(5 固定在所述的排气筒0 上。
9.根据权利要求3所述的热解氮化硼板材的制备方法所用的气相沉积炉，其特征在于所述模具(6)与所述主轴( 倾斜连接的倾斜度为10-25°，并且模具(6)为石墨模具。
10.根据权利要求3所述的热解氮化硼板材的制备方法所用的气相沉积炉，其特征在于所述一组进气机构(7)各包括具有三个同心圆出气口(711)的出气管(71)和配接在出气管(71)上的数量与同心圆出气口(711)相等的原料气引入管(72)，出气管(71)与所述炉体⑴固定，同心圆出气口(711)与所述进气口(311)相对应。
全文摘要
一种热解氮化硼板材的制备方法及该方法所用的气相沉积炉，属于特种陶瓷材料制备技术领域。该方法采用具有进气机构并且在炉内设置有旋转的模具的气相沉积炉，原料气体为N2、NH3和BCl3的混合气体，其中N2、NH3和BCl3气体的mol比为30-10∶10-1∶8-0.5，气相沉积炉的炉温为1700～2000℃，保温时间为14-26h，所述的旋转模具在所述的气相沉积炉内呈倾斜设置。优点由于将旋转的模具在气沉积炉内呈斜设置，从而能使原料气体沿倾斜角度向上偏流，在流动过程中将沟槽填平，使得到的热解氮化硼板材表面平整，有利于显著减小残余应力和提高合格率；提供的沉积炉结构简单，能保障热解氮化硼板材的所述技术效果的全面体现。
文档编号C23C16/34GK102330068SQ201110323008
公开日2012年1月25日 申请日期2011年10月21日 优先权日2011年10月21日
发明者赵凤鸣, 赵林 申请人:苏州明林光电科技有限公司