一种掺B的PG制备方法与流程

本发明涉及一种掺b(硼)的pg(热解石墨)制备方法，属于化学气相沉积技术领域。

背景技术：

目前热解氮化硼(pbn)-热解石墨(pg)复合加热器广泛应用于半导体等领域精密器件的加热，复合加热器的基底是pbn，导电发热层为pg层，pg层附着在pbn层上，最后有一层pbn保护层。

例如，中国专利文献cn110572889a公开了一种制备内cvd沉积立体式复合陶瓷加热器的方法，该加热器包含pbn基体、pg涂层电路以及pbn涂层保护层；通过化学气相沉积制备pbn基体，再在pbn基体内表面沉积pg涂层，通过雕刻pg涂层制备电路，再沉积pbn涂层保护层，最终得到内表面加热的加热器，大幅度提高加热器加热的均匀性，热量损失小，耗能低。中国专利文献cn108863443a公开了一种平面复合加热器的制备方法，所述制备方法包括：(1)平面加热器的基体为热解氮化硼基体，将热解氮化硼基体表面打磨至基体表面粗糙度为ra：0.5～4.0微米；然后涂覆一层厚度为10～300μm的热解石墨涂层，涂覆过程中控制温度为1200～1700℃，压力为100～1000pa，表面加工花纹，将加工完花纹后的基体再次装入cvd反应炉内，涂覆一层厚度为10～300μm热解氮化硼涂层，冷却，即得平面复合加热器。本发明制备的平面复合加热器可以在1500℃以内连续升温降温400～600次不起层、不分层，有效地提高了加热器的使用寿命，并且加热效率保持在90％以上，加热均匀性可以控制在10℃以内。

但是，现有的复合加热器pg层的电阻值随着温度的升高会降低，最多可以降低50％以上，这就导致温度越高加热器匹配的电源功率越大。这样一方面在加热器升温的过程中需要不断的去调整电源的加热功率，控制过程复杂，且不利于加热器升温均匀性；另一方面由于电阻值降低太多，在高温下加热器的升温速率会很慢，若电源功率调节范围不够大，会存在升不到目标温度的情况。故现在亟需寻求一种复合加热器，在加热器升温的过程中电阻不发生变化或变化幅度小。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本发明提供一种掺b的pg制备方法，采用此方法可有效改变pg层的电阻随温度变化的状态，使得pg层具有电阻随温度升高而升高的良好特性。

本发明的技术方案如下：

一种掺b的pg制备方法，包括以下步骤：

1)用化学气相沉积法生产出pbn基体，pbn基体出炉之后进行修磨，平整度控制在0.1mm以内，粗糙度控制在0.5-10mm范围内；

2)将步骤1)修磨后的pbn基体放入cvd反应炉内，向炉内通入含硼化合物、甲烷或丙烷以及惰性气体，在温度1000-2000℃和压力10-1000pa条件下，在pbn基体的表面形成一种b掺杂的pg涂层，涂层厚度为10-200um；

3)对步骤2)中的pg涂层通过机械加工或激光加工方式加工成花纹,形成复合加热器的加热图案；

4)将步骤3)加工完花纹后的pbn基体再次放入cvd反应炉内，通入含有氮源和硼源的气体，在高温低压的环境下沉积一层pbn保护层。

优选的，步骤1)中，所述pbn基体为平面状或立体状。

优选的，步骤1)中，设定压力为300pa，反应气体bcl3：nh3的摩尔比为1:2，温度在1800℃的条件下生产出pbn基体。

优选的，步骤2)中，所述含硼化合物包括bcl3、bf3或硼烷。

优选的，步骤2)中，所述惰性气体包括氩气、氮气或氦气。

优选的，步骤2)中，反应温度为1400℃，压力为100pa。

优选的，步骤2)中，通入含硼化合物、甲烷或丙烷以及惰性气体的时间为1-20小时。

优选的，步骤2)中，通入含硼化合物、甲烷或丙烷以及惰性气体的摩尔比为1：(1-30)：(1-30)。

优选的，步骤4)中，通入含有氮源和硼源的气体的时间为1-15小时。

优选的，步骤4)中，通入氮源和硼源的摩尔比为(1-5):1。

优选的，步骤4)中，所述高温低压的环境是指温度1500-2000℃，压力30-300pa。

优选的，步骤4)中，通入bcl3和nh3，在温度1800℃和压力200pa的条件下沉积一层pbn保护层。

优选的，步骤4)中，所述pbn保护层的厚度为10-300微米。

本发明的工作原理：

由于硼元素掺杂进热解石墨涂层中显示正价，热解石墨层主要靠呈负价的电子进行导电，当温度升高之后，电子移动的速率会加快，移动范围也越大，显示正价的硼元素与电子结合的几率会增大，故温度升高之后，电子的数量会减少，进而电阻值会升高。

本发明的有益效果在于：

1、本发明创造性的将b掺入到pg层内，可以实现随着温度的升高，加热器电阻值升高，由于在高温下加热器的热量散失较常温下高，而本发明高温下电阻值升高，正好抵消一部分高温下散失的更多热量，这样电源的功率调节幅度很小，同时在高温下的加热速率会更快。

2、本发明掺b的pg制备方法，避免了随着温度的升高，加热器电阻值大幅下降的问题，无需过度调整电源的加热功率，不会出现升不到目标温度的情况，从而保证了加热过程的均匀性。

附图说明

图1为传统方法制得pg层后电阻与温度的关系曲线图；

图2为本发明方法制得pg层后电阻与温度的关系曲线图；

具体实施方式

下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。

实施例1：

一种掺b的pg制备方法，包括以下步骤：

1)用化学气相沉积法生产出pbn基体，设定压力300pa，反应气体bcl3：nh3的摩尔比为1:2，温度在1800℃的条件下生产出热解氮化硼加热器基体(即pbn基体)，pbn基体出炉之后进行修磨，平整度控制在0.1mm以内，粗糙度控制在0.5-10mm范围内，制得的pbn基体为平面状；

2)将步骤1)修磨后的pbn基体放入cvd反应炉内，向炉内通入bcl3、丙烷和氩气，三者的摩尔比为1:2:2，通入时长10小时，在温度1400℃和压力100pa条件下，在pbn基体的表面形成一种b掺杂的pg涂层，涂层厚度为100um；

3)对步骤2)中的pg涂层通过机械加工或激光加工方式加工成特定花纹，花纹的纹路可以是各种形状但需满足不同的使用要求，形成复合加热器的加热图案；

4)将步骤3)加工完花纹后的pbn基体再次放入cvd反应炉内，通入bcl3和nh3，时长1小时，通入bcl3和nh3的摩尔比为1:1，在温度1800℃和压力200pa的条件下沉积一层pbn保护层，pbn保护层的厚度为10微米。

传统方法制得的pg层，电阻与温度的关系曲线如图1所示；而采用本实施例技术方案制得的pg层，电阻与温度的关系曲线如图2所示；从附图可以看出，本实施例技术方案，可以实现随着温度的升高，加热器电阻值升高，避免了随着温度的升高，加热器电阻值大幅下降的问题，无需过度调整电源的加热功率，不会出现升不到目标温度的情况，从而保证了加热过程的均匀性。

实施例2：

重复实施例1，其不同之处在于：步骤1)中，制得的pbn基体为立体状。

步骤2)中，向炉内通入bf3，甲烷和氮气，三者的摩尔比为1:10:10，通入时长1小时，在反应温度为1000℃，压力为10pa的条件下，制得的pg涂层厚度为10um。

步骤4)中，通入bcl3和nh3，时长15小时，通入bcl3和nh3的摩尔比为1:5，在温度1500℃和压力30pa的条件下沉积一层pbn保护层，pbn保护层的厚度为300微米。

实施例3：

重复实施例1，其不同之处在于：

步骤2)中，向炉内通入硼烷，甲烷和氦气，三者的摩尔比为1:20:20，通入时长20小时，在反应温度为2000℃，压力为1000pa的条件下，制得的pg涂层厚度为200um。

步骤4)中，通入bcl3和nh3，时长8小时，通入bcl3和nh3的摩尔比为1:3，在温度2000℃和压力300pa的条件下沉积一层pbn保护层，pbn保护层的厚度为180微米。

实施例4：

重复实施例1，其不同之处在于：

步骤2)中，向炉内通入硼烷，甲烷和氦气，三者的摩尔比为1:1:1，通入时长20小时，在反应温度为2000℃，压力为1000pa的条件下，制得的pg涂层厚度为200um。

步骤4)中，通入bcl3和nh3，时长8小时，通入bcl3和nh3的摩尔比为1:3，在温度2000℃和压力300pa的条件下沉积一层pbn保护层，pbn保护层的厚度为180微米。

实施例5：

重复实施例1，其不同之处在于：

步骤2)中，向炉内通入硼烷，甲烷和氦气，三者的摩尔比为1:30:30，通入时长20小时，在反应温度为2000℃，压力为1000pa的条件下，制得的pg涂层厚度为200um。

步骤4)中，通入bcl3和nh3，时长8小时，通入bcl3和nh3的摩尔比为1:3，在温度2000℃和压力300pa的条件下沉积一层pbn保护层，pbn保护层的厚度为180微米。