本發明屬于碳化硅單晶制備領域，涉及一種碳化硅單晶生長熱場結構，特別涉及一種碳化硅單晶生長熱場結構中的石墨板涂層的制備方法。
背景技術：
碳化硅單晶具有禁帶寬度大，抗輻射能力強，擊穿電場高，介電常數小，熱導率大，電子飽和漂移速度高，化學穩定性高等獨特的特性，在白光照明、光存儲、屏幕顯示、航天航空、高溫輻射環境、石油勘探、自動化、雷達與通信、汽車電子化等方面有廣泛應用，尤其在國防軍事上有著重要的戰略地位。
在典型碳化硅生產技術中，PVT法生長碳化硅單晶過程，顆粒狀原料位于坩堝底部，籽晶位于坩堝頂部，原料溫度高于籽晶溫度，原料受熱升華后在熱驅動力作用下遷移到籽晶表面，籽晶表面的碳化硅蒸汽處于過飽和狀態從而在籽晶表面沉積，晶體隨之長大。顆粒狀原料碳化后的細小碳顆粒也在熱驅動力作用下遷移到晶體生長界面，存留在晶體內形成碳包裹物缺陷。
目前傳統的解決辦法是在原料表面覆蓋多孔石墨，多孔石墨作用相當于篩子，碳化硅蒸汽可以穿過多孔石墨，但大部分碳顆粒被多孔石墨截留，不能穿過，從而減少碳化硅晶體內的碳包裹物數量。但仍然存在以下問題：1）仍有少量碳顆粒穿過多孔石墨層進入晶體；2）隨晶體生長過程進行，多孔石墨材料受碳化硅蒸汽腐蝕會有不同程度粉化，粉化產物仍為碳顆粒。總之，單一使用多孔石墨尚不能徹底消除碳化硅晶體內碳包裹物缺陷。因此，如何設計一種能操作簡單，并能高效、快捷地去除碳顆粒的多孔石墨板成為本領域亟需解決的問題。
技術實現要素：
本發明針對現有技術的不足，設計并開發出一種結構簡便、并能高效地去除碳顆粒的具有TaC涂層的多孔石墨板，從而在碳化硅晶體生長環境中，避免多孔石墨受碳化硅生長氣氛腐蝕。受保護的多孔石墨可以在完整的碳化硅單晶生長過程過濾碳化硅原料中的微小碳顆粒向晶體生長表面的輸運，從而大幅減少晶體中的碳包裹物。并提供了該多孔石墨板涂層的制備方法，使得在多孔石墨板的所有空隙表面形成TaC鍍層。
為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案為：
一種碳化硅單晶生長熱場結構中的石墨板涂層的制備方法，其中，所述石墨板位于顆粒狀原料的上方，用于過濾碳化硅蒸汽中的碳顆粒,其特征在于，所述涂層的制備方法包括如下步驟：1)制備TaCl5正丁醇溶液；2)將多孔石墨板浸入上述溶液內，使多孔石墨板空隙表面完全被飽和溶液浸潤；3)將浸潤后的多孔石墨板烘干；4)將步驟3)制備好的多孔石墨板放入真空爐內，進行升溫煅燒，從而使浸潤到多孔石墨表面的TaCl5與多孔石墨發生反應，生成TaC層；5)重復步驟1)-4)的過程，多孔石墨表面形成致密的TaC涂層；6)將步驟5)制備好的多孔石墨板放入真空爐內，煅燒5-10小時，從而使原有的Ta在石墨體系內全部轉化為TaC晶粒，并且和原有的TaC晶粒在高溫下逐步長大，并進一步致密化。
進一步的，所述步驟4)中，升溫到1000℃煅燒2小時。
進一步的，重復步驟1)-4)的過程3-5次。
進一步的，所述步驟6)中，采用石墨坩堝及保溫材料，在500-10000Pa的壓力、2000℃溫度下煅燒5-10小時。
進一步的，TaCl5正丁醇溶液濃度達到飽和濃度70%-95%。
進一步的，還包括步驟7)：將具有致密TaC涂層的多孔石墨板覆蓋在碳化硅顆粒狀原料表面，將原料與籽晶隔離后進行晶體生長。
本發明的有益效果在于：本發明在多孔石墨板的所有空隙表面形成TaC鍍層，由于TaC鍍層在高溫下可以抗碳化硅蒸汽、硅蒸汽腐蝕，因此避免多孔石墨材料在碳化硅生長氣氛下粉化，能在晶體生長全周期內起到更好的過濾原料中碳微粒的作用，從而進一步減少晶體內碳包裹物密度。
具體實施方式
為了使本領域技術人員更好地理解本發明的技術方案，下面結合具體實施例對本發明作進一步的詳細說明。下面描述的實施例是示例性的，僅用于解釋本發明，而不能理解為對本發明的限制。實施例中未注明具體技術或條件的，按照本領域內的文獻所描述的技術或條件或者按照產品說明書進行。
根據本發明的一個方面，本發明提供了一種碳化硅單晶生長熱場結構中的石墨板涂層的制備方法，其中，所述石墨板位于顆粒狀原料的上方，用于過濾碳化硅蒸汽中的碳顆粒。由于設置了具有TaC涂層的多孔石墨板，從而在碳化硅晶體生長環境中，避免多孔石墨受碳化硅生長氣氛腐蝕。受保護的多孔石墨可以在完整的碳化硅單晶生長過程過濾碳化硅原料中的微小碳顆粒向晶體生長表面的輸運，從而大幅減少晶體中的碳包裹物，而未受TaC保護的多孔石墨，在碳化硅生長氣氛下會緩慢粉化，粉化后的碳顆粒仍會輸運到晶體生長界面處形成碳包裹物。
根據本發明的具體實施例，所述涂層的制備方法包括如下步驟：
1)制備TaCl5正丁醇溶液；其中，所述TaCl5正丁醇溶液的濃度不受特別限制，在本發明的一些實施例中，TaCl5正丁醇溶液濃度達到飽和濃度70%-95%。由此，可以減少后續重復處理次數，且不在多孔石墨表面殘留懸浮顆粒。
2)將多孔石墨板浸入上述溶液內，使多孔石墨板空隙表面完全被飽和溶液浸潤。
3)將浸潤后的多孔石墨板烘干。
4)將步驟3)制備好的多孔石墨板放入真空爐內，進行升溫煅燒，從而使浸潤到多孔石墨表面的TaCl5與多孔石墨發生反應，生成TaC層；其中，升溫煅燒的具體參數不受特別限制，在本發明的一些實施例中，升溫到1000℃煅燒2小時。
5)重復步驟1)-4)的過程，多孔石墨表面形成致密的TaC涂層；其中，重復的次數不受特別限制，在本發明的一些實施例中，由于單次涂覆TaCl5正丁醇溶液并煅燒后不足以在多孔石墨表面形成致密TaC層，重復步驟1)-4)的過程3-5次。
6)將步驟5)制備好的多孔石墨板放入真空爐內，煅燒5-10小時，從而使原有的Ta在石墨體系內全部轉化為TaC晶粒，并且和原有的TaC晶粒在高溫下逐步長大，并進一步致密化，其中，煅燒的壓力、溫度不受特別限制，在本發明的一些實施例中，在石墨熱場體系下，采用石墨坩堝及保溫材料，在500-10000Pa的壓力、2000℃溫度下煅燒5-10小時。
在具體的晶體生長過程中，將具有致密TaC涂層的多孔石墨板覆蓋在碳化硅顆粒狀原料表面，將原料與籽晶隔離后進行晶體生長。
綜上所述，本發明提供了一種碳化硅單晶生長熱場結構中的具有涂層的石墨板及其制備方法，由于多孔石墨板具有TaC涂層，從而在碳化硅晶體生長環境中，避免多孔石墨受碳化硅生長氣氛腐蝕。受保護的多孔石墨可以在完整的碳化硅單晶生長過程過濾碳化硅原料中的微小碳顆粒向晶體生長表面的輸運，從而大幅減少晶體中的碳包裹物。同時，該制備方法使得多孔石墨表面形成了致密的TaC層，對石墨板進行保護，提高了碳顆粒的過濾效果。
在本發明中，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”、“固定”等術語應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸連接，或成一體；可以是機械連接，也可以是電連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通或兩個元件的相互作用關系。對于本領域的普通技術人員而言，可以根據具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。
在本發明中，除非另有明確的規定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接觸，或第一和第二特征通過中間媒介間接接觸。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或僅僅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面” 可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或僅僅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”、 或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不必針對的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或者特點可以在任一個 或多個實施例或示例中以合適的方式結合。此外，在不相互矛盾的情況下，本領域的技術人員可以將本說明書中描述的不同實施例或示例以及不同實施例或示例的特征進行結合和組合。
盡管上面已經示出和描述了本發明的實施例，可以理解的是，上述實施例是示例性的，不能理解為對本發明的限制，本領域的普通技術人員在本發明的范圍內可以對上述實施例進行變化、修改、替換和變型，同時，對于本領域的一般技術人員，依據本申請的思想，在具體實施方式及應用范圍上均會有改變之處。