一种带有涂层的碳质材料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种带有涂层的碳质材料及其制备方法，材料由以下方法制得：(1)在基体表面形成微结构凹槽，并制备金属催化剂层；(2)使用含硅浆料对基体进行浸渗处理；(3)将碳质材料基体加热生长形成碳化硅纳米线连接层，得到中间产品A；(4)在中间产品A上沉积形成碳化硅纳米线增强碳化硅层，得到中间产品B；(5)在中间产品B上沉积制备碳化硅

【技术实现步骤摘要】
一种带有涂层的碳质材料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及碳质材料的涂层制备
，具体涉及一种带有涂层的碳质材料及其制备方法。

技术介绍

[0002]石墨具有优良的导电、导热性能；由于其多孔性、使其具备较小的热膨胀系数和优良的抗热震性能；此外其电阻温度系数小，热惯性小，可以快速加热和冷却，热损耗较小。在特种工业炉中常用石墨作为发热体、保温筒、导流筒、坩埚等。随着半导体工业的全面发展，提炼单晶硅，呻化嫁、磷化锢等材料、晶圆生长的加热炉选择石墨作为加热体、保温筒、导流筒、坩埚时，石墨材料由于自身的缺点将无法满足高纯材料提炼的需求。因为，首先，石墨材料作为某些特定炉型发热体使用时，由于冷热端的温度差，在冷端和热端交界处会产生裂纹。由于真空炉特殊的密闭结构，在高温状态下无法对损坏的石墨电阻发热体进行更换，真空炉只能在发热体不全的情况下继续工作，此时真空炉的加热效果和炉内的温度均无法保证。其次，石墨材料强度较低，脆性大，其加工和运输难度较大。在高容量的半导体材料提炼过程中，石墨坩埚将无法承受其载重，严重影响目前先进大批量生产的进程。此外，石墨材料在高温下，碳原子在高温下持续挥发，带来两个负面影响：一是碳原子扩散进晶圆，造成晶圆品质下降；二是石墨表面产生大量腐蚀坑，服役寿命减小。
[0003]由于上述石墨材料的使用弊端，单晶硅，呻化嫁、磷化锢等材料产业、晶圆产业规模急剧扩大，在太阳能光伏行业和半导体行业中，提高材料品质、降低成本己成为产业发展的关键，迫切要求延长热场材料的服役时间。目前，C/C复合材料作为可用于高温达2800℃的高温复合材料，有着和石墨相近的电阻率，因此若采用C/C复合材料作为电阻发热体、坩埚、导流筒、保温筒等，可以有效地缓减由于石墨发热体冷热端的温差导致的冷热端交界处产生的应力断裂，而且根据其特性，可以制成大型薄壁发热元件，更有效的利用炉膛的容积。
[0004]但是作为特殊纯度要求的半导体领域，采用单一的C/C复合材料作为发热体、保温筒、坩埚、导流筒等器件材料时，材料无法避免的发生碳原子挥发，对材料纯度要求发起了新的挑战；其次，在作为单晶硅拉制时，因高温硅蒸汽与石英坩埚反应生成SiO等氧化性物质腐蚀导流筒、坩埚、保温筒等外表面，而影响其使用效果，降低其使用寿命等问题；单一C/C复合材料中热解碳将出现分解现象，从而影响反应腔体内的纯度，和所制备的材料纯度，以及坩埚、保温筒等热场材料的力学性能和使用寿命。
[0005]目前，作为一种航空航天涂层材料，纳米碳化硅涂层新材料导热系数高、热膨胀系数小、碳扩散系数小、化学性能稳定、耐磨损性能好，具有耐高温、抗热震、抗蠕变、抗氧化的优点。在航空航天领域，碳化硅涂层已经被用作碳材料和碳/碳复合材料的高温涂层，抵抗2500
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3000℃的燃气流，表现出优良的抗氧化、抗烧蚀特征。将硅C涂层应用到半导体工业中晶圆生长炉内的石墨发热体等碳素材料，有望将晶圆品质提高3～5倍，碳碳核心部件的寿命提高6～10倍，企业经济效益能显著提升。此外，作为超高温陶瓷材料典型代表的碳化锆，
具有超高熔点、超耐腐蚀、抗氧化、高硬度、制备成本相比其他超高温陶瓷材料低，已被广泛应用于1800℃及以上高温、有氧环境中，且经常与硅C陶瓷相互匹配制备成陶瓷涂层。
[0006]然而，虽然碳化硅陶瓷具有以上优良的热化学性能，但是在高温、甚至更高温度下进行单晶材料的生长时，由于气氛中存在氧原子，单一的碳化硅将在SiO的腐蚀下形成SiO2气体或SiO2液体，且在氧原子向碳碳复合材料内部扩散时，将在碳原子的还原作用下形成CO或CO2气体，这些带氧气体会第一时间富集于单晶表面进行腐蚀，因此这将会直接影响单晶生长的纯度；其次，虽然硅C涂层相比超高温陶瓷(类似ZrC、HfC、ZrB2、HfB2等)与C/C复合材料的热膨胀系数的匹配度更好，但是在较复杂、温度差较大的有腐蚀性气体环境中，硅C涂层与碳碳复合材料的热匹配度任然是阻碍涂层长期反复使用的关键因素。因此，将单一的硅C涂层作为陶瓷涂层与碳碳复合材料间的界面层时，也无法保证后续超高温涂层与碳碳复合材料有一个良好的过渡。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供了一种带有涂层的碳质材料及其制备方法，用以解决目前现有单一涂层在单晶材料生长过程中出现的腐蚀问题以及涂层结合强度不足的技术问题。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术采用以下技术方案：
[0009]一种带有涂层的碳质材料的制备方法，包括以下步骤：
[0010](1)在碳质材料基体表面形成微结构凹槽，并在所述碳质材料基体表面制备金属催化剂层。
[0011](2)使用含硅浆料对所述碳质材料基体进行浸渗处理，所述含硅浆料包括10质量份的纳米硅粉和2～3质量份的蜡质碳源。
[0012](3)将所述经过浸渗处理的碳质材料基体置于反应装置中加热生长形成碳化硅纳米线连接层，得到中间产品A。
[0013](4)将中间产品A置于沉积装置内，并通入稀释气体、硅源气体和碳源气体，在中间产品A上沉积形成碳化硅纳米线增强碳化硅层，得到中间产品B。
[0014](5)在所述中间产品B上沉积制备碳化硅
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碳化锆复合层，并进行后处理，得到中间产品C。
[0015](6)在所述中间产品C上沉积制备碳化锆层，即得所述带有涂层的碳质材料。
[0016]上述技术方案的设计思路在于，本专利技术一方面通过依次制备的碳化硅纳米线增强碳化硅层、碳化硅
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碳化锆复合层以及碳化锆层避免了现有技术中采用单一碳化硅涂层在半导体产业，特别是单晶生长过程中所出现的问题，并通过多层涂层的结构设计保证了高温涂层和碳质材料基体之间的良好过渡和较强结合强度；另一方面，本专利技术还对涂层各层结构的具体制备方法进行了设计：首先在基体表面形成微结构凹槽、并进行浸渗处理后再制备碳化硅纳米线连接层，使所得到的碳化硅纳米线连接层以基体表层为位点向外进行生长，并利用微结构凹槽内壁面的约束作用促使SiC纳米线在凹槽底部形核，并呈现纵向直立的取向性，其中，金属催化剂层是SiC纳米线的形核、促进SiC纳米线直立生长的保障因素，由于金属催化剂层属于低熔点金属，因此金属催化剂在升温过程中熔化成小液滴，通过金属液滴吸附气相碳和气相硅源并形成过饱和状态后，析出SiC纳米线晶核，并在不断的吸附过程中直立生长，金属催化剂液滴始终在SiC纳米线的顶端位置；在上述机理基础上，基体
其他位置平面上则生长的碳化硅纳米线则呈织网结构，使得碳化硅纳米线连接层具有疏松多孔的纵向直立碳化硅纳米线穿插平面碳化硅织网结构的独特结构，起到三维穿插机械配合、侨联和界面约束的作用，并于该具有独特结构的碳化硅纳米线连接层上再行沉积碳化硅进行增密和覆盖，实现了对涂层和基体结合强度的大幅度提升。
[0017]作为上述技术方案的进一步优选，所述碳质材料基体选用密度为1.2～1.5g/cm3的碳碳复合材料。
[0018]作为上述技术方案的进一步优选，步骤(1)中所述微结构凹槽的深度为10～20μ本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种带有涂层的碳质材料的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在碳质材料基体表面形成微结构凹槽，并在所述碳质材料基体表面制备金属催化剂层；(2)使用含硅浆料对所述碳质材料基体进行浸渗处理，所述含硅浆料包括10质量份的纳米硅粉和2～3质量份的蜡质碳源；(3)将所述经过浸渗处理的碳质材料基体置于反应装置中加热生长形成碳化硅纳米线连接层，得到中间产品A；(4)将中间产品A置于沉积装置内，并通入稀释气体、硅源气体和碳源气体，在中间产品A上沉积形成碳化硅纳米线增强碳化硅层，得到中间产品B；(5)在所述中间产品B上沉积制备碳化硅
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碳化锆复合层，并进行后处理，得到中间产品C；(6)在所述中间产品C上沉积制备碳化锆层，即得所述带有涂层的碳质材料。2.根据权利要求1所述的带有涂层的碳质材料的制备方法，其特征在于，步骤(1)中所述微结构凹槽的深度为10～20μm，宽度为2～5μm；所述微结构凹槽采用激光刻蚀的方法形成。3.根据权利要求1所述的带有涂层的碳质材料的制备方法，其特征在于，步骤(2)中所述浸渗处理的操作为：将所述含硅浆料刷涂在碳质材料基体表面，并在室温下旋转浸渗；刷涂次数为3～5次，每次刷涂后再室温干燥2～10min；浸渗时间为1～3h，旋转速度为10～30/圈。4.根据权利要求1所述的带有涂层的碳质材料的制备方法，其特征在于，步骤(3)中所述碳化硅纳米线连接层的加热生长过程中，先于真空条件下加热生长1～2h，再向反应装置中通入稀释气体、硅源气体和碳源气体，继续生长0.5～2h。5.根据权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：请求不公布姓名，
申请(专利权)人：湖南泰坦未来科技有限公司，
类型：发明
国别省市：