專利名稱：一氮化硼坩堝及其制造方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種改進(jìn)的一氮化硼坩堝，主要是涂層基質(zhì)中使用含有多種元素或化合物的取向附生層，至少在坩堝的外表面上有熱解的石墨襯底和熱解的一氮化硼外層，以有效地消除坩堝上所不希望有的低溫區(qū)域，本發(fā)明還涉及一種制造坩堝的工藝方法。
熱解的一氮化硼(PBN)所具有的結(jié)構(gòu)、物理性質(zhì)、純度和化學(xué)不活潑性使它對(duì)于元素的提純，化合和半導(dǎo)體晶體的生長(zhǎng)成為一種有吸引力的容器材料。實(shí)施例中包括了幾種用于封裝液體的Czochralski(LEC)容器，和用于砷化鎵及其他Ⅲ-Ⅴ和Ⅱ-Ⅵ復(fù)合單晶體的垂直梯度冷凍(VGF)生長(zhǎng)容器，以及用于在高溫和超高真空下，通過(guò)分子束取向生長(zhǎng)(MBE)法進(jìn)行金屬和摻雜劑的沉積作用的源容器。分子束取向生長(zhǎng)裝置基本上是一個(gè)真空如熱爐，主通過(guò)在一個(gè)熱解的一氮化硼坩堝中放有下列這些元素或化合物的汽化作用，可在半導(dǎo)體基片上涂有鋁、鎵、砷、銦等元素或含有它們的化合物的取向附生層。在傳統(tǒng)的分子束取向生長(zhǎng)的工藝方法中，在取向附生層結(jié)構(gòu)中可能出現(xiàn)缺陷，造成這種缺陷的原因有多種，其中之一是靠近坩堝開口端的相對(duì)冷的坩堝內(nèi)壁冷凝作用，所述冷凝導(dǎo)致液滴掉回到熔體上，這將產(chǎn)生卵形缺陷層，以至于嚴(yán)重地限制了在分子束取向生長(zhǎng)晶片上所能獲得的集成電路的產(chǎn)量。卵形缺陷是沿著110結(jié)晶方向定向的表面位錯(cuò)。
對(duì)于從外部加熱的坩堝來(lái)說(shuō)，精確地控制溫度均勻度或溫度分布是可以影響汽相沉積取向附生層質(zhì)量的一個(gè)問題。為了消除外部加熱坩堝的這種非均勻的溫度分布，已有人建議采用一種在靠近坩堝開口端的外表面上涂上熱解石墨的涂層。熱解石墨是一種各向異性的材料，在“ab”平面所表現(xiàn)的熱導(dǎo)率是700watt/m℃，在與“ab”平面相垂直的平面，其熱導(dǎo)率是3.5watt/m℃，這一建議提供了一個(gè)解決辦法，減輕了由于靠近坩堝開口端的區(qū)域比坩堝其他部分較冷而引起的問題。另外，由于坩堝一般是利用外部電加熱裝置進(jìn)行加熱和熱解石墨是電的導(dǎo)體，仍會(huì)有加熱裝置接觸熱解石墨涂層并引起短路的問題。
可通過(guò)各種方法制備熱解一氮化硼，例如美國(guó)專利NO.3，152，006公開了一種方法，即通過(guò)氨和鹵化硼，如三氯化硼的汽相反應(yīng)制備熱解一氮化硼。通過(guò)將用這種方法獲得的一氮化硼沉積到一種合適的型芯如一種石墨型芯上，可以制造具有各種形狀的產(chǎn)品。
本發(fā)明的目的之一是提供一種適合外部加熱并具有較均勻的或可控制的溫度分布的改進(jìn)的坩堝。
本發(fā)明的第一個(gè)目的是提供一種適用于分子束取向生長(zhǎng)的改進(jìn)的坩堝。
本發(fā)明的另一個(gè)目的是提供一種制做適合于外加熱和具有較均勻的或可控制的溫度分布的改進(jìn)的坩堝的方法。
上述的和其它的目的從下面的描述和附圖可以明顯看出。
本發(fā)明涉及一種包括下述步驟的制造一氮化硼坩堝的方法
(a)準(zhǔn)備一個(gè)具有所要求的帶有一個(gè)開口端的所要制造的坩堝形狀的型芯，并把一氮化硼沉積到該型芯上，直至在該型芯上沉積的一氮化硼達(dá)到所要求的厚度為止;
(b)在坩堝外表面上的一個(gè)選定的區(qū)域上，將石墨沉積到已沉積一氮化硼的坩堝上，直至在所述選定的區(qū)域上沉積的石墨直到所要求的厚度為止;
(c)將一氮化硼沉積到已沉積的石墨上直至沉積的一氮化硼達(dá)到所要求的厚度為止;和(d)從型芯上取出一氮化硼坩堝，該坩堝具有一個(gè)封閉端，一個(gè)開口端，一個(gè)內(nèi)表面和一個(gè)外表面。并且至少有一部分優(yōu)選為靠近坩堝開口端的外表面具有一個(gè)熱解石墨襯底和熱解一氮化硼外層。
如果需要的話，在步驟(b)中，不用石墨涂覆的那部分坩堝的區(qū)域可以用傳統(tǒng)的方法遮蓋起來(lái)，以使得只有坩堝的所選定區(qū)域暴露出來(lái)，以接受沉積的石墨和沉積的一氮化硼，如果坩堝沒有遮蔽起來(lái)，在非選定區(qū)域上沉積的石墨和一氮化硼可通過(guò)傳統(tǒng)的技術(shù)如機(jī)械法和磨擦法來(lái)除去。
一般說(shuō)來(lái)，所沉積的雙涂層的長(zhǎng)度應(yīng)從靠近坩堝開口端的外表面開始，并根據(jù)最終的具體應(yīng)用可延伸到坩堝的整個(gè)長(zhǎng)度。優(yōu)選至少應(yīng)在坩堝長(zhǎng)度的10%上涂有雙涂層。對(duì)于任何長(zhǎng)度的坩堝，雙涂層的長(zhǎng)度優(yōu)選為從坩堝整個(gè)長(zhǎng)度的10%到80%。
在這里，坩堝也指一種舟皿或在本領(lǐng)域中可用于各種應(yīng)用場(chǎng)合的任何其他容器。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在高真空瀉流室中利用環(huán)繞的電阻加熱器加熱一種熱解一氮化硼坩堝到大約900℃的高溫，坩堝開口端的溫度差可高達(dá)40℃到100℃。在靠近坩堝開口端外表面上的熱解石墨薄層基本上能減少這塊區(qū)域相對(duì)于坩堝其他表面處的溫差。這是因?yàn)闊峤馐湫偷卦凇癮b”平面所表現(xiàn)的熱導(dǎo)率為700watt/m℃在與“ab”面相垂直的“C”平面是3.5watt/m℃熱解石墨的熱導(dǎo)率優(yōu)于熱解一氮化硼的熱導(dǎo)率，熱解一氮化硼在“ab”平面上的熱導(dǎo)率為60watt/m℃，而在“C”平面的熱導(dǎo)率為1，5watt/m℃。由此看來(lái)，對(duì)于坩堝來(lái)說(shuō)，要獲得均勻的或可控制的溫度分布，熱解的石墨并不是熱解一氮化硼的一層額外附加的涂層，而是必需的。
根據(jù)本發(fā)明，熱解石墨外面的熱解一氮化硼涂層將(1)進(jìn)一步減少坩堝開口端的溫差，(2)將熱解石墨層與其周圍的電阻加熱器電線進(jìn)行電隔離，(3)減少利用該坩堝制造出的產(chǎn)品中出現(xiàn)碳污染的可能性。由于熱解一氮化硼比熱解石墨有較低的“c”方向的熱導(dǎo)率和較低的光譜輻射率，所以，它能有助于減少熱損失。熱解一氮化硼的其他的優(yōu)點(diǎn)是即使在高溫下也是一種極好的電介質(zhì)材料，并且它還有高度的不滲透性。
對(duì)于大多數(shù)的應(yīng)用場(chǎng)合，熱解石墨襯層的厚度應(yīng)當(dāng)從0.001到0.100英寸厚，優(yōu)選是從0.001到0.010英寸厚，熱解一氮化硼外層的厚度應(yīng)當(dāng)從0.002到0.040英寸厚，優(yōu)選是從0.004到0.010英寸厚。
為了在一種一氮化硼坩堝上形成熱解石墨的涂層，在壓力優(yōu)選低于大氣壓力和溫度在1000℃到2100℃之間的范圍內(nèi)，優(yōu)選從約1300℃到1800℃的條件下，在坩堝存在下，將一種烴氣體分解。該烴氣體可用一種惰性稀釋氣體，如氮?dú)?、氬氣或氮?dú)庀♂專浔嚷始s為每份體積的烴氣體加入10到400份體積的稀釋氣體。
烴氣體可以是任何適宜的烷烴，例如甲烷或丙烷，或一種烴，例如苯。優(yōu)選的烴氣體是甲烷。
為了制造本發(fā)明的坩堝，一氮化硼被沉積在具有與所要求的坩堝相同形狀的型芯上。當(dāng)然，所使用的型芯必須是在一氮化硼所使用的溫度下不能熔化的，并且在這種溫度下對(duì)鹵化硼和氨呈惰性，一般來(lái)說(shuō)，所用的型芯是用石墨做的。
典型地，其上要形成一氮化硼舟皿的型芯被安裝在汽相沉積真空加熱爐中，在加熱爐被加熱到所要求的溫度后，氨和鹵化硼氣體，一般用三氯化硼被加入到反應(yīng)器中，氨和鹵化硼之間的反應(yīng)和通過(guò)該反應(yīng)所制得的一氮化硼的沉積一般是在溫度約為1450℃到2300℃下完成的。而且，反應(yīng)器相應(yīng)地要維持在該溫度范圍內(nèi)。反應(yīng)器的溫度優(yōu)選維持在約1800℃和2000℃之間。
反應(yīng)物以汽相被加入到反應(yīng)器中，一般說(shuō)來(lái)，每摩爾鹵化硼使用至少1mol氨，優(yōu)選加入過(guò)量的氨。更優(yōu)選為每摩爾鹵化硼使用2.5到3.5摩爾的氨，如果需要的話，還可以較多的加入過(guò)量的氨。反應(yīng)物通過(guò)反應(yīng)器的流速依據(jù)反應(yīng)器的具體設(shè)計(jì)和其上沉積一氮化硼的型芯的尺寸和形狀而定。一般來(lái)說(shuō)每1.5～2.5立方米的加熱爐容積，鹵化硼的適宜流速可從約0.2標(biāo)準(zhǔn)立方米/每小時(shí)到約0.3標(biāo)準(zhǔn)立方米/每小時(shí)。如果需要的話，一種惰性氣體可與反應(yīng)物氣體相混合。
在適當(dāng)?shù)臅r(shí)間以后，即在型芯上所沉積的一氮化硼達(dá)到了所要求的量以后，反應(yīng)物進(jìn)入到反應(yīng)器的流動(dòng)被停止，反應(yīng)器被冷卻到室溫。熱解一氮化硼舟皿可以型芯上移出。
在某些實(shí)際應(yīng)用中，可以需要有如美國(guó)專利NO.3，986，822所述的多層壁坩堝。具體地來(lái)說(shuō)，坩堝的制造是在溫度約為1850℃到3100℃下，在具有所要求的坩堝形狀的型芯上沉積熱解一氮化硼，直到第一層一氮化硼達(dá)到合適的厚度為止，這時(shí)停止一氮化硼在型芯上的沉積，并將溫度降到1750℃以下，然后在溫度約為1850℃到約2100℃下在型芯上沉積附加的一氮化硼以產(chǎn)生比內(nèi)層厚的第二外層一氮化硼。


圖1是單層壁熱解一氮化硼蒸發(fā)坩堝的垂直投影的橫截面圖，在坩堝外表面的選定的區(qū)域上具有雙涂層。
圖2是多層壁熱解一氮化硼蒸發(fā)坩堝的垂直投影的橫截面圖，在靠近坩堝開口端的外表面上具有雙涂層。
圖1表示一種單層壁熱解一氮化硼蒸發(fā)坩堝2，在其開口端有一個(gè)向外翻的凸緣4。在其外表面6的選定的區(qū)域上是熱解石墨層8，其上是沉積的熱解一氮化硼層10。由上述可見，熱解石墨和熱解一氮化硼雙涂層將減小在坩堝的選定的區(qū)域上的溫差，將熱解石墨層與周圍的電阻加熱器的電線進(jìn)行電隔絕，而且減少利用該坩堝制造出產(chǎn)品的碳污染的可能性。
圖2表示本發(fā)明的雙涂層坩堝的另一個(gè)實(shí)施例，坩堝12主體有一層薄的熱解一氮化硼內(nèi)層14和一層厚的熱解一氮化硼外層16?？梢哉J(rèn)為，多層壁坩堝比傳統(tǒng)的單層壁坩堝更有柔韌性，并能表現(xiàn)出改進(jìn)的熱循環(huán)特性和長(zhǎng)壽命。熱解石墨層18和熱解一氮化硼層20的雙涂層被表示在靠近坩堝12開口端的外表面上。所表示的雙涂層延伸覆蓋了坩堝12的凸緣24的底表面22。
很清楚，雖然本發(fā)明參照實(shí)施例進(jìn)行了具體的描述，但這些具體的描述并不用于限制本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種用于制備帶有一個(gè)開口端的一氮化硼坩堝的方法，包括以下幾個(gè)步驟(a)準(zhǔn)備一個(gè)具有所要求的要被制造的坩堝的形狀的型芯，并將一氮化硼沉積到該型芯上，直至在該型芯上沉積的一氮化硼達(dá)到所要求的厚度為止；(b)在坩堝的表面上的選定的區(qū)域上將石墨沉積到已沉積一氮化硼的坩堝上，直至在該選定的區(qū)域上沉積的石墨達(dá)到所要求的厚度為止；(c)將一氮化硼沉積到所述已沉積的石墨上直至沉積的一氮化硼達(dá)到所要求的厚度為止；和(d)從型芯上取出一氮化硼坩堝，該坩堝至少在一部分外表面上具有熱解石墨襯層和熱解一氮化硼外層。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征是在步驟(b)中沉積的石墨厚度從0.001到0.1英寸，而且在步驟(c)中在已沉積的石墨上沉積的一氮化硼的厚度從0.002到0.04英寸。
3.根據(jù)權(quán)利要求1的方法，其特征是在步驟(b)中坩堝表面所選定的區(qū)域?yàn)閺嫩釄彘L(zhǎng)度的10%到80%。
4.根據(jù)權(quán)利要求3的方法，其特征是在步驟(b)中所選定的區(qū)域從靠近坩堝開口端開始。
5.一種具有一個(gè)封閉端，一個(gè)開口端，一個(gè)內(nèi)表面和一個(gè)外表面的一氮化硼坩堝，其特征是至少有一部分坩堝的外表面有包括熱解石墨襯層和熱解一氮化硼外層的一種雙涂層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5的一氮化硼坩堝，其特征是熱解石墨襯層的厚度從0.001到0.1英寸，熱解一氮化硼外層厚度從0.002到0.04英寸。
7.根據(jù)權(quán)利要求5的一氮化硼坩堝，其特征是雙涂層長(zhǎng)度可延伸為一氮化硼坩堝長(zhǎng)度的10%到80%。
8.根據(jù)權(quán)利要求5的一氮化硼坩堝，其特征是雙涂層在坩堝的開口端外表面上延伸為一氮化硼坩堝長(zhǎng)度的10%到80%。
9.根據(jù)權(quán)利要求8的一氮化硼坩堝，其特征是熱解石墨襯層厚度從0.001到0.1英寸，熱解一氮化硼外層厚度從0.002到0.04英寸。
全文摘要
一種具有一個(gè)封閉端，一個(gè)開口端，一個(gè)內(nèi)表面和一個(gè)外表面的一氮化硼坩堝，其特征是至少有一部分外表面優(yōu)選為靠近坩堝開口端上有包括一層熱解石墨襯層和一層熱解一氮化硼外層的雙涂層。還公開了一種用于制造該一氮化硼坩堝的方法。
文檔編號(hào)C23C14/24GK1058091SQ9110464
公開日1992年1月22日 申請(qǐng)日期1991年6月5日 優(yōu)先權(quán)日1990年6月6日
發(fā)明者R·J·芬尼克爾 申請(qǐng)人:聯(lián)合碳化涂料服務(wù)技術(shù)公司