RU2684128C1 - Article with silicon carbide coating and method for manufacturing of article with silicon carbide coating - Google Patents

Abstract

FIELD: manufacturing technology.SUBSTANCE: group of inventions relates to thermal protection, optical and antioxidant coatings and can be used to increase chemical inertia, operating temperature of articles and to create special optical coatings used in aerospace industry, fuel and energy complex, in chemical industry, electronic industry, etc. Product comprises base from material, melting point of which exceeds 950 °C, and two-layer coating of silicon carbide on its surface. Two-layer silicon carbide coating consists of a lower layer of silicon carbide with a nanoporous spongy structure and a coating layer of silicon carbide with a mono- or polycrystalline structure. Method of making article containing base of material, melting point of which exceeds 950 °C, with two-layer coating of silicon carbide on its surface, consisting of lower layer of silicon carbide with nanoporous spongy structure and located on it coating layer of silicon carbide with mono- or polycrystalline structure. Preliminary on the surface of said base of the article a precursor layer of silicon is applied, then the article is placed in a vacuum furnace, thereafter, carbon monoxide is fed into the vacuum furnace and said coating is formed to allow thermochemical heterogeneous reaction of the deposited silicon with carbon monoxide.EFFECT: improved properties of coating from silicon carbide due to characteristics of its layers, namely lower layer, having damping properties, and upper layer with high degree of crystallinity and continuity, wherein when forming two-layer coatings, total thickness of coating is increased.6 cl, 5 dwg

Description

Группа изобретений относится к области термозащитных, оптических и антиокислительных покрытий, и может быть использована для повышения химической инертности, температуры эксплуатации изделий и создания специальных оптических покрытий, используемых в авиакосмической промышленности, топливо-энергетическом комплексе, в химической промышленности, электронной промышленности и др. Изобретение позволяет наносить как толстые слои карбида кремния на поверхность изделия, так и качественные низкодефектные тонкие покрытия карбида кремния, пригодные для применения в электронных компонентах (светодиодах, СВЧ-транзисторах и др.) и оптоэлектронике.The group of inventions relates to the field of thermal protective, optical and antioxidant coatings, and can be used to increase chemical inertness, product operating temperature and create special optical coatings used in the aerospace industry, fuel and energy complex, in the chemical industry, electronic industry, etc. allows you to apply both thick layers of silicon carbide on the surface of the product, and high-quality low-defect thin coatings of silicon carbide, p igodnye for use in electronic components (light-emitting diodes, microwave transistors et al.) and optoelectronics.

Карбид кремния обладает целым рядом уникальных свойств, делающих его практически не заменимым при изготовлении различного рода термозащитных и антиокислительных покрытий. Кроме того, карбид кремния имеет высокий модуль упругости, что обеспечивает его незначительную деформацию под нагрузкой, его плотность также не велика, теплопроводность превышает теплопроводность меди, его коэффициент термического расширения незначителен. Более того, у карбида кремния равен 1,4⋅10^-8 м/Вт, что от 2 до 10 раз меньше чем у ряда металлов, из которых изготовляют оптические зеркала, в частности меньше чем у меди, молибдена, алюминия, бериллия и целого ряда других материалов. Это позволяет использовать покрытия на основе карбида кремния, который сочетает удельную жесткость бериллия с температурной стабильностью лучших сверхнизкорасширяющихся материалов, для покрытия зеркал с качественно новыми свойствами, в частности, для зеркал космических телескопов и зеркал мощных лазеров. Исключительно благоприятное сочетание физико-механических и теплофизических свойств покрытий из карбида кремния позволяет свести к минимуму воздействие внешних источников размерной нестабильности зеркал, таких как гравитационное и температурное поля.Silicon carbide has a number of unique properties that make it practically indispensable in the manufacture of various kinds of thermal protective and antioxidant coatings. In addition, silicon carbide has a high modulus of elasticity, which ensures its slight deformation under load, its density is also not high, the thermal conductivity exceeds the thermal conductivity of copper, its thermal expansion coefficient is negligible. Moreover, silicon carbide is 1.4⋅10 ^-8 m / W, which is 2 to 10 times less than a number of metals from which optical mirrors are made, in particular less than that of copper, molybdenum, aluminum, beryllium and the whole a number of other materials. This makes it possible to use coatings based on silicon carbide, which combines the specific stiffness of beryllium with the temperature stability of the best ultralow-expanding materials, for coating mirrors with qualitatively new properties, in particular, for mirrors of space telescopes and mirrors of high-power lasers. The exceptionally favorable combination of physicomechanical and thermophysical properties of silicon carbide coatings minimizes the effects of external sources of dimensional instability of mirrors, such as gravitational and temperature fields.

Высокая стойкость карбида кремния к воздействию радиоактивных излучений позволит создавать покрытые карбидом кремния металлические контейнеры для хранения отработанного ядерного топлива.The high resistance of silicon carbide to the effects of radioactive radiation will allow the creation of metal containers coated with silicon carbide for the storage of spent nuclear fuel.

Высокая теплопроводность карбида кремния (для поликристаллического SiC - на уровне теплопроводности меди) позволит использовать покрытия на поверхности изделий, работающих в области значительных температурных нагрузок для их охлаждения. В частности, покрыв карбидом кремния изделие из сапфира (Al₂O₃), обладающего относительно низкой теплопроводностью, можно значительно повысить эксплуатационные характеристики сапфирового изделия.High thermal conductivity of silicon carbide (for polycrystalline SiC - at the level of thermal conductivity of copper) will allow the use of coatings on the surface of products operating in the region of significant temperature loads for their cooling. In particular, by coating silicon carbide with a sapphire (Al ₂ O ₃ ) product having a relatively low thermal conductivity, it is possible to significantly increase the performance of a sapphire product.

Таким образом, область применения заявляемого изобретения весьма обширна, поскольку, как будет раскрыто ниже, заявляемый способ не зависит от природы материала основы изделия.Thus, the scope of the claimed invention is very extensive, because, as will be described below, the claimed method does not depend on the nature of the base material of the product.

В контексте данной заявки термин "изделие" понимается в самом широком смысле. Это может быть: трехмерная неделимая конструкция (деталь); плоская пластина; профилированный или гнутый лист, в том числе как часть фигурной оболочки или кожуха; трубчатое изделие и т.д.In the context of this application, the term "product" is understood in its broadest sense. It can be: three-dimensional indivisible design (detail); flat plate; profiled or bent sheet, including as part of a curly shell or casing; tubular product, etc.

Термин "температура плавления" в данной заявке используется не только в строго научном понимании как температура фазового перехода, при которой твердое кристаллическое тело совершает переход в жидкое состояние, но и в значении, применимом для аморфных тел (например, стекло, керамика, композитные материалы и т.д.), у которых как известно нет точки плавления и термин применяется по аналогии, и соответствует температуре начала размягчения (см. Интернет-справочник Thermalinfo.ru, страница http://thermalinfo.ru/svojstva-materialov/keramika-i-steklo/temperatura-plavleniya-stekla).The term "melting point" in this application is used not only in a strictly scientific sense as the temperature of a phase transition at which a solid crystalline body makes a transition to a liquid state, but also in a value applicable to amorphous bodies (for example, glass, ceramics, composite materials and etc.), for which, as you know, there is no melting point and the term is used by analogy, and corresponds to the temperature of the onset of softening (see Thermalinfo.ru Internet Reference, page http://thermalinfo.ru/svojstva-materialov/keramika-i -steklo / temperatura-plavleniya-stekla).

Известные методы получения покрытий карбида кремния на различных материалах можно условно разбить на две группы. Методы первой группы используют физико-химические процессы, в которых кремний и углерод для образования карбида кремния подают в зону синтеза в виде химических соединений или пара: гидриды, галогениды, и др. [см., например, Авторское свидетельство СССР №145106]. То есть используют «внешние» источники вещества.Known methods for producing silicon carbide coatings on various materials can be divided into two groups. The methods of the first group use physicochemical processes in which silicon and carbon for the formation of silicon carbide are fed into the synthesis zone in the form of chemical compounds or steam: hydrides, halides, etc. [see, for example, USSR Author's Certificate No. 145106]. That is, they use "external" sources of matter.

Другая группа способов использует «внутренние» источники, т.е. источником вещества, образующего карбид кремния, является сам материал (основа), на котором осуществляют рост карбида кремния. Например, в патенте RU 2363067 в качестве источника кремния используется именно кремниевая подложка, в приповерхностном слое которой формируют слой карбида кремния путем отжига в атмосфере газа СО или СO₂ или их смеси. В результате на поверхности подложки вырастает тонкая пленка SiC. Также известен способ получения пленки карбида кремния на кремнии [Haq K.Е., Khan I.Н. Surface Characteristics and Electrical Conduction of β-SiC Films Formed by Chemical Conversion. Journal of Vacuum Science and Technology, (1970) 7(4), 490-493. doi: 10.1116/1.1315373] при котором кремниевую подложку нагревают при температурах от 950°С в атмосфере С₂Н₂, в результате чего на поверхности образуется пленка SiC. Недостатки подобных методов заключаются в том что, во-первых, они позволяют выращивать пленки карбида кремния только на поверхности изделий из кремния и, во-вторых, только плёнки небольшой толщины (до нескольких сотен нанометров). Another group of methods uses "internal" sources, i.e. the source of the silicon carbide forming material is the material itself (base) on which silicon carbide is grown. For example, in the patent RU 2363067, the silicon substrate is used as the silicon source, in the surface layer of which a silicon carbide layer is formed by annealing in the atmosphere of CO or CO ₂ gas or a mixture thereof. As a result, a thin SiC film grows on the surface of the substrate. Also known is a method of producing a silicon carbide film on silicon [Haq K.E., Khan I.N. Surface Characteristics and Electrical Conduction of β-SiC Films Formed by Chemical Conversion. Journal of Vacuum Science and Technology, (1970) 7 (4), 490-493. doi: 10.1116 / 1.1315373] in which the silicon substrate is heated at temperatures from 950 ° C in an atmosphere of C ₂ H ₂ , resulting in the formation of a SiC film on the surface. The disadvantages of such methods are that, firstly, they allow the growth of silicon carbide films only on the surface of silicon products and, secondly, only films of small thickness (up to several hundred nanometers).

Во всех этих источниках описано изделие в виде пластины (подложки) покрытием (нанесенным слоем) карбида кремния.All of these sources describe the product in the form of a plate (substrate) coating (coated layer) of silicon carbide.

Однако карбид кремния наносится на основу не только с целью получения изделий микроэлектроники. Широко известны методы защиты и/или упрочнения поверхностей изделия путем нанесения различных защитных покрытий, в том числе покрытий из карбида кремния (SiC). Так известен Способ нанесения газоплотного покрытия из карбида кремния, описанный в патенте RU 2601049, направленный на повышение термоокислительной прочности покрываемых деталей из различных материалов. Способ включает следующие стадии: размещение изделия из высокотемпературного материала в тепловой зоне печи; подачу к поверхности изделия газообразного кремнийсодержащего компонента и газообразных углеводородов. При этом для получения кремнийсодержащего компонента используют расплав кремния, помещенного в тигле в тепловой зоне печи. После выдержки изделия в печи в указанной смеси газовых реагентов в течение заданного времени и последующего охлаждения изделия получают изделие, с покрытием из карбида кремния. However, silicon carbide is applied to the base not only for the purpose of obtaining microelectronics products. Widely known are methods for protecting and / or hardening product surfaces by applying various protective coatings, including silicon carbide (SiC) coatings. So known is the Method of applying a gas-tight coating of silicon carbide, described in patent RU 2601049, aimed at increasing the thermo-oxidative strength of coated parts from various materials. The method includes the following stages: placing the product from high-temperature material in the thermal zone of the furnace; supplying a gaseous silicon-containing component and gaseous hydrocarbons to the surface of the product. In this case, to obtain a silicon-containing component using a molten silicon placed in a crucible in the thermal zone of the furnace. After holding the product in an oven in the specified mixture of gas reagents for a predetermined time and subsequent cooling of the product, the product is obtained, coated with silicon carbide.

В качестве прототипа заявляемого способа принят описанный в патенте US 9418840 способ изготовления полупроводникового устройства на основе карбида кремния, при котором эпитаксиальная пленка на основе карбида кремния выращивается на полупроводниковой подложке на основе карбида кремния методом химического осаждения из паров с использованием атмосферы смешанного газа, состоящей из кремнийсодержащего газа, углеродсодержащего газа и хлорсодержащего газа. Этот способ позволяет формировать двухслойную структуру SiC на поверхности подложки. Наличие двух слоев обусловлено тем, что их As a prototype of the proposed method, a method for manufacturing a silicon carbide-based semiconductor device described in US Pat. gas, carbon-containing gas and chlorine-containing gas. This method allows the formation of a two-layer structure of SiC on the surface of the substrate. The presence of two layers is due to the fact that their

формирование происходит в два этапа, на каждом из которых используются различные ростовые режимы роста. На первом этапе выбирают условия в реакторе, обеспечивающие постепенное нарастание скорости роста пленки SiC в процессе синтеза от единиц до десятков мкм/час, тогда как на втором этапе пленка SiC формируется при постоянных условиях, которые обеспечивают высокие скорости осаждения (вплоть до 75-90 мкм/час). Недостатками этого способа является то, что, во-первых, способ требует нагрева до высоких температур 1600-1650С (а значит, повышенного расхода энергии), и, во-вторых, способ обеспечивает нанесение пленки карбида кремния только на собственные подложки, то есть на подложки карбида кремния 4H-SiC.the formation takes place in two stages, at each of which different growth modes of growth are used. At the first stage, the conditions in the reactor are selected that provide a gradual increase in the growth rate of the SiC film during the synthesis from units to tens of microns / hour, while at the second stage the SiC film is formed under constant conditions that provide high deposition rates (up to 75-90 microns /hour). The disadvantages of this method are that, firstly, the method requires heating to high temperatures of 1600-1650C (and therefore, increased energy consumption), and, secondly, the method provides the deposition of a film of silicon carbide only on its own substrate, that is, on silicon carbide substrates 4H-SiC.

В качестве прототипа заявляемого изделия принято описанное в патенте US 9418840 полупроводниковое устройство на основе карбида кремния, содержащее двухслойную эпитаксиальную пленку на основе карбида кремния, выращенную на полупроводниковой подложке на основе карбида кремния методом химического осаждения из паровой фазы с использованием атмосферы смешанного газа, состоящей из кремнийсодержащего газа, углеродсодержащего газа и хлорсодержащего газа. Различия в режимах синтеза каждого из слоев ведут к тому, что свойства слоев, в частности, кристаллическое совершенство пленки и количество дефектов - различны. Оба слоя имеют одинаковую структуру (4H-SiC), являются сплошными, и отличаются только кристаллическим совершенством и степенью дефектности. Первый слой, прилегающий к исходной подложке, более дефектен, и распределение дефектов в нем имеет неоднородный по толщине характер ввиду изменяющихся в процессе роста условий, тогда как второй слой более совершенен с точки зрения кристаллической структуры и имеет равномерное распределение дефектов по толщине.As a prototype of the claimed product, a silicon carbide-based semiconductor device described in US 9418840 is used, comprising a silicon carbide-based two-layer epitaxial film grown on a silicon carbide-based semiconductor substrate by chemical vapor deposition using a mixed gas atmosphere consisting of a silicon-containing gas, carbon-containing gas and chlorine-containing gas. Differences in the synthesis modes of each of the layers lead to the fact that the properties of the layers, in particular, the crystalline perfection of the film and the number of defects, are different. Both layers have the same structure (4H-SiC), are continuous, and differ only in crystalline perfection and degree of imperfection. The first layer adjacent to the initial substrate is more defective, and the distribution of defects in it has a nonuniform thickness due to conditions changing during growth, while the second layer is more perfect from the point of view of the crystal structure and has a uniform distribution of defects over the thickness.

Как отмечено выше в прототипе осуществляется формирование покрытия SiC на поверхности основы изделия, осуществляемое из газовых реагентов, находящихся в печи. Синтез покрытия из газовой фазы принципиально не позволят получать монокристаллические пленки на ряде изделий, например, на сапфировых подложках. Монокристаллические пленки имеют низкодефектную структуру и обладают лучшими теплоизоляционными, оптическими и электрофизическими характеристиками по сравнению с поликристаллическими пленками SiC. Это связано с тем, что при прямом осаждении из газовой фазы кремнийсодержащего газа и газообразных углеводородов на сапфир, может образоваться только поликристаллическая пленка карбида кремния, а поскольку симметрия кристаллических решеток карбида кремния и сапфира различна, и параметры решеток отличаются на 10%, полученная пленка неизбежно имеет трещины, дислокации и кристаллические двойники. В процессе получения SiC по способу, предложенному в патенте US 9418840 принципиально не может быть получен полностью стехиометрический карбид кремния, свободный от примесей углерода, кремния и ряда других веществ. Примеси изменяют свойства карбида кремния, такие как температура плавления, химическая стойкость, твердость. В патенте US 9418840 подробно рассматривается осаждение карбида кремния только на подложки карбида кремния политипа 4Н. При осаждении на другие материалы из-за существенного различия свойств (химический состав, симметрия решетки, параметры решетки, коэффициенты термического расширения материалов изделия и карбида кремния) на границе раздела покрытие - изделие неизбежно возникают дефекты роста (трещины, поры, дислокации), дефекты, связанные с взаимодействием между углерод содержащим газом и изделием, приводящие к образованию новыхAs noted above in the prototype, the formation of the SiC coating on the surface of the base of the product is carried out from gas reagents in the furnace. Synthesis of coatings from the gas phase will fundamentally not allow obtaining single-crystal films on a number of products, for example, on sapphire substrates. Single-crystal films have a low-defect structure and have better thermal insulation, optical, and electrophysical characteristics compared to polycrystalline SiC films. This is due to the fact that when a silicon-containing gas and gaseous hydrocarbons are directly deposited from the gas phase on sapphire, only a polycrystalline silicon carbide film can form, and since the symmetry of the crystal lattices of silicon carbide and sapphire is different, and the lattice parameters differ by 10%, the resulting film is inevitable has cracks, dislocations and crystalline twins. In the process of producing SiC according to the method proposed in US Pat. Impurities alter the properties of silicon carbide, such as melting point, chemical resistance, hardness. US Pat. No. 9,418,840 details the deposition of silicon carbide only on substrates of 4H polytype silicon carbide. When deposited on other materials due to a significant difference in properties (chemical composition, lattice symmetry, lattice parameters, thermal expansion coefficients of the product materials and silicon carbide) at the coating-product interface, growth defects (cracks, pores, dislocations) inevitably occur, defects, associated with the interaction between the carbon-containing gas and the product, leading to the formation of new

нежелательных химических соединении на границе раздела покрытие -изделие. Для того, чтобы преодолеть эту проблему, необходимо предварительно наносить на изделие различные демпфирующие буферные слои, то есть, необходимо вносить изменения в технологию, описанную в US 9418840.undesirable chemical compounds at the coating-product interface. In order to overcome this problem, it is necessary to first apply various damping buffer layers to the product, that is, it is necessary to make changes to the technology described in US 9418840.

В основу изобретения поставлена задача расширения арсенала средств и создания нового изделия, основа которого изготовлена из материала с высокой температурой плавления (выше 950°С) с высококачественным покрытием карбида кремния и соответствующего способа нанесения покрытия карбида кремния на поверхность этого изделия вне зависимости от природы материала основы. Достигаемый технический результат - улучшение свойств покрытия карбида кремния за счет его двухслойности, а именно, покрытия с нижним слоем (на границе раздела), обладающим демпфирующими свойствами, и верхним слоем с повышенной степенью кристалличности и сплошности, а при формировании нескольких двухслойных покрытий -повышение общей толщины покрытия.The basis of the invention is the task of expanding the arsenal of tools and creating a new product, the basis of which is made of a material with a high melting point (above 950 ° C) with a high-quality coating of silicon carbide and the corresponding method of coating silicon carbide on the surface of this product, regardless of the nature of the base material . The technical result achieved is an improvement in the properties of the silicon carbide coating due to its bilayer, namely, a coating with a lower layer (at the interface) having damping properties and an upper layer with an increased degree of crystallinity and continuity, and, when several bilayer coatings are formed, an increase in the total coating thickness.

Поставленная задача в первом объекте изобретения решается тем, что изделие имеет основу из материала, температура плавления которого превышает 950°С, и двухслойное покрытие из карбида кремния на его поверхности. От прототипа отличается тем, что двухслойное покрытие из карбида кремния состоит из нижнего слоя из карбида кремния с нанопористой губчатой структурой, и расположенного на нем покрывающего слоя карбида кремния с моно- или поликристаллической структурой.The problem in the first object of the invention is solved in that the product has a base of material whose melting point exceeds 950 ° C, and a two-layer coating of silicon carbide on its surface. It differs from the prototype in that the two-layer coating of silicon carbide consists of a lower layer of silicon carbide with a nanoporous sponge structure, and a covering layer of silicon carbide with a single or polycrystalline structure located on it.

Изделие может иметь несколько двухслойных покрытий с чередованием слоев карбида кремния с нанопористой губчатой структурой со слоями карбида кремния с монокристаллическойThe product may have several two-layer coatings with alternating layers of silicon carbide with a nanoporous sponge structure with layers of silicon carbide with single crystal

структурой или, соответственно, с чередованием слоев карбида кремния с нанопористой губчатой структурой со слоями карбида кремния с поликристаллической структурой.structure or, respectively, with the alternation of layers of silicon carbide with a nanoporous sponge structure with layers of silicon carbide with a polycrystalline structure.

Поставленная задача во втором объекте изобретения - способе, решается тем, что способ изготовления изделия, содержащего основу материала, температура плавления которого превышает 950°С с двухслойным покрытием из карбида кремния на его поверхности, состоящим из нижнего слоя из карбида кремния с нанопористой губчатой структурой, и расположенного на нем покрывающего слоя карбида кремния с моно- или поликристаллической структурой, характеризуется тем, что предварительно на поверхность упомянутой основы изделия наносят слой-прекурсор из кремния, затем помещают изделие в вакуумную печь, после чего в вакуумную печь подают монооксид углерода и обеспечивают формирование упомянутого покрытия протеканием термохимической гетерогенной реакции нанесенного кремния с монооксидом углерода.The problem in the second object of the invention - the method, is solved by the fact that the method of manufacturing an article containing a base material whose melting point exceeds 950 ° C with a two-layer coating of silicon carbide on its surface, consisting of a lower layer of silicon carbide with a nanoporous sponge structure, and a silicon carbide coating layer located thereon with a mono- or polycrystalline structure, characterized in that a precursor layer of cr mniya, the product is then placed in a vacuum oven and then in a vacuum furnace supplied carbon monoxide formation and provide the flow of said coating applied thermochemical heterogeneous reaction of silicon with carbon monoxide.

Нанесение упомянутого слоя-прекурсора из кремния и осуществление последующей реакции нанесенного кремния с монооксидом углерода можно осуществлять неоднократно.The application of the said silicon precursor layer and the subsequent reaction of the supported silicon with carbon monoxide can be carried out repeatedly.

Возможна дополнительная подача в вакуумную печь газа силана (SiH₄) или трихлорсилана (SiHCl₃)Additional feed of silane (SiH ₄ ) or trichlorosilane (SiHCl ₃ ) into the vacuum furnace is possible

После формирования покрытия из карбида кремния возможно дополнительное его химическое травление или вакуумный отжиг.After the formation of a silicon carbide coating, its additional chemical etching or vacuum annealing is possible.

Покрытие может быть сформировано на одной или нескольких поверхностях изделия, в том числе полностью покрывать основу изделия. Покрытие может быть сплошным или фрагментарным, то есть располагаться лишь над частью внешней поверхности основы изделия,The coating can be formed on one or more surfaces of the product, including completely covering the base of the product. The coating may be continuous or fragmentary, that is, located only above a part of the outer surface of the base of the product,

и выполнено с применением маскирования поверхности, не подлежащей обработке.and made using the masking of the surface, not subject to processing.

Нанесение слоя-прекурсора из кремния на поверхность основы изделия может быть обеспечено различными путями (в зависимости от требуемого кристаллического качества конечного слоя SiC, температуры плавления выбранного материала основы изделия и толщины требуемого слоя SiC). В качестве примеров, не имеющих какого-либо ограничительного характера, можно привести:The application of a precursor layer of silicon on the surface of the base of the product can be provided in various ways (depending on the desired crystalline quality of the final SiC layer, the melting temperature of the selected material of the base of the product and the thickness of the desired SiC layer). Examples of which are not of any restrictive nature include:

- методы газофазной эпитаксии, жидкофазной эпитаксии, золь-гель метод, метод плазмохимического газофазного осаждения,- methods of gas-phase epitaxy, liquid-phase epitaxy, sol-gel method, method of plasma-chemical gas-phase deposition,

- методы молекулярно-пучковой эпитаксии, магнетронного распыления, вакуумно-дугового испарения, ионно-лучевого распыления- methods of molecular beam epitaxy, magnetron sputtering, vacuum arc evaporation, ion beam sputtering

- окунание и вытягивание изделия из тигля с расплавом кремния- dipping and drawing products from a crucible with a molten silicon

Толщина наносимого слоя-прекурсора из кремния определяется, исходя из требуемой толщины SiC покрытия.The thickness of the applied silicon precursor layer is determined based on the desired thickness of the SiC coating.

Для того, чтобы лучше продемонстрировать отличительные особенности изобретения, в качестве примера, не имеющего какого-либо ограничительного характера, ниже описан предпочтительный вариант реализации применительно к изделию, основа которого выполнена в виде пластины. Примеры реализации иллюстрируется Фигурами чертежей, на которых представлено:In order to better demonstrate the distinguishing features of the invention, as an example, not having any restrictive character, the preferred embodiment is described below with reference to the product, the base of which is made in the form of a plate. Examples of implementation are illustrated by the figures of the drawings, which show:

Фиг. 1 - схематично представлены технологические этапы формирование покрытия SiC на всей поверхности основы изделия,FIG. 1 - schematically shows the technological steps of forming a SiC coating on the entire surface of the base of the product

Фиг. 2 - SEM-изображение внешней поверхности покрытия с поликристаллическим SiC,FIG. 2 - SEM image of the outer surface of the coating with polycrystalline SiC,

Фиг. 3 - SEM-изображение внешней поверхности покрытия монокристаллическим SiC,FIG. 3 - SEM image of the outer surface of the coating with single-crystal SiC,

Фиг. 4 - SEM-изображение поперечного среза изделия со сформированным покрытием (монокристаллический SiC),FIG. 4 - SEM image of a cross section of a product with a formed coating (monocrystalline SiC),

Фиг. 5 - микро-рамановские спектры поверхности изделия с нанесенным слоем-прекурсором (пунктирная линия) и поверхности изделия со сформированным покрытием (сплошная линия).FIG. 5 - micro-Raman spectra of the surface of the product with a precursor layer deposited (dashed line) and the surface of the product with the coating formed (solid line).

Для реализации способа, проиллюстрированного на Фиг. 1, на основу 1 изделия - плоскую пластину из сапфира размером 20×20×1 мм, любым приемлемым способом наносят слой-прекурсор 2 из кремния толщиной 670 нм. Затем полученную заготовку помещают в вакуумную печь. Внутренний объем печи нагревают в вакууме 10^-2-10^-3 Па до температуры порядка 950°С. Затем во внутренний объем печи подают газ СО (возможна подача СО в смеси с инертным газом - аргоном или ксеноном, а также в смеси с азотом или водородом, реагентом при этом остается СО) при обеспечении давления 200 Па и нагревают камеру печи до температуры 1290°С с сохранением потока СО и давления в печи. При этой температуре заготовку выдерживают в течение 20 минут, после чего откачивают газ, охлаждают печь и извлекают изделие с покрытием карбида кремния. Полученное покрытие карбида кремния состоит из сплошного слоя карбида кремния толщиной порядка 145 нм и нанопористого губчатого слоя карбида кремния толщиной 532 нм. Увеличение общей толщины слоя является естественной, поскольку в процессе превращения кремния в карбид кремния верхний тонкий слой уплотняется, а лежащий под ним слой становится более рыхлым, увеличиваясь в объеме.To implement the method illustrated in FIG. 1, the base 1 of the product is a flat sapphire plate with a size of 20 × 20 × 1 mm, using any suitable method, a silicon precursor layer 2 of 670 nm thick is applied. Then the resulting preform is placed in a vacuum oven. The internal volume of the furnace is heated in a vacuum of 10 ^-2 -10 ^-3 Pa to a temperature of about 950 ° C. Then, CO gas is supplied into the internal volume of the furnace (CO may be supplied in a mixture with an inert gas — argon or xenon, or in a mixture with nitrogen or hydrogen, while the reagent remains CO) with a pressure of 200 Pa and the furnace chamber is heated to a temperature of 1290 ° With maintaining the flow of CO and pressure in the furnace. At this temperature, the workpiece is kept for 20 minutes, after which the gas is pumped out, the furnace is cooled, and the product is coated with silicon carbide. The resulting silicon carbide coating consists of a continuous layer of silicon carbide with a thickness of about 145 nm and a nanoporous sponge layer of silicon carbide with a thickness of 532 nm. An increase in the total thickness of the layer is natural, since in the process of converting silicon to silicon carbide, the upper thin layer becomes denser, and the underlying layer becomes more loose, increasing in volume.

В отличие от прототипа, в котором в присутствии кремнийсодержащего, углеродсодержащего, и хлорсодержащихся газов синтезируется двусхслойное покрытие из SiC, состоящее из двух сплошных пленок, различающихся, помимо толщины, лишь степеньюIn contrast to the prototype, in which in the presence of silicon-containing, carbon-containing, and chlorine-containing gases, a two-layer coating of SiC is synthesized, consisting of two continuous films, differing, in addition to thickness, only by the degree

дефектности, в заявляемом способе в вакуумной печи формируется двухслойное покрытие (см. Фиг. 4) с покрывающим слоем 5 моно- или поликристаллического карбида кремния (см. Фиг. 2) и нижним слоем 4, имеющим нанопористую губчатую структуру, и прилегающим к основе 1 изделия.defects, in the inventive method, a two-layer coating is formed in a vacuum oven (see Fig. 4) with a coating layer 5 of mono-or polycrystalline silicon carbide (see Fig. 2) and a lower layer 4 having a nanoporous sponge structure and adjacent to the base 1 products.

Иная структура покрытия обуславливается иными, происходящими в печи процессами.A different coating structure is determined by other processes occurring in the furnace.

В основе процесса модификации слоя-прекурсора Si и превращения его в двухслойное покрытие SiC лежит термохимическая гетерогенная реакция замещения между кремнием и газом СО:The process of modifying the Si precursor layer and transforming it into a two-layer SiC coating is based on the thermochemical heterogeneous substitution reaction between silicon and CO gas:

Механизм роста покрытия SiC методом замещения принципиально отличается от механизма выращивания пленок SiC методом осаждения из газовой фазы. Если пленка SiC осаждается из газовой фазы на поверхность, параметры решетки которой отличаются от параметров решетки SiC более чем на 4%, то из-за возникающих упругих напряжений возникают деформации, которые приводят к образованию дислокаций, пор или трещин. На аморфной подложке может осаждается только поликристаллическая пленка, зерна которой разориентированы друг относительно друга и между ними находится плоскости, в пространства между которыми легко может проникать окислитель, кислород или любой другой реагент.The growth mechanism of the SiC coating by the substitution method is fundamentally different from the growth mechanism of SiC films by the vapor deposition method. If a SiC film is deposited from the gas phase onto a surface whose lattice parameters differ from the SiC lattice parameters by more than 4%, deformations arise due to elastic stresses that lead to the formation of dislocations, pores, or cracks. Only a polycrystalline film can be deposited on an amorphous substrate, the grains of which are misoriented relative to each other and there are planes between them, into the spaces between which an oxidizing agent, oxygen, or any other reagent can easily penetrate.

Совершенно иначе происходит рост покрытия SiC методом замещения атомов. Метод замещения атомов заключается в химической замене половины атомов кремния в элементарной кристаллической ячейке кремния слоя-прекурсора на ровно такое же число атомов углерода (С).In a completely different way, the growth of the SiC coating occurs by the atom substitution method. The atom substitution method consists in chemically replacing half of the silicon atoms in the silicon unit cell of the precursor layer with exactly the same number of carbon atoms (C).

Процесс замещения протекает без разрушения кремниевой матрицы. Это происходит благодаря тому, что реакция (1) протекает через рядThe substitution process proceeds without destroying the silicon matrix. This is due to the fact that reaction (1) proceeds through a series of

промежуточных стадий. На первой стадии реакции молекула СО, взаимодействует с поверхностью слоя-прекурсора Si n распадается на атом углерода и атом кислорода. Атом кислорода вступает в химическую реакцию с атомом Si, в результате которой образуется газ SiO. Газ SiO удаляется из системы, а на месте удаленного атома кремния, образуется вакансия. Освободившийся в результате химической реакции из молекулы СО активный (энергетически возбужденный) углерод смещается в междоузельную позицию в решетке кремния. Эту стадии можно записать в следующем виде:intermediate stages. At the first stage of the reaction, the CO molecule interacts with the surface of the precursor layer. Si n decomposes into a carbon atom and an oxygen atom. The oxygen atom enters into a chemical reaction with the Si atom, as a result of which the SiO gas is formed. SiO gas is removed from the system, and a vacancy is formed at the site of the removed silicon atom. Active (energetically excited) carbon freed up as a result of a chemical reaction from a CO molecule is shifted to the interstitial position in the silicon lattice. This stage can be written as follows:

где: V_Si - кремниевая вакансия.where: V _Si is a silicon vacancy.

Именно на этой стадии образуется промежуточная фаза так называемого «предкарбидного» кремния. Эта фаза представляет собой кремний, насыщенный парами дефектов. Как следует из (2) пары точечных дилатационных дефектов и V_Si образуются и исчезают всегда

. «Предкарбидный» кремний фактически представляет собой кремний, где каждый второй атом Si замещен реакцией (2) на атом С. Одна ячейка Si содержит, таким образом, четыре пары дилатационных дефектов, т.е. в «предкарбидном» кремнии уже все готово для превращения кремния в карбид кремния. Этот процесс превращения происходит на следующей стадии реакции, которая описывается уравнением (3)It is at this stage that the intermediate phase of the so-called “pre-carbide” silicon is formed. This phase is silicon saturated with pairs of defects. As follows from (2), pairs of point dilatation defects and V _Si are always formed and disappear

. “Pre-carbide” silicon is actually silicon, where every second Si atom is replaced by reaction (2) by the C atom. Thus, one Si cell contains four pairs of dilatation defects, i.e. in "pre-carbide" silicon, everything is already ready for the conversion of silicon into silicon carbide. This conversion process occurs in the next reaction stage, which is described by equation (3)

На этой стадии атомы углерода смещаются по направлению к кремниевым вакансиям, образуя карбид кремния. Итоговая гетерогенная реакция (1) получается суммированием стадий (2) и (3). Именно упругое взаимодействие между парами точечных дилатационных дефектов и V_Si и определяет кинетику реакции (1). Важно подчеркнуть, что фазовый переход первого рода (3) протекает без разрыва связей между атомами иAt this stage, carbon atoms are shifted towards silicon vacancies, forming silicon carbide. The resulting heterogeneous reaction (1) is obtained by summing the stages (2) and (3). It is the elastic interaction between pairs of point dilatation defects and V _Si that determines the kinetics of reaction (1). It is important to emphasize that the first-order phase transition (3) proceeds without breaking bonds between atoms and

образования новых связей, что фактически и обеспечивает высокое кристаллическое совершенство верхнего слоя образующегося карбида кремния. Такое превращение всегда сопровождается образованием пустот, так как объем ячейки Si в два раза больше объема ячейки SiC. Длина всех связей уменьшается на 20%, а именно с 2.35 нм до 1.88 нм. Таким образом, формируется двухслойное покрытие, а именно, плотный кристаллический верхний слой SiC и нанопористый с губчатой структурой нижний слой SiC. Константа химической реакции (3) примерно на два порядка выше константы химической реакции (2), поэтому стадия (3) протекает заметно позже стадии (2) и намного быстрее ее. Этим объясняется тот факт, что верхний слой покрытия SiC образуется достаточно однородный по толщине и без заметных пустот. Все пустоты оказываются в под верхним слоем SiC в нанопористой губчатой части покрытия SiC.the formation of new bonds, which in fact provides high crystalline perfection of the upper layer of the formed silicon carbide. Such a transformation is always accompanied by the formation of voids, since the volume of the Si cell is two times larger than the volume of the SiC cell. The length of all bonds decreases by 20%, namely from 2.35 nm to 1.88 nm. Thus, a two-layer coating is formed, namely, a dense crystalline upper layer of SiC and a nanoporous lower layer of SiC with a spongy structure. The chemical reaction constant (3) is approximately two orders of magnitude higher than the chemical reaction constant (2), therefore, stage (3) proceeds noticeably later than stage (2) and is much faster than it. This explains the fact that the upper layer of the SiC coating is formed quite uniform in thickness and without noticeable voids. All voids are found in under the upper layer of SiC in the nanoporous spongy part of the SiC coating.

Отметим, что для протекания реакции (2) необходимо наличие "свободного пространства" в ячейке кремния для размещения в нем атома углерода. Только один атом углерода может разместиться внутри этой ячейки. Именно поэтому могут быть замещены только четыре атома в решетке кремния, а не все его восемь атомов. Не может протекать даже более простая реакция размещения углеродного атома в каждой кристаллической ячейке кремния. Атомы углерода могут находиться внутри ячейки только в том, и том случае, если из ячейки кремния удален один атом кремния, т.е. ячейка содержит кремниевую вакансию. Причем точечные дефекты (углерод и вакансия) должны быть строго расположены вдоль определенного кристаллографического направления в Si [111] Только в этом случае, из-за упругого механического притяжения дилатационных дефектов их общая упругая энергия равна нулю. В противном случае и, вдоль других кристаллографических направлений в Si реакция (2) не происходит. Таким образом, реакция (2) не толькоNote that for the reaction (2) to occur, a “free space” in the silicon cell is necessary for placing a carbon atom in it. Only one carbon atom can be located inside this cell. That is why only four atoms in the silicon lattice can be substituted, and not all of its eight atoms. An even simpler reaction of placing a carbon atom in each silicon crystalline cell cannot proceed. Carbon atoms can be inside the cell only if and only if one silicon atom is removed from the silicon cell, i.e. the cell contains a silicon vacancy. Moreover, point defects (carbon and vacancy) must be strictly located along a certain crystallographic direction in Si [111] Only in this case, due to the elastic mechanical attraction of dilatation defects, their total elastic energy is zero. Otherwise and, along other crystallographic directions in Si, reaction (2) does not occur. Thus, reaction (2) is not only

"отбирает" нужные четыре атома Si, но и "выделяет" в пространстве кристалла одно единственное направление вдоль которого формируется будущая кристаллическая решетка SiC. Но реакции (2) недостаточно для перехода Si в SiC. Завершает процесс синтеза SiC реакция (3). При протекании реакции (3) важно то, что каждая пятая кристаллическая ячейка Si, образующаяся в результате этой реакции кристаллических ячеек SiC, практически точно (с точностью до 1%), совпадают с каждой четвертой кристаллической ячейкой Si. Вместо остальных кристаллических ячеек Si образуется губчатая нанопористая структура SiC, напоминающая вулканическую пемзу с порами, имеющими наноразмеры.“selects” the necessary four Si atoms, but also “selects” one single direction in the space of the crystal along which the future SiC crystal lattice is formed. But reaction (2) is not enough for the transition of Si to SiC. The synthesis of SiC is completed by reaction (3). In the course of reaction (3), it is important that every fifth crystalline cell of Si formed as a result of this reaction of crystalline cells of SiC almost exactly (with an accuracy of 1%) coincides with every fourth crystalline cell of Si. Instead of the remaining Si crystalline cells, a spongy nanoporous structure of SiC is formed, resembling volcanic pumice with pores having nanosizes.

Таким образом, в одном процессе одновременно образуется двухслойное покрытие содержащие плотную верхнюю часть и губчатую нанопористую нижнюю. В результате получается очень чистый стехиометрический SiC. В этом есть принципиальное отличие данного метода синтеза слоев SiC от всех других известных способов.Thus, in one process, a two-layer coating is simultaneously formed containing a dense upper part and a spongy nanoporous lower one. The result is a very pure stoichiometric SiC. This is the fundamental difference between this method of synthesis of SiC layers from all other known methods.

Кроме того, если слой-прекурсор кремния, нанесенный на основу, был сформирован монокристаллическим, что зависит от природы материала основы изделия, то и карбид кремния формируется монокристаллическим. Это принципиально отличает данный метод от других методов нанесения покрытия, поскольку получить монокристаллическое покрытие SiC методом осаждения из газовой фазы на чужеродной, по отношению к материалу SiC подложки практически не представляется возможным, как уже отмечено выше. Всегда будут образовываться трещины, поры и другие дефекты.In addition, if the silicon precursor layer deposited on the base was formed single-crystal, which depends on the nature of the base material of the product, then silicon carbide is formed single-crystal. This fundamentally distinguishes this method from other coating methods, since it is practically impossible to obtain a single-crystal SiC coating by gas deposition on a foreign phase with respect to the SiC substrate material, as already noted above. Cracks, pores and other defects will always form.

Кроме того, даже если при формировании слоя-прекурсора образован поликристаллический кремний, что также является следствием природы материала основы, то поскольку, как было сказано выше, реакция (2), выделяет в пространстве кристалла (в случае поликристалла в микроIn addition, even if polycrystalline silicon is formed during the formation of the precursor layer, which is also a consequence of the nature of the base material, since, as was said above, reaction (2) releases in the crystal space (in the case of a polycrystal in micro

кристаллите) одно единственное направление вдоль которого формируется будущая кристаллическая решетка SiC, на подложке вырастает текстура, т.е. зерна SiC имеют большее упорядочение, чем пленка исходного кремния слоя-прекурсора.crystallite) one single direction along which the future SiC crystal lattice is formed, the texture grows on the substrate, i.e. SiC grains are more ordered than the film of the initial silicon of the precursor layer.

Авторами установлено, что реакция взаимодействия СО с кремнием идет до глубин не более 250 нм, а затем прекращается, что обусловлено физическими процессами проникновения газа СО в кристаллическую решетку кремния. Именно поэтому, если требуемая толщина слоя SiC превышает 250 нм, необходимо повторять процедуру нанесения слоев-прекурсоров (толщиной до 250 нм) на уже сформированные двухслойные покрытия SiC и последующую их модификацию в вакуумной печи в присутствии СО до достижения необходимой толщины слоистого покрытия.The authors found that the reaction of the interaction of CO with silicon goes to a depth of not more than 250 nm, and then stops, which is due to the physical processes of penetration of the CO gas into the crystal lattice of silicon. That is why, if the required SiC layer thickness exceeds 250 nm, it is necessary to repeat the procedure of applying precursor layers (up to 250 nm thick) to already formed two-layer SiC coatings and their subsequent modification in a vacuum furnace in the presence of CO until the required thickness of the layered coating is reached.

При осуществлении реакции в вакуумной печи помимо газа СО в печь дополнительно может подаваться любой кремний содержащий газ, разлагающийся на кремний и другие компоненты, при температуре выше 950°С. Таким газом, например, может быть силан (SiH₄) или трихлорсилан (SiHCl₃)When carrying out the reaction in a vacuum furnace, in addition to CO gas, any silicon containing gas decomposing into silicon and other components can be additionally supplied to the furnace at temperatures above 950 ° C. Such a gas, for example, may be silane (SiH ₄ ) or trichlorosilane (SiHCl ₃ )

Присутствие газа силана или трихлорсилана в системе позволяет предотвращает возможное испарение кремния с поверхности слоя Si, еще не успевшего превратиться в Si на стадии протекания реакции (3), поскольку в момент усадки может происходить выброс атомов в газовую фазу. Кроме того, добавочный Si из силана или трихлорсилана позволяет делать поверхность слоя SiC более гладкой, подавляя все возможные флуктуации и, в частности, температуры, возникающие в реакторе в процессе синтеза.The presence of a silane gas or trichlorosilane in the system prevents the possible evaporation of silicon from the surface of a Si layer that has not yet had time to turn into Si at the stage of reaction (3), since atoms can be released into the gas phase at the time of shrinkage. In addition, the addition of Si from silane or trichlorosilane allows you to make the surface of the SiC layer smoother, suppressing all possible fluctuations and, in particular, the temperatures that arise in the reactor during the synthesis.

В вакуумной печи дополнительно осаждаемый из силана кремний также модифицируется в SiC, в результате чего поверхностный слой становится более гладким и плотным.In a vacuum furnace, silicon further deposited from silane is also modified in SiC, as a result of which the surface layer becomes smoother and denser.

Процесс нанесения слоев-прекурсоров кремния на уже сформированное покрытие и последующая модификация в присутствии СО может проводится в одной и той же печи, например, путем попеременной, разделенной во времени циклической подачи газа силана (SiH₄) (или трихлорсилана (SiHCl₃), из которого на поверхность осаждается кремний с целью формирования слоя-прекурсора, что существенно сокращает время, необходимое для формирования многослойных покрытий карбида кремния ввиду отсутствия необходимости остужать/перемещать изделие в другую печь.The process of deposition of silicon precursor layers on an already formed coating and subsequent modification in the presence of CO can be carried out in the same furnace, for example, by alternating, cyclically divided in time, gas feed of silane (SiH ₄ ) (or trichlorosilane (SiHCl ₃ ), from which silicon is deposited on the surface in order to form a precursor layer, which significantly reduces the time required for the formation of multilayer coatings of silicon carbide due to the absence of the need to cool / move the product to another furnace.

Приведенные в примере реализации режимы осуществления способа (температура, временные интервалы, давление) получены экспериментальным путем и могут варьироваться в определенных пределах. Так, например, давление в печи может варьироваться в интервале 20-600 Па, температура во внутреннем объеме печи 950-1410°С, время протекания реакции 8-60 мин. Конкретные параметры зависят от многих факторов (материал основы изделия, задаваемая толщина покрытия и его свойства, толщина слоя-прекурсора и т.д.)The modes of implementation of the method described in the example of implementation (temperature, time intervals, pressure) were obtained experimentally and can vary within certain limits. So, for example, the pressure in the furnace can vary in the range of 20-600 Pa, the temperature in the internal volume of the furnace is 950-1410 ° C, the reaction time is 8-60 minutes. The specific parameters depend on many factors (product base material, specified coating thickness and its properties, precursor layer thickness, etc.)

Ввиду того, что материал основы изделия не принимает прямого участия в формировании покрытия, он может быть любым. Ограничение перечня материала основы определяется температурой плавления - выше 950°С. Кроме упомянутого сапфира это может быть кварц, графит, вольфрам, железо, титан, платина, цирконий, молибден, корунд, карбиды металлов, различные стали и сплавы, керамика, металлокерамики и т.д.Due to the fact that the base material of the product does not directly participate in the formation of the coating, it can be any. The restriction of the list of base material is determined by the melting temperature - above 950 ° C. In addition to the sapphire mentioned, it can be quartz, graphite, tungsten, iron, titanium, platinum, zirconium, molybdenum, corundum, metal carbides, various steels and alloys, ceramics, cermets, etc.

Однако, как отмечено выше, материал основы влияет на кристаллическую структуру исходного осаждаемого слоя-прекурсора, и как следствие - на структуру покрывающего (верхнего) слоя.However, as noted above, the base material affects the crystalline structure of the initial deposited precursor layer, and as a consequence, the structure of the covering (upper) layer.

Геометрическая форма основы изделия также не регламентирована и может быть плоской или трехмерной.The geometric shape of the base of the product is also not regulated and can be flat or three-dimensional.

Изделия с поверхностным слоем карбида кремния, изготовленные по описанному выше Примеру, были исследованы методами оптической микроскопии, сканирующей электронной микроскопии, рамановской спектроскопии. Структура покрытия представлена на снимках сканирующей электронной микроскопии (Фиг. 2). Верхний слой, как видно из микрофотографий, сплошной и покрыт характерными для роста кристаллов (кириллические друзы) гранями с размером порядка 50-100 нм. Под этим слоем виден нижний слой, а именно нанопористая губчатая структура SiC (Фиг. 4). Из Фиг. 4, видно, что общая толщина покрытия SiC составила порядка 677 нм. Фиг. 5 показывает микро-рамановские спектры поверхности изделия: с нанесенным слоем-прекурсором кремния до модификации в печи (пунктирная линия -Si) и сформированного покрытия (сплошная линия - в спектре доминирует линия SiC кубического политипа (~796 обр. см). Следует отметить, что на спектре представлено усреднение по области размером 50*50 мкм².Products with a surface layer of silicon carbide made according to the Example described above were investigated by optical microscopy, scanning electron microscopy, and Raman spectroscopy. The structure of the coating is presented in photographs of scanning electron microscopy (Fig. 2). The upper layer, as can be seen from microphotographs, is continuous and covered with faces characteristic of crystal growth (Cyrillic drusen) with a size of about 50-100 nm. Below this layer, the lower layer is visible, namely the nanoporous spongy structure of SiC (Fig. 4). From FIG. 4, it can be seen that the total thickness of the SiC coating was about 677 nm. FIG. Figure 5 shows the micro-Raman spectra of the surface of the product: with a silicon precursor layer deposited before modification in the furnace (dashed line —Si) and formed coating (solid line — the SiC line of the cubic polytype (~ 796 obr. Cm) dominates in the spectrum. that the spectrum shows averaging over a region of size 50 * 50 μm ² .

После формирования двухслойного покрытия, при необходимости, поверхность изделия может быть подвергнута дополнительным операциям травления и термообработки, например, на воздухе при 500-800°С для удаления нежелательных загрязнений. В качестве жидких травителей могут быть использованы кислоты, например, азотная или хлорная кислоты, горячие щелочи, такие как KOH или NaOH. Обработка при кипячении в этих кислотах позволяет очистить поверхности карбида кремния от технологических загрязнений или немного отполировать (в KOH или NaOH). Возможно также и проведение дополнительной термообработки изделия при температурах до наименьшей из температур плавления материала изделия и карбида кремния (вакуумный отжиг) для воздействия на структурные особенности карбидокремниевой пленки.After the formation of a two-layer coating, if necessary, the surface of the product can be subjected to additional etching and heat treatment, for example, in air at 500-800 ° C to remove unwanted contaminants. As liquid etchants, acids, for example, nitric or perchloric acids, hot alkalis, such as KOH or NaOH, can be used. Boiling in these acids allows you to clean the surface of silicon carbide from technological impurities or a little polish (in KOH or NaOH). It is also possible to conduct additional heat treatment of the product at temperatures up to the lowest of the melting temperatures of the product material and silicon carbide (vacuum annealing) to affect the structural features of the silicon carbide film.

Таким образом, согласно заявляемому способу, было получено новое изделие, основа которого выполнена из материала с температурой плавления выше 950°С, на которую нанесено двухслойное покрытие из карбида кремния, сформированное путем протекания термохимической гетерогенной реакции предварительно нанесенного слоя-прекурсора кремния с монооксидом углерода и отличающееся тем, что двухслойное покрытие из карбида кремния состоит из нижнего слоя из карбида кремния с нанопористой губчатой структурой, и расположенного на нем покрывающего слоя карбида кремния с моно- или поликристаллической структурой. При этом нижний слой, имеющий нанопористую губчатую структуру, является демпфирующим, он компенсирует межрешеточные напряжения, возникающие между плотным покрывающий слоем поликристаллического карбида кремния и материалом основы.Thus, according to the claimed method, a new product was obtained, the base of which is made of a material with a melting point above 950 ° C, on which a two-layer coating of silicon carbide is deposited, formed by a thermochemical heterogeneous reaction of a previously applied silicon precursor layer with carbon monoxide and characterized in that the two-layer coating of silicon carbide consists of a lower layer of silicon carbide with a nanoporous sponge structure and a coating layer located on it silicon carbide with a single or polycrystalline structure. In this case, the lower layer having a nanoporous spongy structure is damping; it compensates for the interlattice stresses arising between the dense covering layer of polycrystalline silicon carbide and the base material.

Полученное двухслойное покрытие улучшает характеристики изделия в целом. В частности, наличие пор под сплошным слоем, уменьшает площадь контакта покрытия с материалом основы и приведет к еще большему уменьшению коэффициента термодеформаций, о котором говорилось выше, а верхний сплошной кристаллический слой повышает химическую и термическую стойкость изделия.The resulting two-layer coating improves the performance of the product as a whole. In particular, the presence of pores under a continuous layer reduces the contact area of the coating with the base material and will lead to an even greater decrease in the coefficient of thermal deformation, which was mentioned above, and the upper continuous crystalline layer increases the chemical and thermal resistance of the product.

Помимо этого, покрывающий слой может быть использован в качестве подложки для нанесения последующих слоев других материалов, в том числе в целях создания электронных компонент. Технология позволяет формировать толстые покрытия из карбида кремния, что зависит от числа операций по нанесению слоя-прекурсор и модификации в СО. Общая толщина покрытия вместе с нанопористым губчатым слоем при каждой операции может быть порядка 500-680 нм.In addition, the coating layer can be used as a substrate for applying subsequent layers of other materials, including in order to create electronic components. The technology allows the formation of thick coatings of silicon carbide, which depends on the number of operations for applying a precursor layer and modifications in CO. The total thickness of the coating together with the nanoporous spongy layer during each operation can be of the order of 500-680 nm.

Claims (6)

1. Изделие, содержащее основу из материала, температура плавления которого превышает 950°С, и двухслойное покрытие из карбида кремния на его поверхности, отличающееся тем, что двухслойное покрытие из карбида кремния состоит из нижнего слоя из карбида кремния с нанопористой губчатой структурой и расположенного на нем покрывающего слоя из карбида кремния с моно- или поликристаллической структурой.1. An article containing a base of material whose melting point exceeds 950 ° C and a two-layer coating of silicon carbide on its surface, characterized in that the two-layer coating of silicon carbide consists of a lower layer of silicon carbide with a nanoporous sponge structure and located on a coating layer of silicon carbide with a single or polycrystalline structure. 2. Изделие по п. 1, отличающееся тем, что оно содержит по меньшей мере два двухслойных покрытия.2. The product according to claim 1, characterized in that it contains at least two two-layer coatings. 3. Способ изготовления изделия, содержащего основу из материала, температура плавления которого превышает 950°С, с двухслойным покрытием из карбида кремния на ее поверхности, состоящим из нижнего слоя из карбида кремния с нанопористой губчатой структурой и расположенного на нем покрывающего слоя из карбида кремния с моно- или поликристаллической структурой, характеризующийся тем, что предварительно на поверхность упомянутой основы изделия наносят слой-прекурсор из кремния, затем помещают изделие в вакуумную печь, после чего в вакуумную печь подают монооксид углерода и обеспечивают формирование упомянутого покрытия протеканием термохимической гетерогенной реакции нанесенного кремния с монооксидом углерода.3. A method of manufacturing a product containing a base of material whose melting point exceeds 950 ° C, with a two-layer coating of silicon carbide on its surface, consisting of a lower layer of silicon carbide with a nanoporous sponge structure and a silicon carbide coating layer located on it with a mono- or polycrystalline structure, characterized in that a silicon precursor layer is first applied to the surface of said product base, then the product is placed in a vacuum oven, and then in a vacuum ech fed carbon monoxide formation and provide the flow of said coating applied thermochemical heterogeneous reaction of silicon with carbon monoxide. 4. Способ по п. 3, отличающийся тем, что нанесение упомянутого слоя-прекурсора из кремния и осуществление последующей реакции нанесенного кремния с монооксидом углерода осуществляют неоднократно.4. The method according to p. 3, characterized in that the application of the said precursor layer of silicon and the subsequent reaction of the deposited silicon with carbon monoxide is carried out repeatedly. 5. Способ по п. 3, отличающийся тем, что дополнительно в вакуумную печь подают газ силан или трихлорсилан.5. The method according to p. 3, characterized in that in addition to the vacuum furnace serves gas silane or trichlorosilane. 6. Способ по любому из пп. 3-5, отличающийся тем, что после формирования покрытия из карбида кремния дополнительно осуществляют его химическое травление или вакуумный отжиг.6. The method according to any one of paragraphs. 3-5, characterized in that after the formation of the coating of silicon carbide additionally carry out its chemical etching or vacuum annealing.

Images