石墨材料在蒸發源材料的研究現狀
隨著固態科技產(chan) 業(ye) 化的發展，固態薄膜在高技術領域的應用更加廣泛，集
成電路製造，磁記錄材料和器件，固體(ti) 發光材料和平板顯示器件的製造等都需要
薄膜製造技術。薄膜製造技術是多種多樣的，其中一種最普遍，應用最廣泛的薄
膜製造技術是真空蒸鍍技術。其主要應用包括各種包裝材料，電容器製造，顯像
管，高精度平板顯示技術，超晶格量子陷阱材料等，市場容量十分巨大。在真空
蒸鍍技術中，蒸發源是影響薄膜質量和製造成本的關(guan) 鍵。總的來說，金屬蒸鍍行
業(ye) 對蒸發源舟皿材料提出了許多方麵的要求：合適的電阻率範圍和電阻溫度係
數；優(you) 良的耐熱衝(chong) 擊性；優(you) 良的耐熔融金屬腐蝕性；高溫下與(yu) 熔融金屬良好潤濕
性；易機械加工性，足夠的強度等。
在早期的金屬蒸鍍行業(ye) 中，用於(yu) 蒸鍍金屬(例如鋁)的蒸發材料是碳一石
墨材料。這種蒸發源舟皿材料在使用過程中存在一些很難解決(jue) 的問題，如質量不
穩定，使用壽命較低等。究其主要原因，是對於(yu) 大多數金屬來說，碳。石墨蒸發
舟能與(yu) 許多金屬在高溫下發生反應生成碳化物造成開花、凸泡直至完全破壞，影
響了蒸發舟的使用壽命。為(wei) 了阻止碳與(yu) 金屬反應，提高坩堝的使用性能，國內(nei) 外
研究人員做了大量的工作。
1994年，黃建華【17】就石墨材料的有關(guan) 特性和鍍膜工藝對碳．石墨材料蒸發舟
的主要技術要求以及當時使用單位在操作上存在的問題做了綜述和探討，並利用
純度較高，比重較大，氣孔率較低，導電性較好的無定形碳作為(wei) 基體(ti) 材料，選擇
適當的配比，製備出了性能較好，壽命較長的碳一石墨蒸發舟。
1996年，王明華【I 8】通過一係列的試驗，研製出了浸漬硝酸鋁法提高石墨蒸
發舟使用壽命的新工藝。其基本原理是：利用真空加壓等方法將充填物壓入氣孔
中，由於(yu) 硝酸鋁易溶於(yu) 水，浸漬後，在製品氣孔中殘留的硝酸鋁經過加熱處理後，
發生分解反應生成的氧化鋁填充坩堝的氣孔，阻礙鋁液與(yu) 碳的反應，從(cong) 而延長了
石墨蒸發舟的使用壽命。經過測試表明，利用該法處理後，石墨蒸發舟的使用壽
命提高了30％左右。
1996年，國外研究人員【19】為(wei) 了提高石墨坩堝抗熔鋁腐蝕性，在蒸鍍熔融金
屬時所使用石墨坩堝表層通過改性處理，製成了使用壽命較長的蒸鍍用石墨坩
堝。該坩堝的特點是在坩堝表層的一部分或整個(ge) 表麵形成一層碳化矽薄膜，然後．
在此碳化矽的表麵再通過沉積處理和被覆一層碳化矽膜．這樣就形成雙層結構的
碳化矽。其中所形成的碳化矽是以B型碳化矽為(wei) 主要成分的。試驗在1450℃，
1 o-5toIT的真空下進行。熔化金屬鋁，並反複進行2小時的蒸鍍作業(ye) 後發現，未
經形成B型碳化矽處理的金屬蒸鍍用碳坩堝的使用壽命是42次，采用轉化法和
CVD法製的坩堝的壽命是70和75次，而形成雙層結構坩堝的壽命是90次。可
見其抗熔鋁的腐蝕性大大提高了。
由於(yu) 石墨坩堝易被氧化，不少人對其進行了改性處理。1999年，陳建[2州在
泥結石器坩堝坯料中，添加14％．16％左右的抗氧化添加劑(矽粉，矽鐵粉，玻
璃相等)，其抗氧化性提高43．7％．79％，效果明顯。2001年，肖雲(yun) 峰[21】等人在
石墨表麵等離子噴塗Nb、Mo，CaZr03，Zr02(v203)粉製備耐熱塗層，並測試了石
墨塗層的熱震穩定性，對塗層作了x射線衍射及掃描電鏡分析。結果表明，石
墨表麵等離子塗層經1600℃熱衝(chong) 擊，發現CaZrOs(Y203)，Mo／Zr02(Y203)複合塗
層附著強度大於(yu) 石墨基體(ti) 的斷裂強度，且阻碳效果明顯。
石墨材料作為(wei) 早期的蒸發舟材料在使用過程中存在許多無法解決(jue) 的問題。如
石墨在高溫下能與(yu) 許多金屬發生反應生成碳化物，特別在蒸鍍金屬鋁時，碳與(yu) 鋁
反應生成碳化鋁並伴有體(ti) 積膨脹導致坩堝出現龜裂，最終出現脆性斷裂。後來人
們(men) 發現BN對鋁液具有良好的耐腐蝕性，極小的耐熱衝(chong) 擊性能，易機械加工性，
高溫下對鋁液的潤濕角隨溫度的升高而減小瞄1。故BN是較為(wei) 理想的舟皿材料。
然而，BN具有高溫電絕緣性，若作為(wei) 蒸發器，必須給它外加熱源。這很容易想
到在BN外麵套一個(ge) 石墨容器，但是這個(ge) 雙坩堝係統存在一個(ge) 致命的缺點，當係
統加熱到1100,--1700℃時，熔融的鋁液從(cong) 裏麵的BN坩堝內(nei) 溢出，與(yu) 外麵的石墨
坩堝接觸反應生成碳化鋁，導致外坩堝炸裂，影響使用壽命。
由於(yu) 氮化硼本身不能導電，人們(men) 把目光轉向一種本身可以發熱導電，又耐高
溫腐蝕的複合材料。針對蒸鍍行業(ye) 提出的要求，對各種導電陶瓷進行篩選並進行
研究，發現硼化物中的TiB2是最有前途的導電相。將TiB2與(yu) BN製備成複相陶瓷，
根據複合材料的加和性，複相陶瓷可保持單相陶瓷的共有性質，因而BN．TiB，
複相陶瓷可保持二者共有的優(you) 良性能：即高溫下對熔融金屬良好的潤濕性、優(you) 良
的耐熔融金屬的腐蝕性以及優(you) 異的耐熱性。TiB2具有與(yu) 金屬相當的導電性能，其
電阻率範圍在9-30uflcm，而BN是優(you) 良的絕緣體(ti) ，通過控製二者之間的配比、
粒徑比、燒成時的溫度製度可獲得所需電阻率的複相導電陶瓷，製備成蒸鍍工業(ye)
中的蒸發舟，根據不同的使用要求其電阻率範圍可在100～1500uf!cm或更寬的範
圍問選擇。將TiB2與(yu) BN製備成複相陶瓷，由於(yu) BN的存在，其機械加工性能十
分優(you) 良，這在加工成蒸發舟時很重要。同時，由於(yu) BN的存在，使BN．TiB2複相
導電陶瓷具有優(you) 良的抗熱衝(chong) 擊性能。兩(liang) 者的熱膨脹係數相差較小，在蒸發舟的升
降溫的過程中熱應力較小。
1999年，陳淑權等【23】在BN．TiB2基導電蒸發舟中添加一定量的Si3N4，研究
了si3N4對導電蒸發舟電性能，耐腐蝕性能的影響。研究發現，添加適量的si3N4
能夠在保證電性能良好的基礎上，與(yu) 材料中的A1203，A玳形成SiMon材料和
TiB2一A1N．BN複合材料。材料的腐蝕破壞是舢對BN侵蝕反應造成的。由於(yu) SiMon
材料的存在，有效的阻止了鋁液對BN粒子的侵蝕，從(cong) 而大大改善了蒸發舟的抗
鋁腐蝕能力，延長了使用壽命。