CN109437148B - 由碳化硅长晶剩料制备高纯碳材料的方法 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种由碳化硅长晶剩料制备高纯碳材料的方法。该方法包括如下步骤：将碳化硅长晶剩料中的块状碳化硅多晶去除，获得粗料；将粗料中剩余的碳化硅多晶通过分解升华的方式去除，收集剩余的粗料即为高纯碳材料。所述分解升华的反应条件为：压强5‑50mbar、温度2000‑2500℃。本发明方法具有碳的纯度高、回收率高，方法简单易行，直接利用原有长晶坩埚设备进行，不需要添加新的工艺设备，为高纯碳材料的来源以及碳化硅长晶剩料的利用提供了一种新途径。

Description

由碳化硅长晶剩料制备高纯碳材料的方法

技术领域

本发明涉及碳材料提纯领域，具体说是一种由碳化硅长晶剩料制备高纯碳材料的方法。

背景技术

碳化硅单晶是最重要的第三代半导体材料之一，因其具有禁带宽度大、饱和电子迁移率高、击穿场强大、热导率高等优异性能，被广泛应用于电力电子、射频器件、光电子器件等领域。

目前，高质量SiC单晶的制备技术日趋成熟，但其成本过高仍制约着Si C晶体的广泛应用，因此，各国科研人员及碳化硅生产企业都通过制备更大尺寸的SiC晶体和节约其制备部件如石墨坩埚镀保护膜这两方面来努力实现SiC晶体成本的降低。然而，在碳化硅晶体生长中高纯保温材料也是非常昂贵的，碳化硅单晶的生长过程需要在温度达到2000℃左右下进行，晶体生长所用的保温材料通常采用石墨粘、石墨纸等耐高温的碳材料制备，在长晶过程中会有硅气氛扩散到保温材料附近，与保温材料反应进而造成保温材料的侵蚀，加速保温材料的损耗。当保温材料受到侵蚀后，保温材料的性能会受到影响，进而会造成长晶过程中温场的波动、温场的不均匀，诱发包裹体、微管、应力等一系列问题，影响晶体的质量和产量。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种由碳化硅长晶剩料制备高纯碳材料的方法，该方法具有碳的纯度高、回收率高，方法简单易行，直接利用原有长晶坩埚设备进行，不需要添加新的工艺设备，为高纯碳材料的来源以及碳化硅长晶剩料的利用提供了一种新途径。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

由碳化硅长晶剩料制备高纯碳材料的方法，包括如下步骤：

S1、将碳化硅长晶剩料中的块状碳化硅多晶去除，获得含有碳颗粒的粗料；

S2、将含有碳颗粒的粗料中剩余的碳化硅多晶通过分解升华的方式去除，收集剩余的含有碳颗粒的粗料即为高纯碳材料。

优选地，所述分解升华的反应在采用物理气相传输法进行碳化硅长晶坩埚中进行，使用位于所述坩埚顶部的种晶吸附所述分解升华的气体结晶。

优选地，所述种晶为碳材料(如石墨纸)或碳化硅材料(如碳化硅晶片)，优选使用碳材料如石墨纸，以降低成本。

优选地，步骤S1中，还包括对所述含有碳颗粒的粗料进行匀质化处理(如研磨)的步骤。

优选地，所述分解升华的反应条件为：压强5-50mbar、温度2000-2500℃。

优选地，所述分解升华的反应时间为：5-50h。

优选地，所述分解升华的反应是在氢气和惰性气体保护条件下进行的；

所述惰性气体为氩气、氦气及其他稀有气体中的一种或多种混合气体。

优选地，在所述坩埚中，所述含有碳颗粒的粗料与所述坩埚容积之比为(0.2-0.8):1。

优选地，在所述坩埚中，所述含有碳颗粒的粗料与所述坩埚顶部的距离为20-150cm。

优选地，在所述坩埚中，所述含有碳颗粒的粗料中碳化硅与碳的质量比为(0.05-1):1。

本发明保护上述任一所述的方法中得到的所述高纯碳材料及其在制备保温材料中的应用。

本发明的有益效果如下：

1、碳材料纯度高：由于碳化硅晶体，尤其是高纯碳化硅晶体对金属含量、N含量等杂质都有严格的要求，杂质元素浓度一般低于1E+13，因此碳化硅晶体生长后的剩料主要为碳化硅多晶及碳颗粒，杂质含量很低，因此经过本发明方法从含有碳颗粒的粗料中去除碳化硅多晶后，即可得到高纯碳材料；

2、方法简单易行：本发明在物理气相传输法进行碳化硅长晶坩埚内进行，不需要添加新的工艺设备和新的化学试剂；

3、工艺条件适宜：通过合理的工艺条件设置，使碳材料的纯度和回收率均较高。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为在碳化硅长晶坩埚内腔中各材料的放置方式。其中，1为坩埚，2为石墨纸，3为含有碳颗粒的粗料。

具体实施方式

实施例1、碳化硅长晶剩料制备高纯碳材料

碳化硅长晶剩料中除含有碳材料外，还含有一部分碳化硅多晶，需通过高温加热将碳化硅多晶去除，具体方法如下：

1)对碳化硅长晶剩料进行分类，将上部的大块的碳化硅多晶与底部碳化后的碳颗粒分开后去除大块的碳化硅多晶，获得含有碳颗粒的粗料；

2)将得到的含有碳颗粒的粗料(主要为碳颗粒，并含有一定量的碳化硅结晶)进行简单研磨后装入采用物理气相传输法进行碳化硅长晶的坩埚中，将坩埚放置于长晶炉内，放置方式与长晶过程相似，有区别的主要是使用石墨纸代替价格较高的籽晶，坩埚底部放置含有碳颗粒的粗料，具体放置方式如图1所示；

另外：所述坩埚中，所述含有碳颗粒的粗料与所述坩埚容积之比为0.6:1；所述含有碳颗粒的粗料与所述坩埚顶部的距离为30cm；所述含有碳颗粒的粗料中碳化硅与碳的质量比为0.1:1。

3)将坩埚及坩埚外包的保温结构依次放入生长炉中，并向坩埚腔室内通入保护气体(氢气和氩气混合气体)；

4)将坩埚生长腔室内的压强由一个大气压逐步降低至50mbar，同时将炉温逐步提升至2500℃；

5)当压强降至50mbar、温度提升至2500℃后，在此低压和温度下稳定50h，使碳化硅多晶分解、硅气氛与含碳气氛在轴向温梯的推动下，上升至坩埚上部，在石墨纸部分结晶；

6)之后自然冷却至室温，压力恢复至大气压；

7)将提纯后的碳颗粒进行研磨、过筛后，可得到高纯碳材料，该材料也可作为保温材料的内部填充物质。

结果：高纯碳材料的纯度为99％，回收率(高纯碳材料中碳的量占含有碳颗粒的粗料中碳的量的百分比)为95％。

实施例2、碳化硅长晶剩料制备高纯碳材料

按照实施例1的方法进行，不同之处在于：

步骤2)中，所述坩埚中，所述含有碳颗粒的粗料与所述坩埚容积之比为0.2:1；所述含有碳颗粒的粗料与所述坩埚顶部的距离为20cm；所述含有碳颗粒的粗料中碳化硅与碳的质量比为0.05:1；

步骤4)和5)中，坩埚生长腔室内的压强为5mbar、温度为2000℃后，在此低压和温度下稳定5h；

结果：高纯碳材料的纯度为99％，回收率为94％。

实施例3、碳化硅长晶剩料制备高纯碳材料

按照实施例1的方法进行，不同之处在于：

步骤2)中，所述坩埚中，所述含有碳颗粒的粗料与所述坩埚容积之比为0.8:1；所述含有碳颗粒的粗料与所述坩埚顶部的距离为150cm；所述含有碳颗粒的粗料中碳化硅与碳的质量比为1:1；

步骤4)和5)中，坩埚生长腔室内的压强为30mbar、温度为2300℃后，在此低压和温度下稳定30h；

结果：高纯碳材料的纯度为93％，回收率为92％。

对比例1、压强和温度对结果的影响

按照实施例3的方法进行，不同之处在于：

步骤4)和5)中，坩埚生长腔室内的压强为30mbar、温度为1800℃后，在此低压和温度下稳定30h；

结果：碳材料的纯度为75％，回收率为86％。结果表明，温度低于2000℃，获得的碳材料纯度明显降低。

对比例2、分解升华的反应时间对结果的影响

按照实施例3的方法进行，不同之处在于：

步骤4)和5)中，坩埚生长腔室内的压强为30mbar、温度为2300℃后，在此低压和温度下稳定3h；

结果：碳材料的纯度为80％，回收率为92％。结果表明，分解升华的反应时间低于5小时，获得的碳材料纯度明显降低。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (7)

1.由碳化硅长晶剩料制备高纯碳材料的方法，其特征在于，包括如下步骤：S1、将碳化硅长晶剩料中的块状碳化硅多晶去除，获得含有碳颗粒的粗料；

S2、将所述含有碳颗粒的粗料中剩余的碳化硅多晶通过分解升华的方式去除，收集剩余的所述含有碳颗粒的粗料即为高纯碳材料;

所述分解升华的反应在采用物理气相传输法进行碳化硅长晶坩埚中进行，使用位于所述坩埚顶部的种晶吸附所述分解升华的气体结晶；

步骤S1中，还包括对所述含有碳颗粒的粗料进行匀质化处理的步骤;

所述分解升华的反应条件为：压强5-50 mbar、温度2000-2500℃;

在所述坩埚中，所述含有碳颗粒的粗料与所述坩埚容积之比为(0.2-0.8):1;

在所述坩埚中，所述含有碳颗粒的粗料中碳化硅与碳的质量比为(0.05-1):1。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述种晶为碳材料或碳化硅材料。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述种晶为石墨纸。

4.如权利要求1 所述的方法，其特征在于：所述分解升华的反应时间为：5-50 h。

5.如权利要求1 所述的方法，其特征在于：所述分解升华的反应是在氢气和惰性气体保护下进行的；

所述惰性气体为氩气、氦气及其他稀有气体中的一种或多种混合气体。

6.如权利要求1 所述的方法，其特征在于：在所述坩埚中，所述含有碳颗粒的粗料与所述坩埚顶部的距离为20-150 cm。

7.权利要求1-6中任一项所述的方法中得到的所述高纯碳材料在制备保温材料中的应用。

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