CN116553554B - 碳化硅粉料合成方法 - Google Patents

Abstract

碳化硅粉料合成方法，属于碳化硅合成技术领域，具体涉及一种新型的碳化硅粉料的合成方法。本发明的方法首先将硅粉进行研磨筛分，并与碳粉混合均匀，并加入稳定剂硅化铈；把混好的料放入钽坩埚内抽真空，开启加热设备升温度充入氩气，让原料中的氮杂质与钽坩埚反应，生成氮化钽；继续升高温度让碳粉与硅粉充分反应生成反应生成α‑SiC粉料；反应室抽气，使炉内气压下降，继续提高温度，直至反应完成，然后逐渐降温至室温，结束反应。本发明的方法，用于半绝缘型碳化硅粉料的合成效果较好，合成粉料中消除了硅和碳单质，合成的粒径更大。

Description

碳化硅粉料合成方法

技术领域

本发明属于碳化硅合成技术领域，具体涉及一种新型的碳化硅粉料的合成方法。

背景技术

碳化硅具有禁带宽度大、饱和电子迁移率高、击穿场强大、热导率高等优越的物理性能，在电力电子、射频器件、光电子器件等领域有着广泛的应用前景。目前碳化硅晶体生长工艺以PVT法为主，高质量的碳化硅原料是长晶成功的关键因素。碳化硅原料合成主要通过自蔓延高温合成法合成，具体为将一定比例的碳粉和硅粉混合均匀后放入石墨坩埚中，石墨坩埚周围包裹保温材料后放入原料合成设备中，加热至碳粉和硅粉发生反应的温度维持一段时间生成碳化硅原料，冷却后将石墨坩埚里生成的碳化硅原料取出，经筛分、清洗、烘干等步骤后可用于晶体生长使用。现有的粉料合成方法，还存在以下问题影响到粉料。一是直接使用颗粒度差异大的高纯碳粉和硅粉进行原料合成，碳粉容易团聚在一起对颗粒较大的硅粉进行包裹导致反应不充分、结块严重，合成粉料还存在大量硅和碳单质，合成效果极差。二是使用石墨坩埚，在合成过程中坩埚存在参与反应现象，组件连接处易发生重结晶，破坏坩埚，降低使用寿命。三是合成的粉料粒径较小，只有100-300微米，用于长晶孔隙率较小不利于原料升华，导致长晶质量差。四是合成过程中腔室内的残余空气、原料和设备吸附的氮杂质等会污染最终产物，导致合成料中含有较高浓度的杂质。

发明内容

本发明通过提供一种新型碳化硅粉料合成方法，解决上述碳化硅原料合成中存在的技术问题。

碳化硅粉料合成方法，其特征在于合成方法包括以下步骤：

步骤1，硅粉进行研磨筛分到150-200um；按硅粉：碳粉摩尔比为1-1.1：1混合均匀，并加入占硅粉和碳粉总重0.01-0.03％的稳定剂硅化铈；

步骤2，把混好的料放入钽坩埚内，并把装配好的坩埚放置于合成炉的热场内中；

步骤3，反应室抽真空，使其真空度达到1-5×10^-6mbar，然后继续充入氩气使炉内压力达到500-600mbar，开启加热设备使温度升到600-700℃，保温1-5h后再对反应室抽真空，使其真空度达到1-5×10^-6mbar后再充入氩气使炉内压力达到500-600mbar，继续加大加热功率，使炉内温度升到900-1100℃，并保温5-10h，让原料中的氮杂质与钽坩埚反应，生成氮化钽；

步骤4，继续升高温度使炉内温度达到1300-1500℃，并保温50-60h让碳粉与硅粉充分反应生成反应生成β-SiC粉料，继续升高炉内温度达到2000-2100℃，保温10-15h，使β-SiC向α-SiC转变；

步骤5，对反应室抽气，使其炉内气压降至10-20mbar，继续提高温度2100-2200℃，反应5-10h；

步骤6，合成炉逐渐降温至室温，结束反应，取出合成的碳化硅原料。

本发明其一，采用球磨机对0.5-1.6mm的硅粉先进行研磨筛分，得到粒径与碳粉粒径一致的细硅粉，再把磨好的硅粉与碳粉经球磨机搅拌混合；其二，用钽坩埚替换石墨坩埚，解决石墨坩埚容易参与反应，渗透严重，合成后的原料取出困难，造成使用寿命低的难题；其三，通过在硅粉和碳粉混合的过程中加入晶型稳定剂硅化铈；其四，对合成好的原料，采用二次升温降压，使过细的粉料升华后重结晶在大颗粒的原料上，达到粒径长大的目的，使粒径由200-300um粉体升华重结晶，得到0.5-2mm的针状长颗粒；其五，对于合成过程中腔室内的残余空气及原料和设备吸附的氮杂质等会污染最终产物的问题，先采用高温洗气去除大部分氮杂质，然后在900-1100℃高温下使剩余的氮与钽坩埚反应，在内壁生成稳定不参与后续合成反应的氮化钽，既除去氮杂质，同时在内壁生成一个隔离层便于后续合成料的取出。

本发明的方法，用于半绝缘型碳化硅粉料的合成效果较好，合成粉料中消除了硅和碳单质，合成的粒径更大。

附图说明

图1为钽坩埚结构示意图。

其中，1-钽坩埚盖，2-钽盖板，3-坩埚体。

具体实施方式

实施例1：碳化硅粉料合成方法，包括以下步骤：

步骤1，采用球磨机对硅粉进行研磨，筛分得到150-200um的硅粉；按硅粉：碳粉的摩尔比为1.05：1的比例和占硅粉、碳粉总重0.025％的稳定剂硅化铈一同放入混料机内以700r/min的转速混合均匀；

本实施例所用的碳粉粒径为100-300um，纯度99.9999％，硅粉粒径0.5-1.6mm，纯度99.9999％，硅粉和碳粉总重4kg。

步骤2，把混好的料放入钽坩埚内，然后在料面上方盖一块中心有提手的钽盖板，再盖上钽坩埚盖，并把装配好的坩埚放置于合成炉的热场内。

步骤3，反应室抽真空，使其真空度达到2.5×10^-6mbar，然后继续充入氩气使炉内压力达到500mbar，开启加热设备使温度升到650℃，保温3h后再对反应室抽真空，使其真空度达到2.5×10^-6mbar后再充入氩气使炉内压力达到500mbar，继续加大加热功率，使炉内温度升到950℃并保温5h，让原料中的氮杂质与钽坩埚反应，生成氮化钽。

步骤4，继续升高温度使炉内温度达到1350℃，并保温60h让碳粉与硅粉充分反应生成β-SiC粉料，继续升高温度使炉内温度达到2050℃，保温10h，使β-SiC向α-SiC转变。

步骤5，开启机械泵，对反应室抽气，使其炉内气压降至12mbar，继续提高温度到2150℃，反应10h；

该步骤中，通过降压升温，细小的碳化硅粉料分解升华，稳定剂可以保持气氛组成稳定，同时使升华的气分以大颗粒碳化硅颗粒为晶核重结晶长大。

步骤6，逐渐降温至室温，结束反应，取出合成的碳化硅原料，编号为1。

所述的钽坩埚，装料部分直径小于钽盖板放置部分，钽盖板与钽坩埚盖可升降。在原料合成过程中，钽盖板可以在降压升温重结晶阶段把升华气分阻挡在原料合成区，避免升华气分升至盖板处由于轴向温度梯度降低结晶在钽坩埚盖上和组件连接处，致使坩埚难以打开。同时钽盖板的阻挡有利于原料的结晶长大。原料结晶长大后体积变大，可通过升降通道把钽盖板向上推动，避免对坩埚造成破坏。

对比例1：碳化硅粉料合成方法，步骤1-4同实施例1，步骤4完成则将合成炉逐渐降温至室温，结束反应，取出合成的碳化硅原料，编号为2。

对比例2：碳化硅粉料合成方法，步骤1中不加稳定剂，其它合成方法同实施例1，结束反应，取出合成的碳化硅原料，编号为3。

对比例3：碳化硅粉料合成方法，步骤1中对硅粉进行研磨筛分，其它合成方法同实施例1，结束反应，取出合成的碳化硅原料，编号为4。

对实施例1、对比例1-3获得的碳化硅原料进行XRD检测和，粒径检测，检测结果如下表1和表2所列。从表1和表2可以看出不加稳定剂和不对硅粉进行研磨筛分将影响碳化硅的合成效率，成品中仍然存在单质的碳和硅，粒径大小也仅在微米级别。此外，对比例2不采用二次升温降压，使过细的粉料升华后不能重结晶在大颗粒的原料上，粒径仅仅能在200-300um，无法长大到0.5-2mm的针状长颗粒。

表1

表2

编号	编号1	编号2	编号3	编号4
					粒径	0.5-2mm	200-300um	400-500um	-

。

Claims (1)

1.碳化硅粉料合成方法，其特征在于合成方法包括以下步骤：

步骤1，硅粉进行研磨筛分到150-200um；按重量，硅粉：碳粉为1-1.1：1混合均匀，并加入占硅粉和碳粉总重0.01-0.03%的稳定剂硅化铈；

步骤2，把混好的料放入钽坩埚内，并把装配好的坩埚放置于合成炉的热场内中；

步骤3，反应室抽真空，使其真空度达到1-5×10^-6mbar，然后继续充入氩气使炉内压力达到500-600mbar，开启加热设备使温度升到600-700℃，保温1-5h后再对反应室抽真空，使其真空度达到1-5×10^-6mbar后再充入氩气使炉内压力达到500-600mbar，继续加大加热功率，使炉内温度升到900-1100℃，并保温5-7h，让原料中的氮杂质与钽坩埚反应，生成氮化钽；

步骤4，继续升高温度使炉内温度达到1300-1500℃，并保温50-60h让碳粉与硅粉充分反应生成β-SiC粉料，继续升高炉内温度达到2000-2100℃，保温10-15h，使β-SiC向α-SiC转变；

步骤5，对反应室抽气，使其炉内气压降至10-20mbar，继续提高温度2100-2200℃，反应5-10h；

步骤6，合成炉逐渐降温至室温，结束反应，取出合成的碳化硅原料；

所述的钽坩埚，装料部分直径小于钽盖板放置部分，钽盖板与钽坩埚盖能升降。