CN116607211B - 一种固相合成碳化硅的装料方法及合成方法 - Google Patents
一种固相合成碳化硅的装料方法及合成方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN116607211B CN116607211B CN202310883756.4A CN202310883756A CN116607211B CN 116607211 B CN116607211 B CN 116607211B CN 202310883756 A CN202310883756 A CN 202310883756A CN 116607211 B CN116607211 B CN 116607211B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- silicon carbide
- silicon
- layer
- mixed material
- material layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N silicon carbide Chemical compound [Si+]#[C-] HBMJWWWQQXIZIP-UHFFFAOYSA-N 0.000 title claims abstract description 178
- 229910010271 silicon carbide Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 164
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 53
- 238000010532 solid phase synthesis reaction Methods 0.000 title claims abstract description 46
- 238000001308 synthesis method Methods 0.000 title claims abstract description 5
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 110
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 107
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 81
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims abstract description 81
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 76
- 229910052799 carbon Inorganic materials 0.000 claims abstract description 61
- 239000002994 raw material Substances 0.000 claims abstract description 39
- 239000011863 silicon-based powder Substances 0.000 claims abstract description 31
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims abstract description 29
- HMDDXIMCDZRSNE-UHFFFAOYSA-N [C].[Si] Chemical compound [C].[Si] HMDDXIMCDZRSNE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims abstract description 27
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 claims description 33
- 238000003786 synthesis reaction Methods 0.000 claims description 33
- 238000004321 preservation Methods 0.000 claims description 18
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 claims description 16
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 9
- 239000007790 solid phase Substances 0.000 claims description 7
- 238000001816 cooling Methods 0.000 claims description 4
- 230000002194 synthesizing effect Effects 0.000 claims description 3
- 239000013078 crystal Substances 0.000 abstract description 32
- 238000005092 sublimation method Methods 0.000 abstract description 20
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 abstract 1
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 11
- 239000012071 phase Substances 0.000 description 9
- 239000000843 powder Substances 0.000 description 9
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 8
- 238000000859 sublimation Methods 0.000 description 8
- 230000008022 sublimation Effects 0.000 description 8
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 7
- 238000002425 crystallisation Methods 0.000 description 7
- 230000008025 crystallization Effects 0.000 description 7
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 7
- 229910021420 polycrystalline silicon Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000005539 carbonized material Substances 0.000 description 4
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 4
- 238000011160 research Methods 0.000 description 4
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 description 3
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 3
- 238000005086 pumping Methods 0.000 description 3
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000000498 ball milling Methods 0.000 description 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 description 2
- 239000003575 carbonaceous material Substances 0.000 description 2
- 238000001704 evaporation Methods 0.000 description 2
- 230000035484 reaction time Effects 0.000 description 2
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 1
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000003738 black carbon Substances 0.000 description 1
- 230000001276 controlling effect Effects 0.000 description 1
- 238000001212 derivatisation Methods 0.000 description 1
- 230000008020 evaporation Effects 0.000 description 1
- 238000011068 loading method Methods 0.000 description 1
- 239000000155 melt Substances 0.000 description 1
- 238000002844 melting Methods 0.000 description 1
- 230000008018 melting Effects 0.000 description 1
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 1
- 239000010453 quartz Substances 0.000 description 1
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N silicon dioxide Inorganic materials O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003746 solid phase reaction Methods 0.000 description 1
- 238000006557 surface reaction Methods 0.000 description 1
- 235000012431 wafers Nutrition 0.000 description 1
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B28/00—Production of homogeneous polycrystalline material with defined structure
- C30B28/02—Production of homogeneous polycrystalline material with defined structure directly from the solid state
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C30—CRYSTAL GROWTH
- C30B—SINGLE-CRYSTAL GROWTH; UNIDIRECTIONAL SOLIDIFICATION OF EUTECTIC MATERIAL OR UNIDIRECTIONAL DEMIXING OF EUTECTOID MATERIAL; REFINING BY ZONE-MELTING OF MATERIAL; PRODUCTION OF A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; SINGLE CRYSTALS OR HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; AFTER-TREATMENT OF SINGLE CRYSTALS OR A HOMOGENEOUS POLYCRYSTALLINE MATERIAL WITH DEFINED STRUCTURE; APPARATUS THEREFOR
- C30B29/00—Single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the material or by their shape
- C30B29/10—Inorganic compounds or compositions
- C30B29/36—Carbides
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Carbon And Carbon Compounds (AREA)
Abstract
本发明属于碳化硅单晶生产技术领域，具体涉及一种固相合成碳化硅的装料方法及合成方法。装料方法包括：向固相合成所用的坩埚的底部铺设碳化硅多晶块层，所述碳化硅多晶块层的硅的物质的量与碳的物质的量的比值大于1；向所述碳化硅多晶块层的上方铺设碳硅粉末均匀混合的第一混合料层，所述第一混合料层的碳与硅的物质的量之比为1:1~1.05；向所述第一混合料层的上方铺设碳硅粉末均匀混合的第二混合料层，所述第二混合料层的碳与硅的物质的量之比为1:0.85~0.95。本发明的方法能够提高固相合成制备的碳化硅的有效利用率，提高符合升华法要求的碳化硅原料的产率。
Description
技术领域
本发明涉及碳化硅晶体生长的衍生技术领域，具体涉及固相合成碳化硅的装料方法及合成方法。
背景技术
碳化硅是第三代半导体材料的代表，具有很多优异的性质，高硬度，莫氏硬度达到9.5，高热导率，热导率达到4.9W/cm·K，宽禁带，禁带为2.4-3.26eV，高饱和漂移速度，饱和飘移速度达到2.0~2.5×106V/cm，化学稳定性高和抗辐射能力强。
目前主要采用升华法制备碳化硅晶圆，升华法制备碳化硅主要分为三步，碳化硅源的升华、升华物的输运、表面反应和结晶。为了保证碳化硅的质量，需要保证升华过程的稳定传质。在碳化硅源原料的升华过程中，原料纯度、碳硅比和颗粒粒度影响传质的稳定，其中原料的碳硅比是最主要的影响因素，需要采用碳硅比均衡的碳化硅源原料。
现有技术主要采用固相合成法制备碳化硅源原料，将碳粉与硅粉按一定比例均匀混合，将混合后的原料，利用石英烧杯转移至石墨坩埚内，盖好上盖，投放进原料合成炉，进行固相反应，生成碳化硅多晶颗粒。然而，硅粉在1410℃以上开始熔化，并在温度升高的过程中与碳粉逐步发生反应，两者在温度达到2000℃以上时反应基本完全，由于石墨坩埚纵向存在温度梯度，在达到2000℃以上的反应温度之前，硅会挥发造成原料底部硅含量减少，底部形成富碳层，顶部形成富硅层，达到反应温度后，底部无法结晶，顶部结晶体碳硅比失衡，导致符合升华法要求的碳化硅原料的产率低，固相合成法制得的碳化硅的有效利用率低。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的固相合成法合成碳化硅时由于硅粉的预先熔化、蒸发，底部形成富碳层，顶部形成富硅层，底部无法结晶，顶部结晶体碳硅比失衡，制得的碳化硅的有效利用率低的缺陷，提供一种固相合成碳化硅的装料方法及合成方法，该装料方法，能够提高固相合成制备的碳化硅的有效利用率。
为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种固相合成碳化硅的装料方法，所述方法包括：
向固相合成所用的坩埚的底部铺设碳化硅多晶块层，所述碳化硅多晶块层的硅的物质的量与碳的物质的量的比值大于1；
向所述碳化硅多晶块层的上方铺设碳硅粉末均匀混合的第一混合料层，所述第一混合料层的碳与硅的物质的量之比为1:1~1.05；
向所述第一混合料层的上方铺设碳硅粉末均匀混合的第二混合料层，所述第二混合料层的碳与硅的物质的量之比为1:0.85~0.95。
在一些优选实施方式中，所述碳化硅多晶块层的硅与碳的物质的量的比值为1.01~1.15。
在一些优选实施方式中，所述碳化硅多晶块层、所述第一混合料层和所述第二混合料层的厚度比为1:4~13:1。
更优选地，所述碳化硅多晶块层、所述第一混合料层和所述第二混合料层的厚度比为1:5~10:1。
更优选地，所述碳化硅多晶块层的厚度为20mm-50mm，所述第一混合料层的厚度为200mm-260mm，所述第二混合料层的厚度为20mm-50mm。
在一些优选实施方式中，所述碳化硅多晶块层中的碳化硅多晶块的粒度为2目~8目。
在一些优选实施方式中，按照所述的装料方法，向坩埚内铺设原料，并将所述坩埚放入固相合成所用的合成炉中，对所述合成炉进行抽真空处理，升温至所述合成炉达到反应温度后保温，获得碳化硅产物块，截取所述碳化硅产物块的上层块体，使所述上层块体破碎后得到所述碳化硅多晶块层中的碳化硅多晶块。
更优选地，所述反应温度为1300℃-2300℃。
更优选地，所述上层块体的高度与所述碳化硅产物块的高度的比值为2%~10%。
第二方面，本发明提供一种碳化硅的合成方法，所述方法包括：按照第一方面所述的装料方法，将碳化硅多晶块层、第一混合料层和第二混合料层铺设至坩埚中，将所述坩埚放入固相合成所用的合成炉中，对所述合成炉进行抽真空处理，升温至所述合成炉的温度达到1800℃-2300℃后进行第一保温处理，所述第一保温处理的时间为5h~20h，冷却后得到所述碳化硅。
在一些优选实施方式中，所述方法包括升温至所述合成炉的温度达到1300℃-1600℃后，进行第二保温处理，所述第二保温处理的时间为1h~3h。
本发明通过在固相合成碳化硅的装料过程中，在坩埚中先铺设硅的物质的量与碳的物质的量的比值大于1的多晶块层，再铺设碳硅粉末均匀混合的碳与硅的物质的量之比为1:1~1.05的第一混合料层，最后铺设碳硅粉末均匀混合的碳与硅的物质的量之比为1:0.85~0.95的第二混合料层，能够平衡顶部结晶体的碳硅比，使底部物料结晶，减少富碳层，提高固相合成制备的碳化硅的有效利用率，提高符合升华法要求的碳化硅原料的产率。其中，在坩埚的底部铺设硅的物质的量与碳的物质的量的比值大于1的多晶块层，在铺设第一混合料层的过程中，第一混合料层中的粉末能够弥补多晶块层中的多晶块颗粒间的缝隙，1410℃~2000℃多晶块缝隙中少量硅挥发，在温度达到2000℃以上时，多晶块缝隙中的富碳粉料与富硅的多晶块反应，从而能够增加底部物料的结晶度，减少碳化硅合成过程底部形成富碳物质对符合升华法要求的碳化硅原料的产率和固相合成法碳化硅有效利用率的影响。
其中，在最上层铺设碳硅粉末均匀混合的碳与硅的物质的量之比为1:0.85~0.95的第二混合料层，由于第二混合料层中碳过量，一方面，过量的碳能够与硅粉升华带来的上层富集的硅结晶反应，另一方面，温度达到2000℃以上时，底部的碳化硅多晶层会升华并向上传输Si2C等富硅气相，过量的碳也能够与Si2C等结晶反应，从而在碳化硅合成过程中，平衡顶部结晶体的碳硅比，提高固相合成制备的碳化硅的有效利用率，提高符合升华法要求的碳化硅原料的产率。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明的发明人研究发现固相合成法制备碳化硅时，硅粉在1410℃以上开始熔化，并在温度升高的过程中与碳粉逐步发生反应，两者在温度达到2000℃以上时反应基本完全，在温度达到反应温度前，底部形成富碳层，顶部形成富硅层，达到反应温度后，底部无法结晶，顶部结晶体碳硅比失衡，导致碳化硅的有效利用率低，升华法碳化硅原料的产率低。
对此，第一方面，本发明提供了一种固相合成碳化硅的装料方法，所述方法包括：
向固相合成所用的坩埚的底部铺设碳化硅多晶块层，所述碳化硅多晶块层的硅的物质的量与碳的物质的量的比值大于1；
向所述碳化硅多晶块层的上方铺设碳硅粉末均匀混合的第一混合料层，所述第一混合料层的碳与硅的物质的量之比为1:1~1.05；
向所述第一混合料层的上方铺设碳硅粉末均匀混合的第二混合料层，所述第二混合料层的碳与硅的物质的量之比为1:0.85~0.95。
本发明的装料方法，在固相合成所用坩埚的底部铺设富硅的碳化硅多晶块，在碳化硅多晶块的上方铺设碳硅粉末均匀混合的第一混合料层，在第一混合料层的上方铺设碳硅粉末均匀混合的富碳的第二混合料层，其中均匀混合的碳硅粉末会渗入碳化硅多晶块之间的缝隙中。
本发明在固相合成反应加热的过程中，在加热至1410℃后，碳化硅多晶块缝隙中的硅和第一混合料层和第二混合料层中靠近坩埚壁的硅粉末容易熔化，由于石墨坩埚纵向存在温度梯度，蒸发后的硅会向上流动，在上层富集，在上层构成富硅层，在下层构成富碳层，在加热至2000℃以上时，由于在最下层铺设了富硅的碳化硅多晶块，多晶块缝隙中的富碳粉料能够与富硅的多晶块结晶反应，从而能够增加底部物料的结晶度，随后，加热至2000℃以上时，富硅的碳化硅多晶块开始升华并向上传输Si2C等富硅气相，由于铺设在最上方的第二混合料层的碳与硅的物质的量之比为1:0.85~0.95，相对富碳，富碳的粉料能够与Si2C等富硅气相结晶反应，此外研究表明，以该比例富碳的粉料能够与碳化硅多晶块缝隙中的硅粉末和第一混合料层和第二混合料层中靠近坩埚壁的硅粉末熔化、蒸发后富集在上层的硅结晶反应，从而平衡顶部结晶体的碳硅比。发明人发现，如果为了防止物料下层富碳，仅仅在下层使用过量的硅粉，硅粉依然会在加热至1410℃后熔化，需要加入更多的硅粉，容易导致整个物料体系富硅，从而影响结晶度。
碳化硅原料的结晶度和碳硅比，直接影响后期在用碳化硅原料升华法生长碳化硅单晶的过程中六方空洞、微管、位错、多晶共存等缺陷的出现，富硅的原料若用于长晶，长晶过程中会在低于长晶温度时提前升华，原料升化时会在籽晶表面形成硅液滴，底部过早碳化，导致前期硅液滴集结在晶体表面导致相变、六方空洞、微管等缺陷，后期过量碳粉伴随气相运动上移至晶体表面形成碳包裹，从而引起微管、位错缺陷。本发明的装料方法通过平衡顶部结晶体的碳硅比，增加底部物料的结晶度，能够使得固相合成获得的碳化硅块体，最大程度地，满足碳化硅单晶生长对原料的要求，提高符合升华法要求的碳化硅原料的产率。
本发明的装料方法，在碳化硅多晶块层的上部铺设碳与硅的物质的量之比为1:1~1.05的碳硅粉末均匀混合的第一混合料层，在第一混合料层的上部铺设碳与硅的物质的量之比为1:0.85~0.95的碳硅粉末均匀混合的第二混合料层，研究表明，采用上述参数能够进一步增加底部物料的结晶度，平衡顶部结晶体的碳硅比，从而提高固相合成制备的碳化硅的有效利用率，提高符合升华法要求的碳化硅原料的产率。
在一些优选的实施方式中，所述碳化硅多晶块层的硅与碳的物质的量的比值为1.01~1.15。
在一些优选的实施方式中，所述碳化硅多晶块层、所述第一混合料层和所述第二混合料层的厚度比为1:4~13:1。
根据发明人的研究发现，碳化硅多晶块层的硅碳物质的量比例与碳化硅多晶块层的厚度占比的调节能够进一步的提高下部碳化硅产物块体的结晶度。达到控制下部碳化物料的厚度占比为13%以下，同时，控制碳化硅多晶块层、所述第一混合料层和所述第二混合料层的厚度比为1:4~13:1时，可获得更优的碳化硅原料利用率。研究表明，上述参数的选择能够平衡硅升华并向上传输导致的硅损失以及引入新的富硅原料可能造成的富硅风险，从而平衡结晶体的碳硅比，进一步提升碳化硅的有效利用率，提升符合升华法要求的碳化硅原料的产率。
本发明的碳化硅多晶块层的硅与碳的物质的量的比值具体例如可以为1.01、1.05、1.1、1.15，第一混合料层的碳与硅的物质的量之比具体例如可以为1:1、1:1.02、1:1.05，第二混合料层的碳与硅的物质的量之比具体例如可以为1:0.85、1:0.9和1:0.95。碳化硅多晶块层、第一混合料层和第二混合料层的厚度比具体例如可以为1:4:1、1:5:1、1:5.5:1、1:6:1、1:6.5:1、1:7:1、1:8:1、1:9:1、1:10:1、1:11:1、1:12:1和1:13:1。
在一些优选的实施方式中，所述碳化硅多晶块层、所述第一混合料层和所述第二混合料层的厚度比为1:5~10:1。该优选方案下，通过调整碳化硅多晶块层、第一混合料层、第二混合料层的厚度占比，更利于多晶块层升华并向上传输的Si2C等富硅气相和多晶块层缝隙中的硅粉末、第一混合料层和第二混合料层靠近坩埚壁的硅粉末熔化、蒸发后富集在上层的硅充分地结晶反应，调节上层结晶体的硅碳比，同时提高底部物料的结晶度，减少底部碳化层的厚度，提高固相合成制备的碳化硅的有效利用率，提高符合升华法要求的碳化硅原料的产率。
在一些优选的实施方式中，所述碳化硅多晶块层的厚度为20mm-50mm，所述第一混合料层的厚度为200mm-260mm，所述第二混合料层的厚度为20mm-50mm。该优选方案下，更利于调节上部结晶体的硅碳比，减少物料下层的富碳粉料，使物料下层充分结晶，使固相合成碳化硅产物块的硅碳比和结晶度更加均衡，提高固相合成制备的碳化硅的有效利用率，提高符合升华法对原料要求的碳化硅原料的产率。
在一些优选的实施方式中，所述碳化硅多晶块层中的碳化硅多晶块的粒度为2目~8目。该优选方案下，使得碳化硅多晶块的粒度为2目~8目，调节多晶块缝隙中的碳硅粉末的量和富硅多晶块的量，更利于使多晶块缝隙中的富碳粉料充分与富硅的多晶块结晶反应，增加底部物料的结晶度，控制由于多晶块的升华向上传输的富硅气相的量和由于多晶块缝隙中的硅粉末熔化、蒸发后富集在上层的硅的量的比值，平衡顶部结晶体的硅碳比，从而提高固相合成制备的碳化硅的有效利用率，提高升华法碳化硅原料的产率。本发明的碳化硅多晶块的粒度具体例如可以为2目、3目、4目、5目、6目、7目、8目。碳化硅多晶块的粒度不小于8目，更利于防止部分富硅的多晶碳化硅粉末在较低的温度提前分解，导致无法与富碳粉料结晶反应，从而控制下部碳化层的厚度。
在一些优选的实施方式中，所述第一混合料层和所述第二混合料层的碳粉末的粒度为20-30um，硅粉末的粒度为1-3mm。
在一些优选的实施方式中，按照所述的装料方法，向坩埚内铺设原料，并将所述坩埚放入固相合成所用的合成炉中，对所述合成炉进行抽真空处理，升温至所述合成炉达到反应温度后保温，获得碳化硅产物块，截取所述碳化硅产物块的上层块体，使所述上层块体破碎后得到所述碳化硅多晶块层中的碳化硅多晶块。通过控制所述碳化硅多晶块层的硅的物质的量与碳的物质的量的比值大于1，所述第一混合料层的碳与硅的物质的量之比为1:1~1.05，所述第二混合料层的碳与硅的物质的量之比为1:0.85~0.95，固相合成碳化硅产物块上层会保留较少的富硅的多晶块，该优选方案下，截取固相合成碳化硅产物块上层较少的富硅的多晶块，在后面的固相合成装料过程中，铺设到坩埚的底部，能够很好的解决，下部物料由于靠近坩埚壁，硅粉挥发形成富碳层，无法结晶的问题，能够提高固相合成制备的碳化硅的有效利用率，进一步地，采用上述的碳化硅产物块的上层的富硅多晶块体，其具有更适宜的硅含量与碳含量的摩尔比，更利于使多晶块缝隙中的富碳粉料充分地与多晶块结晶反应，提高底部物料的结晶度，以及调节底部结晶体的硅碳比，调节碳化硅多晶块升华并向上传输Si2C等富硅气相的量，调节顶部结晶体的硅碳比。
在一些优选的实施方式中，所述反应温度为1300℃-2300℃。该优选方案下，更利于提高固相合成制备的碳化硅的有效利用率，更利于提高底部物料的结晶度，调节底部结晶体的硅碳比，调节顶部结晶体的硅碳比。反应温度具体例如可以为1300℃、1500℃、1700℃、1900℃、2100℃和2300℃。
在一些优选的实施方式中，所述上层块体的高度与所述碳化硅产物块的高度的比值为2%~10%。该优选方案下，能够更进一步地，提高底部物料的结晶度，调节底部结晶体的硅碳比，调节顶部结晶体的硅碳比。上层块体的高度与碳化硅产物块的高度的比值具体例如可以为2%、5%、8%和10%。
第二方面，本发明提供一种碳化硅的合成方法，所述方法包括：按照第一方面所述的装料方法，将碳化硅多晶块层、第一混合料层和第二混合料层铺设至坩埚中，将所述坩埚放入固相合成所用的合成炉中，对所述合成炉进行抽真空处理，升温至所述合成炉的温度达到1800℃-2300℃后进行第一保温处理，所述第一保温处理的时间为5h~20h，冷却后得到所述碳化硅。该优选方案下，控制第一保温处理的温度为1800℃-2300℃，时间为5h~20h，更利于为形成结晶大颗粒提供反应时间。
在一些优选的实施方式中，所述方法包括升温至所述合成炉的温度达到1300℃-1600℃后，进行第二保温处理，所述第二保温处理的时间为1h~3h。该优选方案下，在合成炉的温度达到1300℃-1600℃后，进行第二保温处理，更利于碳粉与气相硅反应，形成晶核，控制第二保温处理的时间为1h~3h，更利于为形成晶核提供反应时间。
下面结合具体实施例对本发明进行进一步详细阐述。
实施例1
一种固相合成碳化硅的方法，包括以下步骤：
步骤一：从坩埚中取出固相合成的碳化硅产物块体，固相合成过程为，升温至合成炉的温度达到1500℃，保温2h，缓慢升温至合成炉的温度达到2000℃，保温10h。截取产物块体的上层块体，上层碳化硅块体的高度占碳化硅产物整体的高度的5%，采用碳化硅晶体块沿碳化硅产物块体的生长结晶方向，破碎上层块体，得到破碎后的上层块体，采用筛网对破碎后的上层块体进行筛分，得到粒度为4-6目的碳化硅多晶块。
步骤二：将步骤一得到的碳化硅多晶块，铺设到坩埚的底部，铺设厚度为50mm，得到碳化硅多晶块层，碳化硅多晶块层的硅与碳的物质的量的比值为1.01，取粒度为20~30um的碳粉末和粒度为1~3mm的硅粉末，按照碳与硅的物质的量之比为1:1，在球磨罐中均匀混合碳粉末和硅粉末，将混合后的碳粉末和硅粉末铺设至碳化硅多晶块层的上方，铺设厚度为200mm，得到第一混合料层，取粒度为20~30um的碳粉末和粒度为1~3mm的硅粉末，按照碳与硅的物质的量之比为1:0.9，在球磨罐中混合碳粉末和硅粉末，将混合后的碳粉末和硅粉末铺设至第一混合料层的上方，铺设厚度为50mm，得到第二混合料层。
步骤三：将坩埚放入固相合成的合成炉中，先进行抽气至分子泵极限气压，再通氩气至500Torr，进行洗炉，继续抽气至极限气压后，缓慢升温至合成炉的温度达到1500℃，进行第二保温处理，保温2h，缓慢升温至合成炉的温度达到2000℃，进行第一保温处理，保温10h，冷却后得到碳化硅产物块体。
实施例2
参照实施例1进行，其区别在于，碳化硅多晶块层的硅与碳的物质的量的比值为1.25。
实施例3
参照实施例1进行，其区别在于，碳化硅多晶块层的铺设厚度为20mm，第一混合料层的铺设厚度为260mm，第二混合料层的铺设厚度为20mm。
实施例4
参照实施例1进行，其区别在于，碳化硅多晶块层的铺设厚度为15mm，第一混合料层的铺设厚度为195mm，第二混合料层的铺设厚度为15mm。
实施例5
参照实施例1进行，其区别在于，碳化硅多晶块层的铺设厚度为40mm，第一混合料层的铺设厚度为150mm，第二混合料层的铺设厚度为40mm。
实施例6
参照实施例1进行，其区别在于，采用筛网对破碎后的上层块体进行筛分，得到粒度为9目-10目的碳化硅多晶块。
实施例7
参照实施例1进行，其区别在于，采用筛网对破碎后的上层块体进行筛分，得到粒度为1目-2目的碳化硅多晶块。
实施例8
参照实施例1进行，其区别在于，步骤一中，截取的上层块体的高度与碳化硅产物块体的高度的比值为1.5%。
实施例9
参照实施例1进行，其区别在于，步骤一中，固相合成过程中，在1700℃保温10h，步骤三中，缓慢升温至合成炉的温度达到1700℃，进行第一保温处理。
对比例1
参照实施例1进行，其区别在于，不进行步骤一，步骤二中，直接铺设碳与硅的物质的量之比为1:1的第一混合料层。
对比例2
参照实施例1进行，其区别在于，步骤二中，第一混合料层和第二混合料层的碳与硅的物质的量之比都为1:0.9。
实施例1-9和对比例1-2的固相合成的碳化硅产物块体的下部碳化层的厚度占比、碳化硅的有效利用率、升华法碳化硅原料的产率的检测结果见表1所示。碳化层指底部硅挥发形成的黑色的富碳层，表1中碳化层的厚度占比为测量下部碳化层的5个位置的厚度之后获得的均值。碳化硅的有效利用率指，基于固相合成后坩埚中的物料，能够作为升华法制备碳化硅的原料和上层少量的能够在固相合成过程中铺设于坩埚底部的富硅多晶块的质量占比之和。升华法碳化硅原料的产率指，基于固相合成后坩埚中的物料，能够作为升华法制备碳化硅的原料的质量占比。
表1
截取固相合成的碳化硅产物块体的上层的多晶块，在固相合成的坩埚的底部铺设厚度为50mm、多晶块粒度为4~6目，硅与碳的物质的量的比值为1.01的多晶块层，在多晶块层的上方铺设厚度为200mm，碳与硅的物质的量之比为1:1的第一混合料层，在第一混合料层的上方铺设厚度为50mm，碳与硅的物质的量之比为1:0.9的第二混合料层，放入合成炉，升温至1500℃，保温2h，继续升温至2000℃，保持10h，能够减少固相合成后坩埚下部的碳化物料，提高下部物料的结晶度，使得碳化硅的有效利用率和升华法碳化硅原料的产率分别达到85%和75%。
对比实施例和对比例1可以得知，通过在坩埚的底部铺设富硅的碳化硅多晶块，能够减少固相合成后坩埚下部的碳化物料，提高下部物料的结晶度，提高碳化硅的有效利用率和升华法碳化硅原料的产率。对比实施例和对比例2可以得知，通过使得第一混合料层的碳与硅的物质的量之比为1:1~1.05，能够减少固相合成后坩埚下部的碳化物料，提高下部物料的结晶度，提高碳化硅的有效利用率和升华法碳化硅原料的产率。
对比实施例1和实施例3可以得知，使得碳化硅多晶块层、所述第一混合料层和所述第二混合料层的厚度比为1:5~10:1，更利于提高底部物料的结晶度，减少底部碳化层的厚度。对比实施例1和实施例4可以得知，使得碳化硅多晶块层的厚度为20mm-50mm，第一混合料层的厚度为200mm-260mm，第二混合料层的厚度为20mm-50mm，更利于提高底部物料的结晶度，减少底部碳化层的厚度。对比实施例1和实施例6可以得知，使得碳化硅多晶块的粒度不小于8目，更利于提高底部物料的结晶度，减少底部碳化层的厚度。对比实施例1和实施例9可以得知，使得第一保温处理的温度不低于1800℃，更利于提高底部物料的结晶度，减少底部碳化层的厚度。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种固相合成碳化硅的装料方法，其特征在于，所述方法包括：
向固相合成所用的坩埚的底部铺设碳化硅多晶块层，所述碳化硅多晶块层的硅的物质的量与碳的物质的量的比值大于1；
向所述碳化硅多晶块层的上方铺设碳硅粉末均匀混合的第一混合料层，所述第一混合料层的碳与硅的物质的量之比为1:1~1.05；
向所述第一混合料层的上方铺设碳硅粉末均匀混合的第二混合料层，所述第二混合料层的碳与硅的物质的量之比为1:0.85~0.95；
所述碳化硅多晶块层的硅与碳的物质的量的比值为1.01~1.15；
所述碳化硅多晶块层、所述第一混合料层和所述第二混合料层的厚度比为1:4~13:1；
所述碳化硅多晶块层中的碳化硅多晶块的粒度为2目~8目。
2.根据权利要求1所述的装料方法，其特征在于，所述碳化硅多晶块层、所述第一混合料层和所述第二混合料层的厚度比为1:5~10:1。
3.根据权利要求1所述的装料方法，其特征在于，所述碳化硅多晶块层的厚度为20mm-50mm，所述第一混合料层的厚度为200mm-260mm，所述第二混合料层的厚度为20mm-50mm。
4.根据权利要求1-3任一项所述的装料方法，其特征在于，按照所述的装料方法，向坩埚内铺设原料，并将所述坩埚放入固相合成所用的合成炉中，对所述合成炉进行抽真空处理，升温至所述合成炉达到反应温度后保温，获得碳化硅产物块，截取所述碳化硅产物块的上层块体，使所述上层块体破碎后得到所述碳化硅多晶块层中的碳化硅多晶块。
5.根据权利要求4所述的装料方法，其特征在于，所述反应温度为1300℃-2300℃。
6.根据权利要求5所述的装料方法，其特征在于，所述上层块体的高度与所述碳化硅产物块的高度的比值为2%~10%。
7.一种碳化硅的合成方法，其特征在于，所述方法包括：按照权利要求1-6任一项所述的装料方法，将碳化硅多晶块层、第一混合料层和第二混合料层铺设至坩埚中，将所述坩埚放入固相合成所用的合成炉中，对所述合成炉进行抽真空处理，升温至所述合成炉的温度达到1800℃-2300℃后进行第一保温处理，所述第一保温处理的时间为5h~20h，冷却后得到所述碳化硅。
8.根据权利要求7所述的合成方法，其特征在于，所述方法包括升温至所述合成炉的温度达到1300℃-1600℃后，进行第二保温处理，所述第二保温处理的时间为1h~3h。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310883756.4A CN116607211B (zh) | 2023-07-19 | 2023-07-19 | 一种固相合成碳化硅的装料方法及合成方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202310883756.4A CN116607211B (zh) | 2023-07-19 | 2023-07-19 | 一种固相合成碳化硅的装料方法及合成方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN116607211A CN116607211A (zh) | 2023-08-18 |
| CN116607211B true CN116607211B (zh) | 2023-10-13 |
Family
ID=87676804
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202310883756.4A Active CN116607211B (zh) | 2023-07-19 | 2023-07-19 | 一种固相合成碳化硅的装料方法及合成方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN116607211B (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105308223A (zh) * | 2013-07-26 | 2016-02-03 | 贰陆股份公司 | 用于合成超高纯度碳化硅的方法 |
| CN109437148A (zh) * | 2018-11-02 | 2019-03-08 | 山东天岳先进材料科技有限公司 | 由碳化硅长晶剩料制备高纯碳材料的方法 |
| CN110217796A (zh) * | 2019-06-04 | 2019-09-10 | 山东天岳先进材料科技有限公司 | 一种高纯碳化硅粉及其制备方法 |
| CN110872728A (zh) * | 2019-11-28 | 2020-03-10 | 山东大学 | 一种简单、高效降低SiC单晶中碳包裹物的方法 |
| CN116180219A (zh) * | 2022-09-09 | 2023-05-30 | 眉山博雅新材料股份有限公司 | 一种晶体生长方法和装置 |
-
2023
- 2023-07-19 CN CN202310883756.4A patent/CN116607211B/zh active Active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105308223A (zh) * | 2013-07-26 | 2016-02-03 | 贰陆股份公司 | 用于合成超高纯度碳化硅的方法 |
| CN109437148A (zh) * | 2018-11-02 | 2019-03-08 | 山东天岳先进材料科技有限公司 | 由碳化硅长晶剩料制备高纯碳材料的方法 |
| CN110217796A (zh) * | 2019-06-04 | 2019-09-10 | 山东天岳先进材料科技有限公司 | 一种高纯碳化硅粉及其制备方法 |
| CN110872728A (zh) * | 2019-11-28 | 2020-03-10 | 山东大学 | 一种简单、高效降低SiC单晶中碳包裹物的方法 |
| CN116180219A (zh) * | 2022-09-09 | 2023-05-30 | 眉山博雅新材料股份有限公司 | 一种晶体生长方法和装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN116607211A (zh) | 2023-08-18 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN110055587B (zh) | 一种高纯石墨坩埚及高质量碳化硅单晶制备方法 | |
| KR101413653B1 (ko) | 고순도 탄화규소 분말의 제조방법 | |
| CN112481699B (zh) | 一种高质量碳化硅单晶的制备方法及碳化硅单晶 | |
| CN102230213B (zh) | 碲溶剂溶液法生长碲锌镉晶体的方法 | |
| CN101348940B (zh) | 一种化合物半导体GaAs单晶的改进型坩埚下降法生长方法 | |
| CN107640773B (zh) | 一种直接合成大颗粒碳化硅粉的方法 | |
| CN102776560B (zh) | 多晶硅锭及其制备方法和多晶硅片 | |
| CN111074341A (zh) | 一种制备高纯原料的方法 | |
| CN101871123A (zh) | 移动碲溶剂熔区法生长碲锌镉晶体的方法及装置 | |
| CN101550586B (zh) | 一种碲化锌单晶生长技术 | |
| CN103789835A (zh) | 一种改进型梯度凝固GaAs单晶生长方法 | |
| CN106480495A (zh) | 一种类似布里奇曼温场的移动加热器法生长碲锰镉晶体的方法 | |
| CN113089087A (zh) | 一种提高碳化硅晶体质量的方法 | |
| CN102272361A (zh) | 单晶锗晶体生长的系统、方法和衬底 | |
| CN114481289A (zh) | 一种用于增大碲锌镉单晶率的生长方法及装置 | |
| CN116607211B (zh) | 一种固相合成碳化硅的装料方法及合成方法 | |
| CN109502590A (zh) | 一种提高碳化硅粉料产率的方法 | |
| CN106591952A (zh) | 一种SiC晶片的制备方法 | |
| CN113788480B (zh) | 一种高纯碳化硅制备方法及对应的高纯碳化硅 | |
| CN104313681A (zh) | 一种用于多元化合物晶体生长的设备及其应用 | |
| CN116639693B (zh) | 一种提高固相合成碳化硅出料率的合成方法 | |
| KR100530889B1 (ko) | 실리콘 카바이드 단결정 제조용 흑연 도가니 | |
| KR20090042202A (ko) | 단결정 ＳｉＣ 및 그 제조 방법 | |
| CN206052208U (zh) | 一种可调节碳化硅生长温度梯度的籽晶轴 | |
| CN116920642B (zh) | 一种固相合成碳化硅的混料方法及合成方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| CP03 | Change of name, title or address | ||
| CP03 | Change of name, title or address |
Address after: Factory Building A6 #, No. 555 Dujuan Road, Kunshan Development Zone, Kunshan City, Suzhou City, Jiangsu Province, 215300 Patentee after: Suzhou Youjing Semiconductor Technology Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: Factory Building A6 #, No. 555 Dujuan Road, Kunshan Development Zone, Kunshan City, Suzhou City, Jiangsu Province, 215300 Patentee before: SUZHOU U KING PHOTOELECTRIC TECHNOLOGY Co.,Ltd. Country or region before: China |