CN117205838A - 碳化硅粉料合成装置及碳化硅粉料 - Google Patents
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Abstract
本发明的实施例提供了一种碳化硅粉料合成装置及碳化硅粉料，涉及碳化硅生产领域，碳化硅粉料合成装置包括支撑架、内坩埚和外坩埚，内坩埚设置于支撑架且能绕自身轴线转动，内坩埚的轴线沿水平方向延伸，内坩埚上开设有第一排杂孔，外坩埚设置于支撑架且罩住内坩埚，外坩埚与内坩埚相对固定且轴线重合，外坩埚上开设有第二排杂孔。通过设置可转动的内坩埚，可以为碳化硅粉料的合成提供温度梯度变化的热场，从而提高合成的碳化硅粉料中可用粒径的碳化硅颗粒的占比，从而提高原料的利用率，降低碳化硅粉料合成的成本。
Description
技术领域
本发明涉及碳化硅生产领域，具体而言，涉及一种碳化硅粉料合成装置及碳化硅粉料。
背景技术
碳化硅作为第三代半导体材料的代表，因具有禁带宽度大、饱和电子迁移率高、击穿场强大、热导率高等优异性质，而被广泛应用于电力电子、射频器件、光电子器件等领域。
碳化硅晶体制备前需要先合成碳化硅粉料，目前碳化硅粉料的合成一般是将碳粉和硅粉混合放入坩埚内，然后给坩埚提供从下到上温度逐渐减小的温度梯度固定的热场，这种方式合成的碳化硅粉料中可用粒径的碳化硅颗粒的占比较小，原料利用率低。
发明内容
本发明的目的包括，例如，提供了一种碳化硅粉料合成装置及碳化硅粉料，其能够有效提高合成的碳化硅粉料中可用粒径的碳化硅颗粒的占比，从而提高原料的利用率。
本发明的实施例可以这样实现：
第一方面，本发明提供一种碳化硅粉料合成装置，包括：
支撑架；
内坩埚，所述内坩埚设置于所述支撑架且能绕自身轴线转动，所述内坩埚的轴线沿水平方向延伸，所述内坩埚上开设有第一排杂孔；
外坩埚，所述外坩埚设置于所述支撑架且罩住所述内坩埚，所述外坩埚与所述内坩埚相对固定且轴线重合，所述外坩埚上开设有第二排杂孔。
在可选的实施方式中，所述第一排杂孔设置于所述内坩埚的周壁上。
在可选的实施方式中，所述第一排杂孔的数量为多个且沿所述内坩埚的轴线间隔排布。
在可选的实施方式中，所述第二排杂孔设置于所述外坩埚的端壁上。
在可选的实施方式中，所述第二排杂孔的数量为多个且绕所述外坩埚的周向间隔排布。
在可选的实施方式中，所述第二排杂孔在轴向上与所述内坩埚的端壁相对。
在可选的实施方式中，所述外坩埚的周壁和所述内坩埚的周壁间隔设置，所述外坩埚的端壁与所述内坩埚的端壁间隔设置。
在可选的实施方式中，还包括第一转轴和第二转轴，所述第一转轴和所述第二转轴分别穿设所述外坩埚的两个端壁且与所述内坩埚的两个端壁固定连接，所述第一转轴和所述第二转轴分别可转动地安装于所述支撑架。
在可选的实施方式中，还包括电机，所述电机与所述第一转轴或者所述第二转轴传动连接，用于驱动所述外坩埚和所述内坩埚在所述支撑架上转动。
在可选的实施方式中，所述电机电连接有控制器，所述控制器电连接有触摸屏，所述控制器用于接收所述电机的工况并发送给所述触摸屏进行显示以及用于根据输入所述触摸屏的控制指令控制所述电机的工况。
第二方面，本发明还提供了一种碳化硅粉料，由前述任一实施方式的碳化硅粉料合成装置合成。
本发明实施例的有益效果包括，例如：
本碳化硅粉料合成装置包括支撑架、内坩埚和外坩埚，内坩埚设置于支撑架且能绕自身轴线转动，内坩埚的轴线沿水平方向延伸，内坩埚上开设有第一排杂孔，外坩埚设置于支撑架且罩住内坩埚，外坩埚与内坩埚相对固定且轴线重合，外坩埚上开设有第二排杂孔。通过设置可转动的内坩埚，可以为碳化硅粉料的合成提供温度梯度变化的热场，从而提高合成的碳化硅粉料中可用粒径的碳化硅颗粒的占比，从而提高原料的利用率，降低碳化硅粉料合成的成本。进一步地，通过设置罩住内坩埚的外坩埚，可以容纳内坩埚转动过程中从第一排杂孔掉出的碳粉和硅粉，避免掉出的碳粉和硅粉影响周围环境，保证整个装置的正常运行。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为本发明第一实施例提供的碳化硅粉末合成装置的结构示意图；
图2为本发明第一实施例提供的第二排杂孔的排布示意图。
图标：100-支撑架；200-内坩埚；210-第一排杂孔；300-外坩埚；310-第二排杂孔；400-第一转轴；500-第二转轴；600-电机；700-控制器；800-触摸屏。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，若出现术语“上”、“下”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，若出现术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例中的特征可以相互结合。
在制备碳化硅晶体前，需要先制备碳化硅粉末，并且需要碳化硅颗粒的粒径不能太大也不能太小，而是处于特定的目标范围内，才能用于碳化硅晶体的制备。
目前，碳化硅粉料的合成一般是将碳粉和硅粉混合放置于竖直的坩埚内，然后施加温度梯度固定的热场加热。这种方式虽然可以合成碳化硅粉末，但是由于是固定温度梯度的热场，碳粉和硅粉受热升华后只能向上流动，导致坩埚内合成的碳化硅颗粒的粒径一般是从下到上逐渐增大，其中直径处于目标范围内的碳化硅颗粒一般只有位于坩埚高度方向上的中间部位，即合成的碳化硅粉末中目标粒径的碳化硅颗粒的占比较小，从而导致原料的浪费。
针对上述情况，本发明提供了一种新的碳化硅粉料合成装置，其采用水平设置且可转动的双层坩埚结构，可以为坩埚内的碳粉和硅粉提供温度梯度可变的热场，使得碳粉和硅粉受热升华后可以到达坩埚内的每个部位，从而使得合成的碳化硅颗粒中大部分的粒径都为目标粒径，从而提高作为原料的碳粉和硅粉的利用率，降低碳化硅生产的成本。
下面结合附图详细介绍本发明提供的碳化硅粉料合成装置的整体构造、工作原理及取得的技术效果。
第一实施例：
请参照图1和图2，本发明实施例的碳化硅粉料合成装置包括支撑架100、内坩埚200以及外坩埚300。
内坩埚200设置于支撑架100且能绕自身轴线转动，内坩埚200的轴线沿水平方向延伸，即内坩埚200绕水平轴线转动安装于支撑架100。
进一步地，内坩埚200上开设有第一排杂孔210，第一排杂孔210用于排出内坩埚200中的杂质气体。第一排杂孔210可以根据需要设置于不同的位置且采用不同的排布方式，本实施例中，第一排杂孔210设置于内坩埚200的周壁上。第一排杂孔210的数量为多个且沿内坩埚200的轴线依次间隔排布。设置于周壁上可以使得第一排杂孔210随内坩埚200的转动到达内坩埚200的最高位置，以减少碳化硅粉料合成时从第一排杂孔210漏出的碳粉和硅粉。而设置多个沿轴向间隔排布的第一排杂孔210则可以有效提高内坩埚200的排杂效率和效果。
进一步地，外坩埚300也设置于支撑架100且罩住内坩埚200，且外坩埚300与内坩埚200相对固定且轴线重合。即外坩埚300也可以绕自身轴线转动，且转动轴线与内坩埚200的转动轴线重合，以便与内坩埚200实现稳定的同步转动。
外坩埚300上开设有第二排杂孔310，第二排杂孔310用于排出内坩埚200和外坩埚300的杂质气体。内坩埚200内的杂质气体会通过第一排杂孔210流出至外坩埚300，然后再通过第二排杂孔310流出至外部环境，而外坩埚300内的杂质气体可以通过第二排杂孔310流出至外部环境。为了使得内坩埚200从第一排杂孔210流出的杂质气体能顺利从第二排杂孔310流出，本实施例中，外坩埚300的周壁和内坩埚200的周壁间隔设置，外坩埚300的端壁与内坩埚200的端壁间隔设置，从而使得外坩埚300和内坩埚200之间形成足够大的供内坩埚200的杂质气体流动的空间。
第二排杂孔310可以根据需要设置于不同的位置且采用不同的排布方式，本实施例中，第二排杂孔310设置于外坩埚300的端壁上，且第二排杂孔310在轴向上与内坩埚200的端壁相对。第二排杂孔310的数量为多个且绕外坩埚300的周向间隔排布。将第二排杂孔310设置于外坩埚300的端壁上并且与内坩埚200的端壁相对可以弯曲并延长第一排杂孔210和第二排杂孔310之间的路径，从而使得从内坩埚200漏出的少量碳粉和硅粉可以在离心力的作用下稳定地存放于外坩埚300内而不会从第二排杂孔310漏出，以便碳粉和硅粉的后续利用，减少原料的浪费，同时避免泄漏的碳粉和硅粉影响整个装置的正常运行。
内坩埚200和外坩埚300可以根据需要采用不同的方式同步转动安装于支撑架100，本实施例中，碳化硅粉料合成装置还包括第一转轴400和第二转轴500，第一转轴400和第二转轴500分别穿设外坩埚300的两个端壁且与内坩埚200的两个端壁固定连接。详细地，第一转轴400通过两个连接件（比如法兰盘等）分别与外坩埚300和内坩埚200的其中一个端壁固定连接，第二转轴500通过两个连接件分别与外坩埚300和内坩埚200的另外一个端壁固定连接。
第一转轴400和第二转轴500分别可转动地安装于支撑架100，详细的，第一转轴400和第二转轴500远离外坩埚300的一端分别转动安装于支撑架100的两个轴承座上，从而实现外坩埚300和内坩埚200在支撑架100上的同步转动安装。
为了实现外坩埚300和内坩埚200的自动转动，提高整个装置的自动化程度，本实施例中，碳化硅粉料合成装置还包括电机600，电机600与第二转轴500传动连接，用于驱动第二转轴500转动，从而带动外坩埚300和内坩埚200在支撑架100上转动。当然，其它实施例中，电机600也可以与第一转轴400传动连接。
进一步地，电机600电连接有控制器700，控制器700电连接有触摸屏800，控制器700用于接收电机600的工况并发送给触摸屏800进行显示以及用于根据输入触摸屏800的控制指令控制电机600的工况。
本碳化硅粉料合成装置的工作过程包括以下三个阶段：
准备阶段：先取下与第一转轴400连接的外坩埚300和内坩埚200的端壁，然后向内坩埚200装入碳粉和硅粉，然后盖上对应的两个端壁。
静止加热阶段：首先向触摸屏800输入初始化指令，以使控制器700控制电机600驱动内坩埚200和外坩埚300开始旋转，并在第一排杂孔210转动至最高位置处时控制内坩埚200和外坩埚300停止旋转，然后对静止的内坩埚200和外坩埚300加热预设时间，使得内坩埚200内的杂质气体依次经过第一排杂孔210、外坩埚300的内腔以及第二排杂孔310流出，并且内坩埚200内的碳粉和硅粉受热升华并合成碳化硅粉末。其中，预设时间通过触摸屏800输入或者预存于控制器700内。
转动加热阶段：预设时间后控制器700控制电机600驱动内坩埚200和外坩埚300再次开始旋转，旋转的速度可以通过触摸屏800输入或者预存于控制器700内。此时内坩埚200内的热场相当于温度梯度可变的热场，可以使得碳粉和硅粉受热升华后流动至内坩埚200内的各个部位，从而使得目标粒径的碳化硅颗粒可以在内坩埚200的各个部位合成，进而使得合成的碳化硅粉末中目标粒径的碳化硅颗粒的占比提高。
需要说明的是，在上述转动加热阶段，由于内坩埚200内的碳粉和硅粉已经部分合成粒径大于第一排杂孔210的碳化硅颗粒，因此碳粉和硅粉不会从第一排杂孔210大量漏出，而少量漏出的碳粉和硅粉也可以稳定存储于外坩埚300内，因为第二排杂孔310位于外坩埚300的端壁对应内坩埚200的端壁的部位，且外坩埚300转动时具有离心作用力，可以使漏出的碳粉和硅粉贴附于外坩埚300的周壁而远离外坩埚300的第二排杂孔310，从而有效防止碳粉和硅粉从第二排杂孔310漏出。
综上，本发明实施例提供的碳化硅粉料合成装置包括支撑架100、内坩埚200和外坩埚300，内坩埚200设置于支撑架100且能绕自身轴线转动，内坩埚200的轴线沿水平方向延伸，内坩埚200上开设有第一排杂孔210，外坩埚300设置于支撑架100且罩住内坩埚200，外坩埚300与内坩埚200相对固定且轴线重合，外坩埚300上开设有第二排杂孔310。通过设置可转动的内坩埚200，可以为碳化硅粉料的合成提供温度梯度变化的热场，从而提高合成的碳化硅粉料中可用粒径的碳化硅颗粒的占比，从而提高原料的利用率，降低碳化硅粉料合成的成本。并且，通过设置罩住内坩埚200的外坩埚300，可以容纳内坩埚200转动过程中从第一排杂孔210掉出的碳粉和硅粉，避免漏出的碳粉和硅粉影响周围环境，保证整个装置的正常运行。
第二实施例：
本发明实施例提供了一种碳化硅粉料，其由第一实施例提供的碳化硅粉料合成装置合成，具有可用粒径的碳化硅颗粒的占比高，原料利用率高，生产成本低的特点。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种碳化硅粉料合成装置，其特征在于，包括：
支撑架（100）；
内坩埚（200），所述内坩埚（200）设置于所述支撑架（100）且能绕自身轴线转动，所述内坩埚（200）的轴线沿水平方向延伸，所述内坩埚（200）上开设有第一排杂孔（210）；
外坩埚（300），所述外坩埚（300）设置于所述支撑架（100）且罩住所述内坩埚（200），所述外坩埚（300）与所述内坩埚（200）相对固定且轴线重合，所述外坩埚（300）上开设有第二排杂孔（310）。
2.根据权利要求1所述的碳化硅粉料合成装置，其特征在于，所述第一排杂孔（210）设置于所述内坩埚（200）的周壁上。
3.根据权利要求2所述的碳化硅粉料合成装置，其特征在于，所述第一排杂孔（210）的数量为多个且沿所述内坩埚（200）的轴线间隔排布。
4.根据权利要求2所述的碳化硅粉料合成装置，其特征在于，所述第二排杂孔（310）设置于所述外坩埚（300）的端壁上。
5.根据权利要求4所述的碳化硅粉料合成装置，其特征在于，所述第二排杂孔（310）的数量为多个且绕所述外坩埚（300）的周向间隔排布。
6.根据权利要求4所述的碳化硅粉料合成装置，其特征在于，所述第二排杂孔（310）在轴向上与所述内坩埚（200）的端壁相对。
7.根据权利要求1所述的碳化硅粉料合成装置，其特征在于，所述外坩埚（300）的周壁和所述内坩埚（200）的周壁间隔设置，所述外坩埚（300）的端壁与所述内坩埚（200）的端壁间隔设置。
8.根据权利要求1所述的碳化硅粉料合成装置，其特征在于，还包括第一转轴（400）和第二转轴（500），所述第一转轴（400）和所述第二转轴（500）分别穿设所述外坩埚（300）的两个端壁且与所述内坩埚（200）的两个端壁固定连接，所述第一转轴（400）和所述第二转轴（500）分别可转动地安装于所述支撑架（100）。
9.根据权利要求8所述的碳化硅粉料合成装置，其特征在于，还包括电机（600），所述电机（600）与所述第一转轴（400）或者所述第二转轴（500）传动连接，用于驱动所述外坩埚（300）和所述内坩埚（200）在所述支撑架（100）上转动。
10.一种碳化硅粉料，其特征在于，由权利要求1-9任一项所述的碳化硅粉料合成装置合成。
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