CN211620665U - 一种用于制备高纯碳化硅粉料的反应器 - Google Patents

Abstract

本申请涉及一种用于制备高纯碳化硅粉料的反应器，属于半导体材料制备领域。该用于制备高纯碳化硅粉料的反应器包括：坩埚，坩埚形成合成腔，合成腔包括原料区和位于原料区上方的合成区，原料区用于放置硅原料；石墨板组，石墨板组包括至少一个石墨板，石墨板组置于合成区，石墨板与硅原料之间设置间隙；加热炉，坩埚至于加热炉内，加热炉加热使得硅原料升华至与石墨板反应生成高纯碳化硅粉料。该用于制备高纯碳化硅粉料的反应器制得的高纯碳化硅粉料的纯度高；制得的碳化硅产品为颗粒状，不需要破碎/研磨后处理，防止了杂质的引入；且该反应器在制备高纯碳化硅粉料时不需要添加额外辅助剂维持合成反应的进行。

Description

一种用于制备高纯碳化硅粉料的反应器

技术领域

本申请涉及一种用于制备高纯碳化硅粉料的反应器，属于半导体材料制备领域。

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、热导率高等优异性质，而被广泛应用于电力电子、射频器件、光电子器件等领域。高纯碳化硅单晶是制备高频、大功率微波器件的首选材料，但高纯半绝缘碳化硅单晶由于其纯度要求较高，故而单晶制备技术难度大，目前其制备技术仅为少数国家所掌握。高纯半绝缘碳化硅单晶纯度的主要技术难点是高纯碳化硅原料的制备。由于目前碳化硅粉料制备主要使用自蔓延高温合成法实现。这种方法利用高温给予反应物初始发热，使其开始产生化学反应；随着反应进行，未反应的物质在反应放热的条件下继续完成化学反应。然而此种方法需混合或者添加额外的辅助反应剂才能维持进行，从而不可避免的造成外来杂质的污染，难以合成高纯度的碳化硅粉料。

由于硅的熔点较低，反应前的温度需维持在较低的温度以避免硅的熔融和升华，这将造成炉腔内保温材等吸附的杂质无法在反应前排出，从而不可避免的参与到反应中，造成合成原料的纯度降低。因此，合成高纯碳化硅原料的先决条件是避免硅粉中杂质的引入以及在反应前将反应炉腔内的杂质通过高温去除。而目前的高温自蔓延法无法实现这一先决条件，因而合成的碳化硅粉料纯度远远达不到高纯半绝缘碳化硅单晶生长的要求。

发明内容

为了解决上述问题，提供了一种用于制备高纯碳化硅粉料的反应器，使用该反应器制得的高纯碳化硅粉料的纯度高；制得的碳化硅产品为颗粒状，不需要破碎/研磨后处理，防止了杂质的引入；且该反应器在制备高纯碳化硅粉料时不需要添加额外辅助剂维持合成反应的进行。

该用于制备高纯碳化硅粉料的反应器，其特征在于，其包括：

坩埚，所述坩埚形成合成腔，所述合成腔包括原料区和位于所述原料区上方的合成区，所述原料区用于放置硅原料；

石墨板组，所述石墨板组包括至少一个石墨板，所述石墨板组置于所述合成区，所述石墨板与硅原料之间设置间隙；

加热炉，所述坩埚至于所述加热炉内，所述加热炉加热使得所述硅原料升华至与所述石墨板反应生成所述高纯碳化硅粉料。

可选地，所述石墨板设置气流通孔。

可选地，所述石墨板均匀的设置多个气流通孔。

可选地，所述气流通孔的直径为3-10mm。

可选地，所述石墨板与所述坩埚内壁之间形成气流通孔。

可选地，所述石墨板沿所述坩埚径向延伸并与所述坩埚内壁连接，所述石墨板设置至少一个气流通孔。

可选地，所述石墨板组包括多个石墨板，所述多个石墨板沿所述坩埚的轴向分布。

可选地，所述多个石墨板的气流通孔占有率沿着远离所述硅原料的方向减小。

可选地，所述相邻的石墨板之间的气流通孔占有率差值在20-70％。

可选地，所述坩埚的合成腔的横截面积为圆形，

所述石墨板为圆形，和/或

所述气流通孔为圆形。

作为一种上述用于制备高纯碳化硅粉料的反应器的使用方法，其它包括下属步骤：

1)提供硅原料和石墨板组，所述石墨板组包括至少一个石墨板；

2)将所述硅原料和所述石墨板置于坩埚内，所述石墨板组置于所述硅原料上方，所述石墨板与硅原料之间设置间隙；

3)将装料后的坩埚置于加热炉内进行高温固相合成，即制得所述高纯碳化硅粉料。

可选地，所述高温固相合成法包括步骤：

1)除杂：在真空度10^-4～10^-6mbar和温度1400-1600℃，除杂不低于5h；

2)熔化：在惰性保护气体压力为45-100mbar和温度1800-2000℃，熔化硅原料；

3)合成：在惰性保护气体压力为45-100mbar和温度2000-2300℃，反应不低于10h，即制的所述碳化硅粉料。

可选地，所述高温固相合成法包括步骤：

1)除杂：将所述加热炉的炉膛真空抽至10^-6mbar，将炉膛内温度以10-40℃/min升至1400-1600℃，真空度10^-4～10^-6mbar，保持5-10 h；

2)熔化：将炉膛温度缓慢升至1800-2000℃，同时通入惰性保护气体，以5-20℃/min升压至45-100mbar，使硅原料溶解；

3)合成：压力保持不变，将温度以5-20℃/min升至2000-2300℃，反应10-20h，生成颗粒状碳化硅粉。

可选地，由上述任一所述的用于制备高纯碳化硅粉料的反应器制备得到的高纯碳化硅粉料的纯度低于10ppm。

优选地，所述高纯碳化硅粉料的纯度低于5ppm。

本申请中，“气流通孔占有率”是指：若石墨板沿坩埚的径向面延伸并与坩埚连接，则气流通孔的截面积的总和占所述石墨板的面积的百分比；若石墨板沿坩埚的径向面延伸并与坩埚之间形成气流通孔，则气流通孔的截面积的总和占所述坩埚径向面的面积的百分比。

本申请的有益效果包括但不限于：

1.根据本申请的用于制备高纯碳化硅粉料的反应器，该反应器无需混合或添加额外辅助剂维持反应的进行。

2.根据本申请的用于制备高纯碳化硅粉料的反应器，并且该反应器在制备碳化硅粉的方法中的除杂阶段的温度高、压力低，进而制得的碳化硅粉的纯度高；且使用更高纯度的硅原料，使得获得的碳化硅粉纯度更高。

3.根据本申请的用于制备高纯碳化硅粉料的反应器，该反应器制得的碳化硅产品为颗粒状，不需要破碎/研磨后处理，防止了杂质的引入。

4.根据本申请的用于制备高纯碳化硅粉料的反应器，该反应器制得的高纯碳化硅粉料的颗粒度均匀、纯度高。

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为本申请实施例涉及的装料后的坩埚示意图。

图2为本申请实施例涉及的石墨板示意图。

具体实施方式

下面结合实施例详述本申请，但本申请并不局限于这些实施例。

如无特别说明，本申请的实施例中的原料和催化剂均通过商业途径购买。

其中，石墨板的纯度不低于10ppm；以硅块为硅原料的纯度不低于10ppm；高纯氩气的纯度不低于99.999％；高纯氦气的纯度不低于 99.999％。

本申请的实施例中分析方法如下：

利用Thermo Fisher公司Element GD-PLUS型双聚焦辉光放电质谱仪仪器行总杂质含量分析，Al元素、Fe元素、Ni元素、B元素、 P元素、S元素、Cl元素含量分析。

参考图1、2，将硅块3和石墨板组放置在坩埚1内，石墨板组置于硅块3上方，石墨板2与硅块3之间设置间隙，石墨板组包括至少一个石墨板2。图1所示的石墨板组中有多个石墨板2。使用硅块 3和石墨板2且按照本申请得设置方式可以直接制得颗粒状的碳化硅粉料，且无需使用添加剂，即可制得纯度不低于5ppm的碳化硅粉料。

为了提高碳化硅粉料的合成效率，石墨板2或，石墨板2与坩埚 1内壁之间形成气流通孔21，则升华的硅气从气流通孔21中流动到石墨板2的上端面与其反应。为了进一步的提高碳化硅粉料合成效率，石墨板组包括多个石墨板2，多个石墨板2沿坩埚1的轴向分布，且石墨板2之间设置间隙不相邻，每个石墨板2或、石墨板2与坩埚1 内壁之间形成气流通孔21，则硅气可以与各个石墨板2反应。该多个石墨板2的设置方式可以将固定重量的石墨原料制成多块石墨板2，则石墨的反应的表面积大则反应效率越高。优选石墨板2的厚度为2-10mm。

为了进一步提高碳化硅粉料的合成效率，多个石墨板2的气流通孔21占有率沿着远离硅块3的方向减小。参考图1，坩埚1内的高一级比相邻的低一级的石墨的气流通孔21占有率高10-20％。优选坩埚1内的高一级比相邻的低一级的石墨的气流通孔21占有率高15％。

参考图2，作为一种石墨板2的结构的实施方式，石墨板2设置至少一个气流通孔21。优选，石墨板2均匀的设置多个气流通孔21，气流通孔21的直径为3-10mm。进一步地，坩埚1内设置多个石墨板 2时，气流相邻地气流通孔21不对应设置，以增大硅气在上升过程中与石墨板2反应接触的频次。

作为一种石墨板2的结构和设置方式的实施方式，石墨板2沿坩埚1径向延伸并与坩埚1内壁连接，石墨板2与坩埚1的连接方式可以通过石墨支架将石墨板2固定在坩埚1内壁。

石墨板2的纯度不低于10ppm，硅块3的纯度不低于10ppm，高纯碳化硅粉料的纯度低于10ppm。

以参考图1和图2的装料后的坩埚1和石墨板2为例，说明高纯碳化硅粉的制备方法包括下述步骤：

1)提供硅块3和石墨板组，石墨板组包括至少一个石墨板2；

2)将硅块3和石墨板2置于坩埚1内，石墨板组置于硅块3上方，石墨板2与硅块3之间设置间隙；

3)将装料后的坩埚1置于加热炉内进行高温固相合成：

①除杂：将装料后的将加热炉的炉膛真空抽至10^-6mbar，将炉膛内温度以10-40℃/min升至1400-1600℃，真空度10^-4～10^-6mbar，保持5-10h；

②熔化：将炉膛温度缓慢升至1800-2000℃，同时通入惰性保护气体，以5-20℃/min升压至45-100mbar，使硅块溶解；

③合成：压力保持不变，将温度以5-20℃/min升至2000-2300℃，反应10-20h，生成颗粒状碳化硅粉。

实施例1

参考图1和图2的坩埚与石墨板组，高纯碳化硅粉的制备方法包括下述步骤：

1)提供硅块和石墨板组，石墨板组包括4个石墨板；

2)将硅块和石墨板置于坩埚内，石墨板置于硅块上方，石墨板与硅块之间设置间隙，石墨板之间设置间隙；

3)将装料后的坩埚置于加热炉内进行高温固相合成：

①除杂：将装料后的将加热炉的炉膛真空抽至10^-6mbar，将炉膛内温度以20℃/min升至1500℃，真空度10^-4～10^-6mbar，保持8h；

②熔化：将炉膛温度缓慢升至1900℃，同时通入惰性保护气体，以10℃/min升压至60mbar，使硅块溶解；

③合成：压力保持不变，将温度以10℃/min升至2100℃，反应 15h，生成颗粒状高纯碳化硅粉料；

其中，相邻的石墨板高比低的气流通孔占有率增长量20％(下述增长量都是相邻的远离硅块的石墨板比靠近硅块的石墨板的增加值)。

实施例2高纯碳化硅粉1#、2#、对比碳化硅粉D1#-D4#的制备

按照实施例1的高纯碳化硅粉1#的制备方法分别制得高纯碳化硅粉1#、2#、对比碳化硅粉D1#-D4#，其与高纯碳化硅粉1#的制备方法不同之处如表1所示。

表1

实施例3高纯碳化硅粉1#、2#、对比碳化硅粉D1#-D4#的杂质含量检测

对实施例2制备的高纯碳化硅粉1#、2#、对比碳化硅粉D1#-D4# 的总杂质和部分元素杂质含量进行GDMS检测，检测结果如表2所示。

表2

由上述内容可知，本申请的制备方法在除杂阶段相对于现有方法的温度高、压力低，故制得的碳化硅粉的纯度高；并且无需混合或添加额外辅助剂维持反应的进行；该方法制得的碳化硅产品为均匀颗粒状，不需要破碎/研磨后处理，防止了杂质的引入。

以上所述，仅为本申请的实施例而已，本申请的保护范围并不受这些具体实施例的限制，而是由本申请的权利要求书来确定。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的技术思想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保护范围之内。

Claims (11)

1.一种用于制备高纯碳化硅粉料的反应器，其特征在于，其包括：

坩埚，所述坩埚形成合成腔，所述合成腔包括原料区和位于所述原料区上方的合成区，所述原料区用于放置硅原料；

石墨板组，所述石墨板组包括至少一个石墨板，所述石墨板组置于所述合成区，所述石墨板与硅原料之间设置间隙；

加热炉，所述坩埚至于所述加热炉内，所述加热炉加热使得所述硅原料升华至与所述石墨板反应生成所述高纯碳化硅粉料。

2.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述石墨板设置气流通孔。

3.根据权利要求2所述的反应器，其特征在于，所述石墨板均匀的设置多个气流通孔。

4.根据权利要求2所述的反应器，其特征在于，所述气流通孔的直径为3-10mm。

5.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述石墨板与所述坩埚内壁之间形成气流通孔。

6.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述石墨板沿所述坩埚径向延伸并与所述坩埚内壁连接，所述石墨板设置至少一个气流通孔。

7.根据权利要求1所述的反应器，其特征在于，所述石墨板组包括多个石墨板，所述多个石墨板沿所述坩埚的轴向分布。

8.根据权利要求2或3所述的反应器，其特征在于，所述多个石墨板的气流通孔占有率沿着远离所述硅原料的方向减小。

9.根据权利要求8所述的反应器，其特征在于，所述相邻的石墨板之间的气流通孔占有率差值在20-70％。

10.根据权利要求1或7所述的反应器，其特征在于，所述坩埚的合成腔的横截面积为圆形，和/或所述石墨板为圆形。

11.根据权利要求2-6或9中任一所述的反应器，其特征在于，所述坩埚的合成腔的横截面积为圆形，所述石墨板为圆形，和/或

所述气流通孔为圆形。

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