CN216303281U - 碳化硅粉料合成装置 - Google Patents

Abstract

本申请提供一种碳化硅粉料合成装置，包括套筒、坩埚以及输气件，套筒罩设于坩埚外，套筒的内表面与坩埚的外表面共同限定出具有排气部的第一腔室；坩埚包括相连和围板和端壁，围板和端壁共同围成用于储存原料的第二腔室，坩埚还设有连通第一腔室和第二腔室的出气部。输气件被配置为从坩埚的外部延伸至第二腔室内，用于输送气体至第二腔室内。该合成装置能够提高碳化硅粉料的纯度，且高纯碳化硅粉料粒径分布均匀，并且不易存在局部碳化严重的现象，产率高。

Description

碳化硅粉料合成装置

技术领域

本实用新型涉及半导体领域，具体而言，涉及一种碳化硅粉料合成装置。

背景技术

碳化硅(SiC)作为第三代半导体材料的典型代表，具有宽带隙、高临界电场、高热导率、高载流子饱和漂移速度和化学稳定性好等特点，因此其作为制备高频率、大功率、高温、高频耐腐蚀和抗辐照半导体器件广泛的应用于极端环境中，碳化硅单晶应用前景较好。SiC单晶包括导电晶体和高纯晶体。导电晶体主要用于制作光电器件和大功率电力电子器件。而高纯单晶衬底在微波器件领域有着广泛的用途。现有制备高纯碳化硅晶体主要采用物理气相输运法，为获取高纯碳化硅晶体，需要制备纯度更高的碳化硅粉料。

经发明人研究发现，现有的提纯碳化硅粉料的装置存在如下缺点：

碳化硅粉料提纯效果差。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种碳化硅粉料合成装置，其能够提高碳化硅粉料的纯度，且高纯碳化硅粉料粒径分布均匀，并且不易存在局部碳化严重的现象，产率高。

本实用新型的实施例是这样实现的：

本实用新型提供一种碳化硅粉料合成装置，包括：

套筒、坩埚以及输气件，套筒罩设于坩埚外，套筒的内表面与坩埚的外表面共同限定出具有排气部的第一腔室；坩埚包括相连的围板和端壁，围板和端壁共同围成用于储存原料的第二腔室，坩埚还设有连通第一腔室和第二腔室的出气部，输气件被配置为从坩埚的外部延伸至第二腔室内，用于输送气体至第二腔室内。

在可选的实施方式中，套筒包括筒体和环形套，筒体设置为一端敞口另一端封闭，环形套设于筒体的敞口所在一端与坩埚之间，筒体、环形套以及坩埚共同限定出第一腔室；排气部设于环形套上。

在可选的实施方式中，排气部包括设于环形套上的多个第一通孔和填充于第一通孔内的多孔填料；

或，环形套的材料为多孔填料。

在可选的实施方式中，出气部包括贯穿围板的多个第二通孔和填充在第二通孔内的多孔填料。

在可选的实施方式中，坩埚位于筒体的敞口所在一端的端壁上设置有第三通孔，输气件通过第三通孔从坩埚的外部延伸至第二腔室内。

在可选的实施方式中，输气件设置为输气管，输气管上设置有第四通孔，第四通孔内填充有多孔填料。

在可选的实施方式中，输气管设置为一端敞口另一端封闭，输气管的敞口端位于坩埚外，输气管的封闭端位于第二腔室内，输气管的管壁上设置有通孔。

在可选的实施方式中，多孔填料为多孔石墨。

在可选的实施方式中，套筒的内表面和/或第二腔室的内表面设置有耐高温涂层，耐高温涂层为金属碳化物，金属为钨、钒、锆、钛、铌、铪或钽。

在可选的实施方式中，碳化硅粉料合成装置还包括加热件，加热件设于套筒的外侧。

本实用新型实施例的有益效果是：

综上所述，本实施例提供的碳化硅粉料合成装置，在进行碳化硅粉料提纯作业时，将硅粉和碳粉充分混合并置于第二腔室中，利用设于套筒外侧的加热件提供热量，热量通过套筒以及套筒和坩埚共同限定出的第一腔室传导至坩埚内，触发硅粉和碳粉的燃烧反应，合成获得碳化硅晶粒。由于第一腔室的结构设计，能够制造出一个稳定且均匀的热场，使得在合成碳化硅粉料的过程中，碳粉和硅粉混合形成的原料中的温梯均匀，合成中的原料粒径分布均匀且无碳化现象，合成获得的碳化硅粉料纯度高。同时，在合成过程中，利用输气件向第二腔室中输入氢气，氢气在从第二腔室的出气部进入第一腔室并从排气部排出的过程中，能够将原料中的氮气杂质从排气部挤出，提高原料的纯度，进而提高碳化硅粉料的纯度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例的技术方案，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实用新型的某些实施例，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为本实用新型实施例的碳化硅粉料合成装置的一视角的剖视结构示意图；

图2为本实用新型实施例的碳化硅粉料合成装置的另一视角的剖视结构示意图；

图3为本实用新型实施例的碳化硅粉料合成装置的变形结构示意图。

图标:

001-原料；100-套筒；110-筒体；120-筒盖；130-环形套；200-坩埚；210-坩埚筒；211-底板；212-围板；220-坩埚盖；230-第二腔室；300-输气件；400-加热件；500-第一腔室；600-耐高温涂层。

具体实施方式

为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本实用新型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实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

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。

在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“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，或者是该实用新型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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

此外，术语“水平”、“竖直”等术语并不表示要求部件绝对水平或悬垂，而是可以稍微倾斜。如“水平”仅仅是指其方向相对“竖直”而言更加水平，并不是表示该结构一定要完全水平，而是可以稍微倾斜。

在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。

碳化硅粉料的生产方法主要分为三大类，第一类是固相法，例如Acheson法和自蔓延法；第二类是液相法，例如溶胶-凝胶法和聚合物热分解法；第三类是气相法，例如化学气相传输法。比较常用的是Acheson法、自蔓延法和化学气相传输法。自蔓延法是近年来研究最多、进步最快的一种碳化硅粉料生产方法，该方法是将Si粉和C粉充分混合，在密闭的高温第一腔室内触发Si颗粒和C颗粒的燃烧反应，由点及面，不断蔓延以获得碳化硅晶粒，或通过加入高纯氢气抑制氮杂质的自蔓延方法等来获取高纯度高质量的碳化硅粉料。但是，现有技术的自蔓延法制得的碳化硅粉料纯度最高只能达到6N级别。并且在自蔓延合成的过程中，由于热场的不均匀，会导致合成制得的高纯碳化硅粉料粒径分布不均匀，并且局部碳化严重，影响产率。

鉴于此，设计者设计了一种碳化硅粉料合成装置，通过使原料001处于均匀热场环境中在完成合成，制得的碳化硅粉料粒径分布均匀度高，局部碳化少，产率高，纯度高。

请参阅图1和图2，本实施例中，碳化硅粉料合成装置包括套筒100、坩埚200以及输气件300，套筒100罩设于坩埚200外，套筒100的内表面与坩埚200的外表面共同限定出具有排气部的第一腔室500；坩埚200设有用于储存原料001的第二腔室230以及连通第一腔室500和第二腔室230的出气部；输气件300与坩埚200连接，输气件300被配置为从坩埚200的外部延伸至第二腔室230内，用于输送气体至第二腔室230内。

本实施例提供的碳化硅粉料合成装置，在进行碳化硅粉料提纯作业时，将硅粉和碳粉充分混合并置于第二腔室230中，利用设于套筒100外侧的加热件400提供热量，热量通过套筒100以及套筒100和坩埚200共同限定出的第一腔室500传导至坩埚200内，触发硅粉和碳粉的燃烧反应，合成获得碳化硅晶粒。由于第一腔室500的结构设计，能够制造出一个稳定且均匀的热场，使得在合成碳化硅粉料的过程中，碳粉和硅粉混合形成的原料001中的温梯均匀，合成中的原料001粒径分布均匀且无碳化现象，合成获得的碳化硅粉料纯度高。同时，在合成过程中，利用输气件300向第二腔室230中输入氢气，氢气在从第二腔室230的出气部进入第一腔室500并从排气部排出的过程中，能够将原料001中的氮气杂质从排气部挤出，提高原料001的纯度，进而提高碳化硅粉料的纯度。

需要说明的是，通过输气件300输送至第二腔室230内的气体为非反应气体或称清洗气体，不限于是氢气，还可以是氩气和/或氦气等惰性气体。

请结合图1，本实施例中，可选的，套筒100包括采用石墨制成的筒体110、石墨制成的筒盖120以及环形套130。筒体110可以设置为圆柱形筒，即筒体110的横截面轮廓为圆环形，其中，筒体110的横截面为垂直于筒体110的轴线的平面。筒体110的两端均为敞口，为便于描述，筒体110在其轴线方向上的两个敞口分别为第一敞口和第二敞口。筒体110在其第一敞口所在一端的外周面设置有第一环形槽，第一环形槽的槽底壁所在圆柱面与筒体110的外周面同轴线设置，在第一环形槽的槽底壁上设置有第一外螺纹。筒体110的内周面设置有耐高温涂层600。筒盖120设置为圆形盖，筒盖120设置有第一内螺纹，筒盖120通过第一内螺纹与筒体110上的第一外螺纹螺接，也即筒盖120能封闭筒体110的第一敞口。且筒体110和筒盖120采用螺纹连接，便于装配和拆卸，显然，在其他实施例中，筒体110和筒盖120还可以采用其他结构实现可拆卸地连接。同时，筒盖120的内表面设置有耐高温涂层600。环形套130为圆环形结构，环形套130的材料为多孔填料，多孔填料制成的环形套130具备多个交错排布的通孔，多个通孔构成排气部，利于排气。环形套130嵌设在筒体110内且靠近第二敞口设置，环形套130的轴线与筒体110的轴线重合。环形套130远离第一敞口的环形端面与筒体110的第二敞口所在端面平齐，筒体110与环形套130之间不易存在缝隙或死角，不易堆积杂质，不易堵塞环形套130上的排气部。

需要说明的是，在其他实施例中，筒体110不限于是圆筒，筒盖120不限于是圆形盖。此外，套筒100可以仅包括一端敞口另一端封闭的筒体110，从而省去筒盖120。

此外，环形套130可以部分设置为多孔填料。也即，环形套130上设置有多个第一通孔，每个第一通孔内均填充有多孔填料，排气部包括多个第一通孔以及填充在第一通孔内的多孔填料。

请结合图1，本实施例中，可选的，坩埚200包括坩埚筒210和坩埚盖220。坩埚筒210采用高纯石墨制成，坩埚筒210设置为圆筒形，坩埚筒210包括一体成型的圆形的底板211和圆环形的围板212，围板212设于底板211的一板面上，且围板212的外周面与底板211的外周面位于同一圆柱面内，或者说，围板212的外周面和底板211的外周面共同限定出一圆柱面。坩埚筒210的底板211所在一端为封闭端，远离底板211的一端为开口端，也即，围板212为两端开口的中空结构，底板211封闭围板212的一端且形成坩埚筒210的封闭端，围板212的另一端为开口端。围板212上设置有沿围板212的径向方向贯穿围板212的多个第二通孔，每个第二通孔中均填充有多孔填料，多孔填料具有多个交错连通的通孔，多个第二通孔和填充于第二通孔内的多孔填料构成出气部。底板211的中部位置设置有装配孔，装配孔设置为圆形孔，圆形孔的轴线与底板211的中心线重合。围板212远离底板211一端的外周面设置有第二环形槽，第二环形槽的槽底壁为圆柱面，第二环形槽的槽底壁与围板212同轴线设置。第二环形槽的槽底壁上设置有第二外螺纹。坩埚盖220设置为石墨盖，坩埚盖220为圆形盖，坩埚盖220设置有第二内螺纹，坩埚盖220的第二内螺纹与围板212上的第二外螺纹螺接，也即坩埚盖220与围板212为螺纹连接，便于拆装，显然，在其他实施例中，坩埚盖220和围板212还可以采用其他方式实现可拆卸地连接。

需要说明的是，在其他实施例中，坩埚筒210不限于是圆筒，坩埚盖220不限于是圆形盖。

本实施例中，套筒100和坩埚200装配时，利用筒体110的第二敞口将筒体110套接在坩埚200外，筒体110和围板212同轴设置。筒盖120与坩埚200的坩埚盖220相对且具有间距，筒体110的内周面与围板212的外周面具有间距形成环形空间，且第二敞口所在一端与底板211远离坩埚盖220的板面位于同一平面中。环形套130套接在底板211外，也即环形套130被夹持于底板211和筒体110之间。筒体110、筒盖120、环形套130、坩埚筒210和坩埚盖220共同限定出第一腔室500。

应当理解，由于筒体110的内表面设置有耐高温涂层600，因此，环形套130的外周面与耐高温涂层600接触。

进一步的，底板211的中部位置设置有第三通孔，输气件300穿设于第三通孔内。

此外，底板211的内表面上也可以设置耐高温涂层600。本实施例中，需要说明的是，耐高温涂层600可以是稀有金属的碳化物，稀有金属例如可以是钨、钒、锆、钛、铌、铪或钽等，采用稀有金属的碳化物制成的涂层，是因为耐高温的金属化合物的熔点高于碳化硅的升华温度，并且在碳化硅粉料合成温度下，可以形成一层保护膜，并且对于硅具有化学惰性。

本实施例中，输气件300设置为圆柱形管，输气件300的一端封闭另一端敞口，敞口端作为进气口。输气件300的周壁上设置有多个第四通孔，每个第四通孔内均填充有多孔填料，输气件300通过多孔填料内部形成的通孔与第二腔室230连通。也即，输气件300穿过底板211上的第三通孔插入到第二腔室230中，且输气件300的封闭端位于第二腔室230内，封闭端与坩埚盖220具有间距，进气口位于第二腔室230外。

需要说明的是，本实施例提供的多孔填料均为多孔石墨。

请参阅图3，本实施例提供的碳化硅粉料合成装置还包括加热件400，加热件400可以是感应线圈，感应线圈套接在套筒100外，被配置为用于加热位于第二腔室230中的原料。

本实施例提供的碳化硅粉料合成装置用于制备碳化硅粉料的过程中，利用感应线圈加热，热量通过第一腔室500传导至第二腔室230内，对第二腔室230内的原料001进行加热。由于第一腔室500的结构设计，在套筒100和坩埚200之间形成了空气隔层，使得合成过程中，原料001中的温梯均匀，合成中的原料001粒径分布均匀且无碳化现象。并且，在合成过程中，利用输气件300向第二腔室230中通入氢气，氢气的密度小，氢气先填满远离排气部的区域，然后逐渐将氮气从排气部挤出，提高原料001的纯度。

以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种碳化硅粉料合成装置，其特征在于，包括：

套筒；

坩埚，所述套筒罩设于所述坩埚外，所述套筒的内表面与所述坩埚的外表面共同限定出具有排气部的第一腔室；所述坩埚包括相连的围板和端壁，所述围板和所述端壁共同围成用于储存原料的第二腔室，所述坩埚还设有连通所述第一腔室和所述第二腔室的出气部；

以及输气件，所述输气件被配置为从所述坩埚的外部延伸至所述第二腔室内，用于输送气体至所述第二腔室内。

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：

所述套筒包括筒体和环形套，所述筒体设置为一端敞口另一端封闭，所述环形套设于所述筒体的敞口所在一端与所述坩埚之间，所述筒体、所述环形套以及所述坩埚共同限定出所述第一腔室；所述排气部设于所述环形套上。

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：

所述排气部包括设于所述环形套上的多个第一通孔和填充于所述第一通孔内的多孔填料；

或，所述环形套的材料为多孔填料。

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：

所述出气部包括贯穿所述围板的多个第二通孔和填充在所述第二通孔内的多孔填料。

5.根据权利要求2所述的碳化硅粉料合成装置，其特征在于：

所述坩埚位于所述筒体的敞口所在一端的端壁上设置有第三通孔，所述输气件通过所述第三通孔从所述坩埚的外部延伸至所述第二腔室内。

6.根据权利要求5所述的碳化硅粉料合成装置，其特征在于：

所述输气件设置为输气管，所述输气管上设置有第四通孔，所述第四通孔内填充有多孔填料。

7.根据权利要求6所述的碳化硅粉料合成装置，其特征在于：

所述输气管设置为一端敞口另一端封闭，所述输气管的敞口端位于所述坩埚外，所述输气管的封闭端位于所述第二腔室内，所述输气管的管壁上设置有通孔。

8.根据权利要求3、4或6所述的碳化硅粉料合成装置，其特征在于：

所述多孔填料为多孔石墨。

9.根据权利要求1所述的碳化硅粉料合成装置，其特征在于：

所述套筒的内表面和/或所述第二腔室的内表面设置有耐高温涂层，所述耐高温涂层为金属碳化物，所述金属为钨、钒、锆、钛、铌、铪或钽。

10.根据权利要求1所述的碳化硅粉料合成装置，其特征在于：

所述碳化硅粉料合成装置还包括加热件，所述加热件设于所述套筒的外侧。

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