一種低成本低溫合成碳化硅粉料的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于碳化硅單晶生長的低成本低溫合成碳化硅粉的方法，屬于無機(jī)非金屬材料領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]碳化硅單晶因其具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導(dǎo)率大、電子飽和漂移速度高、介電常數(shù)小、抗輻射能力強(qiáng)、良好的化學(xué)穩(wěn)定性等獨(dú)特的特性，與以第一代半導(dǎo)體材料和第二代半導(dǎo)體材料相比有著明顯的優(yōu)越性，被認(rèn)為是制造光電子器件、高頻大功率器件、電力電子器件理想的半導(dǎo)體材料，在白光照明、光存儲(chǔ)、屏幕顯示、航天航空、高溫輻射環(huán)境、石油勘探、自動(dòng)化、雷達(dá)與通信、汽車電子化等方面有廣泛應(yīng)用。在單晶襯底、同質(zhì)外延半導(dǎo)體薄膜和器件工藝等方面發(fā)展迅速，是最理想的第三代半導(dǎo)體材料之一。
[0003]碳化硅粉料質(zhì)量在升華法生長碳化硅單晶時(shí)起很重要的作用，直接影響單晶的結(jié)晶質(zhì)量和生長厚度。隨著碳化硅單晶襯底功率器件和電力電子器件大規(guī)模廣泛應(yīng)用，對(duì)大直徑單晶的需求越來越迫切，由目前廣泛應(yīng)用的4英寸擴(kuò)展到6英寸甚至8英寸。但是隨著襯底直徑的增加，生長坩禍尺寸更大，需要的源料碳化硅粉隨之增加，6英寸單晶生長每爐次需要裝料量高達(dá)2-3kg，目前的合成方法成本高，已不能滿足產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的需要，因此通過改進(jìn)合成料技術(shù)，降低成本，源料顆粒度可控，已成為目前生長大單晶亟待解決的難題。
[0004]中國專利文件CN102701208A公開了高純碳化硅粉體的高溫固相合成方法，該方法將高純硅粉和高純碳粉混合均勻后，然后進(jìn)行高真空熱處理，即采用高純惰性氣體在不同壓力和不同溫度下抽真空清洗，然后在1800-2100°C進(jìn)行高溫合成，最終獲得氮含量在15ppm以下的高純碳化娃粉體。CN103708463A公開了公斤級(jí)高純碳化娃粉的制備方法，該方法首先進(jìn)行坩禍鍍膜預(yù)處理，先鍍碳膜后鍍碳化硅膜，然后將硅粉和碳粉混合均勻后放入中頻加熱爐，在1500-1900°C之間高溫合成獲得公斤級(jí)高純碳化硅粉料。CN101302011A公開了用于半導(dǎo)體單晶生長的高純碳化硅粉的人工合成方法，主要采用二次合成方法，將硅粉和碳粉混合后，第一次先低溫1500°C合成，然后將一次合成的粉料混合均勻后升高溫度到1800-2000°C進(jìn)行二次合成，該方法可有效去除硅粉和碳粉中的雜質(zhì)元素。
[0005]以上所述現(xiàn)有方法中采用的原料均為純硅粉和碳粉，尤其高純碳粉屬于國外禁運(yùn)物資，是重要的國防應(yīng)用原材料，價(jià)格昂貴，這也是導(dǎo)致碳化硅單晶襯底價(jià)格高的重要原因。另外，上述三種方法均采用高溫合成，合成溫度均在1500°C以上，最高可達(dá)2100°C，從而對(duì)合成料的設(shè)備配備要求很高，如高溫實(shí)現(xiàn)、漏率小、真空度高、冷卻能力強(qiáng)等，從而設(shè)備投入大，成本高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)合成碳化硅粉料存在的不足，提供一種能夠?qū)崿F(xiàn)低成本、低溫、低設(shè)備投入、高產(chǎn)率、顆粒度大且均勻可控的碳化硅粉料的制備方法。
[0007]一種低成本低溫制備碳化硅粉料的方法，包括以下步驟:
[0008](I)配料:
[0009]采用高純碳纖維和高純硅粉為原料，按摩爾比1:1的比例混合均勻。
[0010]所述高純碳纖維和高純硅粉原料的純度均大于99%，碳纖維直徑7-10 μπι，長度1 -1 OOmm,娃粉粒度小于500 μ m ；
[0011]⑵合成:
[0012]將所述硅粉和碳纖維放入加高坩禍中，置于中頻感應(yīng)加熱爐中，加熱爐生長室抽真空，除去生長室中的氧氣、氮?dú)夂退魵?，同時(shí)將溫度升高至500-1000°C ;然后抽真空，使真空度小于10_3Pa;向生長室中充入氬氣或者氬氣和氫氣的混合氣體，壓力為800-900mbar，升溫至1000_1300°C進(jìn)行合成，合成時(shí)間為5_10小時(shí)，而后降至室溫，即可得到粒度均勻可控的碳化硅粉料。
[0013]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(2)中向中頻感應(yīng)加熱爐生長室中充入氬氣和氫氣的混合氣體時(shí)，氬氣與氫氣的體積比為5?9:1。在充入氬氣的同時(shí)通入氫氣有利于抑制合成料時(shí)氮的摻入。
[0014]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(2)中所述氬氣、氫氣的純度均大于99.9%。
[0015]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(2)中所述的高溫合成時(shí)，加熱爐腔中通入循環(huán)水冷卻，以控制反應(yīng)溫度。
[0016]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(2)中的坩禍材料為普通石墨或高純石墨。按現(xiàn)有技術(shù)。
[0017]根據(jù)本發(fā)明優(yōu)選的，步驟(2)中所述的加高坩禍，高度為400-800mm，可一次性合成5-10kg粉料。該坩禍可重復(fù)多次使用。
[0018]本發(fā)明中，采用的加熱爐為中頻感應(yīng)加熱爐。
[0019]本發(fā)明的方法可制備粒度50-1000 μπι可調(diào)控的SiC粉料，尤其是450 μπι以上粒徑的大粒度SiC粉料彌補(bǔ)了現(xiàn)有技術(shù)合成的SiC粉料粒度偏小的不足。特別優(yōu)選粒徑500-1000 μ m的大粒度SiC粉料。
[0020]本發(fā)明制得的碳化硅粉料可適用于碳化硅單晶生長以及碳化硅陶瓷的制備。
[0021]本發(fā)明的優(yōu)良效果:
[0022]1、本方法不使用高純碳粉即可用高溫固相合成方法實(shí)現(xiàn)碳化硅粉料的批量生產(chǎn)，能有效降低碳化硅產(chǎn)品的生產(chǎn)成本。
[0023]2、本方法合成溫度低，低于1300°C，充分利用了原料自蔓延反應(yīng)放熱的機(jī)理，節(jié)約了高溫1500°C以上使晶粒長大的步驟，節(jié)能，對(duì)設(shè)備及相關(guān)配置投入大大減小，工藝步驟簡單。
[0024]3、本發(fā)明采用一次合成法，克服了二次合成工序復(fù)雜、耗時(shí)長、人為引入雜質(zhì)等缺點(diǎn)?？梢淮涡院铣闪６瓤煽氐奶蓟璺哿希摲椒ǔ杀镜?，可一次性合成5-10kg粉料，可批量生產(chǎn)。
[0025]4、本發(fā)明低溫下即可得到大粒度碳化硅粉料，用于SiC單晶生長時(shí)，同樣坩禍尺寸下，大顆粒SiC粉料有利于增加裝料量，提尚料利用率，從而大大提尚SiC單晶廣率。
【附圖說明】
[0026]圖1是實(shí)施例1中合成碳化硅粉料的XRD圖。橫坐標(biāo)為2Θ (° )，縱坐標(biāo)為強(qiáng)度(a.u.) ο
[0027]圖2是實(shí)施例1中合成碳化硅粉料的SEM圖。其中，(B)圖是(A)圖的局部放大圖。
[0028]圖3是加高石墨坩禍?zhǔn)疽鈭D。其中，1、坩禍，2、硅粉和碳纖維混合原料。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步說明，但不限于此。
[0030]實(shí)施例所用原料均為市場購買，高純碳纖維和高純硅粉的純度均大于99%，氬氣、氫氣的純度均大于99.9%。
[0031]實(shí)施例1
[0032]一種低成本低溫制備碳化硅粉的方法，具體步驟如下:
[0033](I)配料:原料采用高純碳纖維和高純硅粉，按摩爾比1:1的比例混合均勻。碳纖維直徑7 μ m，長度1mm。硅粉粒度為50 μ m0
[0034](2)合成:將所述硅粉和碳纖維放入高度為400mm的加高坩禍中，然后置于中頻感應(yīng)加熱爐中，對(duì)加熱爐的生長室抽真空，除去生長室中的氧氣、氮?dú)夂退魵獾?，同時(shí)將溫度升高至800°C ;然后抽真空，使真空度小于10_3Pa。向生長室中充入高純氬氣或氬氣和氫氣體積比為5:1的混合氣體，氬氣、氫氣的純度均大于99.9%，壓力為800mbar，升高溫度至1800°C，合成時(shí)間為5小時(shí)，而后降至室溫，即可得到粒度均勻的碳化硅粉料。
[0035]采用粉末衍射法(XRD)對(duì)合成產(chǎn)物進(jìn)行物相分析，得到XRD圖如附圖1所示，可看到合成反應(yīng)完全，SEM圖顯示粒度分布均勻，粒度為50-100 μ m，適于碳化硅單晶生長。
[0036]合成產(chǎn)物碳化硅粉料的純度大于99%。
[0037]所用加高纟甘禍為普通石墨纟甘禍，尺寸為130mmX 130mmX 400mm，可一次性合成5kg碳化硅粉料。
[0038]實(shí)施例2
[0039]如實(shí)施例1所述，所不同之處在于，所用碳纖維直徑10 μ m，長度100mm。娃粉粒度為400 μπι。將兩種原料按摩爾比1:1放入高度為800mm的加高坩禍中，置于中頻感應(yīng)加熱爐中，對(duì)加熱爐的生長室抽真空，除去生長室中的氧氣、氮?dú)夂退魵獾?，同時(shí)將溫度升高至1300°C ;然后抽真空，使真空度小于10_3Pa。向生長室中充入高純氬氣或氬氣和氫氣的混合氣體，氬氣、氫氣的純度均大于99.9%，氬氣與氫氣的體積比為9:1。壓力為900mbar，升高溫度至2000°C，合成時(shí)間為20小時(shí)。采用的坩禍為高純石墨坩禍，尺寸為130mmX 130mmX 800mm，可一次性合成1kg碳化娃粉料；碳化娃粒度在900-1000 μ m ;純度大于99%。
[0040]實(shí)施例3
[0041]如實(shí)施例1所述，所不同之處在于，碳纖維直徑9 μm，長度50mm。娃粉粒度為200 μ mo將兩種原料按摩爾比1:1放入高度為640_的加高坩禍中，置于中頻感應(yīng)加熱爐中，對(duì)加熱爐的生長室抽真空，除去生長室中的氧氣、氮?dú)夂退魵獾龋瑫r(shí)將溫度升高至1100°C;然后抽真空，使真空度小于10_3Pa。向生長室中充入高純氬氣或氬氣和氫氣的混合氣體，氬氣與氫氣的體積比為8:1。壓力為850mbar，升高溫度至1900°C，合成時(shí)間為10小時(shí)。米用的纟甘禍為高純石墨纟甘禍，尺寸為130mmX 130mmX 640mm，可一次性合成8kg碳化娃粉料。碳化硅粒度在500-600 μ m;純度大于99%。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種碳化硅粉的制備方法，包括以下步驟: (1)配料: 采用高純碳纖維和高純硅粉為原料，按摩爾比1:1的比例混合均勻； 所述高純碳纖維和高純硅粉原料的純度均大于99%，碳纖維直徑7-ΙΟμπι，長度1 -1 OOmm,娃粉粒度小于500 μ m ； (2)合成: 將所述硅粉和碳纖維放入加高坩禍中，置于中頻感應(yīng)加熱爐中，加熱爐生長室抽真空，除去生長室中的氧氣、氮?dú)夂退魵?，同時(shí)將溫度升高至500-1000°C ;然后抽真空，使真空度小于10_3Pa ;向生長室中充入氬氣或者氬氣和氫氣的混合氣體，壓力為800-900mbar，升溫至1000-1300°C進(jìn)行合成，合成時(shí)間為5-10小時(shí)，而后降至室溫，即可得到粒度均勻可控的碳化硅粉料。
2.如權(quán)利要求1所述的碳化硅粉的制備方法，其特征在于步驟(2)中向中頻感應(yīng)加熱爐生長室中充入氬氣和氫氣的混合氣體時(shí)，氬氣與氫氣的體積比為5?9:1。
3.如權(quán)利要求1所述的碳化硅粉的制備方法，其特征在于步驟(2)中所述氬氣、氫氣的純度均大于99.9%。
4.如權(quán)利要求1所述的碳化硅粉的制備方法，其特征在于步驟(2)中所述的高溫合成時(shí)，加熱爐腔中通入循環(huán)水冷卻。
5.如權(quán)利要求1所述的碳化硅粉的制備方法，其特征在于步驟(2)中采用的坩禍材料為普通石墨或高純石墨。
6.如權(quán)利要求1所述的碳化硅粉的制備方法，其特征在于步驟(2)中所述的加高坩禍，高度為400mm-800mm，一次性合成5kg_10kg粉料。
【專利摘要】本發(fā)明一種低成本低溫合成碳化硅粉料的方法。采用高純碳纖維和高純硅粉為原料，在加高坩堝中，溫度500-1000℃、真空度小于10-3Pa條件下，向生長室中充入氬氣或者氬氣和氫氣的混合氣體，壓力為800-900mbar，升溫至1000-1300℃進(jìn)行合成。本發(fā)明采用一次合成法，克服了二次合成工序復(fù)雜、耗時(shí)長、人為引入雜質(zhì)等缺點(diǎn)。本發(fā)明可一次性合成5-10kg粒度可控的大粒度碳化硅粉料。成本低，工藝簡單。
【IPC分類】C04B35-565, C01B31-36, C04B35-65
【公開號(hào)】CN104828825
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510253736
【發(fā)明人】陳秀芳, 徐現(xiàn)剛, 胡小波
【申請(qǐng)人】山東大學(xué)
【公開日】2015年8月12日
【申請(qǐng)日】2015年5月19日