本发明涉及一种用于半导体单晶生长的高纯sic粉料的快速合成方法，属于碳化硅粉料合成技术领域。
背景技术：
碳化硅(sic)是第三代宽带隙半导体材料(又称高温半导体材料)中的重要一员，其禁带宽度大、热导率高、载流子饱和迁移速度高、临界击穿电场强度高并具有极好的化学稳定性，制造的器件可在高温、高频率、大功率、高电压、强辐射等苛刻条件下应用。目前，在白光照明、航空航天、核反应堆系统、雷达通讯、石油钻井、汽车电子化及装备等领域有着广泛的应用。
高质量的sic单晶的生长依赖于高纯sic粉料。目前进行sic粉料合成方法主要有三种：acheson法、有机合成法及高温自蔓延法。acheson法(也称为碳热还原法)是目前工业生产sic粉料的主要方法，它是利用在惰性气氛中(一般为ar气)，sio2和c高温时的化学反应生成sic，实际生产时的原料是由石英砂(主成分为sio2)和焦炭(主成分为c)混合而成。为了让产物co顺利逸出，原料中又加入一定量的木屑和食盐。由于原料纯度有限，用此方法生产所得的sic通常含有较多的杂质，需要进行酸洗和碱洗以提高纯度。有机合成法主要有两种，一种是以硅烷(sih4)和乙炔(c2h4)为原料采用化学气相沉积的方法得到纳米级的高纯sic微粉，另一种有机合成法是采用高纯四乙氧基硅烷(高纯硅源)和(线性)酚醛清漆型酚树脂(高纯碳源)在1700℃左右煅烧得到粒度10-500μm、杂质含量在1ppm以下的高纯sic粉。以上两种方法对反应设备和原料预处理要求较高，目前没有大规模应用。高温自蔓延合成法已经成为目前国内外合成高纯粉料的首选方法。该方法是利用物质反应热的自传导作用，使物质之间发生化学反应，在极短的时间内形成化合物的高温合成反应。该方法其基本原理是：将混合均匀的si粉和c粉放入反应炉中加热，在惰性气氛保护下加热至si熔融，c在si液中溶解，点火接触面积增大，扩散速度提高，当第一层的温度增加到着火温度时，si和c瞬间反应放热，并对周边的反应逐层点火，促使更多的si熔融，c继续溶解，反应持续进行。
中国专利文件cn1163895a提供了一种直接生成高纯α-sic微粉的工艺方法，该方法将石英粉、活性炭、复合催化剂及有机粘结剂按一定比例混合，经基料造粒、干燥处理、装钵入炉等过程得到了纯度较高平均粒径小于1um的α-sic微粉级产品。专利cn102674357a提供了一种用于碳化硅单晶生长的高纯碳化硅原料的合成方法，该方法是将高纯si粉和高纯c粉放入坩埚中，然后置于加热炉中，对加热炉的生长室抽高真空至1×10-3pa以下，同时将温度升高至600-1300℃；在规定压力的高纯非氧化性气氛下，于反应温度1500-2500℃下，保持反应2-20小时，而后降至室温，得到用于碳化硅单晶生长的高纯碳化硅原料。专利cn103708463a公开了一种公斤级高纯碳化硅粉的制备方法，该法是先将石墨坩埚镀碳膜，再将镀过碳膜的石墨坩埚镀碳化硅，将混好的c粉si粉置入中频感应加热炉中，对系统抽气、升温、在惰性气体保护下加热至合成温度，保温一定时间后降温，得到公斤级高纯碳化硅粉。专利cn100595144c提供了一种通过二次合成法获得高纯碳化硅粉的方法，该法是装有混好的高纯碳化硅粉的石墨坩埚置于感应加热炉中，惰性气体保护下升温至1500度反应后得到的产物研磨成小于1mm的粉末，混匀后加热至1600-2000度合成2-10小时得到适用于半导体单晶生长的高纯碳化硅粉末。专利cn103508454b公布了一种三次合成得到高纯碳化硅原料的制备方法。该法是将高纯硅粉和高纯碳粉充分混合后放置于坩埚，于1400-2200℃的高温炉中形成一次碳化硅料，然后压碎后在氧化炉中经过600-1400℃的高温氧化得到二次碳化硅料再在高真空炉中经过800-1600℃高温真空脱气，形成三次碳化硅料；得到的三次碳化硅料经过湿法化学冶金处理，得到高纯碳化硅原料。
cn1163895a可直接获得α-sic微粉，但所用的复合催化剂、有机粘结剂易引入污染。其他所述方法均为高纯c粉与si粉混合，在充满惰性气体或惰性气体与还原气体的混合气环境中合成sic粉料。由于所使用的两种原料粒度均较小，混合放入坩埚后，相互间间隙内部的气体在真空下很难被完全抽走，虽可以加入惰性气体充抽，但杂质气体尤其是氮杂质很难排除。专利cn101302011a和cn103508454b公开了二次合成和三次合成sic粉料的方法，虽然可以提高粉料纯度，然而工序复杂，增加了粉料制备成本。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，提供了一种适用于半导体单晶生长的高纯sic粉料的快速合成方法。
本发明的技术方案如下：
一种高纯sic粉料的快速合成方法，包括以下步骤：
(1)选择高纯c粉与si粉按1：1.05的摩尔比进行均匀混合，c粉与si粉的纯度均大于99.998％；
(2)选择高纯聚碳硅烷(pcs)粉末与步骤(1)混合后的碳硅粉按质量比1：100的比例均匀混合；聚碳硅烷的纯度优于99.99％；
(3)将步骤(2)中混好的粉末放入高纯石墨坩埚中将坩埚置于中频感应加热炉中，并抽真空；
(4)反应室内充入惰性气体至100mbar，缓慢加热至500-700度，反复充抽3次；
(5)在腔室中通入高纯氩气、或氩气和氢气的混合物，加热至1100-1300进行合成反应，反应时间3-5h；
(6)按90:10的流量比在腔室内充入高纯氩气与氢气，充压至600mbar，快速升温至1900-2100℃进行合成转化反应，合成时间持续10-15h以促进颗粒长大并达到进一步提纯目的；
(7)在氩气与氢气保护下缓慢降至室温。
优选的，步骤(3)中，坩埚上盖设有孔。可将pcs分解产生的气体排走。
优选的，步骤(3)中，抽真空至5x10-6mbar。
优选的，步骤(4)中，惰性气体为h2。
所得粉料纯度很高，可以满足高纯半绝缘sic单晶生长需要，且操作简单，适于快速大批量生产。在高纯c粉与si粉中混入pcs粉末，因为pcs在加热时会分解产生大量气体，且构成元素只含c、h，不会引入杂质污染。分解时产生的气体可有效填充c粉与si粉颗粒间隙，产生空洞，辅之于惰性气体的充抽，利用冲涮作用将高温加热时c粉与si粉表面脱附的杂质气体尤其是氮高效排出，经坩埚上盖的小孔由机械泵抽走。由于pcs分解温度低于碳化硅合成温度，可以在反应前达到粉料的进一步提纯，为高纯粉料的获得提供前期条件。充抽结束后，在高纯惰性气体保护下，加热至1100-1300度，进行合成反应3-5h得到sic粉料。此时的粉料颗粒较小，且杂质含量仍较高。此时按100：5的比例通入高纯氩气与氢气至600mbar，快速升温至1900-2100℃，sic粉料发生分解再聚合的动态过程，较小的颗粒会逐渐向大颗粒聚集转变，其中的杂质元素氮、硼、铝、钒等杂质达到溢出温度点，从坩埚小孔中溢出，从而达到颗粒长大与进一步降低杂质浓度的目的。
本发明的有益效果在于：
利用本发明的技术方案可以满足高纯半绝缘sic单晶生长需要，且操作简单，适于快速大批量生产，进一步降低杂质浓度。
具体实施方式：
下面通过实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
一种高纯sic粉料的快速合成方法方法，包括步骤如下：
(1)按si粉与c粉的摩尔比例为1.05:1取半导体级别的si粉和c粉，两者纯度均＞99.998％，颗粒≤300um。
(2)选择高纯聚碳硅烷(pcs)粉末与步骤(1)混合后的碳硅粉按质量比1：100的比例均匀混合；pcs粉的加入量为si粉和c粉总质量的1％；聚碳硅烷的纯度优于99.99％。
(3)将步骤(2)中的粉料均匀混合，放入高纯石墨坩埚，置于中频感应加热炉中，抽真空至5x10-6mbar。
(4)充入h2气至100mbar，缓慢加热至500℃，抽气至0.1mbar，再充气至100mbar，进行反复充抽3次。
(5)在腔室中通入高纯氩气，压力调节至600mbar，加热至1100-1300℃进行合成反应，反应时间5h。
(6)按流量比100：5的比例在腔室内充入高纯氩气与氢气，充压至600mbar，快速升温至1900-2100℃进行合成转化反应，合成时间持续15h以促进颗粒长大并达到进一步提纯目的。
(7)在氩气与氢气保护下缓慢降至室温。