一种改进的碳化硅原料合成方法与流程

1.本发明涉及晶体生长的衍生技术领域，尤其涉及一种改进的碳化硅原料合成方法。


背景技术：

2.碳化硅作为第三代半导体材料，具有禁带宽度大、热导率高、饱和电子漂移速率高和击穿场强高等性质，在高温、高频、高压领域有广阔的应用前景。生长碳化硅晶体的质量和碳化硅原料的质量息息相关，目前主流的合成碳化硅原料方法为高温自蔓延法，将碳粉和硅粉混合物加热至一定温度后，反应生成碳化硅，通过移动感应线圈的位置，调整石墨坩埚内的温场分布。反应完成后，通入氩气，自然冷却至室温取出坩埚内原料，经筛分清洗等工序，得到适用于碳化硅晶体生长的碳化硅原料。
3.但目前的sic粉料合成工艺中，主要关注这么几个方面，合成的温度范围，物料的颗粒度，硅粉与碳粉的形貌，合成压强，合成时间，原料配比，但实际上对合成sic粉料的影响因素还有其他的一些，我们通过实际实验发现，还有至少两个方面的问题，一是对于固定线圈产生的温度场，其实温度并不均匀，用红外测温等手段可以发现，空间上不同位置的实际温度有微小的差异，从原料混合的角度来说，在硅粉和碳粉不能充分地细，以及充分地混合的前提下，合成的产物中常有坚硬固体，或者还有一定量的单质si附着在其他颗粒表面，得到的原料往往不能尽如人意。
4.现有技术中未见有如本申请同样制备的技术路线报道，也没有与本申请相似的技术路线为公众所知，没有这样的技术路线被报道出来。


技术实现要素：

5.本发明的第一目的是解决现有技术中合成的产物中常有坚硬固体，或者还有一定量的单质si附着在其他颗粒表面，得到的原料往往不能尽如人意的问题，解决的方式是在碳粉和硅粉中添加了相当量的聚四氟乙烯，第二是进一步改善了反应气氛的问题，现有技术中有使用ar气进行降温，可以降低粒径，但是本申请进一步发现采用特定比例的ar气和氦气，可以进一步加强产生的分散性，进一步降低平均粒径。第三是改善了移动加热场的问题，改为移动加热线圈，还是利用plc控制器程控移动。
6.本发明要求保护一种碳化硅原料合成系统，其特征在于：包括线圈1、石英管2、保温筒3、原料粉体4、下测温仪5、上测温仪6、石墨坩埚7。以及合成炉、机械泵、分子泵、电机丝杆传动装置8。
7.优选地，所述保温筒3、原料粉体4、下测温仪5、上测温仪6、石墨坩埚7均位于合成炉之内。
8.石英管2位于两组线圈1和保温筒3之间，石墨坩埚位于保温筒之内，原料粉体位于石墨坩埚之内，下测温仪5位于保温筒下方，上测温仪6位于保温筒上方。
9.所述电机丝杆传动装置8包括左电机81、左丝杆82、左滑动部83、左吊杆84，以及右
电机85、右丝杆86、右滑动部87、右吊杆88，左电机位于左丝杆上方并带动左丝杆旋转，左丝杆上连接有与丝杆相配合的左滑动部，左滑动部与左吊杆固定连接，左丝杆与左吊杆均竖直设置，线圈左侧分级固定在左吊杆之上；右电机位于右丝杆上方并带动右丝杆旋转，右丝杆上连接有与丝杆相配合的右滑动部，右滑动部与右吊杆固定连接，右丝杆与右吊杆均竖直设置，线圈右侧分级固定在右吊杆之上；所述左电机81和右电机85均连接至plc控制器。
10.一种碳化硅原料合成方法，利用如前述的碳化硅原料合成系统以实施，其特征在于：(1)称取一定比例的碳粉和硅粉，并加入适量的聚四氟乙烯粉末，在球磨罐中混合研磨1h以上，得到步骤(1)混合物；(2)将步骤(1)混合物装入石墨坩埚中，并将坩埚放入碳化硅原料合成炉中；(3)使用机械泵和分子泵将合成炉内压力抽至10
‑
2pa以下，开始加热，加热过程中移动线圈位置；(4)加热完成后，在碳化硅原料合成炉腔室内冲入一定比例的氩气和氦气，自然冷却至室温，得到步骤(4)产物；(5)取出石墨坩埚，对步骤(4)产物进行破碎、筛分等加工流程，得到碳化硅晶体生长的原料。
11.与现有技术相比，本发明的优点在于：一、ptfe是一种优良的自润滑材料，相比于纯碳粉和硅粉直接进行球磨，少量添加ptfe能够极大地改善两者之间的润滑性，球磨的结果能够明显提高分散的均匀性，这是对ptfe较差的耐磨性和摩擦因数的恰当利用。二是ptfe在300℃以上就会气化，加热后完全不存在于混合物中，而且变化气体的过程也不会影响sic原料的生产过程，因为在加热到1400℃之前，这些少量ptfe都全部气化消失了。现有技术中添加的其他填料一般无法满足这两个条件。第三是进一步改善了反应气氛的问题，现有技术中有使用ar气进行降温，可以降低粒径，但是本申请进一步发现采用特定比例的ar气和氦气，可以进一步加强产生的分散性，进一步降低平均粒径，sic粉体的挥发受到抑制，同时sic晶粒周围的sic气相过饱和度也降低，这种情况下得到得sic粉料粒度较小，通过与纯ar气的对比试验，得到的粉料粒径更小，有了更显著的改善。第四是改善了移动加热场的问题，改为移动加热线圈，还是利用plc控制器程控移动。现有技术有移动线圈或者坩埚的，但是一般都是手动移动等，并没有为线圈配制plc控制器并进行上下往复运动的，本申请使得在漫长的晶体生长过程中，每个坩埚中的位置都达到了较高温度，而不再有温度低的盲区。
附图说明
12.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，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的附图。
13.图1是本申请主要部件示意图。
14.图2是本申请线圈与丝杆传动装置的示意图。
15.附图标记：线圈1、石英管2、保温筒3、原料粉体4、下测温仪5、上测温仪6、石墨坩埚7。以及合成炉、机械泵、分子泵、电机丝杆传动装置8、左电机81、左丝杆82、左滑动部83、左吊杆84，以及右电机85、右丝杆86、右滑动部87、右吊杆88。
具体实施方式
16.下面结合附图对本发明的优选实施例进行详细阐述，以使本发明的优点和特征能更易于被本领域技术人员理解，从而对本发明的保护范围做出更为清楚明确的界定。
17.在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
18.实施例1
19.一种碳化硅原料合成系统，其特征在于：包括线圈1、石英管2、保温筒3、原料粉体4、下测温仪5、上测温仪6、石墨坩埚7。以及合成炉、机械泵、分子泵、电机丝杆传动装置8。
20.优选地，所述保温筒3、原料粉体4、下测温仪5、上测温仪6、石墨坩埚7均位于合成炉之内。
21.石英管2位于两组线圈1和保温筒3之间，石墨坩埚位于保温筒之内，原料粉体位于石墨坩埚之内，下测温仪5位于保温筒下方，上测温仪6位于保温筒上方。
22.所述电机丝杆传动装置8包括左电机81、左丝杆82、左滑动部83、左吊杆84，以及右电机85、右丝杆86、右滑动部87、右吊杆88，左电机位于左丝杆上方并带动左丝杆旋转，左丝杆上连接有与丝杆相配合的左滑动部，左滑动部与左吊杆固定连接，左丝杆与左吊杆均竖直设置，线圈左侧分级固定在左吊杆之上；右电机位于右丝杆上方并带动右丝杆旋转，右丝杆上连接有与丝杆相配合的右滑动部，右滑动部与右吊杆固定连接，右丝杆与右吊杆均竖直设置，线圈右侧分级固定在右吊杆之上；所述左电机81和右电机85均连接至plc控制器。
23.在合成炉中部或者靠上部设有一透明观察窗。
24.图1是原料合成系统示意图。其中，所述线圈为可移动的电磁感应线圈，处于水冷石英管的外侧，通过电磁感应来控制石墨坩埚的温度，进而可对坩埚中的粉料进行升温以及降温。水冷石英管的内侧为石墨毡缠制得到的保温筒，保温筒可以对内侧石墨坩埚进行保温，以免热量散失。所述保温筒包括上下两个测温孔，以便于上测温仪和下测温仪对石墨坩埚的顶部和底部温度进行测量，调整线圈与石墨坩埚的相对位置，可对坩埚内的温度梯度进行调节。
25.实施例2
26.一种碳化硅原料合成方法：(1)称取摩尔比为1:1.01
‑
1.10的碳粉和硅粉，并加入碳粉和硅粉总重量的0.1％
‑
0.5％的聚四氟乙烯粉末，在球磨罐中混合研磨1h以上，得到步骤(1)混合物；(1a)预先进行试车步骤，通过记录左电机和右电机的移动起始位置和电机转动和两组线圈(1)移动距离的数据量关系，为plc控制器编制预设移动程序；(2)将步骤(1)混合物装入石墨坩埚中，并将坩埚放入碳化硅原料合成炉中；(3)使用机械泵和分子泵将合成炉内压力抽至10
‑
2pa以下，开始加热，加热过程中，加热至1400
‑
1600℃时，按照预设移动程序开始移动线圈位置；所述移动线圈位置是上下的往复移动方式；保持温度在1400
‑
1600℃之间；线圈移动速率为1
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10mm/h；(4)加热完成后，在碳化硅原料合成炉腔室内冲入体积比例为1：0.5
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2的氩气和氦气，自然冷却至室温，得到步骤(4)产物；(5)取出石墨坩埚，对步骤(4)产物进行破碎、筛分等加工流程，得到碳化硅晶体生长的原料。在步骤(3)中，线圈移动方向为，向上移动10
‑
30mm后，开始向下移动20
‑
60mm，然后再向上移动20
‑
60mm，如此往复
至停止加热。
27.实施例3
28.一种碳化硅晶体原料合成方法，所述方法包括以下步骤：首先称取一定质量的碳粉和硅粉，放入球磨罐中，然后称取适量的聚四氟乙烯，加入球磨罐并混合均匀；(2)将上述混合物装入石墨坩埚中，并将坩埚放入碳化硅原料合成炉中，调整原料合成炉的感应线圈至合适位置；(3)使用机械泵和分子泵将碳化硅原料合成炉内压力抽至10
‑2pa以下，开始加热，加热到适当的温度后，开始移动感应线圈位置；(4)加热完成后，在碳化硅原料合成炉腔室内冲入一定比例的氩气和氦气，自然冷却至室温；(5)取出石墨坩埚，对碳化硅原料进行后续破碎、筛分等加工流程，得到适用于碳化硅晶体生长的原料。
29.根据本发明所述的方法，在步骤(1)中，碳粉和硅粉摩尔比为1:1.01～1.10，具体地，例如碳粉和硅粉摩尔比可以为1：1.01，1：1.02，1：1.03，1：1.04，1：1.05，优选为1：1.03。
30.根据本发明所述的方法，在步骤(1)中，加入四氟乙烯的质量为碳粉和硅粉总重量的0.1％～0.5％，具体地，例如可以为0.1％，0.2％，0.3％，0.4％，0.5％，优选为0.3％；
31.根据本发明所述的方法，在步骤(3)中，线圈移动速率为1～10mm/h，具体地，例如可以为1mm/h，3mm/h，5mm/h，7mm/h，9mm/h，优选为5mm/h；
32.根据本发明所述的方法，在步骤(3)中，线圈移动方向为向上移动10～30mm后，开始向下移动20～60mm，然后再向上移动20～60mm，依次往复至停止加热。，具体地，例如往复移动距离可以为20mm，30mm，40mm，50mm，60mm，优选为40mm；
33.根据本发明所述的方法，在步骤(4)中，加入氩气和氦气比例为1：0.5～2.，具体地，例如可以为1：0.5，1：1，1：1.5；1：2，优选为1：1。
34.实施例4
35.称取摩尔比为1：1.02的碳粉和硅粉，并加入质量为碳粉和硅粉总质量0.2％的聚四氟乙烯，在球磨罐中混合均匀。将碳粉、硅粉和聚四氟乙烯的混合物装入石墨坩埚中，并将坩埚放入碳化硅原料合成炉中，然后使用机械泵和分子泵将碳化硅原料合成炉内压力抽至10
‑
2pa以下，开始加热，温度加热至1600℃后，线圈开始以2mm/h的速率向上移动，向上移动10mm后，开始以同样的速率开始向下移动20mm，然后再向上移动20mm，往复至停止加热。加热完成后，在碳化硅原料合成炉腔室内充入比例为1：0.5的氩气和氦气，自然冷却至室温。取出石墨坩埚，对碳化硅原料进行后续破碎、筛分等加工流程，得到适用于碳化硅晶体生长的原料。本次实验碳化硅原料纯度为99.999％，合成原料质量占碳粉和硅粉总质量的60％，加热停止后，冷却时间为10h。
36.实施例5
37.称取称取摩尔比为1：1.05的碳粉和硅粉，并加入质量为碳粉和硅粉总质量0.5％的聚四氟乙烯，在球磨罐中混合均匀。将碳粉、硅粉和聚四氟乙烯的混合物装入石墨坩埚中，并将坩埚放入碳化硅原料合成炉中，然后使用机械泵和分子泵将碳化硅原料合成炉内压力抽至10
‑
2pa以下，开始加热，温度加热至1600℃后，线圈开始以3mm/h的速率向上移动，向上移动15mm后，开始以同样的速率开始向下移动30mm，然后再向上移动30mm，往复至停止加热。加热完成后，在碳化硅原料合成炉腔室内充入比例为1：1.5的氩气和氦气，自然冷却至室温。取出石墨坩埚，对碳化硅原料进行后续破碎、筛分等加工流程，得到适用于碳化硅晶体生长的原料。本次实验碳化硅原料纯度为99.9995％，合成原料质量占碳粉和硅粉总质
量的62％，加热停止后，冷却时间为8h。
38.实施例6
39.称取称取摩尔比为1：1.03的碳粉和硅粉，并加入质量为碳粉和硅粉总质量0.3％的聚四氟乙烯，在球磨罐中混合均匀。将碳粉、硅粉和聚四氟乙烯的混合物装入石墨坩埚中，并将坩埚放入碳化硅原料合成炉中，然后使用机械泵和分子泵将碳化硅原料合成炉内压力抽至10
‑
2pa以下，开始加热，温度加热至1600℃后，线圈开始以5mm/h的速率向上移动，向上移动20mm后，开始以同样的速率开始向下移动40mm，然后再向上移动40mm，往复至停止加热。加热完成后，在碳化硅原料合成炉腔室内充入比例为1：1的氩气和氦气，自然冷却至室温。取出石墨坩埚，对碳化硅原料进行后续破碎、筛分等加工流程，得到适用于碳化硅晶体生长的原料。本次实验碳化硅原料纯度为99.9995％，合成原料质量占碳粉和硅粉总质量的65％，加热停止后，冷却时间为8h。
40.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，任何不经过创造性劳动想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书所限定的保护范围为准。