一种固相合成碳化硅的装料方法及合成方法与流程

本发明涉及碳化硅晶体生长的衍生，具体涉及固相合成碳化硅的装料方法及合成方法。

背景技术：

1、碳化硅是第三代半导体材料的代表，具有很多优异的性质，高硬度，莫氏硬度达到9.5，高热导率，热导率达到4.9w/cm·k，宽禁带，禁带为2.4-3.26ev，高饱和漂移速度，饱和飘移速度达到2.0~2.5×106v/cm，化学稳定性高和抗辐射能力强。

2、目前主要采用升华法制备碳化硅晶圆，升华法制备碳化硅主要分为三步，碳化硅源的升华、升华物的输运、表面反应和结晶。为了保证碳化硅的质量，需要保证升华过程的稳定传质。在碳化硅源原料的升华过程中，原料纯度、碳硅比和颗粒粒度影响传质的稳定，其中原料的碳硅比是最主要的影响因素，需要采用碳硅比均衡的碳化硅源原料。

3、现有技术主要采用固相合成法制备碳化硅源原料，将碳粉与硅粉按一定比例均匀混合，将混合后的原料，利用石英烧杯转移至石墨坩埚内，盖好上盖，投放进原料合成炉，进行固相反应，生成碳化硅多晶颗粒。然而，硅粉在1410℃以上开始熔化，并在温度升高的过程中与碳粉逐步发生反应，两者在温度达到2000℃以上时反应基本完全，由于石墨坩埚纵向存在温度梯度，在达到2000℃以上的反应温度之前，硅会挥发造成原料底部硅含量减少，底部形成富碳层，顶部形成富硅层，达到反应温度后，底部无法结晶，顶部结晶体碳硅比失衡，导致符合升华法要求的碳化硅原料的产率低，固相合成法制得的碳化硅的有效利用率低。

技术实现思路

1、本发明的目的是为了克服现有技术存在的固相合成法合成碳化硅时由于硅粉的预先熔化、蒸发，底部形成富碳层，顶部形成富硅层，底部无法结晶，顶部结晶体碳硅比失衡，制得的碳化硅的有效利用率低的缺陷，提供一种固相合成碳化硅的装料方法及合成方法，该装料方法，能够提高固相合成制备的碳化硅的有效利用率。

2、为了实现上述目的，第一方面，本发明提供了一种固相合成碳化硅的装料方法，所述方法包括：

3、向固相合成所用的坩埚的底部铺设碳化硅多晶块层，所述碳化硅多晶块层的硅的物质的量与碳的物质的量的比值大于1；

4、向所述碳化硅多晶块层的上方铺设碳硅粉末均匀混合的第一混合料层，所述第一混合料层的碳与硅的物质的量之比为1:1~1.05；

5、向所述第一混合料层的上方铺设碳硅粉末均匀混合的第二混合料层，所述第二混合料层的碳与硅的物质的量之比为1:0.85~0.95。

6、在一些优选实施方式中，所述碳化硅多晶块层的硅与碳的物质的量的比值为1.01~1.15。

7、在一些优选实施方式中，所述碳化硅多晶块层、所述第一混合料层和所述第二混合料层的厚度比为1:4~13:1。

8、更优选地，所述碳化硅多晶块层、所述第一混合料层和所述第二混合料层的厚度比为1:5~10:1。

9、更优选地，所述碳化硅多晶块层的厚度为20mm-50mm，所述第一混合料层的厚度为200mm-260mm，所述第二混合料层的厚度为20mm-50mm。

10、在一些优选实施方式中，所述碳化硅多晶块层中的碳化硅多晶块的粒度为2目~8目。

11、在一些优选实施方式中，按照所述的装料方法，向坩埚内铺设原料，并将所述坩埚放入固相合成所用的合成炉中，对所述合成炉进行抽真空处理，升温至所述合成炉达到反应温度后保温，获得碳化硅产物块，截取所述碳化硅产物块的上层块体，使所述上层块体破碎后得到所述碳化硅多晶块层中的碳化硅多晶块。

12、更优选地，所述反应温度为1300℃-2300℃。

13、更优选地，所述上层块体的高度与所述碳化硅产物块的高度的比值为2%~10%。

14、第二方面，本发明提供一种碳化硅的合成方法，所述方法包括：按照第一方面所述的装料方法，将碳化硅多晶块层、第一混合料层和第二混合料层铺设至坩埚中，将所述坩埚放入固相合成所用的合成炉中，对所述合成炉进行抽真空处理，升温至所述合成炉的温度达到1800℃-2300℃后进行第一保温处理，所述第一保温处理的时间为5h~20h，冷却后得到所述碳化硅。

15、在一些优选实施方式中，所述方法包括升温至所述合成炉的温度达到1300℃-1600℃后，进行第二保温处理，所述第二保温处理的时间为1h~3h。

16、本发明通过在固相合成碳化硅的装料过程中，在坩埚中先铺设硅的物质的量与碳的物质的量的比值大于1的多晶块层，再铺设碳硅粉末均匀混合的碳与硅的物质的量之比为1:1~1.05的第一混合料层，最后铺设碳硅粉末均匀混合的碳与硅的物质的量之比为1:0.85~0.95的第二混合料层，能够平衡顶部结晶体的碳硅比，使底部物料结晶，减少富碳层，提高固相合成制备的碳化硅的有效利用率，提高符合升华法要求的碳化硅原料的产率。其中，在坩埚的底部铺设硅的物质的量与碳的物质的量的比值大于1的多晶块层，在铺设第一混合料层的过程中，第一混合料层中的粉末能够弥补多晶块层中的多晶块颗粒间的缝隙，1410℃~2000℃多晶块缝隙中少量硅挥发，在温度达到2000℃以上时，多晶块缝隙中的富碳粉料与富硅的多晶块反应，从而能够增加底部物料的结晶度，减少碳化硅合成过程底部形成富碳物质对符合升华法要求的碳化硅原料的产率和固相合成法碳化硅有效利用率的影响。

17、其中，在最上层铺设碳硅粉末均匀混合的碳与硅的物质的量之比为1:0.85~0.95的第二混合料层，由于第二混合料层中碳过量，一方面，过量的碳能够与硅粉升华带来的上层富集的硅结晶反应，另一方面，温度达到2000℃以上时，底部的碳化硅多晶层会升华并向上传输si2c等富硅气相，过量的碳也能够与si2c等结晶反应，从而在碳化硅合成过程中，平衡顶部结晶体的碳硅比，提高固相合成制备的碳化硅的有效利用率，提高符合升华法要求的碳化硅原料的产率。

技术特征：

1.一种固相合成碳化硅的装料方法，其特征在于，所述方法包括：

2.根据权利要求1所述的装料方法，其特征在于，所述碳化硅多晶块层的硅与碳的物质的量的比值为1.01~1.15。

3.根据权利要求1所述的装料方法，其特征在于，所述碳化硅多晶块层、所述第一混合料层和所述第二混合料层的厚度比为1:4~13:1。

4.根据权利要求3所述的装料方法，其特征在于，所述碳化硅多晶块层、所述第一混合料层和所述第二混合料层的厚度比为1:5~10:1。

5.根据权利要求3所述的装料方法，其特征在于，所述碳化硅多晶块层的厚度为20mm-50mm，所述第一混合料层的厚度为200mm-260mm，所述第二混合料层的厚度为20mm-50mm。

6.根据权利要求1所述的装料方法，其特征在于，所述碳化硅多晶块层中的碳化硅多晶块的粒度为2目~8目。

7.根据权利要求1-6任一项所述的装料方法，其特征在于，按照所述的装料方法，向坩埚内铺设原料，并将所述坩埚放入固相合成所用的合成炉中，对所述合成炉进行抽真空处理，升温至所述合成炉达到反应温度后保温，获得碳化硅产物块，截取所述碳化硅产物块的上层块体，使所述上层块体破碎后得到所述碳化硅多晶块层中的碳化硅多晶块。

8.根据权利要求7所述的装料方法，其特征在于，所述反应温度为1300℃-2300℃。

9.根据权利要求8所述的装料方法，其特征在于，所述上层块体的高度与所述碳化硅产物块的高度的比值为2%~10%。

10.一种碳化硅的合成方法，其特征在于，所述方法包括：按照权利要求1-9任一项所述的装料方法，将碳化硅多晶块层、第一混合料层和第二混合料层铺设至坩埚中，将所述坩埚放入固相合成所用的合成炉中，对所述合成炉进行抽真空处理，升温至所述合成炉的温度达到1800℃-2300℃后进行第一保温处理，所述第一保温处理的时间为5h~20h，冷却后得到所述碳化硅。

11.根据权利要求10所述的合成方法，其特征在于，所述方法包括升温至所述合成炉的温度达到1300℃-1600℃后，进行第二保温处理，所述第二保温处理的时间为1h~3h。

技术总结
本发明属于碳化硅单晶生产技术领域，具体涉及一种固相合成碳化硅的装料方法及合成方法。装料方法包括：向固相合成所用的坩埚的底部铺设碳化硅多晶块层，所述碳化硅多晶块层的硅的物质的量与碳的物质的量的比值大于1；向所述碳化硅多晶块层的上方铺设碳硅粉末均匀混合的第一混合料层，所述第一混合料层的碳与硅的物质的量之比为1:1~1.05；向所述第一混合料层的上方铺设碳硅粉末均匀混合的第二混合料层，所述第二混合料层的碳与硅的物质的量之比为1:0.85~0.95。本发明的方法能够提高固相合成制备的碳化硅的有效利用率，提高符合升华法要求的碳化硅原料的产率。

技术研发人员：周元辉,陈建明,刘春艳
受保护的技术使用者：苏州优晶光电科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14