一种颗粒度均匀的碳化硅粉料制备装置与方法与流程

1.本发明涉及半导体材料技术领域，特别涉及一种颗粒度均匀的碳化硅粉料制备装置与方法。


背景技术：

2.碳化硅晶体具有大宽带隙、高饱和电子迁移率、高击穿场强和、高热导率、以及稳定的物理化学性质等优异性能，是一种优秀的宽禁带半导体材料，也是国际公认的最要的第三代半导体材料之一。
3.近年来，随着晶体尺寸和质量的不断挺高，碳化硅晶体已经广泛应用在高功率、高温、高频电力电子、光电子、以及特种半导体器件等领域。为了进一步拓展碳化硅晶体的应用，更高的质量和更低的成本是目前碳化硅晶体的主要发展趋势。其中，大批量制备高纯度颗粒均匀的碳化硅粉料，用于生长厚度更长和质量更好的碳化硅晶体是主要发展方向之一。
4.目前，碳化硅粉体的制备方法主要有：固相法、液相法和气相法。其中固相法是目前大批量、低成本合成高纯度碳化硅粉料的主要方法，包括高温自蔓延法和acheson法。气相法纯度高，但是粒径小、成本高；固相法纯度较高、过程简单、可用于大批量生产，但是粒径分布宽，且粒径一般小于毫米级。随着研究的深入，目前已经发展了多种技术来缩小固相法合成碳化硅粉料的粒径分布，以获得颗粒度均匀的碳化硅粉料，使得粉料在晶体生长过程中具有稳定的挥发速率以提高晶体质量。
5.专利文献cn103058192公开了一种用于碳化硅晶体生长的碳化硅微粉的制备方法。该方法采用微波加热的方式，通过微波对硅粉和碳粉的混合物进行加热，最终形成尺寸为0.1 mm-1 mm的碳化硅微粒。通过微波加热的方式虽然受热均匀，但是其粒度分布范围还是很宽。专利文献cn103643294公开了一种尺寸均一、多面体形态的碳化硅微晶的制备方法。该方法使用sic粉作为原材料，并在坩埚盖内侧放置微晶沉积收集器，根据不同条件分别可获得10 μm~20 μm、30 μm~40 μm和40 μm~50 μm粒度分布范围的碳化硅粉料。虽然该方式获得的粉料粒度分布范围窄，但是属于碳化硅粉料二次合成，不仅获得原料粒度细，而且不能大批量合成，效率低。专利文献cn101402455公开了一种升华法制备碳化硅纳米棒的方法。该方法同样采用sic粉作为原材料，虽然获得了尺寸均匀性好的纳米级碳化硅，其缺点与上述专利相同，因此，本技术提供了一种颗粒度均匀的碳化硅粉料制备装置与方法来满足需求。


技术实现要素：

6.本技术的目的在于提供一种颗粒度均匀的碳化硅粉料制备装置与方法，用于解决现有技术中都存在颗粒度太细、需要使用碳化硅粉作为原料的问题。
7.一种颗粒度均匀的碳化硅粉料制备方法，包括如下步骤；s1：选用纯度不低于99.99%的硅粉和碳粉按照摩尔比1~1.04:1进行充分混合，优
选纯度为99.999%，粉和碳粉按照摩尔比优选1~1.02:1；s2：将s1中所述混合物装入长径比为0.9~1的烧料坩埚中，开始抽真空，使炉腔体真空度优于10-4 pa，其中烧料坩埚，为高纯石墨坩埚，纯度不低于99.99%，优选的烧料坩埚纯度99.999%；s3：开始升温至1400℃~1500℃，恒温10小时~20小时，其中优选的升温至1440℃~1460℃。所述的升温，其速率为200℃/h~300℃/h。所述的恒温10小时~20小时，优选的恒温14小时~16小时；s4：继续升温至2100℃~2200℃，通入保护气体，使炉腔体压力达到60 torr~100 torr，恒温10小时~20小时，其中优选的升温至2130℃~2160℃，优选的腔体压力为60 torr~80 torr，优选的恒温15小时~20小时；s5：通入s4中所述保护气体，使炉腔体压力达到700 torr~750 torr，待炉温降至室温，其中优选的降温速率为400℃/h~500℃/h。
8.优选的，在s2中，所述烧料坩埚的长径比为0.85~0.95。
9.优选的，在s1中，所述硅粉为多晶硅粉，粒径为1 μm~1000 μm，所述的碳粉为石墨粉，粒径为1 μm~80 μm。
10.优选的，所述的烧料坩埚装填量不少于94%。
11.优选的，在s4中，所述保护气体为惰性气体，如氦气、氩气，或者是掺有1-2 vol%氢气的氦气或氩气的混合气体。
12.一种颗粒度均匀的碳化硅粉料制备装置，括带有降温结构的高温加热炉、位于所述高温加热炉内腔的坩埚以及与所述坩埚可拆卸式安装的坩埚盖，还包括密封罩，所述密封罩为上端闭口、下端开口且设置有中空腔，所述密封罩靠近开口端的内腔壁上突出设有密封环，且所述密封环位于所述坩埚盖与所述坩埚连接缝隙处下方，所述密封环的上端面和下端面均设置有斜面，所述密封罩上安装有与其内腔相通的连接管，且所述连接管通过连接件与贯穿所述高温加热炉的排气管进行密封连接，所述排气管位于所述高温加热炉外壁的部位上安装有排气单向阀，所述密封罩的内腔顶部固定有支撑件，且所述支撑件的下端与所述坩埚盖的上端抵触，所述密封罩与所述坩埚盖的上端之间形成可容纳连接处溢出气氛的容纳腔，所述密封罩、密封环、支撑件、连接管、连接件和排气管均由钨金属材料制成优选的，所述支撑件包括与所述坩埚盖大小适配的支撑板，所述支撑板通过支撑环与所述密封罩内腔顶部固定连接，所述密封罩与所述支撑板之间固定有若干个支撑柱，所述支撑环上设有若干个减重孔。
13.优选的，所述连接件包括滑动套设在所述连接管上的固定管、固定套设在所述排气管上的螺纹管以及第一密封挡环，所述固定管的内腔设置有螺纹，所述连接管上固定套设有第二密封挡环。
14.优选的，所述坩埚盖和所述坩埚的外表面以及所述密封环的内环面均设置为光滑面。
15.综上，本发明的技术效果和优点：本发明结构合理，方法基于传统的固相合成方法，通过设计长径比优选为0.95的烧料坩埚，在烧料坩埚内基本没有温度梯度，保证烧料坩埚内部的碳化硅晶粒能够原位长大，形成颗粒度均匀的碳化硅粉料。此外，通过调控合成时间还可以进一步调节颗粒度大小
和占比。具有粒度大且可调、操作简单、无需分级等优点，能工业化制备高纯碳化硅粉料，具有显著经济效益；本发明中，制备装置增设密封罩、连接管、排气管以及支撑件，通过部件材料的热膨胀实现密封，通过容纳腔容纳溢出的物料气氛并可自动向外排出物料气氛，可避免部分物料气氛结晶在热场中而导致热场受到腐蚀，进而能够减缓粉料气氛对热场的腐蚀，从而能够提升热场材料的使用次数，避免因频繁更换热场材 料造成的成本增加，以及避免出现无法获得高纯碳化硅粉末的情况；本发明中，坩埚盖和坩埚的外表面以及密封环的内环面均设置为光滑面，可增强密封环与坩埚之间的密封效果，避免表面存在坑洼而造成漏气，同时在支撑件以及密封罩进行热膨胀时，由于存在支撑板的纵向热膨胀，且密封环、支撑板与坩埚的热膨胀系数不同，在纵向方向上存在移动距离差，即密封环在纵向上会相对于坩埚发生轻微移动，其实光滑面的设置，可减小密封环与坩埚之间的摩擦力作用，可防止坩埚因摩擦而受损，避免影响后续使用效果；本发明中，上下设置有两斜面，可进行导向插接同时可快速完成热膨胀密封。
附图说明
16.为了更清楚地说明本技术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是本技术的一些实施例，对于本领域技术人员来讲，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。
17.图1为本发明密封罩剖面结构示意图；图2为本发明图1中a处放大结构示意图；图3为本发明密封罩与坩埚安装示意图；图4为本发明图3中连接件拆分结构图；图5为本发明高温加热炉内部结构示意图；图6为本发明密封环热膨胀变形方向图。
18.图中：1、高温加热炉；2、坩埚；3、密封罩；4、连接管；5、连接件；51、固定管；52、第二密封挡环；53、螺纹管；54、第一密封挡环；6、排气管；7、排气单向阀；8、支撑板；9、支撑柱；10、支撑环；11、减重孔；12、斜面；13、密封环；14、坩埚盖。
实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
20.以下将结合具体实施例进一步详述本技术，但本技术并不局限于这些实施例。
实施例
21.（1）选用纯度为99.999%、粒度为10 μm~800 μm的硅粉，纯度为99.999%、粒度为1 μ
torr，恒温20小时；（5）通入氩气，使炉腔体压力达到740 torr，以500℃/h速率降至室温，然后取出原料，合成结束。获得粒径在0.5 mm~1 mm之间的碳化硅粉体占比为91%。
25.由上述实施例可知，当烧料坩埚的长径比为0.95时，其获得粒径在0.5 mm~1 mm之间的碳化硅粉体占比最高。
26.参考图1-5，一种大颗粒碳化硅粉料制备装置，包括带有降温结构的高温加热炉1、位于高温加热炉1内腔的坩埚2以及与坩埚2可拆卸式安装的坩埚盖14，还包括密封罩3，密封罩3为上端闭口、下端开口且设置有中空腔，密封罩3靠近开口端的内腔壁上突出设有密封环13，且密封环13位于坩埚盖14与坩埚2连接缝隙处下方，密封环13的上端面和下端面均设置有斜面12，密封罩3上安装有与其内腔相通的连接管4，且连接管4通过连接件5与贯穿高温加热炉1的排气管6进行密封连接，排气管6位于高温加热炉1外壁的部位上安装有排气单向阀7，密封罩3的内腔顶部固定有支撑件，且支撑件的下端与坩埚盖14的上端抵触，密封罩3与坩埚盖14的上端之间形成可容纳连接处溢出气氛的容纳腔，密封罩3、密封环13、支撑件、连接管4、连接件5和排气管6均由钨金属材料制成。
27.在使用时，先对高温加热炉1内抽真空，再进行加热，当高温加热炉1对装有物料的坩埚2进行加热时，密封罩3以及坩埚2均会受热发生膨胀，从而使得密封环13与坩埚2的外壁紧贴形成密封，坩埚2内因高温产生的粉料气氛（即sic气氛）可通过坩埚盖14与坩埚2的连接缝隙处溢流至容纳腔内，由于密封环13与坩埚2的外壁紧贴形成密封，使得粉料气氛无法进入高温加热炉1的热场中，可避免部分物料气氛结晶在热场中而导致热场受到腐蚀，进而能够减缓粉料气氛对热场的腐蚀，从而能够提升热场材料的使用次数，避免因频繁更换热场材 料造成的成本增加，以及避免出现无法获得高纯碳化硅粉末的情况，当容纳腔内部聚集过多物料气氛时，气氛过多容易导致容纳腔内压力过大，容易使得物料气氛从密封环13与坩埚2的贴合处溢出，故设置排气单向阀7，当容纳腔内部气压到达一定时，可通过排气单向阀7自动向外排出物料气氛。
28.需要注意的是，一，密封罩3由钨金属制成，其热膨胀系数相对于常用的石墨材质的坩埚2膨胀系数大，有利于两者之间的膨胀接触，形成密封，且钨金属材质耐热性好，硬度高；二，下端面上设置有斜面13，其斜面13起到导向的作用，方便密封罩13与坩埚2的插接，同时上下端斜面13的设置，可减小密封环13与坩埚2外表面接触的接触端的厚度，热传动路程减小，可使得接触端由外向内快速加热并进行膨胀，同时配合两斜面13（其表面可快速受热膨胀）沿着倾斜方向的热膨胀延伸，可使得接触端快速做靠近坩埚2外表面的运动，有利于在产生物料气氛之前形成密封环13与坩埚2之间的密封，防止物料气氛进入热场结构，当密封环为等腰三角形结构时，其接触端密封速度最快，且密封效果最好，但是由于其与坩埚2外表面为线性挤出，容易对石墨制成的坩埚2造成过大挤压，从而使得坩埚2被压坏，故密封环13接触端厚度设置为0.4至0.8mm，进行面接触，保证良好密封性的同时也不会将坩埚2压坏；三，将密封环13设置在坩埚盖14与坩埚2连接处的下方，可防止密封环13加热时膨胀将连接处密封住。
29.作为本实施例中的一种优选地实施方式，如图1所示，支撑件包括与坩埚盖14大小适配的支撑板8，支撑板8通过支撑环10与密封罩3内腔顶部固定连接，密封罩3与支撑板8之间固定有若干个支撑柱9，支撑环10上设有若干个减重孔11，其支撑板8的设置可增大与坩
埚盖14的接触面积，进行力的分摊（当密封罩3进行热膨胀且密封环13与坩埚2形成密封时，而支撑板8的纵向变形将对坩埚盖14上端形成一定的挤压，通过增加与其接触面积而进行挤压力的分担，可防止坩埚盖14因所受挤压力过大而损坏），其支撑柱9的设置可增强对支撑板8的支撑结构强度。
30.作为本实施例中的一种优选地实施方式，如图4所示，连接件5包括滑动套设在连接管4上的固定管51、固定套设在排气管6上的螺纹管53以及第一密封挡环54，固定管51的内腔设置有螺纹，连接管4上固定套设有第二密封挡环52，在进行安装时，可通过转动固定管51使得其与螺纹管53螺纹连接，连接完毕后，其固定管51的右端与所述第一密封挡环54的端面挤压接触，而固定管51的内部与第二密封挡环52的端面形成挤压接触，进而形成良好地密封效果。
31.需要注意的是，固定管51可设置为六角形结构，可利用扳手实现其与螺纹管53的螺纹固定。
32.作为本实施例中的一种优选地实施方式，图中未画出，坩埚盖14和坩埚2的外表面以及密封环13的内环面均设置为光滑面，其光滑面的设置，可增强密封环13与坩埚2之间的密封效果，避免表面存在坑洼而造成漏气，同时在支撑件以及密封罩3进行热膨胀时，由于存在支撑板8的纵向热膨胀，且密封环13、支撑板8与坩埚2的热膨胀系数不同，在纵向方向上存在移动距离差，即密封环13在纵向上会相对于坩埚2发生轻微移动，其实光滑面的设置，可减小密封环13与坩埚2之间的摩擦力作用，可防止坩埚2因摩擦而受损，避免影响后续使用效果（避免影响下次使用时密封环13与坩埚2之间的热膨胀密封效果）。
33.需要注意的是，可减小与坩埚盖14在插接时产生的摩擦，避免将密封环13产生磨损，进行影响后续的密封效果最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换,凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种颗粒度均匀的碳化硅粉料制备方法，其特征在于：包括如下步骤；s1：选用纯度不低于99.99%的硅粉和碳粉按照摩尔比1~1.04:1进行充分混合；s2：将s1中所述混合物装入长径比为0.9~1的烧料坩埚中，开始抽真空，使炉腔体真空度优于10-4 pa；s3：开始升温至1400℃~1500℃，恒温10小时~20小时；s4：继续升温至2100℃~2200℃，通入保护气体，使炉腔体压力达到60 torr~100 torr，恒温10小时~20小时；s5：通入s4中所述保护气体，使炉腔体压力达到700 torr~750 torr，待炉温降至室温。2.根据权利要求1所述的一种颗粒度均匀的碳化硅粉料制备方法，其特征在于：在s2中，所述烧料坩埚的长径比为0.95。3.根据权利要求1所述的一种颗粒度均匀的碳化硅粉料制备方法，其特征在于：在s2中，所述的烧料坩埚装填量不少于94%。4.根据权利要求1所述的一种颗粒度均匀的碳化硅粉料制备方法，其特征在于：在s1中，所述硅粉为多晶硅粉，粒径为1 μm~1000 μm，所述的碳粉为石墨粉，粒径为1 μm~80 μm。5.根据权利要求1所述的一种颗粒度均匀的碳化硅粉料制备方法，其特征在于：在s4中，所述保护气体为惰性气体，如氦气、氩气，或者是掺有1-2 vol%氢气的氦气或氩气的混合气体。6.根据权利要求1所述的一种颗粒度均匀的碳化硅粉料制备装置，括带有降温结构的高温加热炉（1）、位于所述高温加热炉（1）内腔的坩埚（2）以及与所述坩埚（2）可拆卸式安装的坩埚盖（14），其特征在于：还包括密封罩（3），所述密封罩（3）为上端闭口、下端开口且设置有中空腔，所述密封罩（3）靠近开口端的内腔壁上突出设有密封环（13），且所述密封环（13）位于所述坩埚盖（14）与所述坩埚（2）连接缝隙处下方，所述密封环（13）的上端面和下端面均设置有斜面（12），所述密封罩（3）上安装有与其内腔相通的连接管（4），且所述连接管（4）通过连接件（5）与贯穿所述高温加热炉（1）的排气管（6）进行密封连接，所述排气管（6）位于所述高温加热炉（1）外壁的部位上安装有排气单向阀（7），所述密封罩（3）的内腔顶部固定有支撑件，且所述支撑件的下端与所述坩埚盖（14）的上端抵触，所述密封罩（3）与所述坩埚盖（14）的上端之间形成可容纳连接处溢出气氛的容纳腔，所述密封罩（3）、密封环（13）、支撑件、连接管（4）、连接件（5）和排气管（6）均由钨金属材料制成。7.根据权利要求1所述的一种颗粒度均匀的碳化硅粉料制备装置，其特征在于：所述支撑件包括与所述坩埚盖（14）大小适配的支撑板（8），所述支撑板（8）通过支撑环（10）与所述密封罩（3）内腔顶部固定连接，所述密封罩（3）与所述支撑板（8）之间固定有若干个支撑柱（9），所述支撑环（10）上设有若干个减重孔（11）。8.根据权利要求6所述的一种颗粒度均匀的碳化硅粉料制备装置，其特征在于：所述连接件（5）包括滑动套设在所述连接管（4）上的固定管（51）、固定套设在所述排气管（6）上的螺纹管（53）以及第一密封挡环（54），所述固定管（51）的内腔设置有螺纹，所述连接管（4）上固定套设有第二密封挡环（52）。9.根据权利要求6所述的一种颗粒度均匀的碳化硅粉料制备装置，其特征在于：所述坩埚盖（14）和所述坩埚（2）的外表面以及所述密封环（13）的内环面均设置为光滑面。

技术总结
本发明公开了一种颗粒度均匀的碳化硅粉料制备装置与方法，涉及到半导体材料技术领域。本发明结构合理，方法基于传统的固相合成方法，通过设计长径比为0.95的烧料坩埚，在烧料坩埚内基本没有温度梯度，保证烧料坩埚内部的碳化硅晶粒能够原位长大，形成颗粒度均匀的碳化硅粉料。此外，通过调控合成时间还可以进一步调节颗粒度大小和占比。具有粒度大且可调、操作简单、无需分级等优点，能工业化制备高纯碳化硅粉料，具有显著经济效益。具有显著经济效益。具有显著经济效益。


技术研发人员：涂小牛 贺贤汉 孔海宽 忻隽 李书顶
受保护的技术使用者：安徽微芯长江半导体材料有限公司
技术研发日：2023.06.08
技术公布日：2023/8/31