一种低电耗、快速合成SiC粉料的方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种低电耗、快速合成SiC粉料的方法，属于晶体生长技术领域。
【背景技术】
[0002]碳化硅作为第三代宽禁带半导体材料代表，具有禁带宽度大、迀移率高、热导率高等优良的电学热学特性，成为制作高频、大功率、耐高温和抗辐射器件的理想材料。在器件研制方面，碳化硅蓝光LED已经商业化;碳化硅功率器件的研发已成为新型功率半导体器件研究开发的主流;在高温半导体器件方面，利用碳化硅材料制作的碳化硅JFET和碳化硅器件可以在无任何冷却散热系统下的600°C高温下正常工作。随着碳化硅半导体技术的进一步发展，碳化硅材料与器件的应用越来越广阔，在白光照明、汽车电子化、雷达通讯、石油钻井、航空航天、核反应堆系统及军事装备等领域起到至关重要的作用。
[0003]因此，用于SiC单晶生长的SiC粉料要达到高纯度、符合化学计量比的要求。但是，现在广泛应用的自蔓延法和Acheson法合成的SiC粉料，虽然可以满足工业用SiC粉料的要求，但，存在着杂质浓度高、粉料结块、残存Si单质等问题，会对生长晶体的电学性质和晶体质量有重要影响。而采用有机合成法虽然得到的粉料纯度杂质含量在Ippm以下的高纯粉料，但后续处理过程复杂，微粉收集困难，不适合大量生产使用。
[0004]中国专利文献200810016665.6公开了一种用于半导体单晶生长的高纯碳化娃粉的人工合成方法，该方法采用二次合成工序可以得到用于半导体单晶生长的高纯碳化硅粉料，但是二次合成工艺比较复杂、耗时长，会在合成过程中人为引入杂质。
[0005]又如，中国专利文献201510253736.4公开一种低成本低温合成碳化硅粉料的方法，虽然采用一次合成法，克服了二次合成工序复杂、耗时长、人为引入杂质等缺点，但实际应用中，也存在如下问题:
[0006](I)采用石墨坩祸作为容器，由于石墨也是反应源之一，在合成反应中总会引入多余的碳粉，导致合成的S i C粉料中出现多余的碳粉还有其他杂质。
[0007](2)采用的合成温度超过Si粉的熔点1420度.。在高温下，Si粉融化形成硅滴。在松散的Si粉和C粉的混合物中，硅滴会受重力影响流到坩祸底部，从而无法有效合成SiC粉料。这一反应会导致SiC粉料中的S1:C继续比例失衡，同时给SiC单晶生长引入Si滴产生微管、位错等缺陷。
[0008](3)SiC粉料合成方法为燃烧(CS)法，是将Si粉和C粉直接在高温下进行合成，主要反应式如下:
[0009]Si(s)+C(s)^SiC(s)
[0010]由于此反应是弱放热反应，为保证反应持续进行所需的热量需要持续加热，会一定程度上导致电力资源的浪费。
【发明内容】
[0011]针对现有技术的不足，本发明提供一种低电耗、快速合成SiC粉料的方法。本发明通过Si粉比例提高、S12的加入，调整Si粉和C粉的比例，防止石墨坩祸引入的多余C粉存在。加入一定比例的3102与(:粉反应放出大量热量，这些热量促进并加快Si+C粉的自蔓延反应，节约了大量的电量。采用压制柱状块的模式，减少了粉料与坩祸侧壁的反应。
[0012]本发明的技术方案:
[0013]—种低电耗、快速合成SiC粉料的方法，包括步骤如下:
[0014](I)按Si粉与C粉的摩尔比例为1.03?1.08:1取半导体级别的Si粉和C粉，然后加入高纯S12粉;S12粉的加入量为Si粉和C粉总质量的1-6%;
[0015](2)将步骤(I)中的粉料均匀混合，通过等静压压制，形成圆柱块；
[0016](3)将粉料压制的圆柱块置于石墨坩祸内，放入合成炉内；
[0017](4)反复抽取真空后，通入保护气体，且保证压力600-1000mbar稳定，快速加热至1200-1400°C进行反应，监控到反应器内气压起伏时，停止加热，反应完成，即得SiC粉料。
[0018]本发明优选的，步骤(I)中，Si粉与C粉的摩尔比例为1.04?1.06:1，优选的，Si粉与C粉的摩尔比例为1.05:1。
[0019 ]本发明通过调整粉料比例使得少量多余S i粉可以与石墨坩祸壁反应，防止多余C粉引入。
[0020]本发明优选的，步骤(I)中，S12粉的加入量为Si粉和C粉总质量的3-5%。
[0021]本发明优选的，步骤(2)中，压制前后粉料的体积比例优化为5:1-3:1。
[0022]本发明优选的，步骤(2)圆柱块内径小于反应器坩祸的直径，使圆柱块与坩祸壁之间形成2-10_的缝隙。
[0023]本发明的物料压制后，粉料之间充分接触，不形成空隙，防止高温形成的Si滴在粉料中流动。压制的圆柱块直径小于坩祸，有效降低与石墨坩祸侧壁的反应，防止C粉引入。
[0024]本发明优选的，步骤(3)中升温速率大于等于200°C/小时。
[0025]优选的，步骤(3)中升温速率为300?500°C/小时。由于加温过慢，容易导致Si粉融化。采用快速加热方式，尽快达到自蔓延温度。
[0026]本发明的反应如下:Si02+3C—SiC+2C0，这是一个剧烈的放热反应，会引入大量的热量，从而提供后续的S1、C粉的自蔓延反应需要的热量。同时，再次调整了 Si粉和C粉的摩尔比例diC^+C和Si+C反应是个互相促进的作用。在温度超过1200°C，首先发生自曼延反应。由于加热和自蔓延反应的热量，可以帮助Si02和碳粉的反应。Si02反应一旦触发，这是一个剧烈的放热反应，完全可以提供后续自蔓延需要的热量。因此可以关闭中频电源，大大节约了电量。
[0027]本发明优选的，步骤(3)中，采用中频电源进行加热。
[0028]本发明优选的，步骤(3)中，所述的保护气体为氩气。
[0029]本发明的优良效果:
[0030]1、低温1200度开始合成，防止硅滴大量产生。
[0031 ] 2、S12反应发生后，大量热量产生。随着⑶放出，带着热量促进Si+C粉的反应，促进自蔓延，节约了大量的电量。
[0032]3、通过Si粉比例提高、S12的加入，防止多余C粉存在。
[0033]4、采用压制柱状块的模式，减少了粉料与坩祸侧壁的反应。
【附图说明】
[0034]图1为本发明实施例1合成料反应过程中反应的压力和温度的关系曲线。
[0035]图2为本发明实施例1获得粉料的显微镜照片。
【具体实施方式】
[0036]下面结合实施例对本发明做进一步说明，但不限于此。
[0037]实施例1:
[0038]—种低电耗、快速合成SiC粉料的方法，包括步骤如下:
[0039](I)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，然后加入高纯S12粉;S12粉的加入量为Si粉和C粉总质量的5% ;
[0040](2)将步骤(I)中的粉料均匀混合，通过等静压压制，体积比例为5:1，粉料压制成圆柱块;圆柱块内径小于反应器坩祸的直径，使圆柱块与坩祸壁之间形成5_的缝隙。
[0041](3)将粉料压制的圆柱块置于石墨坩祸内，放入合成炉内；
[0042](4)反复抽充真空6h，通入惰性气体(氩气)，且采用机械栗保证气压的稳定，压力控制在600mbar，压力稳定后，开始快速加热至1400 °C时，升温速率300 °C/小时，压力出现起伏，说明3102与(:发生反应。关闭中频电源，温度在1250°C持续一段时间，说明自蔓延反应持续，反应完成，即得Si C粉料。
[0043]本实施例步骤(4)中合成料反应过程中压力与温度的关系曲线如图1所示。由图1可知，压力出现起伏，说明3102与(:发生反应。关闭中频电源，温度在1250°C持续一段时间，说明自蔓延反应持续。
[0044]本实施例获得的SiC粉料显微镜照片如图2所示，通过图2中可以看出无碳粉，只有颗粒状的SiC粉末。
[0045]实施例2:
[0046]—种低电耗、快速合成SiC粉料的方法，包括步骤如下:
[0047](I)按Si粉与C粉的摩尔比例为1.06:1取半导体级别的Si粉和C粉，然后加入高纯S12粉;S12粉的加入量为Si粉和C粉总质量的6% ;
[0048](2)将步骤(I)中的粉料均匀混合，通过等静压压制，体积比例为4:1，粉料压制成圆柱块;圆柱块内径小于反应器坩祸的直径，使圆柱块与坩祸壁之间形成2_的缝隙。
[0049](3)将粉料压制的圆柱块置于石墨坩祸内，放入合成炉内；
[0050](4)反复抽真空后，通入保护气体氩气，且采用机械栗保证气压的稳定，快速加热至1200°C进行反应，升温速率500°C/小时，通过监控窗口看到气压的起伏，说明S12反应发生，关闭中频电源，反应完成，即得SiC粉料。
【主权项】
1.一种低电耗、快速合成SiC粉料的方法，包括步骤如下: (1)按Si粉与C粉的摩尔比例为1.03?1.08:1取半导体级别的Si粉和C粉，然后加入高纯S12粉;S12粉的加入量为Si粉和C粉总质量的1-6%; (2)将步骤(I)中的粉料均匀混合，通过等静压压制，形成圆柱块； (3)将圆柱块置于真空中，通入保护气体，且保证气压稳定，快速加热至1200-1400°C进行反应，监控到反应器内气压起伏时，停止加热，反应完成，即得SiC粉料。2.根据权利要求1所述的低电耗、快速合成SiC粉料的方法，其特征在于，步骤(I)中，Si粉与C粉的摩尔比例为1.04?1.06:1，优选的，Si粉与C粉的摩尔比例为1.05:1ο3.根据权利要求1所述的低电耗、快速合成SiC粉料的方法，其特征在于，步骤(I)中，S12粉的加入量为Si粉和C粉总质量的3-5%。4.根据权利要求1所述的低电耗、快速合成SiC粉料的方法，其特征在于，步骤(2)中，压制前后粉料的体积比例为5: 1-3: I。5.根据权利要求1所述的低电耗、快速合成SiC粉料的方法，其特征在于，步骤(2)圆柱块内径小于反应器坩祸的直径，使圆柱块与坩祸壁之间形成2-10_的缝隙。6.根据权利要求1所述的低电耗、快速合成SiC粉料的方法，其特征在于，步骤(3)中升温速率大于等于200°C/小时。7.根据权利要求6所述的低电耗、快速合成SiC粉料的方法，其特征在于，步骤(3)中升温速率为300?500 °C/小时。8.根据权利要求1所述的低电耗、快速合成SiC粉料的方法，其特征在于，步骤(3)中，采用中频电源进行加热。9.根据权利要求1所述的低电耗、快速合成SiC粉料的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述的保护气体为氩气。
【专利摘要】本发明提供一种低电耗、快速合成SiC粉料的方法，该方法通过Si粉比例提高、SiO2的加入，防止多余C粉存在，SiO2反应发生后，大量热量产生，随着CO放出，带着热量促进Si+C粉的反应，促进自蔓延，节约了大量的电量，使反应快速进行，采用压制柱状块的模式，减少了粉料与坩埚侧壁的反应。
【IPC分类】C01B31/36
【公开号】CN105600786
【申请号】CN201610157371
【发明人】彭燕, 徐现刚, 陈秀芳, 胡小波
【申请人】山东大学
【公开日】2016年5月25日
【申请日】2016年3月18日