碳化硅制备方法技术

本发明专利技术公开了一种碳化硅制备方法，涉及碳化硅技术领域。所述方法通过助溶剂法连续生长碳化硅晶体，然后通过对坩埚的接触冷却来提高碳化硅晶体生长的稳定性，同时通过多区液态金属接触冷却与多区加热，来实现在不同的高温度梯度区域多级液滴迁移来消除包裹物，随着坩埚的下降使得碳化硅晶体中的包裹物逐渐减少直至消失，制备无包裹物且低应力的碳化硅晶体。所述方法选用低熔点高沸点液态金属接触冷却液可以循环使用且经济实用，通过多级消除包裹物提高了溶剂法生长碳化硅的效率和质量。

Preparation Method of Silicon Carbide

【技术实现步骤摘要】
碳化硅制备方法
本专利技术涉及碳化硅
，尤其涉及一种碳化硅制备方法。
技术介绍
碳化硅是一种重要的功能材料和结构材料，由于其高熔点、高硬度、高的热导率系数、热膨胀系数小、禁带宽度大等特点，使其广泛应用于高温陶瓷、复合材料、机械加工、光学和半导体等领域。作为耐高温材料、碳化硅主要通过是用石英砂、焦炭、木屑等原料通过高温加热至2500℃以上高温煅烧而成，主要制备成碳化硅粉末。大块晶体的制备主要通过粉末的烧结、物理气相沉积和助溶剂法，其中高质量的大块单晶体或者存在大块单晶的多晶体主要通过物理气相沉积和助溶剂法，但是物理气相沉积温度高，效率低下，碳化硅晶体中易存在微管等缺陷，该方法主要应用于半导体领域，其尺寸目前也主要限制在6英寸以下。助溶剂法虽然制备的晶体较为完美，生长速度相对于物理气相沉积要高很多，但是不易制备大块晶体。因此，对于高效、快速的制备质量优异的大块碳化硅晶体尚未成熟。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是如何提供一种经济实用、效率高且质量高的碳化硅制备方法。为解决上述技术问题，本专利技术所采取的技术方案是：一种碳化硅制备方法，使用碳化硅制备装置，其特征在于包括如下步骤：在熔炼坩埚底部放入碳化硅晶体作为籽晶，然后向熔炼坩埚内部放入助熔合金，在原料补充坩埚中放入硅/碳混合粉，其摩尔比例为1：1；然后将熔炼坩埚放入第一加热器中间，将熔炼坩埚底部放置籽晶的部分置入第一冷却系统中，然后向第一冷却系统、第二冷却系统和第三冷却系统中通入循环冷却水；启动熔炼坩埚内的内加热器以及熔炼坩埚外的第一加热器、第二加热器、第三加热器以及第四加热器；首先调整内加热器和第一加热器的功率，直至助熔合金熔化为助熔合金熔体，使得助熔合金熔体形成高的温度梯度，然后稳定10-30分钟；缓慢启动熔炼坩埚升降及转动驱动装置使熔炼坩埚旋转，随后启动接触冷却液回流泵使得液态金属接触冷却液开始循环，通过接触冷却液导入盘使其流至旋转的坩埚的外壁上，并控制熔炼坩埚升降及转动驱动装置使熔炼坩埚缓慢向下运动，向下运动速度控制在0.1-5mm/h之间；在熔炼坩埚向下运动之后，不断将硅/碳混合粉通过原料补充坩埚置入助熔合金熔体中；由于熔炼坩埚旋转和向下运动，液态金属接触冷却液布满熔炼坩埚外表面，熔炼坩埚首先运动至第一冷却系统中，并在熔炼坩埚与第一冷却系统之间形成液态金属接触冷却液的接触层；随着熔炼坩埚的运动，进入第一冷却系统后，通过液态金属接触冷却液的接触层对坩埚起到强烈的冷却作用；由于熔炼坩埚旋转和向下运动，坩埚依次进入第二加热器和第二冷却系统、第三加热器和第三冷却系统、第四加热器和接触冷却液回流槽后，当进入第二加热器、第三加热器以及第四加热器时，调整该区域生长温度至1500K-2800K；当熔炼坩埚上部依次离开第一加热器、第二加热器、第三加热器、第四加热器下端后，分别先后停止第一加热器、第二加热器、第三加热器、第四加热器的加热；直至熔炼坩埚中的助熔合金熔体的液面低于液态金属接触冷却液的上表面，然后关闭内加热器；碳化硅晶体晶体生长完成，切掉最后结晶部分，并通过X射线或者超声波探伤，探测晶体内部的包裹物，如果还含有包裹物继续降低熔炼坩埚的下降速度并重复以上步骤直至包裹物消失，切掉最后结晶的碳化硅晶体部分，完成碳化硅晶体的生长。进一步的技术方案在于：所述硅/碳混合粉进入助熔合金熔体的量满足公式：m=πR2vρ，式中，m为硅/碳混合粉单位时间内投入的质量，R为熔炼坩埚的直径，v为熔炼坩埚向下运动的速率，ρ为碳化硅的密度，随着所述硅/碳混合粉的加入，所述内加热器以及原料补充坩埚缓慢上升。进一步的技术方案在于：随着熔炼坩埚的下降，熔炼坩埚进入第一冷却系统中间，第一冷却系统上方设置有接触冷却液导入盘，接触冷却液导入盘的导出口靠近熔炼坩埚外壁；通过接触冷却液回流泵将液态金属接触冷却液导入接触冷却液导入盘中，在压力下使得液态金属接触冷却液流至熔炼坩埚外壁，熔炼坩埚旋转并向下运动，使得液态金属接触冷却液进入第一冷却系统与熔炼坩埚的缝隙中，由于液态金属接触冷却液的高的导热系数，使得熔炼坩埚在第一冷却系统附近的部分产生快速冷却，从而使得碳化硅晶体的固液界面处产大的温度梯度并提高界面的生长稳定性；随着熔炼坩埚的下降，在碳化硅晶体基体中形成一级助熔金属夹杂物，当熔炼坩埚进入第二加热器时，调节各加热电阻使得第二加热器区域的温度达到1500-2800K，在靠近第一冷却系统和第二冷却系统侧产生超高温度梯度，在进入第二加热器区域后碳化硅晶体中的一级助熔金属夹杂物再次熔化为一级助熔金属液滴，伴随熔炼坩埚的下降，一级助熔金属液滴会相对向上迁移直至某一温度下相对静止，同时在这一温度下的区域内出现部分一级助熔金属液滴的汇集，而形成一级助熔金属液相富集区，这样减少了熔炼坩埚中碳化硅晶体中一级助熔金属夹杂物的数量；随着熔炼坩埚的下降，附着在熔炼坩埚外表面的液态金属接触冷却液会随着熔炼坩埚进入第二冷却系统与熔炼坩埚的缝隙中；当熔炼坩埚进入第二冷却系统区域后碳化硅晶体中的一级助熔金属液滴再次凝固为二级助熔金属夹杂物；当熔炼坩埚进入第三加热器后，调节各加热电阻使得第三加热器区域的温度达到1500-2800K，在靠近第二冷却系统和第三冷却系统侧产生超高温度梯度，在进入第三加热器区域后碳化硅晶体中的二级助熔金属夹杂物再次熔化为二级助熔金属液滴，伴随熔炼坩埚的下降，二级助熔金属液滴会相对向上迁移直至某一温度下相对静止，同时在这一温度下的区域内出现部分二级助熔金属液滴的汇集，而形成二级助熔金属液相富集区，这样减少了熔炼坩埚中碳化硅晶体中二级助熔金属夹杂物的数量；随着熔炼坩埚的下降，熔炼坩埚外表面的液态金属接触冷却液会随着熔炼坩埚进入第三冷却系统与熔炼坩埚的缝隙中；当熔炼坩埚进入第三冷却系统区域后碳化硅晶体中的二级助熔金属液滴再次凝固为三级助熔金属夹杂物；当熔炼坩埚进入第四加热器后，调节各加热电阻使得第四加热器区域的温度达到1500-2800K，在靠近第三冷却系统和接触冷却液回流槽侧产生超高温度梯度，在进入第四加热器区域后碳化硅晶体中的三级助熔金属夹杂物再次熔化为三级助熔金属液滴，伴随熔炼坩埚的下降，三级助熔金属液滴会相对向上迁移直至某一温度下相对静止，同时在这一温度下的区域内出现部分三级助熔金属液滴的汇集而形成三级助熔金属液相富集区，这样就基本消除了熔炼坩埚中碳化硅晶体中三级助熔金属夹杂物；随着熔炼坩埚的下降，熔炼坩埚外表面的液态金属接触冷却液会随着熔炼坩埚回流至接触冷却液回流槽中，然后再通过接触冷却液回流泵流至接触冷却液导入盘循环使用。进一步的技术方案在于：所述碳化硅制备装置包括接触冷却液回流槽，所述回流槽内设置有熔炼坩埚升降及转动驱动装置以及液态金属接触冷却液，所述驱动装置的动力输出端与坩埚支撑杆的下端连接，所述坩埚支撑杆的上端与熔炼坩埚的底部固定连接，从上到下依次设置有环形的第一加热器、第一冷却系统、第二加热器、第二冷却系统、第三加热器、第三冷却系统以及第四加热器，所述第一加热器、第一冷却系统、第二加热器、第二冷却系统、第三加热器、第三冷却系统以及第四加热器的中间空间形成所述熔炼坩埚的运动通道，所述熔炼坩埚的上端开口内设置有内加热器，原料补充坩埚的下端设置有投料管，原料补充坩埚内设置有硅/碳混本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种碳化硅制备方法，使用碳化硅制备装置，其特征在于包括如下步骤：在熔炼坩埚（5）底部放入碳化硅晶体作为籽晶，然后向熔炼坩埚（5）内部放入助熔合金，在原料补充坩埚（1）中放入硅/碳混合粉（2），其摩尔比例为1：1；然后将熔炼坩埚（5）放入第一加热器（6）中间，将熔炼坩埚底部放置籽晶的部分置入第一冷却系统（7）中，然后向第一冷却系统（7）、第二冷却系统（9）和第三冷却系统（11）中通入循环冷却水；启动熔炼坩埚内的内加热器（4）以及熔炼坩埚外的第一加热器（6）、第二加热器（8）、第三加热器（10）以及第四加热器（12）；首先调整内加热器（4）和第一加热器（6）的功率，直至助熔合金熔化为助熔合金熔体（13），使得助熔合金熔体（13）形成高的温度梯度，然后稳定10‑30分钟；缓慢启动熔炼坩埚升降及转动驱动装置使熔炼坩埚（5）旋转，随后启动接触冷却液回流泵（33）使得液态金属接触冷却液（30）开始循环，通过接触冷却液导入盘（32）使其流至旋转的熔炼坩埚（5）的外壁上，并控制熔炼坩埚升降及转动驱动装置使熔炼坩埚（5）缓慢向下运动，向下运动速度控制在0.1‑5mm/h之间；在熔炼坩埚向下运动之后，不断将硅/碳混合粉（2）通过原料补充坩埚（1）置入助熔合金熔体（13）中；由于熔炼坩埚（5）旋转和向下运动，液态金属接触冷却液（30）布满熔炼坩埚（5）外表面，熔炼坩埚（5）首先运动至第一冷却系统（7）中，并在熔炼坩埚（5）与第一冷却系统（7）之间形成液态金属接触冷却液（30）的接触层；随着熔炼坩埚（5）的运动，进入第一冷却系统（7）后，通过液态金属接触冷却液（30）的接触层对熔炼坩埚（5）起到强烈的冷却作用；由于熔炼坩埚（5）旋转和向下运动，熔炼坩埚（5）依次进入第二加热器（8）和第二冷却系统（9）、第三加热器（10）和第三冷却系统（11）、第四加热器（12）和接触冷却液回流槽（29）后，当进入第二加热器（8）、第三加热器（10）以及第四加热器（12）时，调整该区域生长温度至1500 K ‑2800K；当熔炼坩埚（5）上部依次离开第一加热器（6）、第二加热器（8）、第三加热器（10）、第四加热器（12）下端后，分别先后停止第一加热器（6）、第二加热器（8）、第三加热器（10）、第四加热器（12）的加热；直至熔炼坩埚（5）中的助熔合金熔体（13）的液面低于液态金属接触冷却液（30）的上表面，然后关闭内加热器（4）；碳化硅晶体（14）晶体生长完成，切掉最后结晶部分，并通过X射线或者超声波探伤，探测晶体内部的包裹物，如果还含有包裹物继续降低熔炼坩埚（5）的下降速度并重复以上步骤直至包裹物消失，切掉最后结晶的碳化硅晶体（14）部分，完成碳化硅晶体的生长。...

【技术特征摘要】
1.一种碳化硅制备方法，使用碳化硅制备装置，其特征在于包括如下步骤：在熔炼坩埚（5）底部放入碳化硅晶体作为籽晶，然后向熔炼坩埚（5）内部放入助熔合金，在原料补充坩埚（1）中放入硅/碳混合粉（2），其摩尔比例为1：1；然后将熔炼坩埚（5）放入第一加热器（6）中间，将熔炼坩埚底部放置籽晶的部分置入第一冷却系统（7）中，然后向第一冷却系统（7）、第二冷却系统（9）和第三冷却系统（11）中通入循环冷却水；启动熔炼坩埚内的内加热器（4）以及熔炼坩埚外的第一加热器（6）、第二加热器（8）、第三加热器（10）以及第四加热器（12）；首先调整内加热器（4）和第一加热器（6）的功率，直至助熔合金熔化为助熔合金熔体（13），使得助熔合金熔体（13）形成高的温度梯度，然后稳定10-30分钟；缓慢启动熔炼坩埚升降及转动驱动装置使熔炼坩埚（5）旋转，随后启动接触冷却液回流泵（33）使得液态金属接触冷却液（30）开始循环，通过接触冷却液导入盘（32）使其流至旋转的熔炼坩埚（5）的外壁上，并控制熔炼坩埚升降及转动驱动装置使熔炼坩埚（5）缓慢向下运动，向下运动速度控制在0.1-5mm/h之间；在熔炼坩埚向下运动之后，不断将硅/碳混合粉（2）通过原料补充坩埚（1）置入助熔合金熔体（13）中；由于熔炼坩埚（5）旋转和向下运动，液态金属接触冷却液（30）布满熔炼坩埚（5）外表面，熔炼坩埚（5）首先运动至第一冷却系统（7）中，并在熔炼坩埚（5）与第一冷却系统（7）之间形成液态金属接触冷却液（30）的接触层；随着熔炼坩埚（5）的运动，进入第一冷却系统（7）后，通过液态金属接触冷却液（30）的接触层对熔炼坩埚（5）起到强烈的冷却作用；由于熔炼坩埚（5）旋转和向下运动，熔炼坩埚（5）依次进入第二加热器（8）和第二冷却系统（9）、第三加热器（10）和第三冷却系统（11）、第四加热器（12）和接触冷却液回流槽（29）后，当进入第二加热器（8）、第三加热器（10）以及第四加热器（12）时，调整该区域生长温度至1500K-2800K；当熔炼坩埚（5）上部依次离开第一加热器（6）、第二加热器（8）、第三加热器（10）、第四加热器（12）下端后，分别先后停止第一加热器（6）、第二加热器（8）、第三加热器（10）、第四加热器（12）的加热；直至熔炼坩埚（5）中的助熔合金熔体（13）的液面低于液态金属接触冷却液（30）的上表面，然后关闭内加热器（4）；碳化硅晶体（14）晶体生长完成，切掉最后结晶部分，并通过X射线或者超声波探伤，探测晶体内部的包裹物，如果还含有包裹物继续降低熔炼坩埚（5）的下降速度并重复以上步骤直至包裹物消失，切掉最后结晶的碳化硅晶体（14）部分，完成碳化硅晶体的生长。2.如权利要求1所述的碳化硅制备方法，其特征在于：所述硅/碳混合粉（2）进入助熔合金熔体（13）的量满足公式：m=πR2vρ，式中，m为硅/碳混合粉（2）单位时间内投入的质量，R为熔炼坩埚（5）的直径，v为熔炼坩埚（5）向下运动的速率，ρ为碳化硅的密度，随着所述硅/碳混合粉（2）的加入，所述内加热器以及原料补充坩埚缓慢上升。3.如权利要求1所述的碳化硅制备方法，其特征在于：随着熔炼坩埚（5）的下降，熔炼坩埚（5）进入第一冷却系统（7）中间，第一冷却系统（7）上方设置有接触冷却液导入盘（32），接触冷却液导入盘（32）的导出口靠近熔炼坩埚（5）外壁；通过接触冷却液回流泵（33）将液态金属接触冷却液（30）导入接触冷却液导入盘（32）中，在压力下使得液态金属接触冷却液（30）流至熔炼坩埚（5）外壁，熔炼坩埚（5）旋转并向下运动，使得液态金属接触冷却液（30）进入第一冷却系统（7）与熔炼坩埚（5）的缝隙中，由于液态金属接触冷却液（30）的高的导热系数，使得熔炼坩埚（5）在第一冷却系统（7）附近的部分产生快速冷却，从而使得碳化硅晶体（14）的固液界面处产大的温度梯度并提高界面的生长稳定性；随着熔炼坩埚（5）的下降，在碳化硅晶体基体中形成一级助熔金属夹杂物（15），当熔炼坩埚（5）进入第二加热器（8）时，调节各加热电阻使得第二加热器（8）区域的温度达到1500-2800K，在靠近第一冷却系统（7）和第二冷却系统（9）侧产生超高温度梯度，在进入第二加热器（8）区域后碳化硅晶体中的一级助熔金属夹杂物（15）再次熔化为一级助熔金属液滴（17），伴随熔炼坩埚（5）的下降，一级助熔金属液滴（17）会相对向上迁移直至某一温度下相对静止，同时在这一温度下的区域内出现部分一级助熔金属液滴（17）的汇集，而形成一级助熔金属液相富集区（16），这样减少了熔炼坩埚中碳化硅晶体中一级助熔金属夹杂物（15）的数量；随着熔炼坩埚（5）的下降，附着在熔炼坩埚（5）外表面的液态金属接触冷却液（30）会随着熔炼坩埚（5）进入第二冷却系统（9）与熔炼坩埚（5）的缝隙中；当熔炼坩埚（5）进入第二冷却系统（9）区域后碳化硅晶体中的一级助熔金属液滴（17）再次凝固为二级助熔金属夹杂物（18）；当熔炼坩埚（5）进入第三加热器（10）后，调节各加热电阻使得第三加热器（10）区域的温度达到1500-2800K，在靠近...

【专利技术属性】
技术研发人员：王书杰，孟静，
申请(专利权)人：孟静，
类型：发明
国别省市：河北,13