[发明专利]一种制备高纯碳化硅粉料的方法

说明书

本发明提出了一种制备高纯碳化硅粉料的方法，其特征在于，(1)选择高纯硅粉和高纯碳粉；(2)对高纯碳粉、石墨坩埚和保温结构进行一次提纯和二次提纯，其中，一次提纯采用真空脱气提纯，二次提纯采用惰性气体下的高温提纯；(3)将步骤(2)二次提纯得到的高纯碳粉和步骤(1)中的高纯硅粉置于步骤(2)二次提纯得到的石墨坩埚中，反应得到高纯碳化硅粉料。本发明通过对碳粉和石墨坩埚及保温结构进行预处理降低了高纯碳粉的含氮量与金属杂质含量，相比合成碳化硅后再进行湿法冶金处理，更为环保，且工序更简单，同时保证了合成碳化硅粉料时不会从石墨坩埚及保温结构中引入杂质。

技术领域

本发明涉及晶体材料制备技术领域，尤其涉及一种高纯碳化硅粉料及其制备方法。

背景技术

作为最重要的第三代半导体材料之一，碳化硅单晶因其宽带隙、抗电压击穿能力强、热导率高、饱和电子迁移速率高等优点，而被广泛应用于民用灯光照明、屏幕显示、航空航天、高温辐射环境、石油勘探、雷达通信与汽车电子化等领域。碳化硅单晶通常通过升华法由碳化硅粉料制备而成，因此升华法所使用的碳化硅粉料的纯度、粒度以及晶型均对碳化硅单晶质量有着显著影响。

目前生产中最常用的SiC粉料合成方法为自蔓延高温合成法，是在中频电磁感应炉中将高纯的碳粉和硅粉加热到2000℃以上，在氩气或氦气气氛(或氩气与氦气的混合气氛)下合成碳化硅粉料。但是随着碳化硅衬底直径的增加，晶锭生长单炉所需的碳化硅粉料量随之增加，所使用的生产碳化硅粉料的石墨坩埚直径增大，反应过程中坩埚壁与坩埚中心的温差增大，为确保高温自蔓延反应的顺利进行，往往出现坩埚壁温度过高，导致坩埚壁附近的合成料碳化，从而导致产率的下降与生产成本的提高，并使所得碳化硅粉料中游离碳含量增加。

对于如何提高合成碳化硅粉料的纯度，技术人员越来越重视，也进行了相关研究。CN103508454B公开了三次合成碳化硅原料的方法，先在高温下合成碳化硅粉料，压碎后通氧气在800～1200℃下高温煅烧，再将煅烧后的碳化硅粉料高温真空脱气，最后经湿法冶金治得高纯碳化硅粉料。CN101659412A公开了对已有碳化硅原料进行提纯的方法，经水洗、碱洗、酸洗去除杂质，再经1600～1800℃高温煅烧3～5分钟去除游离碳，最终得到纯度达99.99％的高纯碳化硅原料。CN102674357A公开了一种用于碳化硅单晶生长的高纯碳化硅原料的合成方法，预处理工序：将高纯Si粉和高纯C粉放入坩埚中，然后置于加热炉中，对加热炉的生长室抽高真空至1×10^-3Pa以下，同时将温度升高至600～1300℃。CN102701208A公开了一种高纯碳化硅粉体的高温固相合成方法，高真空热处理工序：将高纯Si和C粉放入坩埚中，然后置于加热炉中，对加热炉的生长室抽高真空至9×10^-4Pa以下，同时将温度升高至600～1300℃，保持2小时以上(真空脱气处理，包括碳粉、硅粉和坩埚)。CN105417541A公开了一种高纯碳化硅粉料的制备方法，将混合好的原料置于高纯石墨坩埚中，将石墨坩埚置于中频感应加热炉中；在未开始加热时往炉腔中注入高纯H₂至800mbar，然后保持压力800mbar，并保持H₂持续充入1小时；将设备抽真空，使得真空度达到5×10^-6mbar，随后缓慢升温至略低于1000℃，停留一定时间，使得真空度再次达到5×10^-6mbar。CN101302011A公开了一种用于半导体单晶生长的高纯碳化硅粉的人工合成方法，将所取Si粉和C粉混合均匀后放入坩埚中，将坩埚置于中频感应加热炉中，对生长室抽真空，将温度升高至1000℃。CN103708463A公开了一种公斤级高纯碳化硅粉的制备方法，(1)将石墨坩埚镀碳膜；(2)将镀过碳膜的石墨坩埚镀碳化硅。

上述现有专利文献中公开了的纯化碳化硅粉料的方法，在合成碳化硅原料后再对碳化硅粉料进行纯化，在800℃以上高温通氧煅烧去除游离碳，再通过湿法冶金工艺去除金属杂质。上述现有工艺虽然提高了粉料的纯度，但工序繁琐，且湿法冶金工艺污染大，增加了生产成本，同时碳化硅粉料经湿法冶金工艺再干燥后易板结，不利于晶体生长，如使用粉碎工艺对结块的碳化硅粉料进行粉碎，又易引入新杂质。