[发明专利]一种提高大粒径碳化硅粉料占比的固相合成方法

说明书

本发明公开了一种提高大粒径碳化硅粉料占比的固相合成方法，本方法基于传统的固相合成方法，通过在原料混合时添加一定比例的小粒径高纯碳化硅粉体作为成核点，诱导碳化硅晶粒长大，实现大幅提高合成碳化硅粉料中大粒径粉料的比例。与现有的高纯碳化硅原料合成方法相比，本方法合成的碳化硅原料中大粒径原料占比大幅提升，为生长碳化硅单晶所需的高纯度、大颗粒碳化硅原料合成提供了一种高效、简便的低成本新方案，具有纯度高、粒径大、操作简单、成本低等优点，能大批量制备满足碳化硅单晶生长用大粒径高纯碳化硅粉料。

技术领域

本发明涉及一种高纯碳化硅粉体固相合成方法，具体地，涉及一种提高大粒径碳化硅粉料占比的固相合成方法，属于第三代半导体材料技术领域。

背景技术

碳化硅单晶具有优异的性能，如：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，是一种优秀的宽禁带半导体材料，也是国际公认的最重要的第三代半导体材料之一。

近年来，随着碳化硅单晶生长技术水平的重大突破，碳化硅晶体的尺寸和质量不断挺高，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，进一步提高晶体质量和降低制备成本是目前碳化硅晶体的主要发展趋势。其中，大批量低成本制备高纯度、大颗粒（粒径≥1 mm）的碳化硅粉料，是制备更高质量碳化硅晶体和降低晶体制备成本的关键因素。因为高纯度、大颗粒的碳化硅粉料是减少晶体缺陷、调控晶体生长速度和长度的核心条件之一，直接影响碳化硅晶体的制备成本。

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，液相和气相法制备的碳化硅粉体纯度非常高，但是粉体的粒径通过非常小（小于0.1 mm），且由于使用昂贵的起源，一般成本也非常高。相比之下，固相法合成的碳化硅粉料的纯度可控、合成过程简单、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。但固相法依然是目前大批量、低成本合成碳化硅粉料的主要方法，主要包括高温自蔓延法、高温固相合成法和Acheson法。

随着碳化硅粉料制备技术的不断进步，目前采用高温固相合成技术可以制备出高纯度（≥99.99%）、大粒径（≥1 mm）的碳化硅粉体。但是，现有技术合成的碳化硅粉料中粒径≥0.5 mm的原料占比偏低，典型的在10%-30%左右。目前已经发展了多种技术来提升碳化硅粉料的粒径和合成效率。

专利文献201910432288.2公开了一种循环加热合成大颗粒SiC粉料的方法。该方法在单晶生长炉炉室内的第一坩埚内设置了具有一定间隔的第二坩埚，然后通过循环加热实现碳化硅颗粒的长大。通过控制循环加热的次数，可以方便地控制合成的SiC粉料的尺寸，当循环重复6次以上时，合成的碳化硅粉料中粒径大于0.5 mm的占比超过70％。多次循环方法不但使合成时间加成，也增加了合成的复杂程度，且颗粒度没有达到mm以上。专利文献202011638540.4公开了一种碳化硅粉料及制备方法与装置。该制备方法采用电阻加热的形式，通过对电极通电，使得碳源温度快速升高并与硅液反应，使得到的碳化硅粉料的粒径为1.5 mm～50 mm。这种采用硅熔体与碳源反应的方式，会在碳源表面先反应生成碳化硅粉体，这将阻止硅熔体进一步与内部碳源反应，造成碳源浪费，而且难以满足大规模生产需求。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0.1mm-1 mm的碳化硅微粒。通过微波加热的方式虽然受热均匀，粉料颗粒度均匀，但是由于没有温度梯度存在，生成碳化硅颗粒以后，碳化硅颗粒长大只能靠固相扩散，故长大速度慢，难以获得大于1 mm以上的碳化硅粉料。

发明内容

鉴于上述现有专利文献中公开的碳化硅粉料合成方法虽然可以获得大颗粒的碳化硅粉料，但是也都或多或少存在一定的缺陷，不能满足大颗粒、大批量、高纯度碳化硅粉料的低成本合成需求。故本申请提供了一种提高大粒径高纯度碳化硅粉料占比的固相合成方法。