本發(fā)明涉及碳化硅粉料的合成，具體是一種碳化硅粉料合成坩堝及碳化硅粉料的合成方法。

背景技術(shù)：

1、這里的陳述僅提供與本發(fā)明相關(guān)的背景技術(shù)，而不必然地構(gòu)成現(xiàn)有技術(shù)。

2、碳化硅(sic)作為第三代寬禁帶半導(dǎo)體材料的典型代表，具有寬禁帶、高電子飽和漂移速度、高臨界擊穿電壓、高熱導(dǎo)率及耐高溫等優(yōu)異特性?；谝陨咸攸c，碳化硅在高溫、高壓、高頻、大功率、光電、抗輻射、微波等電子應(yīng)用領(lǐng)域，以及航天、軍工、核能等極端環(huán)境中具有無可替代的優(yōu)勢。

3、目前，高溫自蔓延法是合成碳化硅粉料的主流方法。具體過程如下：將高純石墨粉和高純硅粉混合均勻后放入坩堝中，并在惰性氣體保護(hù)下加熱。當(dāng)溫度升高至si熔點時，c開始在si液中溶解，增大了點火接觸面積，擴(kuò)散速度也隨之提高。當(dāng)溫度上升到點火溫度時，si和c瞬間發(fā)生放熱反應(yīng)，并逐層引燃周圍反應(yīng)物，促使更多si熔融，c繼續(xù)溶解，反應(yīng)持續(xù)進(jìn)行，從而合成碳化硅粉料。

4、在碳化硅粉料的合成過程中，隨著溫度上升，混合粉料中的si以氣相形式開始逸出，會造成以下影響：(1)坩堝腐蝕和結(jié)晶現(xiàn)象：逸出的si氣氛會嚴(yán)重腐蝕坩堝上蓋和坩堝主體。高溫下，si氣氛與坩堝材料發(fā)生反應(yīng)，形成氣氛結(jié)晶。這些結(jié)晶物質(zhì)不僅附著在坩堝上部內(nèi)壁和上蓋上，還會導(dǎo)致坩堝上蓋和坩堝主體粘連，使其無法正常打開。長期的腐蝕和結(jié)晶會使坩堝上蓋和坩堝主體上部出現(xiàn)開裂，嚴(yán)重影響坩堝的密封性能和機(jī)械強(qiáng)度，最終顯著降低坩堝的使用壽命。(2)保溫氈的腐蝕和損壞：逸出坩堝外部的si氣氛還會腐蝕保溫氈。這種腐蝕會造成保溫氈的結(jié)構(gòu)破壞，進(jìn)而降低其保溫性能和使用壽命，保溫氈的損壞會增加能量損失，降低工藝效率，并增加設(shè)備維護(hù)和更換的成本。(3)硅碳比例失衡，碳化硅粉料純度下降：si氣氛的逸出會破壞反應(yīng)體系中硅碳的比例平衡，使實際反應(yīng)中si量減少，制備的碳化硅產(chǎn)品中殘留碳，使最終生成的碳化硅粉料的純度下降，難以滿足要求。

5、中國專利cn109336114b公開了一種提升高純碳化硅粉料合成效率的方法，具體步驟包括預(yù)處理、通入混合氣體進(jìn)行高溫自蔓延反應(yīng)以及在混合氣體保護(hù)下降至室溫。該方法的特點是：高純硅烷的通入可以有效抑制合成過程中由于碳硅比失衡導(dǎo)致的粉料碳化，從而提高碳化硅粉料的質(zhì)量及合成效率。然而高純硅烷的通入會使得坩堝內(nèi)部的si氣氛過多，加劇坩堝內(nèi)壁的腐蝕情況，使得坩堝的使用壽命顯著下降。

6、中國專利cn115520871a公開了一種高純碳化硅粉料合成方法，主要步驟：(1)配料：使用高純度的硅粉和石墨粉，按特定摩爾比混合。(2)混合：使用三維運動混料機(jī)混合1-24小時。(3)坩堝預(yù)處理：將石墨坩堝加熱到1873-2400℃，通入氬氣。(4)合成：分四個階段進(jìn)行，包括抽真空、升溫、保溫和降溫過程。(5)后處理：球磨、清洗和篩分。然而坩堝上蓋與坩堝主體之間的鑲嵌式連接可能不足以完全密封，在高溫情況下，粉料中逸出的si氣氛會與坩堝上蓋與坩堝主體發(fā)生結(jié)晶現(xiàn)象，并且在逸出坩堝外部的si氣氛會腐蝕保溫氈，對坩堝以及保溫氈的壽命造成影響。

7、以上公開的專利都是通過高溫自蔓延法進(jìn)行碳化硅粉料的合成，在高溫合成過程中都會產(chǎn)生si氣氛的逸出，會導(dǎo)致坩堝和保溫氈的嚴(yán)重腐蝕，影響整體結(jié)構(gòu)的使用壽命和密封性能，增加維護(hù)和更換的成本，同時還會破壞反應(yīng)體系中硅碳的比例平衡，使合成的碳化硅的純度下降。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本發(fā)明的目的是提供一種碳化硅粉料合成坩堝及碳化硅粉料的合成方法。通過使用該坩堝以及合成方法，可以獲得高純度的碳化硅粉料，并且有效解決了現(xiàn)有技術(shù)中坩堝易被si氣氛腐蝕的問題，大大提高了坩堝、保溫的使用壽命。

2、為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明是通過如下的技術(shù)方案來實現(xiàn)：

3、第一方面，本發(fā)明提供一種碳化硅粉料合成坩堝，包括坩堝主體、坩堝上蓋、通氣圓筒、支撐圓筒和石墨片，其中，

4、坩堝上蓋用于蓋合在坩堝主體上；

5、坩堝主體內(nèi)壁的上部設(shè)置有臺階狀結(jié)構(gòu)；

6、通氣圓筒通過環(huán)形支撐安裝在所述臺階狀結(jié)構(gòu)上，通氣圓筒的直徑小于坩堝主體的直徑；

7、支撐圓筒的外徑小于坩堝主體的內(nèi)徑，支撐圓筒安裝在所述通氣圓筒環(huán)形支撐上，支撐圓筒的高度高于通氣圓筒的高度；支撐圓筒、通氣圓筒和環(huán)形支撐之間圍成石墨粉的盛放腔室；

8、石墨片放置于支撐圓筒的頂部，位于支撐圓筒與坩堝上蓋之間。

9、由于石墨粉具有很大的比表面積，碳原子可以與硅原子更充分地接觸，在通氣圓筒與支撐圓筒之間進(jìn)行鋪放石墨粉，可以使得混合粉料中逸出的si氣氛優(yōu)先與石墨粉發(fā)生反應(yīng)，減緩si組分對石墨片或坩堝上蓋的腐蝕。

10、在一些實施例中，坩堝上蓋和坩堝主體的材質(zhì)為等靜壓石墨，兩者之間采用螺紋或螺釘連接。

11、在一些實施例中，所述石墨片的材質(zhì)為等靜壓石墨。石墨片的存在不僅可以進(jìn)一步阻擋未與石墨粉發(fā)生反應(yīng)的si氣氛，還能有效防止si氣氛與坩堝上蓋與坩堝主體連接處發(fā)生反應(yīng)，進(jìn)而減少對坩堝的腐蝕，延長坩堝壽命。

12、在一些實施例中，支撐圓筒、通氣圓筒和環(huán)形支撐的材質(zhì)為碳化鉭或在其表面進(jìn)行鍍鉭處理?？梢源蠓葴p少si氣氛與其發(fā)生反應(yīng)，延長部件的壽命。

13、在一些實施例中，所述支撐圓筒的高度為40-60mm，厚度為10-15mm。

14、優(yōu)選的，支撐圓筒比通氣圓筒高5-15mm?？梢允沟檬酆鸵莩龅膕i氣氛反應(yīng)。

15、在一些實施例中，坩堝主體的直徑為350-400mm，壁厚為15-30mm。

16、第二方面，本發(fā)明提供一種碳化硅粉料的合成方法，包括如下步驟：

17、采用所述碳化硅粉料合成坩堝進(jìn)行合成；

18、將高純石墨粉和高純硅粉按比例混勻后鋪設(shè)于坩堝的底部；

19、在支撐圓筒、通氣圓筒和環(huán)形支撐之間圍成的盛放腔室中鋪設(shè)高純石墨粉，并蓋合坩堝上蓋；

20、將坩堝放入爐體中，抽真空后，加熱至800-1000℃，通入保護(hù)氣體后進(jìn)行反復(fù)抽充清洗；

21、繼續(xù)升溫至2000-2600℃，保溫30-50h，期間通入保護(hù)氣體，保持爐內(nèi)壓力為50-800mbar，合成得到碳化硅粉料。

22、反復(fù)抽充清洗的目的是充分去除坩堝內(nèi)部的氮元素。

23、在一些實施例中，高純石墨粉和高純硅粉的原子摩爾比為1：1.05-1.30。由于隨著溫度的升高，混合粉料中的si會以氣相形式開始逸出，因此坩堝內(nèi)部氣相組分中si和c的摩爾比大于1，以確保在高溫下仍有足夠的si與c反應(yīng)。此外，石墨粉和硅粉的純度為高純(5n，99.999％以上)，這可以提高合成碳化硅粉料的純度。

24、在一些實施例中，合成結(jié)束后，降至室溫，通入保護(hù)氣體，將爐內(nèi)壓力升至800-1000mbar，即可。

25、在一些實施例中，將坩堝放入爐體中，抽真空的時間為8-10h，真空值為5×10-5～10-6mbar。

26、在一些實施例中，反復(fù)抽充清洗的方法為：通入保護(hù)氣體，使?fàn)t內(nèi)壓力為200-500mbar，保持時間為0.5-1h，隨后抽真空至低于5×10-5mbar，保持1-2h，重復(fù)此過程為3-5次。

27、在一些實施例中，在支撐圓筒、通氣圓筒以和環(huán)形支撐之間圍成的盛放腔室中鋪設(shè)高純石墨粉，所鋪設(shè)高純石墨粉的質(zhì)量為底部碳硅混合粉料中高純石墨粉的5％-30％?？纱_保此處的石墨粉與坩堝底部逸出的si氣氛充分反應(yīng)，提高原料利用率。

28、優(yōu)選的，在支撐圓筒、通氣圓筒和環(huán)形支撐之間圍成的盛放腔室中鋪設(shè)高純石墨粉，所鋪設(shè)高純石墨粉與底部碳硅混合粉料中多余高純硅粉(混合粉料中硅碳比大于1以外的高純硅粉)的摩爾比是0.8-1:1。

29、在一些實施例中，所述保護(hù)氣體為ar、h2、he或ar/h2、he/h2混合氣體；采用混合氣時，h2的體積占比小于20％。

30、在一些實施例中，坩堝、保溫氈等在首次使用時，對其進(jìn)行預(yù)處理，預(yù)處理的溫度為2200-2600℃，預(yù)處理腔室壓力為1-30mbar，預(yù)處理的時間為20-40h。除去表面帶有的吸附氮以及雜質(zhì)元素，從而提高碳化硅粉料的純度。

31、上述本發(fā)明的一種或多種實施例取得的有益效果如下：

32、1、本發(fā)明的通氣圓筒、支撐圓筒以及石墨片的裝配結(jié)構(gòu)減少了si氣氛對坩堝內(nèi)壁的腐蝕，顯著延長了坩堝的使用壽命。此外，該結(jié)構(gòu)減少了si氣氛逸出到保溫氈中的情況，從而降低了對保溫氈的腐蝕并提高了其使用次數(shù)，坩堝和保溫氈壽命的延長直接降低了生產(chǎn)成本。

33、2、本發(fā)明在碳化硅合成過程中，加入稍過量的硅，使原料中富硅，本發(fā)明的坩堝有效減少了si氣氛逸出，保持了原料的硅碳比例平衡，有利于獲得更高純度的碳化硅粉料，更適合生長高質(zhì)量sic單晶；反應(yīng)最后剩余的硅可以通過加熱的方式使其從碳化硅中升華至坩堝上方，與上方的石墨粉反應(yīng)，以保證合成的sic粉料中不含硅、碳等物相，有效提高了碳化硅的質(zhì)量和產(chǎn)品一致性。

34、3、本發(fā)明中通過在坩堝上部放置額外石墨粉，充分利用石墨粉比表面積大、活性高的特點，合成過程中從粉料中逸出的si氣氛與通氣圓筒外側(cè)放置的石墨粉優(yōu)先發(fā)生反應(yīng)，生成額外的碳化硅粉料，可多產(chǎn)出5％～30％的sic粉料，提高了原料的利用效率，降低了原材料成本；石墨粉與坩堝內(nèi)多余的si氣氛反應(yīng)，使通過坩堝泄露到保溫層中的si組分減少，減少si組分對坩堝及其保溫層的腐蝕，延長了坩堝的壽命；由于保溫性能未受影響，因此在一定程度上還節(jié)省了能耗。

35、4、本發(fā)明的坩堝結(jié)構(gòu)簡單，取料方便，易于操作和維護(hù)，適合進(jìn)行碳化硅粉料的批量生產(chǎn)。