阅读说明：本技术 快速制备碳化硅的方法 (The method for quickly preparing silicon carbide ) 是由 李超 于 2019-09-26 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种快速制备碳化硅的方法,涉及碳化硅技术领域。所述方法将碳化硅块放置于第一生长腔与第二生长腔之间,籽晶位于第一生长腔的多孔氮化硼内衬中,通过内置热偶及液态金属冷却液的陶瓷籽晶杆给籽晶降温,使其附近建立起合适的生长温度和温度梯度。通过生长腔主体进入多孔氮化硼内衬中布置热电偶,监控生长环境的生长温度和气氛中的温度梯度,生长腔主体上的载气管道将使得高温载气携带碳化硅挥发出的气体至籽晶上进行生长。所述方法的温度梯度及输运过程可控,制备的碳化硅质量较高。(The invention discloses a kind of methods for quickly preparing silicon carbide, are related to silicon carbide technology field.Silicon carbide bulk is placed between the first growth chamber and the second growth chamber by the method, seed crystal is located in the porous boron nitride liner of the first growth chamber, cooled down by built-in thermocouple and the ceramic seed rod of liquid metal coolant liquid to seed crystal, it is made nearby to set up suitable growth temperature and temperature gradient.Entered in porous boron nitride liner by growth cavity main body and arranges thermocouple, temperature gradient in the growth temperature and atmosphere of monitoring growth environment grows and grows on the gas to seed crystal that the carrier gas channel on cavity main body will make high temperature carrier gas carrying silicon carbide volatilize.The temperature gradient and transport process of the method are controllable, and the silicon carbide quality of preparation is higher.)

快速制备碳化硅的方法

技术领域

本发明涉及碳化硅制备方法技术领域，尤其涉及一种快速制备碳化硅的方法。

背景技术

碳化硅是一种重要的宽禁带半导体材料，由于其禁带宽度大，高热导率、高高击穿电场、高的化学稳定性、高电子饱和迁移速率的特点，使其广泛应用于高频、高效、耐高压、耐高温、抗辐射等电力电子领域，其也是第五代移动通信的基础材料之一。由于其只有压力达到10¹⁰Pa，温度达到3200℃时才能形成化学计量比的熔体，直接通过熔体法进行生长极为困难。因此人们开始实验通过助溶剂法来降低熔体的饱和蒸汽压，并通过熔体法来制备碳化硅晶体。另一种方法为气相沉积法，在反应室2000-2300℃的温度下，SiH₄通过载气（通常为H₂）携带并与C₂H₄或者C₃H₈混合进入反应室制备碳化硅，反应压力为40KPa左右。该方法可以制备高纯碳化硅且晶体缺陷低的特点，但是该方法尚不成熟。

目前最为成熟生长方法为物理气相输运法，其通过碳化硅颗粒被加热到2000℃以上升华，升华气体再次在籽晶上生长为碳化硅单晶。但是由于硅的饱和蒸汽压要高于碳元素，因此在升华气体中很容易因为硅和碳的饱和蒸汽压不同很容易在籽晶上形成碳涂层现象，破坏生长。另外在该方法生长过程中的微管缺陷也难以控制。根据目前的理论，这些缺陷都与生长界面的温度分布、生长界面的形貌等有关，因此需要很好的控制整个生长过程的气体输运过程和生长区域的温度梯度分布，这也是制备碳化硅晶体的关键参数。因此需要一种温度梯度及输运过程可控的方法来制备高质量的碳化硅晶体。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是如何提供一种温度梯度及输运过程可控的快速制备碳化硅的方法。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种快速制备碳化硅的方法，所述方法使用快速制备碳化硅的装置，其特征在于包括如下步骤：

将碳化硅籽晶装配在籽晶夹持上，拧紧籽晶顶丝螺杆，然后将连接部通过内螺纹与籽晶夹持上的外螺纹相互配合安装到陶瓷籽晶杆上；

将生长腔主体装配到炉体内，并将多孔氮化硼内衬装配到生长腔主体内部，移动陶瓷籽晶杆将碳化硅籽晶降至多孔氮化硼内衬内部，置入内加热丝，然后将两块内衬上盖组件盖至多孔氮化硼内衬的上端开口处，形成第一生长腔，同时将碳化硅籽晶和内加热丝包裹在第一生长腔中，将碳化硅块填充在生长腔主体与第一生长腔之间，在生长腔主体上沿上放置石墨纸，然后盖上生长腔上盖并固定；

分别将第二热电偶和第三热电偶***到生长腔右侧壁热电偶腔和生长腔下壁热电偶腔中；然后将左侧壁载气管、右侧壁载气管和下壁载气管通过电铸金属接口与炉体密封，并与炉体外部的载气管道相连，水冷铜线圈给第二热电偶和第三热电偶降温；

给整个炉体抽真空，然后充入惰性气体，保持压力133Pa-13300Pa；通过生长腔主体与生长腔上盖构成的第二生长腔外侧的主感应线圈、上感应线圈、上电阻加热器、下感应线圈给生长腔上盖与生长腔主体加热，使得第二热电偶和第三热电偶的温度达到2000℃-2300℃；启动内加热器，用于防止陶瓷籽晶杆上沉积碳化硅；

然后调节陶瓷籽晶杆内液态金属的流量和温度，给陶瓷籽晶杆下端的碳化硅籽晶降温，使得陶瓷籽晶杆内的第一热电偶达到1700-2100℃；然后调节上电阻加热器、主感应线圈、上感应线圈及下感应线圈的功率使得第一热电偶与第三热电偶之间建立起2K/mm至20K/mm的温度梯度；

通过左侧壁载气管、右侧壁载气管和下壁载气管将惰性气体注入到第二生长腔中形成载气，通过载气将碳化硅块受热升华为Si_mC_n的气体源源不断带入第一生长腔中并加速碳化硅块的升华过程，Si_mC_n气体传输到碳化硅籽晶的固/气界面上形成碳化硅晶体并不断长大，直至生长至所需尺寸，其中，m=1或2，n=0、1或2。

进一步的技术方案在于：所述Si_mC_n气体为Si、Si₂C、SiC₂、SiC的混合气体。

进一步的技术方案在于：所述快速制备碳化硅的装置包括炉体，所述炉体的内部设置有生长腔主体，所述生长腔主体的上端开口上设置有生长腔上盖，所述生长腔主体与生长腔上盖构成第二生长腔，所述第二生长腔的上侧设置有上电阻加热器，所述第二生长腔的外周从上到下设置有上感应线圈和主感应线圈，所述第二生长腔的下侧设置有下感应线圈，通过所述上电阻加热器、上感应线圈、主感应线圈和下感应线圈对所述第二生长腔进行加热；所述第二生长腔内设置有多孔氮化硼内衬主体，所述内衬主体上设置有若干个内衬孔，所述内衬主体的上端开口处设置有氮化硼内衬上盖，所述多孔氮化硼内衬主体与所述氮化硼内衬上盖构成第一生长腔，所述第一生长腔与第二生长腔之间的空间内设置有碳化硅块；所述陶瓷籽晶杆的下端从上到下依次穿过炉体、生长腔上盖、氮化硼内衬上盖后进入到所述第一生长腔内，所述陶瓷籽晶杆内设置有液态冷却金属腔，所述通过液态冷却金属注入管向冷却金属腔注入液态金属，所述碳化硅籽晶杆位于第一生长腔内的一端上固定连接有籽晶夹持，所述碳化硅籽晶固定在所述籽晶夹持上，所述炉体上设置有充气管和排气管，通过所述充气管向所述炉体内冲入惰性气体；所述碳化硅块在受热升华为Si_mC_n气体后，通过载气的作用源源不断的进入到第一生长腔内，Si_mC_n气体传输到碳化硅籽晶的固/气界面上形成碳化硅晶体并不断长大，直至生长至所需尺寸，其中，m=1或2，n=0、1或2。

进一步的技术方案在于：所述上电阻加热器设置有两个，分别位于所述碳化硅籽晶杆的左右两侧，每个所述上电阻加热器的上侧设置有一个导流屏，所述导流屏用于将生长腔内挥发出的气体导流至沉积板附近。

进一步的技术方案在于：每个所述导流屏上侧的炉体内壁上设置有一个沉积板，所述沉积板用于沉积收集未参与沉积的升华的Si_mC_n气体，所述沉积板内部有水冷装置，用于降低其表面温度。

进一步的技术方案在于：所述陶瓷籽晶杆包括液态金属导流管，所述液态金属导流管的下端设置有连接部，所述连接部的内径大于所述导流管的内径，且所述导流管与所述连接部内的腔体相连通，所述连接部的外周设置有外螺纹，籽晶夹持上设置有内螺纹，籽晶夹持与所述连接部之间通过相互配合的螺纹固定连接，所述籽晶夹持的下端设置有籽晶夹持腔，碳化硅籽晶的上端***到所述籽晶夹持腔内，且通过位于所述夹持腔两侧的籽晶顶丝螺杆进行固定。

进一步的技术方案在于：所述液态金属导流管内设置有液态冷却金属注入管，所述液态冷却金属注入管内设置有第一热电偶，所述第一热电偶的下端嵌入连接部的底部，用于测量碳化硅籽晶处的温度信息，所述液态冷却金属注入管用于向所述连接部的腔体内注入液态冷却金属。

进一步的技术方案在于：所述陶瓷籽晶杆与所述生长腔上盖之间设置有陶瓷挡塞，所述氮化硼内衬上盖内部设置内加热丝，用于防止连接部沉积碳化硅；所述内加热丝的供电导线经过陶瓷挡塞上的陶瓷挡塞电极孔引出。

进一步的技术方案在于：所述生长腔主体的左侧壁、下侧壁和右侧壁上设置有一根以上的侧壁载气管，所述侧壁载气管的内侧与所述生长腔主体相连通，所述侧壁载气管的外侧端部延伸至所述炉体的外侧，所述生长腔主体的下侧壁上设置有下壁热电偶腔，所述生长腔主体的右侧壁上设置有右壁热电偶腔，所述右壁热电偶腔和下壁热电偶腔通过螺纹连接的方式固定在生长腔主体上。待多孔氮化硼内衬主体放置入生长腔主体后再将右壁热电偶腔和下壁热电偶腔连接在生长腔主体上。

进一步的技术方案在于：所述多孔氮化硼内衬主体在与所述下壁热电偶腔相对应的位置设置有内衬下壁热电偶插孔，所述多孔氮化硼内衬主体在与所述右壁热电偶腔相对应的位置设置有内衬右壁热电偶插孔。

进一步的技术方案在于：所述右壁热电偶腔内设置有第二热电偶，所述下壁热电偶腔内设置有第三热电偶，所述第二热电偶用于测量所述多孔氮化硼内衬主体右侧中部的温度信息，所述第三热电偶用于测量所述多孔氮化硼内衬主体底侧中部的温度信息，位于所述第一生长腔外的所述第二热电偶和第三热电偶的外周设置水冷铜线圈。

进一步的技术方案在于：所述侧壁载气管与所述炉体的接触部设置有电铸金属接口，通过所述电铸金属接口实现与炉体的密封连接；所述侧壁载气管、进气管以及排气管上设置有阀体。

采用上述技术方案所产生的有益效果在于：所述方法统将碳化硅块放置于第一生长腔与第二生长腔之间，籽晶位于第一生长腔的多孔氮化硼内衬中，通过内置热偶及液态金属冷却液的陶瓷籽晶杆给籽晶降温，使其附近建立起合适的生长温度和温度梯度。通过生长腔主体进入多孔氮化硼内衬中布置热电偶，监控生长环境的生长温度和气氛中的温度梯度，生长腔主体上的载气管道将使得高温载气携带碳化硅挥发出的气体至籽晶上进行生长。本申请所述方法的温度梯度及输运过程可控，制备的碳化硅质量较高。

附图说明

下面结合附图和

具体实施方式

对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明实施例中所述装置的剖视结构示意图；

图2 是本发明实施例所述装置中多孔氮化硼内衬的剖视结构示意图；

图3 是本发明实施例所述装置中生长腔主体的剖视结构示意图；

图4是本发明实施例所述装置中陶瓷挡塞的剖视结构示意图；

图5是本发明实施例所述装置中籽晶杆中液态金属导流管与连接部的剖视结构示意图；

图6是本发明实施例所述装置中籽晶夹持的剖视结构示意图；

图7是本发明实施例所述装置中氮化硼内衬上盖的结构示意图；

其中：1：陶瓷籽晶杆；1-1:液态金属导流管；1-2：连接部；1-3：外螺纹；1-4：液态冷却金属注入管；2：液态金属；3：第一热电偶；4：陶瓷挡塞；4-1：陶瓷挡塞电极孔；5：导流屏；6：上电阻加热器；7：生长腔上盖；8：生长腔主体；8-1：右壁热电偶腔；8-2：下壁热电偶腔；9：侧壁载气管；10：碳化硅籽晶；11：水冷铜线圈；12：第二热电偶；13：碳化硅晶体；14：下感应线圈；15：第三热电偶；16：下壁载气管；17：充气口；18：多孔氮化硼内衬；18-1：内衬右壁热电偶插孔；18-2：内衬下壁热电偶插孔；18-3：内衬孔；19：主感应线圈；20：上感应线圈；21：石墨纸；22：内加热丝；23：氮化硼内衬上盖；23-1：内衬上盖组件；24：排气口；25：沉积板；26：供电导线；27：碳化硅块；28：籽晶夹持；28-1：内螺纹；28-2：籽晶顶丝螺杆；29：电铸金属接口。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

如图1所示，本发明实施例公开了一种快速制备碳化硅的装置，包括炉体，所述炉体的内部设置有生长腔主体8，所述生长腔主体8的上端开口上设置有生长腔上盖7，所述生长腔主体8与生长腔上盖7构成第二生长腔，所述第二生长腔的上侧设置有上电阻加热器6，所述第二生长腔的外周从上到下设置有上感应线圈20和主感应线圈19，所述第二生长腔的下侧设置有下感应线圈14，通过所述上电阻加热器6、上感应线圈20、主感应线圈19和下感应线圈14对所述第二生长腔进行加热；所述第二生长腔内设置有多孔氮化硼内衬主体18，所述内衬主体上设置有若干个内衬孔18-3，所述内衬主体的上端开口处设置有氮化硼内衬上盖23，所述多孔氮化硼内衬主体18与所述氮化硼内衬上盖23构成第一生长腔，所述第一生长腔与第二生长腔之间的空间内设置有碳化硅块27；所述陶瓷籽晶杆1的下端从上到下依次穿过炉体、生长腔上盖7、氮化硼内衬上盖23后进入到所述第一生长腔内，所述陶瓷籽晶杆1内设置有液态冷却金属腔，所述通过液态冷却金属注入管1-4向冷却金属腔注入液态金属，所述碳化硅籽晶杆位于第一生长腔内的一端上固定连接有籽晶夹持28，所述碳化硅籽晶10固定在所述籽晶夹持28上，所述炉体上设置有充气管17和排气管24，通过所述充气管17向所述炉体内冲入惰性气体；所述碳化硅块27在受热升华为Si_mC_n气体后，通过载气的作用源源不断的进入到第一生长腔内，Si_mC_n气体传输到碳化硅籽晶10的固/气界面上形成碳化硅晶体并不断长大（由于籽晶处温度最低，升华气体在该处处于过饱和状态，碳化硅晶体将沿着籽晶开始生长），直至生长至所需尺寸，其中，m=1或2，n=0、1或2。

如图1所示，所述上电阻加热器6设置有两个，分别位于所述碳化硅籽晶杆1的左右两侧，每个所述上电阻加热器6的上侧设置有一个导流屏5，所述导流屏用于将生长腔内挥发出的气体导流至沉积板25附近。每个所述导流屏5上侧的炉体内壁上设置有一个沉积板25，所述沉积板用于沉积收集未参与沉积的升华的Si_mC_n气体。所述沉积板25内部有水冷装置，以便降低其表面温度。

如图5-图6所示，所述陶瓷籽晶杆1包括液态金属导流管1-1，所述液态金属导流管1-1的下端设置有连接部1-2，所述连接部1-2的内径大于所述导流管的内径，且所述导流管与所述连接部1-2内的腔体相连通，所述连接部1-2的外周设置有外螺纹1-3，籽晶夹持28上设置有内螺纹28-1，籽晶夹持28与所述连接部1-2之间通过相互配合的螺纹固定连接，所述籽晶夹持28的下端设置有籽晶夹持腔，碳化硅籽晶10的上端***到所述籽晶夹持腔内，且通过位于所述夹持腔两侧的籽晶顶丝螺杆28-2进行固定。如图1和图5所示，所述液态金属导流管1-1内设置有液态冷却金属注入管1-4，所述液态冷却金属注入管1-4内设置有第一热电偶3，所述第一热电偶3的下端嵌入连接部1-2的底部，用于测量碳化硅籽晶10处的温度信息，所述液态冷却金属注入管1-4用于向所述连接部的腔体内注入液态冷却金属。

如图1所示，所述陶瓷籽晶杆1与所述生长腔上盖7之间设置有陶瓷挡塞4；所述氮化硼内衬上盖23内部设置内加热丝22，用于防止连接部1-2沉积碳化硅；如图1和图4所示，所述内加热丝22的供电导线26经过陶瓷挡塞4上的陶瓷挡塞电极孔4-1引出。

如图3所示，所述生长腔主体8的左侧壁、下侧壁和右侧壁上设置有一根以上的侧壁载气管，所述侧壁载气管的内侧与所述生长腔主体8相连通，所述侧壁载气管的外侧端部延伸至所述炉体的外侧，所述生长腔主体8的下侧壁上设置有下壁热电偶腔8-2，所述生长腔主体8的右侧壁上设置有右壁热电偶腔8-1，所述右壁热电偶腔8-1和下壁热电偶腔8-2通过螺纹连接的方式固定在生长腔主体8上。待多孔氮化硼内衬主体18放置入生长腔主体8后再将右壁热电偶腔8-1和下壁热电偶腔8-2连接在生长腔主体8上。

如图2所示，所述多孔氮化硼内衬主体18在与所述下壁热电偶腔8-2相对应的位置设置有内衬下壁热电偶插孔18-2，所述多孔氮化硼内衬主体18在与所述右壁热电偶腔8-1相对应的位置设置有内衬右壁热电偶插孔18-1。进一步的，如图1所示，所述右壁热电偶腔8-1内设置有第二热电偶12，所述下壁热电偶腔8-2内设置有第三热电偶15，所述第二热电偶12用于测量所述多孔氮化硼内衬主体18右侧中部的温度信息，所述第三热电偶15用于测量所述多孔氮化硼内衬主体18底侧中部的温度信息，位于所述第一生长腔外的所述第二热电偶12和第三热电偶15的外周设置水冷铜线圈11。

如图1所示，所述侧壁载气管与所述炉体的接触部设置有电铸金属接口29，通过所述电铸金属接口29实现与炉体的密封连接；所述侧壁载气管、进气管17以及排气管24上设置有阀体。

相应的，本发明实施例还公开了一种快速制备碳化硅的方法，所述方法使用所述快速制备碳化硅的装置，包括如下步骤：

将碳化硅籽晶10装配在籽晶夹持28上，拧紧籽晶顶丝螺杆28-2，然后将连接部1-2通过内螺纹28-1与籽晶夹持上的外螺纹1-3相互配合安装到陶瓷籽晶杆1上；

将生长腔主体8装配到炉体内，并将多孔氮化硼内衬18装配到生长腔主体8内部，移动陶瓷籽晶杆1将碳化硅籽晶10降至多孔氮化硼内衬18内部，置入内加热丝22，然后将两块内衬上盖组件23-1盖至多孔氮化硼内衬18的上端开口处，形成第一生长腔，同时将碳化硅籽晶10和内加热丝22包裹在第一生长腔中，将碳化硅块27填充在生长腔主体8与第一生长腔之间，在生长腔主体8上沿上放置石墨纸21，然后盖上生长腔上盖7并固定；

分别将第二热电偶12和第三热电偶15***到生长腔右侧壁热电偶腔8-1和生长腔下壁热电偶腔8-2中；然后将左侧壁载气管、右侧壁载气管9和下壁载气管16通过电铸金属接口29与炉体密封，并与炉体外部的载气管道相连，水冷铜线圈11给第二热电偶12和第三热电偶15降温；

给整个炉体抽真空，然后充入惰性气体，保持压力133Pa-13300Pa；通过生长腔主体8与生长腔上盖7构成的第二生长腔外侧的主感应线圈19、上感应线圈20、上电阻加热器6、下感应线圈14给生长腔上盖7与生长腔主体8加热，使得第二热电偶12和第三热电偶15的温度达到2000℃-2300℃；启动内加热器22，用于防止陶瓷籽晶杆1上沉积碳化硅；

然后调节陶瓷籽晶杆1内液态金属2的流量和温度（液态金属2可以调节温度，调控碳化硅籽晶10上的传热情况，进而控制碳化硅籽晶的生长），给陶瓷籽晶杆1下端的碳化硅籽晶10降温，使得陶瓷籽晶杆1内的第一热电偶3达到1700-2100℃；然后调节上电阻加热器6、主感应线圈19、上感应线圈20及下感应线圈14的功率使得第一热电偶3与第三热电偶15之间建立起2K/mm至20K/mm的温度梯度；

通过左侧壁载气管、右侧壁载气管9和下壁载气管16将惰性气体注入到第二生长腔中形成载气，通过载气将碳化硅块27受热升华为Si_mC_n的气体源源不断带入第一生长腔中并加速碳化硅块27的升华过程，Si_mC_n气体传输到碳化硅籽晶10的固/气界面上形成碳化硅晶体并不断长大，直至生长至所需尺寸。

所述装置和方法统将碳化硅块放置于第一生长腔与第二生长腔之间，籽晶位于第一生长腔的多孔氮化硼内衬中，通过内置热偶及液态金属冷却液的陶瓷籽晶杆给籽晶降温，使其附近建立起合适的生长温度和温度梯度。通过生长腔主体进入多孔氮化硼内衬中布置热电偶，监控生长环境的生长温度和气氛中的温度梯度，生长腔主体上的载气管道将使得高温载气携带碳化硅挥发出的气体至籽晶上进行生长。本申请所述装置和方法的温度梯度及输运过程可控，制备的碳化硅质量较高。