一種碳化硅的制備方法

一種碳化硅的制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種碳化硅的制備方法，屬于本發(fā)明屬于半導(dǎo)體制備【技術(shù)領(lǐng)域】。它解決了現(xiàn)有碳化硅制備方法污染重和制備得到的碳化硅純度不高的問(wèn)題。本碳化硅的制備方法包括用含碳元素的碳源完全包裹住硅石或者金屬硅或者兩者混合物并制成原料顆粒；將原料顆粒在高溫下反應(yīng)生成碳化硅；還包括采用裝備有等離子發(fā)生裝置的設(shè)備來(lái)生產(chǎn)碳化硅的制備方法；也包括將碳源和硅石或金屬硅或者兩者的混合物同時(shí)直接投入到等離子火焰中進(jìn)行加熱反應(yīng)，進(jìn)而生成碳化硅的制備方法；以及包含提純步驟的碳化硅制備方法。該制備方法能夠避免對(duì)環(huán)境的污染，還能提高碳化硅的純度。
【專利說(shuō)明】一種碳化硅的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體制備【技術(shù)領(lǐng)域】，涉及一種作為半導(dǎo)體器件襯底原材料的碳化硅制備方法 。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)有的碳化硅制備方法是采用在石英砂外圍鋪上一層碳，然后在碳外再鋪上一層石英砂，再鋪上一層煤或者石油焦為原料的碳層，每層鋪設(shè)的石英砂和碳層厚度不同，鋪設(shè)好后高溫加熱7天以上時(shí)間，通過(guò)二氧化硅和碳反應(yīng)形成SiC，但是石英砂和碳中還有大量的金屬雜質(zhì)灰分，在高溫加熱環(huán)境下，這些雜質(zhì)也發(fā)生了化學(xué)反應(yīng)，生成黃色、紅色等多種顏色的煙霧，并且這些雜質(zhì)對(duì)SiC本身的純度也有較大影響。此后，將SiC粉碎經(jīng)過(guò)分揀和酸洗后裝袋。通過(guò)這種方法制作的碳化硅對(duì)環(huán)境的污染很大，而且碳化硅的純度也不高。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在上述問(wèn)題，提出了一種碳化硅的制備方法，通過(guò)該制備方法能夠避免對(duì)環(huán)境的污染，還能提高碳化硅的純度。
[0004]本發(fā)明通過(guò)下列技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn):一種碳化硅的制備方法，其特征在于，該方法包括用含碳元素的碳源完全包裹住硅石或者金屬硅或者兩者混合物并制成原料顆粒；將原料顆粒在高溫下反應(yīng)生成碳化娃。
[0005]不同于現(xiàn)有的粗獷型制備方法，本發(fā)明對(duì)原料進(jìn)行了預(yù)加工，即將碳源完全包裹住硅石，或者用碳源包裹住金屬硅，或者用碳源包裹住硅石和金屬硅兩者混合物，然后制成比沙子略大的原料顆粒。通過(guò)這個(gè)預(yù)加工步驟，就能是碳源和硅石或者金屬硅的距離更加接近，接觸面積更大，從而在高溫下能夠進(jìn)行充分的反應(yīng)且反應(yīng)速度快，進(jìn)而提高了碳化硅制備的生產(chǎn)效率，并且采用這種原料顆粒進(jìn)行生產(chǎn)能夠避免碳源中的雜質(zhì)對(duì)生成的碳化硅的污染。
[0006]在上述碳化硅的制備方法中，所述碳源為固態(tài)，是在與硅元素反應(yīng)中碳元素起還原反應(yīng)或者起碳化反應(yīng)的物質(zhì)。作為優(yōu)選，可采用粉末狀固態(tài)。
[0007]在上述碳化硅的制備方法中，所述的碳源為石墨、木碳、焦炭、石油焦或者粉狀木材中的一種或幾種混合。在高溫環(huán)境下，這些材料都能產(chǎn)生碳元素，且碳元素均能與硅石或者金屬娃反應(yīng)。
[0008]在上述碳化硅的制備方法中，所述原料顆粒的最大對(duì)角線或者最大直徑為
0.0Olmm~5mm。大于5mm后，原料顆粒在高溫下反應(yīng)效果會(huì)降低，而小于0.0Olmm則會(huì)增加原來(lái)顆粒的制備成本。因此，在0.0Olmm~5mm范圍之內(nèi)是優(yōu)選的。其中2_3mm是最佳的范圍，兼顧成本和效率。
[0009]在上述碳化硅的制備方法中，所述原料顆粒為單個(gè)硅石或者單個(gè)金屬硅包裹在碳源內(nèi)的原料顆粒；或者所述原料顆粒為若干個(gè)單個(gè)顆粒整合成一個(gè)整體的原料顆粒，單個(gè)顆粒是指單個(gè)硅石或者單個(gè)金屬硅包裹在碳源內(nèi)。[0010]在上述碳化硅的制備方法中，所述的碳源、硅石或者金屬硅或兩者的混合物混合后，再加入粘結(jié)劑和水?dāng)嚢璨⒑娓?，通過(guò)造粒機(jī)形成多個(gè)將硅石或者金屬硅或兩者的混合物包裹在碳源內(nèi)的原料顆粒。
[0011]上述碳化硅的制備方法中，在碳源中加入粘結(jié)劑和水?dāng)嚢栊纬烧骋?，將單層排列的單個(gè)硅石或者金屬硅浸入到該粘液中或者直接用粘液通過(guò)噴涂方式形成單個(gè)硅石或者金屬硅或者兩者的混合物包裹在碳源內(nèi)的原料顆粒。
[0012]在上述碳化硅的制備方法中，所述的原料顆粒還包括含重量百分比為0.5-10%的碳化硅。原料顆粒中加入碳化硅能夠起到防止新生成的碳化硅相互粘結(jié)的作用。原料顆粒包括內(nèi)部的硅石或者金屬硅和包裹在硅石或者金屬硅外的碳源，碳源內(nèi)包含有粘結(jié)液、木材和碳化硅。木材起延時(shí)作用。 [0013]在上述碳化硅的制備方法中，所述原料顆粒中的硅元素和碳元素的質(zhì)量比例為3:I~3:3。硅元素為3份，碳元素為1份就能夠生成碳化硅，碳元素多于1份時(shí)能夠有充足的碳元素與硅元素反應(yīng)，但是多于3份后碳元素則過(guò)多，碳源中的雜質(zhì)過(guò)多而碳化硅的純度。
[0014]通過(guò)上述制備方法制作碳化硅后，本發(fā)明還進(jìn)一步提出了采用裝備有等離子發(fā)生裝置的設(shè)備來(lái)生產(chǎn)碳化硅。
[0015]一種碳化硅的制備方法，其特征在于，該方法包括采用裝備有等離子發(fā)生裝置的設(shè)備來(lái)生產(chǎn)碳化硅。等離子發(fā)生裝置能夠生成3000攝氏度的高溫，用等離子發(fā)生設(shè)備作為高溫源在碳化硅制備中是本發(fā)明的首創(chuàng)，因?yàn)槠胀ǖ奶蓟枭a(chǎn)方式不能采用等離子發(fā)生器來(lái)加熱，只能用碳棒加熱。
[0016]在上述碳化硅的制備方法中，原料顆粒加入到等離子發(fā)生裝置內(nèi)部或者內(nèi)部的氣體導(dǎo)管中或者等離子發(fā)生裝置外部另外增加的其出口端接近氣體導(dǎo)管的導(dǎo)管中。等離子發(fā)生裝置內(nèi)部具有腔體與氣體導(dǎo)管相通，氣體導(dǎo)管是用于通氬氣等氣體，其出口經(jīng)高電壓分成離子從而產(chǎn)生等離子火焰，等離子火焰越接近出氣口溫度越高。本碳化硅的制備方法是將上述的原料顆粒從等離子發(fā)生裝置的內(nèi)部的腔體或者內(nèi)部的氣體導(dǎo)管中加入進(jìn)去，進(jìn)而隨著重力下落到氣體導(dǎo)管的出氣口由等離子高溫火焰瞬間進(jìn)行加熱反應(yīng)。除了這種直接在原有的等離子發(fā)生裝置中進(jìn)入原料顆粒外，還可以對(duì)等離子發(fā)生裝置進(jìn)行改進(jìn)，在等離子發(fā)生裝置內(nèi)部增加若干個(gè)導(dǎo)管，導(dǎo)管上端端口開(kāi)設(shè)在等離子發(fā)生裝置的上端，下端開(kāi)設(shè)在等離子發(fā)生裝置的下端與氣體導(dǎo)管相通。
[0017]在使用等離子發(fā)生裝置作為高溫源加熱制備碳化硅時(shí)，本發(fā)明還進(jìn)一步提出了更加多方式的碳化硅制備方法。
[0018]—種碳化娃的制備方法,其特征在于,包括將碳源和娃石或金屬娃或者兩者的混合物同時(shí)直接投入到等離子火焰中進(jìn)行加熱反應(yīng)，進(jìn)而生成碳化硅。
[0019]本方法是將碳源和硅石或者金屬硅通過(guò)各自的通道同時(shí)直接投入到等離子火焰中，在投入后只要保證兩者之間充分的混合就能生成碳化硅。
[0020]在上述的碳化硅的制備方法中，所述的碳源是在與硅元素反應(yīng)中碳元素起還原反應(yīng)或者起碳化反應(yīng)的物質(zhì)。
[0021]在上述的碳化硅的制備方法中，所述的碳源為氣態(tài)碳源，氣態(tài)碳源為碳氧化合物、碳?xì)浠衔?、碳氟化合物或者碳氯化合物中的一種或者幾種混合。
[0022]在上述的碳化硅的制備方法中，所述的碳源為固態(tài)碳源，固態(tài)碳源為石墨、純碳、焦炭、石油焦或者木材中的一種或幾種混合。
[0023]在上述的碳化硅的制備方法中，將碳源和硅石或金屬硅或者兩者混合物制成原料顆粒并直接投入到等離子火焰中進(jìn)行加熱反應(yīng)。
[0024]在上述的碳化硅的制備方法中，所述的等離子火焰由一臺(tái)或者一臺(tái)以上的等離子發(fā)生裝置產(chǎn)生 。
[0025]在上述的碳化硅的制備方法中，等離子火焰以速度大于50米/秒的速度噴出。碳源中的金屬氧化物不會(huì)在碳化硅內(nèi)擴(kuò)散，一般在碳化硅的表面容易去除，而金屬氧化物與碳源反應(yīng)后生成的金屬如金屬鋁會(huì)在高溫環(huán)境下擴(kuò)散到碳化硅中從而影響碳化硅的純度。而等離子火焰的速度能夠產(chǎn)生較快的氣流，而這些氣流能夠使碳源在反應(yīng)中形成的灰分金屬或者金屬氧化物在接觸到碳化硅前就被吹走，通過(guò)這種方式能夠提高了碳化硅的制備純度。
[0026]通過(guò)上述方法中后，為提高生成碳化硅的純度，本方法包括一個(gè)提純步驟。
[0027]一種碳化硅的制備方法，其特征在于，本方法包括一個(gè)提純步驟，在提純通道內(nèi)形成溫度連續(xù)增加的溫度梯度，內(nèi)含金屬雜質(zhì)的碳化硅經(jīng)過(guò)提純通道分別逐步氣化沸點(diǎn)低于碳化娃的金屬雜質(zhì)，在碳化娃氣化后將氣化的碳化娃抽離形成固態(tài)的碳化娃。
[0028]通過(guò)上述方法生產(chǎn)碳化硅后，由于金屬會(huì)在制造碳化硅時(shí)進(jìn)入到碳化硅結(jié)晶內(nèi)，而金屬氧化物則不會(huì)進(jìn)入，因此碳化硅表面和內(nèi)部依舊會(huì)有雜質(zhì)存在，因此，在本方法中含有碳化硅提純步驟，該提純步驟在是碳化硅經(jīng)過(guò)表面的酸洗和水洗后投入到提純通道內(nèi)，由于提純通道內(nèi)溫度是梯度分布的，內(nèi)含金屬雜質(zhì)的碳化硅先經(jīng)過(guò)溫度梯度的第一區(qū)域，在逐漸達(dá)到1500攝氏度的高溫中，碳化硅內(nèi)部的大部分金屬雜質(zhì)根據(jù)自己的沸點(diǎn)逐步氣化，氣化的金屬雜質(zhì)在碳化硅結(jié)晶內(nèi)根據(jù)熱擾動(dòng)的原理從碳化硅結(jié)晶內(nèi)排出，如鐵鋁等金屬，再進(jìn)過(guò)第二區(qū)域，通過(guò)2800攝氏度的高溫將碳化硅氣化，碳化硅內(nèi)部的金屬雜質(zhì)也將氣化，由于比重不同，大部分碳化硅集中在一層中，這時(shí)將氣化的碳化硅抽離形成固態(tài)的碳化硅，這樣就能提到99.99999%的碳化硅純度。
[0029]在上述的碳化硅的制備方法中，所述溫度梯度分為若干個(gè)加熱區(qū)域，每個(gè)加熱區(qū)域由各個(gè)的加熱裝置加熱。
[0030]在上述的碳化硅的制備方法中，在加熱區(qū)域中設(shè)置有供氣體流入的供氣口。氣體的流入方向與碳化硅的流入方向相反。通過(guò)氣體流入的阻礙，碳化硅能夠更久懸浮在該區(qū)域中，從而能夠延長(zhǎng)提純的時(shí)間。
[0031]在上述的碳化硅的制備方法中，在加熱區(qū)域設(shè)置有供提純通道內(nèi)的氣體和/或粉末流出的出氣口。
[0032]在上述的碳化娃的制備方法中，所述出氣口的長(zhǎng)度為Icm~5cm。
[0033]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本碳化硅的制備方法采用原料顆粒作為原料、等離子發(fā)生裝置作為加熱源并且采用高溫提純的方式制備碳化硅，這種方法能夠避免對(duì)環(huán)境的污染，還能提高碳化硅的純度。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0034]圖1、圖2和圖3是本碳化硅的制備方法中的原料顆粒。
[0035]圖4是本碳化硅的制備方法中采用的等離子發(fā)生裝置。[0036]圖5是本碳化硅的制備方法中裝有等離子發(fā)生裝置的設(shè)備。
[0037]圖6是本碳化硅的制備方法中裝有等離子發(fā)生裝置的另一種設(shè)備。
[0038]圖7是本本碳化硅的制備方法中提純裝置。
[0039]圖中，1、硅石；2、碳源；3、原料顆粒；41、腔體；42、氣體導(dǎo)管；43、套筒；44、進(jìn)料管；5、坩堝；6、頂升桿；7、托盤(pán)；8、冷卻管路；81、冷卻水入口 ；82、冷卻水出口 ；9、氣體調(diào)整筒；10、進(jìn)氣口 ；11、出氣口 ；12、導(dǎo)流罩；13、原料導(dǎo)管；14、排氣通道；15、氣流調(diào)整筒；16、反應(yīng)爐；161、氣體進(jìn)口一 ；162、碳化硅收集口 ；163、雜質(zhì)收集口 ；164、排氣口 ；165、氣體進(jìn)口二 ；166、氣體進(jìn)口三；17、原料供給桶；18、速度調(diào)節(jié)器；19、第一溫度區(qū)域；20、第二溫度區(qū)域；21、氣體噴射頭。
【具體實(shí)施方式】
[0040]以下是本發(fā)明的具體實(shí)施例，并結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的描述，但本發(fā)明并不限于這些實(shí)施例。
[0041]實(shí)施例1:[0042]碳化硅的制備方法是采用二氧化硅和純碳為原料，在高溫下二氧化硅被碳元素還原，生成固體的碳化硅和氣體的二氧化碳，灰分、雜質(zhì)的氣體與粉末被釋放出來(lái)。這個(gè)反應(yīng)的溫度以及速度由二氧化硅的大小以及二氧化硅與還原材料的碳元素的距離長(zhǎng)短來(lái)決定:二氧化硅越小以及二氧化硅與碳元素距離越短，反應(yīng)所需的溫度越低，速度越快。
[0043]為此，本發(fā)明采用以下步驟實(shí)現(xiàn)碳化硅的生產(chǎn):用含碳元素的碳源完全包裹住硅石I并制成原料顆粒3 ;將原料顆粒3在高溫下反應(yīng)生成碳化硅。硅石I的主要成分是二氧化硅。在本例中，硅石I可以用金屬硅代替，或者用硅石I和金屬硅兩者混合物代替硅石I都是可以的。
[0044]具體來(lái)說(shuō),如圖1-3所示,碳源2為固態(tài)粉末狀,是在與娃元素反應(yīng)中碳元素起還原反應(yīng)或者起碳化反應(yīng)的物質(zhì)。碳源2可以為石墨、木碳、焦炭、石油焦或者粉狀木材中的一種或幾種混合。在高溫環(huán)境下，這些材料都能產(chǎn)生碳元素，且碳元素均能與硅石或者金屬娃反應(yīng)。本例中米用石墨和粉末木材的混合物作為碳源2。粉末木材在高溫下能夠生產(chǎn)碳元素，由于粉末木材生成碳元素需要一定的時(shí)間，這樣能夠通過(guò)粉末木材的混合比例來(lái)控制碳化硅反應(yīng)的速度。在大量的試驗(yàn)中，粉末木材和石墨的重量混合比例控制在3:8最為合適。
[0045]原料顆粒3的最大對(duì)角線或者最大直徑為0.0Olmm~5mm。大于5mm后，原料顆粒3在高溫下反應(yīng)效果會(huì)降低,而小于0.0Olmm則會(huì)增加原來(lái)顆粒的制備成本。因此,在
0.0Olmm~5_范圍之內(nèi)是優(yōu)選的。其中2_3mm是最佳的范圍，兼顧成本和效率。原料顆粒3還包括含重量百分比為0.5-10%的碳化硅。原料顆粒3中增加碳化硅能夠起到防止生成的碳化硅相互粘結(jié)的作用。原料顆粒3中的硅元素和碳元素的質(zhì)量比例為3:1~3:3。
[0046]原料顆粒3是單個(gè)硅石或者單個(gè)金屬硅包裹在碳源2內(nèi)的原料顆粒3。這種原料顆粒3通過(guò)在碳源2中加入粘結(jié)劑和水?dāng)嚢栊纬烧骋?，將單層排列的單個(gè)硅石或者金屬硅浸入到該粘液中或者直接用粘液通過(guò)噴涂方式形成單個(gè)硅石或者金屬硅或者兩者的混合物包裹在碳源2內(nèi)的原料顆粒3。
[0047]原料顆粒3也可以是若干個(gè)單個(gè)顆粒整合成一個(gè)整體的原料顆粒3，單個(gè)顆粒是指單個(gè)硅石或者單個(gè)金屬硅包裹在碳源2內(nèi)；這種原料顆粒3通過(guò)碳源2、硅石或者金屬硅或兩者的混合物混合后，再加入粘結(jié)劑和水?dāng)嚢璨⒑娓?，通過(guò)造粒機(jī)形成多個(gè)將硅石或者金屬硅或兩者的混合物包裹在碳源2內(nèi)的原料顆粒3。粘結(jié)劑和水形成的粘液可以由5%PVA的水溶液(PVA為聚乙烯醇)制成。
[0048]因此，本例中的原料顆粒3包括內(nèi)部的硅石或者金屬硅和包裹在硅石或者金屬硅外的碳源2，碳源2內(nèi)包含有粘結(jié)液、木材和碳化硅。
[0049]作為優(yōu)選的，本發(fā)明原料顆粒3如下:
[0050]二氧化娃的顆粒直徑:0.01mm一Imm,優(yōu)選為50um,重量比是:碳源2的2_4倍。優(yōu)
選為3倍。[0051]碳源2顆粒的直徑:lum—IOOum,優(yōu)選為50um。
[0052]碳源2成分:竹碳，焦炭，木粉和石油焦。
[0053]碳源2的總重量是二氧化硅的20-40%，優(yōu)選為30%，其中木片是碳源2的4-6%，優(yōu)選為5% ;竹碳是全部碳源2的25-35%，優(yōu)選為30%。
[0054]灰分含量:lppm以下；灰分即是碳化娃內(nèi)的雜質(zhì)。
[0055]粘結(jié)防止材料:碳化硅，重量為二氧化硅重量的2-7%，優(yōu)選為5%。
[0056]在進(jìn)行一連串的反應(yīng)時(shí)，反應(yīng)是在原料顆粒3中或者附近進(jìn)行的，反應(yīng)設(shè)備中的氛圍為氧化性氣體，這樣就能夠防止灰分對(duì)生成的碳化硅進(jìn)行污染，對(duì)產(chǎn)品的污染能夠減少到原來(lái)方法的十分之一。
[0057]實(shí)施例2:
[0058]依據(jù)我們的實(shí)驗(yàn)，雖然反應(yīng)生成的碳化硅中含有的雜質(zhì)主要來(lái)源于二氧化硅和碳元素原料，碳元素作為加熱體時(shí)，也包括碳電極，實(shí)際上反應(yīng)后產(chǎn)生的灰分對(duì)碳化娃的純度影響非常大。即在碳元素加熱形成的還原氣氛中，在二氧化硅被還原的同時(shí)，作為殘?jiān)幕曳忠脖恢車倪€原氣氛所還原，其中生成的還原元素?cái)U(kuò)散侵入到生成的碳化硅中，將生成的碳化硅污染，導(dǎo)致碳化硅的純度低下。
[0059]在這種情況下，本發(fā)明包括采用裝備有等離子發(fā)生裝置4的設(shè)備來(lái)生產(chǎn)碳化硅。等離子發(fā)生裝置4能夠生成3000攝氏度的高溫。將原料顆粒3加入到等離子發(fā)生裝置4內(nèi)部或者內(nèi)部的氣體導(dǎo)管中或者等離子發(fā)生裝置4外部另外增加的其出口端接近氣體導(dǎo)管的導(dǎo)管中。具體來(lái)說(shuō)，如圖4所示，等離子發(fā)生裝置4內(nèi)部具有由套筒構(gòu)成的腔體41與氣體導(dǎo)管42相通，氣體導(dǎo)管42是用于通氬氣等氣體，其出口經(jīng)高電壓分成離子從而產(chǎn)生等離子火焰，等離子火焰越接近出氣口溫度越高。原料顆粒3從等離子發(fā)生裝置4的內(nèi)部的腔體41或者內(nèi)部的氣體導(dǎo)管42中加入進(jìn)去，進(jìn)而隨著重力下落到氣體導(dǎo)管42的出氣口由等離子高溫火焰瞬間進(jìn)行加熱反應(yīng)。特別的，在本例中對(duì)等離子發(fā)生裝置4還進(jìn)行改進(jìn)，在等離子發(fā)生裝置4內(nèi)部增加若干個(gè)導(dǎo)管，導(dǎo)管上端端口開(kāi)設(shè)在等離子發(fā)生裝置4的上端，下端開(kāi)設(shè)在等離子發(fā)生裝置4的下端與氣體導(dǎo)管42相通。
[0060]為了避免灰分的還原而對(duì)生成的碳化硅的污染，必須盡早的將灰分通過(guò)氣體排出或者將灰分氧化后同時(shí)通過(guò)氣體排出。等離子火焰由一臺(tái)或者一臺(tái)以上的等離子發(fā)生裝置產(chǎn)生，且等離子火焰以速度大于50米/秒的速度噴出。在等離子的高溫火焰中加入原料顆粒3，高速的還原反應(yīng)中產(chǎn)生的氣體及雜質(zhì)來(lái)不及與生成的碳化硅接觸就被排出，能夠防止灰分對(duì)碳化娃的污染。[0061]采用這方法制備碳化硅時(shí)，可采用如下裝有等離子發(fā)生裝置4的設(shè)備:
[0062]如圖5所示，反應(yīng)爐的內(nèi)部為空腔，反應(yīng)爐的內(nèi)部空腔隔絕外界空氣。反應(yīng)爐底部設(shè)置有坩堝5和頂升桿6，頂升桿6位于坩堝5底部，頂升桿6靠近坩堝5的端部固定有與坩堝5底部形狀相匹配的托盤(pán)7，坩堝5放置在托盤(pán)7內(nèi)。坩堝5用于收集制得的碳化硅，托盤(pán)7用于固定坩堝5，頂升桿6能帶動(dòng)托盤(pán)7上下移動(dòng)；在取出制得的碳化硅時(shí)將頂升桿6降下，方便拿去坩堝5，在收集碳化硅時(shí)，頂升桿6可以根據(jù)實(shí)際情況將坩堝5定位在離氣體導(dǎo)管42下端口一定距離處，使得坩堝5能制得的碳化硅完全收集。等離子發(fā)生裝置4為一個(gè)，固定在反應(yīng)爐上部，等離子發(fā)生裝置4具有一個(gè)套筒43，氣體導(dǎo)管42穿設(shè)在套筒43內(nèi)，套筒43外周面上具有散熱片，等離子發(fā)生裝置4上還設(shè)置有冷卻管路8，冷卻管路8具有冷卻水入口 81和冷卻水出口 82。冷卻水入口 81與一水泵相連，冷卻水流過(guò)冷卻管路8，將等離子發(fā)生裝置4產(chǎn)生的熱量帶走，使得等離子發(fā)生裝置保持在安全的工作溫度。等離子發(fā)生裝置4的外側(cè)設(shè)置有氣體調(diào)整筒9，氣體調(diào)整筒9能防止氣流擾亂等離子火焰，使得原料顆粒能受到均勻的熱量，保證原料顆粒的反應(yīng)完全，提高制得的碳化硅的純度。 [0063]反應(yīng)爐內(nèi)設(shè)置有通過(guò)氣流將產(chǎn)品和雜質(zhì)分離的分離裝置。分離裝置包括與反應(yīng)爐側(cè)部下端并于反應(yīng)爐內(nèi)腔連通的進(jìn)氣口 10和出氣口 11，進(jìn)氣口 10處設(shè)置有鼓風(fēng)機(jī)，反應(yīng)爐的底部設(shè)置有外壁與反應(yīng)爐內(nèi)壁平行的導(dǎo)流罩12，導(dǎo)流罩12內(nèi)部形成將雜質(zhì)吹向出氣口的氣流，出氣口 11處具有雜質(zhì)收集皿。在原料顆粒3通過(guò)等離子發(fā)生裝置4的出口時(shí)一部分雜質(zhì)會(huì)由于高溫氣化，此時(shí)碳化娃處于固態(tài)；鼓風(fēng)機(jī)將與反應(yīng)爐的內(nèi)部空腔內(nèi)相同的氣體從進(jìn)氣口吹入，將反應(yīng)后的碳化硅上的雜質(zhì)被氣流帶走，同時(shí)也能將灰分吹離碳化硅的表面，帶有雜質(zhì)的氣流至出氣口處，雜質(zhì)在出氣口處由于溫度降低重新結(jié)晶在雜質(zhì)收集皿上。
[0064]等離子發(fā)生裝置4的套筒43的上端設(shè)有四個(gè)進(jìn)料管44，放大圖如圖4所示，原料顆粒3通過(guò)進(jìn)料管進(jìn)入套筒43，并在套筒43和氣體導(dǎo)管42之間的空腔41內(nèi)滑落。在投放原料顆粒3時(shí)，根據(jù)實(shí)際情況可以在氣體導(dǎo)管42中隨同氣體一起送入氣體導(dǎo)管42中，也可以從套筒43上的進(jìn)料管中投入，在原料顆粒3落入到套筒43外就會(huì)進(jìn)入等離子火焰中，等離子火焰由在氣體導(dǎo)管42端口處產(chǎn)生，溫度由12000攝氏度逐步減小，原料顆粒3的二氧化硅或金屬硅與碳源2在等離子火焰中反應(yīng)生成碳化硅，原料顆粒3在高溫下的化學(xué)反應(yīng)式為Si02+3C=SiC+2C0丨。等離子火焰能產(chǎn)生強(qiáng)氣流，能將附著在碳化硅表面的雜質(zhì)吹走；在經(jīng)過(guò)等離子火焰時(shí)原料中的一部分雜質(zhì)氣化，氣化后的雜質(zhì)能從碳化娃表面吹走，只有極少數(shù)的雜質(zhì)落入反應(yīng)爐，因此制得的碳化硅的純度高。
[0065]實(shí)施例3:
[0066]在使用等離子發(fā)生裝置4作為高溫源加熱制備碳化硅時(shí)，本發(fā)明還進(jìn)一步提出了多種原料形式的碳化硅制備方法。
[0067]—種碳化娃的制備方法,包括將碳源2和娃石I或金屬娃或者兩者的混合物同時(shí)直接投入到等離子火焰中進(jìn)行加熱反應(yīng)，進(jìn)而生成碳化硅。本方法是將碳源2和硅石I或者金屬硅通過(guò)各自的通道同時(shí)直接投入到等離子火焰中，在投入后只要保證兩者之間充分的混合就能生成碳化娃。
[0068]具體來(lái)說(shuō),碳源2是在與娃元素反應(yīng)中碳元素起還原反應(yīng)或者起碳化反應(yīng)的物質(zhì)。所述的碳源2為氣態(tài)碳源2，氣態(tài)碳源2為碳氧化合物、碳?xì)浠衔?、碳氟化合物或者碳氯化合物中的一種或者幾種混合。
[0069]所述的碳源2為固態(tài)碳源2，固態(tài)碳源2為石墨、純碳、焦炭、石油焦或者木材中的一種或幾種混合。
[0070]將碳源2和硅石或金屬硅或者兩者混合物制成原料顆粒3并直接投入到等離子火焰中進(jìn)行加熱反應(yīng)。
[0071]在反應(yīng)中根據(jù)硅石或者金屬硅的分量保證有足夠的碳源即可。
[0072]該方法采用如下裝有等離子發(fā)生裝置4的設(shè)備 :
[0073]如圖6所示，一種等離子加熱裝置，包括內(nèi)部為空腔的反應(yīng)爐、至少一個(gè)等離子發(fā)生裝置4，等離子發(fā)生裝置4的氣體導(dǎo)管42位于反應(yīng)爐的坩堝5內(nèi)，等離子發(fā)生裝置4的氣體導(dǎo)管42下端口處能產(chǎn)生等離子火焰，在等離子發(fā)生裝置4外增設(shè)有若干根原料導(dǎo)管13，原料導(dǎo)管13的出料口朝下，且匯聚接近氣體導(dǎo)管42下端口，原料導(dǎo)管13與氣體導(dǎo)管42的夾角15-45度。原料導(dǎo)管13均勻分布。使用時(shí)，碳源2、硅石I或者金屬硅分別從原料導(dǎo)管13中按上述的方法步驟投入。
[0074]反應(yīng)爐的內(nèi)部空腔隔絕外界空氣。反應(yīng)爐上部具有與反應(yīng)爐的空腔相連通的排氣通道14，反應(yīng)爐的側(cè)部具有通氣通道。排氣通道14和反應(yīng)爐之間通過(guò)氣流調(diào)整筒15連通，等離子發(fā)生裝置4的氣體導(dǎo)管42和原料導(dǎo)管13均位于氣流調(diào)整筒15內(nèi)，氣流調(diào)整筒15呈圓臺(tái)形，氣流調(diào)整筒15直徑較小的一端位于反應(yīng)爐內(nèi)，氣流調(diào)整筒15直徑較大的一端位于排氣通道14內(nèi)。等離子發(fā)生裝置4在使用時(shí)會(huì)產(chǎn)生氣流，排氣通道和通氣通道能引導(dǎo)氣流從反應(yīng)爐流出，且不會(huì)在反應(yīng)爐內(nèi)產(chǎn)生亂流；等離子發(fā)生裝置4噴出的等離子火焰受到氣流調(diào)整筒的保護(hù)，保證火焰的形狀，使得原料從原料導(dǎo)管13出來(lái)后位于等離子火焰內(nèi)。
[0075]實(shí)施例4:
[0076]為提高生成碳化硅的純度，本方法包括一個(gè)提純步驟。本方法的提純步驟是碳化硅經(jīng)過(guò)表面的水洗和酸洗后投入到提純通道內(nèi)，在提純通道內(nèi)形成溫度連續(xù)增加的溫度梯度，含雜質(zhì)的碳化硅經(jīng)過(guò)提純通道分別逐步氣化熔點(diǎn)低于碳化硅的金屬雜質(zhì)，在碳化硅氣化后將氣化的碳化硅抽離形成固態(tài)的碳化硅。由于提純通道內(nèi)溫度是梯度分布的，含雜質(zhì)的碳化硅先經(jīng)過(guò)溫度梯度的第一區(qū)域，通過(guò)1500攝氏度的高溫將碳化硅表面的金屬雜質(zhì)氣化，再進(jìn)過(guò)第二區(qū)域，通過(guò)2800攝氏度的高溫將碳化硅氣化，碳化硅內(nèi)部的金屬雜質(zhì)也將氣化，由于比重不同，大部分碳化硅集中在一層中，這時(shí)將氣化的碳化硅抽離形成固態(tài)的碳化硅，這樣就能提到99.99999%的碳化硅純度。溫度梯度分為若干個(gè)加熱區(qū)域，每個(gè)加熱區(qū)域由各個(gè)的加熱裝置加熱。在加熱區(qū)域中設(shè)置有供氣體流入的供氣口。氣體的流入方向與碳化硅的流入方向相反。通過(guò)氣體流入的阻礙，碳化硅能夠更久懸浮在該區(qū)域中，從而能夠延長(zhǎng)提純的時(shí)間。在加熱區(qū)域設(shè)置有供提純通道內(nèi)的氣體和/或粉末流出的出氣口。為了盡快地將氣體排出，排氣的通道必須要最短，以前反應(yīng)爐的結(jié)構(gòu)上，通道的距離太長(zhǎng)，必然導(dǎo)致二次污染，出氣口的長(zhǎng)度為Icm~5cm。
[0077]保護(hù)氣體以與碳化硅相反的方向通入。保護(hù)氣體為氬氣，讓原料顆粒3保持在浮游狀態(tài)，蒸發(fā)的雜質(zhì)在其固有的溫度區(qū)域內(nèi)被排出，最終能夠在高溫部分收集到升華的高純度碳化硅。對(duì)于升華的量，底部的氣體噴出的浮游效果非常大，與沒(méi)有浮游效果的升華量相比較，收集的量是其的3倍。
[0078]
【權(quán)利要求】
1.一種碳化硅的制備方法，其特征在于，該方法包括用含碳元素的碳源(2)完全包裹住娃石(I)或者金屬娃或者兩者混合物并制成原料顆粒(3);將原料顆粒(3)在聞溫下反應(yīng)生成碳化娃。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的碳化硅的制備方法，其特征在于，所述碳源(2)為固態(tài)，是在與娃元素反應(yīng)中碳元素起還原反應(yīng)或者起碳化反應(yīng)的物質(zhì)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的碳化硅的制備方法，其特征在于，所述的碳源(2)為石墨、木碳、焦炭、石油焦或者粉狀木材中的一種或幾種混合。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的碳化硅的制備方法，其特征在于，所述原料顆粒(3)的最大對(duì)角線或者最大直徑為0.0Olmm~5mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的碳化硅的制備方法，其特征在于，所述原料顆粒(3)為單個(gè)硅石(I)或者單個(gè)金屬硅包裹在碳源(2 )內(nèi)的原料顆粒(3 );或者所述原料顆粒(3 )為若干個(gè)單個(gè)顆粒整合成一個(gè)整體的原料顆粒(3)，單個(gè)顆粒是指單個(gè)硅石(I)或者單個(gè)金屬硅包裹在碳源(2)內(nèi)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的碳化硅的制備方法，其特征在于，所述的碳源(2)、硅石(I)或者金屬硅或兩者的混合物混合后，再加入粘結(jié)劑和水?dāng)嚢璨⒑娓桑ㄟ^(guò)造粒機(jī)形成多個(gè)將硅石(I)或者金屬硅或兩者的混合物包裹在碳源(2)內(nèi)的原料顆粒(3)。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的碳化硅的制備方法，其特征在于，在碳源(2)中加入粘結(jié)劑和水?dāng)嚢栊纬烧骋?，將單層排列的單個(gè)硅石(I)或者金屬硅浸入到該粘液中或者直接用粘液通過(guò)噴涂方式形成單個(gè)硅石(I)或者金屬硅或者兩者的混合物包裹在碳源(2)內(nèi)的原料顆粒(3)。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的碳化硅的制備方法，其特征在于，所述的原料顆粒(3)還包括含重量百分比為0.5-10%的碳化硅。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的碳化硅的制備方法，其特征在于，所述原料顆粒(3)中的硅元素和碳元素的質(zhì)量比例為3:1~3:3。
10.一種碳化硅的制備方法，其特征在于，該方法包括采用裝備有等離子發(fā)生裝置(4)的設(shè)備來(lái)生產(chǎn)碳化硅。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的碳化硅的制備方法，其特征在于，原料顆粒(3)加入到等離子發(fā)生裝置(4)內(nèi)部(41)或者內(nèi)部的氣體導(dǎo)管(42)中或者等離子發(fā)生裝置(4)外部另外增加的其出口端接近氣體導(dǎo)管(42)的導(dǎo)管(13)中。
12.—種碳化娃的制備方法,其特征在于，包括將碳源(2)和娃石(I)或金屬娃或者兩者的混合物同時(shí)直接投入到發(fā)生裝置產(chǎn)生的等離子火焰中進(jìn)行加熱反應(yīng)，進(jìn)而生成碳化硅。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的碳化硅的制備方法，其特征在于，碳源(2)是在與硅元素反應(yīng)中碳元素起還原反應(yīng)或者起碳化反應(yīng)的物質(zhì)。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的碳化硅的制備方法，其特征在于，所述的碳源(2)為氣態(tài)碳源(2 )，氣態(tài)碳源(2 )為碳氧化合物、碳?xì)浠衔?、碳氟化合物或者碳氯化合物中的一種或者幾種混合。
15.根據(jù)權(quán)利要求13所述的碳化硅的制備方法，其特征在于，所述的碳源(2)為固態(tài)碳源(2)，固態(tài)碳源(2)為石墨、純碳、焦炭、石油焦或者木材中的一種或幾種混合。
16.根據(jù)權(quán)利要求13所述的碳化硅的制備方法，其特征在于，將碳源(2)和硅石(I)或金屬硅或者兩者混合物制成上述權(quán)利要求1-9所述的原料顆粒(3)并直接投入到等離子火焰中進(jìn)行加熱反應(yīng)。
17.根據(jù)權(quán)利要求12所述的碳化硅的制備方法，其特征在于，所述的等離子火焰由一臺(tái)或者一臺(tái)以上的等離子發(fā)生裝置(4)產(chǎn)生。
18.根據(jù)權(quán)利要求10-17任意一項(xiàng)所述碳化硅的制備方法，其特征在于，等離子火焰以速度大于50米/秒的速度噴出。
19.一種碳化硅的制備方法，其特征在于，本方法包括一個(gè)提純步驟，在提純通道內(nèi)形成溫度連續(xù)增加的溫度梯度，內(nèi)含金屬雜質(zhì)的碳化硅經(jīng)過(guò)提純通道分別逐步氣化沸點(diǎn)低于碳化硅結(jié)晶沸點(diǎn)的金屬雜質(zhì)，在碳化硅氣化后將氣化的碳化硅抽離形成固態(tài)的碳化硅。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的碳化硅的制備方法，其特征在于，所述溫度梯度分為若干個(gè)加熱區(qū)域。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的碳化硅的制備方法，其特征在于，在加熱區(qū)域中設(shè)置有供氣體流入的供氣口。
22.根據(jù)權(quán)利要求20所述的碳化硅的制備方法，其特征在于，在加熱區(qū)域設(shè)置有供提純通道內(nèi)的氣體和/或粉末流出的出氣口。
23.根據(jù)權(quán)利要求20 所述的碳化硅的制備方法，其特征在于，用于碳化硅抽出的出氣口長(zhǎng)度為Icm~15cm。
【文檔編號(hào)】C01B31/36GK103539122SQ201310477645
【公開(kāi)日】2014年1月29日 申請(qǐng)日期:2013年10月12日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月12日
【發(fā)明者】星野政宏 申請(qǐng)人:臺(tái)州市一能科技有限公司, 星野政宏