双重加热法合成碳化硅晶片的研究

论文摘要

碳化硅晶片具有晶相完整性好、缺陷少、对环境污染小等特点,是理想的碳化硅晶须替代材料。目前碳化硅晶片的生产主要采用常规加热设备,但存在能耗大、成本高、产率低等问题。本文在分析常规加热和碳化硅晶片合成原料具有导电性质的基础上,提出了双重加热合成碳化硅晶片的新思路。进而设计制作了新型粉末电热体、高阻值炭复合坩埚和双重加热炉,并对碳化硅晶片的双重加热合成工艺及提纯、分离工艺等进行了研究。分析探讨了碳化硅晶片双重加热合成机理。以酚醛树脂和高温绝缘介质为原料,设计制作了阻值大小可调的粉末电热体;将粉末电热体与高温粘结剂混合,制作了高阻值炭复合板;以高阻值炭复合板、石墨板为原材料,制作了高阻值炭复合坩埚。进而通过结构设计和材料选择,制作了双重加热炉。应用实验表明,在双重加热炉内,试样同时受到内、外双重加热的作用,外加热以自制的粉末电热体和坩埚作为发热体,内加热以试样自身作为发热体。通过对粉末电热体、高阻值炭复合坩埚、双重加热炉体结构的优化设计,解决了常规加热能量消耗大、炉膛容积小、试样温场不均匀、合成温度高、合成时间长等难题。系统研究了双重加热法合成碳化硅晶片的工艺条件,以及提纯和分级工艺。优化了工艺参数。表明双重加热炉完全能够满足低成本、大批量合成碳化硅晶片的要求。合成实验表明,双重加热法合成碳化硅晶片的优化工艺条件为:采用交流电加热,以白炭黑、炭黑为原料且质量配比为1.9:1、晶体生长控制剂加入量为白炭黑的5%、成核剂β-碳化硅晶须的加入量为白炭黑的4%,升温速率为5℃·min-1、合成温度为1900℃、合成时间为3h。提纯实验表明,浮选脱炭后可以得到品位为85.0%的碳化硅晶片,进一步用自制氧化脱炭炉于700℃处理1.5h,可将晶片中的炭完全脱除;脱炭后晶片再经过HF和HCl混合酸在60℃处理5h,可以有效去除二氧化硅和金属杂质。通过筛分分级、自由沉降分级和水力旋流器三级串联分级处理,可以将碳化硅晶片与少量的晶粒、晶须分离,从而使片径在50～100μm的碳化硅晶片得到富集,品位达到95.6%。利用研制的双重加热炉在优化工艺条件下制备的碳化硅晶片,片径为50～100μm、厚度为2～10μm、产率为85%、分散良好,碳化硅含量高达99.83%,晶型为α-SiC。分析认为碳化硅晶片主要通过二维成核生长和高温下β-碳化硅晶须晶型转变两种方式形成。认为电场催化在双重加热合成碳化硅晶片中具有显著作用。研究结果表明,双重加热法合成碳化硅晶片具有节能、省时、高效的优点,是低成本、大批量生产碳化硅晶片的有效手段。

论文目录

• 中文摘要
• ABSTRACT
• 1 绪论
• 1.1 碳化硅概述
• 1.1.1 碳化硅的晶体结构
• 1.1.2 碳化硅的性质与应用
• 1.1.3 碳化硅的抗氧化性能
• 1.1.3.1 惰性氧化
• 1.1.3.2 活性氧化
• 1.1.4 碳化硅的研究热点
• 1.1.4.1 碳化硅半导体
• 1.1.4.2 碳化硅增韧补强剂
• 1.2 碳化硅晶片的研究
• 1.2.1 碳化硅晶片增韧复合材料的优势
• 1.2.2 碳化硅晶片的应用
• 1.2.3 碳化硅晶片的制备方法
• 1.2.3.1 机械粉碎法
• 1.2.3.2 碳热还原合成法
• 1.2.3.3 升华法
• 1.2.3.4 化学气相沉积法
• 1.2.4 碳化硅晶片的提纯与分级
• 1.2.4.1 碳化硅晶片的提纯
• 1.2.4.2 碳化硅晶片的分级
• 1.2.5 碳化硅晶片的形状描述
• 1.2.6 碳化硅晶片生长的理论基础
• 1.2.6.1 晶体生长的基元过程
• 1.2.6.2 晶体生长机理
• 1.3 本论文的研究目的和主要研究内容
• 1.3.1 研究目的
• 1.3.2 主要研究内容
• 2 双重加热炉的研制
• 2.1 合成原料的导电特性
• 2.2 双重加热炉加热机理
• 2.3 双重加热炉的制作
• 2.3.1 实验原料与仪器
• 2.3.2 粉末电热体的制备及影响因素
• 2.3.2.1 酚醛树脂固化条件对粉末电热体电阻率的影响
• 2.3.2.2 酚醛树脂炭化条件对粉末电热体电阻率的影响
• 2.3.2.3 配料组成对粉末电热体电阻率的影响
• 2.3.2.4 电热体粉末粒度对其电阻率的影响
• 2.3.2.5 加载压力对粉末电热体电阻率的影响
• 2.3.3 高阻值炭复合坩埚的制备
• 2.3.4 耐火材料和保温材料的选择
• 2.3.4.1 耐火材料
• 2.3.4.2 保温材料
• 2.3.5 测温装置的选择
• 2.3.6 双重加热炉的组装
• 2.3.7 双重加热炉的运行效果
• 2.4 本章小结
• 3 碳化硅晶片的高温合成
• 3.1 实验原料与仪器
• 3.1.1 实验原料
• 3.1.2 实验仪器
• 3.2 实验内容
• 3.2.1 正交实验设计
• 3.2.2 单因素实验设计
• 3.2.3 实验过程
• 3.3 碳化硅晶片的高温合成工艺
• 3.3.1 正交实验结果与讨论
• 3.3.1.1 碳源
• 3.3.1.2 硅源
• 2:C 比'>3.3.1.3 SiO₂:C 比
• w用量'>3.3.1.4 β-SiC_w用量
• 3.3.1.5 晶体生长控制剂用量
• 3.3.1.6 合成温度
• 3.3.1.7 合成时间
• 3.3.2 单因素实验结果与讨论
• 3.3.2.1 合成温度的确定
• 3.3.2.3 晶体生长控制剂用量的确定
• w用量的确定'>3.3.2.4 β-SiC_w用量的确定
• 3.3.3 碳化硅晶片优化工艺条件的确定
• 3.3.4 加热方式的比较
• 3.3.4.1 常规加热
• 3.3.4.2 双重加热
• 3.4 本章小结
• 4 碳化硅晶片的提纯与分级
• 4.1 实验药品与仪器
• 4.1.1 实验药品
• 4.1.2 实验仪器
• 4.2 工艺流程与方法
• 4.2.1 碳化硅晶片的提纯
• 4.2.1.1 浮选脱炭
• 4.2.1.2 氧化脱炭
• 4.2.1.3 酸洗处理
• 4.2.2 碳化硅晶片的分级
• 4.2.2.1 筛分分级
• 4.2.2.2 自由沉降分级
• 4.2.2.3 水力旋流器分级
• 4.2.3 碳化硅晶片的表征
• 4.2.3.1 成分分析
• 4.2.3.2 形貌分析
• 4.2.3.3 物相分析
• 4.3 碳化硅晶片的提纯实验结果与讨论
• 4.3.1 浮选脱炭
• 4.3.1.1 捕收剂的用量
• 4.3.1.2 起泡剂的用量
• 4.3.2 氧化脱炭
• 4.3.2.1 脱炭效果评价
• 4.3.2.2 氧化脱炭温度的确定
• 4.3.2.3 氧化脱炭时间的确定
• 4.3.3 酸洗处理
• 4.4 碳化硅晶片的分级实验结果与讨论
• 4.4.1 筛分分级
• 4.4.2 自由沉降分级
• 4.4.3 水力旋流器分级
• 4.4.3.1 锥体角度的确定
• 4.4.3.2 底流口直径的确定
• 4.4.3.3 给料压力的确定
• 4.4.3.4 串联分级效果
• 4.5 碳化硅晶片的表征
• 4.5.1 化学分析结果
• 4.5.2 形貌分析结果
• 4.5.3 物相分析结果
• 4.6 本章小结
• 5 碳化硅晶片的生长机理
• 5.1 碳化硅晶片合成的热力学分析
• 5.2 碳化硅晶片合成的动力学分析
• 5.3 碳化硅晶片的生长机理
• 5.3.1 二维成核生长机理
• W的晶型转变生长机理'>5.3.2 Β-SIC_W的晶型转变生长机理
• 5.3.3 碳化硅晶片的缺陷
• 5.3.3.1 螺旋位错
• 5.3.3.2 微管
• 5.3.3.3 多层结构
• 5.4 碳化硅晶片生长的控制
• 5.5 本章小结
• 6 结论
• 6.1 主要结论
• 6.2 主要创新点
• 致谢
• 参考文献
• 附录