碳化硅怎么生产的？

  常见的方法是将石英砂与焦炭混合，利用其中的二氧化硅和石油焦，加入食盐和木屑，置入电炉中，加热到2000°C左右高温，经过各种化学工艺流程后得到碳化硅微粉。

  碳化硅因其很大的硬度而成为一种重要的磨料，但其应用范围却超过一般的磨料。制备碳化硅制品首先要制备碳化硅冶炼块。在工业生产中，碳化硅冶炼块通常以石英、石油焦等为原料，辅助回收料、乏料，经过粉磨等工序调配成为配比合理与粒度合适的炉料经高温制备而成。

  高温制备碳化硅冶炼块的热工设备是专用的碳化硅电炉，其结构由炉底、内面镶有电极的端墙、可卸式侧墙、炉心体等组成。该电炉所用的烧成方法俗称：埋粉烧成。它一通电即为加热开始，炉心体温度约2500℃，甚至更高，炉料达到1450℃时开始合成碳化硅，且放出co。然而，≥2600℃时碳化硅会分解，但分解出的si又会与炉料中的C生成碳化硅。

  每组电炉配备一组变压器，但生产时只对单一电炉供电，以便根据电负荷特性调节电压来基本上保持恒功率，大功率电炉要加热约24h，停电后生成碳化硅的反应基本结束，再经过一段时间的冷却就可以拆除侧墙，然后逐步取出炉料。

  高温煅烧后的炉料从外到内分别是：未反应料、粘结物层、无定形物层、二级品碳化硅层、一级品碳化硅层、炉芯体石墨。在上述各层料中，通常将未反应料和一部分氧碳化硅层料作为乏料收集，将氧碳化硅层的另一部分料与无定形物、二级品、部分粘结物一起收集为回炉料，而一些粘结很紧、块度大、杂质多的粘结物则抛弃之。

  而一级品则经过分级、粗碎、细碎、化学处理、干燥与筛分、磁选后就成为各种粒度的黑色或绿色的碳化硅颗粒。要制成碳化硅微粉还要经过水选过程；要做成碳化硅制品还要经过成型与结烧的过程。

本文说说碳化硅的那些事。 碳化硅材料的发展 历史 比较久远，1824年瑞典化学家Berzelius在人工生长金刚石的过程中发现了碳化硅SiC。1885年Acheson用焦炭和硅石的混合物以及一定量氯化钠在熔炉中高温加热，制备出了小尺寸碳化硅晶体，但存在大量缺陷。 碳化硅材料的应用始于20世纪初。1907年美国Round制造出第一个碳化硅发光二极管；1920年碳化硅单晶作为探测器用于早期的无线电接收机上。不过因为单晶生长难度较大，碳化硅在很长一段时间内没有很好的应用，到了1955年飞利浦发明了一种采用升华法制备高质量碳化硅的新方法即Lely法，碳化硅材料再次焕发生机。 七八十年代碳化硅的制备及应用实现重大突破。1978年前苏联科学家Tairov等人改良了Lely法，可以获得较大尺寸的碳化硅晶体。1979年第一个碳化硅发光二极管问世；1981年Matsunami发明了在硅衬底上生长碳化硅单晶的方法；1991年美国公司Cree采用升华法生长出碳化硅晶片并实现产业化。 目前碳化硅及其应用呈现出以下几个特点：第一是晶圆尺寸实现大尺寸化，Cree的6英寸碳化硅晶片实现产业化，并积极推进8英寸晶片的产业化。第二晶体缺陷密度不断下降，比如4英寸碳化硅单晶微管密度下降至0.1cm^-2以下，穿透性螺位错和基平面位错密度控制在10^2cm^-2。第三碳化硅基功率器件不断涌现，除了特斯拉和蔚来 汽车 在电动车上使用了SiC-MOSFET，还发展出了SBD、HMET等器件。当然第四点相比硅基半导体的奋起直追，中国在碳化硅第三代半导体上与国外发展水平基本持平，衬底方面天科合达等实现了4英寸的产业化和6英寸的技术突破，并积极向8英寸推进；山东天岳等公司拥有相应的外延生长技术。在器件制造上扬杰 科技 、士兰微等也积极推进碳化硅基功率半导体的产业化。 碳化硅材料的特性之一就是拥有超过200多种晶体结构，每一种结构对应的电学性能等存在一定差异。目前主要是六角4H、六角6H和菱方15R等，其中4H和6H实现产业化： 总体上相比氮化镓和硅等，碳化硅材料拥有最高的热导率、较高的带隙、电子迁移率和饱和电子速率等，可以制造能在高温、高压、更高功率和更高工作频率等情形下的器件。 在具体应用方面，碳化硅主要实现了以下应用：第一是碳化硅为衬底制备高亮度和超高亮度蓝绿InGaN铟镓氮LED；第二是实现了KV级高压MOSFET器件制造，比如罗姆半导体生产的1200V、35A的SiC-MOSFET；第三是用于300V到1200V甚至3300V等更高压的碳化硅基肖特基势垒管SBD的制造；第四是在半绝缘碳化硅衬底上制备氮化镓、铝镓氮AlGaN高电子迁移率晶体管HEMT；第五是在SiC-IGBT上有所突破，实现了P沟道IGBT的制造。 在碳化硅材料制备上，1955年飞利浦提出了Lely法，也称升华法。Lely法的基本原理是：在空心圆筒状石墨坩埚中（最外层石墨坩埚，内置多孔石墨环），将具有工业级纯度的碳化硅粉料投入坩埚与多孔石墨环之间加热到2500度，碳化硅在此温度下分解与升华，产生一系列气相物质比如硅单晶、Si2C和SiC2等。由于坩埚内壁与多孔石墨环之间存在温度梯度，这些气相物质在多孔石墨环内壁随机生成晶核。总的来说Lely法产率低，晶核难以控制，而且会形成不同结构，尺寸也有限制。 目前碳化硅材料制备多采用改进Lely法、高温CVD法和溶液法，其中以改进Lely法为主流。 改进Lely法也称物理气相传输法PVT，是前苏联科学家Tairov和Tsvetkov于1978年提出的。改进Lely法使用了工作频率10-100KHz的中频感应加热单晶炉，在生长过程中加入籽晶用于控制晶核和晶向： 在改进Lely法中碳化硅单晶生长主要经历低温高真空阶段、高压升温阶段、高压保温成核阶段、降压生长阶段、恒压恒温生长阶段和升压冷却阶段等六个阶段。当然在具体生长过程中，为了制备符合要求的碳化硅单晶，降低微管、位错密度等缺陷，会对籽晶的籽晶面等适当微调，在此不再展开。 碳化硅单晶有绝缘型、半绝缘型之分，按照掺杂类型还有P型掺杂和N型掺杂之分，无形中提升了碳化硅的制备难度。比如制备功率器件的是N型4H-SiC衬底，器件要求衬底电阻率小于20毫欧姆*厘米，制备低电阻率的N型4H-SiC常用高浓度N掺杂，但随着掺杂浓度提高，单晶中位错密度会升高。Kato等人提出的氮、铝共掺杂技术制备出了低电阻率的N型4H-SiC单晶，所用的单晶炉有两套加热系统，其中上部加热系统与普通Lely法相同，主要对SiC原料加热并为单晶生长提供合适的温度；下部加热系统为铝原料加热。这样通过对生长压力、温度等参数调整，可以实现有效的氮、铝共掺杂。 碳化硅的外延主要采用化学气相沉积CVD，以后再说。

碳化硅生产工艺流程简述如下:⑴、原料破碎采用锤式破碎机对石油焦进行破碎,破碎到工艺要求的粒径。⑵、配料与混料配料与混料是按照规定配方进行称量和混匀的过程。本项目配料采用平台,混料采用混凝土搅拌机,按照工艺要求对石油焦和石英砂进行配料、混料作业。⑶、电炉准备电炉准备是把上次用过的炉重新修整、整理,以再次投入使用。作业内容包括洁理炉底料,修整电极,清理炉墙并修补,去装力、1挡, 检查、排除炉的其他缺陷。⑷、装炉装炉是按照规定的炉料类别、部位、尺寸往炉内装填反应料、保温料、炉芯材料,并砌筑具有保温和盛料作用的熔炼炉侧墙。⑸、送电冶炼冶炼炉与变压器接通之后即可送电。送电开始15min投以明火,点燃CO,冶炼过程持续170h。⑹、冷却冶炼炉停炉之后进行自然冷却,然后进行扒炉(卸炉墙,扒乏料),继续进行自然冷却。⑺、出炉分级出炉分级是从炉上取下结晶块、石墨,并把一级品、二级品、石墨等物分开的过程。本项目出炉分级采用炉外分级法,人工劈开结晶筒,将成块状的结晶筒运往分级场,进行人工分级。

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