应用于半导体领域中的超高纯碳化硅粉制备技术制造技术

本发明专利技术提供了一种应用于半导体领域中超高纯碳化硅粉制备技术，通过选择正确分子结构、元素组成的碳硅类聚合物、纯度、液体固化方式、造粒技术及控制配制、制备、固化和热裂解等过程中的污染物，控制微量污染元素如Al、Fe、B、P、Pt、Ca、Mg、Li、Na、Ni、V、Ti、Ce、Cr、S和As等杂质总含量低于10ppm，从而制备出具有5个9、6个9或更高纯度的半导体级碳化硅粉体的生产技术，并且所制备的碳化硅高纯粉能够满足碳化硅衬底晶圆片、碳化硅石墨外延基座上涂层及合成钻石莫桑石晶体生长所要求的纯度、粒径、密度、形貌等要求。貌等要求。

【技术实现步骤摘要】
应用于半导体领域中的超高纯碳化硅粉制备技术


[0001]本专利技术涉及电力、电子工业等半导体材料领域，尤其是碳化硅单晶材料，碳化硅外延基座，更具体地涉及一种用于碳化硅单晶生长和碳化硅外延基座用的高纯碳化硅粉料制备方法。

技术介绍

[0002]电力电子是国民经济和国家安全领域的重要支撑技术，随着信息产业的快速发展和微电子技术的进步，新型电子器件正在向耐咼压、大容量、咼频率、咼可靠性和集成化方向发展，SiC单晶作为第三代宽带隙半导体材料，具有宽禁带、高热导率、高电子饱和迁移速率、高击穿电场等性质，被认为是制造光电子器件、高频大功率器件、高温电子器件理想的半导体材料，在白光照明、光存储、屏幕显示、航天航空、石油勘探、自动化、雷达与通信、汽车电子化等方面有广泛应用。由于碳化硅的这些优异特性，近年来许多国家都相继投入大量资金对其进行深入研究，并在碳化硅晶体生长技术、关键器件工艺、光电器件开发、碳化硅集成电路制造等方面取得了突破。目前Sic单晶的制备普遍采用PVT(物理气相)法，而其中SiC粉料的纯度以及其他参数对PVT法制备的SiC单晶尤其是N型和高纯半绝缘单晶的结晶质量与电学性质起着至关重要的作用。
[0003]一般来说，SiC粉料合成的方法主要有三种：Acheson法、有机合成法和自蔓延法。Acheson法是在高温、强电场作用下，SiO2被C还原，首先生成 3
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SiC，高温下转变成a
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SiC，这种方法合成的SiC粉末需要粉碎、酸洗等工序，杂质含量较高，其纯度无法达到生长半导体单晶的水平；有机合成法主要用于制备纳米级SiC粉，一般合成的原料中有多种杂质元素，虽然通过后续处理可以得到纯度很高的高纯SiC粉料，但后续处理过程复杂，微粉收集困难，不适合大量生产使用，且易产生对人体有害的物质，此外，该法合成的SiC 粉料粒度太小，会严重影响SiC单晶的结晶质量；高温自蔓延方法是利用物质反应热的自传导作用，使物质之间发生化学反应，在极短时间内形成化合物的高温合成反应。自蔓延法是C粉Si粉直接接触发生反应生成SiC的方法。目前该方法已被广泛用于高纯SiC粉料制备。
[0004]CN 106749383 A、CN105948781B、CN104744706、US 2007/0093587介绍都是化学合成方法，通过分子结构设计具有特殊结构聚含硅碳元素烷，裂解成特殊碳化硅，从而提高碳化硅产品的纯度。但是他们都需要大量金属催化剂，影响纯度，而且工艺复杂、无法满足半导体制冷要求。
[0005]CN102701208A公开了高纯碳化硅粉体的高温固相合成方法，该方法将高纯硅粉和高纯碳粉混合均匀后，然后进行高真空热处理，即采用高纯惰性气体在不同压力和不同温度下抽真空清洗，然后在1800
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2100℃进行高温合成，最终获得氮含量在15ppm以下的高纯碳化硅粉体。CN103708463A公开了公斤级高纯碳化硅粉的制备方法，该方法首先进行坩埚预处理，先镀碳膜后镀碳化硅膜，然后将硅粉和碳粉混合均匀后放入中频加热炉，在1500
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1900℃之间高温合成获得公斤级高纯碳化硅粉料。
[0006]CN101302011A公开了用于半导体单晶生长的高纯碳化硅粉的人工合成方法，主要
采用二次合成方法，将硅粉和碳粉混合后，第一次先低温1500℃合成，然后将一次合成的粉料混合均匀后升高温度到1800
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2000℃进行二次合成，该方法可有效去除硅粉和碳粉中的杂质元素。CN104828825A公开了用高纯碳纤维与高纯Si粉低温合成碳化硅粉料的方法。CN103508454B公开了三次合成高纯碳化硅粉料的方法，先在高温下利用高纯C粉Si粉初次合成碳化硅，紧接着压碎后高温形成二次碳化硅，最后高温真空脱气，形成三次碳化硅粉料。得到的三次碳化硅粉料还需经湿法化学冶金处理工艺处理，最终得到高纯碳化硅粉料。CN102674357A公开了利用高纯C粉与Si粉先经过预处理工序，然后通过高温合成工序合成高纯碳化硅粉料的方法。以上所述现有方法中均为高纯碳材料和高纯Si粉混合，且在充满惰性气体或惰性气体与还原气体的混合气环境中合成SiC粉料。由于所使用的高纯碳材料与高纯Si粉粒度小，相互间间隙小，混合放入坩埚后，原料内部的气体在真空下很难被完全抽走，此外，由于所选惰性气体及还原气体虽然纯度很高，然而，仍含有少量杂质气体，因此，选择在充满惰性气体或者惰性气体以及还原气体的混合气环境下合成碳化硅粉料时，杂质气体元素会在C、Si反应过程中混入，从而影响合成SiC粉料的纯度。
[0007]另外CN101302011A和CN103508454B公开了二次合成和三次合成SiC 粉料的方法，虽然这样会提高粉料纯度，然而工序复杂，增加了粉料制备成本，而专利CN104828825A虽然采用低温方法合成SiC粉料节约了成本，但是这种方法只能合成3
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SiC(3C相SiC)，合成粉料物相单一，难以满足生长碳化硅单晶时对粉料晶型的选择。
[0008]在CN 105417541 A公开了一种高纯碳化硅粉料制备的方法，实现超高纯度SiC粉料且工序简单的高纯碳化硅粉料制备方法。将混合好的原料置于高纯石墨坩埚中，将石墨坩埚置于中频感应加热炉中；在未开始加热时往炉腔中注入高纯氮气至800mbar，然后保持压力800mbar，并保持氮气持续充入1 小时；将设备抽真空，使得真空度达到5X10
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6mbar，随后缓慢升温至略低于 1000℃，停留一定时间，使得真空度再次达到5X10
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6mbar，，紧接着缓慢升温至1000℃
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1200℃，进行合成反应，合成时间持续10h；在1200℃ T，将高纯氮气注入炉腔，保持压力在800mbar，保持1h，将高纯Ar与氮气以流量比10∶1注入炉腔，保持压力在800mbar，然后快速升温至1900℃
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2100℃进行转化合成反应，合成时间持续10h以上方法该方法虽然能够控制碳化硅合成环境污染，一定程度提高碳化硅纯度但是温度太高和时间太长，不适合真正产业化生产。
[0009]CN107001152A、US9657409、US20170073233A1、WO2016049362A2、 WO2017053883A1专利介绍料一种专用于电子及半导体领域的高纯碳化硅发生产方法，介绍有机硅化学、聚合物衍生的电子陶瓷材料和方法。用于制备具有3个9、4个9、6个9或更高纯度的碳化硅(SiC)材料的材料和方法，使用所述高纯度SiC的方法和制品。该方法不同于有机合成方法，不需要特殊催化剂而且该方法原料成本低，合成工艺简单，但是专利没有介绍具体细节。
[0010]通过对以上专利技术专利分析，我们发现任何一种方法都存在缺陷，他们或者无法保证原料如硅源、碳源纯度，或者反应过程由于催化剂引入影响料最终碳化硅中金属杂质含量，虽然有的技术能够保证纯度，但是因为没有公布具体实施细节方案，具体产业化效率值得怀疑。本专利技术主要是本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳化硅粉体颗粒，所述碳化硅粉体颗粒包括：A由聚硅氧烷、聚硅碳烷、聚硅碳氮烷等碳硅类聚合物高温裂解而成；其中裂解而成碳化硅粉粒径大小为10～500um，形貌为球形、纺锤形等。B用来制备碳化硅粉体材料的碳硅类聚合物中，其中所述聚合物中硅氧(氮)碳含有摩尔比为约30％至85％的碳，约5％至40％的氧(氮)和约5％至35％的硅。2.如权利要求1所述的制品，其中所述碳化硅粉体颗粒中含有的Al、Fe、B、P和Ti杂质，而且杂质低于约100ppm的杂质总量，更优选低于约10ppm。3.如权利要求1所述的，其中所述碳化硅粉体颗粒的纯度至少为99.9999％，更优选可以达到99.99999％。4.如权利要求1所述的碳化硅粉体颗粒，其主要用来生产碳化硅半导体衬底晶圆片、碳化硅石墨外延基座涂层、光学件、碳化硅类电子陶瓷件、人造宝石等，特别优先应用于碳化硅外延基座涂层、碳化硅衬底外延晶片、人工合成莫桑石。5.一种碳化硅组合物，其包括聚合物衍生的碳化硅颗粒；所述颗粒的平均粒径根据具体用途而控制大小，其中最小为约0.5um或更小，最大不超过500um；所述粉体颗粒基本上由处于SiC4构型的硅和碳组成，其中所述颗粒具有低于0.0005％的过量碳，且纯度至少为99.99999％。6.如权利要求2所述的碳化硅粉体杂质组合物，有低于约10ppm的杂质总含量，所述杂质选自由Al、Fe、B、P、Pt、Ca、Mg、Li、Na、N、V、Ti、Ce、Cr、S和As元素构成的组。7.如权利要求1所述的碳化硅粉体颗粒，其制备方法中，通过一定造粒方法，...

【专利技术属性】
技术研发人员：周曦东，刘兰英，
申请(专利权)人：北京纳斯特克纳米科技有限责任公司，
类型：发明
国别省市：