【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及半导体，具体涉及一种化学气相沉积制备高纯碳化硅的方法。
技术介绍
1、碳化硅单晶衬底(sic)是第三代化合物半导体材料，由碳和硅两种元素组成的化合物材料，主要分为导电型和半绝缘型，其中导电型碳化硅衬底(碳化硅外延)主要用于制造耐高温、耐高压的大功率器件，目前已广泛应用于电子电力领域，如新能源汽车、光伏、智能电网、轨道交通等领域，市场规模较大；另外半绝缘型碳化硅衬底(氮化镓外延)主要应用于滤波射频器件等领域，例如5g通讯中的功率放大器和国防中的无线电探测器等，随着5g通讯网络的加速建设，市场需求提升较为明显。
2、碳化硅单晶材料的主要制备方法是pvt(物理气相传输法)，以高纯的碳化硅粉体为原料，生长出碳化硅单晶，进而得到碳化硅单晶衬底。目前可以制备出高纯碳化硅粉体的方法主要有四种：化学气相沉积法(cvd法)、等离子体法、溶胶-凝胶法、自蔓延高温合成法，其中自蔓延高温合成法是全球碳化硅粉体的主要合成方法，也是目前应用最为成熟的。
3、全球碳化硅企业应用较为成熟的方法为自蔓延高温合成法。碳化硅粉体自蔓延高温合成法属于固相合成工艺，改进的自蔓延高温合成法采用高纯硅粉和高纯碳粉作为原料，在高温烧结炉中进行烧结，温度控制在1800～2000℃的高温下持续反应，最后得到高纯碳化硅合成粉体。此种方式制备的碳化硅粉体的缺点也很明显，首先是原料硅粉和碳粉需进行预处理，同时粉体中的杂质会全部转入碳化硅粉体中，因此碳化硅粉体的纯度完全受限于硅粉与碳粉的纯度，甚至会在预处理过程中引入新的杂质。其次，烧结过程需要长时间
4、综合来看，目前的自蔓延合成碳化硅粉体具有原料纯度有限，过程中易引入杂质，碳化硅粉体纯度难以达到6n以上，烧结不充分出现碳过量、石墨件等辅材消耗量大，运行能耗高的缺点，从而导致高纯碳化硅粉体的制备成本居高不下。
技术实现思路
1、本专利技术目的是提供一种化学气相沉积制备高纯碳化硅的方法，该方法极大提高了原料的纯度和原料的利用率，得到的产品纯度更高，降低了高温化学气相沉积过程中的能耗，提高了反应效率。
2、基于上述目的，本专利技术采取以下技术方案：
3、一种化学气相沉积制备高纯碳化硅的方法，包括以下步骤：
4、(1)将原料一甲基三氯硅烷进行精馏提纯，使其纯度大于99.99％，杂质含量低于5ppm；
5、(2)将步骤(1)提纯后的一甲基三氯硅烷和氢气按照摩尔比为1:2～20比例混合、汽化后，通入气相沉积炉内，进行反应；
6、(3)步骤(2)反应后的尾气主要成分为一甲基三氯硅烷、氢气、氯化氢、三氯氢硅、四氯化硅、烷烃，将反应后的尾气，经过冷却降温至室温，然后对其加压至0.6～1.0mpa，并与冷媒换热，进一步深冷降温至-38～-42℃，部分尾气发生液化形成冷凝液，冷凝液的主要组分为一甲基三氯硅烷和部分三氯氢硅、四氯化硅，将冷凝液经过换热升温至常温后，再送入精馏提纯工序，分离得到高纯的一甲基三氯氢硅，继续作为气相沉积反应的原料；
7、(4)将步骤(3)中未冷凝的尾气，主要成分为氢气、氯化氢、三氯氢硅、四氯化硅、烷烃，将未冷凝的尾气送入鼓泡淋洗工序，鼓泡淋洗液为氯硅烷液体，液体温度为-36℃，尾气中的三氯氢硅、四氯化硅和氯化氢气体在氯硅烷淋洗液中鼓泡淋洗并被吸附，吸附后的液体再进行蒸馏分离，将氯硅烷中吸附的氯化氢脱析，分离出的氯化氢可用于制酸或用于四氯化硅氢化，分离后的氯硅烷液体继续作为鼓泡淋洗液；
8、(5)鼓泡淋洗后的尾气主要成分为氢气和部分氯化氢、烷烃，再进入活性炭变压吸附，可吸附尾气中的氯化氢、烷烃，分离出高纯的氢气，继续用作化学气相沉积反应的载气，活性炭吸附饱和后，可降压脱附出氯化氢、烷烃等，再将其水解中和或燃烧处理。
9、优选的，步骤(1)中所述精馏提纯，精馏塔采用二塔串联的方式，先脱重，再脱轻，原料一甲基三氯硅烷中的高沸物主要为沸点在几百到一千多摄氏度之间的金属氯化物和磷化物，低沸物主要为氯化硼、三氯氢硅、四氯化硅，原料一甲基三氯硅烷从1塔进入，塔釜排出高沸物，降低金属和磷杂质；1塔塔顶采出一甲基三氯硅烷和少量三氯氢硅、四氯化硅一起进入2塔，2塔塔顶采出低沸物，分离出氯化硼、三氯氢硅、四氯化硅，塔釜产出高纯的一甲基三氯硅烷。
10、优选的，步骤(2)中，所述氢气纯度为大于5n，露点＜-60℃，氢中氮含量小于2ppm，氧含量小于4ppm。
11、优选的，步骤(2)中气相沉积反应温度为1200℃～1600℃，沉积过程压力常压至6bar。
12、优选的，步骤(2)中气相沉积反应温度为1400℃-1500℃，沉积过程压力0.5-1.5bar。
13、优选的，步骤(3)中，所述降至室温具体过程为：气相沉积反应的尾气出气温度为300～500℃，先经过一级降温，与常温冷却水换热降温，降至200～350℃，然后与进料混合气(约70～120℃)换热，在列管式换热器中进行二级换热降温至低于200℃，然后尾气再进行三级降温，以常温水为冷却介质，尾气温度可降至40℃以下，产生冷凝液；步骤(3)中所述深冷降温为将降至40℃以内的尾气加压至6-10bar后，尾气在列管式换热器中进行二次降温，尾气深冷降温至-38～-42℃，进一步产生冷凝液，换热介质为氟利昂，温度为-60℃，此时冷凝液组分主要为一甲基三氯硅烷和少量的三氯氢硅、四氯化硅。
14、优选的，步骤(3)中，将所述深冷降温至-38～-42℃的冷凝液先与尾气在列管式换热器中进行一级换热升温，温度从-40℃升至0～5℃，然后再与常温水介质在列管式换热器中进行二级换热升温至10～20℃，然后将此时的冷凝液送入提纯工序，脱除三氯氢硅和四氯化硅，得到一甲基三氯硅烷。
15、优选的，步骤(4)鼓泡淋洗过程中，采用的淋洗液为氯硅烷液体，氯硅烷液体可以是三氯氢硅，或四氯化硅，尾气压力为5-8bar，淋洗塔的压力控制在3～5bar，淋洗液温度为-34～-38℃。
16、优选的，步骤(5)中，鼓泡淋洗后的尾气中，不被吸收的气体主要是氢气和烷烃、氯硅烷、氯化氢，采用活性炭吸附柱吸附除氢气之外的其余组分，得到高纯的氢气。
17、优选的，所述吸附过程三个活性炭吸附柱为一组，每个活性炭吸附柱通过时间程序控制交替循环工作，分别进行吸附、再生、降温，在吸附过程中低温高压，温度为45～50℃，压力为0.4～0.6mpa，活性炭吸附了氢气中微量氯硅烷、氯化氢、烷烃后，过滤掉碳粉，得到高纯的氢气。
18、本专利技术所用吸附柱为柱状活性炭，其中粒度为4-12目活性炭占比大于93％，堆积比重为0.48-0.52g/ml。
19、本本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种化学气相沉积制备高纯碳化硅的方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的化学气相沉积制备高纯碳化硅的方法，其特征在于，步骤(1)中所述精馏提纯，精馏塔采用二塔串联的方式，先脱重，再脱轻，原料一甲基三氯硅烷中的高沸物主要为沸点在几百到一千多摄氏度之间的金属氯化物和磷化物，低沸物主要为氯化硼、三氯氢硅、四氯化硅，原料一甲基三氯硅烷从1塔进入，塔釜排出高沸物，降低金属和磷杂质；1塔塔顶采出一甲基三氯硅烷和少量三氯氢硅、四氯化硅一起进入2塔，2塔塔顶采出低沸物，分离出氯化硼、三氯氢硅、四氯化硅，塔釜产出高纯的一甲基三氯硅烷。
3.根据权利要求1所述的化学气相沉积制备高纯碳化硅的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述氢气纯度大于5N，露点＜-60℃，氢中氮含量小于2ppm，氧含量小于4ppm。
4.根据权利要求1所述的化学气相沉积制备高纯碳化硅的方法，其特征在于，步骤(2)中气相沉积反应温度为1200℃～1600℃，沉积过程压力为常压至6bar。
5.根据权利要求1所述的化学气相沉积制备高纯碳化硅的方法，其特征在于，步骤(
6.根据权利要求1所述的化学气相沉积制备高纯碳化硅的方法，其特征在于，步骤(3)中，将所述深冷降温至-38～-42℃的冷凝液先与尾气在列管式换热器中进行一级换热升温，温度从-40℃升至0～5℃，然后再与常温水介质在列管式换热器中进行二级换热升温至10～20℃，然后将此时的冷凝液送入提纯工序，脱除三氯氢硅和四氯化硅，得到一甲基三氯硅烷。
7.根据权利要求1所述的化学气相沉积制备高纯碳化硅的方法，其特征在于，步骤(4)鼓泡淋洗过程中，采用的淋洗液为氯硅烷液体，氯硅烷液体可以是三氯氢硅，或四氯化硅。
8.根据权利要求1所述的化学气相沉积制备高纯碳化硅的方法，其特征在于，步骤(5)中，鼓泡淋洗后的尾气中，不被吸收的气体主要是氢气和烷烃、氯硅烷、氯化氢，采用活性炭吸附柱吸附除氢气之外的其余组分，得到高纯的氢气。
...【技术特征摘要】
1.一种化学气相沉积制备高纯碳化硅的方法，其特征在于，包括以下步骤：
2.根据权利要求1所述的化学气相沉积制备高纯碳化硅的方法，其特征在于，步骤(1)中所述精馏提纯，精馏塔采用二塔串联的方式，先脱重，再脱轻，原料一甲基三氯硅烷中的高沸物主要为沸点在几百到一千多摄氏度之间的金属氯化物和磷化物，低沸物主要为氯化硼、三氯氢硅、四氯化硅，原料一甲基三氯硅烷从1塔进入，塔釜排出高沸物，降低金属和磷杂质；1塔塔顶采出一甲基三氯硅烷和少量三氯氢硅、四氯化硅一起进入2塔，2塔塔顶采出低沸物，分离出氯化硼、三氯氢硅、四氯化硅，塔釜产出高纯的一甲基三氯硅烷。
3.根据权利要求1所述的化学气相沉积制备高纯碳化硅的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述氢气纯度大于5n，露点＜-60℃，氢中氮含量小于2ppm，氧含量小于4ppm。
4.根据权利要求1所述的化学气相沉积制备高纯碳化硅的方法，其特征在于，步骤(2)中气相沉积反应温度为1200℃～1600℃，沉积过程压力为常压至6bar。
5.根据权利要求1所述的化学气相沉积制备高纯碳化硅的方法，其特征在于，步骤(3)中，所述降至室温具体过程为：气相沉积反应的尾气出气温度为300～500℃，先经过一级降温，与常温冷却水换热降温，降至200～350℃，然后与进料混合气(...
【专利技术属性】
技术研发人员：万烨，陈辉，张邦洁，常卓明，严大洲，
申请(专利权)人：洛阳中硅高科技有限公司，
类型：发明
国别省市：
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