用于碳化硅单晶生长的高纯碳化硅原料的合成方法技术

本发明专利技术涉及一种用于碳化硅单晶生长的高纯碳化硅原料的合成方法，包括：配料工序：采用高纯Si粉和高纯C粉为原料，高纯Si粉和高纯C粉的摩尔比大于1∶1且在1.5∶1以下；预处理工序：将高纯Si粉和高纯C粉放入坩埚中，然后置于加热炉中，对加热炉的生长室抽高真空至1×10-3Pa以下，同时将温度升高至600～1300℃；以及高温合成工序：在规定压力的高纯非氧化性气氛下，于反应温度1500～2500℃下，保持反应2～20小时，而后降至室温，即可得到用于碳化硅单晶生长的高纯碳化硅原料。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及电子工业和半导体材料
，具体涉及碳化硅合成
，尤其是涉及一种用于碳化硅单晶生长、粒径可控的高纯3相或a相碳化硅原料的人工合成方法。
技术介绍
碳化硅(SiC)单晶材料具有高出传统硅数倍的禁带宽度、电子的饱和漂移速度、临界击穿电压、热导率、耐高温等优良特性，在高温、高压、高频、大功率、光电、抗辐射、微波性等电子应用领域和航天、军工、核能等极端环境应用有着不可替代的优势。SiC原料的纯度、粒径和晶型在升华法生长半导体SiC单晶时起重要的作用，直接影响生长单晶的结晶质量 和电学性。SiC粉料合成的方法主要有三种有机合成法、自蔓延法和Acheson法。有机合成法主要用于制备纳米级SiC粉，合成的原料中有多种杂质元素，通过后续处理可以得到杂质含量在Ippm以下的高纯SiC粉，但后续处理过程复杂，微粉收集困难，不适合大量生产使用。高温自蔓延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。由于Si和C之间的反应是弱放热反应，在使用自蔓延方法合成时为了保证反应持续进行所需的热量，要在其中加入其它的添加剂，这就容易引入其它杂质元素。而目前生产中最常用的制备方法是碳热还原法(Acheson)，是在电阻炉中将石英(二氧化硅)和焦碳(碳)加热到2000°C以上，生成粗的碳化硅粉体，反应后的样品中通常存在多余的碳和石英，一般将样品加热到600°C以上氧化去除多余的碳，用氢氟酸浸泡去除多余的石英；将样品碾磨和球磨以减小粒度，经过分级处理得到不同尺寸的碳化硅粉。此法生产的SiC磨料，因含有较多杂质，使用前需要进行提纯处理，但由于受生产工艺的限制，提纯后的原料纯度仍然无法达到生长半导体SiC单晶的水平。近来，山东大学的专利CN101302011A公开了二次合成法制备高纯SiC原料的方法，该方法克服了传统的一次合成反应不完全、不均匀的缺点，其通过二次合成使初次合成时剩余的碳和硅单质完全反应，且可以采用二次合成时的高温有效去除碳粉和硅粉中携带的大部分杂质元素，提高了合成粉料的纯度。然而，在该法中，由于粉料需要二次处理，工序较复杂且处理过程中容易引入其它杂质元素。而且通过二次合成会增加加工工序，增加制备成本。
技术实现思路
面对现有技术存在的上述问题，专利技术人意识到Si与C的反应为弱放热反应，自身反应的热量无法维持反应的进行，因此可采用了持续加热的方式使反应持续进行。基于该认识本专利技术人经过锐意的研究，发现通过对原料Si粉与C粉的配比、合成温度、合成压力及合成时间等工艺条件的探索研究，可以提供一种高效的用于SiC单晶生长的粒径可控的高纯碳化娃粉的一次合成方法。在此，本专利技术提供ー种，所述合成方法包括配料エ序采用高纯Si粉和高纯C粉为原料，所述高纯Si粉和高纯C粉的摩尔比大于I :1且在1.5 :1以下(优选可为1.05 :1 I. I 1);预处理工序将所述高纯Si粉和高纯C粉放入坩埚中，然后置于加热炉中，对所述加热炉的生长室抽高真空至IXlO-3Pa以下，同时将温度升高至600 1300°C (优选为1000 1300°C );以及高温合成エ序在规定压力(优选为I. 066 X IO5Pa以下，更优选为1.0X104 7. O X IO4Pa)的高纯非氧化性气氛下，于反应温度1500 2500°C (优选为1800 2100°C )下，保持反应2 20小时，而后降至室温，即可得到用于碳化硅单晶生长的高纯碳化硅原料。本专利技术采用一次合成法，克服了二次合成反应エ序复杂、易引入杂质的缺点。而且 通过调节Si粉与C粉的摩尔比，可使Si与C单质发生完全反应，也克服了传统的一次合成反应不完全、不均匀的缺点；另外，通过合成温度及合成时间的选择调节还可有效去除大部分杂质元素。本专利技术的方法可得到粒径可控、不同晶型的SiC粉料。在保证合成产率的基础上，可得到中位粒径在500 μ m以下，尤其是50 500 μ m的高纯β相或α相SiC粉料，可用于半导体SiC单晶的生长。在本专利技术中，采用的高纯Si粉和高纯C粉的纯度可大于99. 99%，例如大于99. 995%。采用高纯的原料可进ー步提高制得的碳化硅粉的纯度。在本专利技术中，采用的高纯非氧化性气氛的纯度大于99. 999%。可将环境所帯来的污染的可能性降到了最低限度。在本专利技术中，所述高纯非氧化性气氛可为惰性气氛或惰性气氛和还原性气氛的混合气氛，惰性气体可为氩气气氛和/或氦气气氛，还原性气氛可为氢气气氛。在本专利技术的一个优选的实施例中，所述高纯非氧化性气氛为氩气与氢气的混合气氛，其中所述氩气与氢气的体积比为90 10以下。采用惰性气体氩气和还原性气体氢气的混合气氛作为保护性非氧化性气氛，可有效降低合成原料中的氮杂质含量，为高纯半绝缘SiC晶体生长提供保障。在本专利技术的一个优选的实施方式中，所述高温合成エ序可包括第一合成エ序将温度升温至第一反应温度，反应20分钟；第二合成エ序升温或降温至不同于第二反应温度再反应2小时；以及重复所述第一合成エ序和第二合成エ序；其中，所述第一反应温度和第二反应温度分别独立的选自所述反应温度中的任意值，且所述第一反应温度不同于所述第二反应温度。采用分段式合成方案，不仅可使Si粉和C粉发生充分反应，提高产率，而且可有效降低合成料中的金属杂质含量。又，在本专利技术中，采用的加热炉可为中频感应加热炉或电阻加热炉。采用的坩埚可为耐高温的坩埚，例如能用于2000°C及以上的石墨坩埚或氧化铝坩埚，优选为石墨坩埚。本专利技术所采用的实验器材方便易得、耐用。附图说明图I示出在示例合成温度1980°C下Si/C摩尔比分别为I :1和I. 05 1合成的SiC粉料的XRD图2示出在示例合成温度2050°C下Si/C摩尔比分别为I :1和1.05 :1合成的SiC粉料的XRD图。具体实施例方式參照说明 书附图，并结合下述实施方式进ー步说明本专利技术，应理解，下述实施方式仅用于说明本专利技术，而非限制本专利技术。本专利技术以高纯Si粉和高纯C粉通过固相合成エ艺制备出用于碳化硅单晶生长高纯碳化硅原料。高纯Si粉和高纯C粉的纯度至少大于99. 99% (4N)，优选大于99. 995%，以从源头减少杂质。采用的高纯Si粉和高纯C粉的粒径可小于500 μ m。在本专利技术中，可相对于所用的C粉，可采用稍过量的Si粉，以使Si与C单质发生完全反应。具体地，所用的高纯Si粉和高纯C粉的摩尔比大于I :1且在I. 5 :1以下，优选的Si/C摩尔比为I. 05 I. I。将上述高纯Si粉和高纯C粉混合均匀，放入坩埚中。然后将坩埚置于加热炉中，对加热炉的生长室抽高真空，例如至lX10_3Pa以下除去生长室中的气体，同时将温度升高至600 1300°C，优选至1000 1300°C。在此，坩埚可用常用耐高温坩埚，例如能用于2000°C及以上的石墨坩埚或氧化铝坩埚，优选石墨坩埚。加热炉可采用中频感应加热炉或电阻加热炉。然后加入规定压力的高纯非氧化性气体对后续的高温合成反应进行保护。在这里规定的压カ为I. 066X IO5Pa以下，优选为1.0X104 7.0X104Pa。高纯非氧化性气体的纯度优选大于99. 999%ο高纯非氧化性气体可采用惰性气体，或惰性气体和还原性气体的混合气体。惰性气本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于碳化硅单晶生长的高纯碳化硅原料的合成方法，其特征在于，所述合成方法包括 配料工序采用高纯Si粉和高纯C粉为原料，所述高纯Si粉和高纯C粉的摩尔比大于I 1且在I. 5 1以下； 预处理工序将所述高纯Si粉和高纯C粉放入坩埚中，然后置于加热炉中，对所述加热炉的生长室抽高真空至lX10_3Pa以下，同时将温度升高至600 1300°C ;以及 高温合成工序在规定压力的高纯非氧化性气氛下，于反应温度1500 2500°C下，保持反应2 20小时，而后降至室温，即可得到用于碳化硅单晶生长的高纯碳化硅原料。2.根据权利要求I所述的合成方法，其特征在于，所述高纯Si粉和高纯C粉的纯度大于 99. 99%o3.根据权利要求I或2所述的合成方法，其特征在于，所述高纯Si粉和高纯C粉的摩尔比为I. 05 :1 I. I :1。4.根据权利要求I所述的合成方法，其特征在于，在所述预处理工序中，将温度升高至1000 1300°C。5.根据权利要求I所述的合成方法，其特征在于，在所述高温合成工序中，反应温度为1800 2100。。。6.根据权利要求I所述的合成方法，其特征在于，所述高纯非氧化性气氛的纯度大于99. 999%，所述规定的压力为I. 066X IO5Pa...

【专利技术属性】
技术研发人员：高攀，陈建军，刘熙，严成锋，孔海宽，忻隽，郑燕青，施尔畏，
申请(专利权)人：上海硅酸盐研究所中试基地，中国科学院上海硅酸盐研究所，
类型：发明
国别省市：