碳化硅晶体生长用高纯碳化硅原料的固相合成方法技术

本发明专利技术涉及一种碳化硅晶体生长用高纯碳化硅原料的固相合成方法，包括采用高纯液态或溶胶状态的含硅有机物和高残炭率的有机物为原料、通过液相充分混合后干燥为固相态作为固相合成前驱体的前驱体处理工序。本发明专利技术将简单易得的有机物作为碳源和硅源来使用，因此生产成本低，制备工艺简单，能大规模生产；并且采用了液态或溶胶状态的碳源和硅源，通过液相充分混合后干燥为固相态作为固相合成前驱体，保证了碳源和硅源的超紧密接触，克服了传统的固相合成法原料混合反应不均的问题；又，因采用高纯度碳源和硅源，能获得可应用于碳化硅晶体的生长的高纯度碳化硅原料。

【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，尤其是一种。
技术介绍
碳化硅晶体是第三代宽带隙半导体材料，和第一代硅、第二代砷化镓半导体材料相比，具有禁带宽度大、击穿电压高、热导率高、电子饱和漂移速率高、电子迁移率高、介电常数小、抗辐射性能强、化学稳定性好等优良的物理化学性质，以及与硅集成电路工艺兼容等特点，优良的性能使得碳化硅晶体成为制造高温、高频、大功率、抗辐射、不挥发存储器件及光电集成器件的优选材料，成为国际上新材料、微电子和光电子领域研究的热点。碳化娃晶体通常采用物理气相传输法(physical vapor transport, PVT)进行生长，即高纯(电子级)的碳化硅粉料置于2000°C以上高温处，沿碳化硅籽晶方向有一温度梯度，使粉料与籽晶间有一个硅和碳组分的气相输运，实现在籽晶上定向生长碳化硅晶体。生产硅晶圆需要高纯度的硅材料一样，生产碳化硅晶圆也需要高纯度的碳化硅原料。制备碳化硅原料的方法有化学合成制备法和机械制备法，化学方法是将几种物质在一定条件下使之发生化学反应，再从反应产物中得到碳化硅纳米粉体。按初始原料的物态又可分为固相法(如碳热还 原法、硅与碳直接反应法等)、液相法(如溶胶-凝胶法、聚合物热分解法等)及气相法(如化学气相沉积法、等离子体法、激光诱导法等)。机械制备法是将冶炼好的碳化硅大块晶体经过一级破碎，然后通过粉磨过程制备超细粉体，可以使用球磨机、振动磨、搅拌磨等粉体机械。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。然而，传统的碳化硅原料通常采用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生产绿色碳化硅时需要加食盐)等原料，由于传统碳化硅生产过程中原料、设备、粉碎等工艺难以进行精密控制，生产的碳化硅纯度较低，介于95-99%之间，各种杂质含量尤其是金属比较高。当采用纯度较低的碳化硅原料生长碳化硅晶体时非常容易产生如多晶、微管道、位错、包裹等缺陷，难以形成高质量的碳化硅晶体；而且，由于各种杂质尤其是过渡金属杂质的影响，晶体性能严重下降，晶片无法作为器件制作使用。为获得高纯度碳化硅原料，专利CN101302011A公开了两次合成法，该方法克服了一次合成反应不完全、不均匀的缺点，不仅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。但是，通过二次合成会增加加工工序，增加制备成本。因此发展一种新的工艺方法，使得合成碳化硅所需的原料、设备、工艺所造成的污染可能性降低到最低限度，获得高纯度碳化硅原料。
技术实现思路
面对现有技术存在的上述问题，本专利技术人意识到将较容易获得的高纯度有机物作为原料的基础上，通过控制工艺参数及条件，提高制成的碳化硅原料的纯度。在此，本专利技术提供一种，该方法包括采用高纯液态或溶胶状态的含硅有机物和高残炭率的有机物为原料、通过液相充分混合后干燥为固相态作为固相合成前驱体的前驱体处理工序。本专利技术将简单易得的有机物作为碳源和硅源来使用，因此生产成本低，制备工艺简单，能大规模生产；并且采用了液态或溶胶状态的碳源和硅源，通过液相充分混合后干燥为固相态作为固相合成前驱体，保证了碳源和硅源的超紧密接触，克服了传统的固相合成法原料混合反应不均的问题；又，因采用高纯度碳源和硅源，能获得可应用于碳化硅晶体的生长的高纯度碳化硅原料。在本专利技术中，所述含硅有机物可为六甲基二硅氧烷、硅溶胶等含硅的有机物，所述高残炭率的有机物可为酚醛树脂、聚氨酯、聚丙烯腈、聚乙烯醇等树脂。本专利技术的原料来源丰富、易得。在本专利技术中，所述干燥温度可为100-400°c，优选为150-250°c，相应的干燥时间可为3-36小时。这样可以使液态或溶胶状态的高纯有机物干燥成适合于固相合成工艺的高纯固态混合物。 在本专利技术中，所述固相合成方法还可包括将所述固相合成前驱体于还原性气氛中高温碳化而转变为主要含硅和碳的混合物 的碳化工序；将所得混合物于还原性气氛中减压高温合成为疏松状的一次碳化硅料的高温合成工序；将所述疏松状的一次碳化硅料高温氧化以去除多余的碳和/或金属杂质得二次碳化硅料的高温氧化工序；以及对所述二次碳化硅料进行湿法酸处理而获得高纯碳化硅粉体的湿法酸处理工序。又，所述碳化工序可在有还原气氛保护的电阻炉或中频感应炉中进行，碳化温度可为650-1200°C，碳化时间可为1-24小时。此外，在所述碳化工序中，所述还原气氛可采用氩气气氛、氢气气氛等。在本专利技术中，所述高温合成工序在有还原性气氛保护的石墨电阻炉或中频感应炉(优选石墨电阻炉)中进行；合成温度为1500-2200°C，优选1700-2000°C ;时间为3_36小时；真空度为5X KT3Pa以下，优选IXlO-3Pa以下；炉内气氛压力为l_700Torr，优选10-200Torr。又，在所述高温合成工序中，所述还原性气氛可为氢气气氛、氩气气氛或两者的混合气氛。在有还原性气氛保护下的高纯度炉内分别进行碳化处理和高温合成处理，可将环境所带来的污染的可能性降到了最低限度。在所述高温合成工序中，通过控制工艺条件，可将氮元素对原料及晶体的污染降到了最低，并且合成和具有疏松状形态的一次碳化硅料，易于粉碎，而且不容易引入杂质。在高温氧化时选用气体为高纯氧气，氧化温度可为600-1500°C，优选为800-1200°C，时间可为1-24小时。通过高温氧化处理，可有效去除碳和/或金属杂质。而且采用高纯氧气，不容易引入杂质。所述湿法酸处理采用的酸液可为HCl、HF、H2S04、HN03的一种或几种混合酸浸泡，浸泡温度可为20-85 °C，浸泡时间可6小时以上。附图说明图1示出本专利技术示意流程图。具体实施例方式参照说明书附图，并结合下述实施方式进一步说明本专利技术，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。本专利技术以高纯液态或溶胶状态的含硅有机物作为硅源，以高纯液态或溶胶状态的高残炭率的有机物作为碳源，通过固相合成工艺制备出高纯碳化硅原料。首先，参见图1，在步骤SI准备硅源和碳源，作为硅源可以使用高纯六甲基二硅氧烷、硅溶胶等，碳源可以使用高纯酚醛树脂、聚酰亚胺、聚氨酯、聚丙烯腈、聚乙烯醇等树脂，但是优选地采用六甲基二硅氧烷和酚醛树脂。本专利技术中，上述物质的纯度不小于99.9%。之后， 在步骤S2,将闻纯含娃有机物和闻残炭率的有机物均勻混合后,然后在步骤S3干燥成固态混合物，具体地，将准备好的上述有机物放置于洁净石英坩埚中搅拌均匀，碳硅比为1-3。将混合后的物质转移至电阻炉中干燥，得到干燥的固态混合物作为固相合成前驱体。上述干燥温度可为100-400°C，优选为150-250°C，时间可为3_36小时。接着，将上述固态混合物(固相合成前驱体)依次进行碳化(步骤S4)、高温合成(步骤S5 )、高温氧化(步骤S6 )和湿法酸处理(步骤S7 )。以下对碳化、高温合成、高温氧化及湿法酸处理的具体过程进行详细说明。碳化过程具体可为，在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种碳化硅晶体生长用高纯碳化硅原料的固相合成方法，其特征在于，所述固相合成方法包括采用高纯液态或溶胶状态的含硅有机物和高残炭率的有机物为原料、通过液相充分混合后干燥为固相态作为固相合成前驱体的前驱体处理工序。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：陈建军，王辉，孔海宽，忻隽，刘熙，肖兵，杨建华，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：