[發明專利]生產單同位素硅Si28的方法

無效

• 申請號: 00802205.4
• 申請日: 2000-10-04
• 公開（公告）號: CN1327434A
• 公開（公告）日: 2001-12-19
• 發明（設計）人: G·G·德夫亞特卡;A·M·普羅克霍羅夫;E·M·迪亞諾夫;A·V·古瑟夫;A·D·布蘭諾夫;P·G·賽尼科夫;H－J·波爾
• 申請（專利權）人: 俄羅斯科學院高純材料化學研究所
• 主分類號: C01B33/021
• 分類號: C01B33/021
• 代理公司: 中國國際貿易促進委員會專利商標事務所
• 代理人: 孫愛

發明領域

本發明涉及冶金學領域，特別是生產高純的單同位素硅及其它穩定的同位素Si²⁹、Si³⁰的方法。

硅應用于電子學領域，例如用來生產集成電路和電力電子儀器的元件。單同位素硅比天然同位素混合物具有更高的導熱性，是該領域中廣泛使用的一種主要的半導體材料。因此，它可以減少集成電路元件的尺寸，改進電力電子儀器設備的特性。

發明背景

通過將二氧化硅用硼還原的反應生產單同位素硅Si²⁸、Si²⁹、Si³⁰的方法是已知的一種方法(SU?1515795，1991年1月7日，C?30?B29/06，23/02)，該方法的缺點是所生產的硅會被硼所污染，由于其中的硼雜質很難除去，且對硅的電物理參數如比電阻、載荷子濃度等有負面影響，因而使硅的實際應用受到限制，甚至有時無法應用。

另一種生產單同位素硅的已知方法是通過高溫下用鎂將二氧化硅還原的方法，是將引發劑加熱到1433℃以上的溫度，然后將它們加入(RU?2036143，1995年5月27日，C?01?B?33/023)。該方法的缺點是一方面高溫狀態下會出現反應室材料的污染作用。另一方面所生產的混合物除硅外還包含氧化鎂，要通過溶解于鹽酸的方法分離出去。而化學試劑的使用會在最終產品中引入另外的雜質。

按照SU?2137710(1999年9月20日，C?01?B?33/027，C?22?B5/00)所述的生產用于制造電子元件的單同位素硅的方法是一種在技術實質和所達到效果方面與本發明最為類似的一種方法。按照該方法，通過將石英巖與一種試劑反應生成四氟化硅，所用試劑為廢六氟化鈾，所生成的四氟化硅分離成同位素，所形成的單同位素四氟化硅在850-900℃的溫度下用氨還原，得到單同位素硅。

該方法的缺點是所生成的單同位素硅的純度很低，另外不能生成棒狀硅，這樣就使得進一步深度提純和由其生產電子元件很困難。

發明實質

本發明的目的是發明一種由揮發性富同位素化合物生產至少為半導體純的單同位素硅Si²⁸的方法，在實現此目標的過程中，能確保得到高產率的無同位素稀釋作用的產物。

在由富含Si²⁸的無機化合物，主要是四氟化硅來生產單同位素硅Si²⁸的方法中，四氟化硅在高溫下被還原，由四氟化硅生成硅烷，將硅烷在800-900℃的溫度下進行高溫分解反應，且單同位素硅沉積到基體上的速度不超過0.5mm/小時，由此達到本發明的目的。

其中，優選通過在180-200℃的溫度下將四氟化硅用氫化鈣還原的方法來制備硅烷。

為調節硅的沉積速度，最好采用變動硅烷的供應速度的方法。按照實施本方法的優選形式，沉積過程在一個預先得到的單同位素硅的基體上進行。若沒有這樣的基體，則單同位素硅的沉積過程可以分兩個階段進行，第一階段是在一個難熔基體，可以是一種熔點高于硅沉積溫度的金屬上進行沉積，直到Si²⁸層達到可以與基體分離的厚度。然后，將得到的單同位素硅棒與基體脫離，繼續在第一階段得到的單同位素硅棒上進行沉積操作。第一沉積階段所得到的硅層通過機械方法或快速冷卻的方法與基體脫離。

最好將Si²⁸棒進行深度純化處理，優選采用無坩堝區域熔煉法處理。

通過在180-200℃的溫度下將四氟化硅用氫化鈣還原的方法能獲得富含Si²⁸的硅烷，這樣就能確保得到高產率硅烷且避免了單同位素硅Si²⁸的損失。溫度低于180℃時，四氟化硅轉化為硅烷的反應不完全，產率約70％。溫度高于200℃時，所得到的硅烷會部分分解，也會導致產率的下降，由此造成單同位素硅不可挽回的損失。

硅沉積過程的關鍵要素是硅烷在800-900℃的溫度下進行熱分解且硅層的增長速度不超過0.5mm/小時。所推薦的溫度范圍能確保所得硅的產率最高，大于90％。溫度低于800℃時，硅烷分解不完全，會以未反應產物的形式從反應區流出。硅烷在高于900℃的溫度進行分解的情況下，多晶硅沉積到基體上的同時會離析出一部分細碎顆粒狀的硅，被硅烷分解過程中形成的氫氣流帶出。為分離出晶體層形式的硅，最重要的一點是硅層的增長速度不能超過0.5mm/小時，在此情況下，粉末狀無定形硅的分數不大于1％。若硅層的增長速度超過0.5mm/小時，粉末狀無定形硅的分數可能會達到1％以上，使產物的產率降低。