[發明專利]用于半導體單晶生長的高純碳化硅粉的人工合成方法

有效

• 申請號: 200810016665.6
• 申請日: 2008-06-04
• 公開（公告）號: CN101302011A
• 公開（公告）日: 2008-11-12
• 發明（設計）人: 胡小波;寧麗娜;李娟;王英民;徐現剛
• 申請（專利權）人: 山東大學
• 主分類號: C01B31/36
• 分類號: C01B31/36
• 代理公司: 濟南圣達專利商標事務所有限公司
• 代理人: 王書剛

技術領域

本發明涉及一種用于半導體單晶生長的高純碳化硅粉的人工合成方法，屬于碳化硅粉料合成技術領域。

背景技術

碳化硅單晶因其具有禁帶寬度大、擊穿電場高、熱導率大、電子飽和漂移速度高、介電常數小、抗輻射能力強、良好的化學穩定性等獨特的特性，在顯示、存儲、探測等光電子器件和高溫、高頻、大功率電子器件領域有廣闊的應用前景，在單晶襯底、同質外延半導體薄膜和器件工藝等方面發展迅速，是最理想的第三代半導體之一。半絕緣碳化硅在高頻下有低的介電損耗，使得它在作為基于寬帶隙半導體(例如SiC、GaN)的高溫、大功率、高頻電子器件和傳感器的單晶襯底上有很大的優勢。SiC粉料的純度在升華法生長半導體SiC單晶時起很重要的作用，直接影響生長單晶的結晶質量和電學性質。

SiC粉料合成的方法主要有三種：有機合成法、自蔓延法和Acheson法。有機合成法主要用于制備納米級SiC粉，合成的原料中有多種雜質元素，雖然通過后續處理可以得到雜質含量在1ppm以下的高純SiC粉料，但后續處理過程復雜，微粉收集困難，不適合大量生產使用。高溫自蔓延方法是利用物質反應熱的自傳導作用，使物質之間發生化學反應，在極短時間內形成化合物的高溫合成反應。由于Si和C之間的反應是弱放熱反應，在使用自蔓延方法合成時為了保證反應持續進行所需的熱量，要在其中加入其它的添加劑。《硅酸鹽學報》在1998年第26卷第2期發表的《預熱自蔓延合成SiC粉末機理的研究》中采用自蔓延方法合成了β-SiC粉末，利用SiO₂與Mg之間的放熱反應來彌補熱量不足，但這無疑引入了金屬雜質Mg和O元素，同時采用了氮氣作為載氣，氮作為雜質進入合成產物中，對生長晶體的電學性質有重要影響，且反應不均勻，有Si單質剩余。

目前工業上合成SiC粉料主要使用Acheson法，此法為1893年法國化學家E.G.Acheson發明。Acheson法是在高溫、強電場作用下，SiO₂被C還原，首先生成β-SiC，高溫下轉變成α-SiC。這種方法合成的SiC粉末氧化物含量達1wt％，存在堅硬固體結塊，需要粉碎、酸洗等工序，使得雜質含量較高，其純度無法達到生長半導體單晶的水平。

發明內容

本發明針對傳統Acheson法合成SiC粉料存在的不足，提供一種能夠得到高產率的用于半導體單晶生長的高純碳化硅粉的人工合成方法。

本發明的高純碳化硅粉的人工合成方法，包括以下步驟：

(1)按摩爾比1∶1的比例取Si粉和C粉，兩者的純度均大于99.998％，粒度均小于500μm；

(2)初次合成：將所取Si粉和C粉混合均勻后放入坩堝中，然后將坩堝置于中頻感應加熱爐中，對加熱爐的生長室抽真空，除去生長室中的氧氣和氮氣，同時將溫度升高至1000℃；然后向生長室中充入高純氬氣、氦氣或氬氣和氫氣的混合氣體，氬氣、氦氣、氫氣的純度均大于99.999％，加熱至合成溫度1500℃，保持反應時間15分鐘，而后降至室溫，將反應后的產物中大于1厘米的團聚物研成小于1mm的粉末；

(3)二次合成：將一次合成中所得產物粉末混合均勻，重新放入坩堝中，將坩堝置于中頻感應加熱爐中，對加熱爐的生長室抽真空，同時將溫度升高至1000℃；然后向生長室充入純度均大于99.999％的高純氬氣、氦氣或氬氣和氫氣的混合氣體，加熱至合成溫度1600℃到2000℃，合成時間為2小時-10小時，而后降至室溫，即可得到適于半導體SiC單晶生長的高純SiC粉料。

步驟(2)或(3)中向中頻感應加熱爐生長室中充入氬氣和氫氣的混合氣體時，氬氣與氫氣的體積比為90∶10。

由于Si和C反應為弱放熱反應，自身反應的熱量無法維持反應的進行，因此采用了持續加熱的方法使反應持續進行。

本發明采用兩次合成法，克服了一次合成反應不完全、不均勻的缺點，不僅可以使初次合成時剩余的Si和C單質完全反應，且可以采用二次合成時的高溫有效去除Si粉和C粉中攜帶的大部分雜質元素。在一次合成時大部分的Si和C都已經反應生成了SiC，不會導致高溫Si的損失，在保證合成產率的基礎上，使合成粉料的純度得到了提高，雜質濃度比原料中的要低。

附圖說明

附圖是實施例1中初次合成和二次合成產物的XRD圖。

具體實施方式

實施例1

(1)按摩爾比1∶1取C粉和Si粉，其中C粉純度大于99.998％，粒度小于500μm，Si粉純度大于99.998％，粒度小于500μm；