[發明專利]碳化硅晶體生長用高純碳化硅原料的固相合成方法

無效

• 申請號: 201210000615.5
• 申請日: 2012-01-04
• 公開（公告）號: CN103193232A
• 公開（公告）日: 2013-07-10
• 發明（設計）人: 陳建軍;王輝;孔海寬;忻雋;劉熙;肖兵;楊建華;施爾畏
• 申請（專利權）人: 上海硅酸鹽研究所中試基地;中國科學院上海硅酸鹽研究所
• 主分類號: C01B31/36
• 分類號: C01B31/36;C30B29/36
• 代理公司: 上海瀚橋專利代理事務所(普通合伙) 31261
• 代理人: 曹芳玲;鄭優麗

技術領域

本發明涉及電子工業和半導體材料技術領域，具體涉及碳化硅，尤其是一種碳化硅晶體生長用高純碳化硅原料的固相合成方法。

背景技術

碳化硅晶體是第三代寬帶隙半導體材料，和第一代硅、第二代砷化鎵半導體材料相比，具有禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導率高、電子飽和漂移速率高、電子遷移率高、介電常數小、抗輻射性能強、化學穩定性好等優良的物理化學性質，以及與硅集成電路工藝兼容等特點，優良的性能使得碳化硅晶體成為制造高溫、高頻、大功率、抗輻射、不揮發存儲器件及光電集成器件的優選材料，成為國際上新材料、微電子和光電子領域研究的熱點。

碳化硅晶體通常采用物理氣相傳輸法（physical?vapor?transport,?PVT）進行生長，即高純（電子級）的碳化硅粉料置于2000℃以上高溫處，沿碳化硅籽晶方向有一溫度梯度，使粉料與籽晶間有一個硅和碳組分的氣相輸運，實現在籽晶上定向生長碳化硅晶體。生產硅晶圓需要高純度的硅材料一樣，生產碳化硅晶圓也需要高純度的碳化硅原料。

制備碳化硅原料的方法有化學合成制備法和機械制備法，化學方法是將幾種物質在一定條件下使之發生化學反應，再從反應產物中得到碳化硅納米粉體。按初始原料的物態又可分為固相法（如碳熱還原法、硅與碳直接反應法等）、液相法（如溶膠-凝膠法、聚合物熱分解法等）及氣相法（如化學氣相沉積法、等離子體法、激光誘導法等）。機械制備法是將冶煉好的碳化硅大塊晶體經過一級破碎，然后通過粉磨過程制備超細粉體，可以使用球磨機、振動磨、攪拌磨等粉體機械。而目前生產中最常用的制備方法是碳熱還原法（Acheson），是在電阻爐中將石英（二氧化硅）和焦碳（碳）加熱到2000℃以上，生成粗的碳化硅粉體，反應后的樣品中通常存在多余的碳和石英，一般將樣品加熱到600℃以上氧化去除多余的碳，用氫氟酸浸泡去除多余的石英；將樣品碾磨和球磨以減小粒度，經過分級處理得到不同尺寸的碳化硅粉。

然而，傳統的碳化硅原料通常采用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生產綠色碳化硅時需要加食鹽)等原料，由于傳統碳化硅生產過程中原料、設備、粉碎等工藝難以進行精密控制，生產的碳化硅純度較低，介于95-99%之間，各種雜質含量尤其是金屬比較高。當采用純度較低的碳化硅原料生長碳化硅晶體時非常容易產生如多晶、微管道、位錯、包裹等缺陷，難以形成高質量的碳化硅晶體；而且，由于各種雜質尤其是過渡金屬雜質的影響，晶體性能嚴重下降，晶片無法作為器件制作使用。為獲得高純度碳化硅原料，專利CN101302011A公開了兩次合成法，該方法克服了一次合成反應不完全、不均勻的缺點，不僅使初次合成時剩余的碳和硅單質完全反應，且可以采用二次合成時的高溫有效去除碳粉和硅粉中攜帶的大部分雜質元素，提高了合成粉料的純度。但是，通過二次合成會增加加工工序，增加制備成本。

因此發展一種新的工藝方法，使得合成碳化硅所需的原料、設備、工藝所造成的污染可能性降低到最低限度，獲得高純度碳化硅原料。

發明內容

面對現有技術存在的上述問題，本發明人意識到將較容易獲得的高純度有機物作為原料的基礎上，通過控制工藝參數及條件，提高制成的碳化硅原料的純度。

在此，本發明提供一種碳化硅晶體生長用高純碳化硅原料的固相合成方法，該方法包括采用高純液態或溶膠狀態的含硅有機物和高殘炭率的有機物為原料、通過液相充分混合后干燥為固相態作為固相合成前驅體的前驅體處理工序。

本發明將簡單易得的有機物作為碳源和硅源來使用，因此生產成本低，制備工藝簡單，能大規模生產；并且采用了液態或溶膠狀態的碳源和硅源，通過液相充分混合后干燥為固相態作為固相合成前驅體，保證了碳源和硅源的超緊密接觸，克服了傳統的固相合成法原料混合反應不均的問題；又，因采用高純度碳源和硅源，能獲得可應用于碳化硅晶體的生長的高純度碳化硅原料。

在本發明中，所述含硅有機物可為六甲基二硅氧烷、硅溶膠等含硅的有機物，所述高殘炭率的有機物可為酚醛樹脂、聚氨酯、聚丙烯腈、聚乙烯醇等樹脂。本發明的原料來源豐富、易得。

在本發明中，所述干燥溫度可為100-400℃，優選為150-250℃，相應的干燥時間可為3-36小時。這樣可以使液態或溶膠狀態的高純有機物干燥成適合于固相合成工藝的高純固態混合物。