[发明专利]用于碳化硅单晶生长的高纯碳化硅原料的合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及电子工业和半导体材料技术领域，具体涉及碳化硅合成技术领域，尤其是涉及一种用于碳化硅单晶生长、粒径可控的高纯β相或α相碳化硅原料的人工合成方法。

背景技术

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1ppm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℃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℃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。

发明内容

面对现有技术存在的上述问题，发明人意识到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。基于该认识本发明人经过锐意的研究，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硅粉的一次合成方法。 

在此，本发明提供一种用于碳化硅单晶生长的高纯碳化硅原料的合成方法，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1：1且在1.5：1以下（优选可为1.05：1～1.1：1）；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1×10^-3Pa以下，同时将温度升高至600～1300℃（优选为1000～1300℃）；以及高温合成工序：在规定压力（优选为1.066×10⁵Pa以下，更优选为1.0×10⁴ ～7.0×10⁴Pa）的高纯非氧化性气氛下，于反应温度1500～2500℃（优选为1800～2100℃）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。

本发明采用一次合成法，克服了二次合成反应工序复杂、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。本发明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500μm以下，尤其是50～500μm的高纯β相或α相SiC粉料，可用于半导体SiC单晶的生长。

在本发明中，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一步提高制得的碳化硅粉的纯度。

在本发明中，采用的高纯非氧化性气氛的纯度大于99.999%。可将环境所带来的污染的可能性降到了最低限度。